JP4379553B2 - 操炉方法および該操炉方法を実施するための電気炉 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、操炉方法、詳しくは、窒素、水素の混合ガス雰囲気中で熱処理を行うために使用する炭化珪素発熱体を使用した電気炉の操炉方法、および該操炉方法を実施するための電気炉に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、炭化珪素発熱体を配置した電気炉は熱処理炉として広く使用されてきたが、近年、技術革新による材料の高性能化の要求に伴って、材料を従来のように大気雰囲気中で熱処理するのではなく、窒素、水素の混合ガスからなる還元性ガス雰囲気で熱処理することが要求され、加熱温度についても、炉内温度1673K程度までの温度域で使用される熱処理炉(焼成炉)が増加している。
【0003】
炭化珪素発熱体は、表面に保護膜(SiO2 被膜)を形成することにより安定して使用し得るものであるが、窒素、水素の還元性ガス雰囲気中では、この保護膜が破壊されるため、炭化珪素発熱体の寿命が短くなり使用できなくなる。このため、窒素、水素の還元性ガス雰囲気下、1500K未満の温度域での使用においては、表面にSiO2 、Al2 O3 、MoSi2 などを主成分とする保護被膜を施すことにより使用されており、炉内温度が1500Kを越える高温域においては、炭化珪素発熱体の使用は困難で、二珪化モリブデンの発熱体が使用される場合が多かった。
【0004】
炭化珪素発熱体の表面に前記の保護被膜を施すことにより発熱体の寿命は改善されるが、この保護被膜を形成した場合でも1500K未満の低温度域でしか使用できず、且つ寿命の点でも必ずしも十分でない。また、高温域で使用される二珪化モリブデンの発熱体は高価であり、被熱処理製品のコスト上昇をもたらす。このため、窒素、水素の還元性雰囲気中において、炉内温度が1673K程度の温度域まで使用できる炭化珪素発熱体使用電気炉が強く要求されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
発明者は、この要求に答えるために、以下のような基礎的な実験、考察を行った。一般に、大気雰囲気のように酸素濃度が高い場合には、下記(1)〜(2)式に示すように、炭化珪素発熱体の表面に酸化膜(SiO2 )が生成し、これが保護膜となって炭化珪素発熱体は安定して使用することが可能となる。(以下、この状態をケース1という)
SiC+2O2 =SiO2 +CO2 (1)
SiC+(3/2)O2 =SiO2 +CO(2)
【0006】
しかしながら、窒素、水素の還元性ガスのように酸素濃度が低い雰囲気中においては、酸化膜(SiO2 )は保護膜とはなり得ず、酸化膜が飛散して、次々にSiCが酸化される(アクティブ酸化)。この状態では、炭化珪素発熱体の抵抗増加が生じ、ケース1の場合より寿命は短くなるが、まだ使用できる状態にはある。(以下、この状態をケース2という)
【0007】
さらに酸素濃度が低くなると、酸化膜(SiO2 )は形成されず、下記(3)式に示すように、SiCから直接SiOガスを生成する化学反応が生じアクティブ酸化が起こる。この状態においては、ケース2の場合より著しい酸化が生じるため、炭化珪素発熱体の使用は困難となる。(以下、この状態をケース3という)
SiC+O2 =SiO(g)+CO(g)(3)
【0008】
すなわち、ケース1は、炭化珪素発熱体を問題なく使用できる環境であり、ケース2は、酸化がある程度は進行するが炭化珪素発熱体が使用できる雰囲気であるが、ケース3では、著しい酸化反応が生じるため炭化珪素発熱体の使用は困難となる。
【0009】
熱力学的計算によれば、上記各式に示される反応は、温度および酸素濃度により変わり、例えば、発熱体の表面温度が1600Kの場合には、SiCの酸化挙動は、表1に示すように、酸度濃度によって変化する。すなわち、表1によれば、発熱体の表面温度が1600Kの場合、ケース1とケース2の境界の酸素濃度はlogPO2=−20.493であり、この酸素濃度値が、炭化珪素発熱体が使用できるか否かの目安となる。また、上記境界の酸素濃度は、表2に示すように、温度によって変化する。
【0010】
【表1】
《表注》PO2:酸素分圧(atm)
【0011】
【表2】
【0012】
炉内温度が1673Kの場合、発熱体の表面温度は、表面負荷にもよるが、一般的な表面負荷の場合には1773Kと、炉内温度より100℃程度高くなる。実用炉において、窒素、水素の還元性ガス雰囲気の場合、酸素濃度は10-20 (体積分率−酸素ガスの体積と混合ガス全体の体積の比)程度であるから、表2により、発熱体の表面温度が1600K(炉内温度で1500K相当)以上の高温域ではケース3の条件での酸化が生じ、これまでは炭化珪素発熱体の使用が困難となっていた。
