JP3001857B1 - 耐低温酸化特性に優れた電極部を有するMoSi2を主体とする発熱材料 - Google Patents

耐低温酸化特性に優れた電極部を有するMoSi2を主体とする発熱材料

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JP3001857B1
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Abstract

【要約】 【課題】 MoSi2 を主体とする発熱材料の電極部の
劣化を防止し、長期間有効な低温酸化防止能力を付与す
る技術の確立。 【解決手段】 表面酸化被膜3が形成されているMoS
2 を主体とする発熱材料において、該表面酸化被膜3
を除去した部分に金属被膜4を形成してなる電極部2
と、該表面酸化被膜3が除去されていない発熱部1とを
備え、電極部の金属被膜が発熱部の除去されていない表
面酸化被膜に対して少なくとも長さ0.1mm以上、好
ましくは0.5mm以上オーバーラップ部分5を有する
発熱材料。金属被膜は好ましくは適切な厚さの溶射被
膜、めっき被膜またはイオンプレーティング被膜であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、表面酸化被膜が形
成されている、MoSi2 基材またはMoSi2を主成
分として70%以上含む基材から成る(以下併せてMo
Si2 を主体とするという)超高温発熱材料に関するも
のであり、特にはその酸化防止のための電極部構造に関
する。
【0002】
【従来の技術】MoSi2 は1000〜1800℃の高
温において、酸化性雰囲気下で連続した保護性のSiO
2 皮膜を形成し、優れた耐酸化性を示す。このため超高
温耐熱構造材料や超高温発熱材料として注目されてい
る。しかし、その幾つかの温度範囲での酸化挙動は異な
り、300〜600℃の低温ではSiO2 皮膜が形成さ
れず急激に酸化が進行し、元々バルクだったものが短時
間のうちに酸化物粉末になってしまい、これは低温酸化
又はペスト現象と呼ばれ、よく知られている。
【0003】例えば、D.A.Berztissらによ
る、「Materials Science Engi
neering」A155(1992)165〜181
頁に掲載された論文は、溶解法で製造したMoSi2
料とMoSi2 粉末をHIPして作ったMoSi2 材料
の500℃における酸化挙動を比較している。溶解法に
よるMoSi2 には微小亀裂が存在しており密度が低
く、HIP法によるものと比べ酸化速度が大きい。HI
P法によるMoSi2 は密度が高く、溶解法によるもの
に比べて酸化速度が小さい。この事実から、低温酸化を
遅くするには密度を高くしたほうがよいと広く提唱され
ている。しかしながらHIP法によるMoSi2 でも遅
くはなっても酸化は進行し、非保護性のMoO3 が形成
される。加えて、密度が高くなると靭性が低くなり、耐
熱衝撃性が悪くなってしまう。MoSi2 を300〜6
00℃の低温酸化からまもるためには表面に緻密で欠陥
のないガラス相からなる酸化物相を形成する必要があ
る。
【0004】例えば、MoSi2 を主体とする材料が棒
状の発熱材料(発熱体)として用いられる場合には、低
温酸化から発熱材料をまもるために、あらかじめガラス
相からなる酸化被膜が形成される。発熱材料は、発熱部
と両端の電極部とから構成される。電極部は発熱体の外
部に置かれるために比較的低温となり易い。MoSi 2
を主体とする発熱材料の電極部では、電気的接続のため
にこの表面酸化被膜を一部分除去する必要がある。そし
て、図2に示すように表面酸化被膜を除去した部分に低
温酸化防止能を付与するために例えば溶射を行うなどし
て金属被膜を形成する、代表的にAl溶射を行うなどし
てAl溶射被膜(アルミナイズ部)を形成することが行
われている。
【0005】しかし、従来、このAl溶射被膜の被覆が
