JP4454191B2 - セラミックヒータの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、グロープラグ等に使用されるセラミックヒータの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミックグロープラグ等に使用されるセラミックヒータとして、絶縁性のセラミック基体に対し、セラミック導電材料等で構成された抵抗発熱体を埋設した構造を有するものが知られている。セラミック基体としては、窒化珪素質セラミックが耐熱衝撃性や高温強度に優れていることから広く用いられている。
【０００３】
ところで、上記のようなセラミック基体で構成されるセラミックヒータは、該セラミック基体の仮成形体を焼成して機械的強度を向上させる場合が多いが、上記窒化珪素質セラミックとセラミック導電材料との熱膨張係数・焼結性が異なるため、常圧焼成では各材料の境界部にクラックが発生する等の問題が生じる場合がある。そこで、所定の圧力下にてホットプレス焼成を行う場合が多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記ホットプレス焼成では、上記仮成形体に接して圧力を加える治具としてカーボン治具を用い、仮成形体とカーボンの間にＢＮ等の離型剤を介在させて行うが、焼成中に窒化珪素質セラミックのＳｉとカーボン治具のＣとが反応してＳｉＣ化するため下記のような問題が生じている。例えば、Ｃによる還元雰囲気中で焼成を行うために、窒化珪素の焼結助剤に用いる酸化物が焼成中に当該窒化珪素セラミックの表面側に移動しやすくなり、組成不均一を生じる場合があり、結果として部分的な強度低下を引き起こす場合がある。また、焼結助剤に希土類酸化物を用いた場合、焼成によりセラミック基体にメリライト結晶相が生成しやすくなり、該メリライト結晶相が１０００℃前後での低温酸化を引き起こすことに起因して、セラミック基体（セラミックヒータ）が割れに至る場合がある。
【０００５】
さらには、窒化珪素質セラミックのＳｉとカーボン治具のＣとが反応してＳｉＣ化することにより以下のような問題も生じる。例えば、窒化珪素表面の焼け不良による強度が低下する場合がある。また、窒化珪素とカーボンが焼成中に反応することにより窒化珪素質セラミックと治具とが密着し、熱膨張係数が異なる材料同士が密着した状態で焼成後に冷却されてカーボン治具が割れる場合がある。さらに、カーボン治具が酸化消耗しやすく治具の寿命が短くなる場合がある。
【０００６】
本発明の課題は、機械的強度、耐久性に優れたセラミックヒータの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明のセラミックヒータは、窒化珪素質セラミック基体中に抵抗発熱体を埋設した構造を有するセラミックヒータであって、前記窒化珪素質セラミック基体は、該窒化珪素質セラミック基体の表面から０．１ｍｍ内部までの表層部における平均的な酸素成分濃度が０．４〜３．２重量％とされていることを特徴とする。
【０００８】
上記の構成によれば、セラミック基体の表層部における酸素成分濃度を０．４〜３．２重量％としたために、表層部における組成不均一による部分的な強度低下が生じ難くなった。該酸素成分濃度が０．４重量％未満の場合、該表層部における窒化珪素質層の緻密性が低下する場合があり、十分な強度が得られない場合がある。また、該酸素成分濃度が３．２重量％を超える場合も、十分な強度が得られない場合がある。なお、酸素成分濃度は好ましくは０．６〜２．０重量％とするのがよい。
【０００９】
また、セラミック基体が希土類成分を含む場合、メリライト結晶相が可及的に存在しない、若しくは存在していても１重量％以下の含有率とすると、該メリライト結晶相に基づく低温酸化等が生じ難くなり、結果的にセラミックヒータの機械的強度向上につながり得る。なお、メリライト結晶は希土類元素をＲとして、一般式：Ｒ２Ｓｉ３Ｎ４Ｏ３で表される化合物の結晶のことを言う。
【００１０】
このようなセラミックヒータは、以下のような方法により製造することができる。すなわち、本発明のセラミックヒータの製造方法は、窒化珪素質セラミック基体中に抵抗発熱体を埋設した構造を有するセラミックヒータの製造方法において、
前記焼成治具は、前記成形体又は仮焼体をセットするための湾曲形状のキャビティが複数連設された態様をなし、該焼成治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣを含有して構成されており、
前記セラミックヒータを製造するための前記窒化珪素質セラミック基体の前記ホットプレス焼成を本ホットプレス焼成として、該本ホットプレス焼成に先立って、前記キャビティが複数連設したＣを主体とするカーボン治具の当該キャビティに、Ｓｉ化合物又はＳｉを主体として構成される成形体又は仮焼体を各々セットし１３００℃以上、２３００℃以下の温度にて仮ホットプレス焼成することにより、該カーボン治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化してなる治具を作製し、該治具を前記窒化珪素質セラミック基体の前記本ホットプレス焼成のための前記焼成治具として用いることを特徴とする。
なお、この場合、キャビティ内面から０．５ｍｍとは、キャビティ内面に沿った湾曲形状での領域によって考えるもので、治具の厚み方向での０．５ｍｍをいうものではない。
【００１１】
すなわち、焼成治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部をＳｉＣを含有して構成したために、当該焼成治具を用いてのホットプレス焼成時に、窒化珪素質セラミック基体の成形体又は仮焼体のＳｉと、焼成治具の成分との間で反応（具体的にはＣ成分との反応）が生じ難くなり、窒化珪素表面の焼け不良による強度低下を防止ないし抑制することが可能となり得る。また、窒化珪素質セラミック基体と焼成治具が反応し難いために両者が密着し難く、結果的に両者の熱膨張係数の違いに基づく焼成から冷却過程における治具の割れ等を防ぐことが可能となり得る。また、焼成治具が酸化され難くなるため、該焼成治具の寿命が向上する。さらに、本発明においては、１回のホットプレス焼成する工程にてセラミックヒータを複数製造するために、焼成治具は、窒化珪素質セラミック基体の成形体又は仮焼体を配置して当該基体に圧力を伝えることになる湾曲形状のキャビティを一面に複数連設した態様をなし、各キャビティにより焼成治具の一面は凹凸形状（波型形状）を構成している。この場合、治具のキャビティ形状が湾曲であるために、ホットプレス焼成時に窒化珪素質セラミック基体の成形体又は仮焼体と焼成治具との間で接触面積が大きくなり、基体となるべき成形体又は仮焼体に均一な圧力を加えることができるとともに、キャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣを主体に含有しているために、成形体又は仮焼体のＳｉと治具の成分との間での反応を抑える効果が一層顕著に現れるものとなる。
【００１２】
また、上記窒化珪素質セラミック基体の成形体又は仮焼体は焼結助剤を含むものとすることができる。この場合、本発明においては上述の通りホットプレス焼成を行う場合の焼成治具の表層部がＳｉＣを含有して構成されているため、焼成中におけるＣによる還元性が、例えばＣを主体として構成されたカーボン治具を用いる場合と比較して低下する。したがって、例えば酸化物（希土類酸化物）等の焼結助剤が焼成中にセラミック基体の表層部に移動して焼結助剤成分が不均一化する等の不具合を防止ないし抑制することが可能となり、したがってセラミック基体中の組成不均一等も生じ難くなり、結果的に機械的強度の低下を防止ないし抑制することが可能となり得る。
【００１３】
