JPH02107572A

JPH02107572A - 導電性サイアロン焼結体とヒータ

Info

Publication number: JPH02107572A
Application number: JP63017587A
Authority: JP
Inventors: Yukio Ogasawara; 幸夫小笠原; Seiji Okazaki; 岡崎　清治; Kenji Maruta; 丸田　賢二
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1988-01-28
Filing date: 1988-01-28
Publication date: 1990-04-19
Also published as: WO1989007092A1; US5108659A

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、高温使用時に焼結体が部分的に膨らんで破損
するのを防止し、その耐久性を向上させた導電性サイア
ロン焼結体とヒータとに関するものである。

「従来の技術」サイアロン焼結体のうちβ型のものは、高温強度および
耐酸化性に優れ、熱膨張係数が小さく、耐熱衝撃性が非
常に大きい等の利点があるため、近年種々の分野におい
て利用されている。このβ型サイアロン焼結体は、例え
ば特公昭５８−１４３９１号公報または特公昭５Ｂ−５
２９４９号公報などにより知られているように、窒化ケ
イ素、窒化アルミニウムおよびアルミナからなる第１成
分と、イツトリウム、スカンジウム、セリウム、ランタ
ンおよびランタニド系諸金属のうち少なくとも１つの元
素の酸化物からなる第２成分とからなる粉末混合物を形
成し、この成形体を加圧下または非加圧下において保護
雰囲気内で焼結することにより得られている。

上記利点を有するサイアロン焼結体を加熱手段に利用す
るため、サイアロン焼結体原料に導電性材料を混入させ
て焼結したものが知られている。

例えば本出願人は、窒化ケイ素を主成分とし、これに導
電性付与のためのＩＶａ族、ｖａ族、Ｖｌａ族の炭窒化
物と、焼結助剤としてのアルミナおよび酸化イツトリウ
ム等を混合し、焼結した窒化ケイ素系導電性セラミック
スを提案した（特開昭６Ｏ−３３２Ｂ５号公報）、この
場合の導電性セラミックスは、酸化性雰囲気での使用を
可能にし、温度変化に対する制御が容易となるように電
気抵抗率が小さく、かつ抵抗温度係数が正であること１
機械的強度が大きいことを目的として開発したものであ
る。また粒界層が多くなり過ぎないようにして焼結体の
強度を向上させるため、焼結助剤としてのアルミナ、窒
化アルミ、酸化イツトリウム等の量を、原料中の窒化ケ
イ素に対して１〜１０ｗｔ％とじている。このように焼
結助剤の量を限定したのは１　ｗｔ％以下では焼結助剤
としての効果はなく、また１０ｗｔ％以上では粒界層が
多くなり高温強度が低下するためである。

「発明が解決しようとする課題」本発明者らは、上記光に提案した加熱手段に使用する導
電性サイアロン焼結体を用いてヒータを構成し、種々実
験検討を行なっていたところヒータに電圧を印加して自
己発熱させた場合に、焼結体の一部に第２図（焼結体の
部分断面図）に示すようなフクレを生じ、これにより表
面に沿った方向のクラック（第２図中Ａ）が生じたり、
さらにひどいときには表面に垂直な方向にもクラックが
生じて導電性が遮断され焼結体の加熱機能が損なわれて
しまうという現象を生ずる場合があることに気づいた。

そこで本発明は、導電性サイアロン焼結体を高温で使用
しても、フクレ現象が生じないようにし、導電性サイア
ロン焼結体の耐久性を向上させることを目的とする。

「課題を解決するための手段」前記課題を解決するため本発明者等は、導電性サイアロ
ン焼結体における、フクレ現象の原因が何に起因するも
のであるかを鋭意研究し、フクレ現象が焼結体に生じる
酸化層の厚さに関係があることを知った。

その関係は次の通りである。Ｓｉ３Ｎ４を主成分とし、
少量のＡｌＮポリタイプと７豐ｔ％のＹ　２０３とを含
有する原料粉末に、少量のＡ１２０ｚを添加し、これら
からなる原料粉末に対してＴｉの炭化物、窒化物および
炭窒化物のうちの一種以上を３０マｏ１％混合し、焼結
して導電性サイアロン焼結体を作成した。焼結体は、長
板状（長さ２００鳳鵬断面の縦、横はそれぞれ１．５腸
層、２．６鳳鵬）に形成し、それに５ｖの電圧を印加す
ると第３図に示すように、焼結体中央部が最高温度とな
り端部に向って徐々に低くなるような温度分布を示し、
電圧印加して約３０秒後には中央部が約１０２０℃で端
部が約７００℃となって安定状態になる。そして、前記
フクレ現象は中央から数ｌ離れた特定の位置に生じるこ
と、および上記温度分布との関係から、フクレ現象と温
度とが密接な関係にあると推定した。

