JP3600658B2 - Ceramic heater and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は,ディーゼルエンジンのセラミックブロープラグ等に用いられるセラミックヒータ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】
高耐熱性のセラミックヒータは各種製品への用途が広がってきた。そのため,セラミックヒータに用いられる導電体セラミック体の常温抵抗値と抵抗変化率(常温抵抗値と高温抵抗値の比)への要求が多様化している。ここで,常温抵抗値は導電部の断面積,長さ,又は導電材料の組成を変えて容易に変更できるが,抵抗変化率は導電材料によりほぼ一義的に決まり,抵抗変化率を変えるには導電材料の変更が必要となる。
【0003】
任意の抵抗変化率を得る方法としては,例えば,特開昭60─28194号公報に示されているように,MoSi2 とSi3 N4 とMgAl2 O4 (焼結助材)を原料とし,ホットプレス時の雰囲気ガスを窒素ガスとアルゴンガスとの混合比を変える。これにより,焼結後に形成されるMo5 Si3 とMoSi2 の比率を変えて,抵抗変化率の大きいMoSi2 と抵抗変化率の小さいMo5 Si3 との間において,導電材料の任意の抵抗変化率を得ることができる。
【0004】
この方法により得た導電材料について,発明者らは抵抗変化率の試験を行った。抵抗変化率は,常温抵抗値に対する1000℃での抵抗値の比として求めた。MoSi2 の抵抗変化率は5.0であり,Mo5 Si3 の抵抗変化率は1.4となった。そして,両材の混在比率を変えることにより,上記公報の抵抗変化率を有する導電体セラミック体が得られることが確認された。
【0005】
【解決しようとする課題】
しかしながら,上記公報のように,混合ガスの窒素分圧を0.3気圧以上にすると,通電試験による耐久後に抵抗値が上昇して耐久性が不十分となる。逆に混合ガスの窒素分圧が低いと,Mo5 Si3 の生成量が少なく,任意の抵抗変化率が設定できない。そのため,MoSi2 とMo5 Si3 との抵抗変化率の間において,任意な抵抗変化率を有し,且つ耐久性に優れた導電材料を得ることが困難である。
【0006】
そこで,耐久性に関し鋭意研究した。その結果,耐久後の抵抗値上昇は,通電高温下において,発熱体の最高温度部のプラス側および支持体中央に存在する金属酸化物よりなる焼結助材により形成された粒界ガラスが移動すること,粒界ガラスが分解しその中の酸素原子が最高温度部のプラス側に拡散することにより,拡散した酸素が最高温度部のプラス側でMoSi2 と反応して表面で分解が起こるとともに表面層がMoSi2 から変化することにより導電パスが切断されるためであることがわかった。即ち,粒界ガラスの耐熱性は不十分であった。しかし,窒素分圧が粒界ガラスの移動及び粒界ガラスの分解に与える影響は,判明しなかった。
【0007】
また,通常,セラミックヒータの生産設備は生産能力が大きく,設備導入費も高い。そのため,導電材料の多種多様の常温抵抗値と抵抗変化率とに合わせて設備を導入することは困難である。それ故,1台の設備で効率的な生産が必須となる。しかし,多種多様のヒータの生産は,焼結時の窒素ガスとアルゴンガスとの混合比をその都度調整する必要があり,混合比を間違えやすく,管理面が煩雑となるとともに,生産性が悪い。
【0008】
また,特開昭59─8293号公報,特開昭62─82685号公報,特開平1─317170号公報にも,種々のセラミックヒータが開示されているが,いずれも抵抗変化率の容易な設定と耐久性とを満足するものではない。
【0009】
本発明はかかる従来の問題点に鑑み,抵抗変化率を任意にかつ容易に設定でき,耐久性及び生産性に優れた,セラミックヒータ及びその製造方法を提供しようとするものである。
【0010】
【課題の解決手段】
本願に係る第1発明は,外部から供給される電力により発熱可能な導電性セラミック体を有するセラミックヒータにおいて,
上記導電性セラミック体は,
Si 3 N 4 とMoSi 2 と金属Mo,Moの炭化物又はMoのホウ化物の中から選ばれる1種又は2種以上の添加材とよりなる原料粉末に,焼結助材を添加,混合してなる混合粉末を用い,該混合粉末を成形し,加熱焼結したものであり, Si 3 N 4 は,上記原料粉末の総量100重量%に対して,20〜80重量%含有されており,上記原料粉末の総量100重量%に対する,MoSi 2 に含まれるMoの重量比をA重量%とし,上記添加材に含まれるMoの重量比をB重量%としたとき,上記A,Bには,0.025≦B/A≦3の関係が成り立ち,
且つ,焼結時に少なくともMo 5-X Si 3 C 1-Y (0≦X≦2,0≦Y<1)を形成させ,焼結後は少なくともSi 3 N 4 とMoSi 2 とMo 5-X Si 3 C 1-Y とが混在し,Si 3 N 4 粒子を包む少なくともMoSi 2 粒子とMo 5-X Si 3 C 1-Y 粒子とが互いに連続する組織を有していることを特徴とするセラミックヒータにある。
【0011】
本発明において最も注目すべきことは,導電性セラミック体の原料が,Si 3 N 4 と,MoSi 2 と,金属Mo,Moの炭化物,又はMoのホウ化物の中から選ばれる1種又は2種以上からなる添加材とよりなる原料粉末を用いたものであること,MoSi 2 に含まれるMoの量(A重量%)と添加材に含まれるMoの量(B重量%)との比(B/A)を0.025〜3としたことである。
【0012】
Moの存在下では,MoSi 2 はMoと反応してMo 5 Si 3 になり,Moと炭素との存在下ではMo 5-X Si 3 C 1-Y (0≦X≦2,0≦Y<1)になる。Mo 5-X Si 3 C 1-Y は,Mo 5 Si 3 Cが基本組成であるが,第1発明と同様に,MoとCとが格子欠陥を起こし易いため,Mo 5-X Si 3 C 1-Y と表している。
【0013】
Si3N4は,原料粉末100重量%の中に,20〜80重量%含有さている。20重量%未満の場合には,導電性セラミック体の高強度化を実現するSi3N4が少なくなりすぎ,使用中にクラックが発生するおそれがあり,実用に供することができない。一方,80重量%を越える場合には,導電性セラミック体の耐久性が不足し実用化が困難となる。この理由は,絶縁性セラミックであるSi3N4の量が多くなりすぎ,導電パスの断面積が小さくなってしまい,通電時のストレスが過大となり導電部の変質が促進するものと考えられる。
上記導電パスとは,連続した導体セラミック体の経路をいう。また,導電部とはSi3N4粒子を包み,連続した導電セラミックとの混合組織をいう。
【0014】
上記原料粉末には,焼結助材が添加,混合される。該焼結助材としては,例えば,Al 2 O 3 ,SiO 2 ,MgAl 2 O 4 ,MgO,ZrO 2 ,Ta 2 O 5 等の金属酸化物,Y 2 O 3 ,Nd 2 O 4 ,CeO 2 ,La 2 O 3 ,Yb 2 O 3 等の希土類元素を含む金属酸化物,AlN等の金属化合物,またはSi等の金属のグループから選ばれる1種又は2種以上を用いることができる。
上記焼結助材は,上記原料粉末100重量部に対して,3〜30重量部添加,混合されていることが好ましい。3重量部未満の場合には,焼結性が悪化するおそれがある。一方,30重量部を越える場合には,比抵抗が大きくなるおそれがある。その上,耐熱性も著しく低下するおそれがある。
【0015】
上記原料粉末と焼結助材とよりなる上記混合粉末を成形,加熱焼結すると,Mo 5-X Si 3 C 1-Y (0≦X≦2,0≦Y<1)が形成される。Mo 5-X Si 3 C 1-Y は,Mo 5 Si 3 Cが基本組成であるが,5つのMo原子の中の2つは格子欠陥を起こしやすく,Cも格子欠陥を起こしやすいため,Mo 5-X Si 3 C 1-Y と表している。
【0016】
上記セラミックヒータを製造する方法としては,例えば,外部から供給される電力により発熱可能な導電性セラミック体を有するセラミックヒータの製造方法において,
上記導電性セラミック体は,
Si 3 N 4 とMoSi 2 と金属Mo,Moの炭化物又はMoのホウ化物の中から選ばれる1種又は2種以上の添加材とよりなる原料粉末に,焼結助材を添加,混合してなる混合粉末を用い,該混合粉末を成形し,加熱焼結したものであり, Si 3 N 4 は,上記原料粉末の総量100重量%に対して,20〜80重量%含有されており,上記原料粉末の総量100重量%に対する,MoSi 2 に含まれるMoの重量比をA重量%とし,上記添加材に含まれるMoの重量比をB重量%としたとき,上記A,Bには,0.025≦B/A≦3の関係が成り立つことを特徴とするセラミックヒータの製造方法がある。
【0017】
加熱焼結するための焼成雰囲気は,非酸化性雰囲気であることが好ましい。これにより,導電性セラミックの変質を少なくすることができる。非酸化性雰囲気は,例えばアルゴンガスによりつくることができるが,本発明の効果が得られればいかなる雰囲気でもよい。
【0018】
焼成温度は本発明の効果が得られる温度であればよい。焼成方法は,例えばホットプレス法があるが,これに限定されることなく,本発明の効果が得られるいかなる方法でもよい。
尚,上記混合粉末は,有機物質系のバインダと混合され,所望形状に成形される。この際,可塑剤を添加,混合することができる。
【0019】
また,参考として,外部から供給される電力により発熱可能な導電性セラミック体を有するセラミックヒータにおいて,
上記導電性セラミック体は,