このように、本発明のセラミックヒータの製造方法において、上記のような焼成治具を用いることにより、連続したキャビティにより生産性が向上するとともに、焼成治具の耐久性が向上し、さらにセラミックヒータを製造する上で、焼成治具とセラミック基体の成形体又は仮焼体との間の接触面積が大きくなるにも拘らず両者間の反応が生じ難くなり、当該セラミックヒータの機械的強度低下等の問題が生じ難くなり得る。
【００１４】
上記のような焼成治具は、以下のような方法により得ることができる。すなわち、湾曲形状のキャビティが複数連設したＣを主体とするカーボン治具の当該キャビティに、Ｓｉ化合物又はＳｉを主体として構成される成形体又は仮焼体を各々セットし１３００℃以上の温度（上限は２３００℃程度）にてホットプレス焼成することにより、該カーボン治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化してなる治具を前記焼成治具として得ることができる。また、湾曲形状のキャビティが複数連設したＣを主体とするカーボン治具の少なくともキャビティ内面にＳｉ化合物又はＳｉを主体とする組成物を塗布又はコーティングし１５００℃以上の温度（上限は２３００℃程度）に加熱することにより、該カーボン治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化してなる治具を前記焼成治具として得ることも可能である。
【００１５】
また、上記ＳｉＣを含有する表層部は、好ましくはＳｉＣを主体として構成されるものとするのがよい。ここで、ＳｉＣを主体として構成されるとは、該表層部を構成する成分のうちＳｉＣ成分が最も含有量の多い成分であることを意味し、例えばＳｉＣとＣとの比が６：４のＳｉＣ／Ｃ複合層とすることもできる。また、ＳｉＣ単体で構成されたＳｉＣ系治具を用いることも可能であるが、価格等を考慮するとＳｉＣ／Ｃ複合層を備えた治具とすることが望ましい。なお、本発明において焼成治具の表層部は、当該焼成治具の表面から少なくとも０．５ｍｍ内部までがＳｉＣを含む層であればよく、該０．５ｍｍよりも内部においてＳｉＣを含む層が形成されていてもよいことは言うまでもない。逆にＳｉＣを含む層がキャビティ内面から０．５ｍｍ未満の場合は、上記本発明の効果が十分に発揮されない場合がある。
【００１６】
次に、本発明のセラミックヒータにおける窒化珪素質セラミック基体の組織は、例えば、窒化珪素を主成分とするＳｉ３Ｎ４相粒子が、焼結助剤成分に由来した粒界相（結合相）により結合された形態のものである。焼結助剤成分は、主に結合相を構成するが、一部が主相（Ｓｉ３Ｎ４相）中に取り込まれることもあり得る。なお、結合相中には、焼結助剤として意図的に添加した成分のほか、不可避不純物、例えば窒化珪素原料粉末に含有されている酸化珪素などが含有されることがある。
【００１７】
上記焼結助剤成分は、例えば希土類成分のほか、本発明の効果が損なわれない範囲にて、ＳｉやＡｌなど、周期律表の４Ａ、５Ａ、３Ｂ及び４Ｂの各族の元素成分を使用できる。これらは、原料段階にて主に酸化物の形で添加することができる。希土類成分としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを用いることができる。これらのうちでもＴｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂは、粒界相の結晶化を促進し、高温強度を向上させる効果があるので好適に使用できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の製造方法によって製造されるセラミックヒータを使用したグロープラグを、その内部構造とともに示すものである。すなわち、グロープラグ５０は、その一端側に設けられたセラミックヒータ１と、そのセラミックヒータ１の先端部２が突出するようにその外周面を覆う金属製の外筒３、さらにその外筒３を外側から覆う筒状の金属ハウジング４等を備えており、セラミックヒータ１と外筒３との間及び外筒３と金属ハウジング４との間は、それぞれろう付けにより接合されている。
【００１９】
セラミックヒータ１の後端部には、金属線により両端が弦巻ばね状に形成された結合部材５の一端が外側から嵌合するとともに、その他端側は、金属ハウジング４内に挿通された金属軸６の対応する端部に嵌着されている。金属軸６の他方の端部側は金属ハウジング４の外側へ延びるとともに、その外周面に形成されたねじ部６ａにナット７が螺合し、これを金属ハウジング４に向けて締めつけることにより、金属軸６が金属ハウジング４に対して固定されている。また、ナット７と金属ハウジング４との間には絶縁ブッシュ８が嵌め込まれている。そして、金属ハウジング４の外周面には、図示しないエンジンブロックにグロープラグ５０を固定するためのねじ部５ａが形成されている。
【００２０】
セラミックヒータ１は、図２に示すように、Ｕ字状のセラミック抵抗発熱体（以下、単に発熱体という）１０を備え、その各両端部に線状又はロッド状の電極部１１及び１２の先端部が埋設されるとともに、発熱体１０と電極部１１及び１２の全体が、円形断面を有する棒状の窒化珪素質セラミック基体１３中に埋設されている。発熱体１０は、方向変換部１０ａがセラミック基体１３の先端側に位置するように配置され、この方向変換部１０ａの両端部に直線部１０ｂ，１０ｂが各々連結している。
【００２１】
セラミック基体１３は、例えばＳｉ３Ｎ４粉末に、Ｅｒ２Ｏ３やＹｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２等の焼結助剤粉末を３〜１５重量％の範囲で添加・混合して焼結したものであり、その表面から０．１ｍｍ内部までの表層部は、平均的な酸素成分濃度が０．４〜３．２重量％とされている。なお、セラミック基体１３の表面から１．０ｍｍ内部までの表層部の酸素成分濃度については、基体１３の表面から１．０ｍｍ内部までの表層部を削り出し、それらを粉砕した上で非分散赤外線吸収法を利用して特定した。また、発熱体１０は、例えば導電性セラミック粉末としてのＷＣあるいはＭｏＳｉ２粉末とＳｉ３Ｎ４粉末との混合粉末に対し、セラミック基体１３に使用されたものと同様の焼結助剤成分を、０．８〜１０．５重量％の範囲で添加・混合して焼結したものであり、その焼結体組織は、Ｓｉ３Ｎ４系基質（マトリックスセラミック相）中にＷＣあるいはＭｏＳｉ２系粒子が分散したものとなっている。一方、電極部１１及び１２は、Ｗ、Ｗ−Ｒｅ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｎｂ、Ｔａ、ニクロム等の金属線で構成される。
【００２２】
図２において、セラミック基体１３の表面には、その電極部１２の露出部１２ａを含む領域に、ニッケル等の金属薄層（図示せず）が所定の方法（例えばメッキや気相製膜法など）により形成され、該金属薄層を介してセラミック基体１３と外筒３とがろう付けにより接合されるとともに、電極部１２がこれら接合部を介して外筒３と導通している。また、電極部１１の露出部１１ａを含む領域にも同様に金属薄層が形成されており、ここに結合部材５がろう付けされている。このように構成することで、図示しない電源から、金属軸６（図１）、結合部材５及び電極部１１を介して発熱体１０に対して通電され、さらに電極部１２、外筒３、金属ハウジング４（図１）、及び図示しないエンジンブロックを介して接地される。
【００２３】
