JPH01243388A - セラミックスヒーター - Google Patents

セラミックスヒーター

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JPH01243388A
JPH01243388A JP63070810A JP7081088A JPH01243388A JP H01243388 A JPH01243388 A JP H01243388A JP 63070810 A JP63070810 A JP 63070810A JP 7081088 A JP7081088 A JP 7081088A JP H01243388 A JPH01243388 A JP H01243388A
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JP
Japan
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sic
powder
vol
sintered body
sialon
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Application number
JP63070810A
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English (en)
Inventor
Yutaka Kubo
裕 久保
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Proterial Ltd
Original Assignee
Hitachi Metals Ltd
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/58007Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on refractory metal nitrides

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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、2種類の導電性化合物を含み、残部が主とし
て窒化珪素および/またはサイアロンからなる導電性セ
ラミックス焼結体製のヒーターに関するものである。
〔従来の技術〕
αまたはβSi3N4を主成分とする窒化珪素および5
is−zAl、O2N、−、(z =0−4.2)で示
されるβサイアロン、MX(SiIAl)12(OIN
)ts(X<29MはLi、Mg、Ca、Y、希土類元
素(La、Ce除く)〕で示されるαサイアロン、およ
びこれらの複合したα+βサイアロンからなるサイアロ
ンは、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良いため、近年種々の分野にお
いて利用されている。また一方で、これらは極めて廻加
工性材料でもあるため、その対策として放電加工を可能
とするために導電性を付与するとの提案もなされている
(特開昭57−188453号公報、特開昭57−20
0255号公報、特開昭59−207881号公報。
特開昭60−33265号公報など)、また、これらを
ヒーター材として用いるとの提案もなされている(特開
昭60−60983号公報、特開昭62−140386
号公報など)。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記の導電性を有する窒化珪素またはサイアロンは導電
性化合物としてIVa、Va、VIa族の遷移金属元素
の炭化物、窒化物などを使用する。これらの化合物は一
般に高融点であるため、高温での焼結においても変質す
ることはない、しかし、これらの化合物は、窒化珪素ま
たはサイアロンに比べ耐酸化性が悪いという問題点があ
り、これにより最高使用温度が制限される場合もある。
また、これらの化合物は電気抵抗率が10−5Ω・1オ
ーダーのものが多く、このため例えばヒーター材として
10゛3Ω・1以上の高い電気抵抗率を得ようとした場
合、ili気抵抗抵抗率激に変化する部分となり。
安定したバラツキの少ない電気抵抗率の値を得ることは
極めて困難であり、これが実用化の大きな妨げとなって
いる。ここでバラツキとは、ロフト間のバラツキ、焼結
体間のバラツキ、焼結体内部のバラツキを示す。
以上のように、従来提案されている導電性を有する窒化
珪素またはサイアロンは優れた材料ではあるが、上記の
ような問題点も有しているものである。
本発明は、以上の問題点に鑑み耐酸化性に優れ、かつ高
電気抵抗域における抵抗率のバラツキが少ないセラミッ
クス焼結体製のヒーターを提供するものである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明者は、前記問題点を解決するために種々の導電性
化合物について検討を行なった結果、従来から用いられ
ているIVa、VaおよびVIa族の酸化物、窒化物等
からなる導電性化合物とSiCとを共に添加することに
より、耐酸化性および高電気抵抗域における電気抵抗率
のバラツキ改善をなし得ることを知見し5本発明を完成
するに至った。
すなわち本発明は、窒化珪素系セラミックスを母材とし
第1の導電性化合物として0.1〜50vol%のSi
C、ならびに第2の導電性化合物として10〜70vo
l%のNa、VaおよびVIa族の遷移金属元素の炭化
物、窒化物および酸化物の1種または2種以上の化合物
を1種以上含む導電性セラミックス焼結体からなること
を特徴とするセラミックスヒーターである。
SiCはその焼結体特性より明らかなように、耐酸化性
に極めて優れた材料であり、しかも電気抵抗率は101
〜104Ω・G程度の半導体的な性質を有している。
本発明においては、以上のような性質を有するSiCと
rVa、Va、VIa族の炭化物、窒化物等の化合物を
複合添加することにより、従来の導電性を有する窒化珪
素またはサイアロンの問題点を改善したヒーターを製造
することが可能となった。本発明は窒化珪素、サイアロ
ンに広く適用できるものであり、サイアロンについても
αサイアロン。
βサイアロン、α+βサイアロンのいずれであっても所
定の効果を得ることができる。なお、βサイフロンにあ
っては、zく1の場合常温、高温強度が優れ、硬さ、靭
性も高いものとなるので望ましい。
IVa、Va、VIa族の遷移金属元素の化合物として
は、種々のものを選ぶことが可能であるが。
TiNを用いる場合には、焼結性、強度、耐酸化性等の
面から好ましい結果が得られる。SiCの添加量を0.