【0013】
しかしながら、発明者による上記の実験、考察に示すように、SiCの酸化は温度のみに影響されるものではなく、酸素濃度に大きく依存していることが認められ、酸素濃度を制御することにより酸化を抑制することができることが見出された。
【0014】
本発明は、上記の知見に基づいて、温度、酸素濃度とSiCの酸化挙動の関係について、さらに検討を加えた結果としてなされたものであり、その目的は、窒素、水素の混合ガス雰囲気のような低酸素の還元性雰囲気を使用した場合においても、温度域に応じて酸素濃度を特定範囲に制御することによって、炉内温度が1773K程度の温度域まで炭化珪素発熱体の使用を可能とする炭化珪素発熱体を使用した電気炉の操炉方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、当該操炉方法を実施するための電気炉を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の請求項1による操炉方法は、炭化珪素発熱体を配置し、窒素分圧0.08MPa以上、水素分圧0.01MPa以下の成分を有するガス雰囲気中で熱処理を行うために使用する電気炉の操炉において、炉内温度が1473〜1600Kの温度域においては酸素濃度を10-18 以上に制御し、炉内温度が1600Kを越え1773K以下の温度域においては酸素濃度を10-17 以上に制御することを特徴とする。
【0016】
請求項2による操炉方法は、請求項1による電気炉の操炉において、炉内温度が1473〜1600Kの温度域においては酸素濃度を10-18 〜10-6に制御し、炉内温度が1600Kを越え1773K以下の温度域においては酸素濃度を10-17 〜10-6に制御することを特徴とする。
【0017】
また、請求項1または2に記載の操炉方法を実施するための電気炉は、炭化珪素発熱体を配置し、窒素分圧0.08MPa以上、水素分圧0.01MPa以下の成分を有するガス雰囲気中で熱処理を行うために使用する電気炉において、炉内温度に応じて炉内ガス雰囲気中の酸素濃度を制御するための制御機構を備え、炉内温度が1473〜1600Kの温度域においては酸素濃度を10 −18 以上、炉内温度が1600Kを越え1773K以下の温度域においては酸素濃度を10 −17 以上に制御し得るよう構成されていることを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
前記表2によれば、発熱体の表面温度が1600K未満では、ケース3の状態となる酸素分圧がきわめて低いため、実用炉におけるガス雰囲気ではケース3の酸化を生じることはない。一般的に、炉内温度は炭化珪素発熱体の表面温度より100℃低いことを考慮すると、炭化珪素発熱体を窒素、水素の還元性雰囲気中で使用するためには、炉内温度が1500Kから1600Kまでの温度域(発熱体の表面温度が1600〜1700Kに相当)においては、酸素濃度を10-18 以上に制御し、炉内温度が1600Kから1773Kまでの温度域(発熱体の表面温度が1700〜1873Kに相当)においては、酸素濃度を10-17 以上に制御することが必要となる。
【0019】
しかしながら、炉内雰囲気中の酸素濃度が大きくなると、被加熱材料(被処理物)に所望の優れた特性を与えることができなくなるため、炉内温度が1500Kから1600Kまでの温度域においては、酸素濃度を10-18 〜10-6の範囲に制御し、炉内温度が1600Kから1773Kまでの温度域においては、酸素濃度を10-17 〜10-6の範囲に制御するのが好ましい。
【0020】
上記のように酸素濃度を制御するための好ましい制御機構について説明する。図1は、円筒状の炉体4の内壁部に炭化珪素発熱体1を配置し、ガス導入管2を通じて、窒素、水素の混合ガスを炉内に導入して、被処理物3を熱処理するようにした電気炉Fである。
【0021】
図2は、ガスの導入系統を示す図であり、窒素ガスおよび水素ガスは、それぞれマスフロを通じて予め設定された流量に調節され、混合器で混合された後、含湿器に導入される。
【0022】
含湿器は、図3に示すように、混合ガスの導入管6、発熱体5、冷却器8を備えてなり、含湿器Mに純水9を入れ、混合ガスは導入管6を通じて純水9中に導入され、純水9内を通って所定量の酸素を含んだ混合ガスは、排出管7を通じて炉内に導入されるようになっている。発熱体5および冷却器8は純水9の温度を調整するためのもので、水温の調整と、前記ガス導入系統におけるガスの流量調節の組合わせによって混合ガス中の酸素濃度の制御が行われる。含湿器に取付けられた水温計(図示せず)を介して所定の酸素濃度を得るための水温となるよう発熱体5と冷却器8を制御する。
