JPS63302291A - 非酸化物系セラミックス焼結用焼成炉およびそれを用いた非酸化物系セラミックス成形体の焼成方法 - 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） 本発明は非酸化物系セラミックス焼結用焼成炉、特に炭
素繊維マットよりなる断熱層を内蔵してなる非酸化物系
セラミックス焼結用焼成炉およびかかる焼成炉を用いた
非酸化物系セラミックス成形体の焼成方法に関する。

（従来の技術） 窒化珪素Ｓｉ３Ｎ、は難焼結性の物質であり、その焼結
を促進するために焼結助剤としてＭｇＯやＡｌ２Ｏ３な
どの金属酸化物（ＭｅＯ）５〜１０％を添加するのが−
解約であり、号、た丈゛ン結前のＳＩ３Ｎ４成形体は通
常４０容量％程度の気孔を有している。このようなＳｉ
３Ｎ４成形体を焼結する際のＳｉ３Ｎ４の強度発現の機
構は焼結助剤として加えた金属酸化物のガラス相中に補
強剤としてのＳｉ３Ｎ、針状結晶が分散してなる一種の
繊維補強セラミックス、すなわちＦ　ＲＣ（Ｆｉｂｅｒ
　Ｒｅ１ｎｆｏｒｃｅｄ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ）が形成さ
れることによって優れた強度特性が発現するとされてい
る。

一方、かかる５１３Ｎ４成形体は一般に高温不活性雰囲
気中、特に窒素ガス雰囲気下１７００℃〜１９００℃の
温度で焼成される。このような高温度を不活性雰囲気下
で安定的に維持するための典型的焼成炉は、成形体を収
容する空間と該空間の周囲に配設されたグラファイトヒ
ーターと内壁面を被覆する炭素繊維マットよりなる断熱
層とを内蔵し、さらに真空排気口と不活性ガス供給口と
を具えてなる。

上記炭素繊維マットは断熱性を良好にするために極めて
気孔率が大きく、通常は７０％〜９５容量％が気孔であ
り、平均約０．２　ｇ／ｃｃ前後の嵩密度を有する。ま
た、特に焼成炉の寸法が比較的小さいときなどには、炭
素繊維マットの内側にさらに成形体を収容する空間とグ
ラファイトヒーターとを覆うカーボン製の筒が配置され
ることがある。

°（発明が解決しようとする問題点） 上述のような炉内でＳｉ３Ｎ４を焼成する際には、嵩密
度約０．２ｇ／ｃｃ程度の炭素繊維マットは、炉内に残
存する［＋２．　’８２０あるいは金属酸化物を含有す
る５ｈＮ４成形体から発生する微量の酸素、酸化物ある
いは酸窒化物と高温下で接触し、マット表層の炭素繊維
が少しずつではあるが容易に剥落する。その結果、マッ
トの断熱性が徐々に低下して炉体の寿命を短縮するのみ
ならずまた、剥落した炭素繊維塵が炉内に飛散・浮遊し
Ｓｉ３Ｎ、に付着すること、および酸化してｃｏ、　ｃ
ｏ２などのガスとなり拡散によりＳｉ３Ｎ４　に接触す
ること等によって、焼結体の特性を著しく損なうことと
なる。すなわち前述のように焼結前または焼結中の気孔
率の高いＳｉ３Ｎ、成形体に炭素繊維が付着すると焼結
による収縮時にこの炭素繊維塵を内部に取り込んでしま
うことが起こり得る。炭素′は、焼結助剤である金属酸
化物と反応し、ＣＤあるいはＣＯ□となって炉内に飛び
出してゆき、それと同時に金属酸化物は還元され低融点
の金属となり蒸散する。かくしてガラス相マトリックス
を形成する筈の金属酸化物は、特に表面層において失わ
れ、Ｓｉ３Ｎ、のスケルトンが残ることとなる。スケル
トンの状態では５ｉ３Ｌ焼結体は最早や高強度、高耐熱
衝撃性、耐摩耗性などの特性を有しない。

また、炉内で発生したｃｏ、　ｃｏ。などのＳｉ３Ｎ＜
成形体に触れることで次のような反応を繰り返し、金属
酸化物（Ｍｅｎ）は急速に失われる。

５ｉ３Ｌ　＋　Ｍｅｎ　＋　ＣＤ−＋　Ｓｉ、Ｎ４＋　
Ｃｏ□＋　Ｍｅ　↑ＣＯ２→　ＣＯ＋Ｏ Ｃ＋０→ＣＯ これによっても上述のＳｉ３Ｎ、スケルトンの生成が促
進される。

