(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モールド内に収納されたセラミック試料に、一軸加圧を付加するとともにマイクロ波を照射して加熱するためのセラミック加熱装置であって、前記モールドを、Ａｌ量が酸化物換算で２重量％以下であり、１４００℃における抗折強度が３００ＭＰａ以上、測定周波数１０ＧＨｚにおける誘電損失が５×１０−４以下の窒化ケイ素質焼結体により形成したことを特徴とするセラミック加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック脱脂炉やセラミック焼成炉等の加熱装置に関し、特に加熱をマイクロ波の照射により行う加熱装置の改良に係わるものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、セラミックスは、機械的、電気的、熱的特性に優れ、非常に幅広い分野で使用されている。これらセラミックスのほとんどは、セラミック粉末を所定形状に成形した後、これを所望により加熱脱脂した後、さらに加熱焼成して作製されている。
【０００３】
セラミックスの焼結には、通常、黒鉛、金属等に通電するかまたは誘導加熱された発熱部からの輻射熱を利用する電気炉が一般に使用されている。電気炉を用いて焼結させて所望の特性を得るには、セラミック成形体を内外均一に加熱焼結させることが必要である。このように内外均一に加熱するには、昇温速度を遅くする必要があり、試料の大きさによっては保持時間を長時間要し、効率の悪い焼成方法であった。
【０００４】
そこで、均一で短時間加熱が可能な加熱方法として、マイクロ波を照射する方法が特公昭５８−２３３４９号、特開平３−２５７０７２号、特開平６−８７６６３号等に提案されている。
【０００５】
このマイクロ波加熱装置によれば、マイクロ波を照射することで加熱焼結することで、従来の電気炉に比較して焼成温度を低く設定でき、しかも焼成時間を短縮することができる上、内外均一に焼結できるために特性も向上するという利点を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マイクロ波加熱による焼結では、焼成温度が低いことにより組織が微細となるために微小な気孔が成長しやすく、その結果、気孔サイズが大きくなりやすく理論密度比９５％以上の緻密な焼結体の作製が従来のマイクロ波加熱装置では困難であった。そこで、特開昭６０−２２１３６７号、特開昭６２−２５５８９８号には、マイクロ波加熱装置内にピストンを用いた加圧装置を設け、試料を加圧焼結させる方法が提案されている。
【０００７】
この加熱装置の試料はモールド内に収納されるが、このモールドには、マイクロ波透過性のよい、言い換えれば、誘電損失の小さいＢＮ（ボロンナイトライド）、Ａｌ2 Ｏ3 （アルミナ）が使用されている。
【０００８】
しかしながら、上記のモールド材料は、１０００℃以上の温度での強度が低く、例えば、アルミナ、窒化ケイ素などの焼成温度が１５００℃以上の焼結体を作製することができなかった。
【０００９】
従って、本発明の目的は、マイクロ波による加熱と同時に一軸加圧を行うことができるとともに、アルミナや窒化ケイ素などの焼成時の高温での加熱が可能なセラミック加熱装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、上記の問題に対して検討を重ねた結果、モールドに高温で強度が高く、かつ誘電損失の小さい窒化ケイ素質焼結体を用いることにより、上記の目的が達成されることを見いだし、本発明に至った。
【００１１】
即ち、本発明のセラミック加熱装置は、モールド内に収納されたセラミック試料に、一軸加圧を付加するとともにマイクロ波を照射して加熱するためのセラミック加熱装置であって、前記モールドを、Ａｌ量が酸化物換算で２重量％以下であり、１４００℃における抗折強度が３００ＭＰａ以上、測定周波数１０ＧＨｚにおける誘電損失が５×１０−４以下の窒化ケイ素質焼結体により形成したことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミック加熱装置の概略配置図を図１に示した。図１によれば、加熱装置Ａは、マイクロ波を遮蔽可能な材質からなるチャンバー１内において、筒状のモールド２が設置され、その筒内に一対のパンチ棒３、４が挿入され、そのパンチ棒３、４間に、一対のスペーサ５、６を介してセラミック粉末などのセラミック試料７が配置される。そして、上側のパンチ棒３は、ラム８を介して油圧シリンダー９と連結されており、この油圧シリンダー９からの圧力が、ラム８、パンチ棒３およびスペーサ５を介して、セラミック試料７に一軸の圧力が印加される。
