JPS5861590A - セラミツクヒ−タ - 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】 本発明は耐久性のすぐれたセラミックヒータに関する。

従来より加熱又は着火用の発熱体とじてニッケミークロ
ム合金材料が多用されている。そして非合属系の発熱体
として膨化珪素、ジルコニア、モリブデンシリサイド、
ランタンクロマイト。

決素尋が重重されている。ニッケルークロム合金材料は
３合属材料であるから酸化騙食を避けることが困難で、
それ故に１発熱条件が制約される。

またニッケルークロム合金材料は局部的な酸化騙良の進
行により１発熱体のｗｒ而面が局部的に減少し、そこで
局部的に高い熱発生が起り、自己断線する場合がある。

また上記した非合属系発熱体はその麺類により耐酸化性
が劣ったり製造コストが高いため使用が限られ、ニッケ
ルークロム合金材料に見られるような普及性がない。

発明者等はニッケルークロム合金材料に代わる使用用途
の広い安価で耐久性のある発熱材料の開発を進め、窒化
チタニウムに着目した。

窒化チタニウムは周知の如く、耐摩製品、スローアウェ
イチップのような切削工具などのサーメットの主成分と
して利用されるように、高温での機械的強度が大きく耐
熱性がすぐれている。ｆ、＆熱膨張係数も１８Ｘ１０　
　’Ｃと小さい。しかしながら、窒化チタニウムはその
比抵抗が寥温で１Ｏ−６Ω、、１ｏｏｏ’ｃで６　Ｘ　
１０−’Ωｍ程度であり１発熱体として比抵抗が小さす
ぎ、かつ耐熱性が惑いという欠点があった。発明者は窒
化チタニウムに酸化アルミニウムを加えた混合粉末を焼
結体とすることにより比抵抗を１！ＩＩ御できることを
見い出し１本発明を完成したものである。

すなわち０本発明のセラミックヒータは窒化チタニウム
と酸化アルミニウムとを王い成分とする混合粉末の焼結
体で発熱体が構成されていることを特徴とするものでお
る。

なお、ここでセラミックヒータとは上記しｆｃ炉結体の
みで構成された発熱体のみのもの、および他の基体に発
熱体である焼結体が固層しているものも含めてセラミッ
クヒータと称する。

本発明のセラミックヒータの特色をなす発熱体ハ窒化チ
タニウムと酸化アルミニウムの混合粉末を焼結して得ら
れる焼結体である。この焼結体とすることにより窒化チ
タニウムの比抵ｆ７Ｌｔ発熱体として適当な比抵抗にま
で効果的に圓めることかできる。例えば窒化チタニウム
１００重量％（以下１％は直置％を意味する）の焼結体
の比抵抗はＱ　４　Ｘ　ｉ　Ｏ−’Ω（７）であるが、
窒化チタニウムに酸化アルミニウムを２０％、５０％、
７０％、８０％、９０％各々配合して得られる焼結体の
比抵抗はα００．０１２，００００７ｇ、（１００６１
ｓ。

α１８４７Ωｍと鈍くなる。発熱体として使用できる配
合割合は、全体を１００％とじ九場合。

窒化チタニウム２〜８０％、酸化アルミニウム２０〜９
８％、より好ましい配合割合は窒化チタニウム５〜６０
％、ｔｌｋ化アルＺニウム５０〜９５％である。このよ
うな配合割合をもつ窒化チタニウムと酸化アルミニウム
との焼結体の比抵抗は１０−４ない数１１ｔＭとなり発
熱体の比抵抗として好まいものになる。

窒化チタニウムと酸化アルミニウムの焼結体の製造方戻
は、目的の組成割合とした窒化チタニウム粉末と酸化ア
ルミニウム粉末をボールミルトカ振動ミルで十分に粉砕
混合して原料混合粉末を調製する。この段階で目的とす
る用途に応じて、造粒粉としたり溶液と混合してスラリ
ーあるいはペーストとする。例えば棒状のセラミックヒ
ータを製造する場合には、造粒粉を型内で加圧して圧密
体を作る。薄板状セラミックヒータを製造する場合には
、スラリーをドクターブレード法で薄板を作り・それを
打ち抜いて所望の形状の薄板状クリーンコンパクトとす
る。又印−１］ヒータの場合には。

例゛えばアルミナ基板上にベーヌトヲスクリーン印刷す
る。上記圧密体、グリーンコンパクトは必管な場合乾燥
工程を経て１６５０〜１８５０“Ｃ１より好ましくは１
７５０〜１８００″Ｃの温度ｌｉ１囲で焼結する。なお
・焼成は窒化チタニウムの酸化を防止するため非酸化性
雰囲気、不活性雰囲気又は１０１トールＷ下の真交下で
行なう。上記した製造法で本発明のセラミックヒータを
製造することができる。

