(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱部が再結晶質ＳｉＣからなり、再結晶質ＳｉＣのＳｉＣ粒子間の結合部の表面に、Ａｌ２Ｏ３５０〜８０ｗｔ％、ＣａＯ１０〜３５ｗｔ％、Ｎａ２Ｏ２〜１０ｗｔ％の組成からなるＡｌ２Ｏ３／ＣａＯ／Ｎａ２Ｏ複合組成物を析出させるとともに、ＳｉＣ粒子間の結合部の表面にＳｉＯ２が生成してなることを特徴とする炭化けい素発熱体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐久性に優れ、特にハロゲンガスや水素などの腐食性ガスに曝される雰囲気下に使用される抵抗発熱体として好適に用いることのできる炭化けい素発熱体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化けい素焼結体は耐熱性、耐熱衝撃性、耐蝕性、高温強度特性などに優れており、また抵抗値が発熱体に適した値を有しているため、従来から高温用の抵抗発熱体として有用されている。
【０００３】
炭化けい素焼結体は、ＳｉＣ粉末を押出し成形法や鋳込み成形法などによって、ロッド、パイプ、シートなどの所定の形状に成形し、熱処理して再結晶化する方法、ＳｉＣ粉末と炭素の混合粉末を成形し、成形体に高温で溶融した金属Ｓｉを含浸して熱処理し、炭素とＳｉの固相−液相反応によって生成したＳｉＣの二次粒子によりＳｉＣ粉末を結合させる反応焼結法、あるいは焼結助材を用いる常圧焼結法、などの方法により製造されている。
【０００４】
このうち、再結晶炭化けい素焼結体はＳｉＣ粉末に有機バインダーを混合して、所定の形状に成形したのち焼成処理することにより製造されるので、大型で複雑形状の焼結体を得ることができ、また焼結助材などの添加による不純物の混入もないので、純度が高く、電気抵抗特性などの物理的性状も安定しているため発熱体として広く用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
再結晶法による炭化けい素焼結体は、ＳｉＣ粉末に有機バインダーを混合して成形した成形体を２１００℃以上の高温で熱処理して、表面拡散および蒸発凝縮などのプロセスを経て、ＳｉＣ粉末の粒成長によりＳｉＣ粒子間が結合され、組織が形成されるものであるから、組織構造にはＳｉＣ粒子とＳｉＣ粒子の結合部が存在し、この結合部の太さや数は、機械的強度や電気的特性を支配するだけでなく、化学的耐久性いわゆる寿命についても大きな支配的要因となっている。
【０００６】
すなわち、このＳｉＣ粒子間の結合部は他の部分に比べて耐蝕性や強度が低いために、腐食性ガス雰囲気に曝された場合にはこの結合部が侵食されて劣化し、長期に亘って安定して使用することが困難となる欠点がある。
【０００７】
特に、塩素、フッ素などのハロゲンガスや水素ガスのような腐食性の強いガス雰囲気に曝される場合には、侵入した腐食性ガスによりＳｉＣ粒子間の結合部が侵食されて、比較的短期間で発熱体として使用することができなくなる問題点がある。
【０００８】
本発明者らは、再結晶質のＳｉＣ焼結体からなる炭化けい素発熱体の有する上記問題点を解消するために、鋭意研究を進めた結果、再結晶質の炭化けい素焼結体を構成するＳｉＣ粒子間の結合部の表面に、Ａｌ2 Ｏ3 とＣａＯおよびＮａ2 Ｏからなる複合組成物を析出し、更にその組成を特定することにより、耐久性に優れた炭化けい素発熱体が得られることを見出した。
【０００９】