このような断熱層を形成する炭素繊維マットからの炭素
繊維塵の悪影響を防止するため、前述のようにカーボン
製の筒を断熱層内側に配置する試みがあるが、かかる筒
は通常１０ＩＴｌｌＴ１程度の厚さを有し、炉本体にこ
のような熱容量の大なるものを配置すると、ヒーターに
過大な電力負荷をかけることになり、ヒーターの消耗が
大となるうえに、かかる大型の筒は、製作に費用と時間
とを要し、経済的に不利である。さらにカーボン材質が
緻密であるほど自己消耗が少なく、炉内雰囲気を清浄に
保ち得る反面、かかる材料は熱膨張係数が大であるため
、耐熱衝撃抵抗性、繰返し熱応力に弱く、筒の割れが生
じ、その部分から炭素繊維塵が侵入飛散して前述同様に
Ｓｉ、Ｎ、の表面を荒らす。この割れを防ぐために熱膨
張係数の小さいカーボン材料よりなる筒を用いると、材
料自体の気孔率が大であることに起因する前述の不都合
は依然として解消されない。

本発明は、このような種々の問題点を解決し、高品質の
Ｓｉ３Ｎ、焼結体を取得するためになされたものである
。

すなわち本発明の主たる目的は高強度にして耐摩耗性、
熱衝撃抵抗性に優れた高品質の５１３Ｎ４焼結体を提供
するにある。

他の目的はかかる高品質のＳｉ３Ｎ、焼結体を工業的容
易且つ経済的有利に取得するにある。

さらに別の目的は断熱材およびグラファイトヒーターの
消耗が少なく、炉体の耐用命数を延長し得るＳｉ３Ｎ４
焼結用の焼成炉を比較的安価に提供するにある。

（問題点を解決するための手段） 上述の目的を達成するための本発明装置は、成形体を収
容する空間と該空間の周囲に配設されたグラファイトヒ
ーターと内壁面を被覆する炭素繊維マットよりなる断熱
層とを内蔵してなる非酸化物系セラミックス焼結用焼成
炉において、灰分０゜３重１％以下のグラファイト薄片
を積層成形してなるシートを前記断熱層の内側に延設し
たことを特徴とする非酸化物系セラミックス焼結用焼成
炉である。またかかる装置を用いて非酸化物系セラミッ
クス成形体を焼成する本発明方法は、炭素繊維マットよ
りなる断熱層で囲繞された高温不活性雰囲気中において
非酸化物系セラミックス粉末と焼結助剤よりなる成形体
を焼結するに際し、天分０．３重量％以下のグラファイ
ト薄片を積層成形してなるシートを上記断熱層と成形体
との間に介在せしめて断熱層と前記成形体とを遮断する
ことを特徴とする。

本発明方法における不活性雰囲気として好適なものは窒
素ガス雰囲気であり、加圧下に適用することが最も好ま
しい。

上記グラファイト薄片の灰分は好ましくは０，２重量％
以下、さらに好ましくは０．１重量％以下である。

また、グラファイト薄片を積層成形してなるシートは約
０．２〜０．４　ｍｍの厚さを有することが望ましい。

かかるシートを断熱層と成形体との間に介在せしめるに
は、断熱層内側表面に添着するが、またはカーボン製の
筒を内装している場合には核部の内壁面に添着すること
が好適である。

さらに、本発明方法の構成は窒化物系セラミックスのみ
ならず、炭化物系などの非酸化物系セラミックスの焼結
用焼成炉、および上記非酸化物系セラミックス成形体の
焼成方法に好適である。

以下、本発明の上記構成を添付図面に示した態様に基づ
いてさらに詳述する。

第１図は本発明装置の実施例である窒化珪素焼結用焼成
炉本体を示す垂直断面図である。

同図において、円筒、角筒などの竪型シリンダー１とそ
の上端を密閉する上蓋２と、底部にクランプ３によって
着脱自在に装着される下蓋４とは炉体を構成する。シリ
ンダー、上蓋および下蓋はそれぞれウォータージャケッ
トを具え、それに対する冷却水人口５および冷却水出口
６を有する。

