DE19757752A1

DE19757752A1 - Keramische Heizvorrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE19757752A1
Application number: DE1997157752
Authority: DE
Inventors: Arihito Tanaka; Chihiro Sakurai
Original assignee: JIDOSHA KIKI CO Ltd TOKIO/TOKYO JP; Jidosha Kiki Co Ltd
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 1998-07-02
Also published as: JPH10189226A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine keramische Heizvorrichtung, die aus einem Hochtemperaturheizungs-Sinterkörper gebildet wird, der in einer Glühkerze und dergleichen zur Zündung verschiedener Heizer und Brenner und zum Hilfs-Anlassen eines Diesel-Motors verwendet wird, und ein Verfahren zur Herstellung derselben.

Eine Glühkerze wird beispielsweise als Hilfs-Heizquelle (Vorheizquelle) beim Starten eines Diesel-Motors verwendet. Eine herkömmlicherweise bekannte Glühkerze die ses Typs hat im allgemeinen eine Struktur, in der eine Metall-Heizvorrichtung aus Ni-Cr (Nickel-Chrom), Fe-Cr (Eisen-Chrom) oder dergleichen in einem hitzebestän digen isolierenden Pulver wie MgO (Magnesia) eingebettet ist, und die in das hitze beständige isolierende Pulver eingebettete Metall-Heizvorrichtung mit einem hitze beständigen Metall-Mantel bedeckt ist.

In einer Glühkerze dieses Typs muß die Anstiegszeit bis zum Erreichen von 800°C verkürzt werden, die Spitzen- und Sättigungstemperaturen müssen höher gesetzt werden und die Nachglühzeit muß verlängert werden, um heutigen Abgas-Bestimmungen zu entsprechen. Um diese Bedingungen zu erreichen, muß im Heiz- Teil des Heizelements ein hochschmelzendes Metall verwendet werden. Der Man tel-Teil wird nicht aus einem Metall, sondern aus einer bei einer hohen Temperatur verwendbaren Keramik hergestellt.

Beispielsweise offenbart die japanische Patentoffenlegung Nr. 55-126989 als kera mische Heizvorrichtung, die in der oben erwähnten Glühkerze verwendet wird, die Struktur, in der ein hochschmelzendes Metall wie W (Wolfram) in einer isolierenden Siliciumnitrid-Keramik, die ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und Hitze schockbeständigkeit aufweist, eingebettet ist.

In dieser keramischen Heizvorrichtung finden jedoch während des Sinterns Rißbil dung, Ablösen und dergleichen statt oder der Widerstand des Heiz-Teils wird insta bil, da zwischen dem Metall und der isolierenden Keramik (insbesondere auf der Metallseite) eine Reaktionsschicht wie eine Wolframsilicid-Schicht gebildet wird. Wegen der oben beschriebenen Herstellungsprobleme kann die Temperatur beim Sintern der Keramik nicht so stark erhöht werden, und die Keramik wird unter Ver wendung eines Heißpressens gesintert.

Selbst beim Heißpreß-Sintern beträgt die maximale Sintertemperatur höchstens 1.750°C. Wenn die Keramik bei einer höheren Temperatur gesintert wird, wird die Bildung einer Reaktionsschicht wie einer Wolframsilicid-Schicht zwischen dem Me tall und der isolierenden Keramik bestätigt.

Es ist schwierig, Keramiken auf Siliciumnitrid-Basis bei 1.750°C oder weniger zu sintern, außer wenn die Menge an Sinterhilfsmitteln erhöht wird oder niedrigschmel zende Sinterhilfsmittel ausgewählt werden. Wenn die Menge an Sinterhilfsmitteln erhöht wird oder der niedrigschmelzende Hilfsstoff ausgewählt wird, verschlechtern sich jedoch die Hochtemperatureigenschaften der Keramiken auf Siliciumnitrid-Basis. Ferner kann eine Keramik auf Siliciumnitrid-Basis bei 1.750°C oder weniger nicht vollkommen gesintert werden.

Um die Bildung einer Reaktionsschicht wie der obigen Wolframsilicid-Schicht zu verhindern, offenbart die japanische Patentoffenlegung Nr. 61-179084 die Struktur, in der die Oberfläche eines Widerstands-Heizelements aus W (Wolfram) oder Mo (Molybdän) mit einer oxidfreien Keramik bedeckt ist.

