JPS63201063A - セラミツクヒ−タ及びその製造方法 - 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」 本発明は、調理器、印刷用ロール、投込みヒータ等に使
用するセラミックヒータとその製造方法に関する。

「従来の技術」 セラミックヒータは、調理器、印刷用ロール、投込みヒ
ータ等に使用されるので、それぞれの使用目的に応じた
特性が要求される。

従来、ホットプレート等の加熱ヒータとして各種のセラ
ミックを使用したものがあり、それらの主材料としてＳ
ｉＣ、ＺｒＯ２、ＬａＣｒ０）などが使用されている。

そして高温時での耐酸化性があるものとして、珪素化合
物を使用したセラミック発熱体が特開昭５１３−９８８
７号公報に示されている。また、劣化しにくい軽量のセ
ラミックヒータとして、Ａｌ２Ｏ３とＳｉ０２を材料と
して使用したものが特開昭５８−１４２７７８号公報に
示されている。

「発明が解決しようとする問題点」 従来のセラミックヒータの中には、高温時での耐酸化性
を有するもの、あるいは劣化しに〈〈軽量にしたものが
ある。

しかしセラミックヒータの組成あるいはそれを製造する
場合の諸条件により、セラミックヒータの各個所での電
気抵抗率にバラツキが生じ易く、このバラツキを十分に
なくしたものがない、またセラミックヒータで急速加熱
できるようにすることが望まれているが、急速加熱でき
るようにすると耐久性に問題が生じたり、あるいはヒー
タの形状を複雑に成形できないという強度上の問題があ
った・ そこで本発明は、急速加熱できるようにするとともに、
セラミックヒータ全体の比抵抗にバラツキが生じないよ
うにし、さらに高温での長時間使用でも加熱特性に変化
が生じないようにして耐久性を持たせ、加工強度性もよ
くすることを目的とする。

ｒ問題点を解決するための手段」 本発明の主要な目的である急速加熱性を達成するには、
ヒーターの抵抗値を小さくして瞬間的に大電流を通電さ
せれば良く、高温耐久性を得るにはヒーター材の組成物
に高融点でしかも耐酸化性に優れたものを使用すれば良
い、また、ヒーターはその発熱時における電流の暴走に
よる溶断を防ぐため、かつ、その温度抵抗係数を利用し
てヒーター表面温度を一定に電流制御するため、ヒータ
は正の抵抗温度係数を有することが望ましい。このよう
な特性を持つヒーター材を種々検討した結果、本発明者
は焼結助剤を含有するサイアロン焼結体中に、導電性を
有するＴｉＮ粉末を分散させた実質的にはサイアロン−
ＴｉＮからなる複合焼結体が、室温時の電気抵抗率１Ω
・Ｃ１１以下で、正の抵抗温度係数を有し、ヒーターの
動作温度領域で温度耐久性のあることを見出した。

すなわち第１の発明は、　Ｓｉ３　Ｎ４に対して５〜１
０ｗｔ％（７）　Ｙ　２０３　、２〜１２ｗｔ％のＡｌ
Ｎポリタイプサイアロン１〜５ｗｔ％のＡｌ２Ｏ，を加
え、これらＳｉ３　Ｎ４　、　Ｙ２０３　、　ＡｌＮポ
リタイプサイアロン、Ａ１２０ｘの合計に対し、２０ｖ
ｏｌ％を越え７０ｖｏｌ％未満のＴｉＮを添加し、混合
、成形、常圧焼結を行い、サイアロンとＴｉＮの複合焼
結体よりなるセラミックヒータを得ることにある。

ここで、５〜１０ｗｔ％のＹ２Ｏ３を添加するのは常圧
焼結を可能にするためであり、Ｙ２Ｏ３が５ｗｔ％未満
では、焼結体が緻密化せず、Ｙ２Ｏ３が１０ｗｔ％を越
えると高温強度の低下が著しいからである。ＡｌＮポリ
タイプサイアロン贋を２〜１２ｗｔ％に限定するのは、
２ｗｔ％未満では、高温強度が著しく低下し、また１２
ｗｔを越えると、焼結性が低下し、強度が低下するから
である。また、Ａｌ２Ｏ３縫を１〜５ｗｔ％に限定する
のは、１ｗｔ％未満では焼結性が低下し密度の上昇が困
難となり、５ｗｔ％を越えると高温強度の低下が著しい
からである。

