JP2005249235A - 熱処理用さや及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 機械的強度や熱衝撃性にも優れ、かつ１１００℃以上の高温において酸化、還元いずれの雰囲気下でも使用可能で、しかも通気性に優れると共に熱容量を低く抑えることによって、均一な加熱焼成と省エネルギー化にも貢献することができる熱処理用さやを提供する。
【解決手段】 一体焼結された酸化アルミニウムで表面が被覆された鉄・クロム・アルミニウム系耐熱金属材料からなる網によって形成したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱処理に際して被熱処理品を収納して熱処理炉内に供給する熱処理用容器であるさやに係り、より詳しくは各種セラミック部品や粉末冶金等、１０００℃以上の高温域における熱処理に用いられても、繰返しの使用が十分に可能な耐久性に優れる熱処理用さやに関する。

近年、電子工学分野において急激に用途が広がりつつある各種セラミック部品や粉末冶金部品の焼成温度は、一般に１０００℃以上であることが多く、用いられる焼成用容器即ちさやには耐熱性が必須の要件となり、通常はセラミック製や耐熱金属製のさやが汎用されている。

セラミック製さやとして一般的なものは酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムもしくはスピネルなどを主成分としたものが多く、焼成雰囲気によっては炭化物や窒化物を用いたものも使用されており、いずれも１０００℃以上の高温に対しても十分に耐えうることが実証されている。しかしながら、それらセラミック製さやは脆性が高く、熱衝撃に対して弱いというセラミック特有の欠点を有し、破損が原因となって繰返しの使用回数が限定されるという問題があり、それを解決する手段として網状に形成したニクロム線等を、ガラス質成形体中に埋め込んで熱歪を抑制した耐火性さやが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、セラミック製さやは、さやそのものが精巧で緻密に焼き上げられる傾向にあり、セラミックの本来保有する多孔質性が損なわれ、通気性に欠けるという新たな問題が発生すると共に、緻密に焼き上げられたセラミック製さやは、さや自体の熱容量が大きくなり、焼成時の消費電力の増加を招き、省エネルギー化をはかる上で大きな障害となっている。

ところで最近の上記セラミック部品や粉末冶金部品に対する焼成に際しては、その目的に応じて焼成雰囲気を制御しつつ加熱する手段が多用されている上、焼成工程の効率化を考慮して、被焼成体である誘電体素子等を多数詰め込んださやを、さらに多段に重ねて焼成炉に装入して同時に焼成する方法が一般に採用されているが、かかる状況において雰囲気ガスを炉内に均一に流通させるためには、さやの通気性が重要な要件となる。そこで方形の箱型に成形したセラミック製さやの壁面に通気用の溝を形成すると共に、底部と四方の壁面に複数の通気孔を設けた焼成用さやも提案されている（例えば、特許文献２参照）。又、この通気性を確保するためにセラミック製のさやをハニカム状に形成することも検討されているが、構造的に一層脆くならざるを得ず、その上高価なものとなるところから、通気性にかかわる斯界の要望に対する解決手段とはなり得ないものであった。

一方、ステンレスやニッケル等の耐熱性金属を素材として用いた熱処理用さやも提案され、すでに実用に供されている。このさやは素材が金属であるところから網状の加工が容易であり、優れた通気性を確保できる上に機械的強度や熱衝撃性にも優れた特性を有している。しかしながら、耐熱性については１１００℃までが限界であり、特に大気中においては酸化による強度低下や、焼成体である素体との化学反応が急激に進行することが懸念されるため、使用温度の限界点を９００℃以下に抑制しているのが現状である。
特開昭５７−１２４６８６（第１〜３頁、図１〜４図） 特開平８−２１３２９１（第１〜４頁、図１〜４図）

本発明は、熱処理用さやにかかわる上記の問題点、即ち高温耐熱性に優れ、酸化、還元雰囲気下においても使用可能でありながら、加工性や熱衝撃性に課題を残すセラミック製さやと、機械的強度や熱衝撃性に優れた特性を有しながら、高温耐熱性や酸化雰囲気下での使用に課題を残す耐熱金属性さやとに残されたそれぞれの課題を解決し、機械的強度や熱衝撃性にも優れ、かつ１１００℃以上の高温において酸化、還元いずれの雰囲気下でも使用可能で、しかも通気性に優れると共に熱容量を低く抑えることによって、均一な加熱焼成と省エネルギー化にも貢献することができる熱処理用さや及びその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る熱処理用さやは、一体焼結された酸化アルミニウムで表面が被覆された鉄・クロム・アルミニウム系耐熱金属材料からなる網によって形成されたことを特徴とするものである。
又、本発明に係る熱処理用さやの製造方法は、鉄・クロム・アルミニウム系耐熱性金属線によって網状の熱処理用さやを形成し、しかる後に大気中で加熱処理することにより、表面に酸化アルミニウム皮膜を一体焼結せしめることを特徴的構成要件とするものである。