Diese Struktur erfordert jedoch einen zusätzlichen Schritt des Bedeckens der Ober fläche des Widerstands-Heizelements mit der oxidfreien Keramik, was zu hohen Herstellungskosten führt. Außerdem ist es schwierig zu erreichen, daß die Oberflä che des spiralförmigen W einheitlich mit einem oxidfreien Keramik bedeckt ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die keramische Heizvorrichtung, bei der eine Reaktionsschicht auf einem hochschmelzenden Metall verhindert werden kann und der Widerstand eines hochschmelzenden Metalls stabil gehalten wird, und ein Verfahren zur Herstellung derselben zu liefern.

Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine keramische Heizvorrich tung, die leicht bei geringen Kosten hergestellt werden kann, und ein Verfahren zur Herstellung derselben zu liefern.

Um die obigen Ziele zu erreichen, wird gemäß der Erfindung eine keramische Heiz vorrichtung geliefert, die ein Heizelement, das aus einem Material, das ein hoch schmelzendes Metall mit einem Schmelzpunkt von 2.000°C oder mehr enthält, und einem Material, das einen anorganischen Leiter einschließt, gebildet wird, und einen gesinterten Körper aus einer isolierenden Keramik, die eines von Siliciumnitrid- und Siliciumcarbid-Materialien enthält, wobei das Heizelement in dem gesinterten Körper eingebettet ist, umfaßt, wobei die isolierende Keramik wenigstens eine Art von Nitri den der Gruppen IIIA, IVA und VA in einem Periodensystem der Elemente in einem Verhältnis von 0,01 Vol.-% bis 10 Vol.-% enthält.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die eine keramische Heizvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die eine weitere Struktur der keramischen Heizvor richtung in Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 ist eine Explosionsansicht, die noch eine weitere Struktur der keramischen Heizvorrichtung in Fig. 1 zeigt;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die noch eine weitere Struktur der keramischen Heiz vorrichtung in Fig. 1 zeigt; und

Fig. 5 ist eine Schnittansicht, die noch eine weitere Struktur der keramischen Heiz vorrichtung in Fig. 1 zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführ lich beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine keramische Heizvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vor liegenden Erfindung. In Fig. 1 besteht eine keramische Heizvorrichtung 10 aus ei nem Heizelement 11 aus einem hochschmelzenden Metall mit einem Schmelzpunkt von 2.000°C oder mehr, Leitungen 12 und 13, die mit den beiden Enden des Heiz elements 11 verbunden sind und aus einem hochschmelzenden Metall mit einem Schmelzpunkt von 2.000°C oder mehr hergestellt sind, und einem gesinterten Kör per 14 aus einer isolierenden Keramik auf Siliciumnitrid- oder Siliciumcarbid-Basis. Das Heizelement 11 und die Leitungen 12 und 13 sind in dem gesinterten Körper 14 aus der isolierenden Keramik eingebettet. Die in Fig. 1 gezeigte Struktur ist eine ke ramische Heizvorrichtung in einer Glühkerze, die beispielsweise in der japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegung Nr. 61-115857 offenbart ist, und eine ausführliche Beschreibung davon wird weggelassen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wie oben beschrieben, ein hochschmel zendes Metall mit einem Schmelzpunkt von 2.000°C oder mehr als das Heizele ment 11 und die Leitungen 12 und 13 verwendet, und das Heizelement 11 und die Leitungen 12 und 13 sind in dem gesinterten Körper 14 aus einer isolierenden Ke ramik auf Siliciumnitrid- oder Siliciumcarbid-Basis eingebettet, wodurch die kerami sche Heizvorrichtung 10 hergestellt wird. Bei der Herstellung ist wenigstens eine Art von Nitriden der Gruppen IIIA, IVA und VA des Periodensystems der Elemente in einem isolierenden Keramikpulver auf Siliciumnitrid- oder Siliciumcarbid-Basis in einem Anteil von 0,01 Vol.-% bis 10 Vol.-% enthalten, und wird bei einer Temperatur höher als beispielsweise 1.750°C gesintert. Unter diesen Sinterbedingungen kann eine Reaktionsschicht auf dem hochschmelzenden Metall bis auf eine Querschnitts dicke von 20 µm oder weniger (0 bis 20 µm) reduziert werden. Die Reaktionsschicht ist erwünschtermaßen 0 µm, d. h. wird nicht gebildet. Jedoch wirft die Reaktions schicht mit einer Dicke von 20 µm oder weniger keinerlei Probleme in der prakti schen Verwendung auf.