十分ではなく、例えば図3に例示するように、母材が露
出している場合があった。そのためAl溶射膜/表面酸
化被膜境界面や母材露出部から酸化が生じ、Al溶射膜
/母材間に酸化物層が形成されたり、また、Al溶射被
膜の厚さが薄すぎる場合には、酸化被膜にスルーポア
(貫通穴)が存在し、ここから侵入した酸素によりAl
溶射膜/母材間に酸化物層が形成される。そのためAl
溶射被膜の剥離が生じ、電気的接続不良が起こりまた場
合によってはスパークが発生し破断する場合があった。
あるいはまた、溶射被膜の厚さが厚すぎる場合には、電
極部のAl溶射被膜とMoSi2 の熱膨張係数の差によ
り、これもまた溶射膜の剥離の一因となることが指摘さ
れた。そのため、発熱部は十分使用できる状態であるに
もかかわらず、電極部の劣化により発熱体が使用不能に
なるという問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、Mo
Si2 を主体とする発熱材料の特に電極部の劣化を防止
し、長期間有効な低温酸化防止能力を付与する技術を確
立することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上述したように、MoS
2 を主体とする材料は、高温、酸化性雰囲気下で保護
性のSiO2 皮膜を形成し、優れた耐酸化性を示すた
め、発熱材料として注目されているが、ペスト現象によ
り、300〜600℃の低温ではSiO2 皮膜が形成さ
れず急激に酸化が進行し、元々バルクだったものが短時
間のうちに酸化物粉末になってしまう。それゆえ、Mo
Si2 を主体とする発熱体においては、少なくとも30
0〜600℃の低温に曝露される発熱体電極部には何ら
かの酸化防止処理が必要である。
【0008】本発明者は、上記の課題を解決するために
鋭意研究を行った結果、MoSi2を主体とする発熱材
料の表面酸化被膜を除去して金属被膜を形成した電極部
を形成した場合、電極部と表面酸化被膜が除去されてい
ない発熱部との境界部から特に酸化或いは劣化が進行す
るが、電極部の金属被膜を発熱部の表面酸化被膜に0.
1mm以上オーバーラップして形成することにより、電
極部の耐酸化性が著しく向上することを見いだした。さ
らに適当な厚さの金属被膜を形成することにより、酸素
の侵入ルートとなるスルーポアを低減し母材の酸化を抑
制したり熱膨張係数の差に起因する膜の剥がれを防止す
ることができることも確認された。
【0009】この知見に基づいて、本発明は、表面酸化
被膜が形成されている、MoSi2基材またはMoSi2
を主成分として70%以上含む基材から成る発熱材料
において、該表面酸化被膜を除去した部分に金属被膜を
形成してなる部分と、該表面酸化被膜が除去されていな
い部分とを備え、前記金属被膜を形成してなる部分の金
属被膜が、前記表面酸化被膜が除去されていない部分の
表面酸化被膜に対して少なくとも長さ0.1mm以上オ
ーバーラップしていることを特徴とする電極部を有する
発熱材を提供する。金属被膜のオーバーラップは好まし
くは0.5mm以上が適当である。金属被膜は溶射被
膜、めっき被膜またはイオンプレーティング被膜である
ことが好ましい。
【0010】溶射被膜の場合は、Al、Ni、及びNi
−Al合金から選択された金属の溶射被膜を厚さ20μ
m以上500μm以下、好ましくは厚さ50μm以上3
00μm以下形成したものが適当である。イオンプレー
ティング被膜の場合には、Ni、Cu、Ag、Pd、P
t、及びAuから選択された金属を厚さ0.2μm以上
20μm以下、好ましくは厚さ1μm以上10μm以下
形成したものが適当である。めっき被膜の場合は、N
i、Cr、Rh、Ir、Pt及びAuから選択された金
属を厚さ0.5μm以上100μm以下、好ましくは厚
さ1μm以上10μm以下形成したものが適当である。
電解めっきもしくは無電解めっきいずれをも使用するこ
とができる。
