JP3804054B2 - 加熱処理方法および加熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、加熱処理方法および加熱処理装置に関する。

従来、被処理体に対して加熱処理および加圧処理を施す方法としては、ＨＩＰ（熱間等方圧縮）や擬ＨＩＰと呼ばれる処理方法が公知である。
この種の処理方法の一つとして、例えば、下記特許文献１には、材料に高温等方圧処理を施こす際に、被圧縮材料を加工温度で固体である粒状物質でおおい、カプセルに封入した構造体を作製し、その構造体を所要の温度に加熱した後、その構造体の周囲から機械的に圧縮力を加えることにより、構造体内部の被圧縮材料に対して等方的圧力をおよぼすことを特徴とする材料の高温三軸圧縮法が開示されている。
特公平７−６３８７８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の処理方法では、上記構造体を加熱した際に、構造体の外部から加えられる熱が粒状物質を介して被圧縮材料に伝わるため、被圧縮材料へ熱が伝わるまでに時間を要し、高速加熱が難しいという欠点があった。

また、被圧縮材料の形態によっては不均一に熱が伝わることもあり、被処理体を均一に加熱することが困難であった。
このことは、均一な加熱処理ができなくても加圧処理ができれば十分である場合には、あまり問題視されないことではあるが、被処理体を均一に加熱することが重要視される場合には、問題であった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、被処理体を均一に加熱することができる加熱処理方法と、その加熱処理方法の実施に好適な加熱処理装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するためになされた本発明の特徴について詳述する。
本発明の加熱処理方法は、
型内に導電性粉末を充填するとともに、前記導電性粉末中に被熱処理体を埋設した状態で、前記導電性粉末に対して圧力を加えることにより、前記導電性粉末から前記被熱処理体に対して均一に圧力を作用させ、その状態で、前記導電性粉末に対して通電して該導電性粉末を発熱させることにより、前記導電性粉末から前記被熱処理体に対して熱を加える
ことを特徴とする。

この加熱処理方法によれば、導電性粉末から被熱処理体に対して均一に圧力を作用させ、その状態で、導電性粉末に対して通電して導電性粉末を発熱させるので、被熱処理体の周囲にある導電性粉末そのもので発生する熱が、直に被熱処理体に伝わることになる。したがって、外部からの熱が粉体を介して被熱処理体に伝達される場合に比べ、被熱処理体に対して均一に熱が伝わるようになる。

また、被熱処理体の一部または全部が導電体の場合、当該導電体部分に電流が流れることで、導電体部分自体も発熱することがあり、この場合は、導電体部分が発する熱でも被熱処理体が加熱されることになるので、加熱効率が良好になる。

さらに、静水圧的な加圧が可能なので、異形部材や脆弱材料の加熱に好適である。
なお、本発明の加熱処理方法においては、次のような構成をも採用していると望ましい。

まず、前記被熱処理体の一部または全部を非導電性の薄膜部材で覆って、該被熱処理体を前記導電性粉末中に埋設するとよい。
このような構成は、特に被熱処理体の一部または全部が導電体である場合に有効であり、導電性粉末に対して通電しても、被熱処理体の一部または全部に電流が流れるのを防止することができるので、非導電性の薄膜部材を利用して、加熱を促したい部分には電流が流れて加熱を抑えたい部分には電流が流れないようにし、加熱の程度を調節することができる。なお、薄膜部材は、あらかじめシート状に形成された部材であってもよいし、被熱処理体に対して悪影響がないものであれば、流動性組成物を被熱処理体の表面に塗布、乾燥することにより、被熱処理体表面において成膜してなる部材であってもよい。

また、前記被熱処理体および前記導電性粉末が、真空中、不活性ガス中、または還元ガス中に存在する状態で、前記加圧および加熱を行うとよい。
この場合、被熱処理体の表面が酸化されるのを防止することができる。また、真空中の場合は、導電性粉末の熱が雰囲気の対流によって奪われるのを抑制できるので、より効率よく加熱することができる。

また、前記被熱処理体は、異なる材料からなる部分が相互に接触する界面を有する構造になっていて、前記加圧および加熱に伴って、前記異なる材料からなる部分が前記界面において接合されるものであるとよい。

