JPH0697631B2 - セラミツクヒ−タ及びその製造方法 - Google Patents
セラミツクヒ−タ及びその製造方法Info
- Publication number
- JPH0697631B2 JPH0697631B2 JP26961784A JP26961784A JPH0697631B2 JP H0697631 B2 JPH0697631 B2 JP H0697631B2 JP 26961784 A JP26961784 A JP 26961784A JP 26961784 A JP26961784 A JP 26961784A JP H0697631 B2 JPH0697631 B2 JP H0697631B2
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- silicon nitride
- tungsten
- ceramic heater
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は窒化珪素質焼結体内にタングステン系発熱抵抗
体が埋設されて成るセラミックヒータ及びその製造方法
に関する。
体が埋設されて成るセラミックヒータ及びその製造方法
に関する。
(従来の技術) 従来一般に用いられているセラミックヒータには第1〜
第3図に示すような構造のものがあり、アルミナ質又は
窒化珪素質セラミック1の中に櫛歯状、渦巻状など任意
の形状、幅、長さの発熱抵抗体パターン2,3が埋設され
ている。そしてその始端にリード端子2′を設け、該リ
ード端子から通電することにより、セラミックヒータと
して埋設された発熱抵抗体がジュール熱を発生するよう
になっている(例えば特開昭57−67296号公報参照)。
第3図に示すような構造のものがあり、アルミナ質又は
窒化珪素質セラミック1の中に櫛歯状、渦巻状など任意
の形状、幅、長さの発熱抵抗体パターン2,3が埋設され
ている。そしてその始端にリード端子2′を設け、該リ
ード端子から通電することにより、セラミックヒータと
して埋設された発熱抵抗体がジュール熱を発生するよう
になっている(例えば特開昭57−67296号公報参照)。
(解決すべき問題点) 発熱抵抗体パターンが内蔵されたセラミックヒータは、
セラミックがアルミナのものは耐熱衝撃性が悪く、室温
(20℃)から800℃までの立上がり試験を行い5秒より
早く立上がらせると全数にクラックが発生してしまい、
また1000℃以上の飽和温度で約30秒間保存した後、電源
を切り60秒間経過してから再び飽和温度まで上昇させる
というくり返し試験(加熱サイクルテスト)を行い発熱
抵抗体自体の抵抗値変化を調べたところ、飽和温度1000
℃で1500サイクルくり返した場合は約10%も抵抗値が増
加してしまう。このことは例えば、ディーゼルエンジン
用のグロープラグとして飽和温度に近い高い温度域でく
り返し使用するような場合、抵抗値が増加する結果同一
の印加電圧では発熱量が漸減して行き、安定した高温発
熱特性をもったセラミックヒータを提供することができ
ないことを意味する。また高い温度にまで急速に発熱さ
せた場合、アルミナセラミックを用いたものでは熱衝撃
によって破損することがある。
セラミックがアルミナのものは耐熱衝撃性が悪く、室温
(20℃)から800℃までの立上がり試験を行い5秒より
早く立上がらせると全数にクラックが発生してしまい、
また1000℃以上の飽和温度で約30秒間保存した後、電源
を切り60秒間経過してから再び飽和温度まで上昇させる
というくり返し試験(加熱サイクルテスト)を行い発熱
抵抗体自体の抵抗値変化を調べたところ、飽和温度1000
℃で1500サイクルくり返した場合は約10%も抵抗値が増
加してしまう。このことは例えば、ディーゼルエンジン
用のグロープラグとして飽和温度に近い高い温度域でく
り返し使用するような場合、抵抗値が増加する結果同一
の印加電圧では発熱量が漸減して行き、安定した高温発
熱特性をもったセラミックヒータを提供することができ
ないことを意味する。また高い温度にまで急速に発熱さ
せた場合、アルミナセラミックを用いたものでは熱衝撃
