JP2006096625A - 自焼結炭化珪素質匣鉢およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱伝導性に優れた炭化珪素材からなり、耐熱衝撃性に優れ、高強度であり、かつ、被熱処理品に対する不純物汚染を抑制することができる自焼結炭化珪素質匣鉢およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 炭化珪素粉末、カーボンブラック、炭化ホウ素粉末、バインダ、分散媒を含有するスラリーを成形した後、乾燥し、不活性ガス雰囲気中または真空下、２０００℃以上２３００℃以下で焼成し、気孔率５％以下の自焼結体からなる自焼結炭化珪素質匣鉢を得る。
【選択図】 なし

Description

本発明は、粉末や成形体の焼成時に使用される高強度かつ熱伝導率が高い緻密な自焼結炭化珪素質匣鉢およびその製造方法に関する。

機能性材料や構造材料の原料として用いられる金属酸化物系セラミックスの原料となる金属酸化物粉末または複合金属酸化物粉末は、通常、固相法、共沈法、アルコキシド法等によって得られた前記金属の酸化物または水和物を熱処理することにより得られる。
このような粉末原料の熱処理は、匣鉢等の焼成用容器に前記粉末原料を入れて、炉内で加熱することにより行われる。

上記のような熱処理において用いられる匣鉢は、耐熱性、耐火性を有するだけでなく、昇温、降温等の温度変化や積み重ね等の荷重に耐えることができ、変形や割れ等を生じないことが要求され、従来は、アルミナやムライト等の磁器質、チタン酸アルミニウム質、再結晶炭化珪素質、石英質等の材質のものが用いられていた。
また、例えば、特許文献１には、炭化珪素とシリコンの複合材からなる炭化珪素質焼結体も、陶磁器等の焼成用棚板、匣鉢等の焼成用部材として使用することができることが開示されている。
特開平５−２７０９１７号公報

しかしながら、アルミナやムライト等の磁器質の匣鉢は、熱処理時の昇降温により、匣鉢が割れやすく、耐熱衝撃性に劣っており、また、載置する上記のような粉末原料の焼成品中のＮａ、Ｓｉ等の不純物量が多くなるという問題があった。
また、チタン酸アルミニウム質の匣鉢は、前記磁器質のものに比べて耐熱衝撃性に優れているが、これも、載置する粉末原料の焼成品中のＮａ、Ａｌ等の不純物量が多くなるという問題を有していた。

さらにまた、再結晶炭化珪素質、石英質等の匣鉢は、耐熱衝撃性に優れているが、気孔率が高く、表面が荒れており、繰り返し使用によって、表面が脆く欠損しやすくなり、これが不純物として、載置する粉末原料の焼成品中に混入し、Ｓｉの不純物量が多くなるという問題を有していた。

また、上記特許文献１に記載されている炭化珪素質焼結体も、耐酸化性、耐スポーリング性に優れているとされているが、炭化珪素粉末とカーボン粉末とシリコン雰囲気下で、反応焼結させるものであるため、被熱処理品に対する前記焼結体の原料に起因する不純物汚染を十分に抑制することができるとは言い難いものであった。

上記のように、従来の匣鉢は、いずれも、粉末原料の熱処理品を高純度で得るために使用するのには適していると言えるものではなかった。
したがって、粉末等を載置して熱処理する際、該被熱処理品への匣鉢の材質に由来する不純物汚染をできる限り低減することができ、しかも、耐熱衝撃性にも優れた材質からなる匣鉢が求められていた。

これに対して、本発明者らは、検討を重ねた結果、炭化珪素材の中でも、特に、熱伝導性にも優れた自焼結炭化珪素は、熱処理時における不純物汚染源となり難いことを見出した。

本発明は、上記知見に基づいて、熱伝導性に優れた炭化珪素材からなり、耐熱衝撃性に優れ、高強度であり、かつ、被熱処理品に対する不純物汚染を抑制することができる自焼結炭化珪素質匣鉢およ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。

本発明に係る自焼結炭化珪素質匣鉢は、炭化珪素粉末を原料主成分とした自焼結炭化珪素により構成され、気孔率が５％以下であることを特徴とする。
このような緻密な自焼結炭化珪素質からなる匣鉢は、熱伝導率が高く、耐熱衝撃性に優れ、高強度であり、加熱の均一化、匣鉢の肉薄化を図ることができ、また、割れや変形も生じ難く、耐久性の向上を図ることができるだけでなく、被熱処理品に対する匣鉢由来の不純物の影響を低減することができる。