Si 3 N 4 とMoSi 2 とSiCとよりなる原料粉末に,焼結助材を添加,混合してなる混合粉末を用い,該混合粉末を成形し,加熱焼結したものであり,
Si 3 N 4 は,上記原料粉末の総量100重量%に対して,20〜80重量%含有されており,MoSi 2 とSiCとの重量比(MoSi 2 の重量%/SiCの重量%)は1〜40であり,
且つ,焼結時の反応で少なくともMo 5-X Si 3 C 1-Y (0≦X≦2,0≦Y<1)を形成させ,焼結後は少なくともSi 3 N 4 とMoSi 2 とMo 5-X Si 3 C 1-Y とが混在し,Si 3 N 4 粒子を包む少なくともMoSi 2 とMo 5-X Si 3 C 1-Y 粒子とが互いに連続する組織を有していることを特徴とするセラミックヒータがある。
【0020】
なお,上記においては,導電性セラミック体が,Si 3 N 4 とMoSi 2 とSiCとよりなる原料粉末を用い,これらの配合比が,図3に示す三元組成図の4点b,f,p,oを直線により結ぶ四辺形で囲まれる範囲(b,f,p,oを結ぶ直線上も含む)内にある。上記のb,f,p,oの組成は,表1に示す値(小数点第2桁目を四捨五入した値)である。
【0021】
【表1】
【0022】
なお,上記においてMoSi 2 とSiCとの重量比(MoSi 2 の重量%/SiCの重量%)は,1〜40である。この範囲内において上記重量比を増加すると,抵抗変化率は増加し,逆に減少すると抵抗変化率も減少する。そして,重量比が1未満の場合には,導電体セラミック体の抵抗変化率の変動はみられない。逆に,重量比が40を越える場合には,導電性セラミック体の耐久性が低下するという問題がある。
【0023】
次に,上記の参考としてのセラミックヒータを製造する方法としては,例えば,外部から供給される電力により発熱可能な導電性セラミック体を有するセラミックヒータの製造方法において,
上記導電性セラミック体は,
Si 3 N 4 とMoSi 2 とSiCとよりなる原料粉末に,焼結助材を添加,混合してなる混合粉末を用い,該混合粉末を成形し,加熱焼結したものであり,
Si 3 N 4 は,上記原料粉末の総量100重量%に対して,20〜80重量%含有されており,MoSi 2 とSiCとの重量比(MoSi 2 の重量%/SiCの重量%)は1〜40であることを特徴とするセラミックヒータの製造方法がある。
【0024】
【作用及び効果】
上記参考としてのセラミックヒータにおいては,焼結時に,一部のSiCはSiとCに分解する。Siはガス化して飛散する。Cは一部のMoSi2と反応してMo5Si3より抵抗変化率が小さいMo5-XSi3C1-Yとなる。導電パスでは,少なくともMoSi2とMo5-XSi3C1-Yとの混在組織となる。
【0025】
また,導電部では,Si3 N4 粒子を包む少なくともMoSi2 とMo5−X Si3 C1−Y とが互いに連続する組織となる。即ち,Mo5−X Si3 C1−Y は,MoSi2 と共に混在して導電パスを形成する。また,このMoSi2 とMo5−X Si3 C1−Y との混在組織は,Si3 N4 粒子を包み,連続した組織からなる導電部を構成する。上記のMoSi2 とMo5−X Si3 C1−Y とは,導電材であり,これらの総量により常温抵抗値が決定される。
【0026】
そして,SiCの添加量を増やす場合にはMo5−X Si3 C1−Y の形成量が増加し,逆にSiCの添加量を減らす場合にはMo5−X Si3 C1−Y の形成量が減少する。このようにして,SiCの添加量を増減することにより,MoSi2 とMo5−X Si3 C1−Y との生成比率が変化する。MoSi2 は抵抗変化率が大きく,Mo5−X Si3 C1−Y は抵抗変化率が小さい。そのため,導電性セラミック体の抵抗変化率は,MoSi2 とMo5−X Si3 C1−Y との生成比率により決定される。
【0027】
従って,Si3 N4 の添加量と,MoSi2 の添加量と,SiCの添加量とを変更するのみで,一定のホットプレス条件下において任意の常温抵抗値と任意の抵抗変化率とを,容易に得ることができる。
【0028】
また,分解しないSiCの大部分は,焼結助材により形成される粒界ガラスの中に取り込まれて,その他の微細なSiCはSi3 N4 の中に取り込まれる。これにより,粒界ガラス内の元素の拡散及び粒界ガラスの分解が抑制され,粒界ガラスの耐久性が向上する。そのため,耐久性の高いセラミックヒータを得ることができる。
【0029】
また,上記セラミックヒータの製造方法によれば,上記の優れたセラミックヒータを容易に製造することができる。
【0030】
本願第1発明のセラミックヒータにおいては,焼結時,本発明の導電体セラミック体の組成では,一部のMoSi2と添加材のMoと有機物質の分解残留物たる炭素若しくは添加材に含まれる炭素との間に,
3MoSi2 + (7─2X)Mo + (2─2Y)C →2Mo5-XSi3C1-Y
なる反応が起こり,Mo5-XSi3C1-Yが生成する。
【0031】
上記Mo5−X Si3 C1−Y の生成量は,添加材の量により決まり,本発明のように適当な添加量にすれば,MoSi2 とMo5−X Si3 C1−Y とを混在させることができ,その結果,導電パスは少なくともMoSi2 とMo5−X Si3 C1−Y との混在組織となり,Si3 N4 粒子を包む少なくともMoSi2 とMo5−X Si3 C1−Y とが互いに連続する導電部組織となる。
【0032】
ここに,常温抵抗値は導電材であるMoSi2 とMo5−X Si3 C1−Y との総量により決まり,抵抗変化率は抵抗変化率の大きいMoSi2 と抵抗変化率の小さいMo5−X Si3 C1−Y の比で決まる。
【0033】
従って,Si3 N4 の添加量とMoSi2 の添加量と添加材の添加量との重量比を変えれば,一定のホットプレス条件下において,任意の常温抵抗値と任意の抵抗変化率を容易に得ることができる。
また,添加材の余剰炭素又はホウ素の大部分は,焼結助材により形成される粒界ガラス中に取り込まれる。これにより,粒界ガラスの移動及び粒界ガラスの分解が抑制され,粒界ガラスの耐久性が向上する。そのため,セラミックヒータの耐久性が高くなる。
【0034】
また,上記セラミックヒータの製造方法によれば,上記の優れたセラミックヒータを容易に製造することができる。
【0035】
以上のごとく,本発明にかかるセラミックヒータによれば,多種多様のヒータ生産において,加熱焼結時に窒素とアルゴンガスの混合比をその都度調整する必要がなく,セラミックヒータの耐久性及び生産性を高くすることができる。
【0036】
本発明によれば,抵抗変化率を任意にかつ容易に設定でき,耐久性及び生産性に優れた,セラミックヒータ及びその製造方法を提供することができる。
【0037】
【実施例】
参考例1
参考例にかかるセラミックヒータについて,図1,図2を用いて説明する。本例のセラミックヒータは,ディーゼルエンジン用のグロープラグに用いたものである。
【0038】
セラミックヒータ1は,図1に示すごとく,電極線4,5により外部から供給される電力によって発熱可能な発熱体2を有している。発熱体2は,導電性セラミック体であって,Si3 N4 (平均粒径10μm)とMoSi2 (平均粒径1μm)とSiC(平均粒径0.3μm)とよりなる原料粉末に,焼結助材としてのY2 O3 を添加,混合し,成形し,加熱焼成したものである。
Si3 N4 は,原料粉末の総量100重量%に対して50重量%含有されている。MoSi2 とSiCとの重量比(MoSi2 の重量%/SiCの重量%)は1〜32.3である。
【0039】
焼結時の反応においては,少なくともMo5−X Si3 C1−Y (0≦X≦2,0≦Y≦1)が形成する。焼結後は少なくともSi3 N4 とMoSi2 とMo5−X Si3 C1−Y とが混在し,Si3 N4 粒子を包む少なくともMoSi2 とMo5−X Si3 C1−Y 粒子とが互いに連続する組成が得られる。
以下,これらにつき詳細に説明する。
【0040】
即ち,上記セラミックヒータ1は,図1に示すごとく,円棒状の絶縁性セラミック体よりなる支持体3と,支持体3の先端部に埋設されたU字状の上記導電性セラミック体よりなる発熱体2と,支持体3の基端部及び中央部に埋設された断面円形の電極線4,5とからなる。
【0041】
電極線4,5の基端部は,支持体3の外周に露出してターミナル43,53を形成している。電極線4,5の先端部41,51は,発熱体2の両端面に接続されている。電極線4,5は通常タングステン,モリブデン等の高融点金属又はその合金からなるが,本例においては断面円形のタングステン線を用いている。ターミナル43,53の曲率半径は,支持体3の半径に等しい。
【0042】
次に,上記セラミックヒータ1の製造方法について説明する。
発熱体2である導電性セラミック体を製造するに当たり,まず,平均粒径10μmのSi3 N4 粉末と,平均粒径1μmのMoSi2 粉末と,平均粒径0.3μmのβ─SiC粉末とを原料粉末とする。原料粉末の総量100重量%に対して,Si3 N4 粉末は50.0重量%含有されている。MoSi2 粉末は25.0〜48.5重量%,β─SiC粉末は1.5〜25.0重量%の間で変化させる。MoSi2 とSiCとの重量比(MoSi2 の重量%/SiCの重量%)は1〜32.3である。
【0043】
上記原料粉末に,その総量を100重量部として,焼結助材としてのY2 O3 粉末10重量部を添加する。これをエタノール等の溶媒にて混合,攪拌し,乾燥後パラフィン,アタックチックポリプロピレン,高密度ポリエチレンよりなるバインダを加え,ニーダにより180℃で3時間混練して,導電性セラミック体の混合粉末を得る。
