JP2564112B2 - 炭化ケイ素発熱体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、通常の抵抗発熱体および高周波加熱用発
熱体としても使用可能な炭化ケイ素発熱体に関する。

従来の技術 従来、炭化ケイ素発熱体は、通常1400℃の抵抗発熱体
として使用されている。炭化ケイ素発熱体の製造は、炭
化ケイ素粉とシリカ、炭素などを2400℃に達する温度で
ケイ化させることで行なわれていて、その気孔率は20％
以上であり、常温での比抵抗は１Ωcm程度である。

発明が解決しようとする問題点 ところが、気孔率が約20％であることから、高温空気
中での酸化が速く、劣化しやすい。

即ち、粒子間の結合力が弱く、粒界部分が酸化しやす
く、電気絶縁性の二酸化ケイ素が生成する。高温におい
て、二酸化ケイ素は炭化ケイ素と反応して揮発するた
め、発熱体の性能は著しく低下する。

また、従来の炭化ケイ素発熱体は、比抵抗が1000℃に
おいて0.1Ωcmであって、この比抵抗を任意のものに変
更することは不可能である。

さらに、たとえば第３図に示すように従来の炭化ケイ
素の発熱体１により、被焼成物である断面円形状のパイ
プ２などを炉芯管３に通して焼成する場合には、棒状の
発熱体１を組立てて、しかも各発熱体１の間隔などを調
整しなければ、均一な温度でパイプ２を焼成することが
できず、焼成作業が大変面倒である。

また、SiC、Ｂ及びＣを混合して発熱体を製造する方
法が特開昭56−120573号公報や特開昭53−121810号公報
などに示されているが、いずれも炭素含有量が10重量パ
ーセント以下と少ないため、常温〜1400℃の温度範囲に
おいて比抵抗が大きく変化して安定しない。このような
発熱体であると、被加熱体を昇温させるとき昇温コント
ロールが極めて困難になる欠点がある。

発明の目的 この発明は、化学的に安定で、高強度で、薄肉にする
ことによって軽量化が図れ、耐熱性に優れ、高温部材に
適し、高周波あるいは直接通電により発熱させて被焼成
物の焼成作業を容易にでき、しかも常温〜1400℃の温度
範囲で比抵抗が比較的安定している炭化ケイ素発熱体を
提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 この目的を達成するために、本発明は、炭化ケイ素73
〜91.5重量％に対してホウ素0.5〜３重量％を添加する
とともに炭素12〜20重量％を添加して炭化ケイ素を焼結
した炭化ケイ素発熱体であって、しかも、その添加した
炭素が粒界に遊離して存在し、電気比抵抗が常温で10^-2
〜10Ωcmの値を有することを特徴とする炭化ケイ素発熱
体を要旨としている。

作用 この発明の炭化ケイ素発熱体は、炭化ケイ素、ホウ素
および炭素の組成を考慮して、炭化ケイ素を主成分に
し、ホウ素と炭素を所定量添加することで、高強度であ
り、耐熱性にも優れたものにできる。高周波あるいは直
接通電により発熱させることができる。しかも、焼結後
に粒界に存在する遊離炭素で比抵抗を制御するので、と
くに、200時間以上の使用後に重量減少率が増加せず、
常温〜1400℃の温度範囲で安定した比抵抗を確保でき
る。しかも、化学的にも安定にできる。

（１）ホウ素の添加について ホウ素は、従来より炭化ケイ素の焼結助剤として知ら
れ、高価な原料である。

このため、この発明では、ホウ素は0.5〜３重量％を
添加する。ホウ素を多く添加すると、焼結を阻害し、さ
らに電気比抵抗が高くなり、発熱体に適さないことが明
らかになっている。

なお、ホウ素は単体でなくても、たとえば窒化ホウ素
などを添加してもよく、ホウ素自体に限定されるわけで
はない。ホウ素の添加量の0.5〜３重量％は、ホウ素化
合物の場合はホウ素分のみの数値である。

（２）炭素の添加について 炭素は、ホウ素とともに炭化ケイ素の焼結助材として
知られている。

この発明に用いられる炭素は、炭化ケイ素の焼結後、
粒界に存在し、電気比抵抗を低下させて発熱体としての
特性を引き出すことができる。

炭素添加量が、12重量％未満であれば、常温〜1400℃
の温度範囲における比抵抗の変化が激しくなり高温域で
は電気比抵抗が急激に高くなり、正確な温度制御用の発
熱体には適さない。

また、炭素の添加量が20重量％を超えると、高温での
空気酸化が進み、発熱体の性能が著しく低下する。

上述したように、ホウ素と炭素を所定量添加すると、
炭化ケイ素の焼結は促進され、ち密な焼結体となるが、
両者の添加量が適切でないと、この焼結体の比抵抗が高
温領域では10⁶Ωcmにも達し、発熱体としては全く不適
切である。

したがって、この発明では、炭素を主に添加し、焼結
後に粒界に存在する遊離炭素で比抵抗を制御するもので
ある。とくに常温〜1400℃の温度範囲において比抵抗が
安定するようにした。

実施例 表１は、ホウ素の添加量を0.5重量％に設定した時
に、炭素の添加量の変化による炭化ケイ素発熱体の諸特
性（比抵抗、理論密度比および曲げ強さ）の影響を示し
ている。

表２は、ホウ素の添加量を３重量％に設定した時に、
炭素の添加量の変化による炭化ケイ素発熱体の諸特性を
示している。

表１、２の各実施例と比較例からも判るように、炭化
ケイ素に炭素を添加すると、比抵抗は大きく変化する。
すなわち、炭素を多くすると、比抵抗は10^-2Ωcmのオー
ダに低下する。低い抵抗であれば発熱体として有効であ
るが、遊離炭素の酸化が大となり、炭素の添加量の上限
は20重量％である。第１図からも明らかなように炭素含
有量が20重量％を超えると、長時間の使用により重量減
少率が著しく増加する。