以下、セラミックヒータ１の製造方法について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、発熱体１０に対応したＵ字形状のキャビティ３２を有した金型３１に対し電極材３０を、その一方の端部が該キャビティ３２内に入り込むように配置する。そしてその状態で、例えばＳｉ３Ｎ４を主成分とする粉末８５重量％及び焼結助剤粉末１５重量％（例えば１０重量％のＹｂ２Ｏ３と５重量％のＳｉＯ２とからなる）とからなる絶縁成分用原料４５重量％と、ＷＣ粉末（あるいはＭｏＳｉ２粉末）５５重量％とを２４時間湿式混合した後、乾燥して得た混合粉末を、バインダ（有機結合剤）とともにコンパウンド３３として射出する。これにより、同図（ｂ）に示すように、電極材３０とＵ字状の発熱体成形体３４とが一体化された一体成形体３５を作成する。なお、発熱体成形体３４はほぼ円形の軸断面を有するように形成されるとともに、方向変換部３４ａと直線部３４ｂ，３４ｂが形成される（図４（ａ）参照）。
【００２４】
一方これとは別に、セラミック基体１３を形成するための原料粉末を予め金型プレス成形することにより、図４（ａ）に示すような、上下別体に形成された分割予備成形体３６，３７を用意しておく。具体的には、例えば窒化珪素粉末８３重量％に焼結助剤としてＹｂ２Ｏ３粉末１０重量％及びＳｉＯ２粉末５重量％、さらにＭｏＳｉ２粉末２重量％を配合して原料粉末とし、これをバインダとともに２０時間湿式混合したものをスプレードライにより造粒し、この造粒粉末を圧粉した２個の分割予備成形体３６，３７を用意した。
【００２５】
これら分割予備成形体３６，３７は、上記一体成形体３５に対応した形状の凹部３８がその合わせ面３９ａに形成されている。次いで、この凹部３８に一体成形体３５を収容し、分割予備成形体３６，３７を該型合わせ面３９ａにおいて型合わせする（図４（ｂ）参照）。そして、図５（ａ）に示すように、その状態でこれら分割予備成形体３６，３７及び一体成形体３５を、金型６１のキャビティ６１ａ内に収容し、パンチ６２，６３を用いてプレス・圧縮することにより、図６（ａ）に示すように、これらが一体化された複合成形体３９が形成される。ここで、そのプレス方向は、分割予備成形体３６，３７の合わせ面３９ａに対しほぼ直角に設定される。
【００２６】
こうして得られた複合成形体３９は、まず原料粉末中のバインダ成分等を除去するために所定の温度（例えば約６００℃）で仮焼され、図６（ｂ）に示す仮焼体３９’とされる（なお、仮焼体は、広義の意味において複合成形体であるとみなす）。続いて図５（ｂ）に示すように、この仮焼体３９’がホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５のキャビティ６５ａ，６５ａにセットされる。このホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５において、キャビティ６５ａ，６５ａの内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部が、ＳｉＣを主体とするＳｉＣ及びＣの複合層として構成されている（すなわち、表層部がＳｉＣ化されている）。さらに、ホットプレス用成形型（焼成治具）６５のキャビティ６５ａは、湾曲形状をなすとともに、治具６５の一面に複数連設された態様をなし、一回のホットプレス工程にて複数の焼成体を製造し得ることが可能である。
【００２７】
ここで、キャビティ６５ａの内面には離型剤が塗布される。例えば、図８（ａ）に示すように、溶媒（例えばエタノール）中に離型剤粉末７０（例えば窒化硼素（ＢＮ）の微粉末）とアルミナ粉末７１とを、分散剤とともに配合して塗布用懸濁液ＳＬを作る。そして、これを図８（ｂ）に示すように、刷毛８０等により手動塗布したり、あるいは図８（ｃ）に示すようにスプレーノズル８１により噴霧塗布したりすることができる。塗布後、溶媒を蒸発・乾燥させることにより、離型剤粉末７０とアルミナ粉末７１との複合塗布層７２が形成される。なお、このような複合塗布層７２は、仮焼体３９’の外面に塗布することも可能である。
【００２８】
上記のように複合塗布層７２を形成した成形型６５にセットされた仮焼体３９’は、図５（ｂ）に示すように、焼成炉６４（以下、単に炉６４という）内で両成形型６５，６５の間で加圧されながら所定の焼成保持温度（１７００℃以上：例えば約１８００℃前後）で焼成されることにより、図６（ｃ）に示すような焼成体７０となる。このとき、図４（ｂ）に示す発熱体成形体３４が発熱体１０を、分割予備成形体３６，３７がセラミック基体１３をそれぞれ形成することとなる。また、各電極材３０はそれぞれ電極部１１及び１２となる。なお、焼成は、不純物酸素分圧を０．０１〜１００Ｐａとした常圧の窒素を導入して焼成温度（例えば１８００℃）まで昇温し、該雰囲気中にて焼成保持する条件を例示できる。
【００２９】
上記焼成により、仮焼体３９’は、図６（ｂ）に示すように、分割予備成形体３６及び３７の合わせ面３９ａに沿う方向に圧縮されながら焼成体７０となる。そして、図６（ｃ）に示すように、発熱体成形体３４の直線部３４ｂ（図４参照）は、その円状断面が上記圧縮方向につぶれるように変形することにより、楕円状断面を有した発熱体１０の直線部１０ｂとなる。得られた焼結体７０は、図６（ｄ）に示すように、外周面に研磨等の加工を施すことにより、セラミック基体１３の断面が円形とされて最終的なセラミックヒータ１となる。
【００３０】
なお、図７に示すように、セラミック基体粉末の成形体に対し、導電性セラミック粉末のペーストを用いて発熱体形状をパターン印刷し、これを焼成することによりその印刷パターンを焼結して、抵抗発熱体１０とするようにしてもよい。また、抵抗発熱体は、ＷやＷ−Ｒｅ等の高融点金属にて構成してもよい。
【００３１】
本実施例にて用いるホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５の製造方法について説明する。ホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５の製法としては、例えば２種類のものを採用することができる。一つは、湾曲形状のキャビティが複数連設した例えば炭素（グラファイト）を主体とするカーボン治具の当該キャビティに、Ｓｉ化合物（窒化珪素等）又はＳｉを主体として構成される化合物の成形体又は仮焼体を、１３００℃以上にて非酸化雰囲気（例えばＮ２雰囲気や真空雰囲気）下でホットプレス焼成することにより、該カーボン治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化してなる治具をホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５として得ることができる。もう一つは、同様に湾曲形状のキャビティが複数連設した炭素（グラファイト）を主体とするカーボン治具の表面（キャビティ内面含む）に、Ｓｉ化合物（窒化珪素等）又はＳｉを主体とする組成物（ＳＣ）を、図８（ｂ）又は図８（ｃ）に示した塗布用懸濁液ＳＬと同様に塗布又はコーティングし、１５００℃以上の温度にて非酸化雰囲気（例えばＮ２雰囲気や真空雰囲気）下で加熱することにより、該カーボン治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化してなる治具をホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５として得ることも可能である。いずれの方法においても、キャビティ６５ａの表面から０．５ｍｍまでの表層部においてＳｉＣを含む層が表面に沿ってムラなく形成され、これにより仮焼体３９’と焼成治具が反応する等の不具合を防止ないし抑制することが可能となり得る。
【００３２】
なお、ホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５について、その厚さ方向における断面により切断して表面を研摩し、ＥＰＭＡにより各元素の分布状態を調べ、観察された各元素の特性Ｘ線の強度マッピングを行い、線分析を利用して成分濃度の分布を調べることで、上記キャビティ６５ａの内面からの上記ＳｉＣを含む層の存在及び領域範囲（厚さ）を特定することができる。