【0044】
また,支持体3である絶縁性セラミック体を製造するに当たり,まず,平均粒径0.7μmのSi3 N4 粉末50.0重量%と平均粒径1μmのMoSi2 粉末50.0重量%とを混合して原料粉末とする。この原料粉末に,その総量を100重量部として,焼結助材としてのY2 O3 粉末10重量部を添加し,上記の導電性セラミック体と同様の方法により,絶縁性セラミック体の混合粉末を得る。
【0045】
次に,上記の導電性セラミック体用の混合粉末と,絶縁性セラミック体用の混合粉末とを用いて,射出成形法により一体成形体を作製する。このとき,上記電極線4,5は一体的に内蔵させておく。次に,この一体成形体を一旦窒素雰囲気中500℃まで加熱して,上記バインダを飛散させる。その後,1750℃,アルゴン雰囲気において,ホットプレス法により加熱焼結して,導電体セラミック体を得る。
【0046】
加熱焼結後,外形をφ3.5mmまで削り,図1の形状にする。ここで,導電性セラミック体は半円状断面で,断面積が2mm2 ,電極線4,5のプラス側端面から一端面までの導電部長さは14mmとする。
【0047】
上記セラミックヒータ1は,図2に示すごとく,ディーゼルエンジン用のグロープラグ19の先端に取り付けられる。即ち,セラミックヒータは,支持体3の側面に施したニッケルメッキ層を介して金属の中空パイプ6に嵌着,ロウ付けされている。中空パイプ6は,セラミックヒータ1を保持するとともに,電極線5のターミナル53と電気的に接続されている。中空パイプ6の外周には,両端開口筒状の金属ハウジング10の先端部が嵌着,ロウ付けされている。金属ハウジング10は,図示しないエンジンへの取り付けネジ101を有している。
【0048】
電極線4のターミナル43には,支持体3の基端部を覆うように,金属キャップ7がロウ付けされている。金属キャップ7には,金属線8の一端が溶接されている。金属線8の他端は中軸9の先端に溶接されている。中軸9の基端部に形成された雄ネジ部91は図示しない電極と接続されている。中軸9は,ハンジング10内に嵌入されている。
中軸9は,ハウジング10からガラスシール11および絶縁ブッシュ12により電気的に絶縁されている。絶縁ブッシュ12は,雄ネジ部91に螺着されたナット13により固定されている。
【0049】
上記のグロープラグ19は,図示しない電源から中軸9,金属線8,金属キャップ7,電極線4,発熱体2,電極線5,中空パイプ6,ハウジング10を介して,図示しないグロープラグへの通電が可能となっている。
【0050】
次に,本例のセラミックヒータの諸特性を測定した。その結果,常温抵抗値は0.162〜3.016Ω,1000℃での抵抗値は0.653〜4.313Ωであった。
抵抗変化率(1000℃の抵抗値/常温の抵抗値)は,1.43〜4.03の間で変化した。そして,MoSi2 量を増加するに連れて導電体セラミック体の抵抗変化率が増加し,逆にMoSi2 量を減らす場合には抵抗変化率も減少した。
このことから,本例のセラミックヒータは,MoSi2 とSiCとの添加量を増減することにより,任意の抵抗変化率を容易に設定することができることがわかる。
【0051】
次に,セラミックヒータが1200℃となる電圧にて通電1分と通電停止1分とを繰り返して耐久試験を行ったところ,19000〜25000サイクル目で,抵抗値が試験前に対して10%変化した。10000サイクル以上であれば,実用上問題がないことから,本例のセラミックヒータは,その目標値をはるかに上回っており,優れた耐久性を有しているといえる。
【0052】
参考例2
本例においては,導電性セラミック体の混合粉末の組成を変えて,セラミックヒータを作製し,その諸特性を測定した。
導電性セラミック体の混合粉末は,表2に示すごとく,Si3N4とMoSi2とβ─SiCとからなる原料粉末,及びAl2O3とY2O3とからなる焼結助材の配合割合を変えて調製した。
【0053】
その他は,参考例1と同様にして,各々のセラミックヒータを製造し,試料a〜qとした。また,Si3N4,MoSi2,SiCの配合割合を,図3の三元組成図に示した。なお,図3の三元組成図中に示す点a〜qは,試料a〜qに対応している。
各セラミックヒータについて,参考例1と同様の方法により,表2に示す抵抗値,抵抗変化率,及び耐久性を測定した。その結果を表2に示した。
【0054】
【表2】
【0055】
次に,測定結果について説明する。
まず,β─SiC無添加の,MoSi2 とSi3 N4 とを原料粉末とした試料a,h,nについて説明する。MoSi2 は導電性セラミックであるため,MoSi2 添加量が多いaは,低い抵抗値,高い抵抗変化率となった。逆に,その添加量が少ないnは,抵抗値は高く,抵抗変化率は小さくなった。この結果から,MoSi2 の添加量を変化させるだけでも抵抗変化率を変え得るが,抵抗値も大きく変化し,一定形状の発熱体で所定の抵抗値と抵抗変化率とを実現することは困難であることがわかる。
【0056】
上記のように,Si3 N4 とMoSi2 との比率を変えるのみで,導電性セラミック体の抵抗値が変化する理由は,導電パスの大きさがMoSi2 の添加量で決定されるためであると考えられる。
【0057】
また,Si3 N4 とMoSi2 との比率を変えるのみで,導電性セラミック体の抵抗変化率が変化する理由は,文献等に示される導電性セラミック体の抵抗変化率が導電部全体が導電体よりなるヒータの値であるのに対し,本例のようにセラミックヒータが導電性セラミック体と絶縁性セラミック体との混合組織の場合は,絶縁性セラミック体の混在による実質導電部の減少,絶縁性セラミック体と導電体セラミック体との線膨張係数の差による各粒子への熱応力により生ずる接触抵抗等が,複雑に影響しているためであると考えられる。
【0058】
次に,β─SiC添加の効果について,Si3 N4 量が50重量%の試料h,i,j,k,l,mにより説明する。β─SiC量をi,j,k,l,mと増してゆくと,抵抗変化率は小さくなる。そして,試料l,mの結果より,所定量以上のβ─SiCを添加しても,もはや抵抗変化率は変わらなくなる。このことは,Si3 N4 量が20重量%の試料a,b,c,d,e,f,g,及びSi3 N4 量が80重量%の試料n,o,pについてもいえる。
【0059】
以上の結果をまとめると,β─SiC量はMoSi2量の1/40からMoSi2量と同量までの間,即ちMoSi2量とβ─SiC量との重量比(MoSi2の重量%/β─SiCの重量%)が1〜40の間において,MoSi2量とβ─SiC量を適当に設定することにより,導電性セラミック体の寸法を変えることなく一定形状の発熱体で所定の抵抗値と所定の抵抗変化率を有するセラミックヒータを容易に得ることができることがわかる。また,β─SiCを添加すると耐久性も大幅に向上すること,更に,本例のセラミックヒータの特性は焼結助材の影響を受けないこともわかる。
【0060】
ここで,Si3 N4 は,80重量%を越えて添加すると,早期に常温抵抗値が変化し,実用化が困難となる。その理由は,絶縁性セラミックであるSi3 N4 の量が多くなりすぎ,導電パスの断面積が小さくなってしまい,通電時のストレスが過大となり,導電部の変質が促進されるものと考えられる。また,20重量%未満の場合には,高い強度を実現するSi3 N4 が少なくなりすぎ,使用中にクラックが発生するため,この場合にも実用に適さない。
【0061】
以上のことより,Si3 N4 が20〜80重量%と,MoSi2 とβ─SiCが総量で80〜20重量%であり,MoSi2 量とβ─SiC量の重量比(MoSi2 の重量%/β─SiCの重量%)が1〜40である原料粉末を出発原料とすることが望ましいといえる。即ち,図3の三元組成図において,b,f,p,oを直線により結ぶことより囲まれた組成範囲内の適当な組成を選定することが望ましい。
【0062】
以上はβ─SiCの添加の例で述べたが,焼結時のSiCの分解により本発明の抵抗値,抵抗変化率,及び耐久性が得られること,並びに焼結時にα─SiCがβ─SiCに一部変化することから,α─SiCでも同様の効果が得られることが言える。
また,原料粉末のSi3N4はα─Si3N4粉末,β─Si3N4粉末,α─Si3N4粉末とβ─Si3N4粉末との混合粉末により確認したが,全て,同様の優れた効果が確認された。
【0063】
また,平均粒径については,10μmのSi3 N4 粉末と,1μmのMoSi2 粉末と,0.3μmのβ─SiC粉末の例で述べたが,要は,焼結後にSi3 N4 粒子を包む少なくともMoSi2 とMo5−X Si3 C1−Y 粒子が互いに連続した組織となった導電性セラミック体が形成されればよい。
【0064】
我々の経験からは,Si3 N4 の平均粒径は,MoSi2 及びSiCの平均粒径の3倍以上であればよい。3倍未満の場合には,MoSi2 とMo5−X Si3 C1−Y 粒子が連続した組織を形成しない場合があった。3倍以上としたのは,平均粒径が0.01〜0.03μmと超微粒子のSiCを用いても,同様の結果が得られたため,上限は設定しなかった。
【0065】
実施例1
本発明の実施例に係るセラミックヒータにおいては,導電体セラミック体が,Si3N4とMoSi2とMoのホウ化物(添加材)と焼結助材とを用いて製造されたものである。
【0066】
上記導電体セラミック体の製造方法について説明する。
