JPH03264659A - 表面改質セラミックス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、セラミックス基材の表面に強固に結合した
２０ＪＬｍ乃至数ｍｍの厚さの機能性金属被膜、すなわ
ち改質層を有する表面改質セラミックスとその製造方法
に関する。

〔従来の技術〕

一般的に何らかの基材の表面に被膜を設けて表面を改質
する方法は種々ある。その中で金属を基材とする場合の
表面改質において被膜の厚さが２０ル川乃至数ｍｍであ
る場合に、熱プラズマを熱源とした溶射法が使用されて
いる。例えば金属の基材にセラミックス溶射被膜を形成
することが行なわれている。

しかし、セラミックス基材に、２０ｇｍ乃至数ｆｆ１ｍ
の厚さで金属の改質層を形成することは行なわれていな
い。

０ｌｅ−口島が解決しようとする課題〕金属とセラミッ
クスの接合において、両者の熱膨張係数が接近したもの
であれば温度変化により発生する熱応力が小さく好まし
いが、熱膨張係数が大きく相違していると、接合し難い
と考えるのが一般的である。そこでセラミックスの基材
に溶射により金属の改質層を形成しようとした場合には
、セラミックスの基材に、セラミックスとしては膨張係
数の大きい金属のそれに近いようなものを選択すること
になる。ところが、基材の厚さ及び大きさにより、また
溶射中の熱源の移動に伴なう局部的な温度差により膨張
収縮が不均等になるから、溶射中に割れを生じる。例え
ば、フォルステライトを例にとれば、膨張係数は金属と
ほぼ等しいが、金属溶射中に割れを生じる。

これに対し膨張係数の小さいセラミックスを基材として
用いると、そのセラミックス自体は耐熱衝撃特性に優れ
ているので割れは生じない。しかし、そのセラミックス
基材と金属の改質層との熱膨張係数の差が大きくなるか
ら、溶射によって形成された金属被膜とセラミックス基
材との間に冷却時に強大な内部応力が発生し、被膜厚さ
が大略２０ＪＬｍ以上であれば被膜が収縮力によりセラ
ミックスの表面層を剥落させて共に基材から剥離するか
又は金属被膜に割れを生じてしまう。

このように、従来はセラミックス基材の上に金属被膜を
少なくとも２０ｐｍ程度以上の膜厚に溶射法により形成
することは、セラミックス基材の熱膨張係数が大きい場
合でもまた小さい場合でも、いずれも良好な結果が得ら
れなかった。

この発明は、セラミックスを基材としその表面に改質層
として２０ｐｍ以上の十分に厚い金属被膜を剥離しない
ように形成された表面改質セラミックスを得ることを課
題とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１の発明は、表面改質セラミックスの構造であり、熱
膨張係数の小さい耐熱衝撃特性を有するセラミックス基
材と、その基材の表面に結合した基材の熱膨張係数より
も大きい熱膨張係数の第２のセラミックスの被膜と、そ
の第２のセラミックスの被膜の上に結合した第２のセラ
ミックスの熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数の金属の
改質層とからなることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明の表面改質セラミックスの製
法であり、熱膨張係数の小さい耐熱衝撃特性を有するセ
ラミックス基材の表面に、その基材の熱膨張係数よりも
大きい熱膨張係数の第２のセラミックスのパウダーを熱
プラズマを熱源として溶射することにより第２のセラミ
ックスの溶射被膜を形成し、その第２のセラミックスの
溶射被膜の上に第２のセラミックスの熱膨張係数よりも
大きい熱膨張係数の金属のパウダーを熱プラズマを熱源
として溶射することにより金属の溶射被膜を形成するこ
とを特徴とする。

〔作　　　用〕

第１の発明によれば、熱膨張係数の小さい基材のセラミ
ックスと、熱膨張係数の大きい金属の改質層との間に、
双方の熱膨張係数の間の大きさの熱膨張係数の第２のセ
ラミックスの被膜が存在するものであるから、温度変化
に対して、金属の改質層の膨張収縮が大きくても第２の
セラミックスの被膜がある程度膨張収縮することにより
基材のセラミックスに伝わる熱応力が緩和されて、第２
のセラミックスの表面層からの剥離には至らない。従っ
て、温度変化に対し剥離し難い金属の改質層をセラミッ
クス基材の表面に有するものである。なお、耐熱衝撃性
の優れたセラミックスの膨張係数は１．０〜２．ＯＸｌ
０−６程度のものであり、この程度のものを基材とする
のがよい。第２のセラミックスの被膜は、その厚さは基
材のセラミックスの肉厚、大きさ、形状によって左右さ
れるが大略１０〜２００舊ｍがよく、熱膨張係数は、５
〜８×１０−６程度がよい。