ここで、導電性材料としてＴｉＮを用いるのは他のｆＶ
ａ族の炭化物、窒化物等を添加することによっても導電
性を得ることは可能だが、ＴｉＮが最も良好な強度特性
、＃酸化性を示すからである。このＴｉＮ添加量は２０
ｖｏｌ％を越え７０マＯ１％未満とするのは、２０マｏ
ｆ％以下では、電気抵抗率が１Ω・ｃｍ以下にならず導
電性が不十分であり、７０７０１％以上では、高温強度
の低下が著しく、高温での信頼性に劣るためである。な
おＴｉＮ添加量が５０マ０１％を越えると、サイアロン
本来の性質である耐酸化性、高温強度が損なわれること
があるのでその添加量は５０ｖｏｌ％以下がより望まし
い。

第２の発明はセラミックヒータの製造方法であり、第１
発明の重量％で混合される各材料の粒径を選定して窒素
ガス中所定温度で常圧焼結することにより、所定のヒー
タ特性が得られるようにしたものである。

すなわちサイアロン焼結体を製造するに当り、Ｙ２Ｏ３
粉末とＡＬＮポリタイプサイアロン粉末の平均粒径を５
鉢−以下とし、Ａｌ２Ｏ３粉末、　Ｓｉ３Ｎ４粉末の平
均粒径を　１４ｍ以下とする。このように粒径を選ぶの
は高密度焼結体を得るためである。またＴｉＮ粉末の平
均粒径を１４ｍ以上とするが、そのように選ぶのは１μ
ｍ以上では、導電性材料であるＴｉＮ粉末同志の接触の
確立が低いため焼結体とした場合に、局所的に電気抵抗
率のばらつきが発生し、ヒータとして発熱させた時に局
所的温度偏在が発生し、品質保証上問題となるからであ
る。

更に、常圧焼結法を用いるのは、複雑形状のヒータをホ
ットプレスで焼結することは、極めて困難であり、工業
的には常圧焼結によってのみその製造が可能だからであ
る。ここで焼結温度は、１６００〜１９００℃とするが
、それは１６００℃未満では、焼結時の緻密化が不十分
であり、１９００℃を越えるとＳｉ３Ｎ４が分解を起す
からである。また、窒素ガス圧ヲ０．５〜２ｋｇ／　Ｃ
１１”　、！：するが、ツレは０．５　ｋｇ／ｃ＋ｓ”
未満ではＳｉｘＮ＋が分解を起こし、　２ｋｇ／Ｃ１”
を越えて窒素ガス圧をかける場合には耐圧構造の炉とす
ることが必要で、装置上の制約が大きいからである。

以上により、本発明によって得られたサイアロンとＴｉ
Ｎの複合焼結体は、電気抵抗率が　１Ω・ｃｍ以下で、
正の抵抗温度係数を示し、かつ高温での耐久性を示す。

「実施例１」 Ｓｉ３Ｎ４粉末（粒径０．７μｍ、α化率９３％）８７
ｗｔ％、Ｙ２Ｏ３粉末（粒径ＩＩＬｍ）　　５ｗｔ％、
ＡｌＮポリタイプサイアロン粉末（結晶型２１Ｒ１粒径
２ａｍ＞　　３ｗｔ％、Ａ］２０ｆｆ粉末（粒径０．５
　ｐｍ）　　５ｗｔ％の組成に調整した粉末に対し、Ｔ
ｉＮ粉末（粒径０．８　μｍ）を３４ｖｏｌ％添加した
後、有機溶剤で２日以上混 合し、乾燥後、冷間静水圧プレスにより１．５ｔ／ｃｍ
２の圧力をもって成形する。その後、成形体を１６００
℃３時間窒素ガス　１気圧雰囲気中で焼結を行なった。