また、本発明に係る自焼結炭化珪素質匣鉢の製造方法は、炭化珪素粉末、カーボンブラック、炭化ホウ素粉末、バインダ、分散媒を含有するスラリーを成形した後、乾燥し、不活性ガス雰囲気中または真空下、２０００℃以上２３００℃以下で焼成し、気孔率５％以下の焼結体として得ることを特徴とする。
上記製造方法によれば、自焼結炭化珪素質からなり、上記のような高強度かつ不純物汚染を抑制することができる匣鉢を容易に提供することができる。

上述したとおり、本発明に係る自焼結炭化珪素質匣鉢は、熱伝導率が高く、耐熱衝撃性に優れ、高強度で緻密であるため、載置する被熱処理品を均一に加熱することができ、肉薄形状としても、割れたり、変形したりすることなく、急激な昇降温の繰り返しにも耐えられ、耐久性の向上を図ることができる。
また、本発明に係る自焼結炭化珪素質匣鉢によれば、被熱処理品に対する匣鉢由来の不純物の影響を低減することができ、特に、金属酸化物または水和物等の粉末の熱処理に好適に用いることができ、ひいては、金属酸化物系セラミックスの原料粉末を、高純度かつ低コストで製造することが可能となる。

以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る自焼結炭化珪素質匣鉢は、炭化珪素粉末を原料主成分とした自焼結炭化珪素により構成されるものである。
ここで、自焼結炭化珪素とは、シリコンとカーボンを原料として、Ｓｉ＋Ｃ→ＳｉＣの反応を利用して炭化珪素焼結体を得る反応焼結に対して、「自焼結」という用語を用いたものである。すなわち、焼結体と同様の材質である炭化珪素粉末自体の焼結体であることを意味するものである。
したがって、反応焼結法による炭化珪素焼結体からは、その原料であるシリコン、カーボンが不純物汚染源として発生しやすいが、本発明のような自焼結炭化珪素質の場合には、原料自体も炭化珪素であり、炭化珪素は不純物汚染源となり難いという利点を有している。

また、本発明に係る自焼結炭化珪素匣鉢は、気孔率が５％以下である。
このように、気孔率が５％以下の緻密体の自焼結炭化珪素は、高強度であるため、匣鉢の肉厚を薄くしても、割れたり、変形したりすることがなく、さらに、薄く形成することにより、熱容量を小さくすることができ、また、熱伝導率が高いため、これに載置する被処理品の温度の均一化を図ることができる。
さらに、耐熱衝撃性にも優れており、高速昇降温の繰り返しにも耐えられ、匣鉢の耐久性の向上も図ることができる。

また、気孔率が５％以下の自焼結炭化珪素質匣鉢は、該匣鉢に載置した被熱処理品への不純物汚染を抑制することができ、例えば、熱処理により、金属酸化物系セラミックスの原料粉末を得る際においても、前記粉末への各不純物混入量は２０ｐｐｍ未満、合計不純物量は３０ｐｐｍ未満と、不純物汚染の影響を低減することができる（実施例参照）。

上記のような本発明に係る自焼結炭化珪素質匣鉢は、炭化珪素粉末、カーボンブラック、炭化ホウ素粉末、バインダ、分散媒を含有するスラリーを成形した後、乾燥し、不活性ガス雰囲気中または真空下、２０００℃以上２３００℃以下で焼成することにより、気孔率５％以下で得ることができる。

上記製造方法において用いられる炭化珪素粉末は、緻密化等の観点から、平均粒径５μｍ以下のものを用いることが好ましい。
また、焼結助剤として用いられるカーボンブラックは、緻密化等の観点から、配合比率は、炭化珪素粉末に対して１〜６重量％であることが好ましい。
また、炭化ホウ素粉末も、焼結助剤として用いられるものであり、緻密化等の観点から、平均粒径が５μｍ以下であり、配合比率は、炭化珪素粉末に対して０．１〜２重量％であることが好ましい。

前記バインダとしては、例えば、アクリル系バインダ、セルロース系バインダ等を用いることができ、配合比率は、炭化珪素粉末に対して０．５〜１５重量％であることが好ましい。

前記分散剤としては、例えば、アミン化合物、ポリカルボン酸等を用いることができ、配合比率は、炭化珪素粉末に対して０．００５〜２重量％であることが好ましい。
また、原料スラリーの分散媒としては、水またはアルコール等の有機溶剤を用いることができるが、その種類および量は、スラリーが均一な分散状態となり、注型が容易な粘性を有するものとして得られる限り、特に限定されるものではない。

また、成形体の焼成温度は、気孔率５％以下の緻密な自焼結体を得るためには、２０００℃以上２３００℃以下であることが好ましい。
焼成温度が２０００℃未満の場合は、気孔率が５％を超えて、自焼結体の強度の低下を招きやすくなる。
一方、焼成温度が２３００℃を超える場合は、結晶成長が促進され、この場合も、自焼結体の強度低下および気孔率の上昇傾向が見られ、また、炭化珪素の分解が始まる。

