JPH0697631B2 - セラミツクヒ−タ及びその製造方法 - Google Patents
セラミツクヒ−タ及びその製造方法Info
- Publication number
- JPH0697631B2 JPH0697631B2 JP26961784A JP26961784A JPH0697631B2 JP H0697631 B2 JPH0697631 B2 JP H0697631B2 JP 26961784 A JP26961784 A JP 26961784A JP 26961784 A JP26961784 A JP 26961784A JP H0697631 B2 JPH0697631 B2 JP H0697631B2
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- Japan
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- tungsten
- ceramic heater
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は窒化珪素質焼結体内にタングステン系発熱抵抗
体が埋設されて成るセラミックヒータ及びその製造方法
に関する。
体が埋設されて成るセラミックヒータ及びその製造方法
に関する。
（従来の技術） 従来一般に用いられているセラミックヒータには第１〜
第３図に示すような構造のものがあり、アルミナ質又は
窒化珪素質セラミック１の中に櫛歯状、渦巻状など任意
の形状、幅、長さの発熱抵抗体パターン2,3が埋設され
ている。そしてその始端にリード端子２′を設け、該リ
ード端子から通電することにより、セラミックヒータと
して埋設された発熱抵抗体がジュール熱を発生するよう
になっている（例えば特開昭57−67296号公報参照）。
第３図に示すような構造のものがあり、アルミナ質又は
窒化珪素質セラミック１の中に櫛歯状、渦巻状など任意
の形状、幅、長さの発熱抵抗体パターン2,3が埋設され
ている。そしてその始端にリード端子２′を設け、該リ
ード端子から通電することにより、セラミックヒータと
して埋設された発熱抵抗体がジュール熱を発生するよう
になっている（例えば特開昭57−67296号公報参照）。
（解決すべき問題点） 発熱抵抗体パターンが内蔵されたセラミックヒータは、
セラミックがアルミナのものは耐熱衝撃性が悪く、室温
（20℃）から800℃までの立上がり試験を行い５秒より
早く立上がらせると全数にクラックが発生してしまい、
また1000℃以上の飽和温度で約30秒間保存した後、電源
を切り60秒間経過してから再び飽和温度まで上昇させる
というくり返し試験（加熱サイクルテスト）を行い発熱
抵抗体自体の抵抗値変化を調べたところ、飽和温度1000
℃で1500サイクルくり返した場合は約10％も抵抗値が増
加してしまう。このことは例えば、ディーゼルエンジン
用のグロープラグとして飽和温度に近い高い温度域でく
り返し使用するような場合、抵抗値が増加する結果同一
の印加電圧では発熱量が漸減して行き、安定した高温発
熱特性をもったセラミックヒータを提供することができ
ないことを意味する。また高い温度にまで急速に発熱さ
せた場合、アルミナセラミックを用いたものでは熱衝撃
によって破損することがある。
セラミックがアルミナのものは耐熱衝撃性が悪く、室温
（20℃）から800℃までの立上がり試験を行い５秒より
早く立上がらせると全数にクラックが発生してしまい、
また1000℃以上の飽和温度で約30秒間保存した後、電源
を切り60秒間経過してから再び飽和温度まで上昇させる
というくり返し試験（加熱サイクルテスト）を行い発熱
抵抗体自体の抵抗値変化を調べたところ、飽和温度1000
℃で1500サイクルくり返した場合は約10％も抵抗値が増
加してしまう。このことは例えば、ディーゼルエンジン
用のグロープラグとして飽和温度に近い高い温度域でく
り返し使用するような場合、抵抗値が増加する結果同一