【００３３】
【実験例】
まず、発熱体用原料粉末は以下のように調整した。すなわち、平均粒径１．０μｍの窒化珪素原料粉末８５重量％と、焼結助剤粉末としてＹｂ２Ｏ３粉末を１０重量％及びＳｉＯ２粉末を５重量％とを配合して絶縁成分用原料とした。この絶縁成分用原料４５重量％と、ＷＣ粉末５５重量％とをボールミルにて２４時間湿式混合したのち乾燥し、混合粉末を得た。その後、この混合粉末に所定量のバインダを添加して混錬機に投入し、４時間混錬した。次いで、得られた混錬物を裁断してペレット状とし、これを金型３１（図３参照）を備えた射出成形機に投入してＷのリード線が両端に嵌合されたＵ字状の導電体となる成形品（一体成形体）３５を得た（図３参照）。
【００３４】
一方、セラミック基体用原料粉末は以下のように調整した。すなわち、平均粒径０．６μｍの窒化珪素原料粉末８３重量％と、焼結助剤としてのＹｂ２Ｏ３粉末１０重量％及びＳｉＯ２粉末５重量％と、ＭｏＳｉ２粉末２重量％とを配合し、バインダとともに２０時間湿式混合したものをスプレードライにより造粒した後、この造粒粉末を圧粉して図４に示す２個の分割予備成形体３６，３７を用意した。その後、上記成形品３５を２個の分割予備成形体３６，３７の間の所定位置にセットし、一体プレス成形して図５（ａ）及び図６（ａ）に示す複合成形体３９を得た。
【００３５】
次いで、この複合成形体３９をＮ２雰囲気中６００℃で脱脂（仮焼）してバインダを除去し、脱脂体（仮焼体）３９’を得た（図６参照）。次にこの仮焼体３９’にＢＮ等の離型剤を塗布し、これを図５（ｂ）に示したホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５を用いて炉６４内にてホットプレス焼成した。焼成条件は、窒素雰囲気下、１８００℃、２０ｋｇ／ｃｍ２で６０分間である。この焼成後、焼成品を研磨することにより図２に示すセラミッヒータ１を作成し、これを組付けて図１に示すグロープラグ５０を作成した。
【００３６】
得られたセラミックヒータ１に関してＪＩＳ
Ｒ １６０１の抗折試験により抗折強度（３点曲げ強さ）（ＭＰａ）を測定し、さらに該ヒータ１の表面に対してＸ線回折を行うことによりメリライト結晶相の有無を調べた。また、セラミックヒータ１を組み付けたグロープラグに直流電源より１０００℃の温度に急速加熱を１分間行った後、１分間通電を停止して空気を吹き付けて強制冷却するのを１サイクルとする通電耐久試験を行い、当該セラミックヒータにおける割れの有無観察を１００００サイクルまで行った。
【００３７】
一方、焼成時におけるホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５の割れの発生率（割れ率）を、（割れ枚数）／（（１ホットプレス焼成工程での投入枚数）×（焼成回数））×１００（％）により算出した。なお、焼成回数は１００回とした。また、割れていないホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５の繰り返し使用の限界焼成回数をカウントした。
【００３８】
なお、上記ホットプレス焼成を行うためのホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５は、そのキャビティ６５ａ，６５ａの内面からの表層部を、表１に示すような種々の方法にて種々の態様でＳｉＣ化したものを用いた。例えば実施例１及び２は、グラファイトで構成されるカーボン治具を用いて窒化珪素組成物（ＳｉＣ化用組成物）を１４００，１６００℃でそれぞれ仮ホットプレス焼成し、該カーボン治具の表層部をＳｉＣ化した焼成治具を用いてセラミックヒータを作成した。また、実施例３〜６は、グラファイトで構成されるカーボン治具のキャビティが形成された表面にＳｉＣ粉末又はＳｉ粉末の泥しょうを塗布した後、所定の温度に昇温し、該カーボン治具の表層部をＳｉＣ化した焼成治具を用いてセラミックヒータを作成した。実施例７，８は、グラファイトで構成されるカーボン治具のキャビティが形成された表面をＳｉ３Ｎ４粉末で覆い、所定の温度に昇温し、該カーボン治具の表層部をＳｉＣ化した焼成治具を用いてセラミックヒータを作成した。参考例は、ＳｉＣで構成されるＳｉＣ焼成治具を用いてセラミックヒータを作成した。
【００３９】
一方、比較例１はグラファイトで構成されるカーボン治具を用いて焼成治具を用いてセラミックヒータを作成したもの、比較例２はカーボン治具を用いて窒化珪素組成物（ＳｉＣ化用組成物）を１２００℃で仮ホットプレス焼成した後の焼成治具を用いてセラミックヒータを作成したものである。また、比較例３は、カーボン治具のキャビティが形成された表面にＳｉＣ粉末の泥しょうを塗布した後、１４００℃に昇温する処理を施した焼成治具を用いてセラミックヒータを作成したもの、比較例４は、カーボン治具のキャビティが形成された表面をＳｉ３Ｎ４粉末で覆い、１４００℃に昇温する処理を施した焼成治具を用いてセラミックヒータを作成したものである。なお、これらカーボン治具に対する各処理を施した後の焼成治具について、形成されるＳｉＣ／Ｃ複合層のキャビティ内面からの深さについて前述したＥＰＭＡ観察より求めた。以上の結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
このように、実施例１〜８のような条件にてカーボン治具をＳｉＣ化処理することで得られる焼成治具は、表１に示すようにキャビティ内面から０．７〜６．７ｍｍ程度の深さのＳｉＣ／Ｃ複合層が形成されており、これら実施例１〜８と実施例９の焼成治具は、比較例１〜４と比較してＳｉＣが表層部において多くＳｉＣ／Ｃ複合層が形成されていることが分かる（具体的には実施例の場合、複合層の深さが０．５ｍｍ以上）。実施例１〜８及び参考例のセラミックヒータについては、そのセラミックヒータ性能として抗折強度、通電耐久性が比較例１〜４と比較して優れた性能を具備していことが分かる。また、セラミック基体の表面におけるメリライト結晶相の存在も確認されなかった。さらに、焼成治具は、割れ率が０．５〜２．０％と低く、治具の繰り返し使用限界数も２５〜４２回であって、比較例１〜４と比較して高い耐久性を具備していることが分かる。
【００４２】
なお、本明細書において「主成分」あるいは「主体となる成分」とは、特に断りがないかぎり、最も重量含有率の高くなる成分を意味するものとして用いた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒータを採用したグロープラグの一例を示す正面部分断面図。
【図２】そのセラミックヒータの正面断面図。
【図３】セラミックヒータの製造工程説明図。
【図４】図３に続く工程説明図。
【図５】図４に続く工程説明図。
【図６】複合成形体及び焼成体の断面形状変化を示す模式図。
【図７】本発明のセラミックヒータの別実施例を示す断面図。
【図８】本発明のセラミックヒータ製造方法の一実施例における、その特徴部分を、変形例とともに示す工程説明図。
【符号の説明】
１ セラミックヒータ
１０ セラミック抵抗発熱体
１３ 窒化珪素質セラミック基体
６５ ホットプレス用成形型（焼成治具）
６５ａ キャビティ
【発明の属する技術分野】
本発明は、グロープラグ等に使用されるセラミックヒータの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミックグロープラグ等に使用されるセラミックヒータとして、絶縁性のセラミック基体に対し、セラミック導電材料等で構成された抵抗発熱体を埋設した構造を有するものが知られている。セラミック基体としては、窒化珪素質セラミックが耐熱衝撃性や高温強度に優れていることから広く用いられている。
【０００３】