【００１３】
また、チャンバー１の一部には、マイクロ波導入窓１０およびマイクロ波導入路１１が形成され、マイクロ波発振器（図示せず）からのマイクロ波を導入窓１０およびマイクロ波導入路１１を経由してチャンバー１内に導入し、セラミック試料７に照射することによりセラミック試料が加熱処理される。なお、マイクロ波照射による加熱温度は、下側パンチ棒４に挿入された熱電対１２によって測定される。
【００１４】
かかる構造の加熱装置によれば、チャンバー１内に導入されたマイクロ波は、少なくともモールド２を通過してセラミック試料に到達するため、モールド２はマイクロ波の通過特性が優れると同時に、セラミック試料が加熱処理される温度において高強度であることが要求される。
【００１５】
そこで、本発明では、上記マイクロ波加熱装置において、モールド２を１４００℃のＪＩＳＲ１６０１による４点曲げ抗折強度が３００ＭＰａ以上、特に４００ＭＰａ以上、測定周波数１０ＧＨｚにおける誘電損失が５×１０-4以下、特に２×１０-4以下の低損失の窒化ケイ素質焼結体により形成するものである。この高温強度が３００ＭＰａよりも低いと、アルミナや窒化ケイ素等の焼結体の製造にあたり、１０００℃以上の高温条件下でモールド自体が高圧の機械的圧力に耐えることができず、また、誘電損失が５×１０-4を越えると、マイクロ波やモールドを通過する際のマイクロ波の損失が大きくなり、マイクロ波出力に対する加熱効率が悪くなり、しかもマイクロ波が通過する時の損失が大きくなり、モールド自体自体のもつ耐熱衝撃特性以上の急激な熱衝撃が加わりモールドが破損してしまう。
【００１６】
また、この窒化ケイ素質焼結体は、マイクロ波通過時の急激な温度変化に対して耐久性を有することが必要であり、耐熱衝撃臨界温度が５００℃以上、特に７００℃以上であることが望ましい。これは上記臨界温度が５００℃よりも小さいと、マイクロ波が通過する際にモールドが急激に温度上昇し、内外で生じた急激な温度差に耐えきれず、クラック等が発生しやすくなり加熱装置の信頼性を損ねてしまうためである。
【００１７】
さらに、この窒化ケイ素質焼結体としては、誘電損失を上記の範囲に設定する上で相対密度が９８％以上、９９％以上の高密度体からなることが望ましく、また室温での取扱いの点から、ＪＩＳＲ１６０１による室温における４点曲げ強度が７００ＭＰａ以上、特に８００ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００１８】
また、図１の加熱装置においては、スペーサ５、６は、セラミック試料７とパンチ棒３、４との直接的な接触によりセラミック試料７に対して悪影響を及ぼさないように配置されたものであり、このスペーサ５、６も、上記と同様な特性を有する窒化ケイ素質焼結体によって形成することが望ましい。
【００１９】
このような特性を有する窒化ケイ素質焼結体としては、例えば、窒化ケイ素に対して、希土類元素酸化物を１〜５モル％、特に２〜４モル％の割合で含むものである。希土類酸化物としては、Ｙ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｔｍ，Ｌｕ，Ｓｃの群から選ばれる少なくとも１種、特にＹｂ，Ｔｍ，Ｌｕが好適に使用される。特に、Ａｌ量は焼結体の誘電損失を増大させる性質を有することから、Ａｌ量が酸化物換算で最大で２重量％、望ましくは１重量％以下、さらに望ましくは０．５重量％以下に抑制することが必要である。Ａｌ量が２重量％より多いと、１０ＧＨｚにおける誘電損失が５×１０-4より大きくなり、マイクロ波導入窓での損失が大きくなってしまう。また、希土類元素酸化物は、焼結体の緻密化に必要な成分であり、１モル％より少ないと緻密化不足で相対密度９８％以上の高密度に焼結できず、５モル％を越えると強度が低下するとともに誘電損失が増大する傾向にある。
【００２０】
また、焼結体における全酸素量から希土類元素酸化物またはＡｌ酸化物中に含まれる酸素分を除く不純物的酸素量が５〜１５モル％であることが望ましい。この不純物的酸素量が５モル％より少ないと焼結性が悪くなり、１５モル％より多いと誘電損失が大きくなる傾向にある。
【００２１】