まず,平均粒径10μmのα─Si3 N4 粉末と,平均粒径1μmのMoSi2 粉末と,平均粒径1μmのMoB粉末とを原料粉末とする。原料粉末の総量100重量%に対して,α─Si3 N4 粉末は50.0重量%添加されている。MoSi2 粉末は25.0〜49.0重量%,MoB粉末は25.0〜1.0重量%の間でそれぞれ変化させる。
【0067】
上記原料粉末に,その総量を100重量部として,焼結助材としてのY2 O3 粉末10重量部添加する。これをエタノール等の溶媒にて混合,攪拌し,乾燥後パラフィン,アタックチックポリプロピレン,高密度ポリエチレンよりなるバインダを加え,ニーダにより180℃で3時間混練して,導電性セラミック体の混合粉末を得る。
【0068】
また,支持体である絶縁性セラミック体は,平均粒径1μmのα─Si3N4粉末50.0重量%と平均粒径1μmのMoSi2粉末50.0重量%とを用いて,上記と同様にして,絶縁性セラミック体の基本原料を得る。
次に,上記の導電性セラミック体の混合粉末と絶縁性セラミック体の混合粉末とを用いて,射出成形法により一体成形体を作製する。一体成形体を一旦窒素雰囲気中500℃まで加熱して,上記バインダを飛散させる。その後,1730℃,アルゴン雰囲気において,ホットプレス法により加熱焼結する。これにより,セラミックヒータを得る。
その他は,参考例1と同様である。
【0069】
次に,本例のセラミックヒータの諸特性を測定した。その結果,常温抵抗値は0.258〜3.382,1000℃での抵抗値は1.078〜6.798Ωであった。抵抗変化率(1000℃の抵抗値/常温の抵抗値)は,4.18〜2.01と変化した。このことから,本例のセラミックヒータは,MoSi2 と添加材との添加量を増減することにより,任意の抵抗変化率を容易に設定することができることがわかる。
【0070】
次に,セラミックヒータの耐久試験を参考例1と同様にして行なったところ,17000〜18000サイクル目で,抵抗値が試験前に対して,10%変化した。実用上問題がない10000サイクルを遙に上回っているので,本例のセラミックヒータは優れた耐久性を有しているといえる。
【0071】
実施例2
本例においては,導電体セラミック体の混合粉末の組成とセラミックヒータの諸特性との関係を調査した。
まず,Si3N4とMoSi2との配合比がセラミックヒータの諸特性に与える影響を調査した。
【0072】
調査に当たり,まず,表3に示すごとく,添加材を用いることなく,Si3N4粉末とMoSi2粉末との配合比を変えて導電性セラミック体の混合粉末を調製し,該混合粉末より各々セラミックヒータを作製して,試料1〜7とした。これらについて,表3に示すの諸特性を,参考例1と同様に測定した。
【0073】
表3より明らかなように,常温抵抗値は絶縁材であるSi3 N4 量が少ない試料1が低い。Si3 N4 量を試料2〜7へと多くすると,常温抵抗値は順次高くなる。
また,耐久性については,Si3 N4 量が20重量%未満の試料1は使用中の繰り返し熱応力により4000サイクルでクラックが発生し,実用化に適さない。この理由は,Si3 N4 は,セラミックヒータの強度向上に寄与するものであり,このSi3 N4 量が少なく,強度が低下したものと考えられる。
【0074】
Si3 N4 を80重量%を越えて添加した試料7も,早期に常温抵抗値が変化して,実用化が困難であった。この理由は,絶縁性セラミックであるSi3 N4 の量が多くなりすぎ,導電パスの断面積が小さくなってしまい,通電時のストレスが過大となり導電部の変質が促進されるものと考えられる。表3の結果より,実用化を考えると,導電性の発熱体を形成するためのSi3 N4 量は,20〜80重量%であることが望ましいといえる。
【0075】
次に,表3の結果を踏まえ,Si3N4とMoSi2と添加材としての金属Moとの配合比がセラミックヒータの諸特性に与える影響を調査した。
即ち,Si3N4とMoSi2と金属Moとよりなる原料粉末を,表4,表5に示す配合割合で調製した。これらを用いて作製したセラミックヒータを,各々試料2,4,6,8〜21とし,これらの諸特性を参考例1と同様に測定した。その結果を表4,表5に示した。
【0076】
上記の結果について説明する。
両表の中,B/Aは,Si3 N4 量とMoSi2 量と添加材としてのMo量との総重量100重量%に対する,MoSi2 に含まれるMo量をA重量%とし,添加材としてのMo量をB重量%としたときの重量比(B/A)である。MoSi2 に含まれるMoの量(A重量%)は,表5の中のMoSi2 の重量%の下の括弧内に記してある。
【0077】
次に,上記測定結果について,考察する。
まず,添加材としてのMoの添加のない,Si3N4とMoSi2とを原料粉末とした試料2,4,6,の結果より(表3),Si3N4とMoSi2との重量比のみを変えるだけであっても抵抗変化率は変わるが,常温,1000℃での抵抗値も大きく変化してしまい,一定形状の発熱体で所定の常温抵抗値と抵抗変化率とを得ることは困難であることがわかる。その理由は,参考例2で述べた。
【0078】
次に,本発明の添加材としての金属Moの添加の効果を,Si3 N4 の添加量が50重量%である試料4,13,14,15,16,17において説明する。Moを添加しない試料4の抵抗変化率は4.21である。そして,Mo量を試料13〜17と増してゆくと,抵抗変化率が小さくなる。そして,試料16,17の結果より,所定量以上Moを添加しても,もはや抵抗変化率は変わらなくなる。この結果は,Si3 N4 の添加量が80重量%である試料6,18,19,20,21についてもいえる。
【0079】
表4,表5の結果をまとめると,MoSi2に含まれるMoの量(A重量%)と添加材としてのMoの量(B重量%)との比(B/A)が,0.025〜3になるようにMoSi2量とMo量とを設定することにより,必要に応じて若干導電部の寸法を変えるのみで所定の抵抗値及び所定の抵抗変化率を有するセラミックヒータが,容易に得られることがわかる。更に,焼結助材の影響を受けないこともわかる。
【0080】
【表3】
【0081】
【表4】
【0082】
【表5】
【0083】
実施例5
本例においては,添加材として,表6に示すMoの炭化物又はMoのホウ化物を添加材として用い,該添加材とMoSi2 との配合比を変えて,セラミックヒータ(試料22〜33)を製造した。その他は,実施例4と同様である。これらの試料の諸特性について測定し.表6に示した。
【0084】
表5に示す結果より,実施例4の表4,表5の結果と同様に,MoSi2 に含まれるMoの量(A重量%)とMoの炭化物,Moのホウ化物からなる添加材に含まれるMoの量(B重量%,表6の括弧内の値)の比(B/A)が,0.025≦B/A≦3である原料粉末を出発原料にすることが望ましいといえる。
【0085】
結局,Si3N4とMoSi2と添加材とよりなる原料粉末100重量%に対して,Si3N4が20〜80重量%であり,MoSi2に含まれるMoの量(A重量%)と,金属Mo,Moの炭化物,ホウ化物の1種又は2種以上に含まれるMoの量(B重量%)との比(B/A)が,0.025〜3である組成が望ましい。
【0086】
また,本例のセラミックヒータにおいても,参考例2と同様に,Si3N4の平均粒径は,MoSi2とMoとの平均粒径の3倍以上であることが望ましい。
【0087】
【表6】
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1のセラミックヒータの断面図。
【図2】実施例1のセラミックヒータを設けたグロープラグの断面図。
【図3】実施例2の導電体セラミック体の三元組成図。
【符号の説明】
1...セラミックヒータ,
19...グロープラグ,
2...発熱体,
3...支持体,
4,5...電極線,[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a ceramic heater used for a ceramic blow plug of a diesel engine and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
High heat resistant ceramic heaters have been used in various products. For this reason, the requirements for the normal-temperature resistance value and the rate of change in resistance (the ratio of the normal-temperature resistance value to the high-temperature resistance value) of the conductive ceramic body used for the ceramic heater are diversifying. Here, the room temperature resistance can be easily changed by changing the cross-sectional area and length of the conductive part, or the composition of the conductive material. However, the resistance change rate is almost uniquely determined by the conductive material. The conductive material needs to be changed.