ヒーター支持部材７に支承されたグラファイトヒーター
８は炉内中央の成形体収容空間Ａを囲繞して配設され、
ヒータ一端子９を経て電源に接続する。また下蓋４の上
にはテーブル１０がロッド１１によって支持され、ＳＩ
３Ｎ４成形体１２を搭載する。シリンダー、上蓋および
下蓋の各内壁面は炭素繊維をもってマット状に成形した
断熱層１３によって熱的にシールドされている。排気口
１４は真空ポンプ（図示せず）などの排気装置に接続し
、また不活性ガス例えば窒素ガス供給口１５には不活性
ガス圧入装置が接続される。また炉体は通常、操作時の
温度条件などの計測制御、およびモニタリングをするた
めの熱電対１６およびサイトホール１７を装備する。

上記のような窒化珪素焼結用焼成炉において、本発明方
法に適用される装置は、特に成形体１２と断熱層１３と
の間にグラファイトシート１８をくまなく一様に介在せ
しめ、成形体１２を取り巻く雰囲気と断熱層１３近傍に
沿った雰囲気との自由な流通を遮断する。図示の具体例
においてはかかるシートは断熱層内側表面全面に亘って
くまなく添着されているが、グラファイトヒーター８と
成形体収容空間Ａとを内蔵する帽状または筒状のカーボ
ン製筒が内装されている場合（図示せず）には、前記シ
ートは核部の内壁全面にくまなく一様に沿って添着され
ることがよい。

上記グラファイトシートは高純度のグラファイト薄片を
積層成形してなるもので、それ自体から高温下に発生す
る不純物を最少限に抑えるため、灰分量を０．３重量％
以下、好ましくは０．２重量％以下、さらに好ましくは
０．１重量％以下となした高純度化処理グラファイトを
以て形成される。かかるシートは窒素ガス雰囲気下少な
くとも約２５００℃の温度に十分堪えることができる。

また、このグラファイトシートに含まれる灰分量は、２
０００℃程度の温度下での繰り返し使用時のグラファイ
トシートの寿命と関連があり、灰分が０．３％以下、好
ましくは０．１％以下の時、炉材としての、寿命が非常
に長くなって好ましい。

シートの厚さは約０．２　ｍｍ〜０．４順であることが
好ましく余り薄過ぎると強度が不足し添設、張設時に破
断のおそれが生じ、一方厚過ぎると加工性が低下するの
で好ましくない。

上記シートを断熱層内側表面に添着するには、炭素繊維
糸条による縫着、炭素系特殊接着剤による接着などによ
ってもよいが、本発明者の別途提案するカーボン製耐熱
係止具、すなわち平滑当接底面を有する大径盤状部材と
その底面中央部分より垂直に延びる小径ロッド状（早着
部材とをグラファイトをもって一体的に成形してなる係
止具を用いて係止することが簡便容易で最も好ましい。

第２図は第１図に示した装置の変形例を示す同じく垂直
断面図であり、第１図と同一部分を同一符号で示す。同
図の装置は上蓋２がシリンダー１に対して着脱自在に装
着されており、成形体１２を搭載するテーブル１０はロ
ッド１１によって上蓋２に懸吊されている点を除けば、
第１図の装置と実質的に同一構造を有する。

上記の他、成形体の装脱機構をも含めて、基本的技術思
想を変えることなく種々の設計変更が可能である。

（作　用） 以下、本発明装置ならびに方法の作用を第１図に示した
焼成炉について説明する。

先ずクランプ３の係合を解いて下蓋４をその上のテーブ
ル１０とともにシリンダー１より離脱し、リフトなどの
昇降手段によって下降させる。常法により金属酸化物焼
結助剤を含んで成形したＳｉ３Ｎ。

成形体１２をテーブル１０に載置した後、下蓋を再び上
昇することにより炉内に上記成形体を装入して閉蓋し、
クランプ３によって係着する。次いで真空ポンプを作動
し排気口１４より炉内空気を排気した後不活性ガス供給
口１５より不活性ガス、好ましくは窒素ガスを送太し、
炉内雰囲気を窒素ガスに置換する。その状態で端子９を
経てグラファイトヒーター８に電圧を印加し、炉内温度
を約１７００℃〜１９００℃まで昇温し、その温度に約
１時間保持して焼成する。焼成中に炉壁は断熱層１３に
よってシールドされさらにウォータージャケットで覆わ
れているため高々数百度までの安全温度に維持される。