ところで、上記のようなセラミック基体で構成されるセラミックヒータは、該セラミック基体の仮成形体を焼成して機械的強度を向上させる場合が多いが、上記窒化珪素質セラミックとセラミック導電材料との熱膨張係数・焼結性が異なるため、常圧焼成では各材料の境界部にクラックが発生する等の問題が生じる場合がある。そこで、所定の圧力下にてホットプレス焼成を行う場合が多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記ホットプレス焼成では、上記仮成形体に接して圧力を加える治具としてカーボン治具を用い、仮成形体とカーボンの間にＢＮ等の離型剤を介在させて行うが、焼成中に窒化珪素質セラミックのＳｉとカーボン治具のＣとが反応してＳｉＣ化するため下記のような問題が生じている。例えば、Ｃによる還元雰囲気中で焼成を行うために、窒化珪素の焼結助剤に用いる酸化物が焼成中に当該窒化珪素セラミックの表面側に移動しやすくなり、組成不均一を生じる場合があり、結果として部分的な強度低下を引き起こす場合がある。また、焼結助剤に希土類酸化物を用いた場合、焼成によりセラミック基体にメリライト結晶相が生成しやすくなり、該メリライト結晶相が１０００℃前後での低温酸化を引き起こすことに起因して、セラミック基体（セラミックヒータ）が割れに至る場合がある。
【０００５】
さらには、窒化珪素質セラミックのＳｉとカーボン治具のＣとが反応してＳｉＣ化することにより以下のような問題も生じる。例えば、窒化珪素表面の焼け不良による強度が低下する場合がある。また、窒化珪素とカーボンが焼成中に反応することにより窒化珪素質セラミックと治具とが密着し、熱膨張係数が異なる材料同士が密着した状態で焼成後に冷却されてカーボン治具が割れる場合がある。さらに、カーボン治具が酸化消耗しやすく治具の寿命が短くなる場合がある。
【０００６】
本発明の課題は、機械的強度、耐久性に優れたセラミックヒータの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明のセラミックヒータは、窒化珪素質セラミック基体中に抵抗発熱体を埋設した構造を有するセラミックヒータであって、前記窒化珪素質セラミック基体は、該窒化珪素質セラミック基体の表面から０．１ｍｍ内部までの表層部における平均的な酸素成分濃度が０．４〜３．２重量％とされていることを特徴とする。
【０００８】
上記の構成によれば、セラミック基体の表層部における酸素成分濃度を０．４〜３．２重量％としたために、表層部における組成不均一による部分的な強度低下が生じ難くなった。該酸素成分濃度が０．４重量％未満の場合、該表層部における窒化珪素質層の緻密性が低下する場合があり、十分な強度が得られない場合がある。また、該酸素成分濃度が３．２重量％を超える場合も、十分な強度が得られない場合がある。なお、酸素成分濃度は好ましくは０．６〜２．０重量％とするのがよい。
【０００９】
また、セラミック基体が希土類成分を含む場合、メリライト結晶相が可及的に存在しない、若しくは存在していても１重量％以下の含有率とすると、該メリライト結晶相に基づく低温酸化等が生じ難くなり、結果的にセラミックヒータの機械的強度向上につながり得る。なお、メリライト結晶は希土類元素をＲとして、一般式：Ｒ２Ｓｉ３Ｎ４Ｏ３で表される化合物の結晶のことを言う。
【００１０】
このようなセラミックヒータは、以下のような方法により製造することができる。すなわち、本発明のセラミックヒータの製造方法は、窒化珪素質セラミック基体中に抵抗発熱体を埋設した構造を有するセラミックヒータの製造方法において、
前記焼成治具は、前記成形体又は仮焼体をセットするための湾曲形状のキャビティが複数連設された態様をなし、該焼成治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣを含有して構成されており、
前記セラミックヒータを製造するための前記窒化珪素質セラミック基体の前記ホットプレス焼成を本ホットプレス焼成として、該本ホットプレス焼成に先立って、前記キャビティが複数連設したＣを主体とするカーボン治具の当該キャビティに、Ｓｉ化合物又はＳｉを主体として構成される成形体又は仮焼体を各々セットし１３００℃以上、２３００℃以下の温度にて仮ホットプレス焼成することにより、該カーボン治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化してなる治具を作製し、該治具を前記窒化珪素質セラミック基体の前記本ホットプレス焼成のための前記焼成治具として用いることを特徴とする。
なお、この場合、キャビティ内面から０．５ｍｍとは、キャビティ内面に沿った湾曲形状での領域によって考えるもので、治具の厚み方向での０．５ｍｍをいうものではない。
【００１１】
すなわち、焼成治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部をＳｉＣを含有して構成したために、当該焼成治具を用いてのホットプレス焼成時に、窒化珪素質セラミック基体の成形体又は仮焼体のＳｉと、焼成治具の成分との間で反応（具体的にはＣ成分との反応）が生じ難くなり、窒化珪素表面の焼け不良による強度低下を防止ないし抑制することが可能となり得る。また、窒化珪素質セラミック基体と焼成治具が反応し難いために両者が密着し難く、結果的に両者の熱膨張係数の違いに基づく焼成から冷却過程における治具の割れ等を防ぐことが可能となり得る。また、焼成治具が酸化され難くなるため、該焼成治具の寿命が向上する。さらに、本発明においては、１回のホットプレス焼成する工程にてセラミックヒータを複数製造するために、焼成治具は、窒化珪素質セラミック基体の成形体又は仮焼体を配置して当該基体に圧力を伝えることになる湾曲形状のキャビティを一面に複数連設した態様をなし、各キャビティにより焼成治具の一面は凹凸形状（波型形状）を構成している。この場合、治具のキャビティ形状が湾曲であるために、ホットプレス焼成時に窒化珪素質セラミック基体の成形体又は仮焼体と焼成治具との間で接触面積が大きくなり、基体となるべき成形体又は仮焼体に均一な圧力を加えることができるとともに、キャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣを主体に含有しているために、成形体又は仮焼体のＳｉと治具の成分との間での反応を抑える効果が一層顕著に現れるものとなる。
【００１２】
また、上記窒化珪素質セラミック基体の成形体又は仮焼体は焼結助剤を含むものとすることができる。この場合、本発明においては上述の通りホットプレス焼成を行う場合の焼成治具の表層部がＳｉＣを含有して構成されているため、焼成中におけるＣによる還元性が、例えばＣを主体として構成されたカーボン治具を用いる場合と比較して低下する。したがって、例えば酸化物（希土類酸化物）等の焼結助剤が焼成中にセラミック基体の表層部に移動して焼結助剤成分が不均一化する等の不具合を防止ないし抑制することが可能となり、したがってセラミック基体中の組成不均一等も生じ難くなり、結果的に機械的強度の低下を防止ないし抑制することが可能となり得る。
【００１３】
このように、本発明のセラミックヒータの製造方法において、上記のような焼成治具を用いることにより、連続したキャビティにより生産性が向上するとともに、焼成治具の耐久性が向上し、さらにセラミックヒータを製造する上で、焼成治具とセラミック基体の成形体又は仮焼体との間の接触面積が大きくなるにも拘らず両者間の反応が生じ難くなり、当該セラミックヒータの機械的強度低下等の問題が生じ難くなり得る。
【００１４】
