KR20230150728A - Materials of tools usale for burning - Google Patents

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KR20230150728A
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케이스케 코바야시
에츠코 니와
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쿠어스택 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 소성에 반복 사용하여도 표면 실리카의 부상이 억제되어 소성 후의 제품에 있어서의 품질 영향이 적고, 또한, 종래보다도 고속의 조건으로 소성할 수 있는 소성용 도구재를 제공한다.
(해결 수단) 본 발명은, 탄화규소로 이루어지는 기재와, 상기 기재의 표면에 있어서의 적어도 피소성물이 재치되는 부분에, 산화막, 뮬라이트를 주성분으로 한 알루미나의 총 함유량이 65 질량% 이상 95 질량% 이하인 알루미나-실리카질이고 두께 1㎛ 이상 30㎛ 이하의 하지층, 알루미나 95 질량% 이상 99.9 질량% 이하이고 두께 1㎛ 이상 30㎛ 이하의 중간층, 칼시아 또는 이트리아를 안정화제로 한 안정화 지르코니아로 이루어지고 두께 1㎛ 이상 30㎛ 이하의 표면층이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 하지층, 상기 중간층, 및 상기 표면층의 모두가 기공률 5% 이하의 소성용 도구재이다.
(Problem) To provide a tool material for firing that prevents surface silica from rising even when repeatedly used in firing, has less impact on the quality of the product after firing, and can be fired under higher speed conditions than before.
(Solution) The present invention provides a base material made of silicon carbide, and at least a portion of the surface of the base material where the object to be fired has a total content of an oxide film and alumina mainly composed of mullite of 65% by mass or more and 95% by mass. A base layer of alumina-siliceous material with a thickness of 1㎛ or more and 30㎛ or less, a middle layer of 95% by mass or more of 99.9% by mass of alumina and a thickness of 1㎛ or more and 30㎛ or less, and composed of stabilized zirconia with calcia or yttria as a stabilizer. Surface layers with a thickness of 1 μm to 30 μm are sequentially formed, and all of the base layer, the middle layer, and the surface layer are firing tool materials with a porosity of 5% or less.

Description

소성용 도구재{MATERIALS OF TOOLS USALE FOR BURNING} {MATERIALS OF TOOLS USALE FOR BURNING}

본 발명은, 소성용 도구재에 관한 것으로, 예를 들면, 세터, 선반판, 내화갑 등의 소성용 도구재에 관한 것이다.The present invention relates to tool materials for firing, for example, setters, shelf boards, and sagbags.

종래부터 소성용 도구에 피소성물을 재치하여, 피소성물을 소성, 열 처리하는 것이 행해지고 있다. 이 소성용 도구재에는, 알루미나-실리카질(質), 알루미나-실리카-마그네시아질, 마그네시아-알루미나-지르코니아질, 탄화규소질 등의 내열성이 우수한 세라믹스 재료가 이용되고 있다. 특히, 탄화규소질의 세라믹스는, 내열 강도 및 내크리프성이 우수하여, 적합한 재료이다.Conventionally, it has been practiced to place a fired object in a firing tool and then bake and heat treat the fired object. For this firing tool material, ceramic materials with excellent heat resistance, such as alumina-silica material, alumina-silica-magnesia material, magnesia-alumina-zirconia material, and silicon carbide material, are used. In particular, ceramics made of silicon carbide have excellent heat resistance strength and creep resistance, making them a suitable material.

또한, 소성용 도구재의 기재(基材)가 탄화규소로 이루어지고, 그 기재의 표면에 알루미나층 또는 지르코니아층을 형성하는 기술도 알려져 있다.Additionally, a technique is also known in which the base material of the tool material for firing is made of silicon carbide, and an alumina layer or zirconia layer is formed on the surface of the base material.

예를 들어, 특허문헌 1에는, 탄화규소질 기재가 겉보기 기공률 20% 이상, 또한 겉보기 비중 3.20 이하이며, 상기 탄화규소질 기재 표층의 탄화규소 결정 표면에 이산화규소층이 형성되고, 또한, 상기 탄화규소질 기재의 적어도 피소성물이 재치되는 부분에, ZrO2 및 Al2O3 중 적어도 하나가 피복되어 있는 탄화규소질 소성용 도구재가 개시되어 있다.For example, in Patent Document 1, the silicon carbide-based substrate has an apparent porosity of 20% or more and an apparent specific gravity of 3.20 or less, a silicon dioxide layer is formed on the surface of the silicon carbide crystals in the surface layer of the silicon carbide-based substrate, and the carbonization A tool material for firing silicon carbide material is disclosed in which at least one of ZrO 2 and Al 2 O 3 is coated on at least the portion of the silicon substrate where the object to be fired is placed.

상기한 바와 같은, 표면에 다층 구조를 실시한 탄화규소를 기재로 하는 소성용 도구재는, 기계적 열적 특성이 뛰어나고, 육박(肉薄)화, 장수명화를 도모할 수 있다. 또한, 기재의 표면에 이산화규소층을 형성해 둠으로써, 탄화규소 기재의 산화 반응 등에 의한 로(爐) 내 분위기에 대한 영향, 피복층의 박리, 피소성물의 변색 등의 소결 이상 등의 문제도 개선된다.As described above, the firing tool material based on silicon carbide with a multilayer structure on the surface has excellent mechanical and thermal properties and can achieve increased body thickness and longer life. In addition, by forming a silicon dioxide layer on the surface of the substrate, problems such as oxidation reaction of the silicon carbide substrate, etc. on the atmosphere in the furnace, peeling of the coating layer, and sintering abnormalities such as discoloration of the fired object are also improved. .

그런데, 탄화규소 기재 표면에 이산화규소층을 형성해 두면, 반복적인 사용에 의해, 상기 이산화규소층으로부터의 실리콘이나 산소가, 지르코니아 피복층 표면으로 서서히 부상하고, 머지않아 노출된다. 그리고, 상기 실리콘이나 산소가, 당해 도구재 상에 재치되어 있는 피소성물과 반응하여, 전자부품 소성에 있어서의 수율을 저하시킨다는 문제를 초래할 우려가 있었다. 그 때문에, 상기와 같은 탄화규소질의 도구재에 있어서는, 반복적인 사용에 있어서도, 기재(이산화규소층)로부터의 실리콘이나 산소의 부상이 억제되어, 피소성물과의 반응을 일으키는 일이 없는 구성으로 하는 것이 바람직하다.However, if a silicon dioxide layer is formed on the surface of the silicon carbide substrate, silicon and oxygen from the silicon dioxide layer gradually rise to the surface of the zirconia coating layer through repeated use and are soon exposed. In addition, there was a risk that the silicon or oxygen would react with the fired object placed on the tool material, causing a problem of lowering the yield in firing electronic components. Therefore, in the tool material made of silicon carbide as described above, the levitation of silicon and oxygen from the base material (silicon dioxide layer) is suppressed even during repeated use, and the structure is such that no reaction occurs with the object to be fired. It is desirable.

이 점에서, 특허문헌 2에는, 산화피막(실리카층)을 형성한 탄화규소 기재의 표면에, 뮬라이트를 주성분으로 하는 두께 30∼300㎛의 하지층을 형성하고, 그 위에 안정화 지르코니아로 이루어지는 표면층을 형성하는 것에 의해, 탄화규소 기재(실리카층)로부터의 실리콘이나 산소의 지르코니아질 표면층으로의 부상을 억제하고, 반복 사용에 있어서도 보다 장수명화를 도모하고 있는 것이 기재되어 있다.In this regard, in Patent Document 2, a base layer with a thickness of 30 to 300 μm containing mullite as a main component is formed on the surface of a silicon carbide base material on which an oxide film (silica layer) is formed, and a surface layer made of stabilized zirconia is formed on the surface. It is described that by forming this, the levitation of silicon and oxygen from the silicon carbide base (silica layer) to the zirconia surface layer is suppressed, and the lifespan is improved even with repeated use.

또한, 특허문헌 3에는, 소성물을 재치하고, 상기 피소성물과 함께 소성로 내에 수용되는 소성용 도구재로서, 상기 소성용 도구재는 탄화규소 소결체로 이루어지고, 적어도 피소성물을 재치하는 부분의 탄화규소 소결체의 표면의 SiO2층에, 추가적으로 뮬라이트, 알루미나, 지르코니아의 각 층이 플라즈마 용사(溶射)법 등으로 형성되어 있는 것이 기재되어 있다.In addition, Patent Document 3 describes a tool material for firing that is placed in a firing furnace and is accommodated in a firing furnace together with the object to be fired, wherein the tool material for firing is made of a silicon carbide sintered body, and silicon carbide at least in the portion where the object to be fired is placed. It is described that in addition to the SiO 2 layer on the surface of the sintered body, layers of mullite, alumina, and zirconia are formed by plasma spraying or the like.