すなわち、本発明は上記の知見に基づいて完成したもので、その目的は耐蝕性が高く、腐食性ガス雰囲気中において長期に亘って安定に使用することのできる耐久性に優れた再結晶質の炭化けい素発熱体を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明による炭化けい素発熱体は、発熱部が再結晶質ＳｉＣからなり、再結晶質ＳｉＣのＳｉＣ粒子間の結合部の表面に、Ａｌ２Ｏ３５０〜８０ｗｔ％、ＣａＯ１０〜３５ｗｔ％、Ｎａ２Ｏ２〜１０ｗｔ％の組成からなるＡｌ２Ｏ３／ＣａＯ／Ｎａ２Ｏ複合組成物を析出させるとともに、ＳｉＣ粒子間の結合部の表面にＳｉＯ２が生成してなることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の炭化けい素発熱体は再結晶質ＳｉＣからなるものであり、再結晶質ＳｉＣは常法に従って製造される。すなわち、粒度調整したＳｉＣ粉末に水あるいはアルコールなどの溶媒、およびポリビニルアルコール、メチルセルロース、カルボキシルメチルセルロースなどの有機バインダーを加えて混合し、押し出し成形やプレス成形などの常用の手段により成形して、所望の成形体を作製する。次いで、成形体を２１００℃以上の温度に加熱して焼成処理することにより再結晶質ＳｉＣ成形体が得られる。
【００１２】
このようにして得られた再結晶質ＳｉＣ成形体の組織は、粒成長したＳｉＣ粒子相互が互いに結合した組織構造からなり、ＳｉＣ粒子間の結合部の周辺には空隙が存在するため、通常１５〜３０％程度の気孔率を有している。この再結晶質ＳｉＣからなる炭化けい素発熱体をハロゲンガスや水素ガスなどの腐食性ガス雰囲気下で使用した場合には、これらの腐食性ガスが炭化けい素発熱体表面から内部に侵入して、主にＳｉＣ粒子間の結合部が侵食され、再結晶質ＳｉＣの組織構造の劣化を招き、使用寿命が短縮化することになる。
【００１３】
本発明の炭化けい素発熱体は、このＳｉＣ粒子間の結合部の表面に、Ａｌ2 Ｏ3 ５０〜８０wt％、ＣａＯ１０〜３５wt％、Ｎａ2 Ｏ２〜１０wt％の組成からなる耐熱性および耐蝕性に優れたＡｌ2 Ｏ3 ／ＣａＯ／Ｎａ2 Ｏ複合組成物を析出させた組織構造としたことを特徴とするものである。すなわち、腐食性ガスに対する耐蝕性の高いＡｌ2 Ｏ3 を主成分とし、耐酸化性を付与するために機能するＣａＯ、更に、ＳｉＣ粒子間の結合部との密着性を高めるために機能するＮａ2 ＯからなるＡｌ2 Ｏ3 ／ＣａＯ／Ｎａ2 Ｏ複合組成物の成分およびその組成を特定することにより、耐熱、耐蝕性が高く、耐久性に優れた長寿命の炭化けい素発熱体の提供を可能にしたものである。
【００１４】
析出するＡｌ2 Ｏ3 ／ＣａＯ／Ｎａ2 Ｏ複合組成物の組成を上記範囲に設定する理由は、Ａｌ2 Ｏ3 の組成比が５０wt％未満であると耐蝕性に劣り、一方８０wt％を越えるとＳｉＣ粒子間の結合部との接合力が低下し、また耐酸化性も劣ることとなる。また、ＣａＯが１０wt％を下回ると耐酸化性が充分でなく、３５wt％を上回ると耐蝕性の低下を招くこととなり、Ｎａ2 Ｏが２wt％未満では結合部との接合力が低く、密着性に劣り、また１０wt％を越えると耐蝕性が劣る結果となるためである。
【００１５】
このように、本発明の炭化けい素発熱体は、再結晶質ＳｉＣのＳｉＣ粒子間の結合部の表面に、Ａｌ2 Ｏ3 ５０〜８０wt％、ＣａＯ１０〜３５wt％、Ｎａ2 Ｏ２〜１０wt％の組成からなる耐熱性および耐蝕性に優れたＡｌ2 Ｏ3 ／ＣａＯ／Ｎａ2 Ｏ複合組成物を析出させた組織構造とした点に特徴を有し、その結果、耐蝕性、耐酸化性、密着性などの性能向上を図ることが可能となる。
【００１６】
本発明の炭化けい素発熱体は、Ａｌ2 Ｏ3 、ＣａＯおよびＮａ2 Ｏの微粉を所定の重量比で分散させた水分散液やアルミナゾルにＣａＯおよびＮａ2 ＣＯ3 の微粉を混合して調製した水分散液、あるいはＡｌ、ＣａおよびＮａの水溶性塩類を所定の重量比で溶解した水溶液、を塗布や浸漬などの手段で再結晶質ＳｉＣ成形体に含浸し、乾燥、熱処理して、ＳｉＣ粒子間の結合部の表面にＡｌ2 Ｏ3 ／ＣａＯ／Ｎａ2 Ｏ複合組成物を析出することにより製造される。
