JP4808852B2 - 窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体に関し、更に詳しくは、低比抵抗と適正な熱膨張係数とのバランスに優れた窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体に関するものである。本発明の窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体は、グロープラグの発熱体材料等として用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体は、電気抵抗制御を容易に図ることができることから、グロープラグの発熱体材料等として使用されている。この電気抵抗制御により必要な特性を得るための方法として、例えば、特開平８−６４３４６号公報において開示されているように、焼結体中の導電性物質である炭化タングステンの添加割合と絶縁性物質である窒化珪素の添加割合を制御していた。
ところで、この窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体をグロープラグの発熱体材料として用いた素子は、発熱体材料と、この発熱体材料を埋設するための窒化珪素セラミックスの支持体部と、高融点金属からなるリード線部とから素子構造が成り立っている。この素子構造の成立における重要なファクターは、発熱体材料と支持体材料、更にはリード線の熱膨張係数のバランスを取ることであり、熱膨張係数のミスマッチが大きいと焼成時のクラックの発生や、焼結体の低強度化及び実際の通電耐久性が悪化するという問題がある。このため、発熱体材料においては熱膨張係数の制御も重要となってくる。
この発熱体材料の熱膨張係数は、導電性を有する炭化タングステンの添加量に大きく影響されるが、炭化タングステンの添加量により、材料の熱膨張係数と比抵抗値がほぼ一義的に決まっている。しかしながら、消費電力を小さくするためには、熱膨張係数が同じでも比抵抗値を小さくする必要性があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、低比抵抗と適正な熱膨張係数とのバランスに優れた窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記実情に鑑み、低比抵抗と適正な熱膨張係数とのバランスに優れた窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体について鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。
【０００５】
本発明の窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体は、窒化珪素及び炭化タングステンを含有する複合焼結体において、任意断面における全面積に対する炭化タングステン部分の面積の割合が２０〜３０％であり、且つ、該任意断面において長軸長さが５μｍ以上の炭化タングステン凝集部が存在することを特徴とする。
【０００６】
本発明の窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体における窒化珪素としては特に限定されないが、粒子径の異なるものを２種以上含有させることができる。また、窒化珪素の含有量は、窒化珪素及び炭化タングステンの合計を１００質量％とした場合、好ましくは３３〜３８質量％とすることができる。３３質量％未満では炭化タングステン量が多く、熱膨張係数が大きくなり、一方、３８質量％を超えると複合焼結体の比抵抗が高くなり好ましくない。
【０００７】
本発明の窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体には、希土類酸化物を含有させることができる。この希土類酸化物を構成する「希土類元素」としては、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｅｒ及びＹｂ等のうちの１種又は２種以上が挙げられる。
また、本発明の窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体は、粒界においてＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ（但し、ＲＥは希土類元素）の結晶質相を含有するものとすることができる。この結晶質相が粒界に生じることにより、高温での粒界相の軟化を抑制し、高温での機械特性を向上させることができる。このような結晶質相としては、例えば、ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇、ＲＥ₂ＳｉＯ₅等が挙げられ、これらのうち１種又は２種以上が含有されていてもよい。