[0003]
As a method for obtaining an arbitrary resistance change rate, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-28194, MoSi2 And Si3 N4 And MgAl2 O4 Using (sintering aid) as a raw material, the mixing ratio of the nitrogen gas and the argon gas is changed as the atmosphere gas during hot pressing. Thereby, Mo formed after sintering5 Si3 And MoSi2 MoSi with high resistance change rate by changing the ratio of2 And Mo with small resistance change rate5 Si3 An arbitrary rate of change in resistance of the conductive material can be obtained in between.
[0004]
For the conductive material obtained by this method, the inventors conducted a test of the rate of change in resistance. The resistance change rate was determined as a ratio of the resistance value at 1000 ° C. to the normal temperature resistance value. MoSi2 Has a resistance change rate of 5.0 and Mo5 Si3 Has a resistance change rate of 1.4. Then, it was confirmed that by changing the mixture ratio of the two materials, a conductive ceramic body having the resistance change rate described in the above publication can be obtained.
[0005]
[Problem to be solved]
However, if the nitrogen partial pressure of the mixed gas is set to 0.3 atm or more as described in the above-mentioned publication, the resistance value increases after the endurance by the current test, and the durability becomes insufficient. Conversely, when the nitrogen partial pressure of the mixed gas is low, Mo5 Si3 Is too small to set an arbitrary resistance change rate. Therefore, MoSi2 And Mo5 Si3 It is difficult to obtain a conductive material having an arbitrary resistance change rate and excellent durability between the above resistance change rates.
[0006]
Therefore, we conducted intensive research on durability. As a result, the resistance value after endurance increases due to the movement of the grain boundary glass formed by the sintering aid consisting of the metal oxide existing on the plus side of the highest temperature part of the heating element and in the center of the support under high temperature. In addition, the grain boundary glass is decomposed and the oxygen atoms therein diffuse to the plus side of the highest temperature part, so that the diffused oxygen becomes MoSi at the plus side of the highest temperature part.2 Decomposes on the surface and reacts with MoSi2 It was found that this was because the conductive path was cut off by changing from. That is, the heat resistance of the grain boundary glass was insufficient. However, the effect of nitrogen partial pressure on the movement of grain boundary glass and the decomposition of grain boundary glass was not found.
[0007]
Further, usually, the production equipment of the ceramic heater has a large production capacity and the introduction cost of the equipment is high. Therefore, it is difficult to introduce equipment in accordance with a wide variety of normal temperature resistance values and resistance change rates of conductive materials. Therefore, efficient production with one facility is essential. However, in the production of a wide variety of heaters, it is necessary to adjust the mixture ratio of nitrogen gas and argon gas each time during sintering, which makes it easy to make mistakes in the mixture ratio, complicates management, and reduces productivity. .
[0008]
Various ceramic heaters are also disclosed in JP-A-59-8829, JP-A-62-82685, and JP-A-1-317170, all of which can easily set the resistance change rate. And durability are not satisfied.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a ceramic heater and a method of manufacturing the same, which are capable of arbitrarily and easily setting a resistance change rate, have excellent durability and productivity.
[0010]
[Means for solving the problem]
The first invention according to the present application is:In a ceramic heater having a conductive ceramic body capable of generating heat by electric power supplied from the outside,
The conductive ceramic body is
Si Three N Four And MoSi Two And a mixed powder obtained by adding and mixing a sintering aid to a raw material powder comprising one or more additives selected from metal Mo, a carbide of Mo or a boride of Mo. The mixed powder is molded and sintered by heating. Three N Four Is contained in an amount of 20 to 80% by weight with respect to 100% by weight of the total amount of the raw material powder, and MoSi is contained with respect to 100% by weight of the total amount of the raw material powder. Two When the weight ratio of Mo included in the additive is A weight% and the weight ratio of Mo included in the additive is B weight%, the relationship of A and B is 0.025 ≦ B / A ≦ 3. Made up,
And at least Mo during sintering 5-X Si Three C 1-Y (0 ≦ X ≦ 2, 0 ≦ Y <1), and after sintering, at least Si Three N Four And MoSi Two And Mo 5-X Si Three C 1-Y Is mixed with Si Three N Four At least MoSi wrapping particles Two Particles and Mo 5-X Si Three C 1-Y A ceramic heater characterized in that the particles and the particles have a continuous structure.
[0011]
The most remarkable point in the present invention is that the raw material of the conductive ceramic body is Si Three N Four And MoSi Two A raw material powder comprising a metal Mo, a carbide of Mo, or an additive selected from one or more selected from borides of Mo; MoSi Two The ratio (B / A) of the amount of Mo (A wt%) contained in the additive and the amount of Mo (B wt%) contained in the additive material is set to 0.025 to 3.
[0012]
In the presence of Mo, MoSi Two Reacts with Mo Five Si Three And Mo in the presence of Mo and carbon 5-X Si Three C 1-Y (0 ≦ X ≦ 2, 0 ≦ Y <1). Mo 5-X Si Three C 1-Y Is Mo Five Si Three Although C is a basic composition, Mo and C easily cause lattice defects as in the first invention. 5-X Si Three C 1-Y It is expressed as
[0013]
SiThreeNFourContains 20 to 80% by weight in 100% by weight of the raw material powder.Possessioning. When the content is less than 20% by weight, Si for realizing high strength of the conductive ceramic body is used.ThreeNFourIs too small, cracks may occur during use, and it cannot be put to practical use. On the other hand, if it exceeds 80% by weight, the durability of the conductive ceramic body is insufficient, and it is difficult to put it to practical use. This is because the insulating ceramic SiThreeNFourIt is considered that the amount of the conductive layer becomes too large, the cross-sectional area of the conductive path becomes small, the stress at the time of energization becomes excessive, and the deterioration of the conductive part is promoted.
The conductive path is a path of a continuous conductive ceramic body. The conductive part is SiThreeNFourIt refers to a mixed structure with a continuous conductive ceramic surrounding the particles.
[0014]
A sintering aid is added to and mixed with the raw material powder. As the sintering aid, for example, Al Two O Three , SiO Two , MgAl Two O Four , MgO, ZrO Two , Ta Two O Five Metal oxides such as Y Two O Three , Nd Two O Four , CeO Two , La Two O Three , Yb Two O Three One or more selected from the group consisting of a metal oxide containing a rare earth element such as Al, a metal compound such as AlN, and a metal such as Si can be used.
The sintering aid is preferably added and mixed in an amount of 3 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the raw material powder. If the amount is less than 3 parts by weight, sinterability may deteriorate. On the other hand, when it exceeds 30 parts by weight, the specific resistance may be increased. In addition, heat resistance may be significantly reduced.