このような方法で接合すると、接合強度が高くて接合界面を挟む両側間の電気抵抗を小さくすることができる。
また、前記加圧に伴って前記導電性粉末が前記被熱処理体に圧接することにより、前記被熱処理体の表面に凹凸が形成されるものであるとよい。

このような方法であれば、被熱処理体の表面に対するディンプル加工、梨地加工、反射率低減加工などを簡単に実施することができる。
また、前記導電性粉末として炭素粉末を用いることにより、前記被熱処理体の表面に対して脱酸処理または炭化処理を施してもよい。

さらに、以上説明した加熱処理方法を実施するには、次のような加熱処理装置を利用するとよい。
すなわち、本発明の加熱処理装置は、
導電性粉末と、
該導電性粉末が充填される型と、
前記導電性粉末に対して圧力を加えることにより、前記導電性粉末中に埋設された被熱処理体に対して均一に圧力を作用させる加圧手段と、
前記導電性粉末に対して通電して該導電性粉末を発熱させることにより、前記導電性粉末中に埋設された被熱処理体に対して熱を加える加熱手段と
を備えたことを特徴とする。

このような加熱処理装置を用いれば、導電性粉末から被熱処理体に対して均一に圧力を作用させ、その状態で、導電性粉末に対して通電して導電性粉末を発熱させることができる。そのため、被熱処理体の周囲にある導電性粉末そのもので発生する熱が、直に被熱処理体に伝わることになる。したがって、外部からの熱が粉体を介して被熱処理体に伝達される場合に比べ、被熱処理体に対して均一に熱が伝わるようになる。

また、被熱処理体の一部または全部が導電体の場合、当該導電体部分に電流が流れることで、導電体部分自体も発熱することがあり、この場合は、導電体部分が発する熱でも被熱処理体が加熱されることになるので、加熱効率が良好になる。

なお、この加熱処理装置においては、次のような構成をも採用していると望ましい。
すなわち、前記型の周囲を取り囲む空間内を真空とするか、該空間内に不活性ガスまたは還元ガスを導入することにより、前記被熱処理体の酸化を防止する酸化防止手段
を備えているとよい。

この場合、被熱処理体の表面が酸化されるのを防止することができる。また、真空中の場合は、導電性粉末の熱が雰囲気の対流によって奪われるのを抑制できるので、より効率よく加熱することができる。

以上説明したように、本発明によれば、被処理体を均一に加熱することができる加熱処理方法と、その加熱処理方法の実施に好適な加熱処理装置を提供することができる。

次に、本発明の実施形態について一例を挙げて説明する。
（１）加熱処理装置の構造
図１は、本発明の一実施形態として例示する加熱処理装置の概略構成図である。

この加熱処理装置１は、型１１、パンチ１２、スペーサー１３、通電装置１４、加圧装置１５、真空チャンバー１６、および熱電対１７などを備えている。
型１１は、黒鉛製で、内径５０ｍｍ、外径９０ｍｍ、高さ３０ｍｍのリング状のものである。

パンチ１２は、黒鉛製で、外径５０ｍｍ、高さ２０ｍｍの円柱体で、型１１の内側にぴったりと嵌る寸法になっている。
スペーサー１３は、外径３０ｍｍ、高さ３０ｍｍの黒鉛製の円柱体と、外径８０ｍｍ、高さ４０ｍｍの黒鉛製の円柱体とを積み重ねて構成されている。

通電装置１４は、処理時にスペーサー１３の上下端間に６００Ａの電流を流すことができる。
加圧装置１５は、油圧によってスペーサー１３の上下端間に圧縮方向の圧力を作用させるように構成されている。

真空チャンバー１６は、型１１の周囲の空間を真空化するためのものである。
熱電対１７は、型１１内の温度を検出するものである。
（２）加熱処理の例（その１）
［処理手順］
次に、上記加熱処理装置１による加熱処理について、具体例を挙げて説明する。

加熱処理装置１の型１１内には、図２に示すように、炭素粉末２１が充填され、この炭素粉末２１の内部に被熱処理体２２が埋設される。また、被熱処理体２２の上下には、薄膜部材２６，２７が配置されている。

