JP2015059698A

JP2015059698A - 匣鉢

Info

Publication number: JP2015059698A
Application number: JP2013193750A
Authority: JP
Inventors: 大介南; Daisuke Minami
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2015-03-30

Abstract

【課題】焼成用道具材である匣鉢に低輻射率の材料を用いた場合であっても、焼成時に内容物の急速昇温が可能な匣鉢を提供する。【解決手段】本発明の匣鉢１０は、底部１１とその周囲を囲む側壁部１２を有する匣鉢１０であって、匣鉢１０の少なくとも外側壁面１２ｏｕｔおよび外底面１１ｏｕｔが、内側壁面１２ｉｎおよび内底面１１ｉｎの少なくとも一方よりも高い輻射率を示す高輻射率材料を有していることを特徴とする。匣鉢１０の本体は高輻射率材料からなり、内側壁面１２ｉｎおよび内底面１１ｉｎには、高輻射率材料の輻射率に比べて低い輻射率を示す低輻射率材料がコーティングされていることが好ましい。【選択図】図１

Description

この発明は、匣鉢に関し、詳しくは、セラミック電子部品の製造に用いられるセラミック素体などを熱処理する場合に用いられる匣鉢に関する。

セラミック電子部品などの製造に用いられるセラミック素体を焼成する場合の焼成工程において、セラミック素体は、通常、匣鉢と呼ばれる焼成用の容器に入れた状態で熱処理に供される。この種の匣鉢の一例が、電子パーツ焼き窯用プレートとして特許文献１に開示されている。この背景技術によれば、多孔性酸化アルミ材質の粉末で所望の形状に成型されたプレートの表面に、プレート面の材料を付着し難くすることを目的として、酸化ジルコニウムが被覆されている電子パーツ焼き窯用プレートが開示されている。

実用新案登録第３０８９２８１号公報

しかし、酸化ジルコニウム（ジルコニア）は、輻射率が０．４〜０．６と、相対的に輻射率が低い。そのため、酸化ジルコニウムを被覆することで匣鉢の輻射伝熱量が減少し、セラミック素体焼成時の昇温速度が低下してしまうという問題点がある。

本発明は上記問題点を解決するものであり、焼成用道具材である匣鉢に低輻射率材料を用いた場合であっても、焼成時に内容物の急速昇温が可能な匣鉢を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の匣鉢は、底部とその周囲を囲む側壁部を有する匣鉢であって、前記匣鉢の少なくとも外側壁面および外底面が、内側壁面および内底面の少なくとも一方よりも高い輻射率を示す高輻射率材料を有していることを特徴とする。

本発明において、前記匣鉢の本体は前記高輻射率材料からなり、前記匣鉢の内側壁面および内底面には、前記高輻射率材料の輻射率に比べて低い輻射率を示す低輻射率材料がコーティングされていることが好ましい。前記において、低輻射率材料は、ジルコニアを含むことが好ましい。

また、本発明において、前記匣鉢の少なくとも外側壁面および外底面には、前記高輻射率材料がコーティングされていることが好ましい。

本発明の匣鉢において、前記高輻射率材料が、炭化ケイ素および窒化ホウ素から選ばれる少なくとも１つを含むことが好ましい。

また、前記高輻射率材料を有していない部分の材料が、アルミナおよびムライトから選ばれる少なくとも１つを含むことが好ましい。

本発明によれば、焼成用道具材である匣鉢に低輻射率材料を用いた場合であっても、焼成時に内容物の急速昇温が可能な匣鉢を提供することができる。特に、前記低輻射率材料がジルコニアを含む材料であると、匣鉢を用いたセラミック素体等の焼成時に、内容物の材料の付着を防ぐとともに、匣鉢の内容物の急速昇温が可能な匣鉢を提供することができる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

図１は、本発明の匣鉢の一例（匣鉢１０）の概略構成を示す斜視図である。図１（ａ）は、匣鉢１０を表側から見た際の概略構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、匣鉢１０を裏側から見た際の概略構成を示す斜視図である。図２は、本発明の匣鉢を製造する方法の一例を説明する図である。図３は、本発明の匣鉢を製造する方法の他の例を説明する図である。図４は、本発明の匣鉢を製造する方法のさらに他の例を説明する図である。図５は、輻射率の異なる材料で作製した匣鉢を、１３００℃の焼成炉内に入れたときの、経過時間と内部温度との関係を示す温度プロファイルである。