[0015]
When the mixed powder comprising the raw material powder and the sintering aid is molded and sintered by heating, Mo 5-X Si Three C 1-Y (0 ≦ X ≦ 2, 0 ≦ Y <1) are formed. Mo 5-X Si Three C 1-Y Is Mo Five Si Three Although C is a basic composition, two of the five Mo atoms are liable to cause lattice defects, and C is also liable to cause lattice defects. 5-X Si Three C 1-Y It is expressed as
[0016]
As a method of manufacturing the ceramic heater, for example, in a method of manufacturing a ceramic heater having a conductive ceramic body capable of generating heat by electric power supplied from the outside,
The conductive ceramic body is
Si Three N Four And MoSi Two And a mixed powder obtained by adding and mixing a sintering aid to a raw material powder comprising one or more additives selected from metal Mo, a carbide of Mo or a boride of Mo. The mixed powder is molded and sintered by heating. Three N Four Is contained in an amount of 20 to 80% by weight with respect to 100% by weight of the total amount of the raw material powder, and MoSi is contained with respect to 100% by weight of the total amount of the raw material powder. Two When the weight ratio of Mo included in the additive is A weight% and the weight ratio of Mo included in the additive is B weight%, the relationship of A and B is 0.025 ≦ B / A ≦ 3. There is a method for manufacturing a ceramic heater characterized by being satisfied.
[0017]
The firing atmosphere for heat sintering is preferably a non-oxidizing atmosphere. As a result, deterioration of the conductive ceramic can be reduced. The non-oxidizing atmosphere can be made of, for example, argon gas, but may be any atmosphere as long as the effects of the present invention can be obtained.
[0018]
The firing temperature may be any temperature at which the effects of the present invention can be obtained. The firing method includes, for example, a hot press method, but is not limited thereto, and may be any method that can obtain the effects of the present invention.
The mixed powder is mixed with an organic binder and formed into a desired shape. At this time, a plasticizer can be added and mixed.
[0019]
As a reference, in a ceramic heater having a conductive ceramic body capable of generating heat by electric power supplied from the outside,
The conductive ceramic body is
Si Three N Four And MoSi Two A mixed powder obtained by adding and mixing a sintering aid to a raw material powder composed of SiC and SiC, molding the mixed powder, and sintering the mixture;
Si Three N Four Is contained in an amount of 20 to 80% by weight based on the total amount of the raw material powder of 100% by weight. Two And SiC weight ratio (MoSi Two Weight% / weight of SiC) is 1 to 40,
In addition, at least the Mo 5-X Si Three C 1-Y (0 ≦ X ≦ 2, 0 ≦ Y <1), and after sintering, at least Si Three N Four And MoSi Two And Mo 5-X Si Three C 1-Y Is mixed with Si Three N Four At least MoSi wrapping particles Two And Mo 5-X Si Three C 1-Y There is a ceramic heater characterized in that particles have a continuous structure with each other.
[0020]
In the above, the conductive ceramic body is made of Si Three N Four And MoSi Two The raw material powders consisting of SiC and SiC are used, and their compounding ratio is determined by the range (b, f, p) surrounded by the quadrilateral connecting the four points b, f, p, and o in the ternary composition diagram shown in FIG. , O). The compositions of b, f, p, and o are the values shown in Table 1 (values with the second decimal place rounded off).
[0021]
[Table 1]
[0022]
In the above, MoSi Two And SiC weight ratio (MoSi Two % /% By weight of SiC) is 1 to 40. When the weight ratio is increased within this range, the resistance change rate increases, and conversely, when the weight ratio decreases, the resistance change rate decreases. When the weight ratio is less than 1, no change in the resistance change rate of the conductive ceramic body is observed. Conversely, when the weight ratio exceeds 40, there is a problem that the durability of the conductive ceramic body is reduced.
[0023]
Next, as a method of manufacturing the ceramic heater as the above reference, for example, in a method of manufacturing a ceramic heater having a conductive ceramic body capable of generating heat by electric power supplied from the outside,
The conductive ceramic body is
Si Three N Four And MoSi Two A mixed powder obtained by adding and mixing a sintering aid to a raw material powder composed of SiC and SiC, molding the mixed powder, and sintering the mixture;
Si Three N Four Is contained in an amount of 20 to 80% by weight based on the total amount of the raw material powder of 100% by weight. Two And SiC weight ratio (MoSi Two (Weight% / weight% of SiC) is 1 to 40.
[0024]
[Action and effect]
the aboveFor referenceIn a ceramic heater, part of SiC is decomposed into Si and C during sintering. Si gasifies and scatters. C is part of MoSiTwoReacts with Mo5SiThreeMo with smaller resistance change rate5-XSiThreeC1-YIt becomes. In the conductive path, at least MoSiTwoAnd Mo5-XSiThreeC1-YAnd a mixed organization.
[0025]
In the conductive part, Si3 N4 At least MoSi wrapping particles2 And Mo5-XSi3 C1-YAre continuous with each other. That is, Mo5-XSi3 C1-YIs MoSi2 And a conductive path together. In addition, this MoSi2 And Mo5-XSi3 C1-YIs mixed with Si3 N4 It wraps the particles and forms a conductive part consisting of a continuous tissue. MoSi above2 And Mo5-XSi3 C1-YIs a conductive material, and the normal temperature resistance value is determined by the total amount of these.
[0026]
When increasing the amount of SiC added,5-XSi3 C1-YWhen the amount of SiC increases and the amount of SiC added decreases,5-XSi3 C1-YIs reduced. By increasing or decreasing the amount of SiC added in this manner, MoSi2 And Mo5-XSi3 C1-YAnd the generation ratio changes. MoSi2 Has a large rate of change in resistance,5-XSi3 C1-YHas a small resistance change rate. Therefore, the resistance change rate of the conductive ceramic body is MoSi2 And Mo5-XSi3 C1-YIs determined by the generation ratio.
[0027]
Therefore, Si3 N4 And the amount of MoSi2 By simply changing the amount of SiC added and the amount of SiC added, it is possible to easily obtain an arbitrary room temperature resistance value and an arbitrary resistance change rate under a constant hot pressing condition.
[0028]
Most of the undecomposed SiC is taken into the grain boundary glass formed by the sintering aid, and the other fine SiC is3 N4 It is taken in. This suppresses the diffusion of elements in the grain boundary glass and the decomposition of the grain boundary glass, and improves the durability of the grain boundary glass. Therefore, a highly durable ceramic heater can be obtained.
[0029]
Further, according to the method for manufacturing a ceramic heater, the excellent ceramic heater can be easily manufactured.
[0030]
Application No. 1In the ceramic heater of the present invention, at the time of sintering, a part of MoSiTwoBetween the Mo of the additive and the carbon which is the decomposition residue of the organic substance or the carbon contained in the additive,
3MoSiTwo + (7─2X) Mo + (2─2Y) C → 2Mo5-XSiThreeC1-Y
Reaction occurs, Mo5-XSiThreeC1-YIs generated.
[0031]
Mo above5-XSi3 C1-YIs determined by the amount of the additive, and if the amount is appropriately adjusted as in the present invention, MoSi2 And Mo5-XSi3 C1-YCan be mixed, so that the conductive path is at least MoSi2 And Mo5-XSi3 C1-YAnd a mixed structure with Si3 N4 At least MoSi wrapping particles2 And Mo5-XSi3 C1-YForm a continuous conductive structure.
[0032]
Here, the room temperature resistance value is MoSi which is a conductive material.2 And Mo5-XSi3 C1-YThe resistance change rate is determined by the MoSi having a large resistance change rate.2 And Mo with small resistance change rate5-XSi3 C1-YIs determined by the ratio of
[0033]
Therefore, Si3 N4 Amount of MoSi and MoSi2 By changing the weight ratio between the amount of the additive and the amount of the additive, it is possible to easily obtain an arbitrary room temperature resistance value and an arbitrary resistance change rate under a constant hot pressing condition.
Most of the surplus carbon or boron in the additive is taken into the grain boundary glass formed by the sintering aid. Thereby, movement of the grain boundary glass and decomposition of the grain boundary glass are suppressed, and the durability of the grain boundary glass is improved. Therefore, the durability of the ceramic heater increases.
[0034]
Further, according to the method for manufacturing a ceramic heater, the excellent ceramic heater can be easily manufactured.
[0035]
As described above, according to the ceramic heater according to the present invention, in the production of various heaters, it is not necessary to adjust the mixing ratio of nitrogen and argon gas each time during heating and sintering, and the durability and productivity of the ceramic heater are reduced. Can be higher.
[0036]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the resistance change rate can be set arbitrarily and easily, The ceramic heater excellent in durability and productivity, and its manufacturing method can be provided.
[0037]
【Example】
referenceAn example of a ceramic heater will be described with reference to FIGS. The ceramic heater of this example is used for a glow plug for a diesel engine.
[0038]
As shown in FIG. 1, the
Si3 N4 Is contained in an amount of 50% by weight based on the total amount of the raw material powders of 100% by weight. MoSi2 And SiC weight ratio (MoSi2 % /% By weight of SiC) is 1 to 32.3.
[0039]
In the reaction during sintering, at least Mo5-XSi3 C1-Y(0 ≦ X ≦ 2, 0 ≦ Y ≦ 1). After sintering, at least Si3 N4 And MoSi2 And Mo5-XSi3 C1-YIs mixed with Si3 N4 At least MoSi wrapping particles2 And Mo5-XSi3 C1-YA composition in which the particles and the particles are continuous with each other is obtained.