本実施形態において、被熱処理体２２は、図３および図４に示すように、ポリイミドフィルム３０の一方の面に、Ｂｉ−Ｔｅ系の熱電発電素子のパターンを形成してなるもので、このパターンは、両端の電極３１，３２と、電極３１−電極３２間に形成されたＰ型半導体部３３［組成比：（Ｂｉ₂Ｔｅ₃）_0.25（Ｓｂ₂Ｔｅ₃）_0.75］と、Ｎ型半導体部３４［組成比：Ｂｉ₂Ｔｅ_2.7Ｓｅ_0.3］とで構成され、これらＰ型半導体部３３およびＮ型半導体部３４が交互に８本ずつ、直列接続されるように形成されている。これらＰ型半導体部３３およびＮ型半導体部３４は、上記各組成比の原料をポリイミドフィルム３０の一方の面にスパッタリングして形成されたものである。

薄膜部材２６は、ポリイミドフィルム３５の一部に、穴３６，３７を形成してなるもので、穴３６，３７は、被熱処理体２２に重ねたときにちょうど電極３１，３２を露出させるような位置に形成されている。

薄膜部材２７も、薄膜部材２６と同様のポリイミドフィルム３８で形成されているが、こちらは穴が形成されていないものである。
これら被熱処理体２２、および薄膜部材２６，２７は、図５（ａ）〜同図（ｅ）に示すような手順で処理される。

まず、型１１の下端側からパンチ１２を嵌め込むことによって形成される凹部の内側に、適量の炭素粉末２１を投入する（図５（ａ）参照）。そして、型１１の上端側からもパンチ１２を嵌め込み、先に投入した炭素粉末２１をプレスして固める（図５（ｂ）参照）。

その後、上端側のパンチ１２を型１１から脱離させ、加圧して固めた炭素粉末２１の上面側に、被熱処理体２２、および薄膜部材２６，２７を積層したものを設置する（図５（ｃ）参照）。そして、その上から、再び適量の炭素粉末２１を投入する（図５（ｄ）参照）。

続いて、再び型１１の上端側からパンチ１２を嵌め込み、炭素粉末２１を圧縮する（図５（ｅ）参照）。
以上の手順によって形成されたものを、真空チャンバー１６内の加圧装置１５にセットし、セット後、加圧力１００ｋｇ／ｃｍ²をかける。また、真空チャンバー１６内を約１０Ｐａの真空状態にする。その後、通電装置１４にて６００Ａの電流を流す。その結果、炭素粉末２１が発熱し、その熱で被熱処理体２２、および薄膜部材２６，２７が加熱される。なお、通電開始から１０分後に型１１内の温度を熱電対１７で測定したところ、３４０℃まで上昇していた。

後は、十分に冷却した後、型１１からパンチ１２を脱離させ、内部の炭素粉末２１、被熱処理体２２、および薄膜部材２６，２７を取り出し、熱処理された被熱処理体２２を利用する。

［加熱処理の処理時間］
上記被熱処理体２２が備えるＰ型半導体部３３およびＮ型半導体部３４は、加圧されるとともに、上記通電による加熱を受けて結晶化が促進されるが、通電時間に応じて結晶化の促進状態は変わると考えられる。そこで、通電時間を、５分、１０分、１５分、３０分の４通りに変えて、通電時間の違いによる結晶化の促進状態を確認した。具体的な確認方法としては、Ｐ型半導体部３３およびＮ型半導体部３４の電気抵抗値を測定し、電気抵抗値が小さいほど結晶化が促進されているものと評価することにした。測定結果を表１に示す。

表１に示すように、通電時間を長くするほど電気抵抗値は小さくなる傾向があり、結晶化が促進されることがわかった。ただし、通電時間を長くすると、Ｐ型半導体部３３およびＮ型半導体部３４がポリイミドフィルム３０から剥離する傾向が現れる。そのため、本実施形態においては、通電時間を１０分間にすることで、結晶化をある程度まで促進することができ、且つ、剥離を起こさないようにすることができることがわかった。