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の例に限定および制限されない。

図１は、本発明の実施形態に係る匣鉢１０の概略構成を示す斜視図である。図１（ａ）は、匣鉢１０を表側から見た際の概略構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、匣鉢１０を裏側から見た際の概略構成を示す斜視図である。図１において、斜線を付した部分は、斜線を付していない部分に比べて高輻射率であることを表している。この匣鉢１０は、連続焼成炉内の搬送レールやローラーなどに載置して移送されながら、収納した多数のセラミック部品（被焼成物）の焼成を行うものである。匣鉢１０には、焼成すべき多数のセラミック部品を収納すべく、上面のみが開口した収納凹部が設けられている。本実施形態において、匣鉢１０は、被焼成物を載せる底部１１（内底面１１_ｉｎ、外底面１１_ｏｕｔ）および底部の縁に設けられる側壁部１２（内側壁面１２_ｉｎ、外側壁面１２_ｏｕｔ）を含む形状（升形状）に形成されている。本発明において、匣鉢１０は、その少なくとも外側壁面１２_ｏｕｔおよび外底面１１_ｏｕｔが、内側壁面１２_ｉｎおよび内底面１１_ｉｎの少なくとも一方よりも高い輻射率を示す高輻射率材料を有していることを特徴とする。

匣鉢１０は、一般にはアルミナ（酸化アルミニウム、Ａｌ_２Ｏ_３）、ムライト（Ａｌ_６Ｏ_１３Ｓｉ_２）、コーディエライト（Ｍｇ_２Ａｌ_３（ＡｌＳｉ_５Ｏ_１８））、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、ジルコニア（二酸化ジルコニウム、ＺｒＯ_２）などのセラミックで形成される。例えば、主として耐熱性無機質繊維と耐火性粉末とを用いて成形体を作製すると、内部に多数の空隙を有する多孔性の成形体が形成される。これにより形成された成形体は、熱容量が小さく、急熱急冷に強く、軽量でしかも極めて高強度である、焼成用道具材に適したものとなる。高輻射率材料および低輻射率材料は、匣鉢として使用可能な材料の組み合わせにより選択してもよい。高輻射率材料または低輻射率材料に他のコーティング材料を組み合わせて用いてもよい。

一般に輻射率は、測定対象物の表面状態や測定時の温度などに依存するが、これらの材料のうち、炭化ケイ素は、輻射率が０．８〜０．９５、窒化ホウ素は、輻射率が０．９〜０．９５であり、相対的に高い輻射率を有している。アルミナおよびムライトは、輻射率が０．３〜０．６と、相対的に低い輻射率を有している。また、ジルコニアも、輻射率が０．４〜０．６と、相対的に低い輻射率を有している。高輻射率材料としてのコーティング材料としては、酸化鉄（輻射率０．８〜０．９）を含んだコーティング剤、炭化ケイ素（輻射率０．８〜０．９）を含んだコーティング剤を用いることができる。低輻射率材料としてのコーティング材料としては、ジルコニア（輻射率０．４〜０．６）を含んだコーティング剤、マグネシア（輻射率０．２〜０．５）を含んだコーティング剤を用いることができる。前記低輻射率材料としては、ジルコニアを含むことが好ましい。また、前記高輻射率材料としては、炭化ケイ素および窒化ホウ素から選ばれる少なくとも１つを含むことが好ましい。

ここで、輻射エネルギー（輻射伝熱エネルギー）は、次式（Ｉ）で表わされる。
Ｅ＝ε・σ・Ｔ^４（Ｉ）
式（Ｉ）において、Ｅは輻射エネルギー（Ｗ／ｍ^２）、εは輻射率、σはステファンボルツマン定数（＝５．６７×１０^−８（Ｗ／（ｍ^２・Ｋ^４））、Ｔは物体表面温度（Ｋ）である。式（Ｉ）からわかるように、輻射率に比例して輻射エネルギーは増加する。したがって、高輻射率材料を外側壁面および外底面に使用した場合、輻射エネルギーが大きくなり、伝熱性に優れた匣鉢が得られる。