によって破損することがある。
そのため、アルミナセラミックに代えて窒化珪素セラミ
ックを使用することにより、前記欠点を解消することが
本出願人により提案され(前掲公開公報参照)、かなり
の改善が図られたが、該窒化珪素セラミック体内にタン
グステンフィラメント又はタングステンペーストを埋入
し同時一体焼成をする際、焼成温度が1750℃を越えて焼
成されるため(これより低い温度ではセラミックが緻密
な焼成体とならず耐熱衝撃性などが良好でない)、焼成
されたタングステン発熱体に硬度変化が生じ脆化する結
果、該ヒーターを長時間使用した場合、発熱体にクラッ
クが容易に発生し断線することとなる。
ックを使用することにより、前記欠点を解消することが
本出願人により提案され(前掲公開公報参照)、かなり
の改善が図られたが、該窒化珪素セラミック体内にタン
グステンフィラメント又はタングステンペーストを埋入
し同時一体焼成をする際、焼成温度が1750℃を越えて焼
成されるため(これより低い温度ではセラミックが緻密
な焼成体とならず耐熱衝撃性などが良好でない)、焼成
されたタングステン発熱体に硬度変化が生じ脆化する結
果、該ヒーターを長時間使用した場合、発熱体にクラッ
クが容易に発生し断線することとなる。
ここで、タングステン発熱体に硬度変化が生じ脆化する
原因は、1750℃を越える高温焼成ではタングステンと窒
化珪素との反応が進み、この反応生成物が脆性のもので
あることのためであると考えられる。
原因は、1750℃を越える高温焼成ではタングステンと窒
化珪素との反応が進み、この反応生成物が脆性のもので
あることのためであると考えられる。
(問題点を解決するための手段) 本発明者は以上の点に鑑み鋭意研究の結果、長時間の使
用によってもタングステン発熱体にクラックが生ぜず、
断線も発生しなく、しかも、高温耐酸化性及び高温強度
の優れたセラミックヒータ及びその製造方法を開発し
た。
用によってもタングステン発熱体にクラックが生ぜず、
断線も発生しなく、しかも、高温耐酸化性及び高温強度
の優れたセラミックヒータ及びその製造方法を開発し
た。
すなわち本発明は、(1)窒化珪素(Si3N4)94重量%
以上と、マグネシア(MgO)とクロミア(Cr2O3)あるい
はマグネシアとクロミアの化合物6重量%以下とからな
る窒化珪素質焼結体内にタングステンフィラメント又は
タングステン含有ペーストからなる発熱抵抗体が埋設さ
れて成ることを特徴とするセラミックヒータ、及び
(2)窒化珪素(Si3N4)94重量%以上と、マグネシア
(MgO)とクロミア(Cr2O3)あるいはマグネシアとクロ
ミアの化合物6重量%以下とからなる窒化珪素質セラミ
ック素地中にタングステンフィラメント又はタングステ
ン含有ペーストからなる発熱抵抗体を埋設し、これを非
酸化性雰囲気中で1600〜1750℃の範囲内でホットプレス
することを特徴とするセラミックヒーターの製造方法、
である。
以上と、マグネシア(MgO)とクロミア(Cr2O3)あるい
はマグネシアとクロミアの化合物6重量%以下とからな
る窒化珪素質焼結体内にタングステンフィラメント又は
タングステン含有ペーストからなる発熱抵抗体が埋設さ
れて成ることを特徴とするセラミックヒータ、及び
(2)窒化珪素(Si3N4)94重量%以上と、マグネシア
(MgO)とクロミア(Cr2O3)あるいはマグネシアとクロ
ミアの化合物6重量%以下とからなる窒化珪素質セラミ
ック素地中にタングステンフィラメント又はタングステ
ン含有ペーストからなる発熱抵抗体を埋設し、これを非
酸化性雰囲気中で1600〜1750℃の範囲内でホットプレス
することを特徴とするセラミックヒーターの製造方法、
である。
本発明において、MgOとCr2O3あるいはこれらの化合物
(MgCr2O4)を添加するのは、焼成中にMgOとCr2O3が反
応して生成されるMgCr2O4が低温(1600℃より少し高
温)で焼結可能であることのため、製造された窒化珪素
質セラミック中のタングステン発熱抵抗体が脆化しない
ことの理由からである。
(MgCr2O4)を添加するのは、焼成中にMgOとCr2O3が反