前記焼成は、炭化珪素自焼結体中に不純物を含まないようにするため、不活性ガス雰囲気中または真空下で行うことが好ましい。
なお、不活性ガスの中でも、窒素ガスは、炭化珪素との反応性を考慮すると、好ましくなく、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス等を用いることが好ましい。

以下、具体的な製造工程の一例を説明する。
まず、分散剤としてポリカルボン酸０．００５〜２重量部を添加した水２０〜５０重量部に、原料として、炭化珪素粉末１００重量部、カーボンブラック１〜６重量部、炭化ホウ素粉末０．１〜２重量部を添加し、ボールミルで混合し、スラリーとする。さらに、バインダとして０．５〜１５重量部を添加する。
得られたスラリーを所定形状の匣鉢の石膏型に鋳込み、成形体を作製する。
前記成形体を脱型し、乾燥後、アルゴンガス雰囲気中、２０００〜２３００℃で１ｈｒ程度焼成することにより、本発明に係る自焼結炭化珪素質匣鉢が得られる。

上記製造方法により得られた自焼結炭化珪素質匣鉢は、下記実施例にも示すとおり、金属酸化物系セラミックスの原料となる金属酸化物または水和物等の粉末を載置して熱処理を行った場合であっても、亀裂が生じることなく、かつ、匣鉢の材質に由来する前記原料粉末への不純物汚染を抑制することができる。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
分散剤１重量部を水４０重量部に溶解し、平均粒径０．７μｍの炭化珪素粉末１００重量部、炭化ホウ素粉末１．５重量部、カーボンブラック１．５重量部をボールミルで混合し、スラリーとし、さらに、バインダ３重量部を添加した。
得られたスラリーを匣鉢の石膏型に鋳込み、作製した成形体を取り出して、乾燥させた。
この成形体をアルゴンガス雰囲気中、２２５０℃で１ｈｒ焼成し、２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×高さ１００ｍｍの自焼結炭化珪素質匣鉢を得た。
これらの各匣鉢の気孔率をＪＩＳ Ｒ １６３４で測定したところ、０％であった。

この匣鉢に共沈法により作製した酸化錫および酸化インジウムの水和物の粉末を充填し、４００℃／ｈｒで昇降温し、９５０℃で１ｈｒ熱処理を行った後、各匣鉢について亀裂の発生の有無を調べた。
この結果を表１に示す。

また、匣鉢上の１００ｍｍ×１００ｍｍに、共沈法により作製した酸化錫および酸化インジウムの水和物の粉末５ｇを載置して、２００℃／ｈｒで昇降温し、９５０℃で１ｈｒ熱処理を行った後、匣鉢上の粉末の不純物量を測定した。
この結果を表２に示す。

［実施例２，３および比較例１］
焼成温度を表１の実施例２，３および比較例１に示す温度として、それ以外については、実施例１と同様にして、自焼結炭化珪素質匣鉢を得た。
これらの各匣鉢について、実施例１と同様にして、気孔率、熱処理による亀裂発生、粉末の不純物量について評価した。
これらの結果を表１および表２に示す。

［比較例２〜６］
アルミナ磁器質、ムライト磁器質、チタン酸アルミニウム質、再結晶炭化珪素質、石英質の各匣鉢を作製し、実施例１と同様にして、気孔率、熱処理による亀裂発生、粉末の不純物量について評価した。
これらの結果を表１および表２に示す。

表１に示したように、アルミナ磁器質、ムライト磁器質（比較例２，３）以外の匣鉢には、亀裂の発生は認められなかった。
また、表２に示したように、比較例１〜６の匣鉢に載置した粉末は、匣鉢の材質に由来する成分の不純物量が２０ｐｐｍ以上と多かった。
これに対して、気孔率が５％以下の自焼結炭化珪素質匣鉢（実施例１〜３）は、載置した粉末における各不純物量が２０ｐｐｍ未満、合計不純物量が３０ｐｐｍ未満であり、不純物汚染の影響を低減することができることが認められた。

Claims (2)

1. 炭化珪素粉末を原料主成分とした自焼結炭化珪素により構成され、気孔率が５％以下であることを特徴とする自焼結炭化珪素質匣鉢。
2. 炭化珪素粉末、カーボンブラック、炭化ホウ素粉末、バインダ、分散媒を含有するスラリーを成形した後、乾燥し、不活性ガス雰囲気中または真空下、２０００℃以上２３００℃以下で焼成し、気孔率５％以下の焼結体として得ることを特徴とする自焼結炭化珪素質匣鉢の製造方法。