Dieser Punkt wird unten ausführlicher erläutert. Das heißt, das Metall, das das Hei zelement 11 und die Leitungen 12 und 13 bildet, muß ein hochschmelzendes Metall mit einem Schmelzpunkt von 2.000°C oder mehr und vorzugsweise 2.200°C oder mehr sein, um das Heizelement 11 dazu zu veranlassen, während des Erhitzens durch die Heizvorrichtung Hitze von 1.400°C oder mehr zu erzeugen, und um die Sintertemperatur höher als 1.750°C zu setzen. Beispiele dieses hochschmelzenden Metalls sind W, Mo, Nb (Niob), Hf (Hafnium) und Ir (Iridium). Der Schmelzpunkt von W beträgt 3.400°C, und der von Mo beträgt 2.617°C.

Der gesinterte Körper auf Siliciumnitrid-Basis wird in diesem Fall aus einer isolieren den Keramik hergestellt, die Siliciumnitrid (Si₃N₄) als Hauptkomponente enthält, d. h. einer Keramik auf Siliciumnitrid-Basis, die sogenannte Sinterhilfsmittel enthält. Silici umnitrid enthält eine unvermeidliche Verunreinigung wie Sauerstoff, die im Herstel lungsprozeß oder dergleichen beigemischt wurde. Vorzugsweise verwendetes Sili ciumnitrid weist unter dem Gesichtspunkt von Sintereigenschaften, Migration und dergleichen eine hohe Reinheit auf. Bekannte Sinterhilfsmittel-Systeme die durch ein Yttriumoxid-Aluminiumoxid-System, ein Yttriumoxid-System oder ein Ytterbiu moxid-System repräsentiert werden, können verwendet werden. Bezüglich der Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und der Hochtemperaturfestigkeit werden vorzugsweise Sinterhilfsmittel auf Yttriumoxid- oder Ytterbiumoxid-Basis verwendet.

Siliciumnitrid zersetzt sich (sublimiert) bei etwa 2.000°C. Die oben erwähnte Sin tertemperatur beträgt 1.750°C oder mehr, welche niedriger sein muß als die Subli mationstemperatur. Selbstverständlich muß die Sintertemperatur niedriger sein als die Schmelztemperatur eines verwendeten Metalls.

Der gesinterte Körper auf Siliciumcarbid-Basis wird in diesem Fall aus einer isolie renden Keramik hergestellt, die Siliciumcarbid (SiC) als Hauptkomponente enthält, d. h. eine Keramik auf Siliciumcarbid-Basis, die sogenannte Sinterhilfsmittel enthält. Vorzugsweise verwendetes Siliciumcarbid weist unter dem Gesichtspunkt von Sin tereigenschaften, Migration und dergleichen eine hohe Reinheit auf. Bekannte Sin terhilfsmittel-Systeme, die durch ein Aluminiumoxid-System oder ein Bor-Kohlen stoff-System repräsentiert werden, können verwendet werden.

Von Siliciumcarbid ist bekannt, daß es sich bei etwa 2.400°C zersetzt (sublimiert). Die Sintertemperatur wird vorzugsweise niedriger eingestellt als die Zersetzungs temperatur, z. B. auf etwa 2.100 bis 2.200°C. Ebenfalls muß gleichzeitig die Sinter temperatur niedriger sein als der Schmelzpunkt des Metalls.

Der jetzige Anmelder stellte fest, daß, selbst wenn eine Keramik bei einer Tempe ratur von mehr als 1.750°C gesintert wurde, durch Enthaltensein eines Nitrids der Gruppe IIIA, IVA oder VA im Periodensystem der Elemente in einer isolierenden Keramik auf Siliciumnitrid- oder Siliciumcarbid-Basis in einem Anteil von 0,01 Vol.-% bis 10 Vol.-% eine Reaktionsschicht auf einem hochschmelzenden Metall auf eine Querschnittsdicke von 20 µm oder weniger reduziert werden kann. Die vorliegende Erfindung nutzt dies, um die keramische Heizvorrichtung 10 herzustellen, bei der das hochschmelzende Metall in der isolierenden Keramik eingebettet ist.