【0011】更には、厚さ0.2μm以上20μm以下
の、Ni、Cu、Ag、Pd、Pt及びAuから選択さ
れた金属のイオンプレーティング被膜と、該イオンプレ
ーティング被膜上に形成された厚さ20μm以上500
μm以下の、Al、Ni、及びNi−Al合金から選択
された金属の溶射被膜との組合せ、あるいはまた、厚さ
0.5μm以上100μm以下の、Ni、Cr、Rh、
Ir、Pt及びAuから選択された金属のめっき被膜
と、該めっき被膜上に形成された厚さ20μm以上50
0μm以下の、Al、Ni、及びNi−Al合金から選
択された金属の溶射被膜との組合せから構成されたもの
もまた好適である。
【0012】除去されていない表面酸化被膜に対して
0.1mm以上オーバーラップしている金属被膜は、そ
の厚さと協同して、酸素の基材までの浸透を防止するバ
リヤ層として作用し、ペスト現象を防止する。同時に、
金属被膜が厚過ぎないことにより、熱膨張係数の差に起
因する膜の剥がれが生じ難い。本発明の処理を施すこと
により、480℃×24時間の曝露サイクルを30回繰
り返してもMoO3 の発生が見られなくなる。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明は、MoSi2 基材または
MoSi2 を主成分として70%以上含む、MoSi2
を主体とする基材を対象とする。本発明の目的では、適
当な酸化物や珪化物を成分として選択することによって
MoSi2 の含有量を約70%まで低減させることがで
きるので、MoSi2 を主成分として70%以上含む基
材もここでは含めた。基材の製法は問わない。基材の形
態も任意である。鋳造材料、粉末冶金法により製造され
た材料(HIP材)、単結晶材などいずれも基材として
使用することができる。また、この基材と同種のものを
被覆材として用いることができる。
【0014】最初に述べたように、MoSi2 は高温、
酸化性雰囲気下で保護性のSiO2皮膜を形成し、優れ
た耐酸化性を示すが、ペスト現象により、300〜60
0℃の低温ではSiO2 皮膜が形成されず急激に酸化が
進行し、元々バルクだったものが短時間のうちに酸化物
粉末になる。発熱体の電極部はこうした低温に置かれ易
い。
【0015】本発明においては、適当な方法で成型・焼
成したMoSi2 を主体とする基材に、適当なガラス質
表面酸化被膜形成処理を施して発熱材料を形成する。
【0016】その後、例えばサンドブラスト処理などの
方法によって、金属被膜を形成して電極部とする部分の
ガラス質表面酸化被膜を除去する。
【0017】なお、必要であれば金属被膜を形成する前
に、付着性を増大するために金属被膜を形成すべき部分
に表面粗化処理を施しても良い。
【0018】次に、溶射、イオンプレーティング、めっ
きなどの方法により耐酸化性に優れた電極用金属被膜を
形成させる。被覆金属としては溶射法による被覆の場合
にはAl、NiまたはNi−Al合金が、イオンプレー
ティング法の場合にはNi、Cu、Ag、Pd、Pt、
Auが、めっき法による被覆の場合にはNi、Cr、R
h、Ir、Pt、Auが特に効果的である。
【0019】図1は、発熱部1の一部と電極部2とを備
える発熱材料(発熱体、ヒータ)を例示する。発熱部に
は表面酸化被膜3が形成されている。電極部2には、表
面酸化被膜が除去された後、そこに電極目的の被覆金属
4が形成されている。この際重要なことは、図1に示す
ように、形成する金属被膜が除去されていない表面酸化
被膜に対して必ずオーバーラップしていることである。
このオーバーラップ部分5の長さは少なくとも0.1m
m以上必要であり、特に0.5mm以上とした場合に効
果が大きいため好ましい。オーバーラップ長さの上限は
特に規定されるものではないが、長すぎると表面酸化被
膜と金属被膜との密着性に問題が生じる可能性がある。
溶射法による場合には0.5〜5mm、緻密な金属被膜
の形成が可能なイオンプレーティング法やめっき法など
