JP2003040676A

JP2003040676A - 窒化けい素焼結体およびその製造方法

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Publication number: JP2003040676A
Application number: JP2001224837A
Authority: JP
Inventors: Michiyasu Komatsu; 通泰小松
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2003-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】１６００℃以下の低温度で焼結して製造した場
合であっても、従来の窒化けい素焼結体と同等以上の緻
密さと窒化けい素焼結体本来の高い機械的強度とを備
え、さらに焼結したままの状態でも平滑で良好な表面性
状を有し、各種構造部品として好適な窒化けい素焼結体
およびその製造方法を提供する。【解決手段】エルビウム，ホルミウムの少なくとも一方
を酸化物に換算して２〜１０質量％と，アルミニウムを
酸化物に換算して２．５〜７質量％と，マグネシウムを
酸化物に換算して１．５〜４質量％と、残部を構成する
窒化けい素とから成り、ビッカース硬度が１５００以上
であることを特徴とする窒化けい素焼結体である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化けい素を主成分
とする窒化けい素焼結体およびその製造方法に係り、特
に１６００℃以下の低温度で焼結した場合においても、
従来の窒化けい素焼結体と同等以上の緻密さと窒化けい
素焼結体本来の機械的強度とを備え、さらに焼結したま
まの状態でも平滑で良好な表面性状を有し、各種構造部
品として好適な窒化けい素焼結体およびその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の窒化けい素焼結体の焼結組成とし
ては窒化けい素−希土類酸化物−酸化アルミニウム系、
窒化けい素−希土類酸化物−酸化アルミニウム−酸化チ
タン系等が知られている。上記焼結組成における希土類
酸化物等の焼結助剤は、焼結中にＳｉ−希土類元素−Ａ
ｌ−Ｏ−Ｎ等からなる粒界相（液相）を生成させ、焼結
体を緻密化し高強度化するために添加されている。

【０００３】従来の窒化けい素焼結体は窒化けい素原料
粉末に上記のような焼結助剤を添加物として加えて成形
し、得られた成形体を焼成炉を使用して１７００〜１９
００℃程度の高温で所定時間焼成する方法で量産されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の製造方法においては、焼結温度が１７００〜１９０
０℃と極めて高いため、焼成炉およびその付属機器の耐
熱仕様を高度化する必要があり、製造設備費が高騰する
上に、連続式の製造プロセスを採用することが困難であ
り、窒化けい素焼結体の製造コストが大幅に上昇すると
ともに量産性が低下する問題点があった。

【０００５】また、上記従来方法によって製造された窒
化けい素焼結体では、焼結温度が前記のように１７００
〜１９００℃と極めて高いために、焼結したまま（ａｓ
ｓｉｎｔｅｒｅｄ）の焼結体表面（以下、「焼結仕上
り面」という。）の表面粗さが大きくなるとともに、焼
結仕上り面に存在する気孔の径が大きくなる欠点があっ
た。そして、この気孔部分に応力が集中し易いため、焼
結仕上り面の強度特性が不十分となる問題点があった。

【０００６】上記のような表面性状や強度特性が低下し
た部分を有する焼結体は、そのまま構造部品としては使
用できないため、予め焼結仕上り面を研磨加工法等によ
り後加工し、所望の強度を有する加工面を露出させた後
に、初めて製品としての各構造部品を製作する必要があ
った。そのため、構造部品の製造工程が複雑化するに伴
って製品の製造コストを大幅に押し上げてしまうという
問題点もあった。

【０００７】本発明は上記のような課題要請に対処する
ためになされたものであり、特に１６００℃以下の低温
度で焼結して製造した場合であっても、従来の窒化けい
素焼結体と同等以上の緻密さと窒化けい素焼結体本来の
高い機械的強度とを備え、さらに焼結したままの状態で
も平滑で良好な表面性状を有し、各種構造部品として好
適な窒化けい素焼結体およびその製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記目的を達
成するため、従来の窒化けい素焼結体を製造する際に、
一般的に使用されていた窒化けい素原料粉末の種類、焼
結助剤や添加物の種類および添加量、焼成条件を種々変
えて、それらの要素が焼結体の特性に及ぼす影響を実験
により確認した。