또한, 특허문헌 3에는, 뮬라이트, 알루미나, 지르코니아의 각 층은, 보다 얇은 쪽이 열팽창의 영향이 작아지기 때문에 최대한 얇게 하는 것이 바람직하고, 지르코니아막의 막 두께는 10㎛∼200㎛ 정도, 뮬라이트막의 막 두께는 10㎛∼200㎛ 정도, 알루미나막의 막 두께는 10㎛∼200㎛ 정도인 것이 기재되어 있다.In addition, Patent Document 3 states that it is preferable to make each layer of mullite, alumina, and zirconia as thin as possible because the thinner the layer, the smaller the effect of thermal expansion, and the film thickness of the zirconia film is about 10㎛ to 200㎛, and the mullite film is It is described that the thickness is about 10 μm to 200 μm, and the thickness of the alumina film is about 10 μm to 200 μm.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2006-117472호Patent Document 1: Japanese Patent Publication No. 2006-117472 특허문헌 2: 일본 공개특허공보 2009-234817호Patent Document 2: Japanese Patent Publication No. 2009-234817 특허문헌 3: 일본 공개특허공보 2019-11238호Patent Document 3: Japanese Patent Publication No. 2019-11238

그런데, 특허문헌 1에 기재된 발명은, 상기한 바와 같이, 탄화규소 기재 표면에 이산화규소층(실리카층)을 형성하면, 반복적인 사용에 의해, 상기 이산화규소층(실리카층)으로부터의 실리콘이나 산소가, 지르코니아 피복층 표면 방향을 향해 서서히 부상하고, 머지않아, 표면에 노출된다. 그리고, 상기 실리콘이나 산소가, 당해 도구재 상에 재치되어 있는 피소성물과 반응하여, 피소성체의 수율을 저하시킨다는 과제가 있었다.However, in the invention described in Patent Document 1, as described above, when a silicon dioxide layer (silica layer) is formed on the surface of a silicon carbide substrate, silicon or oxygen from the silicon dioxide layer (silica layer) is removed through repeated use. It gradually rises toward the surface of the zirconia coating layer and is soon exposed to the surface. Additionally, there was a problem in that the silicon or oxygen reacted with the fired object placed on the tool material, reducing the yield of the fired object.

또한, 특허문헌 2에 기재된 발명에서는, 기판 상에 형성된 막의 두께가 30∼300㎛로 두꺼우므로 열 용량이 크기 때문에, 보다 고속화하는 소성 프로세스에는 적합하지 않다는 과제가 있었다.In addition, in the invention described in Patent Document 2, the thickness of the film formed on the substrate is 30 to 300 μm and the heat capacity is large, so there is a problem that it is not suitable for a faster firing process.

또한 특허문헌 3에 기재된 발명과 같이, 기재 표면에 순차로 형성되어 있는 산화막, 중간층(하지층), 표면층을 갖는 소성용 도구재에 있어서도, 실리콘이나 산소가 중간층이나 표면층을 통과하여, 재치되어 있는 피소성물과 반응하여 수율을 저하시킨다고 하는 과제가 있었다. 즉, 기재 상에 적층하는 각종 층의 두께를 얇게 하면, 온도 추종성은 개선되기는 하지만, 기재에 형성된 SiO2층으로부터의 실리콘이나 산소의 부상을 억제하는 효과가 얻어지기 어렵다는 과제가 있었다.In addition, as in the invention described in Patent Document 3, even in a firing tool material having an oxide film, an intermediate layer (base layer), and a surface layer sequentially formed on the surface of the substrate, silicon or oxygen passes through the intermediate layer or the surface layer and is deposited thereon. There was a problem in that it reacted with the fired product and lowered the yield. That is, if the thickness of the various layers laminated on the substrate is thinned, temperature followability is improved, but there is a problem that it is difficult to obtain the effect of suppressing the levitation of silicon and oxygen from the SiO 2 layer formed on the substrate.

본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 온도 추종성이 우수하고, 또한, 실리콘이나 산소의 부상이 충분히 억제된, 탄화규소질의 소성용 도구재를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made in view of the above, and its purpose is to provide a tool material for firing made of silicon carbide, which has excellent temperature followability and in which levitation of silicon and oxygen is sufficiently suppressed.

본 발명은, 탄화규소로 이루어지는 기재의 표면의 적어도 피소성물이 재치되는 부분에 형성된, 산화막과, 상기 산화막의 표면에 형성된, 뮬라이트를 주성분으로 한 알루미나의 총 함유량이 65 질량% 이상 95 질량% 이하인 알루미나-실리카질이고, 두께 1㎛ 이상 30㎛ 이하의 하지층과, 상기 하지층의 표면에 형성된, 알루미나 95 질량% 이상 99.9 질량% 이하이고, 두께 1㎛ 이상 30㎛ 이하의 중간층과, 상기 중간층의 표면에 형성된, 칼시아 또는 이트리아를 안정화제로 한 안정화 지르코니아로 이루어지며 두께 1㎛ 이상 30㎛ 이하의 표면층을 구비하고, 상기 하지층, 상기 중간층, 및 상기 표면층의 모두가 기공률 5% 이하인 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an oxide film formed on at least a portion of the surface of a substrate made of silicon carbide on which a fired object is placed, and a total content of alumina formed on the surface of the oxide film with mullite as a main component of 65% by mass or more and 95% by mass or less. an alumina-siliceous base layer having a thickness of 1 µm to 30 µm, an intermediate layer formed on the surface of the base layer containing 95% by mass to 99.9% by mass of alumina and having a thickness of 1 µm to 30 µm, and the intermediate layer. It has a surface layer formed on the surface of stabilized zirconia with calcia or yttria as a stabilizer and has a thickness of 1 ㎛ or more and 30 ㎛ or less, and all of the base layer, the intermediate layer, and the surface layer have a porosity of 5% or less. It is characterized by

여기서, 상기 산화막이 SiO2층인 것이 바람직하다. 또한, 적어도 피소성물이 재치되는 부분의 기재의 두께가 1.5mm 이상 4mm 이하인 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the oxide film is a SiO 2 layer. Additionally, it is preferable that the thickness of the base material at least in the portion where the object to be fired is placed is 1.5 mm or more and 4 mm or less.

이러한 구성을 갖는 것에 의해, 온도 추종성이 우수하고, 또한, 실리콘이나 산소의 부상이 충분히 억제된, 탄화규소질의 소성용 도구재로 하는 것이 가능하다.By having this structure, it is possible to make a tool material for firing made of silicon carbide, which has excellent temperature followability and sufficiently suppresses levitation of silicon and oxygen.

본 발명에 의하면, 종래 기술과 비교하여, 그다지 복잡한 구조나 제조 방법을 채용하지 않고, 온도 추종성이 우수하고, 또한, 실리콘이나 산소의 부상이 충분히 억제된, 탄화규소질의 소성용 도구재를 제공할 수 있다.According to the present invention, compared to the prior art, it is possible to provide a tool material for firing made of silicon carbide, which has excellent temperature followability without employing a very complicated structure or manufacturing method, and in which levitation of silicon and oxygen is sufficiently suppressed. You can.

도 1은, 파고들어감부를 설명하기 위한 단면도(중간층, 표면층 생략)이다.
도 2는, 하지층, 중간층에 파고들어감부가 형성된 상태를 도시하는 단면도(표면층 생략)이다.
도 3은, 잠입부를 설명하기 위한 단면도(표면층 생략)이다.
도 4는, 표면층이 중간층에 잠입한, 잠입부를 설명하기 위한 단면도이다.
Figure 1 is a cross-sectional view (middle layer and surface layer omitted) for explaining the recessed portion.
Fig. 2 is a cross-sectional view showing a state in which recessed portions are formed in the base layer and the middle layer (surface layer omitted).
Figure 3 is a cross-sectional view (surface layer omitted) for explaining the penetration part.
Figure 4 is a cross-sectional view for explaining the penetration portion where the surface layer penetrates into the middle layer.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

본 발명은, 탄화규소로 이루어지는 기재의 표면의 적어도 피소성물이 재치되는 부분에 형성된, 산화막과, 상기 산화막의 표면에 형성된, 뮬라이트를 주성분으로 한 알루미나의 총 함유량이 65 질량% 이상 95 질량% 이하인 알루미나-실리카질이고, 두께 1㎛ 이상 30㎛ 이하의 하지층과, 상기 하지층의 표면에 형성된, 알루미나 95 질량% 이상 99.9 질량% 이하이고, 두께 1㎛ 이상 30㎛ 이하의 중간층과, 상기 중간층의 표면에 형성된, 칼시아 또는 이트리아를 안정화제로 한 안정화 지르코니아로 이루어지며 두께 1㎛ 이상 30㎛ 이하의 표면층을 구비하고, 상기 하지층, 상기 중간층, 및 상기 표면층의 모두가 기공률 5% 이하인 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an oxide film formed on at least a portion of the surface of a substrate made of silicon carbide on which a fired object is placed, and a total content of alumina formed on the surface of the oxide film with mullite as a main component of 65% by mass or more and 95% by mass or less. an alumina-siliceous base layer having a thickness of 1 µm to 30 µm, an intermediate layer formed on the surface of the base layer containing 95% by mass to 99.9% by mass of alumina and having a thickness of 1 µm to 30 µm, and the intermediate layer. It has a surface layer formed on the surface of stabilized zirconia with calcia or yttria as a stabilizer and has a thickness of 1 ㎛ or more and 30 ㎛ or less, and all of the base layer, the intermediate layer, and the surface layer have a porosity of 5% or less. It is characterized by

우선, 본 발명의 기재는, 탄화규소로 형성된다. 상기 본 발명의 기재로는, 예를 들어, 특허문헌 1∼3에 기재되어 있는, 탄화규소와 불가피 불순물(피할 수 없는 불순물)을 함유하는 소결체를 들 수 있다.First, the base material of the present invention is made of silicon carbide. Examples of the base material of the present invention include sintered bodies containing silicon carbide and unavoidable impurities (unavoidable impurities) described in Patent Documents 1 to 3.