の場合には0.5〜2mm程度のオーバーラップ長さが
好ましい。
【0020】また、電極用金属被膜は、酸素の侵入の原
因となるスルーポアをなくすために十分な厚さが必要で
ある。ただし、厚すぎると金属被膜と発熱体基材である
MoSi2 の熱膨張係数の差により金属被膜剥離の原因
となるため、厚さには上限値を設定することが推奨され
る。金属被膜の厚さの範囲は被膜の形成方法によって異
なるが、溶射法の場合には20μm以上500μm以
下、好ましくは50μm以上300μm以下、イオンプ
レーティング法の場合には、0.2μm以上20μm以
下、好ましくは1μm以上10μm以下、めっき法の場
合には、0.5μm以上100μm以下、好ましくは1
μm以上10μm以下である。
【0021】また、イオンプレーティング被膜上に溶射
被膜を形成すること、あるいはめっき被膜上に溶射被膜
を形成することもまた可能である。形成したイオンプレ
ーティング被膜あるいはめっき被膜皮膜の上に溶射膜を
形成することにより、イオンプレーティングやめっきに
よる高価な保護皮膜の厚みを比較的薄めにして、その上
に比較的に廉価な溶射膜を形成することはコスト的に有
利である。耐酸化性が向上する場合もある。例えば、厚
さ0.2μm以上20μm以下の、Ni、Cu、Ag、
Pd、Pt及びAuから選択された金属のイオンプレー
ティング被膜と該イオンプレーティング被膜上に形成さ
れた厚さ20μm以上500μm以下の、Al、Ni、
及びNi−Al合金から選択された金属の溶射被膜との
組合せ、あるいはまた、厚さ0.5μm以上100μm
以下の、Ni、Cr、Rh、Ir、Pt及びAuから選
択された金属のめっき被膜と該めっき被膜上に形成され
た厚さ20μm以上500μm以下の、Al、Ni、及
びNi−Al合金から選択された金属の溶射被膜との組
合せから構成されたものが好適例である。
【0022】
【実施例】(実施例及び比較例)適当な条件により成形
・焼成の後、ガラス質表面酸化被膜を形成させたMoS
2 基発熱体(ヒータ)材(密度92%以上)の電極形
成部分のガラス質表面酸化被膜をサンドブラストにより
除去し、その後電極部として表1に示すように幾種かの
金属被膜を溶射、イオンプレーティングまたはめっきに
よりオーバーラップ長さおよび膜の厚さを変えて形成し
た。これらについて480℃×24時間の大気曝露試験
を繰り返した。比較例として、表2に示すように、Al
溶射を用いて、Al溶射が薄い場合、Al溶射が厚い場
合及びオーバーラップなしの場合について、実施例と同
様に480℃×24時間の大気曝露試験を繰り返した。
これらについて酸化物(MoO3 )の発生および金属被
膜の剥離の有無を顕微鏡観察による表面状況から調査し
た。各成膜条件並びに結果を表1及び表2に示す。
【0023】
【表1】
【0024】
【表2】
【0025】(実施例の結果) (1)Al溶射による場合 未除去のガラス質被膜に対してオーバーラップ(1、3
mm)させてAl溶射(厚さ80、150μm)を行っ
た。これらは、曝露試験の結果30回目終了時において
も、Al溶射部及び境界付近にMo酸化物の生成は見ら
れなかった。
【0026】(2−1)Niイオンプレーティングによ
る場合 未除去のガラス質被膜に対して0.5mmオーバーラッ
プさせて、イオンプレーティング法により厚さ3μm及
び10μmのNi被膜を形成した。その結果、曝露試験
30回終了時においても、Ni被膜部やその境界部付近
からのMo酸化物の発生は見られなかった。
【0027】(2−2)Niめっきによる場合 未除去のガラス質被膜に対して1mmオーバーラップさ
せて、めっき法により厚さ10μm及び20μmのNi
被膜を形成した。その結果、曝露試験30回終了時にお
いても、Ni被膜部やその境界部付近からのMo酸化物
の発生は見られなかった。
【0028】(3)Crめっきによる場合 未除去のガラス質被膜に対して1mmオーバーラップさ
せて、めっき法により厚さ10μm及び20μmのCr