かかる窒化ケイ素質焼結体は、例えば、α型またはβ型の平均粒径が０．５〜２μｍの窒化ケイ素粉末に、希土類元素酸化物粉末を１〜５モル％、特に２〜４モル％の割合で添加する。また、焼結体中の不純物的酸素量を上記の範囲に調整のためにＳｉＯ2 粉末を添加する場合もある。
【００２２】
このようにして調合された混合粉末は、ボールミル等により十分混合した後、所望の成形手段、例えば、金型プレス，冷間静水圧プレス，押出し成形等によりモールド形状に成形する。
【００２３】
この時、成形体中には、Ａｌ量が酸化物換算で２重量％となるように調整することが必要である。Ａｌは、原料粉末中の不純物の他、ボールミルなどのボール等から混入する場合があり、Ａｌ量が２重量％を越えないように高純度原料を用いたり、用いるボールをＡｌ量の少ないものを用いるのがよい。
【００２４】
次に、この成形体を窒素含有雰囲気中で１８００〜２０００℃の温度で焼成する。焼成方法としては、常圧焼成、窒素ガス加圧焼成（ＧＰＳ法）、ホットプレス法（ＨＰ法）、熱間静水圧焼成法（ＨＩＰ法）などが挙げられるが、これらの中でも高緻密体が作製できるＧＰＳ法、ＨＰ法が高強度化、低誘電損失化のためには有利である。
【００２５】
次に、本発明のマイクロ波によるセラミック加熱装置について、モールドの材質を変えて加熱試験を行った。用いたモールドの材質としては、表１のものを使用した。各モールド材質の焼成条件は表１に示した。
【００２６】
尚、モールドとしては、いずれも内径５０ｍｍ、外径１００ｍｍ、深さ１００ｍｍの大きさのものを取り付けた。また、各モールド材質の焼結体のアルキメデス法による密度測定により相対密度を算出し、さらにＪＩＳＲ１６０１に準じて室温及び１４００℃の４点曲げ強度、３×４×３５ｍｍの試験片の水中急冷による耐熱衝撃臨界温度を測定した。さらに、測定周波数１０ＧＨｚでの誘電損失を測定し、表１に示した。
【００２７】
そして、表１の材質からなるモールド内にＹ2 Ｏ3 およびＡｌ2 Ｏ3 をそれぞれ５重量％添加した窒化ケイ素質混合粉末を充填し、モールドと同一材質からなる直径５０ｍｍ、長さ３０ｍｍのシリンダーを介して、ピストンにより２００〜４００ｋｇ／ｃｍ2 の一軸加圧を行いながら、窒素ガス中でマイクロ波出力１〜１０ＫＷ、周波数２８ＧＨｚのマイクロ波をモールドを通して照射した。
【００２８】
そして、昇温速度１５〜５０℃／ｍｉｎで加熱温度１７００℃まで加熱して１５分間保持した後、２００℃まで２時間で冷却した。なお、加熱温度はＷ−ＷＲｅ熱電対により測定した。これを１サイクルとして最高２０サイクル加熱を行い、モールド部材の耐久性について評価した。その結果を表１に示した。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１の結果によれば、モールドを従来のアルミナ焼結体から形成した試料Ｎo.１４、１５、また、ＢＮ焼結体から形成した試料Ｎo.１６では、焼成温度１７００℃、一軸圧１５０〜２００ｋｇ／ｃｍ2 でモールドが変形またはクラックが生じ運転不能となった。
【００３１】
これに対して、本発明に基づく低損失、高強度の窒化ケイ素質焼結体によりモールドを形成すると高温、高一軸圧下で加熱を行ってもクラック等の発生のないものであったが、１４００℃強度が３００ＭＰａより低い場合（試料Ｎo.１１）、２サイクルでモールドの変形が生じ、また、強度が低くまた誘電損失が５×１０-4よりも大きい場合（試料Ｎo.１２、１３）、１７００℃、１５００℃の温度でそれぞれモールドに変形が生じた。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のセラミック加熱装置によれば、高一軸加圧の高温下でマイクロ波の照射により加熱した場合においても、マイクロ波により加熱効率を低下やモールドの破損がなく、耐久性を高めることができる結果、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム等をマイクロ波によって高温高圧下で加熱焼成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック加熱装置の概略配置図である。
【符号の説明】
１  チャンバー
２  モールド
３，４  パンチ棒
５，６  スペーサ
７  セラミック試料
８  ラム
９  油圧シリンダ−
１０  マイクロ波導入窓
１１  マイクロ波導入路
１２  熱電対
Ａ    加熱装置
【図１】
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