또한, 본 발명의 기재에 있어서는, 소성용 도구재로서 이용할 수 있는 탄화규소이면 좋고, 특별한 조건 등을 구비하는 탄화규소일 필요는 없다.In addition, in the description of the present invention, any silicon carbide that can be used as a firing tool material is sufficient, and it is not necessary that it is silicon carbide that meets special conditions, etc.

본 발명은, 적어도 피소성물이 재치되는 부분의 탄화규소 소결체의 표면에, 산화막(SiO2로 이루어지는 막)이 형성되어 있다.In the present invention, an oxide film (a film made of SiO 2 ) is formed on the surface of the silicon carbide sintered body at least in the portion where the object to be fired is placed.

이와 같이, 탄화규소 소결체의 표면에, 산화막(SiO2로 이루어지는 막)이 형성되는 것에 의해, 기재(탄화규소)의 산화를 억제할 수 있고, 또한, 기재(탄화규소)가 산화하는 것에 수반하는, 소성로 내의 산소 농도 변화를 억제할 수 있다. 또한, 산화막(SiO2로 이루어지는 막)을 개재하는 것에 의해, 탄화규소 소결체의 표면과 하지층과의 밀착성도 향상된다.In this way, by forming an oxide film (a film made of SiO 2 ) on the surface of the silicon carbide sintered body, oxidation of the base material (silicon carbide) can be suppressed, and further, the oxidation associated with the oxidation of the base material (silicon carbide) can be suppressed. , it is possible to suppress changes in oxygen concentration within the kiln. Additionally, by interposing an oxide film (a film made of SiO 2 ), the adhesion between the surface of the silicon carbide sintered body and the base layer is also improved.

여기서, 피소성물이 재치되는 부분이란, 피소성물이 직접 접하는 개소와 그 주변의 영역을 포함하는 것이다. 이 피소성물이 직접 접하는 개소와 그 주변의 영역은, 소성용 소결체의 일 주면(主面)의 일부를 의미하지만, 이것으로 한정되는 것은 아니며, 일 주면 전체여도 된다. 또한, 특별히 문제없으면, 소성용 도구재의 전체면에 산화막이 형성되어도 된다.Here, the portion where the fired object is placed includes the location where the fired object directly contacts and the surrounding area. The point where this fired object directly contacts and the surrounding area mean a part of one main surface of the sintered body for firing, but are not limited to this and may be the entire one main surface. Additionally, if there is no particular problem, an oxide film may be formed on the entire surface of the firing tool material.

이 산화막은 SiO2로 이루어진 막이며, 대기, 산소, 산소를 포함하는 혼합 가스 중 어느 하나의 가스 분위기 하에서, 800℃ 이상 1600℃ 이하로 가열하는 것에 의해, 기재 표면을 산화하는 것에 의해 형성할 수 있다.This oxide film is a film made of SiO 2 and can be formed by oxidizing the surface of the substrate by heating it to 800°C or more and 1600°C or less in a gas atmosphere of air, oxygen, or a mixed gas containing oxygen. there is.

상기 산화막의 형성 방법은, 필요로 되는 막 두께나 치밀성이 얻어지는 것이라면, 상기 방법 이외를 적용해도 된다.A method of forming the oxide film other than the above may be applied as long as the required film thickness and density can be obtained.

또한, 산화막의 막 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 0.5㎛ 이상 1.5㎛ 이하의 범위가 적합하다. 산화막의 막 두께가 0.5㎛ 미만이면, 기재(탄화규소)의 산화를 억제하는 효과가 얻어지지 않는다. 한편, 산화막의 막 두께가 1.5㎛를 초과해도 그다지 효과는 변하지 않고, 오히려 열 팽창률의 차로부터 발생하는 응력에 의한 크랙이 발생할 우려가 있다.Additionally, the thickness of the oxide film is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.5 μm to 1.5 μm. If the thickness of the oxide film is less than 0.5 μm, the effect of suppressing oxidation of the base material (silicon carbide) is not obtained. On the other hand, even if the thickness of the oxide film exceeds 1.5 μm, the effect does not change much, and there is a risk of cracks occurring due to stress arising from the difference in thermal expansion rate.

상기 산화막의 위에는, 뮬라이트를 주성분으로 한 알루미나의 총 함유량이 65 질량% 이상 95 질량% 이하인 알루미나-실리카질이고 두께 1㎛ 이상 30㎛ 이하의 하지층과, 상기 하지층의 표면에 형성된, 알루미나 95 질량% 이상 99.9 질량% 이하이고 두께 1㎛ 이상 30㎛ 이하의 중간층과, 상기 중간층의 표면에 형성된, 칼시아 또는 이트리아를 안정화제로 한 안정화 지르코니아로 이루어지고 두께 1㎛ 이상 30㎛ 이하의 표면층을 구비하고 있다.On the oxide film, an alumina-siliceous base layer having a total content of alumina containing mullite as a main component of 65% by mass to 95% by mass and having a thickness of 1 μm to 30 μm, and alumina 95 formed on the surface of the base layer. an intermediate layer of not less than 99.9% by mass and not more than 1 μm and not more than 30 μm thick, and a surface layer formed on the surface of the intermediate layer made of stabilized zirconia with calcia or yttria as a stabilizer and having a thickness of not less than 1 μm but not more than 30 μm. It is available.

본 발명에서는, 상기한 하지층은 탄화규소로 이루어지는 기재로부터의 실리콘이나 산소의 부상을 억제하는 것이며, 중간층은 탄화규소로 이루어지는 기재와 지르코니아질로 이루어지는 표면층과의 열 팽창 차에 의해 생기는 응력을 완화하는 것이며, 그리고 표면층은 피소성물과의 반응성이 낮은 재료(지르코니아)로 하는 것이다.In the present invention, the above-described base layer suppresses the levitation of silicon or oxygen from the substrate made of silicon carbide, and the middle layer relieves stress caused by the difference in thermal expansion between the substrate made of silicon carbide and the surface layer made of zirconia. And the surface layer is made of a material (zirconia) with low reactivity with the object to be fired.

본 발명의 제1 특징은, 하지층, 중간층, 표면층의 각 층 두께를, 1㎛ 이상 30㎛ 이하로 하는 것이다. 이것은, 특히 특허문헌 2에 있어서 상기 각 층 두께가 30㎛ 이상 300㎛이하(바람직하게는 50㎛ 이상 250㎛ 이하)로 하는 것에 대하여, 보다 얇은 것으로 하고 있는 점에서 상이하다.The first feature of the present invention is that the thickness of each layer of the base layer, intermediate layer, and surface layer is 1 μm or more and 30 μm or less. This is particularly different from Patent Document 2 in that each layer thickness is set to be thinner than 30 μm and 300 μm or less (preferably 50 μm or more and 250 μm or less).

기재 상에 형성되어 있는 하지층, 중간층, 표면층의 각 층 두께가, 종래 기술의 막 두께와 비교하면 얇기 때문에, 이들 각 층 각각의 열 용량이 감소하여, 소성로에 투입하여 승온할 때에, 승온 속도를 종래보다 높게 하여도 균열의 발생이 생기기 어렵게 된다. 여기에서 말하는 종래보다 고속의 승온 속도란, 적합하게는 1100℃/분 이상을 가리키는 것으로 한다.Since the layer thickness of the base layer, intermediate layer, and surface layer formed on the substrate is thinner than the film thickness of the prior art, the heat capacity of each of these layers decreases, and when the temperature is raised by putting it into the kiln, the temperature increase rate Even if it is made higher than before, it becomes difficult for cracks to occur. The higher temperature increase rate than before referred to herein preferably refers to 1100°C/min or more.