被膜を形成した。その結果、曝露試験30回終了時にお
いても、Cr被膜部やその境界部付近からのMo酸化物
の発生は見られなかった。
【0029】(4)Cuめっきによる場合 未除去のガラス質被膜に対して1mmオーバーラップさ
せて、めっき法により厚さ10μm及び20μmのCu
被膜を形成した。その結果、曝露試験30回終了時にお
いても、Cu被膜部やその境界部付近からのMo酸化物
の発生は見られなかった。
【0030】(5)Agイオンプレーティングによる場
合 未除去のガラス質被膜に対して0.5mmオーバーラッ
プさせて、イオンプレーティング法により厚さ3μm及
び10μmのAg被膜を形成した。その結果、曝露試験
30回終了時においても、Ag被膜部やその境界部付近
からのMo酸化物の発生は見られなかった。
【0031】(6)Niめっき+Al溶射による場合 未除去のガラス質被膜に対して1mmオーバーラップさ
せて、めっき法により厚さ20μmのNi被膜を形成し
た。さらに溶射法によりNi被膜に対し1mmオーバー
ラップするように厚さ100μmのAl溶射を行った。
その結果、曝露試験30回終了時においても、金属被覆
部やその境界部付近からのMo酸化物の発生は見られな
かった。
【0032】(比較例の結果) (A)Al溶射が薄い場合 未除去のガラス質被膜に対してオーバーラップ(1、3
mm)させて厚さ15μmのAl溶射を行った。これら
は、オーバーラップさせたにもかかわらず曝露試験の結
果、1回目終了時にすでにAl溶射部中からMo酸化物
の生成が見られ、10回目終了時には双方ともAl溶射
層の剥離が生じた。これはAl溶射部に存在するスルー
ポアから酸素が母材に到達し酸化されたためである。
【0033】(B)Al溶射が厚い場合 未除去のガラス質被膜に対してオーバーラップ(1、3
mm)させて厚さ600μmのAl溶射を行った。これ
らは、曝露試験時の熱ひずみにより溶射被膜に亀裂が入
り、そこから剥離及び酸化が起こった。
【0034】(C)オーバーラップなしの場合 酸化被膜を除去した部分にちょうど対応する部分に対し
て(オーバーラップなしで)、厚さ80μm及び150
μmのAl溶射を行った。その結果、曝露試験1回目終
了時にアルミナイズ被膜境界部からMo酸化物の発生が
見られ、10回目終了時にはアルミナイズ被膜の剥離が
見られた。さらに30回目終了時にはアルミナイズ被膜
はほぼ完全に剥離してしまった。
【0035】
【発明の効果】本発明のMoSi2 を主成分として70
%以上含む発熱材料の電極部の酸化による劣化を防止す
ることができ、また金属被膜の剥離も生じない。480
℃×24時間の大気曝露サイクルを30回繰り返しても
MoO3 の発生が見られなくなる。そのため、超高温発
熱材料としてのMoSi2 の信頼性を保証する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従い表面酸化被膜を有する発熱部とそ
こにオーバーラップした金属被膜を有する電極部とを備
える発熱材料を例示し、丸印部分の断面の詳細をも併せ
て示す。
【図2】従来法により表面酸化被膜を除去した部分に金
属被膜を形成して電極部を構成する状態を示す説明図で
ある。
【図3】従来法において母材が露出している場合の説明
図である。
【符号の説明】
1 発熱部 2 電極部 3 表面酸化被膜 4 被覆金属 5 オーバーラップ部分
フロントページの続き (72)発明者 大橋 建夫 茨城県北茨城市華川町臼場187番地4株 式会社ジャパンエナジー磯原工場内 (56)参考文献 特開 平5−315057(JP,A) 特公 昭39−28286(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H05B 3/14 H05B 3/03

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面酸化被膜が形成されている、MoS