また高温焼成時に成形体中の焼結助剤あるいは窒化珪素
から遊離する極微量の酸素、酸化物あるいは酸窒化物な
どはグラファイトシート１８によって作られた障壁に遮
られて、多孔質で高温易酸化性の炭素繊維断熱層との接
触が妨げられる。また断熱層を構成する炭素繊維が元来
保有する微量の表面酸素、あるいは上記障壁を潜って僅
かに侵入した酸素などの作用によって切断崩壊して生じ
た炭素繊維微細フィブリルなどの繊維塵はグラファイト
シート１８により炉壁近傍に閉じ込められることとなり
、シート内側に飛散・浮遊して成形体と接触することが
ない。

またグラファイトシート自体が灰分量を著しく減少せし
めた高純度グラファイトを以て形成されているため、シ
ートから発生する酸素あるいは金属等の不純物は実質的
に支障のない範囲に止まり、成形体収容空間は不純物が
極めて少ない雰囲気に維持される。かくして焼結助剤の
減耗は著しく減少し、Ｓｉ、Ｎ、のスケルトン化も見ら
れず、表層までＳｉ３Ｎ、の針状結晶が焼結助剤のガラ
ス質中に均一に分散した良質のＳｉ３Ｎ、焼結体が得ら
れる。

（実施例） 以下に本発明方法の実施例を述べる。実施例中のパーセ
ントはすべて重量％を示す。

またグラファイトシート中の灰分量は、白金るつぼの中
にシートを入れて、８００℃の炉内にて燃焼後、残存す
る灰分の重さを測定する方法（ＪＩＳ　Ｒ７２２３）に
より測定した。

実施例ｌ Ｓｉ３Ｎ４粉末９０％に焼結助剤としてＳｒ０１％、Ｍ
ｇ０４％、Ｃｅ０ｚ　５％を加え、十分混合したのち、
金型プレスを用いて１０ｍｍ　Ｘ６０ｍｍ　Ｘ６０１１
１［Ｄの板状に成形した。このものを第１図に示した構
造の焼成炉中に装入し、炉内雰囲気をＮ２ガスに置換し
、Ｎ２分分圧　ａｔｍ、下で１７００度に１時間保持し
て焼結体とした。炉内の炭素繊維フェルト成形体よりな
る断熱層の内表面にグラファイトシートをくまなく一様
に添着した。このグラファイトシートは、グラファイト
薄片をグラファイト系接着剤Ｖ５８ａ　（西独ジグリ社
製）を用いて積層接着し、窒素ガス巾約６００℃に焼成
して作った厚さ約０．４　ｍｍのシートであり、灰分含
有量は０．１％であった。

実施例２ 断熱層の内表面にはグラファイトシートを添着せず、焼
成炉内に、グラファイトヒーター８と成形体１２とを内
蔵するようにグラファイト筒（嵩密度１．７５　ｇ／ｃ
ｍ３、壁厚５ｍｍ＞を配置し、さらにその内壁にくまな
く一様にグラファイトシートを添着した以外はすべて実
施例１と同様にしてＳｉ３Ｎ４焼結体を得た。

実施例３ グラファイトシートの灰分含有量が０．３％である以外
はすべて実施例１と同様にしてＳｉ３Ｎ、焼結体を得た
。

比較例１ グラファイトシートを添着しない以外はすべて実施例１
と同一装置および同一方法によって５ｉＪ４焼結体を得
た。

ル較例２ グラファイトシートを添着しない以外はすべて実施例２
と同一装置および同一方法によってＳｉ３Ｎ。

焼結体を得た。

上記各実施例および比較例で得られた焼結体の特性を次
表にまとめて示す。

上表の結果から明らかなｊ由り、本発明方法によって得
られたＳｉ３Ｎ４焼結体は従来品に較べて、焼成体の重
量減少率において著しく小さく焼結助剤の減耗が少ない
ことを示す。このことはＳｉ、Ｎ４スケルトンの生成が
殆ど無いことを意味し、焼成面の曲げ強さが従来品より
極めて大であることによっても裏付けられる。また高温
酸化作用に対しても著しく安定で高純度であり、蛍光探
傷によって緻密でボイドの少ない組織であることが例証
され、耐摩耗性および耐熱衝撃性に優れていることが判
る。