Man ist der Auffassung,daß der oben beschriebene Vorteil erhalten wird, weil das Nitrid der Gruppe IIIA, IVA oder VA Zersetzung (Sublimation) von Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid verhindert und Reaktion mit dem hochschmelzenden Metall, d. h. Sili cifizierung, verhindert.

Beispiele für die Nitride der Gruppen IIIA, IVA und VA sind NdN, YN, TiN, ZrN, NbN und TaN. Eine oder mehrere Arten von Nitriden können aus diesen Beispielen be liebig ausgewählt werden. Laut Experiment konnte TaN die dünnste Reaktions schicht auf einem hochschmelzenden Metall bilden.

Wenn der Gehalt des Nitrids der Gruppe IIIA, IVA oder VA niedriger ist als 0,01 Vol. %, wird die Reaktionsschicht dicker als 20 µm. Resultate verschiedener Experi mente zeigten, daß, wenn die Reaktionsschicht dicker als 20 µm wird, in dem aus der isolierenden Keramik hergestellten gesinterten Körper Mikrorisse auftreten. Wenn dieser gesinterte Körper als keramische Heizvorrichtung verwendet wird, wird die Haltbarkeit sehr gering.

Wenn der Gehalt des Nitrids höher als 10 Vol.-% oder mehr ist, nimmt die Oxidati onsbeständigkeit des gesinterten Körpers selbst ab. Wenn dieser gesinterte Körper als keramische Heizvorrichtung verwendet wird, wird die Haltbarkeit gering. Bezüg lich der Oxidationsbeständigkeit wurde 144 Stunden lang ein Oxidationsversuch in der Atmosphäre bei 1.400°C durchgeführt, wobei gefunden wurde, daß die Eigen schaften der keramischen Heizvorrichtung unvorteilhaft waren, wenn die Gewichts zunahme durch Oxidation größer als 1,5 mg/cm² war.

Diesen Ergebnisse zufolge muß der Gehalt 0,01 Vol.-% bis 10 Vol.-% betragen. Unter Berücksichtigung der Oxidationsbeständigkeit und der Hochtemperaturfestig keit beträgt der Gehalt vorzugsweise etwa 1 Vol.-%.

Genauer, wenn das Nitrid der Gruppe IIIA, IVA oder VA im Periodensystem der Elemente in der isolierenden Keramik auf Siliciumnitrid- oder Siliciumcarbid-Basis in einem Anteil von 0,01 Vol.-% bis 10 Vol.-% enthalten ist, kann die Reaktionsschicht auf dem hochschmelzenden Metall auf 20 µm oder weniger Querschnittsdicke redu ziert werden. Dementsprechend wird der Widerstand des Heizelements 11 und der Leitungen 12 und 13 aus dem hochschmelzenden Metall stabilisiert, und der gesin terte Körper 14 bricht nicht, was zu einer langen Betriebsdauer der keramischen Heizvorrichtung 10 führt. Dies kann so aufgefaßt werden, daß das Nitrid der Gruppe IIIA, IVA oder VA Zersetzung von Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid verhindert und Reaktion mit dem hochschmelzenden Metall, d. h. Silicifizierung, verhindert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können, da die Keramik bei einer Temperatur höher als 1.750°C gesintert werden kann, Sinterhilfsmittel auf Yttrium- und Ytterbi um-Basis, die bei etwa 1.700°C schwer zu sintern sind, in dem gesinterten Körper auf Siliciumnitrid-Basis verwendet werden. Deshalb kann die keramische Heizvor richtung 10, die ausgezeichnete Hochtemperatureigenschaften und Oxidationsbe ständigkeit aufweist, durch Sintern erhalten werden. In dem gesinterten Körper auf Siliciumcarbid-Basis kann ein hochschmelzendes Metall herkömmlicherweise nicht eingebettet und gesintert werden. In der vorliegenden Erfindung kann jedoch, da Reaktion mit dem hochschmelzenden Metall verhindert werden kann, das Silicium carbid-Material bei einer hohen Temperatur gesintert werden.

Die Sintertemperatur der isolierenden Keramik muß eine Temperatur sein, die höher als 1.750°C ist, Zersetzung (Sublimation) von Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid ver hindert und niedriger als der Schmelzpunkt des hochschmelzenden Metalls ist.