각 층 두께가 30㎛를 초과하면, 각 층 각각의 열 용량이 올라가고, 본 발명에 있어서의 승온 속도에서의 반복으로 균열이나 크랙이 발생하여, 사용에 견딜 수 없게 된다. 열 용량의 관점에서만 말하면, 각 층 두께는 얇을수록 좋지만, 1㎛를 하회하는 것은, 근본적으로 강도나 내구성이 부족한 것, 이 얇음으로 균일한 제막(製膜)을 실시하는 것은 제조 비용을 인상시키는 것, 등의 이유로 바람직하지 않다. 본 발명의 하지층, 중간층, 표면층의 각 층 두께는, 보다 바람직하게는 5㎛ 이상 25㎛ 이하이다.If the thickness of each layer exceeds 30 μm, the heat capacity of each layer increases, and cracks or cracks occur due to repetition at the temperature increase rate in the present invention, making it unbearable for use. Speaking only from the perspective of heat capacity, the thinner the thickness of each layer, the better, but anything less than 1㎛ fundamentally lacks strength and durability, and performing uniform film formation with this thinness increases manufacturing costs. It is not desirable for reasons such as: The layer thickness of the base layer, intermediate layer, and surface layer of the present invention is more preferably 5 μm or more and 25 μm or less.

또한, 특허문헌 2에서는, "하지층의 두께가 30㎛ 미만일 경우, 지르코니아질 표면층으로의 실리콘이나 산소의 부상을 억제하는 효과를 충분히 얻을 수 없는 한편, 두께가 300㎛를 초과하여도 상기 효과의 그 이상의 향상은 보이지 않고, 또한, 도구재 전체의 육박화의 방해가 되어, 고중량, 고비용 등의 단점이 크다"고 하고 있다.In addition, in Patent Document 2, “If the thickness of the base layer is less than 30 μm, the effect of suppressing the levitation of silicon or oxygen to the zirconia surface layer cannot be sufficiently obtained, while even if the thickness exceeds 300 μm, the effect is not achieved. “There is no further improvement, and it also hinders the overall thickness of the tool material, and has major disadvantages such as high weight and high cost.”

다만, 특허문헌 2에서는, 도구재로서의 열 용량은 언급하고 있지 않아, 이 점의 해결 방법에 대하여 구체적인 제안은 보이지 않는다.However, in Patent Document 2, the heat capacity as a tool material is not mentioned, and there is no specific proposal for a solution to this problem.

또한, 특허문헌 2에서는, 각 층 두께가 지나치게 얇으면, 탄화규소 기재(산화막(SiO2)으로 이루어지는 막)로부터의 실리콘이나 산소의 부상을 억제하는 효과가 충분히 얻어지지 않는다고 하고 있다. 이 점은, 본 발명에서도 동일하며, 단지 각 층을 얇게 한 것만으로는, 동일한 문제가 발생한다.Additionally, Patent Document 2 states that if the thickness of each layer is too thin, the effect of suppressing the levitation of silicon and oxygen from the silicon carbide substrate (a film made of an oxide film (SiO 2 )) cannot be sufficiently obtained. This point is the same in the present invention, and the same problem occurs simply by making each layer thin.

따라서, 본 발명의 제2 특징으로서, 각 층, 즉, 하지층, 중간층, 및 표면층 모두가 기공률 5% 이하로 하고 있다.Therefore, as a second feature of the present invention, each layer, that is, the base layer, the middle layer, and the surface layer, are all set to have a porosity of 5% or less.

본 발명의 발명자들은, 이와 같이 기공률을 소정의 값 이하로 하는 것에 의해, 탄화규소로 이루어지는 기재로부터의 실리콘이나 산소의 부상을 충분히 억제할 수 있는 것을 발견한 것이다.The inventors of the present invention have discovered that by setting the porosity below a predetermined value, it is possible to sufficiently suppress the levitation of silicon and oxygen from a substrate made of silicon carbide.

각 층 내에 많은 기공이 존재하면 실리카 성분 농도가 상대적으로 높아지고, 각 층 내의 실리카 성분 농도와 표면층의 표층부(소성 분위기와의 접촉면)와의 실리카 성분과의 농도 구배(勾配)의 증가에 의해 확산 속도가 빨라져, 실리콘이나 산소의 부상이 촉진되는 것으로 생각된다.If many pores exist in each layer, the silica component concentration becomes relatively high, and the diffusion rate increases due to an increase in the concentration gradient between the silica component concentration in each layer and the silica component concentration in the surface layer (contact surface with the firing atmosphere). It is thought that this accelerates the rise of silicon and oxygen.

상기한 바와 같이, 실리콘이나 산소의 부상을 억제한다는 관점에서는, 기공률은 작은 쪽이 바람직하지만, 기공률 1% 미만으로 하는 것은, 면내 균일성의 확보도 포함하여 고비용의 제조 조건이 되므로, 바람직한 것이라고는 할 수 없다. 보다 바람직하게는, 3% 이상 5% 이하이다.As mentioned above, from the viewpoint of suppressing the levitation of silicon and oxygen, a smaller porosity is preferable, but a porosity of less than 1% is a high-cost manufacturing condition, including ensuring in-plane uniformity, so it cannot be said to be preferable. I can't. More preferably, it is 3% or more and 5% or less.

본 발명에서는, 각 층(하지층, 중간층, 및 표면층)을 플라즈마 용사(溶射)로 형성할 수 있다. 또한, 그 때에, 각 층의 원료로서 사용하는 분말을, 입경이 작은 것을 적용하면, 상기한 바와 같은 기공률 5% 이하의 층이 형성된다.In the present invention, each layer (base layer, middle layer, and surface layer) can be formed by plasma spraying. Also, at that time, if the powder used as the raw material for each layer has a small particle size, a layer with a porosity of 5% or less as described above is formed.

일례로서, 원료의 입도의 범위로서 10㎛ 이상 45㎛ 이하의 규격품이 바람직하다.As an example, as the particle size range of the raw material, standardized products of 10 ㎛ or more and 45 ㎛ or less are preferable.

또한, 특허문헌 3에서는, 각층의 두께는 10∼200㎛, 일례로서 지르코니아층과 뮬라이트층의 두께를 30㎛로 하고 있다. 한편, 특허문헌 3은, 기재 자체의 기공률을 15∼60%로 크게 취하는 것, 또한 기재의 두께를 0.2∼1mm로 얇게 하는 것에 의해, 경량화, 저열용량화를 도모할 수 있고, 소성용 도구재의 온도를 로(爐) 내 온도로 신속히 추종시킬 수 있는 것으로 하는 것이다.In addition, in Patent Document 3, the thickness of each layer is 10 to 200 μm, and as an example, the thickness of the zirconia layer and the mullite layer is 30 μm. On the other hand, Patent Document 3 shows that by setting the porosity of the base material itself to be as large as 15 to 60% and reducing the thickness of the base material to 0.2 to 1 mm, weight reduction and low heat capacity can be achieved, and the firing tool material can be reduced in weight and heat capacity. The goal is to ensure that the temperature can quickly follow the temperature inside the furnace.

이에 대하여, 본 발명은, 기재 자체에는 각별한 제약을 두지 않으며, 즉, 특허문헌 3에 기재된 기재보다도 두껍게 하거나, 또는 기공률이 작은 것이라도 온도 추종성이 우수한 것으로 할 수 있다.In contrast, the present invention does not place any particular restrictions on the substrate itself, that is, it can be made thicker than the substrate described in Patent Document 3 or made excellent in temperature followability even if the substrate has a small porosity.

또한, 이와 같이 하는 것에 의해, 특허문헌 3에 기재된 도구재와 비교하여, 기재를 두껍게 하는 것에 의해 균열되기 어렵게 할 수 있다. 또는, 기공률이 작은 것으로서 치밀성을 높여 강도가 향상된 도구재로 할 수 있다.In addition, by doing this, compared to the tool material described in Patent Document 3, the base material can be made thicker and thus less likely to crack. Alternatively, it can be used as a tool material with improved strength by increasing density by having a small porosity.

구체적으로는, 본 발명에서는 또한, 적어도 피소성물이 재치되는 부분의 기재의 두께가 1.5mm 이상 4mm 이하인 것이어도 강도나 내구성이 우수한 것에 더하여, 온도 추종성, 실리카의 표면 부상이 억제된, 소성용 도구재로서 지극히 우수한 것으로 되어, 더욱 바람직하다고 할 수 있다.Specifically, the present invention further provides a firing tool that has excellent strength and durability even when the thickness of the base material at least at the portion where the object to be fired is placed is 1.5 mm or more and 4 mm or less, and has temperature followability and surface flotation of silica is suppressed. It is extremely excellent as a material and can be said to be more desirable.

여기서, 본 발명은, 소성용 도구재의 임의의 절단면에 있어서, 하지층, 중간층, 및 표면층 중 적어도 어느 하나가 기재에 파고들어간 개소를 파고들어감부로 규정하고, 상기 파고들어감부의 깊이를 D, 상기 파고들어감부의 폭을 W로 했을 때에, W≤30㎛이면서 D/W≥1이면, 보다 바람직한 것이다.Here, in the present invention, in an arbitrary cut surface of a tool material for firing, a location where at least one of the base layer, the intermediate layer, and the surface layer is dug into the base material is defined as the dug-out portion, and the depth of the dug-in portion is D, and the When the width of the recessed portion is W, it is more preferable if W ≤ 30 μm and D/W ≥ 1.