応して生成されるMgCr2O4が低温(1600℃より少し高
温)で焼結可能であることのため、製造された窒化珪素
質セラミック中のタングステン発熱抵抗体が脆化しない
ことの理由からである。
そして、MgOとCr2O3あるいはこれらの化合物(MgCr
2O4)の添加量を6重量%以下としたのは、それ以上に
増量させると、焼結体の窒化珪素量が相対的に少なくな
り窒化珪素本来の良耐熱衝撃性が十分に発揮できなくな
ることと、また本来の高温高強度特性を保持できなくな
るほか、耐酸化性の向上も達成できなくなるためであ
る。
2O4)の添加量を6重量%以下としたのは、それ以上に
増量させると、焼結体の窒化珪素量が相対的に少なくな
り窒化珪素本来の良耐熱衝撃性が十分に発揮できなくな
ることと、また本来の高温高強度特性を保持できなくな
るほか、耐酸化性の向上も達成できなくなるためであ
る。
(実施例) 窒化珪素セラミックヒータの製造法は、各種割合で、Mg
OとCr2O3あるいはMgCr2O4が添加配合された窒化珪素粉
末体で所定形状に成形するに際し、発熱抵抗体を構成す
る高融点金属の一つであるタングステンの線状体(薄い
板状体でもよい)を発熱抵抗体6とすべく櫛歯状に形成
したものを所定形状の金型中に設置し、それに窒化珪素
粉末を充填し、プレス成形を行った後、ホットプレス法
で焼結することにより行なわれ、窒化珪素セラミック体
6中にタイングステン発熱抵抗体が埋設されてなるヒー
タが製造された。
OとCr2O3あるいはMgCr2O4が添加配合された窒化珪素粉
末体で所定形状に成形するに際し、発熱抵抗体を構成す
る高融点金属の一つであるタングステンの線状体(薄い
板状体でもよい)を発熱抵抗体6とすべく櫛歯状に形成
したものを所定形状の金型中に設置し、それに窒化珪素
粉末を充填し、プレス成形を行った後、ホットプレス法
で焼結することにより行なわれ、窒化珪素セラミック体
6中にタイングステン発熱抵抗体が埋設されてなるヒー
タが製造された。
それらについてのデータを表1に示す。
例1 平均粒径0.9μmのα−Si3N4と平均粒径1.1μmのMgCr2
O4を表1の組成比のごとくにひょう量、混合し、これに
Si3N4製ボールを入れてメタノール媒体を用い、24時間
分散混合して、添加剤入りの窒化珪素粉末原料を得た。
O4を表1の組成比のごとくにひょう量、混合し、これに
Si3N4製ボールを入れてメタノール媒体を用い、24時間
分散混合して、添加剤入りの窒化珪素粉末原料を得た。
この粉末原料を金型に入れ0.5t/cm2の加圧力でプレス成
形し、同時にタングステンフィラメントを埋設して成形
した後、表1記載の温度、時間及び圧力下でホットプレ
スした。
形し、同時にタングステンフィラメントを埋設して成形
した後、表1記載の温度、時間及び圧力下でホットプレ
スした。
それを、3×4×40mmに研削した後、各種特性試験を行
い、その結果を表1に示した。
い、その結果を表1に示した。
例2 平均粒径0.9μmのα−Si3N4と平均粒径1.1μmのMgOと
平均粒径1.1μmのCr2O3とをモル比で約1:1になるよう
に秤量、混合したものを出発原料とした後は、例1と同
様にして実験を行い、その結果を表1に示した。
平均粒径1.1μmのCr2O3とをモル比で約1:1になるよう
に秤量、混合したものを出発原料とした後は、例1と同
様にして実験を行い、その結果を表1に示した。
以上の試験において、曲げ強度測定はJIS R1601規定に
よる4点曲げ法により、酸化増量測定は空気中、1300
℃、4時間加熱による重量増を測定し、単位面積当たり
の重量増加率を示し、また耐熱衝撃試験は高温加熱した
検体ヒータを水中(25℃程度)に投下した際の形状破壊
発生の温度差を示す。
よる4点曲げ法により、酸化増量測定は空気中、1300
℃、4時間加熱による重量増を測定し、単位面積当たり
の重量増加率を示し、また耐熱衝撃試験は高温加熱した
検体ヒータを水中(25℃程度)に投下した際の形状破壊
発生の温度差を示す。
そして、加熱サイクルテストについては、検体ヒーター
にフィラメント通電を行い、室温1250℃の加熱サイク
ル(500サイクル)を行って、その結果を(A,B,E).