本発明による熱処理用さやは、基材が鉄・クロム・アルミニウム系耐熱性金属からなり、該基材金属の表面を加熱処理することによって酸化アルミニウム皮膜を生成させ、一体として焼結せしめたものであるから、機械的強度や熱衝撃性に関しては耐熱性金属特有の性能を保持しながら、その表面に一体として被覆された酸化アルミニウム皮膜が、セラミックス特有の耐熱性と、化学的安定性を保持することとなる。従って、耐熱性金属そのものを基材として用いた従来の熱処理用さやでは使用不可能であった１０００℃以上の高温域における加熱焼成にも有効に用いられ、雰囲気ガスや焼成体との化学反応を未然に防止して、安定的に耐え得るという効果を奏する。
又、その機械的強度や熱衝撃に対しても十分に対応できるため、繰返しの使用にも殆ど破損することなく、優れた耐久性が得られる。更に、網状であるから良好な通気性が確保され、酸化、還元等のガス雰囲気下における焼成であっても、焼きむらが発生せず、均一な焼成を効率的に実施することが可能となる上、熱容量が減少し、加熱焼成に要するエネルギーを最小限に止めることが可能となり、省エネルギー化にも大きく貢献し得る。
更に又、本発明方法によれば、機械的強度や熱衝撃性はもとより、耐久性にも優れ、かつ１０００℃以上の高温域においても均一な加熱焼成が可能な熱処理用さやを既存の設備で容易にかつ低コストで製造することができる。

本発明に係る熱処理用さやの一例を模式的に示す斜視図である。ここでは、矩形の熱処理用さやを例にとり説明する。

本発明における熱処理用さやにおいて、網状に形成される基材即ち鉄・クロム・アルミニウム系耐熱金属からなる合金線は、電気抵抗が高く、高温での耐酸化性、耐食性、強度等が優れ、高温域での長時間使用にも十分に対応できることから、ニッケル・クロム系（ニクロム）や鉄・クロム系耐熱金属と共に、抵抗線として加工され、螺旋状に成形されて電気ヒーターとして用いられていたが、高温での使用後は脆化が進行すると共に、加工性についても限度があるため、他の工業的用途についてはほとんど未開発な金属材料であった。
ところが、前記鉄・クロム・アルミニウム系耐熱金属材料は、大気中で一定温度以上の加熱処理を施すと、成分中のアルミニウムが基材の表面に集まり、大気中の酸素と反応して酸化アルミニウムを生成し、基材表面に一体として焼結して酸化アルミニウム皮膜によって被覆された状態を現出する。
本発明は、かかる現象に着目し、加熱処理によって脆化する前の鉄・クロム・アルミニウム系耐熱金属からなる合金線を、網状の熱処理用さやの形状に加工し、その後大気中において１０００℃以上に加熱処理を施し、該網状の合金線の表面に酸化アルミニウム皮膜を生成させ、一体として焼結せしめるものである。

本発明において、上記網状に形成される鉄・クロム・アルミニウム系耐熱金属からなる合金線は、通常市販の抵抗線から適宜選択されるが、該抵抗線の耐熱性を向上させるために、例えばコバルトなどの添加物が含まれることを妨げない。又、該抵抗線の線径は本発明の主旨の範囲内であれば特に制限されず、網目の目開きや形状等についても同様であり、形成されるさやの構造についても、本発明の目的を達成し得る範囲において自由に変更することが可能である。
なお、本発明の熱処理用さやの網目の目開きについては、特に限定するものではないが、好ましくは３〜２０メッシュの範囲であり、又、酸化アルミニウム皮膜の厚さについても特に制限はないが、通常０．５〜１０μｍ程度が望ましい。