상기 구성을 채용하는 것에 의해, 본 발명과 같은 막 두께가 얇은 용사막이 형성되어 있는 경우에 문제가 되는, 막 박리(용사막의 밀착성 저하)를 효과적으로 억제할 수 있다.By employing the above configuration, film peeling (lowering of adhesion of the thermal spray film), which is a problem when a thin sprayed film like the present invention is formed, can be effectively suppressed.

본 발명의 파고들어감부는 소성용 도구재의 임의의 절단면을 이용하여 규정된다. 이 절단면은, 예를 들어 광학 현미경을 사용하여 관찰할 수 있다. 또한, 관찰하는 개소나 배율은, 특별히 한정되지 않지만, 어느 정도 요철을 명확하게 인식할 수 있는 정도이면 된다.The recessed part of the present invention is defined using an arbitrary cut surface of the tool material for firing. This cut surface can be observed using, for example, an optical microscope. In addition, the observation location and magnification are not particularly limited, but are sufficient as long as the irregularities can be clearly recognized to some extent.

일례로서 관찰하는 범위를 한 변이 300∼1200㎛의 직사각형 영역, 배율은 100∼400배를 들 수 있고, 바람직하게는 한 변이 600㎛의 직사각형 영역, 배율은 200배이다. 파고들어감부는, 용사막의 요철이 층 두께에 대해 비교적 크기 때문에, 이 정도의 면적을 취득하여 파고들어감부의 사이즈(크기)를 판단한 편이 좋기 때문이다.As an example, the observation range is a rectangular area with a side of 300 to 1,200 μm and a magnification of 100 to 400 times, and preferably a rectangular area with a side of 600 μm and a magnification of 200 times. This is because the unevenness of the thermal spray coating is relatively large in the recessed portion relative to the layer thickness, so it is better to obtain this amount of area to determine the size of the recessed portion.

그리고, 상기한 영역 내에 있어서, 하지층, 중간층 및 표면층 중 적어도 어느 하나가 기재에 파고들어간 개소를 파고들어감부로 하고, 파고들어감부의 깊이를 D, 파고들어감부의 폭을 W로 했을 때에, W≤30㎛이면서 D/W≥1이다.And, in the above-mentioned area, when at least one of the base layer, intermediate layer, and surface layer is dug into the base material as the dug-in area, the depth of the dug-in area is D, and the width of the dug-in area is W, W≤30 ㎛ and D/W≥1.

도 1에 도시하는 바와 같이, 소성용 도구재의 임의의 절단면에 있어서 임의의 영역을 관찰했을 때에, 기재(Z)와 하지층(1)(실제는 중간층, 표면층을 포함하는 형태도 포함된다)과의 계면(L)에 주목하여, 관찰 화면의 가로변에 평행한 선(X)을 긋고, 이것을 기준으로 한다. 이 기준선(X)은, 관찰 화면으로부터 눈으로 보아 계측해도 되고, 공지된 화상 해설 소프트웨어를 사용해도 된다. 또는, 산술 평균 거칠기(Ra)(JISB0601:1994)와 마찬가지의 방법으로 산출하는 것도 가능하다.As shown in FIG. 1, when observing an arbitrary area on an arbitrary cut surface of the firing tool material, the base material Z and the base layer 1 (actually also include a middle layer and a surface layer) Paying attention to the interface (L), a line (X) parallel to the horizontal side of the observation screen is drawn and this is used as a reference. This reference line (X) may be measured visually from the observation screen, or may be measured using known image commentary software. Alternatively, it is also possible to calculate it by a method similar to the arithmetic mean roughness (Ra) (JISB0601:1994).

파고들어감부란, 도 1에 도시되는 기준선(X)과 수직인 방향에 대하여, 기준선(X)의 아래쪽에 하지층, 중간층, 표면층 중 적어도 하나가 들어간 개소를 나타낸다. 그리고, 기준선(X)을 기초로 하여, 도 1에 도시하는 바와 같이, 임의의 파고들어감부를 취했을 때에, 그 깊이를 D, 폭을 W로 하여, W≤30㎛이면서 D/W≥1의 관계가 성립하는지로 판단한다.The recessed portion refers to a location where at least one of the base layer, middle layer, and surface layer enters below the reference line (X) in the direction perpendicular to the reference line (X) shown in FIG. 1. Then, when an arbitrary recessed portion is taken as shown in FIG. 1 based on the reference line It is determined whether is established.

여기서, 하지층(1)이 두꺼운 경우는, 도 1에 도시하는 바와 같이 하지층(1)만으로 파고들어감부가 형성되지만, 하지층(1)이 얇은 경우, 도 2에 도시되는 바와 같이, 그 위에 형성되는 중간층(2)의 일부가 파고들어가 파고들어감부를 형성하는 경우도 있다. 또한, 중간층(2)이 얇고, 그 위에 형성되는 표면층도 파고들어감부를 형성하는 경우도 상정된다.Here, when the base layer 1 is thick, as shown in FIG. 1, a recessed part is formed only with the base layer 1, but when the base layer 1 is thin, as shown in FIG. 2, a recessed portion is formed thereon. In some cases, a portion of the formed intermediate layer 2 is dug in to form a buried part. In addition, it is assumed that the intermediate layer 2 is thin, and the surface layer formed thereon also forms a recessed portion.

W≤30㎛이면서 D/W≥1의 형태는, 오목부의 직경에 대하여 그 깊이가 1보다 큰 상태이다. 일반적으로, 용사막의 파고들어감을 강하게 하려면, 요철이 큰, 즉, 오목부의 직경에 대하여 오목부의 깊이가 깊은 것의 쪽이 좋은 것으로 생각되고 있다.In the form of W ≤ 30 ㎛ and D/W ≥ 1, the depth of the concave portion is greater than 1 relative to the diameter of the concave portion. In general, in order to strengthen the penetration of the thermal spray coating, it is considered better to have larger irregularities, that is, to have a deeper depth of the concave part relative to the diameter of the concave part.

그러나, 본 발명과 같이, 3층 구조의 막이 형성되고, 각 층 1∼30㎛의 두께에서는, 층만으로 깊이 방향에 대하여 충분한 깊이의 오목부는 형성하기 어렵다. 기재의 요철을 크게 하면, 깊은 오목부는 달성할 수 있지만, 그 경우는, 용사막의 층의 두께에 불균일이 생기기 쉬워져, 보호층으로서의 기능에 문제가 생길 우려가 있다.However, as in the present invention, when a three-layer structure film is formed, and each layer has a thickness of 1 to 30 μm, it is difficult to form a recess of sufficient depth in the depth direction with only the layers. If the irregularities of the substrate are increased, deep concavities can be achieved, but in that case, unevenness is likely to occur in the thickness of the thermal spray coating layer, which may cause problems in its function as a protective layer.

따라서, 본 발명에서는, 요철의 오목부의 직경과 깊이를, 소정의 범위로 제어하는 것에 의해, 보호층이 얇고, 또한 기재의 표면이 비교적 매끄러워도, 층의 앵커 효과를 충분히 확보할 수 있는 범위를 발견한 것이다. 파고들어감부의 폭(W)이 지나치게 크면, 층 두께의 상한 30㎛에 대하여 층의 두께를 충분히 확보할 수 없는 영역이 많이 존재하므로, 층의 내구성이 저하될 우려가 있다. 파고들어감부의 깊이(D)와 파고들어감부의 폭(W)의 비, D/W가 1을 하회하면, 앵커 효과 또는 실리콘이나 산소의 부상을 억제하는 효과가 충분히 얻어지지 않게 될 우려가 있다.Therefore, in the present invention, by controlling the diameter and depth of the uneven concave portion to a predetermined range, even if the protective layer is thin and the surface of the substrate is relatively smooth, the anchor effect of the layer can be sufficiently secured. was discovered. If the width W of the recessed portion is too large, there are many areas where the layer thickness cannot be sufficiently secured for the upper limit of the layer thickness of 30 μm, so there is a risk that the durability of the layer may be reduced. If the ratio of the depth (D) of the recessed portion and the width (W) of the recessed portion, D/W, is less than 1, there is a risk that the anchor effect or the effect of suppressing the rise of silicon or oxygen may not be sufficiently obtained.

W≤30㎛이면서 D/W≥1이 되도록 하기 위해서는, 기재의 표면 상태와 용사막의 형성에 사용하는 원료 분말의 사이즈, 용사 온도 등을 적절하게 제어하는 것에 의해 얻을 수 있다. 일례로서, 기재의 용사막을 형성하는 면의 요철을 Ra(산술 평균 거칠기)로 4∼6㎛, Ry(최대 높이)로 25∼35㎛의 범위로 하고, 하지층의 원료 분말의 사이즈를 15∼40㎛의 범위로 하면 된다.In order for W ≤ 30 ㎛ and D/W ≥ 1, it can be achieved by appropriately controlling the surface condition of the substrate, the size of the raw material powder used to form the thermal spray film, the thermal spray temperature, etc. As an example, the unevenness of the surface forming the thermal spray coating of the substrate is set to be in the range of 4 to 6 ㎛ in Ra (arithmetic mean roughness) and 25 to 35 ㎛ in Ry (maximum height), and the size of the raw material powder of the base layer is set in the range of 15 to 35 ㎛. It should be within the range of 40㎛.