【0023】
電気炉Fには酸素濃度計(図2)が取付けられ、所定の酸素濃度を得るための自動制御が行えるように、窒素ガスおよび水素ガスの流量調節機構、含湿器Mの水温調整機構を含む制御系を構成することもできる。なお、含湿器によらず、酸素供給装置と微量の酸素量を制御し得る機構を介して、炉体内の酸素濃度を制御することもできる。
【0024】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。なお、この実施例は本発明の一実施態様を示すものであり、本発明がこれに限定されるものではない。
【0025】
実施例
図1〜3に示す装置を使用し、炭化珪素発熱体を通常の実用炉と同様に配置して、表3に示す条件で操炉し、炉内雰囲気の酸素分圧を変化させた場合における炭化珪素発熱体の抵抗増加率を測定した。なお、炭化珪素発熱体としては、表面保護被膜の無いものおよび表面にSiO2 、Al2 O3 、MoSi2 などを主成分とする保護被膜を施したものを使用し、炉内雰囲気中の酸素濃度を10-20 および10-17 と変えた。抵抗増加率を表4に示す。
【0026】
【表3】
【0027】
【表4】
《表注》バッチ回数:表3に示す操炉条件で昇温−保持−冷却を繰り
返した回数
【0028】
表4に示すように、炉内温度1673Kにおいては、炉内還元ガス雰囲気中の酸素濃度が10−17の場合、酸素濃度が10−20の場合に比べて、保護被膜の無いものでも、大気雰囲気の場合と同様、炭化珪素発熱体の抵抗増加率が1/2〜1/3となっており、酸素濃度を10−17以上に制御した場合には、炭化珪素発熱体にケース3の酸化を生じることなく、炭化珪素発熱体の使用が十分に可能であることが認められる。
【0029】
これに対して、炉内温度が1673Kで、炉内還元ガス雰囲気中の酸素濃度が10-20 の場合には、ケース3の酸化が生じて、炭化珪素発熱体の抵抗増加率が大きくなっており、炭化珪素発熱体の表面の保護被膜の有り、無しは抵抗増加にほとんど効果を持たないことがわかる。
【0030】
なお、炉内温度を1550Kとし、炉内還元性雰囲気中の酸素濃度を10-18 と10-20 にした場合を比較した場合にも、同様の結果が得られた。
【0031】
【発明の効果】
本発明によれば、窒素、水素の混合ガス雰囲気のような低酸素の還元性雰囲気を使用した場合においても、炉内温度が1773K程度の温度域まで炭化珪素発熱体の使用を可能とする炭化珪素発熱体を使用した電気炉の操炉方法および当該操炉方法を実施するための電気炉が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による電気炉の略式断面図である。
【図2】本発明の電気炉に雰囲気ガスを供給するためのガス系統図である。
【図3】雰囲気ガス中の酸素濃度を調整するための含湿器の略式断面図である。
【符号の説明】
1 炭化珪素発熱体
2 ガス導入管
3 被処理物
4 炉体
5 発熱体
6 混合ガス導入管
7 ガス排出管
8 冷却器
9 純水
F 電気炉
M 含湿器
Claims (3)
- 炭化珪素発熱体を配置し、窒素分圧0.08MPa以上、水素分圧0.01MPa以下の成分を有するガス雰囲気中で熱処理を行うために使用する電気炉の操炉において、炉内温度が1473〜1600Kの温度域においては酸素濃度を10-18 以上に制御し、炉内温度が1600Kを越え1773K以下の温度域においては酸素濃度を10-17 以上に制御することを特徴とする操炉方法。
- 前記電気炉の操炉において、炉内温度が1473〜1600Kの温度域においては酸素濃度を10-18 〜10-6に制御し、炉内温度が1600Kを越え1773K以下の温度域においては酸素濃度を10-17 〜10-6に制御することを特徴とする請求項1記載の操炉方法。
- 炭化珪素発熱体を配置し、窒素分圧0.08MPa以上、水素分圧0.01MPa以下の成分を有するガス雰囲気中で熱処理を行うために使用する電気炉において、炉内温度に応じて炉内ガス雰囲気中の酸素濃度を制御するための制御機構を備え、炉内温度が1473〜1600Kの温度域においては酸素濃度を10 −18 以上、炉内温度が1600Kを越え1773K以下の温度域においては酸素濃度を10 −17 以上に制御し得るよう構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の操炉方法を実施するための電気炉。
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