JPS59101702A - セラミツク導電材及びそれを用いた電気的装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はセラミック導電材及びそれを用いた電気的装置
に関する。

〔従来技術〕

炭化ケイ素は硬度、強度および耐酸化性、耐食性にすぐ
れている。また、炭化ケイ素は熱膨張率が低く、熱伝導
性にすぐれるため、高温での耐熱衝撃性の大きいことも
公知である。上記のすぐれた特性を持つ炭化ケイ素は工
業用材料として有望でアシ、自動車エンジン部材、ター
ビン部材、熱交換器用部材、金属溶解用るつは、高温用
治具等広範囲な分野で使用されることが期待できる。さ
らに炭化ケイ素の用途拡大を図、るため、炭化ケイ素に
セラミックスあるいは金属間化合物を複合化させる仁と
によって、炭化ケイ素焼結体のある特性を著しく改善し
たシあるいは新しい機能を付与させる研究も盛んに行わ
れている。これらの研究の例は特開昭５７−６７２９６
号、同５７−７１６７７号、および同５７−７１６７７
号各公報に記載されている。

従来、たとえば周知のグロープラグとしては金属シース
型（間接加熱形）と裸コイル型（直熱加熱形）の２種類
がある。シース型は金属チューブの中に、発熱コイル及
びその周囲に酸化マグネシウムなどの耐熱熱伝導性のセ
ラミックス粉末を充填して構成されている。一方、裸コ
イル型は、エンジン内に発熱コイルを露出させて構成さ
れたものである。

前者は堅固で燃焼ガスに対する耐久性が大であるが、発
熱コイルの熱伝達が悪くシース表面温度が始動可能な温
度に達するまでに５秒以上を要し急速加熱性に欠ける欠
点がある。また加熱スピードを早めようとすると発熱“
コイル温度が高くなシ、やがて発熱金属の融□点に近く
なシ耐久性が著しく低下する。このため、シース表面温
度は９５０ｔｌ’が限界となる制約を受けることになる
。また、後者は、急速加熱は可能であるが、燃焼ガスに
よる発熱金属の劣化が大でラシ、カーボン付着によって
ショートを生じやすい。また、高温腐食の点から発熱コ
イルの表面温度Ｆｉ９００Ｃが限界である等の欠点があ
る。したがって現在では急速加熱性に欠ける問題があっ
てもシース型が主流となっている。

しかしながら、近年ディーゼル車もガソリン車並の急速
始動性が強く要求されるようになシ、このため直熱タイ
プ（表面加熱形）のグロープラグが見直され、昇温スピ
ードが早く、シかも高温耐久性に優れたグロープラグ用
ヒータエレメントの出現が強く望まれている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は金属に近い導電性を示す導電性セラミッ
クを用いた電気的装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明の電気的装置に用いるセラミック焼結体は優れた
導電性を示し、（ａ）炭化ケイ素（，９ｊＣ）と、（ｂ
）窒化バナジウム（Ｖ　Ｎ　）　、窒化ニオブ（Ｎ　ｂ
　Ｎ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化ハフニウム（Ｈ
ｆＮ）、硼化バナジウム（ＶＢ意り硼化ニオブ（ＮｂＢ
＊）、硼化タンタル（’Ｉ’ａＢｚ）、硼化ハフニウム
（Ｈｆ　Ｂへ戻化バナジウム（ＶＣ）−ｓ炭化＝、ｔプ
（ＮｂＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）から選ばれる無機
化合物とを主体量とするものである。尚、従来のいわゆ
るＳｉＣ系セラミックス焼結体には導電性は無く、電気
的に抵抗体となるものであシ、本発明の電気的装置には
採用し得ない。

本発明の電気的装置はＳｉＣの特性を改善して得られた
もので６９、その特性改善の例は次の通シでるる。（１
）ＳｉＣの硬度を大きくする為に１ＳｉＣの母相中に硬
質物粒子を均質に分散させる方法が考えられる。硬質物
としてｖａ族金属元素の炭化物、窒化物或いは備化物や
ハフニウム（Ｈｆ）の窒化物或いは硼化物が８ｉＣの硬
ｉｔ−大きくすることを見出した。（２１ＳｉＣを耐熱
材料として利用する場合、断熱性が要求されるような箇
所へ応用するときは熱伝電率の低い方が好ましく、反対
に、熱交換が目的である用途へ応用するときは熱伝導率
の大きい方が好ましい。８ｉＣの熱伝導率を制御する方
法として、ＳｉＣにＶａ族金属元素の炭化物、窒化物或
いは硼化物やＨｆの窒化物或いは硼化物を分散させるこ
とが有効であることを見出した。＋３１ＳｉＣ構造用部
材として使用する場合、ＳｉＣと他のセラミックスおよ
びＳｉＣと金属の接合が、エレクトロニクス材として利
用する場合は、ＳｉＣとガラスの接合が容易な程利用度
が高くなる。ＳｉＣと種々の材料との間の接合は高温で
行われるため、それぞれの熱膨張率の差が大きい程、冷
却後の残金応力が大きく、割れが発生しやすい。８ｉＣ
にＶａ族金属元素の炭化物、窒化物或いは硼化物やＨｔ
の窒化物或いは硼化物を分散させた焼結体はＳｉＣの熱
膨張率を大きくすることを見出した。（４）高融点金属
の中でＶａ族金属元素の会化物は溶融金属と反応し難い
ため金属溶解用るつぼに適していることを見出した。

また、ＳｉＣに新しい機能を付与した例として、Ｖａ族
金属元素の炭化物、窒化物或いは硼化物や、Ｈｆの窒化
物或いは硼化物を分散させることＫよってＳｉＣが導電
性になることを見出した。