【０００８】
上記複合焼結体の任意断面における全面積に対する炭化タングステン部分の面積の割合は、以下のようにして求められる。即ち、上記複合焼結体をホットプレス加圧軸方向が観察面になるように切断、平面研削、鏡面研磨を行う等によって任意断面を得て、倍率２０００倍で観察される領域を電子線プローブマイクロアナライザーを用いて、全面積に対する、Ｗの検出感度の高い領域の面積の割合を算出する。
この炭化タングステン部分の面積の割合は、好ましくは２５〜２８％である。この面積が２０％未満では比抵抗が高くなり、３０％を超えると比抵抗が低くなり好ましくない。
【０００９】
また、上記任意断面における炭化タングステン凝集部の長軸長さは、走査型電子顕微鏡を用いて反射電子像を撮影し、炭化タングステン粒子が連結している部分の長手方向の直線距離を測定することにより求められる。
上記長軸長さは、好ましくは８μｍ以上である。この長さが５μｍ未満では比抵抗が高くなり好ましくない。
【００１０】
本発明の窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体は、比抵抗が１００００μΩ・ｃｍ以下（好ましくは８０００μΩ・ｃｍ以下、より好ましくは６０００μΩ・ｃｍ以下）であり、且つ室温から１０００℃までの熱膨張係数が３．６〜４．２ｐｐｍ／℃（好ましくは３．７〜４．２ｐｐｍ／℃、より好ましくは３．７〜４．１ｐｐｍ／℃）とすることができる。
上記比抵抗が１００００μΩ・ｃｍを超えると導電性が低下して発熱に必要な電圧が高くなり好ましくない。また、上記熱膨張係数が３．６／℃未満では、高融点金属製のリード線の熱膨張係数（４．８ｐｐｍ／℃）との差が広がり、一方、４．２ｐｐｍ／℃を超えると、絶縁性セラミックスの熱膨張係数（３．６〜３．８ｐｐｍ／℃）との差が広がり、いずれも素子内部にクラックが発生したり、通電耐久性に劣り、好ましくない。
【００１１】
参考発明の窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体の製造方法は、粒子径の異なる２種の窒化珪素粉末及び炭化タングステン粉末を含有する原料粉末を焼成することを特徴とする。
【００１２】
上記窒化珪素粉末としては、好ましくは０．７μｍ未満、より好ましくは０．３〜０．７μｍ、更に好ましくは０．４〜０．６μｍの粒子（Ａ）と、好ましくは０．７μｍ以上、より好ましくは０．７〜１．５μｍ、更に好ましくは０．８〜１．２μｍの粒子（Ｂ）を併用することができる。
また、これらの含有割合は特に限定されないが、上記（Ａ）と上記（Ｂ）の合計を１００質量％とした場合、上記（Ａ）を好ましくは４０〜７０質量％、より好ましくは５０〜６５質量％、特に好ましくは５２．６〜６０．６質量％、上記（Ｂ）を好ましくは３０〜６０質量％、より好ましくは３５〜５０質量％、特に好ましくは３９．４〜４７．４質量％とすることができる。上記（Ａ）が４０質量％未満、あるいは上記（Ｂ）が６０質量％を超える場合、焼結性が低下し、一方、上記（Ａ）が７０質量％を超えるか、あるいは上記（Ｂ）が３０質量％未満の場合、複合焼結体の比抵抗が高くなりいずれも好ましくない。
【００１３】
比抵抗は、導電性物質である炭化タングステンと絶縁性物質である窒化珪素の添加割合で決定される。しかし、発熱体材料として必要なもう１つの要素である熱膨張係数が限定されている場合においては、それ以上の炭化タングステン添加量を増減させることができなくなってしまう。そこで、平均粒子径の大きい（０．７μｍ以上）窒化珪素粉末を複合添加することにより、絶縁性物質である窒化珪素粒子の比表面積が減少し、炭化タングステン粒子を連続的に存在させることができ、低比抵抗とすることができる。
【００１４】
参考発明の窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体の製造方法によれば、比抵抗が１００００μΩ・ｃｍ以下（好ましくは８０００μΩ・ｃｍ以下、より好ましくは６０００μΩ・ｃｍ以下）であり、且つ室温から１０００℃までの熱膨張係数が３．６〜４．２ｐｐｍ／℃（好ましくは３．７〜４．２ｐｐｍ／℃、より好ましくは３．７〜４．１ｐｐｍ／℃）である複合焼結体を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、実施例及び比較例を挙げて具体的に説明する。
（１）複合焼結体の作製
原料として、窒化珪素粉末（平均粒子径０．５及び１．０μｍ）、炭化タングステン粉末（平均粒径０．６〜１．０μｍ）、希土類酸化物粉末（Ｙ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃及びＹｂ₂Ｏ₃〔平均粒径１．０〜３．０μｍ〕）、及びＳｉＯ₂粉末（平均粒径０．６μｍ）を用い、これを以下の表１に示す組成で配合し、窒化珪素製の球石を使用して純水中で４０時間湿式混合した後、湯煎乾燥した。そして、得られた混合粉末を窒素雰囲気下、１８００℃、２５ＭＰａの条件で１時間かけてホットプレスで焼成し、４５×４５×５ｍｍの焼結体Ｎｏ．１〜１４を得た。