［薄膜部材の有無および形態の違いによる効果］
薄膜部材２６の有無、および薄膜部材２６に形成された穴３６，３７の有無による加熱処理への影響について調べた。具体的には、第１に、薄膜部材２６を設けないこと以外は、すべて先に説明した加熱処理と同条件で加熱処理を行い、この加熱処理後のＰ型半導体部３３およびＮ型半導体部３４の電気抵抗値を測定した。また、穴３６，３７を設けないこと以外は、すべて先に説明した加熱処理と同条件で加熱処理を行い、この加熱処理後のＰ型半導体部３３およびＮ型半導体部３４の電気抵抗値を測定した。測定結果を表２に示す。

表２に示した通り、薄膜部材２６の有無どちらの場合においても、熱処理後の電気抵抗値は同程度まで低下した。しかし、穴３６，３７を設けない場合は、電気抵抗値が十分に低下しなかった。このことから、炭素粉末２１がＰ型半導体部３３およびＮ型半導体部３４全体に直接接触するか、炭素粉末２１が穴３６，３７を介してＰ型半導体部３３およびＮ型半導体部３４の一部に直接接触している方が、炭素粉末２１とＰ型半導体部３３およびＮ型半導体部３４との接触が薄膜部材２６によって妨げられている場合より、熱処理後の電気抵抗値を低下させることができるので、望ましいと考えられる。

ただし、薄膜部材２６を設けない場合、Ｐ型半導体部３３およびＮ型半導体部３４に付着した炭素粉末２１を除去する作業が必要になるので、作業効率が悪くなり、場合によっては、炭素粉末２１の除去作業中に、Ｐ型半導体部３３およびＮ型半導体部３４を剥離させてしまう危険性もある。したがって、この点をも考慮すると、穴３６，３７を設けた薄膜部材２６でＰ型半導体部３３およびＮ型半導体部３４を覆ってから加熱処理を施すことにより、Ｐ型半導体部３３およびＮ型半導体部３４の結晶化を促すことができ、且つ、炭素粉末２１の除去作業も容易になるので望ましいと考えられる。
（３）加熱処理の例（その２）
［処理手順］
次に、上記（２）で示した被熱処理体２２に代えて、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）試料［直径２０ｍｍ、厚さ３ｍｍ、重量５ｇの円盤状］を、上記（２）と同様の手順で加熱処理装置１にセットした。

通電装置１４にて約１０００Ａの電流を流して炭素粉末２１を発熱させ、型１１内の温度を１３００℃まで上昇させ、その状態で２０分間にわたって加熱処理を施した。後は、十分に冷却した後、試料を型１１から取り出した。

続いて、加熱後の試料中の酸素を次のような手順で測定した。試料を切断後、断面をダイアモンドでバフ研磨し、走査電子顕微鏡内でエネルギー分散型Ｘ線分光装置を用いて、測定位置をマイクロメートルレベルで選定し、定量分析をした。試料表面近辺および試料中央部を各３点ずつ測定し、その平均を算出した。

この測定の結果、試料表面の酸素が、試料内部に比べて約１０％低下していることがわかった。また、試料表面の酸素が欠乏した結果、室温では非導電性であった試料の表面のみ導電性を示すようになった。

次に、同じイットリア安定化ジルコニア試料に対し、１３００℃、２０分間の加熱処理に代えて、１３００℃、４０分間の加熱処理を施した。
上記と同様の手順で加熱後の試料中の酸素を測定したところ、試料表面の酸素濃度はさらに減少しており、試料のごく表面には炭化物層（ＺｒＣ）が形成されていた。この炭化物層は、加熱処理による脱酸に伴って試料表面に金属層が現れ、その金属層が周囲の炭素粉末２１と反応して形成されたものと考えられる。

この試料の表面抵抗を測定したところ、測定距離１０ｍｍで３０ｋΩであった。
このように、被熱処理体を酸化物とした場合、炭素粉末を用いることにより、表面を脱酸することができ、表面に導電性を付与することができるので、機能性材料としての使用が考えられる。