Hereinafter, these will be described in detail.
[0040]
That is, as shown in FIG. 1, the
[0041]
The base ends of the
[0042]
Next, a method for manufacturing the
In manufacturing the conductive ceramic body as the
[0043]
A total amount of 100 parts by weight was added to the above raw material powder, and Y as a sintering aid was used.2 O3 10 parts by weight of powder are added. This is mixed and stirred with a solvent such as ethanol, dried, then added with a binder made of paraffin, attack polypropylene and high-density polyethylene, and kneaded with a kneader at 180 ° C. for 3 hours to obtain a mixed powder of a conductive ceramic body. .
[0044]
In manufacturing the insulating ceramic body as the
[0045]
Next, using the mixed powder for the conductive ceramic body and the mixed powder for the insulating ceramic body, an integrated molded body is produced by an injection molding method. At this time, the
[0046]
After heat sintering, the outer shape is cut to φ3.5 mm to obtain the shape shown in FIG. Here, the conductive ceramic body has a semicircular cross section and a cross sectional area of 2 mm.2 The length of the conductive portion from the positive end surface to the one end surface of the
[0047]
The
[0048]
The
The
[0049]
The glow plug 19 is connected to a glow plug (not shown) from a power source (not shown) via the
[0050]
Next, various characteristics of the ceramic heater of this example were measured. As a result, the room temperature resistance was 0.162 to 3.016Ω, and the resistance at 1000 ° C. was 0.653 to 4.313Ω.
The rate of change in resistance (resistance at 1000 ° C./resistance at room temperature) changed between 1.43 and 4.03. And MoSi2 As the amount increases, the rate of change in resistance of the conductive ceramic body increases.2 When the amount was reduced, the rate of change in resistance also decreased.
For this reason, the ceramic heater of this example is MoSi2 It can be seen that an arbitrary resistance change rate can be easily set by increasing or decreasing the amount of addition of Si and SiC.
[0051]
Next, a durability test was performed by repeating the current application for 1 minute and the current application stop for 1 minute at a voltage at which the ceramic heater became 1200 ° C. At 19000-25000 cycles, the resistance value changed by 10% from the value before the test. did. If it is 10,000 cycles or more, there is no practical problem. Therefore, the ceramic heater of the present example far exceeds its target value, and can be said to have excellent durability.
[0052]
In this example, a ceramic heater was manufactured by changing the composition of the mixed powder of the conductive ceramic body, and its characteristics were measured.
As shown in Table 2, the mixed powder of the conductive ceramic body was made of Si.ThreeNFourAnd MoSiTwoRaw material powder consisting of and β─SiC, and AlTwoOThreeAnd YTwoOThreeThe sintering aid was prepared by changing the mixing ratio of the sintering aid.
[0053]
OthersreferenceEach of the ceramic heaters was manufactured in the same manner as in Example 1 to obtain samples a to q. In addition, SiThreeNFour, MoSiTwo, SiC are shown in the ternary composition diagram of FIG. Note that points a to q shown in the ternary composition diagram of FIG. 3 correspond to samples a to q.
For each ceramic heater,referenceIn the same manner as in Example 1, the resistance value, the rate of change in resistance, and the durability shown in Table 2 were measured. The results are shown in Table 2.
[0054]
[Table 2]
[0055]
Next, the measurement results will be described.
First, MoSi without β─SiC was added.2 And Si3 N4 Samples a, h, and n using the above as raw material powders will be described. MoSi2 Is a conductive ceramic, MoSi2 In the case of a with a large amount of addition, a low resistance value and a high resistance change rate were obtained. Conversely, when n was added in a small amount, the resistance value was high and the rate of change in resistance was small. From this result, MoSi2 It can be seen that the resistance change rate can be changed only by changing the amount of addition, but the resistance value also changes greatly, and it is difficult to realize a predetermined resistance value and a predetermined resistance change rate with a heating element having a fixed shape.
[0056]
As described above, Si3 N4 And MoSi2 The reason that the resistance of the conductive ceramic body changes only by changing the ratio of2 It is considered that this is because it is determined by the amount of addition.
[0057]
In addition, Si3 N4 And MoSi2 The reason that the rate of change of resistance of the conductive ceramic body changes only by changing the ratio of the conductive ceramic body is that the resistance change rate of the conductive ceramic body shown in the literature is the value of the heater in which the entire conductive portion is made of a conductive material. On the other hand, when the ceramic heater has a mixed structure of a conductive ceramic body and an insulating ceramic body as in this example, the substantially conductive portion is reduced by the mixture of the insulating ceramic bodies, and the insulating ceramic body and the conductive ceramic body are mixed. This is considered to be because the contact resistance and the like caused by the thermal stress on each particle due to the difference in the coefficient of linear expansion between the particles has a complicated influence.
[0058]
Next, regarding the effect of β─SiC addition,3 N4 The explanation will be made by using the samples h, i, j, k, l, and m in an amount of 50% by weight. As the β─SiC amount is increased to i, j, k, l, m, the resistance change rate decreases. According to the results of the
[0059]
Summarizing the above results, the amount of β─SiC is
[0060]
Where Si3 N4 When added in excess of 80% by weight, the room temperature resistance value changes early, making practical use difficult. The reason is that the insulating ceramic Si3 N4 It is considered that the amount of the metal layer becomes too large, the cross-sectional area of the conductive path becomes small, the stress at the time of energization becomes excessive, and the deterioration of the conductive portion is promoted. If less than 20% by weight, high strength Si3 N4 Is too small and cracks occur during use, which is not suitable for practical use in this case as well.
[0061]
From the above, Si3 N4 20-80% by weight, MoSi2 And the total amount of β80SiC is 80 to 20% by weight.2 Weight ratio of the amount of β─SiC (MoSi2 It can be said that it is desirable to use a raw material powder having a ratio of 1% to 40% by weight (% by weight of β─SiC) as a starting material. That is, in the ternary composition diagram of FIG. 3, it is desirable to select an appropriate composition within a composition range surrounded by connecting b, f, p, and o by a straight line.
[0062]
that's allIsAs described in the example of the addition of β─SiC, the resistance, resistance change rate, and durability of the present invention can be obtained by decomposition of SiC during sintering, and α─SiC becomes β─SiC during sintering. Since some changes occur, it can be said that the same effect can be obtained with α─SiC.
The raw material powder SiThreeNFourIs α─SiThreeNFourPowder, β─SiThreeNFourPowder, α─SiThreeNFourPowder and β─SiThreeNFourConfirmed by powder mixed with powder, but all,sameExcellent effect was confirmed.
[0063]
The average particle size was 10 μm.3 N4 Powder and 1μm MoSi2 As described in the examples of the powder and the 0.3 μm β─SiC powder,3 N4 At least MoSi wrapping particles2 And Mo5-XSi3 C1-YWhat is necessary is just to form a conductive ceramic body in which the particles have a continuous structure.
[0064]
From our experience, Si3 N4 The average particle size of2 And at least three times the average particle size of SiC. If less than three times, MoSi2 And Mo5-XSi3 C1-YIn some cases, the particles did not form a continuous structure. The reason for setting it to be three times or more was that no upper limit was set because similar results were obtained even when using ultrafine SiC particles having an average particle size of 0.01 to 0.03 μm.
[0065]
Example1
In the ceramic heater according to the embodiment of the present invention, the conductive ceramic body is made of Si.ThreeNFourAnd MoSiTwoAnd Mo borides (additives) and a sintering aid.
[0066]
A method for manufacturing the conductive ceramic body will be described.
First, α─Si with an average particle size of 10 μm3 N4 Powder and MoSi with average particle size of 1μm2 The powder and the MoB powder having an average particle size of 1 μm are used as raw material powders. Α─Si with respect to 100% by weight of the total amount3 N4 The powder is added at 50.0% by weight. MoSi2 The powder varies between 25.0 and 49.0% by weight, and the MoB powder varies between 25.0 and 1.0% by weight.
[0067]
A total amount of 100 parts by weight was added to the above raw material powder, and Y as a sintering aid was used.2 O3 Add 10 parts by weight of powder. This is mixed and stirred with a solvent such as ethanol, dried, then added with a binder made of paraffin, attack polypropylene and high-density polyethylene, and kneaded with a kneader at 180 ° C. for 3 hours to obtain a mixed powder of a conductive ceramic body. .
[0068]
The insulating ceramic body as a support is made of α─Si having an average particle size of 1 μm.ThreeNFourMoSi with powder 50.0% by weight and average particle size 1μmTwoA basic raw material for an insulating ceramic body is obtained in the same manner as described above using 50.0% by weight of the powder.