(C).(D,F)及び(O)に段階評価した。
にフィラメント通電を行い、室温1250℃の加熱サイク
ル(500サイクル)を行って、その結果を(A,B,E).
(C).(D,F)及び(O)に段階評価した。
A,B,E:密度が低く開気孔が多いため、Wフィラメント自
体が使用中に酸化されて断線する。
体が使用中に酸化されて断線する。
C:ホットプレス温度が高く、ホットプレス時のWフィラ
メントの強度が弱くなり微少クラックが生じる。このク
ラックが使用中に断線の原因となる。
メントの強度が弱くなり微少クラックが生じる。このク
ラックが使用中に断線の原因となる。
D,F:Si3N4が酸化された際に生じるSiO2中に余剰のMgが
固溶し、ガラスの融点を下げ、酸素の拡散を速め、結果
として耐酸化特性が悪くなる。
固溶し、ガラスの融点を下げ、酸素の拡散を速め、結果
として耐酸化特性が悪くなる。
○:良好。
以上のことから、試料番号3〜9、11、14、15のものは
本発明範囲のものであるが、これらは耐熱衝撃性(Δ
t):500℃以上、耐酸化性(1300℃、4時間):0.2mg/c
m2以下、曲げ強度:90Kg/mm2以上であって、セラミック
ヒータとしての性能が非常にすぐれているものであると
いえる。
本発明範囲のものであるが、これらは耐熱衝撃性(Δ
t):500℃以上、耐酸化性(1300℃、4時間):0.2mg/c
m2以下、曲げ強度:90Kg/mm2以上であって、セラミック
ヒータとしての性能が非常にすぐれているものであると
いえる。
これに対し試料番号1、2のものは、マグネシアとクロ
ミアの化合物の添加量が6重量%を越え、耐熱衝撃性、
対酸化性及び機械的強度のいずれもが良好でなく加熱サ
イクルテスト結果もA、Bであって好ましくなく、また
資料番号10のものは、成分組成は本発明範囲内であるが
焼成温度が1750℃を越えた1800℃であるため、加熱サイ
クルテスト結果がCであってタングステンフィラメント
に微少クラックが生じている。試料番号12、13、16のも
のはMgOとCr2O3の含量、又はMgCr2O4の添加量が7重量
%を越えており、耐熱衝撃性(Δt)が400℃台であ
り、加熱サイクルテスト結果もD.E.Fであって問題があ
る。
ミアの化合物の添加量が6重量%を越え、耐熱衝撃性、
対酸化性及び機械的強度のいずれもが良好でなく加熱サ
イクルテスト結果もA、Bであって好ましくなく、また
資料番号10のものは、成分組成は本発明範囲内であるが
焼成温度が1750℃を越えた1800℃であるため、加熱サイ
クルテスト結果がCであってタングステンフィラメント
に微少クラックが生じている。試料番号12、13、16のも
のはMgOとCr2O3の含量、又はMgCr2O4の添加量が7重量
%を越えており、耐熱衝撃性(Δt)が400℃台であ
り、加熱サイクルテスト結果もD.E.Fであって問題があ
る。
(発明の効果) 上記のとおり本発明によれば、耐熱衝撃性(Δt):500
℃以上、耐酸化性(1300℃、4時間):0.2mg/cm2以下、
曲げ強度:90Kg/mm2以上の特性を持つセラミックヒータ
が得られ、これはセラミックヒータとしての性能が非常
にすぐれているものである。
℃以上、耐酸化性(1300℃、4時間):0.2mg/cm2以下、
曲げ強度:90Kg/mm2以上の特性を持つセラミックヒータ
が得られ、これはセラミックヒータとしての性能が非常
にすぐれているものである。
従ってこのセラミックヒータを使用すれば、例えばディ
ーゼルエンジンの寿命を長期化でき、該エンジンを搭載
した自動車、船舶等の走行安定性を高めることができる
など、斯界に貢献するところが非常に大きい。
ーゼルエンジンの寿命を長期化でき、該エンジンを搭載
した自動車、船舶等の走行安定性を高めることができる
など、斯界に貢献するところが非常に大きい。