本発明に係る熱処理用さやは、さやの表面が実質的にセラミックスと同様の耐熱性や化学的安定性を有する酸化アルミニウムで被覆された状態にあるため、１３００℃を超える高温域における熱処理や焼成加工においても十分に耐えることができ、酸化・還元ガス雰囲気下での熱処理や焼成加工においても何ら変化することなく対応することが可能である。又、網状のさやが基本的に金属製基材で形成されているために、セラミック製さやに比べて割れにくく、繰り返しの使用に対する耐久性が大幅に改善される。更に、網状であるから軽量化がはかられ、熱容量が減少して省エネルギー化に寄与すると共に、通気性が改善されて焼きむらを未然に防止し、特に雰囲気ガスを伴う焼成等において特段の制限を伴わずに均一な焼成を容易に実現することができる。

線径１．０ｍｍの鉄・クロム・アルミニウム系抵抗線を用い、目開き１０メッシュの網を形成し、この網を基材として図１に示すように、幅Ｗ＝５０ｍｍ、長さＬ＝５０ｍｍ、深さＨ＝２０ｍｍの籠を作製し、大気中で１１００℃に加熱して１時間処理した後放冷し、網目の基材表面に酸化アルミニウム皮膜が一体として焼結された熱処理用さやを得た。
一方、比較例として、厚さが５ｍｍで、図２に示すように前記本発明の熱処理用さやと実質的に同形状の箱形のアルミナ製さやとジルコニア製さやを用意した。
次に、被焼成用素体として、ニッケルを内部電極とする３ｍｍ×３ｍｍ×４ｍｍの直方体の積層チップコンデンサの成型体を作製、前記３種類のさやのそれぞれに深さが１８ｍｍになるまで均等にさや詰めして焼成用電気炉内に装入し、脱脂後、焼成した。脱脂は窒素雰囲気下で常温から４５０℃まで２０時間かけて昇温し、２時間保持した後炉内放冷することによって実施した。焼成は内部電極であるニッケルを酸化させないために、水素ガス１０％を含む窒素ガスと炭酸ガスとの混合比を調整しつつ、２００℃／１時間の割合で昇温し、１３２０℃に到達した時点で２時間保持し、その後２００℃／１時間の割合で冷却し、途中９００℃で１時間保持した後、炭酸ガス雰囲気下で再酸化することによって実施した。 しかる後、炉内放冷後取り出された各さやの積層チップコンデンサを観察したところ、本発明のさやの場合は、積層チップコンデンサは色むらなく焼成され、静電容量値は１０μＦ±５％の範囲内を保持していることが確認された。これに対して、比較例として用いた網目無しのアルミナ製さやとジルコニア製さやの場合は、さや上部に配置された素体はほぼ正常に焼成されていたが、中段部分から底部に配置された素体は焼き色が浅く、同一の炉内において焼成されたにもかかわらず、素体間に色むらが発生していることが確認された。更に、静電容量は６〜１０μＦの範囲でばらつきが大きく、特に焼結体の色が正常品よりも浅い素子は、すべて低い容量値を示した。

上記実施例の結果から、本発明のさやの場合は、通気性に優れるところから脱脂工程でのバインダーの分解が、さや全体にわたって速やかに進行し、わずかに残留したカーボンも焼成時に容易に消失するためと推察される。これに対し、網目のないアルミナ製さやとジルコニア製さやの場合は、通気性が低下するため、さやの中段から底の部分では脱脂の際に発生する分解ガスが滞留して、脱脂後の素体中の残留カーボン量が増加し、加えて焼成中においても雰囲気制御されたガスの供給が不十分となるため、素体からのカーボンの除去が進まないままに焼成が進行して焼結が不十分となり、色ムラが発生したものと推察される。
以上の結果から、網籠を採用した本発明のさやの場合は、通気性に優れるためにさやの詰め量を増大させても素体の焼成を均一に実施することができ、生産効率を大幅に向上させることが可能となる。
なお、本実施例においては、使用した３種類のさやのいずれにおいても、素体である積層チップコンデンサとの化学的反応による融着等は発生しなかったが、、補足的に行った実験において焼成温度を１３５０℃に上昇させた場合でも、本発明のさやの場合は安定的に焼成可能であることが確認された。