の印加電圧では発熱量が漸減して行き、安定した高温発
熱特性をもったセラミックヒータを提供することができ
ないことを意味する。また高い温度にまで急速に発熱さ
せた場合、アルミナセラミックを用いたものでは熱衝撃
によって破損することがある。
そのため、アルミナセラミックに代えて窒化珪素セラミ
ックを使用することにより、前記欠点を解消することが
本出願人により提案され（前掲公開公報参照）、かなり
の改善が図られたが、該窒化珪素セラミック体内にタン
グステンフィラメント又はタングステンペーストを埋入
し同時一体焼成をする際、焼成温度が1750℃を越えて焼
成されるため（これより低い温度ではセラミックが緻密
な焼成体とならず耐熱衝撃性などが良好でない）、焼成
されたタングステン発熱体に硬度変化が生じ脆化する結
果、該ヒーターを長時間使用した場合、発熱体にクラッ
クが容易に発生し断線することとなる。
ックを使用することにより、前記欠点を解消することが
本出願人により提案され（前掲公開公報参照）、かなり
の改善が図られたが、該窒化珪素セラミック体内にタン
グステンフィラメント又はタングステンペーストを埋入
し同時一体焼成をする際、焼成温度が1750℃を越えて焼
成されるため（これより低い温度ではセラミックが緻密
な焼成体とならず耐熱衝撃性などが良好でない）、焼成
されたタングステン発熱体に硬度変化が生じ脆化する結
果、該ヒーターを長時間使用した場合、発熱体にクラッ
クが容易に発生し断線することとなる。
ここで、タングステン発熱体に硬度変化が生じ脆化する
原因は、1750℃を越える高温焼成ではタングステンと窒
化珪素との反応が進み、この反応生成物が脆性のもので
あることのためであると考えられる。
原因は、1750℃を越える高温焼成ではタングステンと窒
化珪素との反応が進み、この反応生成物が脆性のもので
あることのためであると考えられる。
（問題点を解決するための手段） 本発明者は以上の点に鑑み鋭意研究の結果、長時間の使
用によってもタングステン発熱体にクラックが生ぜず、
断線も発生しなく、しかも、高温耐酸化性及び高温強度
の優れたセラミックヒータ及びその製造方法を開発し
た。
用によってもタングステン発熱体にクラックが生ぜず、
断線も発生しなく、しかも、高温耐酸化性及び高温強度
の優れたセラミックヒータ及びその製造方法を開発し
た。
すなわち本発明は、（１）窒化珪素（Si3N4）94重量％
以上と、マグネシア（MgO）とクロミア（Cr2O3）あるい
はマグネシアとクロミアの化合物６重量％以下とからな
る窒化珪素質焼結体内にタングステンフィラメント又は
タングステン含有ペーストからなる発熱抵抗体が埋設さ
れて成ることを特徴とするセラミックヒータ、及び
（２）窒化珪素（Si3N4）94重量％以上と、マグネシア
（MgO）とクロミア（Cr2O3）あるいはマグネシアとクロ
ミアの化合物６重量％以下とからなる窒化珪素質セラミ
ック素地中にタングステンフィラメント又はタングステ
ン含有ペーストからなる発熱抵抗体を埋設し、これを非
酸化性雰囲気中で1600〜1750℃の範囲内でホットプレス
することを特徴とするセラミックヒーターの製造方法、
である。
以上と、マグネシア（MgO）とクロミア（Cr2O3）あるい
はマグネシアとクロミアの化合物６重量％以下とからな
る窒化珪素質焼結体内にタングステンフィラメント又は
タングステン含有ペーストからなる発熱抵抗体が埋設さ
れて成ることを特徴とするセラミックヒータ、及び
（２）窒化珪素（Si3N4）94重量％以上と、マグネシア
（MgO）とクロミア（Cr2O3）あるいはマグネシアとクロ
ミアの化合物６重量％以下とからなる窒化珪素質セラミ
ック素地中にタングステンフィラメント又はタングステ
ン含有ペーストからなる発熱抵抗体を埋設し、これを非
酸化性雰囲気中で1600〜1750℃の範囲内でホットプレス
することを特徴とするセラミックヒーターの製造方法、
である。
本発明において、MgOとCr2O3あるいはこれらの化合物
（MgCr2O4）を添加するのは、焼成中にMgOとCr2O3が反