本発明のセラミックヒータの発熱体となる焼結体の組成
において窒化チタニウムおよび酸化アルミニウムに酸化
マグネシウムを００６〜６％程度配合すると品質の一定
したセラミックヒータが得られる。これは、酸化マグネ
シウムが酸化アルミニウムの結晶の異常成長を抑制する
作用があり。

酸化アルミニウムの結晶の過大成長により粒界移動に伴
なった窒化チタニウムの偏析を抑制する効果がある。こ
れにより電流′１に流した時の不均一な局部的発熱を防
止することができる。なお、５％をこえる酸化マグネシ
ウムの配合は、焼結体を弱める。

窒化チタニウムおよび酸化アールミニラムにニッケル−
１Ｑ０５〜７５％程度配合するとよりべ密な焼結体が得
られ、得られる焼結体のもつ比抵抗の焼成温度への依存
性を小さく安定化することができ、かつ、セラミックヒ
ータとしての耐久性が向上する。

雰囲気焼成の場合酸化アルミニウム巨体のｍ点は約２０
６０ＴＥであるため・１６５０〜１８５０゛Ｃの焼成温
度で充分に幀密化するが・窒化チタニウムは、融、ぐが
約８０００−Ｃであるため酸化アルミニラムの複合材と
して焼結させても上述の温度範囲では充分く　密化しな
い、配合されたニッケルはこの窒化チタニウムの　密化
を助ける。参考までに・１４０ｍ　−８０ＴｉＮ−ｔＮ
’ｒ　（酸化アルミニウム（’ｒｏ−ｇ）％、窒窒化チ
タニウム８彫ルミニウム（６９−♂）％．窒窒化チタニ
ウム８優てアルゴン雰囲気下で１７７０’０．２時間焼
成して得られ九焼結体の相対密度とニッケル配合量の関
係を第１図に示す．第１図中．縦軸は相対密度（％）、
横軸はＮ１配合量（％）を、黒丸はｋｌｘ　Ｏｎ　−１
０ＴｉＮ−ｔＮｉ組の値を。

白丸はｈｌ．　ｏ魯−８０’！’ｌＮ−ｌＭｇＯ−♂Ｎ
１組の値を示す．第１図から明らかなように・ニッケル
ｔ１５％以下配合することＫよシ得られる焼結体の相対
密度が高くなっているのがわかる．なお・ニッケル配合
量が？６％と多くなると焼結体の表面にニッケルが漆み
出して蒸発する丸め焼結体内に気孔が形成され．相対密
度が低下しまた得られる焼結体の比抵抗が急に大きくな
る。

ニッケル配谷による得られる焼結体の比抵抗の焼成温度
への依存性が小さくなる効果の例を酸化アルミニウム６
ｆ１５％．窒化チタニウム８０％。

酸化マダ不シウム１％・ニッケル２５％の配合割合で５
０゛Ｃ間隔で１６δＯ−Ｃから１８５０’ｆｌまで温度
を変えて焼成した時の焼成温度と得られた焼結体の比抵
抗と金弟１表に示す。第１表より焼成温度が詞い根比抵
抗が小さくなる傾向は見られるが焼成温度１７０００〜
１８００’Ｏで比抵抗は相当に安定しているとみること
ができる。

第１表 ニッケル配合によるセラミックヒータトシテの耐久性同
上の例を第２図に示す．第２図は．６ａ５Ａ４０ｍ−　
８　０ＴｉＮ　−　ｌＭｇＯ−１　６Ｎｉ　（　＠化ア
ルミニウム６６６％．窒化チタニウム８０％．酸化マグ
ネシウム１％．ニッケル２５％．以下の例も同じ）の組
成の焼結体（図中符号Ａで示す）、６８Ａβｓ　Ｏｘ　
−　８　０　ＴＬＮ　−　Ｉ　ＭｇＯ　−　Ｉ　Ｎｉの
焼結体（Ｂ）。

６　９　Ａｌｅ　Ｏｎ　−　８　０　ＴｉＮ　−　Ｉ　
ＭｇＯの焼結体（０）　、　４　４Ａｒｍ　ｏｌ　−　
５　０　ＴｉＮ　−　Ｉ　Ｍｇｏ−δＮ１の焼結体ＣＤ
）。

５　０　Ａ１１０虐−５　０　ＴｉＨの焼結体（勅およ
び１　０　０ＴｉＮの焼結体（Ｆ）の６梼類の焼結体を
１０００’ｆｌで２ｂ時間の大気５Ｎｔ−行ない，その
間に窒化チタニウムが酸化チタニウムに変化した酸化率
と大気曝露時間の関係を示したものである。なお、試験
は試験片として６削Ｘ６１１Ｘ５１１のものを用い，熱
天秤法により電量変化を測定し・ＴｉＮからＴｉＯｍ（
ルチル型）への変化として酸化率を計算したものである
。なお、　ＴｉＨの酸化はＴ１０．　（ルチル型）であ
ることは酸化生成物のＸ線回折図より確認している。第
２図の符号Ａ．Ｂで示される焼結体Ａ。