【０００９】その結果、微細な窒化けい素原料粉末に、
エルビウムおよびホルミウムの少なくとも１種の酸化物
と、酸化マグネシウムと酸化アルミニウムと、必要に応
じて酸化ストロンチウムと、窒化アルミニウムと、Ｔ
ｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｗの酸化物，炭化物，窒化物，けい化
物，ホウ化物から成る群より選択される少なくとも１種
を所定量ずつ添加した原料混合体を調製したときに、焼
結性が大幅に改善され、１６００℃以下の低温度で焼結
した場合においても、焼結したままの状態であっても平
滑で表面性状が良好な窒化けい素焼結体が得られること
が判明した。

【００１０】本発明は上記知見に基づいて完成されたも
のである。

【００１１】すなわち、本発明に係る窒化けい素焼結体
は、エルビウム，ホルミウムの少なくとも一方を酸化物
に換算して２〜１０質量％と，アルミニウムを酸化物に
換算して２．５〜７質量％と，マグネシウムを酸化物に
換算して１．５〜４質量％と、残部を構成する窒化けい
素とから成り、ビッカース硬度が１５００以上であるこ
とを特徴とする。

【００１２】上記本発明に係る窒化けい素焼結体におい
て、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）を２質量％以下含有
することが好ましい。また窒化アルミニウム（ＡｌＮ）
を０．１〜４質量％含有することが好ましい。

【００１３】また、前記エルビウムおよびホルミウムの
少なくとも一方の酸化物の一部を所定量の酸化イットリ
ウム（Ｙ_２Ｏ_３）で代替するように添加してもよい。す
なわち、前記エルビウムおよびホルミウムの少なくとも
一方の含有量を２〜８質量％と少な目に設定するととも
に、代替剤としての酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を２
質量％以下含有するように添加してもよい。

【００１４】また、本発明に係る窒化けい素焼結体にお
いてチタン（Ｔｉ），ハフニウム（Ｈｆ），ジルコニウ
ム（Ｚｒ）およびタングステン（Ｗ）からなる群より選
択される少なくとも１種を酸化物に換算して０．１〜５
質量％含有することが好ましい。

【００１５】さらに、本発明において、窒化けい素焼結
体がα相型およびβ相型窒化けい素を共に含有し、Ｘ線
回折法により測定したα相型窒化けい素の回折Ｘ線強度
比が２５％以下であることが好ましい。

【００１６】通常のα相型の窒化けい素原料粉末を使用
しても、１７００〜１９００℃程度の高温度で焼結した
場合には、得られる焼結体の大部分はβ型窒化けい素に
なる。しかるに本発明に係る窒化けい素焼結体では、あ
る程度の曲げ強度，硬度および破壊靭性値を共に確保す
るために、所定量のα相型窒化けい素が残存するように
所定の原料組成で１６００℃以下の低温度で焼成してい
る。

【００１７】本発明において、窒化けい素焼結体中に含
有されるα相型窒化けい素の割合（Ｒ）は、焼結体をＸ
線回折法により分析した際に得られるＸ線回折図中のα
相型窒化けい素の回折Ｘ線強度のピーク高さをα_１，α
_２…とし、β相型窒化けい素の回折Ｘ線強度のピーク高
さをβ_１，β_２…とした場合に下記算式（１）で与えら
れる。

【００１８】

【数１】

【００１９】上記窒化けい素焼結体中のα相型窒化けい
素の含有割合Ｒが２５％を超えると、焼結体のビッカー
ス硬度，曲げ強度および破壊靭性値が低下し易いため、
上記割合Ｒは２５％以下の範囲とされる。なお特に、窒
化けい素焼結体本来の機械的特性を備えるためには、上
記割合Ｒは５〜２０％の範囲とすることが望ましい。

【００２０】また本発明に係る窒化けい素焼結体の製造
方法は、酸素を１．７質量％以下、α相型窒化けい素を
９０質量％以上含有し、平均粒径が１．０μｍ以下の窒
化けい素粉末に、エルビウムおよびホルミウムの少なく
とも一方の元素を酸化物に換算して２〜１０質量％と，
酸化マグネシウムを１．５〜４質量％と，酸化アルミニ
ウムを２．５〜７質量％とを添加した原料混合体を成形
して成形体を調製し、得られた成形体を非酸化性雰囲気
中で温度１６００℃以下で焼結することを特徴とする。