그 밖에, 본 발명을 보다 우수한 것으로 하기 위해 임의의 절단면에 있어서, 중간층이 하지층의 이면 측으로 잠입한 상태를 형성하고, 이것을 잠입부로 했을 때에, 잠입 폭(L1)이 L1≤1㎛인 결속 포인트를, 600㎛의 관찰 범위에 있어서 평균 1개소 이상 가지면 좋다. 도 3에 그 양태를 설명하는 모식도를 나타낸다. 기준선(X) 상에 존재하는 임의의 오목부의 일단부(S1)를 기점으로 하여, 당해 오목부의 기재 측에 가까운 개소에서 기준선(X)과 평행한 방향으로 진전한 오목부의 단부(端部)를 다른 단부(S2)로 한다. 그리고, 기준선(X)과 평행한 일단부(S1)와 다른 단부(S2)의 거리를 L1로 하고, 이 L1을 슬라이딩부로 한다. 또한, L1을 포함하는 갈고리형의 부위를 결속 포인트라고 칭한다.In addition, in order to improve the present invention, a state is formed in which the middle layer penetrates into the back surface of the base layer in an arbitrary cut surface, and when this is used as a penetration portion, a binding point with a penetration width L1 of L1 ≤ 1 μm is formed. It is good to have at least one place on average in the observation range of 600㎛. Figure 3 shows a schematic diagram explaining the mode. Starting from one end S1 of an arbitrary recess existing on the reference line X, the end of the recess advanced in a direction parallel to the reference line This is done at the other end (S2). Then, the distance between one end S1 parallel to the reference line X and the other end S2 is set to L1, and this L1 is set as the sliding part. Additionally, the hook-shaped portion including L1 is called a binding point.

또한, 중간층의 이면 측으로 표면층이 잠입하는 잠입부도 형성하고, 그 잠입 폭(L2)이 L2≥1㎛인 결속 포인트를, 600㎛의 관찰 범위에 있어서 평균 1개소 이상 가져도 된다. 도 4에 그 양태를 나타낸다. 기본적인 정의는 도 3의 L1과 마찬가지이다.Additionally, a penetration portion where the surface layer penetrates into the back side of the intermediate layer may be formed, and an average of one or more binding points with a penetration width L2 of L2 ≥ 1 μm may be provided in an observation range of 600 μm. Figure 4 shows the mode. The basic definition is the same as L1 in Figure 3.

이와 같이, 중간층이 하지층의 이면 측으로 잠입하고, 또한 중간층의 이면 측으로 표면층이 잠입하는 경우에는, 용사막이 얇은 것이어도, 용사막의 박리 억제 효과가 한층 더 강고해져, 본 발명의 효과를 발휘하면서, 내구성과 신뢰성이 더 뛰어난 것이 된다.In this way, when the middle layer penetrates into the back side of the base layer and the surface layer penetrates into the back side of the middle layer, even if the thermal sprayed coating is thin, the peeling suppression effect of the thermal sprayed coating is further strengthened, demonstrating the effect of the present invention. While doing so, it becomes more durable and reliable.

(실시예)(Example)

이하, 본 발명을 실시예에 기초하여 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기에 나타내는 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to the examples shown below.

시판의 탄화규소 분말 원료에, 소결 후의 잔탄이 5.0 중량% 미만이 되는 양의 메틸셀룰로오스계 바인더를 첨가하고 혼합하여 혼합물을 얻었다. 다음에 상기 혼합물에 물을 첨가하여 혼련하고, 프레스 성형에 의해 다공질 성형체를 얻었다.To a commercially available silicon carbide powder raw material, a methylcellulose-based binder was added in an amount such that the remaining carbon after sintering would be less than 5.0% by weight, and mixed to obtain a mixture. Next, water was added to the mixture, kneaded, and a porous molded body was obtained by press molding.

그리고, 상기 다공질 성형체를 소성 온도와 소성 시간을 소정의 값으로 변화시켜 Ar 분위기 하에서 소결하고, 그 후, 산소 농도 4%이고 나머지는 질소로 이루어지는 분위기 하에서 1500℃에서 3시간 소성하여 산화 처리를 실시하여, 당해 소결체 표면에 SiO2를 주성분으로 하는 산화막을 형성했다. 이 SiO2를 주성분으로 하는 산화막의 두께는, 1㎛이었다.Then, the porous molded body was sintered in an Ar atmosphere by changing the firing temperature and firing time to predetermined values, and then oxidized by firing at 1500°C for 3 hours in an atmosphere with an oxygen concentration of 4% and the remainder being nitrogen. Thus, an oxide film containing SiO 2 as a main component was formed on the surface of the sintered body. The thickness of the oxide film containing SiO 2 as its main component was 1 μm.

이상과 같이 하여, 세로 300mm×가로 300mm×두께 2mm, 평균 기공율 23%의 판 형상의 기재를 제작했다.As described above, a plate-shaped substrate measuring 300 mm long x 300 mm wide x 2 mm thick and having an average porosity of 23% was produced.

그리고, 상기 기재의 일 표면에, 플라즈마 용사에 의해, 표 1에 나타낸 바와 같이 각층의 두께, 기공률을 갖도록, 뮬라이트 피막(하지층), 그 위에 알루미나 피막(중간층), 또한 그 위에, 지르코니아 피막(피복층)을 순차적으로 형성하여, 평가용의 각 소성용 도구재로 하였다.Then, on one surface of the substrate, by plasma spraying, a mullite film (base layer), an alumina film (middle layer) thereon, and a zirconia film ( coating layers) were sequentially formed to prepare each firing tool material for evaluation.

또한, 기공률의 제어는, 공지된 방법, 즉, 플라즈마 용사 시의 온도, 가스 유량, 원료의 공급 속도, 원료 입경의 변경, 그 밖의 조건을 적시(適時) 조정하는 것에 의해 실시하였다. 또한, 각각의 용사 재료의 원료 입경은, 모두 75㎛ 이하(또는 45㎛ 이하)의 것을 사용하였다.In addition, the porosity was controlled by a known method, that is, by timely adjusting the temperature during plasma spraying, gas flow rate, raw material supply speed, raw material particle size change, and other conditions. In addition, the raw material particle size of each thermal spray material was all 75 μm or less (or 45 μm or less).

(평가)(evaluation)

상기의 각 소성용 도구재에 대해서, 이하에 나타내는 방법으로, 기공률, 온도 추종성, 표면 실리카량, 내박리성을 평가했다.For each of the above-mentioned firing tool materials, porosity, temperature followability, surface silica amount, and peeling resistance were evaluated by the methods shown below.

(기공율)(porosity)

기공율은, 주사형 전자 현미경(SEM)에 의한 단면 화상으로부터 산출하였다. 상기 소성용 도구재를 절단한 시험편을 에폭시 레진으로 경화시키고, 추가로 절단면을 다이아몬드 페이스트로 연마하고, SEM으로 500배의 배율로 전자 현미경 사진을 촬영했다. 화상 상의 각 용사 재질의 면적에 대한 기공의 면적을 기공률로서 산출하였다.Porosity was calculated from a cross-sectional image using a scanning electron microscope (SEM). A test piece cut from the firing tool material was cured with epoxy resin, the cut surface was further polished with diamond paste, and an electron micrograph was taken with an SEM at a magnification of 500 times. The area of pores relative to the area of each sprayed material on the image was calculated as porosity.

(온도 추종성)(Temperature followability)

온도 추종성은, 상기 소성용 도구재의 표면에 열전대를 장착하고, 연속 반송식 스폴링 시험로에 700℃/min의 승온 속도로 투입하여, 로(爐) 내 온도와 제품 표면 온도의 괴리를 측정하고, 괴리가 3℃ 이내이면 합격으로 하였다.Temperature followability is measured by attaching a thermocouple to the surface of the firing tool material, placing it in a continuous conveyance spalling test furnace at a temperature increase rate of 700°C/min, and measuring the difference between the temperature inside the furnace and the product surface temperature. If the difference was within 3°C, it was considered acceptable.

(내박리성)(peeling resistance)

상기 온도 추종성의 시험 후의 소성용 도구재 표면을 육안에 의해 관찰하고, 용사한 막의 박리의 유무를 확인하여 박리가 인정되지 않는 것을 합격으로 하였다.The surface of the firing tool material after the above temperature followability test was observed with the naked eye to confirm the presence or absence of peeling of the thermally sprayed film, and the test that no peeling was recognized was judged to have passed.

(표면 실리카량)(Surface silica amount)

표면 실리카량은, 상기 소성용 도구재에 의한 세라믹 전자 부품의 소성 시험 및 형광 X선 분석에 의해 평가했다.The amount of surface silica was evaluated by a firing test of the ceramic electronic component using the above-mentioned firing tool material and fluorescence X-ray analysis.