尚、Ｓ　ｔ　ＣＫ　９合させたＶａ族金属元素硼化物は
、Ｒ’　ａｔ　Ｖ　ａおよびＷａ族金属元素の炭化物、
窒化物、硼化物の中で耐酸化性が最もすぐれており、Ｓ
　ｓ　ＣＶ　ａ族金属元素硼化物系複合セラミックスは
上記特長を利用して酸化雰囲気中で利用される場合には
好適でおる。

また、■ａ族金属元素の窒化物は、高融点化合物の中で
は、ＩＶａ族金属元素炭化物に次いで酸化しやすい欠点
があるため、使用環境が５００Ｃを越える場合には、真
空中もしくは非酸化性雰囲気中での使用に制限されるが
、８ｉＣ−■ａ族金属元素窒化物複合セラミックスの場
合は、表面に耐スケール性のよい酸化物の保護皮膜が形
成されやすく、さらに高温での使用も可能である。Ｖａ
族金属元素炭化物は、高融点化合物の中ではＩＶａおよ
びＶａ族金属元素硼化物、■ａ族金属元素炭化物につい
で酸化しやすい欠点があるため、使用環境が５ｏｏｃ以
上の場合には真空中もしくは非酸化性雰囲気中での使用
に制限されるが、５ｉＣ−ｐＪａ族金楓元素炭化物複合
セラミックスの場合には、表面に耐スケール性のよい酸
化物の保護皮膜が形成されやすく、さらに高温での使用
も可能である。

ＳｉＣに複合させたＨｆＢｓｔｉ、高融点化合物である
ＩＶａ、Ｖａおよび■ａ族金属元素の炭化物、窒化物、
硼化物の中で耐ｉ化性がＶａ族金属元素の硼化物に次い
で優れておＪｙ　、Ｓ　ｘ　ＣＨｆ　Ｂｘ　系セラミッ
クスも酸化雰囲気中で利用される場合に適する。

更にＨｆＮ１ｊ：対応するＨｊＣよシ耐酸化性が優れて
お＃）、５ｉＣ−ＨｆＮ系セラミックスも酸化雰囲気中
で利用し得る。

本発明で用いるＳｉＣ系複合セラミックスの製造法は、
例えば粒径１０μｍ以下のＳｉＣ粉末１０〜９０％とＶ
ａ族金属元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）の炭化物、窒化物或い
は硼化物の粉末、或いはＨｆ　Ｎ、ｅ　ＨｆＢｚの粉末
１．０〜９０重量％及び成形□バインダを適量加えて混
合しこの混合物を予備成形したのち非酸化性雰囲気中、
温度１８００〜２２００Ｃ１圧力１００〜４００に！４
／ｃｒＡの条件でホットプレス焼結する。

本発明において、Ｖａ族金属元素の炭化物、□窒化物、
硼化物やＨｆ　ｌｊＪ、　ＨｆＢｇの５０％以下を少な
くとも１８１以上の融点が２０００Ｃ以上の高融点化合
物で置換することによって、上記ＳｉＣ系複合セラミッ
クスの熱伝導度、熱膨張率を用途に応じて制御すること
が可能である。また必要に応じてＳｉＣの焼結助剤とな
るアルミニウム（Ａｔ）、ホウ素（Ｂ）などの化合物を
Ａｔ、Ｂに換算して０．１〜３％添加することも可能で
ある。

Ｖａ族金属元素の炭化物、゛窒化物、硼化物やＨｆ　Ｎ
、　ＨｆＢｇを１０〜９０％に限定した理由は、１０％
以下であると８ｉＣの特性が著しく改善されず複合セラ
ミックスとしての特徴が現われず、９０％以上になると
、ＳｉＣの特性が著しく損われるためである。尚、ＦＪ
ｉＣ系複合セラミックスの特徴を有効に利用するために
は、■ａ族金属元素の炭化物、窒化物、硼化物やＨｆ　
Ｎ　＃　Ｈｆ　Ｂ　＊を３０〜７０％にすることが望ま
しい。また、ｖａ族金属元素の炭化物、窒化物、硼化物
やＨｆ　Ｎ　。

Ｈｆ　Ｂ　ｚの置換材として、融点が２０００Ｃ以上の
化合物に限定した理由は、該ＳｉＣ系複合セラミックス
の高温硬度および高温強度を劣化させない為でるる。ま
た高融点化合物の置換ｉをＶａ族金属元素の炭化物、窒
化物、硼化物やｌ（ｆ　Ｎ　、　ＨｆＢｚの５０％以下
に限定した理由は、５０％以上であると、該８９複合セ
ラミックスの特徴が損われる為であシ、置換量を３０％
以下にするとさらに望ましい。

尚、高融点化合物の例としては’ｌ’　ｉ　Ｃ、Ｚ　ｒ
　ＣｔＨｆＣ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，Ｍｏ２Ｃ，ＷＣ
。

ＴｉＮ、ＺｒＮ、ｋｌｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ。

５１ｓＮ４ｅ　Ｂ４Ｃ，ＴｉＢ２．ＺｒＢｚｍＨｆＢｉ
ｙＶＢｚｅＮｂＢ２　、　ＴａＢｚ　ｇ　ＣｒＢ＊　、
　ＭｏＢ２　ｇ　ＷＢ、　Ａｌｘ　Ｏｓ　＊Ｃｒａｂｓ
、ＺｒＯ２，Ｈｆ０ｉ、希土類酸化物１７　Ｍ　’　Ｓ
　’　ｘ　ｅＷＳ　ｉ２．　ＴａＳ　Ｈ，等が挙げらレ
ル。