【００２１】上記製造方法によれば、窒化けい素焼結体
を調製する際に、エルビウム，ホルミウム酸化物と，酸
化マグネシウムと，酸化アルミニウムと，必要に応じて
Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｒ等の化合物を添加しているため、エル
ビウム，ホルミウム酸化物が酸化イットリウムなどの希
土類酸化物と同様に窒化けい素原料粉末と反応して低融
点の液相を生成して焼結促進剤として機能するとともに
他の希土類酸化物を使用した場合より焼結温度を下げ
て、特に、１６００度以下の低温での緻密化を可能とす
るとともに、アルミニウムおよびマグネシウムの酸化物
が結晶組織において粒成長を抑止する機能を果し窒化け
い素焼結体の組織構造を微細化し機械的強度を向上させ
る。

【００２２】また酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）および
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、酸化アルミニウムおよ
び酸化マグネシウムの焼結促進剤としての機能を助長す
る一方、Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｒなどの化合物は、上記エルビ
ウム，ホルミウムの酸化物等の焼結促進剤としての機能
を促進するとともに、結晶組織において分散強化の機能
を果し、窒化けい素焼結体の機械的強度を向上させる。
その結果、窒化けい素結晶組織中にエルビウム，ホルミ
ウム，アルミニウム，マグネシウム元素等を含む微細な
粒界相が形成され、最大気孔径が０．３μｍ以下であ
り、気孔率が１．５％以下、三点曲げ強度が室温で９０
０ＭＰａ以上であり、破壊靭性値が６．０ＭＰａ・ｍ
^１／２以上の機械的特性に優れた窒化けい素焼結体が得
られる。

【００２３】本発明方法において使用され、窒化けい素
焼結体の主成分となる窒化けい素粉末としては、焼結
性、曲げ強度、破壊靭性値および硬度を考慮して、酸素
含有量が１．７質量％以下、好ましくは０．５〜１．５
質量％であるα相型窒化けい素を９０質量％以上、好ま
しくは９２〜９７質量％含有し、平均粒径が１．０μｍ
以下、好ましくは０．４〜０．８μｍ程度の微細な窒化
けい素粉末を使用することが好ましい。

【００２４】なお、窒化けい素原料粉末としてはα相型
のものとβ相型のものとが知られているが、α相型の窒
化けい素原料粉末は焼結性に優れ、焼結体とした場合に
α相がβ相に変化するため、アスペクト比が高い窒化け
い素結晶粒子が複雑に入り組んだ高強度の焼結体が得ら
れる。一方、β相型の窒化けい素原料粉末では高温度焼
成が必要で強度が不足し易い傾向にある。

【００２５】しかるに、本発明においてはα相型原料粉
末を１６００℃以下の低温度で焼成して窒化けい素焼結
体としているため、α相型とβ相型の窒化けい素結晶粒
子が混在する焼結体が得られる。そして生成量は２５％
以下と少ないが、α相型の結晶粒子によって焼結体の強
度および硬度が改善されるので好適である。

【００２６】本発明方法において、α相型窒化けい素粉
末の配合量を９０質量％以上の範囲に限定した理由は、
９０質量％以上の範囲で焼結体の曲げ強度、破壊靭性値
および硬度が格段に向上し、窒化けい素の優れた特性が
顕著となるためである。一方、焼結性を考慮すると、９
７質量％までの範囲とする。好ましくは９２〜９５質量
％の範囲とすることが好ましい。

【００２７】その結果、窒化けい素の出発原料粉末とし
ては、焼結性、曲げ強度、破壊靭性値、転がり寿命を考
慮して、酸素含有率が１．７質量％以下，好ましくは
０．５〜１．５質量％であり、α相型窒化けい素を９０
質量％以上含有し、平均粒径が１．０μｍ以下、好まし
くは０．４〜０．８μｍ程度の微細な窒化けい素粉末を
使用することが好ましい。