세로 150mm×가로 50mm×두께 2mm의 시료를 잘라내어, 직경 4mm×높이 3mm의 티탄산바륨 성형체를 재치하고, 질소 및 수소(99:1)의 혼합 웨트 가스를 유입하고, 산소 분압 10-19∼10-21atm의 약(弱)환원 분위기로 조정된 전기로에 세트하여, 600℃로부터 1350℃ 사이에서의 히트 사이클을 반복했다.A sample measuring 150 mm long x 50 mm wide x 2 mm thick was cut out, a barium titanate molded body measuring 4 mm in diameter x 3 mm in height was placed, a mixed wet gas of nitrogen and hydrogen (99:1) was introduced, and the oxygen partial pressure was 10 -19 to 10 - It was set in an electric furnace adjusted to a mildly reducing atmosphere of 21 atm, and heat cycles between 600°C and 1350°C were repeated.

이 히트 사이클을 30회 반복한 후, 티탄산바륨 성형체를 재치하고 있던 세터 시료 표면의 4개소(직경 20mm)에 대해 형광 X선 분석에 의해 표면 실리카량(질량%)을 측정하여, 그 값이 0.3% 이내이면 합격으로 했다.After repeating this heat cycle 30 times, the amount of surface silica (mass%) was measured by fluorescence X-ray analysis at four locations (diameter 20 mm) on the surface of the setter sample on which the barium titanate molded body was placed, and the value was 0.3. If it was within %, it was considered passing.

(종합 평가)(comprehensive evaluation)

종합 평가는, 상기한 온도 추종성, 표면 실리카량, 및 내박리성의 3항목이 모두 합격이었던 것을 합격(○), 하나라도 기준을 만족시키지 못한 것을 불합격(×)으로 하였다. 각 소성용 도구재의 조건 및 평가 결과를, 정리하여 이하의 표 1에 나타낸다.In the comprehensive evaluation, those that passed all three items of temperature followability, surface silica amount, and peeling resistance were rated as pass (○), and those that did not satisfy any of the criteria were rated as failed (×). The conditions and evaluation results of each firing tool material are summarized and shown in Table 1 below.

표 1 결과로부터 분명한 바와 같이, 본 발명(실시예)의 범위 내에 있는 것은, 소성용 도구재로서 양호한 특성을 갖고 있었다.As is clear from the results in Table 1, those within the scope of the present invention (Examples) had good properties as tool materials for firing.

구체적으로는, 이 실시예 1에서는, 평가 항목은 전부 합격이었다.Specifically, in Example 1, all evaluation items passed.

실시예 2는, 각 층의 층 두께가 모두 상한이다. 실시예 1과의 비교에서는, 온도 추종성에서 약간 뒤떨어지지만 합격, 표면 실리카량도 상한 부근이지만 합격, 다른 평가 결과도 양호했다.In Example 2, the layer thickness of each layer is all upper limits. In comparison with Example 1, the test passed although slightly inferior in temperature followability, and passed although the amount of surface silica was near the upper limit. Other evaluation results were also good.

실시예 3은, 각 층의 층 두께가 모두 하한이다. 실시예 1과의 비교에서는, 각 층의 두께가 얇은 것에 기인하여 표면 실리카량이 역시 상한에 가까운 값이기는 하지만 합격, 그 밖의 평가 결과도 양호하였다.In Example 3, the layer thickness of each layer is all at the lower limit. In comparison with Example 1, the surface silica amount was still close to the upper limit due to the thinness of each layer, but the pass and other evaluation results were also good.

실시예 4는, 각 층의 기공률이 상한 5%에 가까운 것이다. 실시예 1과의 비교에서는, 기공률이 큰 것에 기인하여 표면 실리카량이 상한 부근이지만 합격, 그 밖의 평가 결과도 양호하였다.In Example 4, the porosity of each layer is close to the upper limit of 5%. In comparison with Example 1, the surface silica amount was near the upper limit due to the large porosity, but the test passed and other evaluation results were also good.

보다 바람직한 예로서, 실시예 5는, 각 층의 두께가 각각 5㎛, 실시예 6은, 각 층의 두께가 각각 25㎛인 것이다. 모두 실시예 1과의 비교에서는, 실시예 5는, 온도 추종성, 실시예 6은, 실리카량이, 각각 양호했다.As a more preferable example, in Example 5, each layer had a thickness of 5 μm, and in Example 6, each layer had a thickness of 25 μm. In both comparisons with Example 1, Example 5 had good temperature followability, and Example 6 had good silica amount.

비교예 1은, 각 층의 층 두께가 본 발명의 범위인 30㎛를 초과하고, 40㎛이다.In Comparative Example 1, the layer thickness of each layer exceeded 30 μm, which is the range of the present invention, and was 40 μm.

이 경우, 기공률이 본 발명의 범위인 5%를 하회하고 있었지만, 표면 실리카량의 합격 라인의 0.3%를 초과해 버려, 불합격이었다.In this case, the porosity was less than 5%, which is the range of the present invention, but the amount of surface silica exceeded 0.3% of the pass line, so it was rejected.

비교예 2는, 각 층의 층 두께가 본 발명의 범위인 30㎛를 초과하고, 100㎛이다. 이 때문에, 온도 추종성에 있어서, 온도의 괴리가 3℃를 초과해 버려, 이 점에서 불합격이 되었다. 또한, 용사법으로 층을 형성할 때의 경향으로서, 원료 입경을 동일하게 하여 층 두께를 두껍게 하면 기공률이 상승해 버리므로, 비교예 1과의 비교에서는 기공률이 커져, 4%를 상회하고 있었다.In Comparative Example 2, the layer thickness of each layer exceeded 30 μm, which is the range of the present invention, and was 100 μm. For this reason, in terms of temperature followability, the temperature difference exceeded 3°C, and in this respect, it was disqualified. In addition, as a tendency when forming a layer by thermal spraying, if the raw material particle size is the same and the layer thickness is increased, the porosity increases. Therefore, in comparison with Comparative Example 1, the porosity increased and exceeded 4%.

비교예 3은, 비교예 2와의 비교에서, 원료 입경을 크게 하여 의도적으로 각 층의 기공률을 높인 것이다. 이 경우, 비교예 2에 비해 더욱 온도 추종성이 크게 악화되었다.In Comparative Example 3, compared to Comparative Example 2, the porosity of each layer was intentionally increased by increasing the raw material particle size. In this case, temperature followability deteriorated significantly compared to Comparative Example 2.

비교예 4는, 비교예 3과의 비교에서, 각 층의 두께를 더욱 두껍게 한 것이다. 이 경우, 비교예 3과의 비교에서 온도 추종성이 약간 악화되었다.In Comparative Example 4, compared to Comparative Example 3, the thickness of each layer was further increased. In this case, compared with Comparative Example 3, temperature followability slightly deteriorated.

비교예 5는, 비교예 4와의 비교에서, 각 층의 두께를 더욱 두껍게 한 것이다. 이 경우, 비교예 4와의 비교에서 온도 추종성이 더욱 악화되었다. 이것으로부터, 각 층의 두께는 온도 추종성에 크게 영향을 주고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 원료 입경이 크고 고기공률의 막이기 때문에, 막 두께가 지나치게 두껍기 때문에, 기재와 용사막의 열 팽창 차가 커짐으로써 박리했다고 할 수도 있다.In Comparative Example 5, compared to Comparative Example 4, the thickness of each layer was further increased. In this case, compared to Comparative Example 4, temperature followability further deteriorated. From this, it can be seen that the thickness of each layer greatly affects temperature followability. In addition, since the raw material particle size is large and the film has a high porosity, the film thickness is too thick, so it may be said that the thermal expansion difference between the base material and the sprayed film increases, causing separation.

또한, 비교예 1과 비교하여, 비교예 3, 4의 쪽이 표면 실리카량이 낮은 이유는, 전자에 비하여 후자의 원료 입경이 크고, 각 층에서의 단위 체적당의 입계가 차지하는 비율이 상대적으로 작아진다. 이에 의해, 실리카가 입계를 우선적으로 확산하는 점에서, 입계가 적은 비교예 3, 4의 쪽이 표면 실리카량은 낮아지는 것이라고 생각된다.In addition, the reason that the amount of surface silica in Comparative Examples 3 and 4 is lower compared to Comparative Example 1 is that the raw material particle size of the latter is larger than that of the former, and the proportion of grain boundaries per unit volume in each layer is relatively small. . As a result, since silica preferentially diffuses through grain boundaries, it is believed that the amount of surface silica in Comparative Examples 3 and 4, which have fewer grain boundaries, is lower.

비교예 6은, 하지층의 층 두께가 본 발명의 범위인 1㎛를 하회하는 것이다. 이 경우, 3개 있는 층 중 하나라도 층 두께가 너무 얇으면, 표면 실리카량이 증가하여 불합격인 것이 판명되었다.In Comparative Example 6, the layer thickness of the base layer was less than 1 μm, which is the range of the present invention. In this case, if the layer thickness of any one of the three layers was too thin, the amount of surface silica increased and it was found to be disqualified.