本発明の電気的装置に使用するＳｉＣ系複合セラミック
スの焼結は、非酸化性篠囲気下で行うことが望ましい。

ホットプレス焼結時の温度は１８００〜２３００Ｃが有
効である。焼結温度が１ｓｏｏｃ以上であれば相対密度
９０％以上のち密な焼結体が得られる。また焼結温度が
２３００ｔｌｌ’より低ければ結晶粒径が異常成長する
心配は無く、ボイドは発生しに＜＜、強度の低下も防止
できる。ホットプレス時の圧力は前記の焼結温度範囲で
おれば１００〜４００　Ｋｇ／　ｃｒ／ｌで高密度な焼
結体を得ることができる。

〔発明の実施例〕

実施例１ 平均粒径１μｍの黒色ＳｉＣ粉末３０％に平均粒径５μ
ｍのＮｂＢ意粉末７０％を添加混合した。

次いで該混合粉末を１０００Ｋｇ／ｉの圧力で成形後、
黒鉛製のダイスに入れ、真空度１０−８〜ｌＯ″″ｆｉ
Ｔｏｒｒの減圧下でホットプレス焼結した。焼結条件は
圧力３００Ｋｇ／ｃｒｄで、加熱は室温から２０５０Ｃ
まで約２ｈｒで昇温し、２０５０Ｃでｌｈｒ保持後加熱
電源を切って放冷しだ。圧力は温度が１０００Ｃ以下に
なってから解除した。このよう処して得た複合焼結体の
特性を表１の（１〕に示す。

実施例２ 実施例１と同様に表１の（２）〜（３）に示す配合組成
−の焼結体を得た。これらの焼結体の特性を弐ｌの（２
）〜ＱＩＫ示す。

実施例３ 実施例１及び２でＮ　ｂ　Ｂ　ｚの粉末のかわシにＴａ
Ｂａ粉末を使用して表２に示す配合組成の焼結体を実施
例１及び２と同様な方法で作製した。これらの焼結体の
特性を表２に示す。

実施例４ 実施例１と同様な方法で５ｉｃ−ＶＢｚ系の複合焼結体
を得た。焼結体の相対密度は９０％以上であシ、室温で
比抵抗が０．５２・ｍ以下の導電性を示した。この焼結
体をガス点火器用の発熱体として応用したところ、従来
タイプの点火器よシ速く着火することができた。尚、第
１図はこの焼結体をヒータ材とするグロープラグ用ヒー
タの一実施例を示す平面図である。ヒータ材１に切溝２
を設けてＵ字形に加工成形し、その後両先端部Ａ。

Ｂに例えばＮｉ等の耐熱金属を接合して電源リード腺を
接続する電極３，４及び３／、４／を設ける。とのヒー
タではＵ字形の先端部５が僅かに狭幅となっておシこの
ためこの部分において最高温度になる。このヒータ材の
室温時における抵抗率は５Ｘ１０’″４Ωｍであシ、電
極Ａ−Ｂ間の抵抗値（室温時）は約０．１Ωでめった。

第２図ｔま第１図に示すヒータエレメントを直流電源回
路に接続し、印加電圧を変えて通過した時の加熱スピー
ドを測走した結果を示している。自動車のバッテリと同
じ電圧の１２Ｖを印加した場合９００Ｃ１”ｔ”２＞ｆ
約０．７秒、１２ｏｏｃまでが１秒前後で急速加熱し、
従来の金属シース型の加熱スピ−）”（９００Ｕｔで５
〜ｌＯ秒）に比べて速熱性が格段に優れている。また通
電によシヒータの表面を１０００Ｃに加熱した時のヒー
タ抵抗は約０．３２で正の抵抗温度係数を有し、グロー
プラグ用ヒータとして好ましい特性となる。

第３図は本実施例になるヒータエレメントに直流８Ｖを
２秒間印加（２秒後表面温度は約１１００Ｃに達する）
〜３０秒間休止（この間強制風冷）を１サイクルとする
繰返し通電耐久試験における抵抗値（室温時）変化を示
した。１ｏ万サイクル後でも抵抗値の劣化は全く認めら
れず、通電耐久に優れかつ約１１０Ｏｒの断続的加熱に
対しても耐久性のあることが分かる。

また第４図は本実施例のヒータエレメントを電気炉内で
大気中９００〜１２００ｃの熱処理を加える高温耐久試
験における抵抗値（室温時）の変化を示した。２０００
時間熱処理（実車での使用条件に比べて相当に厳しい）
後の抵抗値変化は、１２００Ｃ以下で熱処理したものが
＋５％以内、１２００Ｃ熱処理品が＋１０％程度であシ
、高温耐久性に優れることが判る。

このように本発明に用いる導電性セラミック焼結体は、
低抵抗率のため前記した如く急速加熱性に優れ、かつ抵
抗温度係数が正なので赤熱状態でも電流暴走による溶断
がなく、さらに高い融点と耐酸化性を有するな？の特徴
があるため、急速な昇温スピード並びに高温耐久性が要
求される直熱タイプのグロープラグ用ヒータ羽に好適と
なる。

更に本発明によるヒータ材は緻密質、低比重かつ扁強度
（室温〜１３００Ｕ）の特性を有するため、ヒータエレ
メントは棒状、板状、Ｕ字形など単純な構造にすること
も可能でおハしたがって本発明のヒータ材を用いたグロ
ープラグは現流金属シース型グロープラグに比べて構造
が簡単で、しかも小形軽量化を図ることができる＠ 尚、゛本発明の適用はグロープラグヒータに限定される
ものではなく、各種の発熱体、ガス点火器あるいは耐熱
性導体、導電スペーサ、抵抗器等各種の電気的装置に使
用できる。