【００２８】特に平均粒径が０．７μｍ以下の微細な原
料粉末を使用することにより、少量の焼結助剤であって
も気孔率が１．５％以下の緻密な焼結体を形成すること
が可能である。この焼結体の気孔率はアルキメデス法に
より容易に計測できる。

【００２９】また本発明に係る窒化けい素焼結体に含有
される全酸素量は４．５質量％以下に抑制することが好
ましい。この焼結体の全酸素量が４．５質量％を超える
と結晶粒界相中の最大気孔径が大きくなり疲労破壊の起
点となり易く、耐久性が低下する。好ましくは４．０質
量％以下とする。

【００３０】なお、上記のように規定する「焼結体の全
酸素量」とは、窒化けい素焼結体を構成している酸素の
全量を質量％で示したものである。したがって、酸素が
窒化けい素焼結体中に金属酸化物や酸窒化物等として存
在している場合は、その金属酸化物（および酸窒化物）
量ではなく、その金属酸化物（および酸窒化物）中の酸
素量に着目したものである。

【００３１】また窒化けい素原料粉末に焼結助剤として
添加する希土類元素としては、ＥｒおよびＨｏの酸化物
もしくは焼結操作により、これらの酸化物となる物質が
単独で、または２種の酸化物を組み合せたものが使用さ
れる。これらのＥｒ，Ｈｏを含有する焼結助剤は、酸化
イットリウム等の希土類酸化物と同様に焼結を進行させ
る焼結助剤であり、窒化けい素原料粉末と反応して液相
を生成し、焼結促進剤として機能するが、他の希土類酸
化物と比較して、より焼結温度を下げて焼結性を改善す
ることが可能であり、特に温度１６００℃以下の低温度
において緻密化焼結を可能とする効果を発揮するもので
ある。

【００３２】上記エルビウム，ホルミウムを含有する焼
結助剤の添加量は、酸化物換算で原料粉末に対して２〜
１０質量％の範囲とする。この添加量が２質量％未満の
場合は、焼結体の緻密化あるいは高強度化が不十分であ
る。一方、添加量が１０質量％を超える過量となると、
過量の粒界相が生成し、気孔の発生量が増加したり、焼
結体の強度が低下し始めたり、緻密化を阻害するので上
記範囲とする。特に同様の理由により５〜７．５質量％
とすることが望ましい。

【００３３】ここで上記ＥｒおよびＨｏの酸化物の一部
を酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）で最大２質量％だけ置
換することにより、焼結体の強度を上昇させることが可
能であり好ましい。すなわち、前記エルビウムおよびホ
ルミウムの少なくとも一方の含有量を２〜８質量と少な
目に設定するとともに、代替剤としての酸化イットリウ
ム（Ｙ_２Ｏ_３）を２質量％以下含有するように添加する
ことにより、焼結体の強度を改善できる。しかしなが
ら、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）の添加量が２質量％
を超えると、１６００℃以下の低温度での焼結が困難と
なるため、酸化イットリウムの添加量は最大で２質量％
とされる。

【００３４】また、本発明に係る焼結体において添加成
分として使用する酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）およ
び酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は、上記エルビウム，ホ
ルミウムの酸化物の焼結促進剤としての機能を促進し、
１６００℃以下の低温での焼結体の緻密化を可能にする
と共に、結晶組織において粒成長を制御する機能を果
し、窒化けい素焼結体の機械的強度を向上させる成分で
ある。また、焼結時にα相型窒化けい素からβ相型窒化
けい素へ変化する転移温度を低下させて、焼結仕上げ面
の表面粗さを小さくし、さらに焼結体表面に存在する気
孔のサイズも低減させ、焼結仕上り面の強度も増加させ
る効果を発揮する成分である。また、焼結後における結
晶組織にある程度のα相型窒化けい素相を残存せしめ
て、焼結体の強度および硬度を向上させる。

【００３５】上記ＭｇＯの添加量は、１．５〜４質量％
の範囲とされる。添加量が１．５質量％未満では焼結体
の緻密化が不十分である一方、４質量％を超えるように
過量になる場合には焼結体の強度や耐摩耗特性が低下す
るため、添加量は上記範囲とされるが、特に２〜３質量
％の範囲が望ましい。