【００１７】
熱処理は１３００℃以上の温度で４時間以上行うことが好ましく、この熱処理によりＡｌ2 Ｏ3 ／ＣａＯ／Ｎａ2 Ｏの複合組成物がＳｉＣ粒子とＳｉＣ粒子の結合部の表面に析出し、焼き付けられて結合部に密着した状態で形成される。なお、この熱処理時にＳｉＣ粒子間の結合部のＳｉＣの一部が酸化されてＳｉＯ2 が生成するが、生成したＳｉＯ2 はＮａ2 Ｏとともに結合部との密着性の向上に有効機能する。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して具体的に説明する。
【００１９】
常法により、直径２０mm、発熱部長２５０mm、両端部の端部長各２５０mm、全長７５０mmの棒状の再結晶質ＳｉＣ成形体からなる炭化けい素発熱体を作製した。
【００２０】
実施例１
この炭化けい素発熱体の発熱部に、Ａｌ２Ｏ３微粉６９ｗｔ％、ＣａＯ微粉２４ｗｔ％、Ｎａ２Ｏ微粉７ｗｔ％の割合で混合し、有機バインダー、分散剤を添加して作製した水分散液を含浸し、乾燥したのち、大気中１３８０℃の温度に加熱して、４時間保持した。この熱処理によりＳｉＣ粒子間の結合部の表面に、Ａｌ２Ｏ３／ＣａＯ／Ｎａ２Ｏ複合組成物を析出させて、本発明の炭化けい素発熱体を製造した。なお、この熱処理時にＳｉＣ粒子間の結合部のＳｉＣの一部が酸化されてＳｉＯ２が生成する。
【００２１】
次に、腐食性ガス雰囲気中における耐久性を試験するために、この炭化けい素発熱体を箱型式抵抗炉にセットし、炉内雰囲気を変えて、炉内温度１３００℃、表面負荷密度５W/cm2 の条件で１０００時間操炉した。炉内雰囲気としては、水蒸気雰囲気、窒素ガス雰囲気およびフッ素ガス雰囲気に、それぞれ保持した。
【００２２】
比較例１
上記の常法により作製した炭化けい素発熱体の発熱部に、水分散液を含浸することなくそのまま用いた未処理の炭化けい素発熱体について、実施例１と同一の条件で腐食性ガス雰囲気中における耐久性試験を行った。
【００２３】
比較例２
上記の常法により作製した炭化けい素発熱体の発熱部に、被覆処理を施して、ガラス質コート、Ｓｉ3 Ｎ4 コート、ＳｉＣコートを各形成した炭化けい素発熱体について、実施例１と同一の条件で腐食性ガス雰囲気中における耐久性試験を行った。
【００２４】
この操炉試験の前後における炭化けい素発熱体の電気抵抗を測定して、抵抗増加率を求め、得られた結果を表１に示した。
【００２５】
【表１】
0004587135.tif 000002
【００２６】
表１の結果から、実施例１の炭化けい素発熱体は、未処理品である比較例１およびコート品である比較例２に比べて、水蒸気、窒素ガス、フッ素ガスのいずれの雰囲気においても抵抗の増加率が小さく、安定していることが判る。特にフッ素ガス雰囲気中における耐蝕性に優れていることが認められる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の炭化けい素発熱体によれば、発熱部を形成する再結晶質ＳｉＣのＳｉＣ粒子間の結合部の表面に、Ａｌ2 Ｏ3 が５０〜８０wt％、ＣａＯが１０〜３５wt％、Ｎａ2 Ｏが２〜１０wtの組成からなるＡｌ2 Ｏ3 ／ＣａＯ／Ｎａ2 Ｏ複合組成物が析出されているので耐熱性や耐蝕性が著しく向上し、水蒸気雰囲気やハロゲンガス雰囲気などの腐食性ガス雰囲気中において、安定に長期間に亘って使用することが可能となる。したがって、本発明は腐食性ガス雰囲気で用いる耐久性に優れた炭化けい素発熱体として工業上極めて有用である。