実施例１で用いた３種類のさやをそれぞれ４段積みし、合計１２個のさやを焼成用電気炉に装入した以外は、実施例１と同一条件で積層チップコンデンサの焼成を実施した。その結果、本発明のさやの場合は全てのさやにおいて素体の色むらは観察されず、焼成時の電力消費量はアルミナ製さやに対して４．８％、ジルコニア製さやに対して７．５％減少し、さやの熱容量が小さいために消費電力が抑制されることが確認された。又、焼成の際の冷却時間も短縮された結果、アルミナ製さやを用いた場合２４時間の焼成時間を要していたのに対し、本発明のさやの場合は２２時間３０分に短縮された。更に、繰り返しの焼成においてもアルミナ製さやの場合は３０回目、ジルコニア製さやの場合は２５回目で、それぞれ４個のさやのうち１つのさやに亀裂が生じたが、本発明のさやの場合は、５０回の使用後であっても４個のさやのいずれにも亀裂の発生は皆無であった。

被焼成素体としてパラジウムを内部電極とする積層チップコンデンサを用い、脱脂及び焼成を共に大気中で行い、焼成温度を該誘電体素体の特性から１２５０℃とした以外は実施例１と同様にして実験を行った。その結果、本発明のさやを用いた積層チップコンデンサは色むらなく焼成され、静電容量値は１０μＦ±５％の範囲に入っていることが確認された。
これに対して、アルミナ製さや及びジルコニア製さやを用いて焼成した積層チップコンデンサは、さや上部においては正常に焼成されていたが、さやの中段から底の部分に配置された積層チップコンデンサは、正常なものに比して焼き色が浅く、同一のさやで焼成処理を実施したにもかかわらず素体間に色むらが発生していることが確認された。又、静電容量値も８〜１０μＦの範囲でバラつきが見られ、特に焼き色の浅い素子ほど低い値であることが確認された。
なお、本実施例においても、前記３種のさやのいずれにおいても積層チップコンデンサとの化学反応による融着は発生しなかったが、補足的に行った実験において焼成温度を１３５０℃まで上昇させた場合でも、本発明のさやの場合は安定的に焼成が可能であることが確認された。

実施例３で用いた３種類のさやをそれぞれ４段積みし、合計１２個のさやを焼成用電気炉に装入した以外は、実施例３と同一条件で積層チップコンデンサの焼成を実施した。その結果、本発明のさやの場合は全てのさやにおいて素体の色むらは観察されず、焼成時の電力消費量はアルミナ製さやに対して４．５％、ジルコニア製さやに対して７．１％それぞれ減少し、さやの熱容量が小さいために消費電力が抑制されることが確認された。又、焼成の際の冷却時間も短縮された結果、ジルコニア製さやを用いた場合に２３時間の焼成時間を要していたのに対し、本発明のさやの場合は２２時間に短縮された。更に、繰り返しの焼成においてアルミナ製さやの場合は２８回目、ジルコニア製さやの場合は２３回目でそれぞれ４個のさやのうち１つのさやに亀裂が生じたが、本発明のさやの場合は、５０回の使用後であっても４個のさやのいずれにも亀裂の発生は皆無であった。

本発明による熱処理用さやは、１３５０℃までの高温域における酸化、還元、いずれのガス雰囲気による焼成においても、化学的安定性を損なわずに使用することができ、優れた耐久性を有すると共に、網状であることにより通気性に優れ、多段積による焼成においても均一な焼成を可能とし、焼成工程の効率化に著しく寄与することができ、又、さやの軽量化がはかられ、熱容量を減少せしめることによって電力消費の削減に貢献することが確認される等の効果を奏することから、各種セラミック部品や粉末冶金等、１０００℃以上の高温域における焼成用さやとして幅広い用途が期待される。

本発明に係る熱処理用さやの一例を示す概略斜視図である。 本発明の実施例において比較例として用いた熱処理用さやを示す斜視図である。

符号の説明

Ｗ：幅
Ｌ：長さ
Ｈ：深さ

Claims (2)

1. 一体焼結された酸化アルミニウムで表面が被覆された鉄・クロム・アルミニウム系耐熱金属材料からなる網によって形成されたことを特徴とする熱処理用さや。
2. 鉄・クロム・アルミニウム系耐熱性金属線によって網状の熱処理用さやを形成し、しかる後に大気中で加熱処理することにより、表面に酸化アルミニウム皮膜を一体焼結せしめたことを特徴とする熱処理用さやの製造方法。
   
   

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