【００３６】また、Ａｌ_２Ｏ_３の添加量は、２．５〜７
質量％の範囲とされる。添加量が２．５質量％未満では
焼結体の緻密化が不十分である一方、７質量％を超える
ように過量になる場合には焼結体の曲げ強度や耐摩耗特
性が低下する。そのため、添加量は２．５〜７質量％の
範囲とされるが、特に３〜５質量％の範囲が望ましい。

【００３７】なお、上記酸化アルミニウムと酸化マグネ
シウムとの合計添加量は、焼結体の強度特性の観点から
８質量％以下の範囲が望ましい。

【００３８】また本発明において必要に応じて添加成分
として使用する酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）および窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）は、上記エルビウム（Ｅ
ｒ），ホルミウム（Ｈｏ）の酸化物および酸化アルミニ
ウム，酸化マグネシウムの焼結促進剤としての機能を助
長する役目を果たす成分である。

【００３９】この酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）の添加
量が０．１質量％未満の場合においては添加効果が不十
分である一方、２質量％を超える過量となる場合には焼
結体の緻密化が不十分となり焼結体の曲げ強度の低下が
起こるため、添加量は２質量％以下の範囲とされるが、
好ましくは０．１〜１質量％の範囲とする。

【００４０】また、上記窒化アルミニウムについては、
添加量が０．１質量％未満では添加効果が不十分である
一方、４質量％を超える過量となる場合には焼結体の強
度の低下が起こるため、添加量は０．１〜４質量％の範
囲とする。特に０．１〜３質量％とすることが望まし
い。

【００４１】また、この窒化アルミニウムを酸化アルミ
ニウムと併用する場合は、焼結体の強度の観点から合計
量を７質量％以下とすることが望ましい。

【００４２】また本発明において他の選択的な添加成分
として、Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｗの少なくとも１種の元素
を、酸化物，炭化物、窒化物、けい化物、硼化物などの
化合物として０．１〜５質量％の範囲で添加する。これ
らの化合物は、上記エルビウム，ホルミウムの酸化物等
の焼結促進剤としての機能を促進すると共に、焼結時に
α相型窒化けい素からβ相型窒化けい素へ変化する転移
温度をさらに低下させる上に、結晶組織において分散強
化の機能を果しＳｉ_３Ｎ_４焼結体の機械的強度を向上さ
せるものであり、特に、Ｔｉ，Ｚｒの化合物が好まし
い。これらの化合物の添加量が酸化物換算で０．１質量
％未満の場合においては添加効果が不十分である一方、
５質量％を超える過量となる場合には焼結体の機械的強
度の低下が起こるため、添加量は０．１〜５質量％の範
囲とする。特に０．１〜３質量％とすることが望まし
い。

【００４３】また上記Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等の化合物は窒
化けい素セラミックス焼結体を黒色系に着色し不透明性
を付与する遮光剤としても機能する。

【００４４】また焼結体の気孔率は曲げ強度に大きく影
響するため１．５％以下となるように製造する。気孔率
が１．５％を超えると、疲労破壊の起点となる気孔が急
増して焼結体の曲げ強度の低下が起こる。好ましい気孔
率は１％以下である。

【００４５】本発明に係る窒化けい素焼結体は、例えば
以下のようなプロセスを経て製造される。すなわち前記
所定の微細粒径を有し、また酸素含有量が少ない微細な
窒化けい素粉末に対して所定量の焼結助剤としてのエル
ビウム，ホルミウム，マグネシウム，アルミニウムの酸
化物，有機バインダ等の必要な添加剤および必要に応じ
てＳｒＯ，ＡｌＮ，Ｔｉ等の化合物を加えて原料混合体
を調製し、次に得られた原料混合体を成形して所定形状
の成形体を得る。原料混合体の成形法としては、汎用の
金型プレス法、ドクターブレード法のようなシート成形
法などが適用できる。