비교예 7은, 중간층의 층 두께가 본 발명의 범위인 30㎛를 초과하는 것이다. 이 경우, 3개 있는 층 중 하나라도 층 두께가 너무 두꺼우면, 온도의 추종성이 3℃를 초과해 버려, 온도 추종성이 악화되어 불합격인 것이 판명되었다. 또한, 원료 입경이 작은 치밀막이고 또한 막 두께가 지나치게 두껍기 때문에, 기재와 용사막의 열 팽창 차로 박리한다고도 말할 수 있다.In Comparative Example 7, the layer thickness of the intermediate layer exceeds 30 μm, which is the range of the present invention. In this case, if the layer thickness of any of the three layers was too thick, the temperature followability exceeded 3°C, and it was found that the temperature followability deteriorated and was disqualified. In addition, since the raw material particle size is a small dense film and the film thickness is too thick, it can also be said that separation occurs due to thermal expansion differences between the base material and the sprayed film.

비교예 8은, 표면층의 기공률이 본 발명의 범위인 5%를 초과하는 것이다. 이 경우, 3개 있는 층 중 하나라도 기공률이 지나치게 높으면, 표면 실리카량이 0.3%를 초과해 버려, 이 점에서 불합격이 되는 것이 판명되었다.In Comparative Example 8, the porosity of the surface layer exceeds 5%, which is the range of the present invention. In this case, if the porosity of any of the three layers was too high, the amount of surface silica exceeded 0.3%, and it was found to be disqualified in this respect.

그런데, 실시예 1은, W가 28㎛이면서 D/W가 1.5이었다. 여기서, 용사 조건을 변경(분사량 UP)하여, W가 33㎛, D/W가 1.3이 되는 하지층을 형성하고, 그 외는 가능한 한 실시예 1과 동등해지도록 제조한 것을 실시예 7로 하였다. 그리고, 온도 추종성 시험을 20회 연속하여 실시한 후, 내박리성을 평가하였다.However, in Example 1, W was 28 μm and D/W was 1.5. Here, the thermal spraying conditions were changed (spray amount increased) to form a base layer with W of 33 ㎛ and D/W of 1.3, and the rest was made to be as similar to Example 1 as possible, and was used as Example 7. Then, after conducting the temperature followability test 20 times in succession, the peeling resistance was evaluated.

실시예 1과 비교하면, 실시예 7은, 상기 평가 후, 1개소에 경미한 박리가 확인되었다. 즉, 보다 가혹한 사용 조건에 있어서는, 실시예 7은, 실시예 1과의 비교에서는 약간 뒤떨어지는 것이라고 할 수 있다.Compared with Example 1, in Example 7, slight peeling was confirmed at one location after the above evaluation. In other words, it can be said that Example 7 is slightly inferior to Example 1 in harsher usage conditions.

여기서, 용사 조건을 변경(분사량이나 저하)하여, W가 27㎛, D/W가 0.9가 되는 하지층을 형성하고, 그 밖에는 가능한 한 실시예 1과 동등해지도록 제조한 것을 실시예 8로 한다. 그리고, 실시예 7일 때와 마찬가지로, 온도 추종성의 시험을 20회 연속하여 실시한 후, 내박리성을 평가했다.Here, by changing the spraying conditions (spray amount or reduction), a base layer with W of 27 ㎛ and D/W of 0.9 was formed, and in other respects, Example 8 was manufactured to be as equivalent to Example 1 as possible. . Then, as in Example 7, the temperature followability test was conducted 20 times in succession, and then the peeling resistance was evaluated.

그 결과, 실시예 1과 비교하면, 실시예 8은, 상기 평가 후, 역시 1개소에 경미한 박리가 확인되었다.As a result, compared to Example 1, in Example 8, slight peeling was confirmed at one location after the above evaluation.

또한, 용사 조건을 변경(분사량과 온도 변경)하여 W가 32㎛, D/W가 0.85가 되는 하지층을 형성하고, 그 이외에는 가능한 한 실시예 1과 동등해지도록 제조한 것을 실시예 9라 한다. 그리고, 실시예 7, 8일 때와 동일하게, 온도 추종성의 시험을 20회 연속하여 실시한 후, 내박리성을 평가했다.In addition, by changing the spraying conditions (changing the spray amount and temperature), a base layer with W of 32㎛ and D/W of 0.85 was formed, and other than that, the product was manufactured to be as equivalent to Example 1 as possible, and is referred to as Example 9. . Then, in the same manner as in Examples 7 and 8, the temperature followability test was conducted 20 times in succession, and then the peeling resistance was evaluated.

그 결과, 실시예 1과 비교하면, 실시예 9는, 상기 평가 후, 합계 3개소에 경미한 박리가 확인되었다. 역시, W와 D/W의 양쪽이, 보다 바람직한 범위를 벗어난 실시예 9는, 실시예 7, 8과 비교하는 한, 약간 뒤떨어지는 것이라고 할 수 있다.As a result, compared with Example 1, slight peeling was confirmed in Example 9 at a total of three locations after the above evaluation. As expected, Example 9, in which both W and D/W were outside the more desirable range, can be said to be slightly inferior compared to Examples 7 and 8.

또한, 실시예 7∼9는, 온도 추종성과 실리카량에 대해서는, 모두 합격이었다.In addition, in Examples 7 to 9, all passed in terms of temperature followability and silica amount.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 소성용 도구재를 이용하면, 온도 추종성이 높고, 소성에 반복 사용하여도 표면 실리카의 부상이 적기 때문에, 소성 후의 제품에서의 품질 영향이 적고, 또한, 종래보다도 고속의 조건으로 소성할 수 있어, 생산성의 향상에 기여한다.As explained above, when the tool material for firing according to the present invention is used, temperature followability is high and surface silica is less likely to float even when used repeatedly for firing, so the quality impact on the product after firing is less than before. It can be fired under high-speed conditions, contributing to improved productivity.

Z 기재
1 하지층
2 중간층
W 폭
D 깊이
L1 잠입 폭
L2 잠입 폭
X 기준선
Z description
1 lower floor
2 middle layer
W width
D depth
L1 Infiltration Width
L2 Infiltration Width
X baseline

Claims (4)

산화막과,
상기 산화막의 표면에 형성된, 뮬라이트를 주성분으로 한 알루미나의 총 함유량이 65 질량% 이상 95 질량% 이하인 알루미나-실리카질이고, 두께 1㎛ 이상 30㎛ 이하의 하지층과,
상기 하지층의 표면에 형성된, 알루미나 95 질량% 이상 99.9 질량% 이하이고, 두께 1㎛ 이상 30㎛ 이하의 중간층과,
상기 중간층의 표면에 형성된, 칼시아 또는 이트리아를 안정화제로 한 안정화 지르코니아로 이루어지며 두께 1㎛ 이상 30㎛ 이하의 표면층을 구비하고,
상기 하지층, 상기 중간층, 및 상기 표면층의 모두가 기공률 5% 이하인 것을 특징으로 하는, 소성용 도구재.
oxide film,
A base layer formed on the surface of the oxide film, which is alumina-siliceous with a total content of alumina containing mullite as a main component of 65% by mass or more and 95% by mass or less, and has a thickness of 1 μm or more and 30 μm or less;
An intermediate layer formed on the surface of the base layer, containing 95% by mass or more and 99.9% by mass or less of alumina, and having a thickness of 1 μm or more and 30 μm or less,
A surface layer formed on the surface of the intermediate layer is made of stabilized zirconia with calcia or yttria as a stabilizer and has a thickness of 1 ㎛ or more and 30 ㎛ or less,
A tool material for firing, characterized in that all of the base layer, the intermediate layer, and the surface layer have a porosity of 5% or less.
제1항에 있어서,
상기 산화막이 SiO2층인 것을 특징으로 하는, 소성용 도구재.
According to paragraph 1,
A tool material for firing, characterized in that the oxide film is a SiO 2 layer.
제1항 또는 제2항에 있어서,
적어도 피소성물이 재치되는 부분의 기재의 두께가 1.5mm 이상 4mm 이하인 것을 특징으로 하는, 소성용 도구재.
According to claim 1 or 2,
A tool material for firing, characterized in that the thickness of the base material at least in the portion where the object to be fired is placed is 1.5 mm or more and 4 mm or less.
제1항에 있어서,
소성용 도구재의 임의의 절단면에 있어서, 상기 하지층, 상기 중간층, 및 상기 표면층 중 적어도 어느 하나가 상기 기재에 파고들어간 개소를 파고들어감부로 규정하고, 상기 파고들어감부의 깊이를 D, 상기 파고들어감부의 폭을 W로 했을 때에, W≤30㎛이면서 D/W≥1인 것을 특징으로 하는, 소성용 도구재.
According to paragraph 1,
In an arbitrary cut surface of a tool material for firing, a location where at least one of the base layer, the intermediate layer, and the surface layer penetrates into the base material is defined as a recessed portion, and the depth of the recessed portion is defined as D, and the recessed portion is defined as D. A tool material for firing, characterized in that when the width is W, W ≤ 30 ㎛ and D/W ≥ 1.
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