なお、上記例では、１３００℃での加熱を行ったが、加熱温度を変えて確認したところ、イットリア安定化ジルコニア試料については、１０００℃以上で加熱処理することにより、表面に導電性が現れることがわかった。
（４）その他の加熱処理の例
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。

例えば、上記実施形態では、スパッタリングによって形成したＢｉ−Ｔｅ系の熱電発電素子のパターンの結晶化を促すために、本発明の加熱処理方法ないし加熱処理装置を用いる例を示したが、他の用途でも本発明を用いることができる。

具体例を挙げれば、例えば、ブロック状の熱電発電素子のＰ型半導体部とＮ型半導体部とを接合する際に、上記加熱処理方法ないし加熱処理装置を用いれば、両者間を接合剤を用いることなく接合することができる。

また、上記実施形態でも示したが、炭素粉末を用いる場合、被熱処理体の表面を炭化させることができるので、この炭化に伴って表面硬度が高くなるような被熱処理体を用いれば、摺動部品として利用するのに好適なものとなる。例えば、鉄やチタンおよびそれらの合金など、炭素と反応して炭化物を生成するような材料からなる被熱処理体に対し、融点を超えない範囲内で比較的高温の熱処理を施すと、被熱処理体の表面に炭化物が形成される。

加熱処理装置の概略構成図である。 加熱処理装置の縦断面図である。 被熱処理体、および薄膜部材を積層してなる積層体の縦断面図である。 被熱処理体、および薄膜部材を分解して示す平面図である。 型内に被熱処理体を配置する手順を説明するための説明図である。

符号の説明

１・・・加熱処理装置、１１・・・型、１２・・・パンチ、１３・・・スペーサー、１４・・・通電装置、１５・・・加圧装置、１６・・・真空チャンバー、１７・・・熱電対、２１・・・炭素粉末、２２・・・被熱処理体、２６，２７・・・薄膜部材、３０，３５，３８・・・ポリイミドフィルム、３１・・・電極、３３・・・Ｐ型半導体部、３４・・・Ｎ型半導体部、３６・・・穴。

Claims (8)

1. 型内に導電性粉末を充填するとともに、前記導電性粉末中に被熱処理体を埋設した状態で、前記導電性粉末に対して圧力を加えることにより、前記導電性粉末から前記被熱処理体に対して均一に圧力を作用させ、その状態で、前記導電性粉末に対して通電して該導電性粉末を発熱させることにより、前記導電性粉末から前記被熱処理体に対して熱を加える
   ことを特徴とする加熱処理方法。
2. 前記被熱処理体の一部または全部を非導電性の薄膜部材で覆って、該被熱処理体を前記導電性粉末中に埋設する
   ことを特徴とする請求項１に記載の加熱処理方法。
3. 前記被熱処理体および前記導電性粉末が、真空中、不活性ガス中、または還元ガス中に存在する状態で、前記加圧および加熱を行う
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加熱処理方法。
4. 前記被熱処理体は、異なる材料からなる部分が相互に接触する界面を有する構造になっていて、前記加圧および加熱に伴って、前記異なる材料からなる部分が前記界面において接合される
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の加熱処理方法。
5. 前記加圧に伴って前記導電性粉末が前記被熱処理体に圧接することにより、前記被熱処理体の表面に凹凸が形成される
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の加熱処理方法。
6. 前記導電性粉末として炭素粉末を用いることにより、前記被熱処理体の表面に対して脱酸処理または炭化処理を施す
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の加熱処理方法。
7. 導電性粉末と、
   該導電性粉末が充填される型と、
   前記導電性粉末に対して圧力を加えることにより、前記導電性粉末中に埋設された被熱処理体に対して均一に圧力を作用させる加圧手段と、
   前記導電性粉末に対して通電して該導電性粉末を発熱させることにより、前記導電性粉末中に埋設された被熱処理体に対して熱を加える加熱手段と
   を備えたことを特徴とする加熱処理装置。
8. 前記型の周囲を取り囲む空間内を真空とするか、該空間内に不活性ガスまたは還元ガスを導入することにより、前記被熱処理体の酸化を防止する酸化防止手段
   を備えたことを特徴とする請求項７に記載の加熱処理装置。

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