応して生成されるMgCr2O4が低温（1600℃より少し高
温）で焼結可能であることのため、製造された窒化珪素
質セラミック中のタングステン発熱抵抗体が脆化しない
ことの理由からである。
（MgCr2O4）を添加するのは、焼成中にMgOとCr2O3が反
応して生成されるMgCr2O4が低温（1600℃より少し高
温）で焼結可能であることのため、製造された窒化珪素
質セラミック中のタングステン発熱抵抗体が脆化しない
ことの理由からである。
そして、MgOとCr2O3あるいはこれらの化合物（MgCr
2O4）の添加量を６重量％以下としたのは、それ以上に
増量させると、焼結体の窒化珪素量が相対的に少なくな
り窒化珪素本来の良耐熱衝撃性が十分に発揮できなくな
ることと、また本来の高温高強度特性を保持できなくな
るほか、耐酸化性の向上も達成できなくなるためであ
る。
2O4）の添加量を６重量％以下としたのは、それ以上に
増量させると、焼結体の窒化珪素量が相対的に少なくな
り窒化珪素本来の良耐熱衝撃性が十分に発揮できなくな
ることと、また本来の高温高強度特性を保持できなくな
るほか、耐酸化性の向上も達成できなくなるためであ
る。
（実施例） 窒化珪素セラミックヒータの製造法は、各種割合で、Mg
OとCr2O3あるいはMgCr2O4が添加配合された窒化珪素粉
末体で所定形状に成形するに際し、発熱抵抗体を構成す
る高融点金属の一つであるタングステンの線状体（薄い
板状体でもよい）を発熱抵抗体６とすべく櫛歯状に形成
したものを所定形状の金型中に設置し、それに窒化珪素
粉末を充填し、プレス成形を行った後、ホットプレス法
で焼結することにより行なわれ、窒化珪素セラミック体
６中にタイングステン発熱抵抗体が埋設されてなるヒー
タが製造された。
OとCr2O3あるいはMgCr2O4が添加配合された窒化珪素粉
末体で所定形状に成形するに際し、発熱抵抗体を構成す
る高融点金属の一つであるタングステンの線状体（薄い
板状体でもよい）を発熱抵抗体６とすべく櫛歯状に形成
したものを所定形状の金型中に設置し、それに窒化珪素
粉末を充填し、プレス成形を行った後、ホットプレス法
で焼結することにより行なわれ、窒化珪素セラミック体
６中にタイングステン発熱抵抗体が埋設されてなるヒー
タが製造された。
それらについてのデータを表１に示す。
例１ 平均粒径0.9μｍのα−Si3N4と平均粒径1.1μｍのMgCr2
O4を表１の組成比のごとくにひょう量、混合し、これに
Si3N4製ボールを入れてメタノール媒体を用い、24時間
分散混合して、添加剤入りの窒化珪素粉末原料を得た。
O4を表１の組成比のごとくにひょう量、混合し、これに
Si3N4製ボールを入れてメタノール媒体を用い、24時間
分散混合して、添加剤入りの窒化珪素粉末原料を得た。
この粉末原料を金型に入れ0.5t/cm2の加圧力でプレス成
形し、同時にタングステンフィラメントを埋設して成形
した後、表１記載の温度、時間及び圧力下でホットプレ
スした。
形し、同時にタングステンフィラメントを埋設して成形
した後、表１記載の温度、時間及び圧力下でホットプレ
スした。
それを、３×４×40mmに研削した後、各種特性試験を行
い、その結果を表１に示した。
い、その結果を表１に示した。
例２ 平均粒径0.9μｍのα−Si3N4と平均粒径1.1μｍのMgOと
平均粒径1.1μｍのCr2O3とをモル比で約1:1になるよう
に秤量、混合したものを出発原料とした後は、例１と同
様にして実験を行い、その結果を表１に示した。
平均粒径1.1μｍのCr2O3とをモル比で約1:1になるよう
に秤量、混合したものを出発原料とした後は、例１と同
様にして実験を行い、その結果を表１に示した。
以上の試験において、曲げ強度測定はJIS R1601規定に
よる４点曲げ法により、酸化増量測定は空気中、1300
℃、４時間加熱による重量増を測定し、単位面積当たり
の重量増加率を示し、また耐熱衝撃試験は高温加熱した
検体ヒータを水中（25℃程度）に投下した際の形状破壊
発生の温度差を示す。