第２の発明によれば、基材のセラミックスの表面に第２
のセラミックスの被膜を溶射により形成し、さらにその
上に改質金属層を溶射により形成するから、これらは互
いに強力な結合状態となる。そして、溶射完了直後の高
温状態から冷却が進むと、各層はその熱膨張係数に応じ
て収縮しようとするから、熱膨張係数の相違により内部
応力が生じるが、収縮の大きい改質層と結合している第
２のセラミックス被膜がある程度収縮するので、第２の
セラミックス被膜が結合している基材のセラミックスへ
改質層に生じる内部応力が緩和された形で伝わる。従っ
て、全体が常温に冷却された状態となっても、内部応力
は残留するが改質層が剥離するには至らない。従って、
このようにして得られた表面改質セラミックスは、再加
熱、繰返し加熱・冷却に耐えられるものである。前述し
た膨張係数が５〜８　Ｘ　１０−６程度の第２のセラミ
ックスとしては、例えばアルミナセラミックスがあり、
これをアルゴンガスを用いた熱プラズマを熱源として溶
射する場合のパウダーの粒径は１〜１００　ｇ　ｍが適
当である。表面改質層としての金属の材質は、改質層に
与えるべき機能により選定する。例えば、改質層を電気
抵抗発熱体として使用するのであれば、ニッケルクロム
系合金のパウダーを溶射する。そのパウダーの粒径は、
１〜１００弘ｍが適当である。

〔実　施　例〕

この実施例は、図に略図で示すように、厚さ３ｍｍの板
に形成した基材１のセラミックスを電気絶縁性と高効率
遠赤外線放射性を有する物質とし、厚さ０．５Ｈの表面
改質層３を電気抵抗発熱体としたものである。絶縁及び
高効率遠赤外線放射物質としてのセラミックスは、５ｉ
０２−　Ａ１２０３系ヲベースとして第３、第４の系を
添加した物質であり、これは公知のものである。また、
電気抵抗発熱体としての表面改質層３も一般的な、高温
時に耐酸化性のあるニッケルクロム系合金又は鉄クロム
系合金のいずれでもよいが、この例ではニッケルクロム
系合金を用いた。そして、第２のセラミックスとしては
、アルミナセラミックスを用い、その被膜２の厚さは１
００４　ｍとした。

第２のセラミックスの被膜２及び表面改質層３の形成は
、アルゴンガスを用いる熱プラズマを熱源とする溶射に
より行なった。被膜２及び改質層３の溶射の材料粉末は
いずれも粒径な１１０−１Ｏ０ｐに調整して用いた。

このようにして形成された電気ヒータ（面ヒータ）は、
製作時の溶射中、溶射後の冷却期中はもちろん、給電部
を取付けて使用試験中の加熱・冷却の繰返しにおいても
、基材１の割れ、表面改質３の剥離や割れに生じなかっ
た。

比較例として、実施例の第２のセラミックスの被膜２を
設けないで基材１の直接表面改質層３を形成すると、溶
射条件を種々変化させても、溶射後の冷却に伴ない改質
層３に相当する被膜の割れや被膜の基材ｌからの剥離が
発生した。

上記実施例においては、基材ｌに第２のセラミックスの
被膜２を形成してその上に電気抵抗の大きいニッケルク
ロム系合金層を改質層として形成したものであるが、電
気抵抗の小さい銅や金の層を形成することもできる。こ
のことは実施例の電気抵抗発熱体に給電するための導電
性の表面改質層部分を導電回路として隣接させて形成す
ることが可能となるのであり、このためには２種の表面
改質層をそれぞれ所定のパターンのマスクを使用して溶
射形成すればよい、この場合、従来のように第２のセラ
ミックスの被膜を介在させない方法では、基材１に物性
の異なる２種の金属の改質層を直接形成することになる
ので、上記比較例の場合よりもいっそう条件が悪くなり
、所望の表面改質セラミックスは得られない。しかし、
第２のセラミックスの被膜を介在させた構成とすると得
られる。

上記実施例は、板状基材の一方の面に表面改質層を設け
たものを示したが、双方の面に表面改質層を設けること
もできる。

〔発明の効果〕

第１の発明によれば、セラミックス基材の表面が金属の
２０ｐｍ以上の十分に厚い改質層を有し、耐繰返し加熱
・冷却性を有する表面改質セラミックスが得られ、従っ
て表面改質層を電気抵抗発熱体とすることができる。

第２の発明によれば、第１の発明の表面改質セラミック
スを製造できる。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明の表面改質セラミックスの１実施例を示す
断面拡大部分図である。 １・・・基材、２　・・第２セラミンクスの被膜３　・
・・ 金属の改質層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱膨張係数の小さい耐熱衝撃特性を有するセラミ
   ックス基材と、その基材の表面に結合した基材の熱膨張
   係数よりも大きい熱膨張係数の第２のセラミックスの被
   膜と、その第２のセラミックスの被膜の上に結合した第
   ２のセラミックスの熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数
   の金属の改質層とからなることを特徴とする表面改質セ
   ラミックス。
2. （２）熱膨張係数の小さい耐熱衝撃特性を有するセラミ
   ックス基材の表面に、その基材の熱膨張係数よりも大き
   い熱膨張係数の第２のセラミックスのパウダーを熱プラ
   ズマを熱源として溶射することにより第２のセラミック
   スの溶射被膜を形成し、その第２のセラミックスの溶射
   被膜の上に第２のセラミックスの熱膨張係数よりも大き
   い熱膨張係数の金属のパウダーを熱プラズマを熱源とし
   て溶射することにより金属の溶射被膜を形成することを
   特徴とする表面改質セラミックスの製造方法。