上記のような焼成治具は、以下のような方法により得ることができる。すなわち、湾曲形状のキャビティが複数連設したＣを主体とするカーボン治具の当該キャビティに、Ｓｉ化合物又はＳｉを主体として構成される成形体又は仮焼体を各々セットし１３００℃以上の温度（上限は２３００℃程度）にてホットプレス焼成することにより、該カーボン治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化してなる治具を前記焼成治具として得ることができる。また、湾曲形状のキャビティが複数連設したＣを主体とするカーボン治具の少なくともキャビティ内面にＳｉ化合物又はＳｉを主体とする組成物を塗布又はコーティングし１５００℃以上の温度（上限は２３００℃程度）に加熱することにより、該カーボン治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化してなる治具を前記焼成治具として得ることも可能である。
【００１５】
また、上記ＳｉＣを含有する表層部は、好ましくはＳｉＣを主体として構成されるものとするのがよい。ここで、ＳｉＣを主体として構成されるとは、該表層部を構成する成分のうちＳｉＣ成分が最も含有量の多い成分であることを意味し、例えばＳｉＣとＣとの比が６：４のＳｉＣ／Ｃ複合層とすることもできる。また、ＳｉＣ単体で構成されたＳｉＣ系治具を用いることも可能であるが、価格等を考慮するとＳｉＣ／Ｃ複合層を備えた治具とすることが望ましい。なお、本発明において焼成治具の表層部は、当該焼成治具の表面から少なくとも０．５ｍｍ内部までがＳｉＣを含む層であればよく、該０．５ｍｍよりも内部においてＳｉＣを含む層が形成されていてもよいことは言うまでもない。逆にＳｉＣを含む層がキャビティ内面から０．５ｍｍ未満の場合は、上記本発明の効果が十分に発揮されない場合がある。
【００１６】
次に、本発明のセラミックヒータにおける窒化珪素質セラミック基体の組織は、例えば、窒化珪素を主成分とするＳｉ３Ｎ４相粒子が、焼結助剤成分に由来した粒界相（結合相）により結合された形態のものである。焼結助剤成分は、主に結合相を構成するが、一部が主相（Ｓｉ３Ｎ４相）中に取り込まれることもあり得る。なお、結合相中には、焼結助剤として意図的に添加した成分のほか、不可避不純物、例えば窒化珪素原料粉末に含有されている酸化珪素などが含有されることがある。
【００１７】
上記焼結助剤成分は、例えば希土類成分のほか、本発明の効果が損なわれない範囲にて、ＳｉやＡｌなど、周期律表の４Ａ、５Ａ、３Ｂ及び４Ｂの各族の元素成分を使用できる。これらは、原料段階にて主に酸化物の形で添加することができる。希土類成分としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを用いることができる。これらのうちでもＴｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂは、粒界相の結晶化を促進し、高温強度を向上させる効果があるので好適に使用できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の製造方法によって製造されるセラミックヒータを使用したグロープラグを、その内部構造とともに示すものである。すなわち、グロープラグ５０は、その一端側に設けられたセラミックヒータ１と、そのセラミックヒータ１の先端部２が突出するようにその外周面を覆う金属製の外筒３、さらにその外筒３を外側から覆う筒状の金属ハウジング４等を備えており、セラミックヒータ１と外筒３との間及び外筒３と金属ハウジング４との間は、それぞれろう付けにより接合されている。
【００１９】
セラミックヒータ１の後端部には、金属線により両端が弦巻ばね状に形成された結合部材５の一端が外側から嵌合するとともに、その他端側は、金属ハウジング４内に挿通された金属軸６の対応する端部に嵌着されている。金属軸６の他方の端部側は金属ハウジング４の外側へ延びるとともに、その外周面に形成されたねじ部６ａにナット７が螺合し、これを金属ハウジング４に向けて締めつけることにより、金属軸６が金属ハウジング４に対して固定されている。また、ナット７と金属ハウジング４との間には絶縁ブッシュ８が嵌め込まれている。そして、金属ハウジング４の外周面には、図示しないエンジンブロックにグロープラグ５０を固定するためのねじ部５ａが形成されている。
【００２０】
セラミックヒータ１は、図２に示すように、Ｕ字状のセラミック抵抗発熱体（以下、単に発熱体という）１０を備え、その各両端部に線状又はロッド状の電極部１１及び１２の先端部が埋設されるとともに、発熱体１０と電極部１１及び１２の全体が、円形断面を有する棒状の窒化珪素質セラミック基体１３中に埋設されている。発熱体１０は、方向変換部１０ａがセラミック基体１３の先端側に位置するように配置され、この方向変換部１０ａの両端部に直線部１０ｂ，１０ｂが各々連結している。
【００２１】
セラミック基体１３は、例えばＳｉ３Ｎ４粉末に、Ｅｒ２Ｏ３やＹｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２等の焼結助剤粉末を３〜１５重量％の範囲で添加・混合して焼結したものであり、その表面から０．１ｍｍ内部までの表層部は、平均的な酸素成分濃度が０．４〜３．２重量％とされている。なお、セラミック基体１３の表面から１．０ｍｍ内部までの表層部の酸素成分濃度については、基体１３の表面から１．０ｍｍ内部までの表層部を削り出し、それらを粉砕した上で非分散赤外線吸収法を利用して特定した。また、発熱体１０は、例えば導電性セラミック粉末としてのＷＣあるいはＭｏＳｉ２粉末とＳｉ３Ｎ４粉末との混合粉末に対し、セラミック基体１３に使用されたものと同様の焼結助剤成分を、０．８〜１０．５重量％の範囲で添加・混合して焼結したものであり、その焼結体組織は、Ｓｉ３Ｎ４系基質（マトリックスセラミック相）中にＷＣあるいはＭｏＳｉ２系粒子が分散したものとなっている。一方、電極部１１及び１２は、Ｗ、Ｗ−Ｒｅ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｎｂ、Ｔａ、ニクロム等の金属線で構成される。
【００２２】
図２において、セラミック基体１３の表面には、その電極部１２の露出部１２ａを含む領域に、ニッケル等の金属薄層（図示せず）が所定の方法（例えばメッキや気相製膜法など）により形成され、該金属薄層を介してセラミック基体１３と外筒３とがろう付けにより接合されるとともに、電極部１２がこれら接合部を介して外筒３と導通している。また、電極部１１の露出部１１ａを含む領域にも同様に金属薄層が形成されており、ここに結合部材５がろう付けされている。このように構成することで、図示しない電源から、金属軸６（図１）、結合部材５及び電極部１１を介して発熱体１０に対して通電され、さらに電極部１２、外筒３、金属ハウジング４（図１）、及び図示しないエンジンブロックを介して接地される。
【００２３】
以下、セラミックヒータ１の製造方法について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、発熱体１０に対応したＵ字形状のキャビティ３２を有した金型３１に対し電極材３０を、その一方の端部が該キャビティ３２内に入り込むように配置する。そしてその状態で、例えばＳｉ３Ｎ４を主成分とする粉末８５重量％及び焼結助剤粉末１５重量％（例えば１０重量％のＹｂ２Ｏ３と５重量％のＳｉＯ２とからなる）とからなる絶縁成分用原料４５重量％と、ＷＣ粉末（あるいはＭｏＳｉ２粉末）５５重量％とを２４時間湿式混合した後、乾燥して得た混合粉末を、バインダ（有機結合剤）とともにコンパウンド３３として射出する。これにより、同図（ｂ）に示すように、電極材３０とＵ字状の発熱体成形体３４とが一体化された一体成形体３５を作成する。なお、発熱体成形体３４はほぼ円形の軸断面を有するように形成されるとともに、方向変換部３４ａと直線部３４ｂ，３４ｂが形成される（図４（ａ）参照）。
【００２４】