【００１６】
【表１】

【００１７】
（２）複合焼結体の評価
得られた焼結体Ｎｏ．１〜１４について、▲１▼相対密度、▲２▼比抵抗値、▲３▼室温〜１０００℃の熱膨張係数、▲４▼任意断面組織における炭化タングステン（ＷＣ）部分の面積の割合、及び▲５▼任意断面におけるＷＣ凝集体の長軸長さを測定し、表２に示す。ここで、▲１▼相対密度はアルキメデス法により測定し混合則で計算した理論密度に対する比で表した。また、▲２▼比抵抗値は、３ｍｍ×４ｍｍ×１５ｍｍの試験片に加工し、２５℃にてこの試験片の両端に測定端子を当て、ミリオームメーターで抵抗値を測定し、以下に記載の計算式で算出した。
比抵抗値＝（抵抗値〔μΩ〕×試料断面積〔ｃｍ²〕）／試料長さ〔ｃｍ〕
【００１８】
▲３▼熱膨張係数は、サンプルサイズ（４ｍｍ×３ｍｍ×１５ｍｍ）の試料をサーモプラスＴＭＡ８３１０型（リガク社製）を用いて、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分で３０℃から１０００℃まで昇温して測定した。尚、標準試料として、３０℃における長さが、３０℃における測定試料の長さと等しいアルミナで、１０００℃における熱膨張係数が８．４５ｐｐｍ／℃であるものを用いた。１０００℃における標準試料の長さをＡ、１０００℃における測定試料の長さをＢ、３０℃における測定試料の長さをＣとすると、測定試料の熱膨張係数αは、次式で求められる。
α＝８．４５×１０^-6−（Ａ−Ｂ）／｛Ｃ×（１０００−３０）｝
【００１９】
▲４▼ＷＣ部分の面積の割合
焼結体の断面を、鏡面研磨機を用いて鏡面にすることによって得た。この断面を、電子線プローブマイクロアナライザーＪＸＡ８８００Ｍ型（日本電子社製）を用いて、倍率２０００倍の視野で分析を行い、Ｗの検出感度の高い領域の全視野に対する面積割合を算出した。
▲５▼ＷＣ凝集体の長軸長さは、上記▲４▼で得た試料を、走査型電子顕微鏡ＪＳＭ８４０型（日本電子社製）を用いて、倍率５０００倍、加速電圧２０ｋＶで反射電子像を撮影し、炭化タングステン粒子が連結している部分の長手方向の直線距離を測定した。
【００２０】
【表２】

【００２１】
（３）実施例の効果
表２から明らかなように、試料Ｎｏ．６〜１３の焼結体は、ＷＣ含有量が少なく、ＷＣ部分の面積の割合が２０％未満であり、比抵抗がいずれも２００００μΩ・ｃｍを超えた。特に試料Ｎｏ．１２は炭化タングステン長軸長さが２μｍと短く、比抵抗がかなり高く、熱膨張係数は大きくなった。また、試料Ｎｏ．１４の焼結体はＷＣ部分の面積の割合が３０％以上となっており、焼結性が低下して比抵抗値が高くなり、熱膨張係数も小さくなった。
一方、Ｎo．１〜５の焼結体は、ＷＣ部分の面積の割合及び炭化タングステン凝集部の長軸長さが本発明の範囲内であり、低い比抵抗、更には発熱体材料と支持体材料及びリード線部とのバランスの取りやすい熱膨張係数（３．７〜４．１ｐｐｍ／℃）を示した。
【００２２】
尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、目的、用途に応じて種々変更した実施例とすることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体によれば、焼結体の任意断面における全面積に対する炭化タングステン部分の面積の割合を２０〜３０％とし、且つ、その任意断面における長軸長さが５μｍ以上である炭化タングステン凝集部を有することで、低比抵抗及び適正な熱膨張係数のバランスに優れたものとなる。

Claims (4)

1. 窒化珪素及び炭化タングステンを含有する複合焼結体において、任意断面における全面積に対する炭化タングステン部分の面積の割合が２０〜３０％であり、且つ、該任意断面において長軸長さが５μｍ以上の炭化タングステン凝集部が存在することを特徴とする窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体。
2. 粒界に結晶質相が存在する請求項１記載の窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体。
3. 上記窒化珪素は、粒子径の異なる２種以上が含有される請求項１又は２に記載の窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体。
4. 上記複合焼結体の比抵抗が１００００μΩ・ｃｍ以下であり、且つ室温から１０００℃までの熱膨張係数が３．６〜４．２ｐｐｍ／℃である請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化珪素／炭化タングステン複合焼結体。