実施例５ 実施例１のＮｂＢ！の代わＪ）ＫＴａＮを用い、更に表
３に示す各種配合組成の焼結体を得た。これらの焼結体
の特性を表３に示す。

実施例６ 実施例５の試料（ｌ）と同様な方法で５ｉＣ−ＶＮ糸の
複合焼結体を得た。焼結体の一対密度は９０％以上でメ
ジ、室温で比抵抗が０．５Ωψ鋸以下の導゛亀性を示し
た。この焼結体をガス点火器用の発熱体として応用した
ところ、従来タイプの点火器よシ速く着火することがで
きた。

実施例７ 実施例５の試料（１）と同様な方法で８ｆＣ−ＮｂＮ糸
の複合焼結体を得た。焼結体の相対密門は９０％以上で
アシ、室温での比抵抗が６６１Ω・ω以下の導電性を示
した。この焼結体をガス点火器用の発熱体として応用し
たところ、従来タイプの点火器よル迷〈着火するこ゛と
ができた。

実施例８ 実施例１のＮｂＢｘの代わシにＴａＣ粉末８０％を用い
、更に表４に示す各種配合組成の焼結体を得た。これら
の焼結体の特性を表４に示す。

実施例９ 実施例８でＴａＣの粉末の代わシにＮｂＣ粉末を使用し
て表５に示す配合組成の焼結体を実施例８と同様な方法
で作製した。これらの焼結体の特性を表５に示す。

実施例１Ｏ 実施例８と同様な方法で５ｉＣ−ＶＣ系の複合焼結体を
得た。焼結体の相対密度は９０％以上であシ、室温で比
抵抗が０．５９・（７）以下の導電性を示した。この焼
結体をガス点火器用の発熱体として応用したところ、従
来タイプの点火器よシ速く着火することができた。

実施例１１ 実施例１のＮｂＢｚの代わシにＨｆＢ！６０％、或いは
）ＩｆＮ６０％を用いて得た５ｊＣ−ＨｆＢ、系、−Ｆ
ＳｊＣ−ＨｆＮ系の複合焼結体の相対密度は夫夫９０％
以上でメジ、室温で比抵抗が０．５２・α以下の導電性
を示した。これらの焼結体をガス点火器用の発熱体とし
て応用したところ、いずれも従来タイプの点火器よル速
く着火することができた。