一方これとは別に、セラミック基体１３を形成するための原料粉末を予め金型プレス成形することにより、図４（ａ）に示すような、上下別体に形成された分割予備成形体３６，３７を用意しておく。具体的には、例えば窒化珪素粉末８３重量％に焼結助剤としてＹｂ２Ｏ３粉末１０重量％及びＳｉＯ２粉末５重量％、さらにＭｏＳｉ２粉末２重量％を配合して原料粉末とし、これをバインダとともに２０時間湿式混合したものをスプレードライにより造粒し、この造粒粉末を圧粉した２個の分割予備成形体３６，３７を用意した。
【００２５】
これら分割予備成形体３６，３７は、上記一体成形体３５に対応した形状の凹部３８がその合わせ面３９ａに形成されている。次いで、この凹部３８に一体成形体３５を収容し、分割予備成形体３６，３７を該型合わせ面３９ａにおいて型合わせする（図４（ｂ）参照）。そして、図５（ａ）に示すように、その状態でこれら分割予備成形体３６，３７及び一体成形体３５を、金型６１のキャビティ６１ａ内に収容し、パンチ６２，６３を用いてプレス・圧縮することにより、図６（ａ）に示すように、これらが一体化された複合成形体３９が形成される。ここで、そのプレス方向は、分割予備成形体３６，３７の合わせ面３９ａに対しほぼ直角に設定される。
【００２６】
こうして得られた複合成形体３９は、まず原料粉末中のバインダ成分等を除去するために所定の温度（例えば約６００℃）で仮焼され、図６（ｂ）に示す仮焼体３９’とされる（なお、仮焼体は、広義の意味において複合成形体であるとみなす）。続いて図５（ｂ）に示すように、この仮焼体３９’がホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５のキャビティ６５ａ，６５ａにセットされる。このホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５において、キャビティ６５ａ，６５ａの内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部が、ＳｉＣを主体とするＳｉＣ及びＣの複合層として構成されている（すなわち、表層部がＳｉＣ化されている）。さらに、ホットプレス用成形型（焼成治具）６５のキャビティ６５ａは、湾曲形状をなすとともに、治具６５の一面に複数連設された態様をなし、一回のホットプレス工程にて複数の焼成体を製造し得ることが可能である。
【００２７】
ここで、キャビティ６５ａの内面には離型剤が塗布される。例えば、図８（ａ）に示すように、溶媒（例えばエタノール）中に離型剤粉末７０（例えば窒化硼素（ＢＮ）の微粉末）とアルミナ粉末７１とを、分散剤とともに配合して塗布用懸濁液ＳＬを作る。そして、これを図８（ｂ）に示すように、刷毛８０等により手動塗布したり、あるいは図８（ｃ）に示すようにスプレーノズル８１により噴霧塗布したりすることができる。塗布後、溶媒を蒸発・乾燥させることにより、離型剤粉末７０とアルミナ粉末７１との複合塗布層７２が形成される。なお、このような複合塗布層７２は、仮焼体３９’の外面に塗布することも可能である。
【００２８】
上記のように複合塗布層７２を形成した成形型６５にセットされた仮焼体３９’は、図５（ｂ）に示すように、焼成炉６４（以下、単に炉６４という）内で両成形型６５，６５の間で加圧されながら所定の焼成保持温度（１７００℃以上：例えば約１８００℃前後）で焼成されることにより、図６（ｃ）に示すような焼成体７０となる。このとき、図４（ｂ）に示す発熱体成形体３４が発熱体１０を、分割予備成形体３６，３７がセラミック基体１３をそれぞれ形成することとなる。また、各電極材３０はそれぞれ電極部１１及び１２となる。なお、焼成は、不純物酸素分圧を０．０１〜１００Ｐａとした常圧の窒素を導入して焼成温度（例えば１８００℃）まで昇温し、該雰囲気中にて焼成保持する条件を例示できる。
【００２９】
上記焼成により、仮焼体３９’は、図６（ｂ）に示すように、分割予備成形体３６及び３７の合わせ面３９ａに沿う方向に圧縮されながら焼成体７０となる。そして、図６（ｃ）に示すように、発熱体成形体３４の直線部３４ｂ（図４参照）は、その円状断面が上記圧縮方向につぶれるように変形することにより、楕円状断面を有した発熱体１０の直線部１０ｂとなる。得られた焼結体７０は、図６（ｄ）に示すように、外周面に研磨等の加工を施すことにより、セラミック基体１３の断面が円形とされて最終的なセラミックヒータ１となる。
【００３０】
なお、図７に示すように、セラミック基体粉末の成形体に対し、導電性セラミック粉末のペーストを用いて発熱体形状をパターン印刷し、これを焼成することによりその印刷パターンを焼結して、抵抗発熱体１０とするようにしてもよい。また、抵抗発熱体は、ＷやＷ−Ｒｅ等の高融点金属にて構成してもよい。
【００３１】
本実施例にて用いるホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５の製造方法について説明する。ホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５の製法としては、例えば２種類のものを採用することができる。一つは、湾曲形状のキャビティが複数連設した例えば炭素（グラファイト）を主体とするカーボン治具の当該キャビティに、Ｓｉ化合物（窒化珪素等）又はＳｉを主体として構成される化合物の成形体又は仮焼体を、１３００℃以上にて非酸化雰囲気（例えばＮ２雰囲気や真空雰囲気）下でホットプレス焼成することにより、該カーボン治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化してなる治具をホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５として得ることができる。もう一つは、同様に湾曲形状のキャビティが複数連設した炭素（グラファイト）を主体とするカーボン治具の表面（キャビティ内面含む）に、Ｓｉ化合物（窒化珪素等）又はＳｉを主体とする組成物（ＳＣ）を、図８（ｂ）又は図８（ｃ）に示した塗布用懸濁液ＳＬと同様に塗布又はコーティングし、１５００℃以上の温度にて非酸化雰囲気（例えばＮ２雰囲気や真空雰囲気）下で加熱することにより、該カーボン治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化してなる治具をホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５として得ることも可能である。いずれの方法においても、キャビティ６５ａの表面から０．５ｍｍまでの表層部においてＳｉＣを含む層が表面に沿ってムラなく形成され、これにより仮焼体３９’と焼成治具が反応する等の不具合を防止ないし抑制することが可能となり得る。
【００３２】
なお、ホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５について、その厚さ方向における断面により切断して表面を研摩し、ＥＰＭＡにより各元素の分布状態を調べ、観察された各元素の特性Ｘ線の強度マッピングを行い、線分析を利用して成分濃度の分布を調べることで、上記キャビティ６５ａの内面からの上記ＳｉＣを含む層の存在及び領域範囲（厚さ）を特定することができる。
【００３３】
【実験例】
まず、発熱体用原料粉末は以下のように調整した。すなわち、平均粒径１．０μｍの窒化珪素原料粉末８５重量％と、焼結助剤粉末としてＹｂ２Ｏ３粉末を１０重量％及びＳｉＯ２粉末を５重量％とを配合して絶縁成分用原料とした。この絶縁成分用原料４５重量％と、ＷＣ粉末５５重量％とをボールミルにて２４時間湿式混合したのち乾燥し、混合粉末を得た。その後、この混合粉末に所定量のバインダを添加して混錬機に投入し、４時間混錬した。次いで、得られた混錬物を裁断してペレット状とし、これを金型３１（図３参照）を備えた射出成形機に投入してＷのリード線が両端に嵌合されたＵ字状の導電体となる成形品（一体成形体）３５を得た（図３参照）。
【００３４】