第1〜第3図は各種セラミックヒータの形状、構造を示
す一部断面図であり、第2図は円筒状ヒータ、第2図は
平板状ヒータ、第3図はグロープラグを示す。 1:窒化珪素質セラミック 2、3:タングステン発熱抵抗体 2′:リード端子
す一部断面図であり、第2図は円筒状ヒータ、第2図は
平板状ヒータ、第3図はグロープラグを示す。 1:窒化珪素質セラミック 2、3:タングステン発熱抵抗体 2′:リード端子
Claims (2)
- 【請求項1】窒化珪素(Si3N4)94重量%以上と、マグ
ネシア(MgO)とクロミア(Cr2O3)あるいはマグネシア
とクロミアの化合物6重量%以下とからなる窒化珪素質
焼結体内にタングステンフィラメント又はタングステン
含有ペーストからなる発熱抵抗体が埋設されて成ること
を特徴とするセラミックヒータ。 - 【請求項2】窒化珪素(Si3N4)94重量%以上と、マグ
ネシア(MgO)とクロミア(Cr2O3)あるいはマグネシア
とクロミアの化合物6重量%以下とからなる窒化珪素質
セラミック素地中にタングステンフィラメント又はタン
グステン含有ペーストからなる発熱抵抗体を埋設し、こ
れを非酸化性雰囲気中で1600〜1750℃の範囲内でホット
プレスすることを特徴とするセラミックヒータの製造方
法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26961784A JPH0697631B2 (ja) | 1984-12-22 | 1984-12-22 | セラミツクヒ−タ及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26961784A JPH0697631B2 (ja) | 1984-12-22 | 1984-12-22 | セラミツクヒ−タ及びその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS61148792A JPS61148792A (ja) | 1986-07-07 |
JPH0697631B2 true JPH0697631B2 (ja) | 1994-11-30 |
Family
ID=17474843
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP26961784A Expired - Lifetime JPH0697631B2 (ja) | 1984-12-22 | 1984-12-22 | セラミツクヒ−タ及びその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0697631B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0774790B2 (ja) * | 1987-08-12 | 1995-08-09 | 雪印乳業株式会社 | 通電加熱法に用いられるセンサ− |
JPH0612693B2 (ja) * | 1987-11-06 | 1994-02-16 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミックヒータ及びその製造方法 |
JP2539686B2 (ja) * | 1989-09-26 | 1996-10-02 | 國光 井上 | 筒形電熱器 |
-
1984
- 1984-12-22 JP JP26961784A patent/JPH0697631B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS61148792A (ja) | 1986-07-07 |
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