このようにして得た（サイアロン−ＴｉＮ）の複合焼結
体は、相対密度８８％、室温および１０００℃の曲げ強
さ約７０ｋｇ／ｍｓ”　　（Ｊ　Ｉ　Ｓ　３点曲げ）熱
膨張係数４．５　Ｘ　１０（／ｌ、室温時の電気抵抗率
０．８７ＸＩＯ−３Ωｅ　Ｃｍ、抵抗温度係数（室温〜
１０００℃）＋０．３％／℃の特性を示している。

第１図は上記実施例の焼結体の光学ｍ微鏡組織写真であ
り、白く見えるＴｉＮ相の平均粒径は画像解析の結果１
．２μｍであった。また第１図で、粒界相はＴｉＮ相近
く灰色に見える部分であり、サイアロン相はより暗く黒
く見える部分である。

上記焼結体の電気抵抗率を次のように測定した、焼結体
は３０Ｘ　７０Ｘ　５ｔｓの板状試験片に形成し、その
３０Ｘ？Ｏの部分を　４端子法で１０ｍｍ間隔、２１個
所測定し、電気抵抗率のばらつきの状態を第１表に示す
。また併せて平均粒径２４ｍ、５＃ＬｍのＴｉＮ粉末を
用いた場合の比較例も第１表に示した。

第１表から明らかなように、平均粒径２ｐｍ、５４ｍの
ＴｉＮ粉末を用いた焼結体では、電気抵抗率のばらつき
が大きく、品質保証上問題となるが、　０．８　μｍの
ＴｉＮ粉末を用いた焼結体では、ばらつきが小さく、特
性の安定した高品質のものが製造できる。

また前記実施例において、ＴｉＮ粉末は粒径０．８μｍ
、長径／短径＝１．８のものを使用した場合（本実施例
）と、粒径３．ｇ　ｍ、長径／短径＝３．５のものを使
用した場合（比較例）との電気抵抗率を前記実施例と同
様にして測定し、その結果を第２表に示した。

第２表から明らかなように、比較例では電気抵抗率のば
らつきが大きく、品質保証上問題となるのに対し、本実
施例のＴｉＮ粉末を用いた焼結体では電気抵抗率のばら
つきが小さく、特性が安定していることがわかる。

「実施例２」 実施例１と同様の方法により得られる（サイアミン−Ｔ
ｉＮ）複合焼結体を２０Ｘ　１００Ｘ　１　（ａｍ）　
（１）板状試験片（第２図）に形成して、ヒータｌを形
成した。ヒータｌの両端部には、無電界Ｎｉメッキを施
しリード線を接続するための電極２．３を設けた。

第３図は、このヒータｌを直流電源回路に接続し、ＩＩ
Ｖを加えて通電した場合の昇温結果を示したものである
。横軸は通電時間、縦軸はヒータの中央部（第１図Ａ）
と、中央から２０■謬電極側に離れた部所（第１図Ｂ）
とでの表面温度である０本発明によるセラミックヒータ
は８００℃まで約２秒前後で急速加熱が可能であり、従
来のシースヒータでは５〜１０秒要すのに比べて速熱性
が格段に優れている。またヒータ温度は、１０００℃で
飽和しており、この材料が正の抵抗温度係数を有し、好
ましい特性を示している。さらにヒータの、Ａ、　Ｂ点
での温度差はなく望ましいものであることがわかる。

次にヒータＡ、Ｂ点での温度差に関する比較例として、
平均粒径３μｍ、長径／短径＝３．５のＴｉＮ粉末を用
いた焼結体で第２図に示すヒータを作成し、１１ｖ通電
した結果を第４図に示した。このヒータのＡ、Ｂ点での
表面温度は約８０℃もあり、品質保証上問題である。

また別の比較例として、平均粒径５ｐｍ、長径／短径＝
２．０のＴｉＮ粉末を用いた焼結体で第２図に示すヒー
タを作成し、ＩＩＶ通電した結果を第５図に示した。こ
の場合もヒータのＡ、Ｂ点での表面温度は、約８０℃の
差があり品質上問題である。