〔発明の効果〕

本発明の電気的装置に用いるＳｉＣ系セラミックスは硬
度が大きく、耐摩耗性、耐酸化性、耐食性に浚れている
。そして優れた導電体でるる為、グロープラグヒータ、
各種の発熱体、ガス点火器、工業用電極、抵抗器および
抵抗の変化を利用した各種センナ等の種々の電気的装置
に使用されることが期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる電気的装置の一実施例としてヒー
タ材を用いたグロープラグ用ヒータの一実施例を示す平
面図、第２図は本発明の実施例になるグロープラグ用ヒ
ータの昇温スピードを示す特性図、第３図は本発明の実
施例になるグロープラグ用ヒータの繰返し通電耐久試験
における抵抗値変化を示す特性図、第４図は本発明の実
施例になるグローブ２グ用ヒータの高温耐久試験におけ
る抵抗値変化を示す特性図である。 １・・・ヒータ材、２・・・切溝、３．３’及び４，４
′乃１ｍ　　　　　　　ｖｚｔｎ 手続補正書（自発） 特許庁長官若杉和夫　殿 事件の表示 昭和５７年特許願第２１０９３８　　号発明　の　名　
称　　セラミック導電材及びそれを用いた電気的装置 補正をする者 事件との関係　　特許出腐ｉ、へ 名　称（５１０１株式会召　日　立　製　イ乍　新名称
（５０８田立金属株式会社 代　　　理　　　人　　　　　。 居　　脈〒向）東京都千代田区丸の内−丁目５番１号２
図面として別紙の通シ第５図を追加する。 明　　　細　　　書 発明の名称　セラミック導電材及びそれを用いた電気的
装置 特許請求の範囲 １、（ａ）炭化ケイ素と、 （ｂ）窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒
化ハフニウム、硼化ハフニウム、硼化ニオブ、硼化タン
タル、硼化ハフニウム、炭化バナジウム、炭化ニオブ、
炭化タンタルから選ばれる無機化合物とを主体量とする
導電性セラミック焼結体からなることを特徴とするセラ
ミック導電材。 ２、特許請求の範囲第１項記載において、前記（ａ）成
分が約１０〜９０重量％でアリ、前記幅）成分が約９０
〜１０重量％であることを特徴とするセラミック導電材
。 ３　、　（ａ）炭化ケイ素と、 （ｂ）窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒
化ハフニウム、硼化バナジウム、硼化ニオブ、硼化タン
タル、硼化ハフニウム、炭化バナジウム、炭化ニオブ、
炭化タンタルから選ばれる無機化合物とを主体量とする
導電性セラミック焼結体を部品とすることを特徴とする
セラミック導電体を用いた電気的装置。 ４、特許請求の範囲第３項記載において、前記（ω成分
が約１０〜９０重量％でアシ、前記（ｂ）成分が約９０
〜１０重量％であることを特徴とするセラミック纒鴬体
を用いた電気的装置。 ５、特許請求の範囲第３項記載において、５０重量％以
下の前記（ｂ）成分は融点が２０００１：’以上の高融
点化合物で置換ｊることを特徴とするセラミック導電体
を用いた電気的装置。 ６、特許請求の範囲第３項乃至第５項のいずれが記載に
おいて、前記焼結体の相対密度が９０％以上であること
を特徴とするセラミック導電体を用いた電気的装置。 ７、特許請求の範囲第３項乃至第６項の諭ずれが記載に
おいて、前記焼結体は温度１８００〜２２００Ｃ１圧力
１００〜４００〜／　ｃｄの非酸化性雰囲気下でホット
プレスされたものであることを特徴とするセラミック導
電体を用いた電気的装置。 ８、特許請求の範囲第３項乃至第７項のいずれか記載に
おいて、前記焼結体にニジヒータ材を形成することを特
徴とするセラミック導電体を用いた電気的装置。 発明の詳細な説明 〔発明の利用分野〕 本発明はセラミック導電材及びそれを用いた電気的装置
に関する。 〔発明の背景〕 炭化ケイ素は硬度、強度および耐酸化性、耐食性にすぐ
れている。また、炭化ケイ素は熱膨張率が低く、熱伝導
性にすぐれるため、高温での耐熱衝撃性の大きいことも
公知である、上記のすぐれた特性を持つ炭化ケイ素は工
業用材料として有望であり、自動車エンジン部材、ター
ビン部材、熱交換器用部材、金属溶解用るつは、高温用
治具等広範囲な分野で使用されることが期待できる。さ
らに炭化ケイ素の用途拡大を図るため、炭化ケイ素にセ
ラミックスあるいは金属間化合物を複合化させることに
よって、炭化ケ“イ素焼結体のある特性を著しく改善し
たシあるいは新しい機能を付与させる研究も盛んに行わ
れている。これらの研究の例は特開昭５７−６７２９６
号、同５７−７１６７７号、および同５７−７１６７７
号各公報に記載されている。 従来、たとえば周知のグロープラグとしては金属シース
型（間接加熱形）と裸コイル型（直接加熱形）の２種類
がある。シース型は金属チューブの中に、発熱コイル及
びその周囲に酸化マグネシウムなどの耐熱熱伝導性のセ
ラミックス粉末を充填して構成されている。一方、裸コ
イル型は、エンジン内に発熱コイルヲ露出させて構成さ
れたものである。 前者は堅固で燃焼ガスに対する耐久性が犬であるが、発
熱コイルの熱伝達が悪くシース表面温度が始動可能な温
度に達するまでに５秒以上を要し急速加熱性に欠ける欠
点がある。ま房加熱スピードを早めようとすると発熱コ
イル温度が高くなり、やがて発熱金属の融点に近くなり
耐久性が著しく低下する。このため、シース表面温度は
９５０ｃが限界となる制約を受けることになる。また、
後者は、急速加熱は可能であるが、燃焼ガスによる発熱
金属の劣化が大であり、カーボン付着によってショート
を生じやすい。また、高温腐食の点から発熱コイルの表
面温度は９００Ｃが限界である等の欠点がある。したが
って現在では急速加熱性に欠ける問題があってもシース
凰が主流となっている。 しかしながら、近年ディーゼル車もガソリン車並の急速
始動性が強く要求されるようになり、このため直熱タイ
プ（表面加熱形）のグロープラグが見直され、昇温スピ
ードが早く、シかも高温耐久性に優れたグロープラグ用
ヒータエレメントの出現が強く望まれている。 〔発明の目的〕 本発明の目的は金属に近い導電性を示す導電性セラミッ
クを用いた電気的装置を提供するにある。 〔発明の概要〕 本発明の電気的装置に用いるセラミック焼結体は優れた
導電性を示し、（ａ）炭化ケイ素（ＳｉＣ）と、（ｂ）
窒化バナジウム（ｖＮ）、窒化＝、１プ（ＮｂＮ）、窒
化タンタル（ＴａＮ）、窒化ノ・フニウム（ＨｆＮ）、
硼化バナジウム（ＶＢり、硼化ニオブ（ＮｂＢ＊）、硼
化タンタル（’ｌ’ａＢｓ）、硼化ノ・７ニウム（Ｈｆ
Ｂｉ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ
）、炭化タンタル（ＴａＣ）から選ばれる無機化合物と