よる４点曲げ法により、酸化増量測定は空気中、1300
℃、４時間加熱による重量増を測定し、単位面積当たり
の重量増加率を示し、また耐熱衝撃試験は高温加熱した
検体ヒータを水中（25℃程度）に投下した際の形状破壊
発生の温度差を示す。
そして、加熱サイクルテストについては、検体ヒーター
にフィラメント通電を行い、室温1250℃の加熱サイク
ル（500サイクル）を行って、その結果を（A,B,E）．
（Ｃ）．（D,F）及び（Ｏ）に段階評価した。
にフィラメント通電を行い、室温1250℃の加熱サイク
ル（500サイクル）を行って、その結果を（A,B,E）．
（Ｃ）．（D,F）及び（Ｏ）に段階評価した。
A,B,E:密度が低く開気孔が多いため、Ｗフィラメント自
体が使用中に酸化されて断線する。
体が使用中に酸化されて断線する。
C:ホットプレス温度が高く、ホットプレス時のＷフィラ
メントの強度が弱くなり微少クラックが生じる。このク
ラックが使用中に断線の原因となる。
メントの強度が弱くなり微少クラックが生じる。このク
ラックが使用中に断線の原因となる。
D,F:Si3N4が酸化された際に生じるSiO2中に余剰のMgが
固溶し、ガラスの融点を下げ、酸素の拡散を速め、結果
として耐酸化特性が悪くなる。
固溶し、ガラスの融点を下げ、酸素の拡散を速め、結果
として耐酸化特性が悪くなる。
○：良好。
以上のことから、試料番号３〜９、11、14、15のものは
本発明範囲のものであるが、これらは耐熱衝撃性（Δ
ｔ）:500℃以上、耐酸化性（1300℃、４時間）:0.2mg/c
m2以下、曲げ強度:90Kg/mm2以上であって、セラミック
ヒータとしての性能が非常にすぐれているものであると
いえる。
本発明範囲のものであるが、これらは耐熱衝撃性（Δ
ｔ）:500℃以上、耐酸化性（1300℃、４時間）:0.2mg/c
m2以下、曲げ強度:90Kg/mm2以上であって、セラミック
ヒータとしての性能が非常にすぐれているものであると
いえる。
これに対し試料番号１、２のものは、マグネシアとクロ
ミアの化合物の添加量が６重量％を越え、耐熱衝撃性、
対酸化性及び機械的強度のいずれもが良好でなく加熱サ
イクルテスト結果もＡ、Ｂであって好ましくなく、また
資料番号10のものは、成分組成は本発明範囲内であるが
焼成温度が1750℃を越えた1800℃であるため、加熱サイ
クルテスト結果がＣであってタングステンフィラメント
に微少クラックが生じている。試料番号12、13、16のも
のはMgOとCr2O3の含量、又はMgCr2O4の添加量が７重量
％を越えており、耐熱衝撃性（Δｔ）が400℃台であ
り、加熱サイクルテスト結果もD.E.Fであって問題があ
る。
ミアの化合物の添加量が６重量％を越え、耐熱衝撃性、
対酸化性及び機械的強度のいずれもが良好でなく加熱サ
イクルテスト結果もＡ、Ｂであって好ましくなく、また
資料番号10のものは、成分組成は本発明範囲内であるが
焼成温度が1750℃を越えた1800℃であるため、加熱サイ
クルテスト結果がＣであってタングステンフィラメント
に微少クラックが生じている。試料番号12、13、16のも
のはMgOとCr2O3の含量、又はMgCr2O4の添加量が７重量
％を越えており、耐熱衝撃性（Δｔ）が400℃台であ
り、加熱サイクルテスト結果もD.E.Fであって問題があ
る。
（発明の効果） 上記のとおり本発明によれば、耐熱衝撃性（Δｔ）:500
℃以上、耐酸化性（1300℃、４時間）:0.2mg/cm2以下、
曲げ強度:90Kg/mm2以上の特性を持つセラミックヒータ
が得られ、これはセラミックヒータとしての性能が非常
にすぐれているものである。
℃以上、耐酸化性（1300℃、４時間）:0.2mg/cm2以下、
曲げ強度:90Kg/mm2以上の特性を持つセラミックヒータ
が得られ、これはセラミックヒータとしての性能が非常
にすぐれているものである。
従ってこのセラミックヒータを使用すれば、例えばディ
ーゼルエンジンの寿命を長期化でき、該エンジンを搭載
した自動車、船舶等の走行安定性を高めることができる