また、匣鉢１０の少なくとも外側壁面１２_ｏｕｔおよび外底面１１_ｏｕｔを輻射率の高い材料にすることで、外部からの輻射伝熱面積の大部分を占める部分を高輻射率とすることができる。これにより、匣鉢１０内部（収納凹部内）への輻射伝熱量が、例えば、３０〜５０％向上し、急速昇温が可能となる。また、匣鉢１０の側壁部の外側壁面１２_ｏｕｔを輻射率の高い材料とすることで、外側壁面１２_ｏｕｔの輻射加熱が大きくなるため、周囲からの伝熱により匣鉢１０内部（収納凹部内）の温度分布が均一となる。

匣鉢１０は、次のような方法で製造できる。図２〜図４は、匣鉢１０の製造方法の例を示す図である。図２に示す方法は、相対的に輻射率の高い高輻射率材料で匣鉢本体２０Ｈを形成し、少なくとも外側壁面１２_ｏｕｔおよび外底面１１_ｏｕｔ以外の部分である内側壁面１２_ｉｎや内底面１１_ｉｎを、相対的に輻射率の低い低輻射率材料でコーティングして低輻射率のコーティング層３０Ｌを形成して匣鉢１０を製造する方法である。図３に示す方法は、相対的に輻射率の低い低輻射率材料で匣鉢本体１０Ｂを形成し、少なくとも外側壁面１２_ｏｕｔおよび外底面１１_ｏｕｔを、相対的に輻射率の高い高輻射率材料でコーティングして高輻射率のコーティング層３０Ｈを形成して匣鉢１０を製造する方法である。図２および図３に示すように部分的にコーティングを行う場合、所望の部分のみにコーティングを行ってもよいし、コーティングの必要がない部分をマスキングして全体をコーティングし、コーティングの後にマスキングを除去する方法を用いることもできる。

また、図４に示す方法は、相対的に輻射率の高い高輻射率材料で匣鉢本体２０Ｈを形成し、匣鉢本体２０Ｈの表面全体に相対的に輻射率の低い低輻射率材料をコーティングして低輻射率のコーティング層３０Ｌを形成した後、少なくとも外側壁面１２_ｏｕｔおよび外底面１１_ｏｕｔにコーティングされたコーティング層３０Ｌを除去して高輻射率材料を露出させることで匣鉢１０を製造する方法である。

これらのうち、高輻射率材料である炭化ケイ素で作製した匣鉢本体２０Ｈを用い、低輻射率材料であるジルコニアを含む材料を内側壁面１２_ｉｎおよび内底面１１_ｉｎにコーティングしてコーティング層３０Ｌを形成した匣鉢１０は、焼成するセラミック素体の材料との反応を防ぐことで内容物の匣鉢１０への付着を防ぐことができ、好ましい。ジルコニアは輻射率が相対的に低い材料であるが、これを全面にコーティングせず、匣鉢の少なくとも外側壁面１２_ｏｕｔおよび外底面１１_ｏｕｔをジルコニアよりも高輻射率の材料を含むものとすることで、前述したような付着を防ぎ、かつ、伝熱性を良好にして内容物の急速昇温を可能とすることができる。

また、匣鉢として汎用されているアルミナおよびムライトから選ばれる少なくとも１つを含む材料からなる匣鉢１０Ｂを用い、外側壁面１２_ｏｕｔおよび外底面１１_ｏｕｔに炭化ケイ素等の高輻射率材料をコーティングし、内側壁面１２_ｉｎおよび内底面１１_ｉｎにはジルコニアをコーティングして、本発明の匣鉢１０を得ることもできる。

コーティングは、コーティングする材料を溶射等によって匣鉢本体にコーティング層として形成することで行うことができる。溶射によるコーティングには、プラズマ溶射コーティング等の方法がある。プラズマ溶射コーティングは、セラミック粉末を熱プラズマ内にて溶融噴射し、溶融した粒子同士が互いに融着した後、冷却固化させて被膜を形成する方法である。この方法を用いると、粒子間の空隙の少ない高密度の被膜（コーティング層）を形成することができる。

また、セラミック粉末をスラリー状にして、刷毛塗り、スプレー塗布、あるいは浸漬等の方法で塗布した後焼成することにより、コーティング層を得ることもできる。

コーティング層の厚さは、１０〜２００μｍであることが好ましい。コーティング層の厚さが１０μｍ未満であると、実質的に焼成するセラミック素体の材料との反応を防ぐことが困難であり、２００μｍを超えると、使用時の熱膨張収縮により匣鉢本体から剥離したり、コーティング層中に亀裂が発生しやすくなる。