一方、セラミック基体用原料粉末は以下のように調整した。すなわち、平均粒径０．６μｍの窒化珪素原料粉末８３重量％と、焼結助剤としてのＹｂ２Ｏ３粉末１０重量％及びＳｉＯ２粉末５重量％と、ＭｏＳｉ２粉末２重量％とを配合し、バインダとともに２０時間湿式混合したものをスプレードライにより造粒した後、この造粒粉末を圧粉して図４に示す２個の分割予備成形体３６，３７を用意した。その後、上記成形品３５を２個の分割予備成形体３６，３７の間の所定位置にセットし、一体プレス成形して図５（ａ）及び図６（ａ）に示す複合成形体３９を得た。
【００３５】
次いで、この複合成形体３９をＮ２雰囲気中６００℃で脱脂（仮焼）してバインダを除去し、脱脂体（仮焼体）３９’を得た（図６参照）。次にこの仮焼体３９’にＢＮ等の離型剤を塗布し、これを図５（ｂ）に示したホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５を用いて炉６４内にてホットプレス焼成した。焼成条件は、窒素雰囲気下、１８００℃、２０ｋｇ／ｃｍ２で６０分間である。この焼成後、焼成品を研磨することにより図２に示すセラミッヒータ１を作成し、これを組付けて図１に示すグロープラグ５０を作成した。
【００３６】
得られたセラミックヒータ１に関してＪＩＳ
Ｒ １６０１の抗折試験により抗折強度（３点曲げ強さ）（ＭＰａ）を測定し、さらに該ヒータ１の表面に対してＸ線回折を行うことによりメリライト結晶相の有無を調べた。また、セラミックヒータ１を組み付けたグロープラグに直流電源より１０００℃の温度に急速加熱を１分間行った後、１分間通電を停止して空気を吹き付けて強制冷却するのを１サイクルとする通電耐久試験を行い、当該セラミックヒータにおける割れの有無観察を１００００サイクルまで行った。
【００３７】
一方、焼成時におけるホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５の割れの発生率（割れ率）を、（割れ枚数）／（（１ホットプレス焼成工程での投入枚数）×（焼成回数））×１００（％）により算出した。なお、焼成回数は１００回とした。また、割れていないホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５の繰り返し使用の限界焼成回数をカウントした。
【００３８】
なお、上記ホットプレス焼成を行うためのホットプレス用成形型（焼成治具）６５，６５は、そのキャビティ６５ａ，６５ａの内面からの表層部を、表１に示すような種々の方法にて種々の態様でＳｉＣ化したものを用いた。例えば実施例１及び２は、グラファイトで構成されるカーボン治具を用いて窒化珪素組成物（ＳｉＣ化用組成物）を１４００，１６００℃でそれぞれ仮ホットプレス焼成し、該カーボン治具の表層部をＳｉＣ化した焼成治具を用いてセラミックヒータを作成した。また、実施例３〜６は、グラファイトで構成されるカーボン治具のキャビティが形成された表面にＳｉＣ粉末又はＳｉ粉末の泥しょうを塗布した後、所定の温度に昇温し、該カーボン治具の表層部をＳｉＣ化した焼成治具を用いてセラミックヒータを作成した。実施例７，８は、グラファイトで構成されるカーボン治具のキャビティが形成された表面をＳｉ３Ｎ４粉末で覆い、所定の温度に昇温し、該カーボン治具の表層部をＳｉＣ化した焼成治具を用いてセラミックヒータを作成した。参考例は、ＳｉＣで構成されるＳｉＣ焼成治具を用いてセラミックヒータを作成した。
【００３９】
一方、比較例１はグラファイトで構成されるカーボン治具を用いて焼成治具を用いてセラミックヒータを作成したもの、比較例２はカーボン治具を用いて窒化珪素組成物（ＳｉＣ化用組成物）を１２００℃で仮ホットプレス焼成した後の焼成治具を用いてセラミックヒータを作成したものである。また、比較例３は、カーボン治具のキャビティが形成された表面にＳｉＣ粉末の泥しょうを塗布した後、１４００℃に昇温する処理を施した焼成治具を用いてセラミックヒータを作成したもの、比較例４は、カーボン治具のキャビティが形成された表面をＳｉ３Ｎ４粉末で覆い、１４００℃に昇温する処理を施した焼成治具を用いてセラミックヒータを作成したものである。なお、これらカーボン治具に対する各処理を施した後の焼成治具について、形成されるＳｉＣ／Ｃ複合層のキャビティ内面からの深さについて前述したＥＰＭＡ観察より求めた。以上の結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
このように、実施例１〜８のような条件にてカーボン治具をＳｉＣ化処理することで得られる焼成治具は、表１に示すようにキャビティ内面から０．７〜６．７ｍｍ程度の深さのＳｉＣ／Ｃ複合層が形成されており、これら実施例１〜８と実施例９の焼成治具は、比較例１〜４と比較してＳｉＣが表層部において多くＳｉＣ／Ｃ複合層が形成されていることが分かる（具体的には実施例の場合、複合層の深さが０．５ｍｍ以上）。実施例１〜８及び参考例のセラミックヒータについては、そのセラミックヒータ性能として抗折強度、通電耐久性が比較例１〜４と比較して優れた性能を具備していことが分かる。また、セラミック基体の表面におけるメリライト結晶相の存在も確認されなかった。さらに、焼成治具は、割れ率が０．５〜２．０％と低く、治具の繰り返し使用限界数も２５〜４２回であって、比較例１〜４と比較して高い耐久性を具備していることが分かる。
【００４２】
なお、本明細書において「主成分」あるいは「主体となる成分」とは、特に断りがないかぎり、最も重量含有率の高くなる成分を意味するものとして用いた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒータを採用したグロープラグの一例を示す正面部分断面図。
【図２】そのセラミックヒータの正面断面図。
【図３】セラミックヒータの製造工程説明図。
【図４】図３に続く工程説明図。
【図５】図４に続く工程説明図。
【図６】複合成形体及び焼成体の断面形状変化を示す模式図。
【図７】本発明のセラミックヒータの別実施例を示す断面図。
【図８】本発明のセラミックヒータ製造方法の一実施例における、その特徴部分を、変形例とともに示す工程説明図。
【符号の説明】
１ セラミックヒータ
１０ セラミック抵抗発熱体
１３ 窒化珪素質セラミック基体
６５ ホットプレス用成形型（焼成治具）
６５ａ キャビティ
Claims (1)
- 窒化珪素質セラミック基体中に抵抗発熱体を埋設した構造を有するセラミックヒータの製造方法において、
前記窒化珪素質セラミック基体の成形体又は仮焼体を、焼成治具を用いてホットプレス焼成する工程を含み、
前記焼成治具は、前記成形体又は仮焼体をセットするための湾曲形状のキャビティが複数連設された態様をなし、該焼成治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣを含有して構成されており、
前記セラミックヒータを製造するための前記窒化珪素質セラミック基体の前記ホットプレス焼成を本ホットプレス焼成として、該本ホットプレス焼成に先立って、前記キャビティが複数連設したＣを主体とするカーボン治具の当該キャビティに、Ｓｉ化合物又はＳｉを主体として構成される成形体又は仮焼体を各々セットし１３００℃以上、２３００℃以下の温度にて仮ホットプレス焼成することにより、該カーボン治具のキャビティ内面から少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部がＳｉＣ化してなる治具を作製し、該治具を前記窒化珪素質セラミック基体の前記本ホットプレス焼成のための前記焼成治具として用いることを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
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