を主体量とするものである。尚、従来のいわゆるＳｉＣ
系セラミック焼結体には導電性は無く、電気的に抵抗体
となるものであり１本発明の電気的装置には採用し得な
い。 本発明の電気的装置はＳＩＣの特性を改善して得られた
ものでアシ、その特性改善の例は次の通りである。（す
８ｉＣの硬度を大きくする為に、　　・ＳｉＣの母相中
に硬質物粒子を均質に分散させる方法が考えられる。硬
質物としてｖａ族金属元素の炭化物、窒化物或いは硼化
物や）・フニクム（Ｈｆ）の窒化物或いは硼化物がＳｉ
Ｃの硬度を大きくすることを見出した。（２）ＳｉＣを
耐熱材料として利用する場合、断熱性が要求されるよう
な箇所へ応用するときは熱伝導率の低い方が好ましく、
反対に、熱交換が目的である用途へ応用するときけ熱伝
導率の大きい方が好ましい。ＳＩＣの熱伝導率を制御す
る方法として、８ｉＣにＶａ族金属元素の炭化物、窒化
物或いは硼化物やＨｆの窒化物或いは硼化物を分散させ
ることが有効であることを見出した。ｔａ）ｓｔｃ構造
用部材として使用する場合、ＳＩＣと他のセラミックス
およびＳｉＣと金属の接合が、エレクトロニクス材とし
て利用する場合は、ＳｔＣとガラスの接合が容易な程利
用度が高くなる。ＳｉＣと種々の材料との間の接合は高
温で行われるため、それぞれの熱膨張率の差が大きい程
、冷却後の残留応力が大きく、割れが発生しやすい。Ｓ
ｉＣにｖａ族金属元素の炭化物、窒化物或いは硼化物や
Ｈｆの・窒化物或いは硼化物を分散させた焼結体はＳｉ
Ｃの熱膨張率を大きくすることを見出した。（４）高融
点金属の中でｖａ族金属元素の窒化物は溶融金属と反応
し難いため金属溶解用るつぼに適していることを見出し
た。 また、ＳｉＣに新しい機能を付与した例として、■ａ族
金属元素の炭化物、窒化物或いは硼化物や、Ｈｆの窒化
物或いは硼化物を分散させることによってＳＩＣが導電
性になることを見出した。 尚、ＳｉＣに複合させたｖａ族金属元素硼化物は、Ｎ”
ｅＶａおよび■ａ族金属元素の炭化物、窒化物、硼化物
の中で耐酸化性が最もすぐれておｐ、５ｉＣ−■ａ族金
属元素硼化物系複合セラミックスは上記特長を利用して
酸化雰囲気中で利用される場合には好適である。 また、■ａ族金属元素の窒化物は、高融点化合物の中で
は、■ａ族金属元素炭化物に次いで酸化しやすい欠点が
あるため、使用環境が５００Ｃを越える場合には、真空
中もしくは非酸化性雰囲気中での使用に制限されるが、
５ｉＣ−■ａ族金属元素窒化物複合セラミックスの場合
は、表面に耐スケール性のよい酸化物の保護皮膜が形成
されやすく、さらに高温での使用も可能である。Ｖａ族
金属元素炭化物は、高融点化合物の中では■ａおよびｖ
ａ族金属元素硼化物、■ａ族金属元素炭化物について酸
化しやすい欠点があるため、使用環境が８００Ｃ以上の
場合には真空中もしくは非酸化性雰囲気中での使用に制
限されるが、ＳｉＣ−■ａ族金属元素炭化物複合セラミ
ックスの場合には、表面に耐スケール性のよい酸化物の
保護皮膜が形成されやすく、さらに高温での使用も可能
である。 ＳｉＣに複合させたＨ　ｆ　Ｂ　ｘは、高融点化合物で
ある■ａ、　■ａおよび■ａ族金属元素の炭化物、窒化
物、硼化物の中で耐酸化性がｖａ族金属元素の硼化物に
次いで優れておｐ、ＳｉＣＨｆＢｍ第８ｍミックスも酸
化雰囲気中で利用される場合に適する。 更にＨｆＮは対応するＨｆＣよシ耐酸化性が優れており
、ＳＩＣ−ＨｆＮ系セラミックスも酸化雰囲気中で利用
し得る。 本発明で用いるＳｉＣ系複合セラミックスの製造法は、
例えば粒径１０μｍ以下のＳｉＣ粉末１０〜９０％とｖ
ａ族金属元素（Ｖ、Ｎｂ、’ｌ’ａ）の炭化物、窒化物
或いは硼化物の粉末、或いはＨｆＮ、ＨｆＢｓの粉末１
０〜９０ｆｉ量％及び成形バインダを適量加えて混合し
この混合物を予備成形したのち非酸化性雰囲気中、温度
１８００〜２２００Ｃ，圧力１００〜４００Ｋｇ／ｃ４
の条件でホットプレス焼結する。 本発明において、ｖａ族金属元素の炭化物、窒化物、□
硼化物やＨｆＮ、ＨｆＢｓの５０％以下を少なくとも１
種以上の融点が２０００Ｃ以上の高融点化合物で置換す
ることによって、上記ＳｉＣ系複合セラミックスの熱伝
導度、熱膨張率を用途に応じて制御することが可能であ
る。また必要に応じてＳＩＣの焼結助剤となるアルミニ
ウム（Ａｔ）、ホウ素（Ｂ）などの化合物をＡｔ、Ｈに
換算して０．１〜３％添加することも可能である。 ■ａ族金属元素の炭化物、窒化物、硼化物やＨｆＮ、Ｈ
ｆＢｍを１０〜９０％に限定した理由は、１０％以下で
あるとＳｉＣの特性が著しく改善されず複合セラミック
スとしての特徴が現われず、９０％以上になると、ｓｉ
ｃの特性が著しく損われるためである。尚、ＳｉＣ系複
合セラミックスの特徴を有効に利用するためには、■ａ
族金属元素の炭化物、窒化物、硼化物やＨｆ　Ｎ、　Ｈ
ｆＢｍを３０〜７０％にすることが望ましい。また、■
ａ族金属元素の炭化物、窒化物、硼化物やＨｆＮ。 Ｈｆ　Ｂ、の置換材として、融点が２０００１：’以上
の化合物に限定した理由は、該ＳｉＣ系複合セラミック
スの高温硬度および高温強度を劣化させない為である。 また高融点化合物の置換量をｖａ族金属元素の炭化物、
窒化物、硼化物やＨｆＮ、ＨｆＢｔの５０％以下に限定
した理由は、５０％以上であると、該ＳｉＣ系複合セラ
ミックスの特徴が損われる為でアリ、置換量を３０％以
下にするとさらに望ましい。 尚、高融点化合物の例としてはＴｉｃ、ｚｒｃ。 ＨｆＣｌ　ｖｃ、　Ｎｂｃ、’ｒａｃ、Ｍｏ５ｓ、ｗｃ
。 Ｔ　ｔＮ、ｚｒＮ、　ＨｒＮ、ＶＮ、　ＮｂＮ、ＴａＮ
。 ５ｉｓＮａ　Ｉ　Ｂ４Ｃ，ＴｆＢ意、　ＺｒＢｓ　ｅ　
Ｈｆ１ｈ　＊　ＶＢｓ　ｅＮｂＢｚ　　＊　　　ＴａＢ
ｓ　　ｔ　　　Ｃ’Ｂｔ　　ｓ　　ＭｏＢｓ　　ｅ　　
ＷＢｅ　　ＡＺｔＯｓ　ｗＣｒｔＯｓ　、　Ｚｒ（ｈ　
、　ＨｆＣｌ　＊希土類酸化物、Ｍｏ８’ｚ＊ＷＳｉ、
、Ｔａ８１鵞　等が挙げられる。 本発明の電気的装置に使用するＳｉＣ系複合セラミック
スの焼結は、非酸化性雰囲気下で行うことが望ましい。 ホットプレス焼結時の温度は１８００〜２３００Ｃが有
効である。焼結温度が１ｓｏｏｔ：’以上であれば相対
密度９０％以上の緻密な焼結体が得られる。また焼結温
度が２３００Ｃよシ低ければ結晶粒径が異常成長する心
配は無く、ボイドは発生しに＜＜、強度の低下も防止で
きる。 ホットプレス時の圧力は前記の焼結温度範囲であれば１
００〜４００Ｋｇ／ａｌｌで高密度な焼結体を得ること
ができる。 〔発明の実施例〕 実施例１ 平均粒径１μｍの黒色ＳｉＣ粉末３０％に平均粒径５μ
ｍのＮｂＢｍ粉末７０％を添加混合した。 次いで該混合粉末を１０００Ｋｇ／−の圧力で成形後、
黒鉛製のダイスに入れ、真空度１０−３〜１Ｏ−ＩＩＴ
Ｏｒｒの減圧下でホットプレス焼結した。焼結条件は圧