Es ist zu bemerken, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist. Die Gestalt, Struktur und dergleichen der Glühker ze, die nicht vollständig dargelegt ist, und diejenigen von jedem Teil der in der Glüh kerze verwendeten keramischen Heizvorrichtung können geeignet modifiziert und verändert werden.

Beispielsweise kann die keramische Heizvorrichtung eine herkömmliche Gestalt und Struktur haben, die weithin bekannt ist. Fig. 2 zeigt die keramische Heizvorrichtung 10, bei der ein U-förmiges Heizelement 11' aus einem Material, das ein anorgani sches leitendes Material einschließt, in dem distalen Ende eingebettet ist, und die Leitungen 12 und 13 aus hochschmelzendem Metall, die von den beiden Enden des Heizelements 11' ausgehen, in dem gesinterten Körper 14 aus einer isolierenden Keramik eingebettet sind. In diesem Fall kann der gleiche Effekt wie der der kerami schen Heizvorrichtung in Fig. 1 erhalten werden, indem die Leitungen 12 und 13 aus einem hochschmelzenden Metall gebildet werden.

Fig. 3 zeigt die keramische Heizvorrichtung einer Glühkerze, die beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegung Nr. 59-230285 offenbart ist. In diesem Fall wird die keramische Heizvorrichtung gebildet, indem das Heizelement 11 und die Leitun gen 12 und 13 aus einem hochschmelzenden Metall zwischen geglühten (halb gesinterten) Körper 14a und 14b aus einem Keramikpulver "sandwichartig" eingelegt und die ganze Struktur gesintert wird. Selbst in der keramischen Heizvorrichtung 10 mit dieser Struktur kann der gleiche Effekt wie der der keramischen Heizvorrichtung in Fig. 1 erhalten werden.

Fig. 4 zeigt die keramische Heizvorrichtung 10, bei der Kontroll-Heizelemente 15 und 16 zur Kontrolle der Temperatur des Heizelements 11 aus einem hochschmel zenden Metall zwischen das Heizelement 11 und die Leitungen 12 und 13 aus ei nem hochschmelzenden Metall angeschlossen sind. Die erhaltene Struktur wurde in dem gesinterten Körper 14 aus einer isolierenden Keramik eingebettet. Die kerami sche Heizvorrichtung 10 mit dieser Struktur ist beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegung Nr. 58-110919 offenbart. Der gleiche Effekt wie der der kerami schen Heizvorrichtung in Fig. 1 kann erhalten werden.

Fig. 5 zeigt die keramische Heizvorrichtung 10 mit der gleichen Struktur wie die in Fig. 4, die beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegung Nr. 4-257615 offen bart ist. Die in Fig. 5 gezeigte keramische Heizvorrichtung hat ebenfalls den glei chen Effekt wie den der keramischen Heizvorrichtung in Fig. 1.

Beispiel 1

Tabelle 1 zeigt ein Beispiel, in dem isolierende Keramiken auf Siliciumnitrid-Basis unter Verwendung eines Heißpressens gesintert wurden.

Tabelle 1

Tabelle 1 zeigt das Beispiel, bei dem die Typen und Mengen der Sinterhilfsmittel verändert wurden, und wenigstens eine Art von Nitriden der Gruppen IIIA, IVA und VA des Periodensystems der Elemente verwendet wurde. Tabelle 1 zeigt auch die Dicken von Reaktionsschichten auf hochschmelzenden Metallen zu diesem Zeit punkt und die Oxidations-Gewichtszunahmen pro Flächeneinheit bei einem 144 h langen Oxidationsversuch in der Luft bei 1.400°C. Die relativen Dichten wurden durch das Archimedes-Verfahren nach Entfernen der eingebetteten hochschmel zenden Metalle ermittelt.

Beispiel 2

Tabelle 2 zeigt ein Beispiel, bei dem isolierende Keramiken auf Siliciumcarbid-Basis unter Verwendung eines Heißpressens gesintert wurden.

Tabelle 2

In Beispiel 2 wurden die Typen und Mengen an Sinterhilfen verändert, und Nitride der Gruppen IIIA, IVA und VA im Periodensystem der Elemente wurden verwendet. Tabelle 2 zeigt die Dicken der Reaktionsschichten auf hochschmelzenden Metallen zu diesem Zeitpunkt und die Oxidations-Gewichtszunahmen pro Flächeneinheit bei einem 144 h langen Oxidationsversuch in der Atmosphäre bei 1.400°C.