このため、導電性サイアロン焼結体を電気炉中に入れ、
種々の温度で熱保持して加熱温度と組織変化等とを検討
した結果、加熱温度と酸化層の厚さの関係が第４図に示
すようになった。第４図から加熱温度が８５０℃付近で
、酸化層の厚さが他の温度に比べて非常に大きく、前記
温度分布とフクレ現象発生位置との関係から酸化層の厚
い位置にフクレ現象が生じやすいことがわかった。すな
わち、フクレ現象を防止するためには、酸化層の厚さを
制御することが重要であることがわかった。

本発明は前記フクレ現象を防止したものであり、Ｓｉ３
　Ｎ４を主成分とし、少量の＾ＩＮポリタイプと５　ｗ
ｔ％以下のＹ２Ｏ３とを含有する原料粉末に、少量のＡ
ｌ１０３を添加し、これらからなる原料粉末に対してＴ
ｉの炭化物、窒化物および炭窒化物のうちの一種以上を
２３〜７０マＯ１％混合し、焼結して成ることを特徴と
する導電性サイアロン焼結体である。

また他のもう１つの発明は、前記発明の焼結体を所定形
状に形成して、電極を設けたヒータである。

本発明において、導電性物質としてＴｉの炭化物窒化物
および炭窒化物のうちの１種以上を用いるのは１次の理
由による。すなわち前述した公知例などによって知られ
ているように、Ｔｉ以外のＶａ族、Ｖａ族、Ｖｌａ族の
炭化物、窒化物、硼化物、珪化物などによっても導電性
をもつサイアロン焼結体を得ることができるが、比較的
複雑な形状の焼結体を得ることが可能な常圧焼結又はガ
ス圧焼結による焼結性を考慮すると、Ｔｉの炭化物、窒
化物、炭窒化物が最も好適であるからである。

また、Ｔｉの炭化物、窒化物または炭窒化物の添加にを
２３〜７０ｖｏｌ％とするのは、２３マｏ１％未満では
Ｔｉの炭化物、窒化物または炭窒化物粒子の相互の接触
による導電経路が得難くなり所望の導電性を示さないか
らであり、一方、７０ｖｏｌ％を越えて含有する場合に
はβ型サイアロン本来の性質である対酸化性、高温強度
等が著しく損なわれるからである。

本発明は、アルミナ、窒化アルミ、酸化イツトリウム等
の焼結助剤のうち、酸化イツトリウムが導電性サイアロ
ン焼結体の耐酸化性に大きく影響し、特に、酸化イツト
リウムの添加量が、導電性サイアロン焼結体の高温使用
における耐久性に非常に大きな影響を与えることに基づ
いてなしたものである。

すなわち、Ｙ２０ｆｆの含有量を５　ｗｔ％以下とした
のは、５　ｗｔ％を越えると前記フクレ現象が生じやす
くなるからである。なおＹ２Ｏ３の含有量が４　ｗｔ％
以下であればより効果が大きく、一方、１ｗｔ％未満で
は焼結助剤としての効果が小さくなるので、Ｙ２Ｏ３の
より好ましい含有量範囲は１〜４　ｗｔ％である。

「実施例１」Ｓｉｘ　Ｎ４　、　ＡｌＮポリタイプ、オヨびＹ２０１
を表１の組成で配合し、これにＡｌ２Ｏ３を５　ｗｔ％
加えたものに対してＴｉＮが３０ｖｏ１％含有するよう
に各原料粉末をそれぞれ混合して焼結することにより、
導電性サイアロン焼結体の試料１〜５と比較例を作成し
た。原料粉末の成形は、ＣＩＰ成形により行ない、焼結
は、常圧窒素中１６００〜１９００℃の温度で行なった
。なお原料粉末の成形をＣＩＰ成形でする代りに、プレ
ス、射出成形、スリップキャスト等の成形方法によって
もよく、また焼結後にＨＩＰ処理することによりさらに
特性の向上を図ることができる。

次いで、各焼結体を、第１図に示すような長板状（長さ
２０■、断面の縦、横はそれぞれ１．５　ａｍ、２．８
　ｆｆｉｍ）に加工形成した。

作成した各試料および比較例の焼結体を加熱炉内に入れ
て、　８５０℃にて８０時間保持した。この加熱により
各試料および比較例の表面に生じた酸化層の厚さを測定
した。その結果を、第５図に白丸印で示した。

第５図かられかるように、Ｙ２Ｏ３が５　ｗｔ％を越え
ると酸化層は急激に厚くなる。したがって５ｗｔ％以下
であれば耐酸化性が大きく、フクレ現象が殆ど生じない
ことがわかる。なお、Ｙ２０１が４　ｗｔ％以下の場合
には、醇化層厚さが約１１０１Ｌでほぼ安定であり、十
分な耐酸化性を示すので、より好ましいことがわかる。