またグラファイトシート中の灰分が１３％の時は、炉の
寿命としては短いが、窒化珪素焼結体としては良好なも
のが得られる。

さらに、灰分が０．１％程度に少ない時は、炉の寿命が
非常に長くなり、窒化珪素焼結体の特性もより良好なも
のが得られる。

さらに本発明に適用するグラファイトシートの灰分含有
量は焼結体の特性値に対して有意な作用があり、また、
グラファイト筒の併用効果も浸れていることが判明した
。

また、本発明のグラファイトシートは必ずしも炉内全域
にくまなく延設する必要があるものではなく、グラファ
イトシートが延設されていないと炭素繊維マットよりな
る断熱材の消耗が極端に激しい部位、すなわちヒーター
に近接する部位に張り付けるだけでも、相当の効果を奏
することは当然である。

（発明の効果） 上述の通り、本発明方法並びに本発明装置によれば、５
１３Ｎ４焼成炉内、特にＳｉ３Ｎ４成形体収容空間の雰
囲気は炭素繊維塵等の不純物による汚染がなく清浄に保
たれるため、焼結体表面の焼結助剤の減耗によるＳｉ３
Ｎ４スケルトン化が防止され、高強度にして耐摩耗性、
熱衝撃抵抗性に優れ、均質且つ高品質のＳｉ３Ｎ、焼結
体が得られる。

また本発明によれば、グラファイトシートを断熱層内表
面に添着するのみでその目的を容易に達成することがで
き、従来のように高価な大型グラファイト筒を用い、熱
負荷の増大に伴うヒーター消耗率増加というコスト上昇
を余儀なくされていた方法に比し、遥かに設備費、経費
が少なく、消費電力の増大もない、工業的頗る容易且つ
経済的有利なＳｉ３Ｎ４の焼成方法および焼成炉が提供
される。品質並びに特性の尚一層の向上を果たすために
はかかるグラファイト筒を併用すれば、従来到達し得な
かった優れた効果を奏することが可能である。

さらに、本発明により、断熱材より発生する炭素繊維塵
のＳＩ３Ｎ４成形体との接触が防がれたことにより、酸
化性ガスの生成も減少し、断熱材、グラファイトヒータ
ーの寿命が長くなり、炉体の耐用命数も延長されるとい
う効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明装置の具体例を示す垂直断面図であり
、また 第２図は、本発明装置の別の態様を示す垂直断面概要図
である。 １・・・シリンダー　　　　２・・・上蓋３・・・クラ
ンプ　　　　　４・・・下蓋訃・・冷却水人口　　　　
６・・・冷却水出ロア・・・ヒーター支持部材 ８・・・グラファイトヒーター ９・・・ヒータ一端子　　　１０・・・テーブル１１・
・・ロッド　　　　　　１２・・・成形体１３・・・断
熱層　　　　　　１４・・・排気口１５・・・不活性ガ
ス供給口　１６・・・熱電対１７・・・サイトホール １８・・・グラファイトシート

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、成形体を収容する空間と該空間の周囲に配設された
   グラファイトヒーターと内壁面を被覆する炭素繊維マッ
   トよりなる断熱層とを内蔵してなる非酸化物系セラミッ
   クス焼結用焼成炉において、灰分０．３重量％以下のグ
   ラファイト薄片を積層成形してなるシートを前記断熱層
   の内側に延設したことを特徴とする非酸化物系セラミッ
   クス焼結用焼成炉。 ２、非酸化物系セラミックスが窒化珪素である特許請求
   の範囲第１項記載の非酸化物系セラミックス焼結用焼成
   炉。 ３、炭素繊維マットよりなる断熱層で囲繞された高温不
   活性雰囲気中において非酸化物系セラミックス粉末と焼
   結助剤とよりなる成形体を焼結するに際し、灰分０．３
   重量％以下のグラファイト薄片を積層成形してなるシー
   トを上記断熱層と成形体との間に介在せしめて断熱層と
   前記成形体とを遮断することを特徴とする非酸化物系セ
   ラミックス焼結体の焼成方法。 ４、非酸化物系セラミックス成形体が窒化珪素である特
   許請求の範囲第３項記載の非酸化物系セラミックス焼結
   体の焼成方法。