Beispiel 3

230 g Siliciumnitrid, 20 g Yttriumoxid, 10,5 g TaN und eine Siliciumnitrid-Kugel wur den in ein Siliciumnitrid-Gefäß gegeben und unter Verwendung von Aceton 24 h lang gemischt. Eine durch Mischen gebildete Aufschlämmung wurde 24 h lang bei Raumtemperatur getrocknet und in einem Mörser zerkleinert, um ein TaN enthalten des Keramikpulver auf Siliciumnitrid-Basis zu erhalten. Unter Verwendung dieses Pulvers wurde durch eine einachsige Presse ein säulenförmiger Roh-Körper herge stellt, um eine W-Wendel (Wolfram-Wendel) mit einer Reinheit von 99,95% und ei nem Durchmesser von 0,2 mm in der Mitte einzubetten. Gasdruck-Sintern wurde bei 1.650°C bis 1.950°C, einer Schrittweite von 50°C und einem Druck von 0,93 MPa ausgeführt. Tabelle 3 zeigt die Dichten in dem gesinterten Körper, die Dicken der Reaktionsschichten auf der W-Wendel und die Oxidations-Gewichtszunahmen pro Flächeneinheit bei einem 144 h langen Oxidationsversuch in der Atmosphäre bei 1.400°C.

Tabelle 3

Beispiel 4

Ähnlich Beispiel 3 wurde ein TaN enthaltendes Keramikpulver auf Siliciumnitrid-Basis hergestellt. Ein W-Draht mit einer Reinheit von 99,95% und einem Durchmes ser von 0,2 mm wurde an ein U-förmiges Heizelement (gesinterter Körper), das 33 Vol.-% TiN und den Rest aus Keramik auf Siliciumnitrid-Basis enthielt, verbunden. Die erhaltene Struktur wurde durch eine einachsige Presse in das hergestellte Pul ver eingebettet, um drei säulenartige Roh-Körper zu bilden. Danach wurde ein druckloses Sintern bei 1.850°C ausgeführt. Die relativen Dichten betrugen 97,9%, 97,4% beziehungsweise 98,1%.

Ein gesinterter Körper mit einer relativen Dichte von 97,9% durchlief einen 144 h langen Oxidationsversuch in der Atmosphäre bei 1.400°C. Die Oxidations-Gewichtszunahme zu diesem Zeitpunkt betrug 0,7 mg/cm². Ein gesinterter Körper mit einer relativen Dichte von 97,4% wurde geschnitten, in ein Harz eingebettet und poliert. Die Dicke einer Reaktionsschicht wurde mittels eines Rasterelektronenmi kroskops (scanning electron microscope, SEM) mit einem Energiedispersions- Röntgenstrahlanalysator (energy dispersion X-ray analyzer, EDX) beobachtet. An hand der Analyse des EDX wurde ein Abschnitt, in dem sowohl W als auch Si vor handen waren, als eine Reaktionsschicht definiert. Die Dicke betrug einheitlich 8 µm. Ein gesinterter Körper mit einer relativen Dichte von 98,1% wurde bearbeitet, um einen Leitungs-Abschnitt zu bilden. Ein Metall-Gehäuse wurde an den gesinter ten Körper befestigt, um eine Glühkerze herzustellen. Als Merkmale der Glühkerze betrug die Anstiegszeit auf 800°C 3,3 s, und die Sättigungstemperatur betrug 1.430°C.

Beispiel 5

230 g Siliciumnitrid, 15 g Yttriumoxid, 10 g TaN und eine Siliciumnitrid-Kugel wurden in ein Siliciumnitrid-Gefäß gegeben und unter Verwendung von Isopropylalkohol 24 h lang gemischt. Eine durch Mischen gebildete Aufschlämmung wurde 24 h lang bei Raumtemperatur getrocknet und in einem Mörser zerkleinert, um ein TaN enthalten des Keramikpulver auf Siliciumnitrid-Basis herzustellen. Unter Verwendung dieses Pulvers wurde durch eine einachsige Presse ein säulenförmiger Roh-Körper herge stellt, um eine W-Wendel mit einer Reinheit von 99,95% und einem Durchmesser von 0,2 mm in der Mitte einzubetten. Die resultierende Struktur wurde bei 1.850°C heißgepreßt.