1〜50vol%とするのは、0.1vol%未満では
本発明の効果が期待できず、50vol%を越えると焼
結性が低下し、緻密な焼結体を得ることが困難となるか
らである。さらに好ましくは3〜30vol%である。
また、IVa、Va、VIa族の遷移金属元素の化合物
量を10〜70vol%とするのは、1Ovol%未満
では十分な導電性を得ることができず、また70シo1
%を越えると焼結性が低下し、また窒化珪素およびサイ
アロンの本来持つ特性である高温特性が低下するためで
ある。さらに好ましくは15〜50voL%である。
上記の本発明導電性セラミックス焼結体製ヒーターは、
次のような製造方法により得ることができる。すなわち
Si、N、粉末、Al、03粉末、AIN粉末、 nl
a族元素の酸化物粉末、MgO粉末等を所定の窒化珪素
および/またはサイアロンとなるように配合し、これら
に対し第1の導電性化合物であるSiC粉末と第2の導
電性化合物であるIVa、Va、VIa族の遷移金属元
素の炭化物、窒化物、酸化物等のうち1種または2種以
上の化合物粉末を1種以上所定量添加し、混合、所定の
形状への成形の後、非酸化性雰囲気中で焼結する。
ここで焼結は常圧焼結、ガス圧焼結、HIP焼結、ホッ
トプレス等の各種方法を選ぶことができる。
焼結の雰囲気は非酸化性雰囲気で行なうことが好ましく
、N2ガス雰囲気、加圧N、ガス雰囲気、減圧N2ガス
雰囲気、N2を含む不活性ガス雰囲気等必要に応じ各種
の条件で焼結を行なうことが可能である。
なお、IVa、Va、VIa族の遷移金属元素の化合物
は、焼結中にそれらの化合物に変化するものを原料とし
て用いることもできる。
また、焼結後にHIP処理によりさらに特性の向上を図
ったり、熱処理を行ない粒界相を結晶化させたりするこ
とも可能である。
なお、特開昭59−207881号にはIVa、Va、
VIa族の窒化物等とSiCの複合化の可能性は開示さ
れているが、具体的実施例の記載もなく、また本願発明
の効果の記載もないから本願発明の進歩性を否定するも
のではない。
〔実施例〕
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳しく説明する
実施例I SL、N4粉末(粒度0.7μ糟、α化率93%)、Y
2O。
粉末(粒度1 p m、99.99%)、AIN粉末(
粒度1pn+)、A1□0.粉末(粒度0.5μm、9
9.5%)を用い、焼結体の2の値が0.4となるよう
に配合した。ここでY2O、量は6%1t%一定とした
。これに対し、TiN粉末(粒度1.5μm)を25ν
o1%添加し、さらにSiC粉末(粒度0.7μ+m)
をO〜60vol%添加し、原料粉末とした。
これらを混合成形の後、1750℃、5時間、1気圧窒
素中で焼結した。得られた焼結体の特性を第1表に示す
第1表よりSiCの添加により耐酸化性が向上可能であ
ることがわかる。また、SiC添加量が50vol%を
越えた場合には焼結性が低下する。
実施例2 実施例1と同様の粉末を用い、Si、N4粉末に対しY
2O3粉末とAIN粉末を5L3N、に対しくY2O,
+9AIN)が20mo1%添加した。これに対しSi
Cを20vol%添加し、さらにT i Nを5−80
vol%添加したものを原料粉末とした。これらを混合
成形の後、1730℃、4時間、5気圧窒素中で焼結し
た。
得られた焼結体の特性を第2表に示す。
第2表よりTiN添加量は、10〜70vol%におい
て良好な特性が得られることがわかる。
実施例3 実施例1と同様の粉末およびMgO粉末(平均粒径1.