    2 基材またはMoSi2 を主成分として70%以上含
    む基材から成る発熱材料において、該表面酸化被膜を除
    去した部分に金属被膜を形成してなる部分と、該表面酸
    化被膜が除去されていない部分とを備え、前記金属被膜
    を形成してなる部分の金属被膜が、前記表面酸化被膜が
    除去されていない部分の表面酸化被膜に対して少なくと
    も長さ0.1mm以上オーバーラップしていることを特
    徴とする電極部を有する発熱材料。
  2. 【請求項2】 表面酸化被膜が形成されている、MoS
    2 基材またはMoSi2 を主成分として70%以上含
    む基材から成る発熱材料において、該表面酸化被膜を除
    去した部分に金属被膜を形成してなる部分と、該表面酸
    化被膜が除去されていない部分とを備え、前記金属被膜
    を形成してなる部分の金属被膜が、前記表面酸化被膜が
    除去されていない部分の表面酸化被膜に対して少なくと
    も長さ0.5mm以上オーバーラップしていることを特
    徴とする電極部を有する発熱材料。
  3. 【請求項3】 金属被膜が溶射被膜、めっき被膜または
    イオンプレーティング被膜であることを特徴とする請求
    項1または2のいずれか1項に記載の発熱材料。
  4. 【請求項4】 金属被膜が厚さ20μm以上500μm
    以下のAl、Ni、及びNi−Al合金から選択された
    金属の溶射被膜であることを特徴とする請求項3に記載
    の発熱材料。
  5. 【請求項5】 金属被膜が厚さ50μm以上300μm
    以下のAl、Ni、及びNi−Al合金から選択された
    金属の溶射被膜であることを特徴とする請求項3に記載
    の発熱材料。
  6. 【請求項6】 金属被膜が厚さ0.2μm以上20μm
    以下の、Ni、Cu、Ag、Pd、Pt、及びAuから
    選択された金属のイオンプレーティング被膜であること
    を特徴とする請求項3に記載の発熱材料。
  7. 【請求項7】 金属被膜が厚さ1μm以上10μm以下
    の、Ni、Cu、Ag、Pd、Pt、及びAuから選択
    された金属のイオンプレーティング被膜であることを特
    徴とする請求項3に記載の発熱材料。
  8. 【請求項8】 金属被膜が厚さ0.5μm以上100μ
    m以下の、Ni、Cr、Rh、Ir、Pt及びAuから
    選択された金属のめっき被膜であることを特徴とする請
    求項3に記載の発熱材料。
  9. 【請求項9】 金属被膜が厚さ1μm以上10μm以下
    の、Ni、Cr、Rh、Ir、Pt及びAuから選択さ
    れた金属のめっき被膜であることを特徴とする請求項3
    に記載の発熱材料。
  10. 【請求項10】 金属被膜が、厚さ0.2μm以上20
    μm以下の、Ni、Cu、Ag、Pd、Pt、及びAu
    から選択された金属のイオンプレーティング被膜と、該
    イオンプレーティング被膜上に形成された厚さ20μm
    以上500μm以下の、Al、Ni、及びNi−Al合
    金から選択された金属の溶射被膜とから構成されたもの
    であることを特徴とする請求項1または2のいずれか1
    項に記載の発熱材料。
  11. 【請求項11】 金属被膜が、厚さ0.5μm以上10
    0μm以下の、Ni、Cr、Rh、Ir、Pt及びAu
    から選択された金属のめっき被膜と、該めっき被膜上に
    形成された厚さ20μm以上500μm以下の、Al、
    Ni、及びNi−Al合金から選択された金属の溶射被
    膜とから構成されたものであることを特徴とする請求項
    1または2のいずれか1項に記載の発熱材料。
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