Die gleiche Bewertung wie in Beispiel 4 wurde durchgeführt. Die Dicke einer Reakti onsschicht war 8 µm, und die Oxidations-Gewichtszunahme bei einem 144 h langen Oxidationsversuch in der Atmosphäre bei 1.400°C betrug 0,5 mg/cm². Unter Ver wendung dieses gesinterten Körpers wurde eine Glühkerze hergestellt. Als Merk male der Glühkerze betrug die Anstiegszeit auf 800°C 3,0 s, und die Sättigungs temperatur betrug 1.450°C.

Wie oben beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein hoch schmelzendes Metall mit einem Schmelzpunkt von 2.000°C oder mehr oder Materi al, das einen anorganischen Leiter einschließt, als das Material des Heizelements verwendet. Ein hochschmelzendes Metall mit einem Schmelzpunkt von 2.000°C oder mehr wird als das Leitungsmaterial verwendet. Beim Einbetten des Heizele ments und der Leitung in einen gesinterten Körper aus einer isolierenden Keramik auf Siliciumnitrid- oder Siliciumcarbid-Basis ist in dem isolierenden Keramikpulver auf Siliciumnitrid- oder Siliciumcarbid-Basis wenigstens eine Art von Nitriden der Gruppen IIIA, IVA und VA des Periodensystems der Elemente in einem Anteil von 0,01 Vol.-% bis 10 Vol.-% enthalten. Die erhaltene Struktur wird bei einer Tempera tur höher als 1.750°C (z. B. etwa 1.800°C für Siliciumnitrid und etwa 2.100°C bis 2.200°C für Siliciumcarbid) gesintert. Als Ergebnis kann eine Reaktionsschicht auf dem hochschmelzendes Metall bis zu einer Dicke von 20 µm oder weniger (0 bis 20 µm) gebildet werden. Aus diesem Grund können die folgenden ausgezeichneten Effekte erreicht werden.

Das heißt, Zersetzung von Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid kann beim Sintern einer keramischen Heizvorrichtung verhindert werden, Reaktion mit dem hochschmelzen den Metall wie Silicifizierung (Bildung einer Reaktionsschicht wie einer Wolframsili cid-Schicht) kann verhindert werden, und die Reaktionsschicht auf dem hoch schmelzenden Metall kann auf eine Querschnittsdicke von 20 µm oder weniger re duziert werden. Deshalb kann der Widerstand des Heizelements und der Leitung, die jeweils aus dem hochschmelzenden Metall hergestellt sind, stabilisiert werden. Da die isolierende Keramik nicht bricht, kann die Betriebsdauer des Heizelements verlängert sein.

Da die keramische Heizvorrichtung bei einer Temperatur von mehr als 1.750°C gesintert werden kann, wie oben beschrieben, kann in dem gesinterten Körper aus beispielsweise einer isolierenden Keramik auf Siliciumnitrid-Basis ein Yttriumoxid-System oder ein Ytterbiumoxid-System als schwer zu sinternde Sinterhilfsmittel ver wendet werden. Dementsprechend kann ein aus dem gesinterten Körper gebildetes Heizelement erhalten werden, das hinsichtlich Hochtemperatureigenschaften und Oxidationsbeständigkeit ausgezeichnet ist. In einen gesinterten Körper aus einer isolierenden Keramik auf Siliciumcarbid-Basis kann das hochschmelzende Metall nicht auf herkömmliche Weise eingebettet und bei mehr als 1.750°C gesintert wer den. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch, da Reaktion mit dem hoch schmelzenden Metall verhindert werden kann, die Keramik auf Siliciumcarbid-Basis bei hoher Temperatur gesintert werden.

Insbesondere kann, wie für einen aus einer isolierenden Keramik hergestellten gesinterten keramischen Körper, die Bildung einer Reaktionsschicht wie einer Wolf ramsilicid-Schicht an einem eingebetteten Abschnitt eines hochschmelzenden Me talls verhindert werden, der Widerstand kann stabil gehalten werden, und die Sin tertemperatur kann höher eingestellt werden. Aus diesem Grund können Sinter hilfsmittel, die bei 1.700°C nicht auf herkömmliche Weise gesintert werden können, verwendet werden, und die Menge der Sinterhilfsmittel kann verringert werden. Ein Heizelement aus einer Keramik auf Siliciumcarbid-Basis mit einer hohen Sintertem peratur kann ebenfalls hergestellt werden. Außerdem kann druckloses Sintern oder Gasdruck-Sintern durchgeführt werden.