また、ホウ素の添加量については、0.5〜３重量％の
範囲であれば、炭化ケイ素発熱体の性能に大きな影響を
与えない。このことは、上述したようにホウ素が高価な
原料で少量添加に押えたいことから望ましいことであ
る。このようなことから、炭化ケイ素に対するホウ素と
炭素の添加量を制御することにより、焼結体の組成を調
整し炭化ケイ素73〜91.5重量％に対してホウ素は0.5〜
３重量％、炭素は12〜20重量％の組成からなる発熱体と
して好適な特性を有する炭化ケイ素発熱体が得られる。

一方、炭化ケイ素の理論密度は3.21g/cm³である。こ
の発明の炭化ケイ素発熱体の実際の密度は、表１、２か
らも明らかなように理論密度の70〜95％の範囲が好まし
い。

また、炭化ケイ素発熱体の常温での比抵抗は、10^-2〜
10Ωcmの範囲の値を有している。さらに、この発明の炭
化ケイ素発熱体は、曲げ強さが極めて強い材質であり、
耐熱性も優れているので高温部材に適用できる。

次に、この発明の炭化ケイ素発熱体の酸化特性を第１
図に示す。第１図は炭素の添加量が25、20、14、10重量
％である場合について示しており、25％の場合を除い
て、いずれの場合も、1000℃の空気中における時間に対
する重量減少率（％）は約200時間経過後にほぼ一定と
なる。25％の場合は200時間経過後も重量減少率が増加
しつづける。炭素の酸化は、20重量％以下の炭素含有量
の場合は、200時間までの間にほぼ終了する。これは、
いわゆる遊離炭素が通気性がある部分のみ酸化され、炭
化ケイ素焼結組織に囲まれた遊離炭素は酸化しないこと
を示している。炭素含有量が20重量％を超えると、炭素
の酸化が200時間を経過しても続行される。

第４図に例示するように、炭素含有量８重量％の比較
例２は比抵抗が常温では500Ωcmであるが、常温〜1400
℃の温度範囲において大きく変化する。炭素含有量10重
量％の比較例（表１、２には示されていない）の場合も
常温〜1400℃の温度範囲で比抵抗が大きく変化する。こ
のように比抵抗が変化すると、昇温制御が困難になる。
これに対し、炭素含有量12重量％の実施例１は比抵抗が
常温から1400℃までほぼ４Ωcmで一定している。このよ
うに炭素含有量が12重量％以上であると、比抵抗は安定
している。

ところで、この発明の炭化ケイ素発熱体を用いて被焼
成物を高周波加熱により焼成する場合の例を第２図によ
り説明する。

21は石英炉芯管22の外周に巻かれた高周波コイルであ
り、石英炉芯管22内には円筒系に形成されたこの発明の
炭化ケイ素発熱体23が内挿されている。この炭化ケイ素
発熱体23は、高周波により加熱できるので、円筒形が好
ましい。炭化ケイ素発熱体23には、被焼成物であるパイ
プ２が内挿されている。

このような構成において、高周波コイル21に電流を流
すと、炭化ケイ素発熱体23が従来と異なり連続的に発熱
するため、パイプ２を均一な温度で焼成でき、パイプ２
に焼きムラはない。

また、パイプ２が長尺物であっても、炭化ケイ素発熱
体23がパイプ状なので、パイプ２を移動させることによ
り、パイプ２を完全に焼成することができる。

このように、従来発熱体を組み立てて焼成作業してい
たのに比べて、この発明の炭化ケイ素発熱体を用いるこ
とにより発熱体の形状を連続した一体物にでき、作業が
容易でかつ均一な温度で完全に被焼成物を焼成できる。

発明の効果 以上説明したように、この発明によれば、炭化ケイ素
が主成分であるため化学的に安定にでき、ホウ素と炭素
を適量添加することにより、結合力が強く高強度であ
り、実際に用いる場合、薄肉化して軽量化がはかれ、耐
熱性にも優れていることから高温部材に適し、高周波あ
るいは直接通電により発熱させて従来より焼成作業を容
易にできる優れた効果が得られる。焼結後に粒界に存在
する遊離炭素で比抵抗を制御するので、とくに長時間に
わたって高温（1000℃）で空気中で使用しても200時間
経過後には重量減少率がほとんど変化せず安定してい
る。また、常温〜1400℃の温度範囲において使用温度が
変化しても比抵抗が安定している。このように電気特性
の安定性が格段に優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の好適な実施例による炭化ケイ素発熱
体の酸化特性を示す図、第２図はこの発明の好適な実施
例による炭化ケイ素発熱体を用いて焼成作業する場合を
示す斜視図、第３図は従来の炭化ケイ素発熱体を用いて
焼成作業する場合を示す斜視図、第４図は炭素含有量に
関して比抵抗が温度の変化に応じてどのように変化する
かを示す図である。 21……高周波コイル 23……炭化ケイ素発熱体 ２……被焼成物としてのパイプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−121810（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−179076（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−120573（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭化ケイ素73〜91.5重量％に対してホウ素
   0.5〜３重量％を添加するとともに炭素12〜20重量％を
   添加して炭化ケイ素を焼結した炭化ケイ素発熱体であっ
   て、しかも、その添加した炭素が粒界に遊離して存在
   し、電気比抵抗が常温で10^-2〜10Ωcmの値を有すること
   を特徴とする炭化ケイ素発熱体。
2. 【請求項２】実際の密度が、理論密度の70〜95％である
   特許請求の範囲第１項に記載の炭化ケイ素発熱体。