「実施例３」 実施例２と全く同様な手法により第２図に示すヒータを
作成した。第６図は、このヒータを大気中で連続通電し
た場合の加熱温度を示すものである０通電初期の温度１
０００℃から１０００時間通電後でも温度は全く変化せ
ず、また、２０００時間通電後においても温度低下は約
５０℃であり、十分高温耐久性のあることが解る。

「発明の効果」 本発明による（サイアロン−ＴｉＮ）複合焼結体は、低
抵抗率のため急速加熱性に優れ、かつ抵抗温度係数が正
のため、電源暴走による溶断がなく　　Ｉ、さらに高い
融点と耐酸化性を有する等の特長がある。また電気抵抗
率のばらつきが小さいため、品質・の安定したヒータを
製造できるという特長がある。このため、急速な昇温速
度並びに高温耐久性が要求される直熱タイプのヒータに
好適である、さらに本発明によるヒータは、高密度、高
強度の特性を有するため、ヒータ形状は、前記した板状
に限らず円柱状１円筒状等の形状にすることも可能であ
る。

さらに本発明によるヒータは直熱型であるため、従来の
金属シースヒータ、あるいはセラミック中に金属抵抗線
を埋設したヒータに比べて構造が重重で、しかも小型軽
量化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例で使用したサイアロン−ＴｉＮ
複合焼結体の顕微鏡による金属組織写真。 邪２図は本実施例であるヒータの斜視図、第３〜５図は
ヒータに通電した場合の昇温特性を示すグラフ、第６図
はヒータに連続通電した場合の高温耐久性を示すグラフ
である。 出願人　　　日立金属　株式会社 代理人　　　弁理士　牧　克　次 第２図 通電時間（ｊｅｃ） 通電時間（、ｔｅＣ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｙ＿２Ｏ＿３５〜１０ｗｔ％、ＡｌＮポリタイプ
   サイアロン２〜１２ｗｔ％、Ａｌ＿２Ｏ＿３１〜５ｗｔ
   ％および残部Ｓｉ＿３Ｎ＿４の合計に対し２０ｖｏｌ％
   を越え７０ｖｏｌ％未満のＴｉＮを含有するサイアロン
   とＴｉＮの複合焼結体よりなり、粒界相とＴｉＮ相とサ
   イアロン相とからなる複合組織を有することを特徴とす
   るセラミックヒータ。
2. （２）粒界相が、Ｙ、Ｓｉ、Ｏ、Ｎ、Ａｌを含む非晶質
   相であり、サイアロン相がＳｉ＿６＿−＿ｚＡｌ＿ｚＯ
   ＿ｚＮ＿６＿ｚで示されるβ型サイアロンであってｚが
   ０を越え、１未満の組成物であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載のセラミックヒータ。
3. （３）ＴｉＮ粉末は平均粒径が２μｍ以下であって、そ
   の長径は短径に対する比が３以下であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載のセラミックヒータ。
4. （４）室温時の電気抵抗率が１Ω・ｃｍ以下で、かつ抵
   抗温度係数が正であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載のセラミックヒータ。
5. （５）平均粒径５μｍ以下のＹ＿２Ｏ＿３粉末を５〜１
   ０ｗｔ％と平均粒径５μｍ以下のＡｌＮポリタイプサイ
   アロン粉末を２〜１２ｗｔ％と平均粒径１μｍ以下のＡ
   ｌ＿２Ｏ＿３粉末を１〜５ｗｔ％と残部を平均粒径１μ
   ｍ以下のＳｉ＿３Ｎ＿４粉末とで配合したものに、平均
   粒径１μｍ以下のＴｉＮ粉末を２０ｖｏｌ％を越え７０
   ｖｏｌ％未満混合し、成形した後、温度１６００℃〜１
   ９００℃、ガス圧０．５〜２ｋｇ／ｃｍ＾２の窒素中で
   常圧焼結することを特徴とするセラミックヒータの製造
   方法。