Ｂは各々ニッケルｉ２５％，１％含んでいるが・ニッケ
ルを含んでいない焼結体Ｃと比較し．いずれも窒化チタ
ニウム配合量が８０％であるが・焼結体Ａ．Ｂは大気曝
１１６時間以後は安定し酸化が進んでいない。しかし・
ニッケルを含まない焼結体Ｃは１５時間後において本酸
化が進行している。

窒化チタニウムｔ−５０％含んでいる焼結体Ｅ・Ｄの場
せでも，ニッケルを含まない焼結体Ｅは窒化チタニウム
１００％の焼結体？と同じように時間経過に比例して酸
化率は増加するが６％のニッケルを含む焼結体りは１５
時間以後は安定し酸化が進んでいない。これにより、ニ
ッケルの存在によ′り焼結体は一寛時間経過後．酸化が
停止することがａｉｍされた。なお、酸化による発熱体
の断面積の式から明らかなように抵抗変化として影響す
る。

このため経年による酸化の増大がもたらす抵抗値変化は
激しくなる．従って少なくとも２０時時間項の使用で安
定した生成物被−が形成されるのが望ましい。

なお参考までに第２表に示す組成の原料粉末をボールミ
ルで粉砕混合し．これにポリビニルブチラール等の有機
バインダーを加えてスラリー状とし，乾燥．造粒・整粒
後金型プレスにて薄板を作り１７５０°〜１７９０’ｆ
１．窒素ガス雰囲気中で２時間焼成して得た各焼結体の
寥温での比抵抗を同じ第２表に示す。

第　　２　表 本発明のセラミックヒータは使用する原料から酸化アル
ミニウムを主体としているため、従来のセラミックヒー
タでおる膨化珪素、ランタンクロマイド・二珪化モリブ
デン等の原料コストに比して著しく安価である。本発明
の代表的なセラミックヒータと従来のセラミックヒータ
の比抵抗０曲げ強度、熱膨俵係数を第８表に示す、さら
に・本発明の６８　Ａ４０ｓ　−８０ＴｉＮ　−Ｉ　Ｍ
ｇＯ−Ｉ　Ｎｉの組成をもつセラミックヒータの寥温５
００”ｆｌ、１０００゛Ｃにおける比抵抗を第４表に示
す。

第８表 第４表 本発明のセラミックヒータにおいて、その焼結性あるい
は耐酸化性を高めてより長寿命の低コストセラミックヒ
ータを得るために・他の添加物、１例えば膨化チタニウ
ム、クロム、クロムカーノくイド等ｆｔ配合することは
特に制限しない。

また製造において、雰囲気による悦成のみを説明したが
焼結性を高める丸め高温高圧のホ７）プレスでセラミッ
クヒータを製造することもできる。

−例としてｆｉｌｍ　Ｏｓ　−８０ＴｉＮ−ＩＭｇＯ−
ＸＮｉ　（７）組成で圧力２５０￥／ｒｄ　、温度１６
６０”０．２０分間のホットプレスで製造したセラミッ
クヒータの比抵抗を第６表に示す。

第５表

【図面の簡単な説明】

第１図は酸化アル２ニウム−窒化チタニウム−ニッケル
組成の焼結体のニッケル配合量と焼結体□　の相対密度
との関係を示す線図、第２図は窒化チタニウム金倉む６
−類の焼結体の１０００’Ｃ大気ｍｕ時間と窒化チタニ
ウムから酸化チタニウムへの酸化率の関係を示す線図で
ある。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化チタニウムと酸化アルミニウムとを主要成分
   とする混合粉末の焼結体で発熱体が構成されていること
   を特徴とするセラミックヒータ
2. （２）混合粉末は５重量％以下の酸化マグネシウム、？
   ５１ｃｆｉ４以下のニッケルのｌまたは２勿含む特許請
   求の範囲第１項記載のセラミックヒータ
3. （３）　　ｉｉ化チタニウムの組成側合は５〜５０Ｍ！
   重％であり、酸化アルミニウムの組成聞合は４０〜９５
   ［菫％である特許請求の範囲第２項記載のセラミックヒ
   ータ