Claims

1. Keramische Heizvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
ein Heizelement (11, 11'), das aus einem Material, das ein hochschmelzendes Metall mit einem Schmelzpunkt von nicht weniger als 2.000°C enthält, und ei nem anorganischen leitfähigen Material gebildet wird; und
einen gesinterten Körper (14) aus einer isolierenden Keramik, die eines von Si liciumnitrid- und Siliciumcarbid-Materialien enthält, wobei besagtes Heizele ment in besagtem gesintertem Körper eingebettet ist,
wobei die isolierende Keramik wenigstens eine Sorte von Nitriden der Gruppen IIIA, IVA und VA in einem Periodensystem der Elemente in einem Anteil von 0,01 Vol.-% bis 10 Vol.-% enthält.

2. Heizvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei dem besagte keramische Heizvor richtung durch Sintern eines Pulvers der isolierenden Keramik, in der besagtes Heizelement eingebettet ist, bei einer Temperatur höher als 1.750°C gebildet wird.

3. Heizvorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiterhin umfaßt:
ein Paar Leitungen (12, 13), die mit zwei Endabschnitten besagten Heizele ments verbunden sind und aus einem hochschmelzenden Metall mit einem Schmelzpunkt von nicht weniger als 2.000°C hergestellt sind, und wobei besagtes Heizelement und besagte Leitungen in besagtem gesintertem Körper eingebettet sind.

4. Heizvorrichtung gemäß Anspruch 3, die weiterhin umfaßt:
ein Paar Kontroll-Heizelemente (15, 16), die zwischen besagtem Heizelement und Endabschnitten besagter Leitungen angeschlossen sind und aus einem hochschmelzendem Metall mit einem Schmelzpunkt von nicht weniger als 2.000°C hergestellt sind, um eine Temperatur besagten Heizelements zu kontrollieren, und
wobei besagtes Heizelement, besagte Kontroll-Heizelemente und besagte Leitungen in besagtem gesintertem Körper eingebettet sind.

5. Verfahren zur Herstellung einer keramischen Heizvorrichtung, dadurch ge kennzeichnet, daß er die Schritte umfaßt von:
Bilden wenigstens eines Heizelements (11, 11') unter Verwendung eines Materials, das ein hochschmelzendes Metall mit einem Schmelzpunkt von nicht weniger als 2.000°C enthält, und eines anorganischen leitfähigen Mate rials,
Einbetten besagten Heizelements und eines Paars von Leitungen (12, 13), die mit zwei Enden besagten Heizelements verbunden sind, in ein isolieren des Keramik-Pulver, das eines von Siliciumnitrid- und
Siliciumcarbid-Materialien enthält, wobei das isolierende Keramik-Pulver wenigstens eine Sorte von Nitriden der Gruppen IIIA, IVA und VA in einem Periodensystem der Elemente in einem Anteil von 0,01 Vol-% bis 10 Vol.-% enthält; und Sintern des isolierenden Keramik-Pulvers, in dem besagtes Heizelement und besagte Leitungen eingebettet sind.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der Schritt des Einbettens besagten Heiz-Teils und besagter Leitungen die Schritte umfaßt von:
Enthaltensein von wenigstens einer Art von Nitriden der Gruppen IIIA, IVA und VA des Periodensystem der Elemente in dem isolierenden Keramik-Pulver in einem Anteil von 0,01 Vol.-% bis 10 Vol.-%; und
Einbetten besagten Heizelements und besagter Leitungen in das das Nitrid enthaltende isolierende Keramik-Pulver.

7. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der Schritt des Sinterns des isolieren den Keramik-Pulvers den Schritt des Sinterns des isolierenden Keramik-Pulvers, in dem besagtes Heizelement und besagte Leitungen eingebettet sind, bei einer Temperatur höher als 1.750°C umfaßt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 5, das weiterhin den Schritt des Bildens besagter Leitungen aus einem hochschmelzenden Metall mit einem Schmelzpunkt von nicht weniger als 2.000°C umfaßt.