0μm)を用いて各種組成のS i3Nいサイアロンを
配合した。これに対しSiC15vol%とTiN25
vol%を加え、これを原料粉末とした。これらを混合
成形の後、各種焼結条件にて焼結した。得られた焼結体
の特性を第3表に示す。
第3表 実施例4 実施例1と同様の粉末およびIVa、Va、VIa族の
遷移金属の化合物粉末(平均粒径1.5−3.0μm)
を用い、Z=O,Sのβサイアロンとなるような組成に
配合した(YsOi量は7+++o1%)、これに対し
、各種化合物粉末を30vol%添加し、さらにSiC
粉末を15vol%添加し、これを原料粉末とした。こ
れらを混合、成形の後1700〜1800℃、3〜6時
間、1気圧窒素雰囲気中で焼結した。得られる焼結体の
特性を第4表に示す。
第4表 実施例5 実施例1と同様の粉末を用い、Z=0.4のβサイアロ
ンとなるような組成に配合した(y、o、量は6mo1
%)、これに対し、TiN粉末を2O−30vol%と
SiC粉末を0〜20vol%添加したものを原料粉末
とし、混合、成形の後、1750℃×3時間、1気圧窒
素雰囲気中で焼結した。得られた焼結体の相対密度、電
気抵抗率およびバラツキを第5表に示す。
ここでバラツキは、多数の粉末ロットからとった焼結体
間のバラツキを示す。
これより、SiCを添加することにより電気抵抗率のバ
ラツキを小さくすることが可能であることがわかる。
実施例6 実施例1と同様の粉末を用いてZ=0.3のβサイアロ
ンとなるように配合した( y a o−量は5wt%
)。
これに対しTiNおよびSiCを第6表記載の景添加し
、これを原料粉末とした。これらを混合の後第1図のヒ
ーター形状(第1@(a)上面図、(b)側面図)に成
形し、1750〜1850℃、4〜6時間、5気圧窒素
雰囲気中で焼結した。得られたヒーターにつき電気抵抗
およびその分布範囲を測定した。ここで測定個数は各1
00ケとした。結果を第6表に示す(電気抵抗(Ω)は
平均値)。
第6表 以上より本発明のヒーターを用いれば、従来のSiCを
添加しないものに比べ、電気抵抗率のバラツキを大幅に
減少することができることがわかる。
実施例7 実施例6のT i N量26vol%、SiC量1.5
vol%の材料にて作製したヒーターを直流電源に接続
し、11Vを加えて通電し先端部の温度を測定した。結
果を第2図に示す。
これより本ヒーターは速熱性を有することがわかる。
以上の実施例により、本発明のSiCとrVa、Va、
VIa族の遷移金属元素の化合物の複合添加により得ら
れた導電性を有する窒化珪素またはサイアロン焼結体製
のヒーターはSiCを添加しない従来の焼結体製のヒー
ターに比べ、耐酸化性の改善および高抵抗側での電気抵
抗率のバラツキの抑制が可能となることがわかる。
さらに本発明によるヒーターは高密度、高強度の特性を
有するため、ヒーター形状は前記した形状に限らず棒状
、板状などの構造にすることも可能である。
〔発明の効果〕
本発明により、従来の導電性を有する窒化珪素、サイア
ロン製ヒーターにおいて最大の問題であった、耐酸化性
および高抵抗側での電気抵抗率のバラツキを著しく改善
することができる。これにより、従来材では不可能であ
った高温用途への適用が可能となる他、高抵抗側での電
気的性質を利用した分野への適用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は実施例に基づいたヒーターの形状を示す図、第
2図は本発明の実施例になるヒーターの昇温特性を示す
図である。 出願人 日立金属株式会社  、   +。 −5″ 第1図 第2図 通電時間(sec)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 窒化珪素系セラミックスを母材とし第1の導電性化
    合物として0.1〜50vol%のSiC、ならびに第
    2の導電性化合物として10〜70vol%のIVa、V
    aおよびVIa族の遷移金属元素の炭化物、窒化物および
    酸化物の1種または2種以上の化合物を1種以上含む導
    電性セラミックス焼結体からなることを特徴とするセラ
    ミックスヒーター。 2 窒化珪素系セラミックスがαまたはβ Si_3N_4を主体とする窒化珪素である特許請求の
    範囲第1項記載のセラミックスヒーター。 3 窒化珪素系セラミックスがサイアロンである特許請
    求の範囲第1項記載のセラミックスヒータ4 第2の導
    電性化合物がTiNである特許請求の範囲第1項ないし
    第3項いずれかに記載のセラミックスヒーター。
JP63070810A 1988-03-24 1988-03-24 セラミックスヒーター Pending JPH01243388A (ja)

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