Next, using the above-mentioned mixed powder of the conductive ceramic body and the mixed powder of the insulating ceramic body, an integrally molded body is produced by an injection molding method. The integrally molded body is once heated to 500 ° C. in a nitrogen atmosphere to scatter the binder. Then, it is heated and sintered by hot pressing at 1730 ° C. in an argon atmosphere. Thereby, a ceramic heater is obtained.
OthersreferenceSame as Example 1.
[0069]
Next, various characteristics of the ceramic heater of this example were measured. As a result, the room temperature resistance was 0.258 to 3.382 and the resistance at 1000 ° C. was 1.078 to 6.798Ω. The rate of change in resistance (resistance at 1000 ° C./resistance at room temperature) changed from 4.18 to 2.01. For this reason, the ceramic heater of this example is MoSi2 It can be seen that an arbitrary resistance change rate can be easily set by increasing or decreasing the amount of addition of the metal and the additive.
[0070]
Next, the durability test of the ceramic heater was performed.referenceWhen the test was performed in the same manner as in Example 1, the resistance value changed by 10% from the value before the test at the 17000 to 18000th cycle. Since the number of cycles exceeds 10,000 which is practically acceptable, it can be said that the ceramic heater of this example has excellent durability.
[0071]
Example2
In this example, the relationship between the composition of the mixed powder of the conductive ceramic body and various characteristics of the ceramic heater was investigated.
First, SiThreeNFourAnd MoSiTwoThe effect of the compounding ratio on the characteristics of the ceramic heater was investigated.
[0072]
In the investigation, first, as shown in Table 3, without using additives,ThreeNFourPowder and MoSiTwoA mixed powder of a conductive ceramic body was prepared by changing the mixing ratio with the powder, and ceramic heaters were prepared from the mixed powder to obtain
[0073]
As is evident from Table 3, the room temperature resistance is the same as that of the insulating material Si.3 N4 Sample 1 with a small amount is low. Si3 N4 When the amount is increased to
As for durability, Si3 N4 Sample 1 having an amount of less than 20% by weight is not suitable for practical use because cracks occur in 4000 cycles due to repeated thermal stress during use. This is because Si3 N4 Contributes to the improvement of the strength of the ceramic heater.3 N4 It is considered that the amount was small and the strength decreased.
[0074]
Si3 N4 The
[0075]
Next, based on the results in Table 3, SiThreeNFourAnd MoSiTwoThe effect of the compounding ratio of the additive and the metal Mo as an additive on the various characteristics of the ceramic heater was investigated.
That is, SiThreeNFourAnd MoSiTwoA raw material powder composed of and metal Mo was prepared in the proportions shown in Tables 4 and 5. The ceramic heaters manufactured using these were designated as
[0076]
The above result will be described.
In both tables, B / A is Si3 N4 Quantity and MoSi2 MoSi with respect to a total weight of 100% by weight of the amount of Mo and the amount of Mo as an additive2 Is the weight ratio (B / A) when the amount of Mo contained in is set to A weight% and the amount of Mo as an additive is set to B weight%. MoSi2 The amount of Mo (A weight%) contained in2 In parentheses below the weight percent of
[0077]
Next, the above measurement results will be considered.
First, Si without the addition of Mo as an additive was used.ThreeNFourAnd MoSiTwoFrom the results of
[0078]
Next, the effect of the addition of metal Mo as an additive of the present invention will be described with reference to Si.3 N4 Will be described in
[0079]
Summarizing the results in Tables 4 and 5, MoSiTwoMoSi so that the ratio (B / A) of the amount of Mo (A weight%) contained in the steel and the amount of Mo as an additive (B weight%) becomes 0.025-3.TwoIt can be seen that by setting the amount and the Mo amount, a ceramic heater having a predetermined resistance value and a predetermined resistance change rate can be easily obtained only by slightly changing the size of the conductive portion as needed. Further, FiringIt can be seen that it is not affected by the binder.
[0080]
[Table 3]
[0081]
[Table 4]
[0082]
[Table 5]
[0083]
Example 5
In this example, as an additive, a carbide of Mo or a boride of Mo shown in Table 6 was used as an additive, and the additive and MoSi were used.2 The ceramic heaters (Samples 22 to 33) were manufactured by changing the compounding ratio of these. Others are the same as the fourth embodiment. Various properties of these samples were measured. The results are shown in Table 6.
[0084]
From the results shown in Table 5, MoSi was found to be similar to the results shown in Tables 4 and 5 of Example 4.2 (B / A) between the amount of Mo (A wt%) contained in the additive and the amount of Mo (B wt%, the value in parentheses in Table 6) contained in the additive consisting of Mo carbide and Mo boride However, it can be said that it is desirable to use a raw material powder satisfying 0.025 ≦ B / A ≦ 3 as a starting material.
[0085]
After all, SiThreeNFourAnd
[0086]
Also, in the ceramic heater of this example,referenceAs in Example 2, SiThreeNFourThe average particle size ofTwoIt is desirable that the average particle diameter of Mo and Mo is three times or more.
[0087]
[Table 6]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a ceramic heater according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a glow plug provided with the ceramic heater of the first embodiment.
FIG. 3 is a ternary composition diagram of a conductive ceramic body of Example 2.
[Explanation of symbols]
1. . . Ceramic heater,
19. . . Glow plug,
2. . . Heating element,
3. . . Support,
4,5. . . Electrode wire,
Claims (2)
上記導電性セラミック体は,
Si3N4とMoSi2と金属Mo,Moの炭化物又はMoのホウ化物の中から選ばれる1種又は2種以上の添加材とよりなる原料粉末に,焼結助材を添加,混合してなる混合粉末を用い,該混合粉末を成形し,加熱焼結したものであり,
Si3N4は,上記原料粉末の総量100重量%に対して,20〜80重量%含有されており,上記原料粉末の総量100重量%に対する,MoSi2に含まれるMoの重量比をA重量%とし,上記添加材に含まれるMoの重量比をB重量%としたとき,上記A,Bには,0.025≦B/A≦3の関係が成り立ち,
且つ,焼結時に少なくともMo5-XSi3C1-Y(0≦X≦2,0≦Y<1)を形成させ,焼結後は少なくともSi3N4とMoSi2とMo5-XSi3C1-Yとが混在し,Si3N4粒子を包む少なくともMoSi2粒子とMo5-XSi3C1-Y粒子とが互いに連続する組織を有していることを特徴とするセラミックヒータ。In a ceramic heater having a conductive ceramic body capable of generating heat by electric power supplied from the outside,
The conductive ceramic body is
A sintering aid is added to and mixed with a raw material powder composed of Si 3 N 4 , MoSi 2 , metal Mo, a carbide of Mo or one or more additives selected from borides of Mo. Using a mixed powder that is molded and heat-sintered,
Si 3 N 4 is contained in an amount of 20 to 80% by weight based on 100% by weight of the total amount of the raw material powder, and the weight ratio of Mo contained in MoSi 2 to the total amount of 100% by weight of the raw material powder is represented by A weight. %, And when the weight ratio of Mo contained in the additive material is B weight%, the relationship of 0.025 ≦ B / A ≦ 3 holds for A and B,
In addition, at least Mo 5-X Si 3 C 1-Y (0 ≦ X ≦ 2, 0 ≦ Y <1) is formed during sintering, and at least Si 3 N 4 , MoSi 2 and Mo 5-X after sintering. Si 3 C 1 -Y is mixed, and at least MoSi 2 particles and Mo 5 -x Si 3 C 1 -Y particles surrounding Si 3 N 4 particles have a continuous structure with each other. Ceramic heater.
上記導電性セラミック体は,
Si3N4とMoSi2と金属Mo,Moの炭化物又はMoのホウ化物の中から選ばれる1種又は2種以上の添加材とよりなる原料粉末に,焼結助材を添加,混合してなる混合粉末を用い,該混合粉末を成形し,加熱焼結したものであり,
Si3N4は,上記原料粉末の総量100重量%に対して,20〜80重量%含有されており,上記原料粉末の総量100重量%に対する,MoSi2に含まれるMoの重量比をA重量%とし,上記添加材に含まれるMoの重量比をB重量%としたとき,上記A,Bには,0.025≦B/A≦3の関係が成り立つことを特徴とするセラミックヒータの製造方法。In a method of manufacturing a ceramic heater having a conductive ceramic body capable of generating heat by electric power supplied from the outside,
The conductive ceramic body is
A sintering aid is added to and mixed with a raw material powder composed of Si 3 N 4 , MoSi 2 , metal Mo, a carbide of Mo or one or more additives selected from borides of Mo. Using a mixed powder that is molded and heat-sintered,
Si 3 N 4 is contained in an amount of 20 to 80% by weight based on 100% by weight of the total amount of the raw material powder, and the weight ratio of Mo contained in MoSi 2 to the total amount of 100% by weight of the raw material powder is represented by A weight. %, And when the weight ratio of Mo contained in the additive is B weight%, the above A and B satisfy the relationship of 0.025 ≦ B / A ≦ 3. Method.
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