など、斯界に貢献するところが非常に大きい。
ーゼルエンジンの寿命を長期化でき、該エンジンを搭載
した自動車、船舶等の走行安定性を高めることができる
など、斯界に貢献するところが非常に大きい。
第１〜第３図は各種セラミックヒータの形状、構造を示
す一部断面図であり、第２図は円筒状ヒータ、第２図は
平板状ヒータ、第３図はグロープラグを示す。 1:窒化珪素質セラミック ２、3:タングステン発熱抵抗体 ２′：リード端子
す一部断面図であり、第２図は円筒状ヒータ、第２図は
平板状ヒータ、第３図はグロープラグを示す。 1:窒化珪素質セラミック ２、3:タングステン発熱抵抗体 ２′：リード端子
Claims (2)
- 【請求項１】窒化珪素（Si3N4）94重量％以上と、マグ
ネシア（MgO）とクロミア（Cr2O3）あるいはマグネシア
とクロミアの化合物６重量％以下とからなる窒化珪素質
焼結体内にタングステンフィラメント又はタングステン
含有ペーストからなる発熱抵抗体が埋設されて成ること
を特徴とするセラミックヒータ。 - 【請求項２】窒化珪素（Si3N4）94重量％以上と、マグ
ネシア（MgO）とクロミア（Cr2O3）あるいはマグネシア
とクロミアの化合物６重量％以下とからなる窒化珪素質
セラミック素地中にタングステンフィラメント又はタン
グステン含有ペーストからなる発熱抵抗体を埋設し、こ
れを非酸化性雰囲気中で1600〜1750℃の範囲内でホット
プレスすることを特徴とするセラミックヒータの製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26961784A JPH0697631B2 (ja) | 1984-12-22 | 1984-12-22 | セラミツクヒ−タ及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26961784A JPH0697631B2 (ja) | 1984-12-22 | 1984-12-22 | セラミツクヒ−タ及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61148792A JPS61148792A (ja) | 1986-07-07 |
| JPH0697631B2 true JPH0697631B2 (ja) | 1994-11-30 |
Family
ID=17474843
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26961784A Expired - Lifetime JPH0697631B2 (ja) | 1984-12-22 | 1984-12-22 | セラミツクヒ−タ及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0697631B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0774790B2 (ja) * | 1987-08-12 | 1995-08-09 | 雪印乳業株式会社 | 通電加熱法に用いられるセンサ− |
| JPH0612693B2 (ja) * | 1987-11-06 | 1994-02-16 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミックヒータ及びその製造方法 |
| JP2539686B2 (ja) * | 1989-09-26 | 1996-10-02 | 國光 井上 | 筒形電熱器 |
-
1984
- 1984-12-22 JP JP26961784A patent/JPH0697631B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61148792A (ja) | 1986-07-07 |
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