次にＹ２Ｏ３の含有量と、曲げ強度の関係を第５図に黒
丸印で示した。第５図から、Ｙ２Ｏ３の含有量の変化は
、曲げ強度に、たいした影響を与えないことがわかる。

またＹ２Ｏの含有量と、固有抵抗率及び相対密度との関
係について、第６図にそれぞれの測定値を白丸印と黒丸
印で示した。第６図から明らかなように、固有抵抗率、
相対密度ともにＹ２０３の含有量によっては殆ど変化し
ないことがわかる。

以上より、導電性サイアロン焼結体の対酸化性を向上さ
せてフクレ現象を防止するために、　Ｙ２Ｏ３の含有量
を５　ｗｔ％以下にしても、導電性サイアロン焼結体に
おける固有抵抗率等の諸特性が実用上問題となるほどの
悪影響を受けないことがわかる。

「実施例２」Ｓｉ３　Ｎ４　、　ＡｌＮポリタイプ、およびＹ２Ｏ３
を表２の組成で配合し、これにＡｌ２０ｒを５　ｗｔ％
加えたものに対してＴｉＮが３０ｖｏｌ％含有するよう
に各原料粉末をそれぞれ混合して焼結することにより、
導電性サイアロン焼結体の試料６．７と比較例を作成し
た。なお各原料粉末の成形と焼結体の焼結は、第１実施
例と同様にした。

作成した各焼結体に電極を設ければヒータとなる。本実
施例でも各試料および比較例の焼結体に電極を設け、そ
の電極を介して電圧を連続印加することにより、焼結体
中央部を１１００”０に保持した。この場合に、各焼結
体が酸化してフクレ現象によりクラックが生じて損なわ
れるまでの時間を測定し、その測定値を表３に示した。

表３かられかるように、Ｙ２Ｏ３の含有量が５ｗｔ％以
下であれば比較例の場合よりかなり耐久時間が長＜、３
ｗｔ％になると十分にフクレ現象に対する耐久性あるこ
とがわかる。

また、表２に示す組成の試料６．７と比較例について、
それらの中央部が１０００℃になるように電圧印加し、
１０００℃に到達後３０秒加熱保持した後６０秒間遮断
する過程を連続して繰返すことにより、何回耐えられる
かを測定し、その結果を表４に示した。

（以下余白）表４かられかるように、Ｙ２Ｏ３が５ｗｔ％のものは比
較例の場合よりかなり耐久性があり、Ｙ２Ｏ３が３　ｗ
ｔ％のものは十分に耐久性があることがわかる。

「実施例３」実施例２の試料６の組成においてＴｉＮの代りにＴｉＣ
およびＴ１ＣＮを含有させたものを第２実施例と同様の
方法によりそれぞれ作製した。

これら２種類の焼結体について、第２実施例と同様に、
フクレ現象の生じるまでの耐久時間を測定するとともに
、電圧印加と遮断を繰返して耐久回数を測定した。これ
ら耐久時間と耐久回数は、試料６の場合とほぼ同一であ
った。

「発明の効果」本発明の導電性サイアロン焼結体およびヒータは、その
組成成分のＹ２Ｏ３が５　ｗｔ％以下にされ゛ることに
よりフクレ現象を防止でき、高温使用時に、クラックが
生じに〈〈なって耐久性が増す。

尚、Ｙ２Ｏ１の含有量を５１＃ｔ％以下にしても、曲げ
強度、固有抵抗値等の特性は、含有量がそれ以上のもの
とほぼ同一であり、Ｙ２Ｏ３の含有量を少なくしても問
題はない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の導電性サイアロン焼結体の斜視図、第
２図は従来の同焼結体のフクレ現象を示す断面図、第３
図は導電性サイアロン焼結体の各位置での加熱温度を示
すグラフ、第４図は導電性サイアロン焼結体の加熱温度
による酸化層厚さを示すとともに曲げ強度を示すグラフ
、第５図はＹ２Ｏ３含有量と酸化層厚さおよび曲げ強度
の関係を示すグラフ、第６図はＹ２Ｏ３含有量と固有抵
抗率および密度との関係を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｓｉ＿３Ｎ＿４を主成分とし、少量のＡｌＮポリ
タイプと５ｗｔ％以下のＹ＿２Ｏ＿３とを含有する原料
粉末に、少量のＡｌ＿２Ｏ＿３を添加したものに対して
、Ｔｉの炭化物、窒化物および炭窒化物のうちの一種以
上を２３〜７０ｖｏｌ％混合し、焼結して成ることを特
徴とする導電性サイアロン焼結体。
（２）Ｓｉ＿３Ｎ＿４を主成分とし、少量のＡｌＮポリ
タイプと５ｗｔ％以下のＹ＿２Ｏ＿３とを含有する原料
粉末に、少量のＡｌ＿２Ｏ＿３を添加したものに対して
、Ｔｉの炭化物、窒化物および炭窒化物のうちの一種以
上を２３〜７０ｖｏｌ％混合して所定形状に形成し、焼
結した焼結体に電極を設けたことを特徴とするヒータ。