力３００助／ｃｄで、加熱は室温から２０５０ｔ：’ま
で約２ｈｒで昇温し、２０５０Ｃでｌｈｒ保持後加熱電
源を切って放冷した。圧力は温度が１０００以下になっ
てから解除した。このようにして得た複合焼結体の特性
を表１の（１）に示す。 実施例２ 実施例１と同様に表１の（２）〜（３）に示す配合組成
の焼結体を得た。これらの焼結体の特性を表１の（２）
〜ａ騰に示す。 実施例３ 実施例１及び２でＮｂＢ冨の粉末のかわシにＴａＢｓ粉
末を使用して表２に示す配合組成の焼結体を実施例１及
び２と同様な方法で作製した。 これらの焼結体の特性を表２に示す。 実施例４ 実施例１と同様な方法で８１ＣＶＢｔ系の複合焼結体を
得た。これらの焼結体の特性を表３に示す。この焼結体
をガス点火器用の発熱体として応用したところ、従来タ
イプの点火器よシ速く着火することができた。尚、第１
図はこの焼結体をヒータ材とするグロープラグ用ヒータ
の一実施例を示す平面図である。ヒータ材１に切溝２を
設けてＵ字形に加工成形し、その後両先端部Ａ、Ｈに例
えばＮｉ等の耐熱金属を接合して電源リード線を接続す
る電極３，４及び３Ｚ４／を設ける。 このヒータでは１７字形の先端部５が僅かに狭幅となっ
ておシこのためこの部分において最高温度になる。この
ヒータ材の室温時における抵抗率は５Ｘ　１０”Ωαで
わシ、電極Ａ−Ｂ間の抵抗値（室温時）は約０．１９で
あった。 第２図は第１図に示すヒータエレメントを直流電源回路
に接続し、印加電圧を変えて通過した時の加熱スピード
を測定した結果を示している。自動車のバッテリと同じ
電圧の１２Ｖを印加した場合９００Ｃまでが約０．７秒
、１２００Ｃまでが１秒前後で急速加熱し、従来の金属
シース臘の加熱スピード（９００Ｃまで５〜１０秒）に
比べて速熱性が格段に優れている。また通電によシヒー
タの表面を１０００Ｃに加熱した時のヒータ抵抗は約０
．３９で正の抵抗温度係数を有し、グロープラグ用ヒー
タ□として好ましい特性となる。 第３図は本実施例になるヒータエレメントに直流８ｖを
２秒間印加（２秒後表面温度は約１１００Ｃに達する。 ）〜３０秒間休止（この間強制風冷）を１ザイクルとす
る繰返し通電耐久試験における抵抗値（室温時）変化を
示した。１０万サイクル後でも抵抗値の劣化は全く認め
られず、通電耐久に優れかつ約１１００ｔ：’の断続的
加熱に対しても耐久性のあることが分かる。 また第４図は本実施例のヒータエレメントを電気炉内で
大気中９００〜１２００Ｃの熱処理を加える高温耐久試
験における抵抗値（室温時）の変化を示した。２０００
時間熱処理（実車での使用条件に比べて相当に厳しい）
後の抵抗値変化は、１２Ｇ（Ｉｃ以下で熱処理したもの
が＋５％以内、１２００ｔ：’熱処理品が＋１０％程度
でオシ、高温耐久性に優れることが判る。 このように本発明に用いる導電性セラミック焼結体は、
低抵抗率のため前記した如く急速加熱性に優れ、かつ抵
抗温度係数が正なので赤熱状態でも電流暴走による溶断
がカ＜、さらに高い融点と耐酸化性を有するなどの特徴
があるため、急速な昇温スピード並びに高温耐久性が要
求される直熱タイプのグロープラグ用ヒータ材に好適と
なる。 更に本発明によるヒータ材は緻密質、低比重かつ高強度
（室温〜１３０Ｇ１：’）の特性を有するため、ヒータ
エレメントは棒状、板状、Ｕ字形など単純な構造にする
ことも可能であシ、したがって本発明のヒータ材を用い
たグロープラグは現流金属シース型グロープラグに比べ
て構造が簡単で、しかも小形軽量化を図ることができる
。 尚、本発明の適用はグロープラグヒータに限定されるも
のではなく、各種の発熱体、ガス点火器あるいは耐熱性
電体、導電スペーサ、抵抗器等各種の電気的装置に使用
できる。 実施例５ 実施例１のＮｂＢ＊の代わシにＴａＮを用い、更に表４
に示す各種配合組成の焼結体を得た。これらの焼結体の
特性を表４に示す。 実施例６ 実施例５の試料（１）と同様な方法で５ｉｃ−ＶＮ系の
複合焼結体を得た。これらの焼結体の特性を表５に示す
。この焼結体音ガス点火器用の奪熱体として応用したと
ころ、従来タイプの点火器より速く着火することができ
た。 実施例７ 実施例５の試料（１）と同様な方法で５ｉＣ−ＮｂＮ系
の複合焼結体を得た。これらの焼結体の特性を表６に示
す。この焼結体をガス点火器用の発熱体として応用した
ところ、従来タイプの点火器よシ速く着火することがで
きた。 実施例８ 実施例１のＮｂＢｔの代わりにＴａＣ粉末８０％を用い
、更に表７に示す各種配合組成の焼結体を得た。これら
の焼結体の特性を表７に示す。 実施例９ 実施例８でＴａＣの粉末の代わりにＮｂＣ粉末を使用し
て表８に示す配合組成の焼結体を実施例８と同様な方法
で作製した。これらの焼結体の特性を表８に示す。 実施例１０ 実施例８と同様な方法で５ｔｃ−ｖｃ系の複合焼結体を
得た。これらの焼結体の特性を表９に示す。この焼結体
をガス点火器用の発熱体として応用したところ、従来タ
イプの点火器より速く着火することができた。 実施例１１ 実施例１のＮｂＢｍの代わりにＨｆＢｓ或いはＨｆＮを
用いてａｉＣＨｆＢｍ系、８　ｉ　Ｃ−ＨｆＮ系の複合
焼結体を得た。表１０及び表１１は得られた焼結体の特
性である。これらの焼結体をガス点火器用の発熱体とし
て応用したところ、いずれも従来タイプの点火器よシ速
く着火することができた。 実施例１２ 第５図に本発明になる電気的装置の一実施例として面状
ヒータを示す。本実施例はほぼ円形の絶縁性セラミック
スからなる面状板６上に本発明の導電性セラミックスか
らなるヒータ材７を蛇行して接着形成し、ヒータ材７０
両端一部にメタライズ８．８′を介してリード線９，９
１を接続したものである。 〔発明の効果〕 本発明の電気的装置に用いるＳｉＣ系セラミックスは硬
度が大きく、耐摩耗性１．耐酸化性、耐食性に優れてい
る。そして優れた導電体である為、グロープラグヒータ
、各種の発熱体、ガス点火器、工業用電極、抵抗器およ
び抵抗の変化を利用した各種センサ等の種々の電気的装
置に使用されることが期待できる。 図面の簡単な説明 第１図は本発明になる電気的装置の一実施例としてヒー
タ材を用いたグロープラグ用ヒータの一実施例を示す平
面図、第２図は本発明の実施例になるグローブ２グ用ヒ
ータの昇温スピードを示す特性図、第３図は本発明の実
施例になるグロープラグ用ヒータの繰返し通電耐久試験
における抵抗値変化を示す特性図、第４図は本発明の実
施例になるグローブジグ用ヒータの高温耐久試験におけ
る抵抗値変化を示す特性図、第５図は本発明になる材料
を用いた面状ヒータの実施例を示す平面図である。 １．７・・・ヒータ材、２・・・切溝、３．３’　、４
゜４１　、Ｂ、Ｂｌ・・・電極メタライズ、５・・・発
火部、＄、５″　月