コーティング層は、表面粗さが１０〜５００μｍであることが、焼成するセラミック素体との反応を防止するために好ましい。

なお、本実施形態において、匣鉢１０は底面が正方形である形状（升形状）であるが、底面が長方形や円形等の他の形状であってもよく、匣鉢としての機能を有する限り、形状は限定されるものではない。

また、本実施形態において、匣鉢１０の四辺の各側壁部１２の上端面に、凹状溝を設けてもよい。凹状溝は、いわゆる火溝としての機能を果たすことができる。また、複数の匣鉢１０を高さ方向に重ねる際に、例えば４５度ずつ回転させて溝の形状に合わせて互い違いに重ねると、複数の匣鉢１０を重ねて搬送する場合に安定させることができる。

参考例として、炭化ケイ素製の幅６０ｍｍ、長さ６０ｍｍ、高さ６ｍｍ、厚み２ｍｍの升形状の匣鉢Ａを用意した。匣鉢Ａは、全面がジルコニア（輻射率０．４〜０．６）でコートされている。実施例として、ジルコニアに比べて輻射率の高い炭化ケイ素（輻射率０．８〜０．９５）を外側壁面および外底面に露出させた匣鉢Ｂを用意した。匣鉢Ｂの大きさは匣鉢Ａの大きさと同じである。匣鉢Ｂにおいて、外側壁面および外底面以外の部分は、ジルコニアでコートされている。匣鉢Ａおよび匣鉢Ｂにおいて、ジルコニアのコート厚みは１００μｍである。

図５は、匣鉢Ａおよび匣鉢Ｂを、１３００℃の焼成炉内に入れたときの、経過時間と内部温度との関係を示す温度プロファイルである。図５において、Ａは匣鉢Ａ、Ｂは匣鉢Ｂにおける、匣鉢内部の温度プロファイルである。なお、匣鉢内部には被焼成物を入れずに測定している。

図５からわかるように、匣鉢の少なくとも外側壁面および外底面を輻射率の高い材料にすることで、匣鉢内部（収納凹部内）において、急速昇温が可能となっていることがわかる。本実施例においては、匣鉢Ｂへの輻射伝熱量は、匣鉢Ａを基準として、２０％向上した。

これは、匣鉢の少なくとも外側壁面および外底面を輻射率の高い材料にすることで、外部からの輻射伝熱面積の大部分を占める部分を高輻射率とすることができ、これにより、匣鉢内部（収納凹部内）への輻射伝熱量が向上するためと考えられる。なお、匣鉢Ｂにおいては、側壁部の外側壁面を輻射率の高い材料とすることで、周囲からの伝熱により匣鉢内部（収納凹部内）の温度分布が均一となっていることがわかった。

１０匣鉢
１１底部
１１_ｉｎ内底面
１１_ｏｕｔ外底面
１２側壁部
１２_ｉｎ内側壁面
１２_ｏｕｔ外側壁面
２０Ｈ匣鉢本体（高輻射率材料）
２０Ｌ匣鉢本体（低輻射率材料）
３０Ｈコーティング層（高輻射率材料）
３０Ｌコーティング層（低輻射率材料）

Claims

底部とその周囲を囲む側壁部を有する匣鉢であって、
前記匣鉢の少なくとも外側壁面および外底面が、内側壁面および内底面の少なくとも一方よりも高い輻射率を示す高輻射率材料を有していることを特徴とする匣鉢。
前記匣鉢の本体は前記高輻射率材料からなり、前記匣鉢の内側壁面および内底面には、前記高輻射率材料の輻射率に比べて低い輻射率を示す低輻射率材料がコーティングされている、請求項１記載の匣鉢。
前記低輻射率材料が、ジルコニアを含む、請求項２記載の匣鉢。
前記匣鉢の少なくとも外側壁面および外底面には、前記高輻射率材料がコーティングされている、請求項１記載の匣鉢。
前記高輻射率材料が、炭化ケイ素および窒化ホウ素から選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の匣鉢。
前記高輻射率材料を有していない部分の材料が、アルミナおよびムライトから選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の匣鉢。