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａン炭化ケイ素と、 （ｂ）窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒
   化ハフニウム、硼化バナジウム、硼化ニオブ、硼化タン
   タル、硼化ノ１７ニウム、炭化バナジウム、炭化ニオブ
   、炭化タンタルから選はれる無機化合物とを主体量とす
   る導電性セラミック焼結体からなることを特徴とするセ
   ラミック導電材。 ２、特許請求の範囲第１項記載において、前記（ａ）成
   分が約１０〜９０重量％であり、前記（ｂ）成分が約９
   ０〜１０重量％であることを特徴とすＳセラミック導電
   材。 ３、　　（ａ）炭化ケイ素と、 （ｂ）窒化バナジウム、窒化二搾プ、窒化タンタル、窒
   化・・フニウム、硼化バナジウム、硼化ニオブ、硼化タ
   ンタル、硼化ノ・フニウム、炭化バナジウム、炭化ニオ
   ブ、炭化タンタルから選ばれる無機化合物とを主体量と
   する導電性セラミック焼結体を部品とすることを特徴と
   するセラミック導電体を用いた電気的装置。 ４、特許請求の範囲第３項記載において、前記（ａ）成
   分が約１０〜９０重量％Ｆあシ、前記（ｂ）成分が約９
   ０〜１０重蓋％であることを特徴とするセラミック導電
   体を用いた電気的装置。 ５、特許請求の範囲第３項記載において、５０重量％以
   下の前記（ｂ）成分は融点が２０００ｔ：’以上の高融
   点化合物で置換することｔ−特徴とするセラミック導電
   体を用いた電気的装置。 ６、特許請求の範囲第３項乃至第５項のいずれか記載に
   おいて、前記焼結体の相対密度が９０％以上であること
   を特徴とするセラミック導電体を用いた電気的装置。 ７、特許請求の範囲第３項乃至第１項のいずれか記載に
   おいて、前記焼結体は温度１８００〜２２００Ｃ１圧力
   １００〜４００　Ｋｆ／−の非酸化性雰囲気下でホット
   プレスされたものであることを特徴とするセラミック導
   電体を用いた電気的装置。 ８、特許請求の範囲第３ｆＡ乃至第５項のいずれか記載
   において、前記焼結体によシヒータ材を形成することを
   特徴とするセラミック導電体を用いた電気的装置。