【００４６】上記金型プレス法で成形体を形成する場合
において、特に焼結後において気孔が発生し難い粒界相
を形成するためには、原料混合体の成形圧力を１２０Ｍ
Ｐａ以上に設定することが必要である。この成形圧力が
１２０ＭＰａ未満である場合には、主として粒界相を構
成する成分となる希土類元素化合物が凝集した箇所が形
成され易い上に、十分に緻密な成形体となり得ず、クラ
ックの発生が多い焼結体しか得られない。

【００４７】上記成形操作に引き続いて、成形体を非酸
化性雰囲気中で温度６００〜８００℃、または空気中で
温度４００〜５００℃で１〜２時間加熱して、予め添加
していた有機バインダ成分を十分に除去し、脱脂する。

【００４８】次に脱脂処理された成形体を窒素ガス、水
素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを充填した非酸
化性雰囲気中で１６００℃以下の温度で０．５〜１０時
間、常圧焼結または加圧焼結を行う。加圧焼結法として
は、雰囲気加圧焼結、ホットプレス、ＨＩＰ処理など各
種の加圧焼結法が用いられる。

【００４９】上記製法によって製造された窒化けい素焼
結体は、全酸素量が４．５質量％以下で気孔率が１．５
％以下、最大気孔径が０．４μｍ以下であり、また三点
曲げ強度が常温で９００ＭＰａ以上と機械的特性にも優
れている。

【００５０】また、破壊靭性値が６．０ＭＰａ・ｍ
^１／２以上、好ましくは６．３ＭＰａ・ｍ^１／２以上で
ある窒化けい素焼結体を得ることもできる。

【００５１】なお、本発明に係る窒化けい素焼結体にお
いては、熱抵抗となるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの酸
化物を比較的に多量に含有する組成を有するため、焼結
体の熱伝導率は１０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の範囲に留ま
っている。

【００５２】本発明に係る窒化けい素焼結体およびその
製造方法によれば、所定量の希土類元素としてのエルビ
ウム，ホルミウムの酸化物と酸化マグネシウムと酸化ア
ルミニウムと、必要に応じてＳｒＯ，ＡｌＮ，Ｔｉ，Ｈ
ｆ，Ｚｒ，等の化合物を添加した原料混合体を調製して
いるため、焼結性が大幅に改善され、１６００℃以下の
低温度で焼結した場合においても、従来の窒化けい素焼
結体と同等以上の緻密性および高い機械的強度とを備
え、焼結したままの状態においても平滑で良好な表面性
状を有し、各種構造部品として好適な窒化けい素焼結体
が得られる。

【００５３】また、特に所定の原料組成で１６００℃以
下の低温度で焼成しているため、窒化けい素の結晶粒径
を微細にでき、硬度を高め耐摩耗性を向上させることが
でき、さらに気孔の発生が抑制されて最大気孔径を極微
小化することが可能であり、耐久性が優れた耐摩耗性部
材が得られる。

【００５４】また１６００℃以下の低温度で焼結して製
造されるため、焼成炉等の耐熱仕様を高度化する必要が
なく、製造設備を低減できる上に、連続式の製造プロセ
スを採用できるために、焼結体の製造コストおよび製造
効率を大幅に高めることも可能である。さらに焼結した
ままの状態であっても表面性状が良好であるため、さら
なる研磨加工等を実施しなくても直接機械加工により構
造部品に加工できるため、材料歩留りが向上し、構造部
品の量産性を大幅に改善することも可能である。

【００５５】本発明に係る窒化けい素焼結体は、特に一
般の治工具の構成材料および自動車のエンジン部品など
の耐摩耗性を要求される構造部品の構成材料として極め
て有用である。

【００５６】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態を以下に示
す実施例を参照して具体的に説明する。

【００５７】実施例１〜２実施例１として、酸素量が１．３質量％であり、α相型
窒化けい素９７％を含む平均粒径０．５５μｍのＳｉ_３
Ｎ_４（窒化けい素）原料粉末８９質量％に、焼結助剤と
して平均粒径０．７μｍのＥｒ_２Ｏ_３（酸化エルビウ
ム）粉末を５質量％と、平均粒径０．７μｍのＡｌ_２Ｏ
_３（アルミナ）粉末４質量％と、平均粒径０．５μｍの
ＭｇＯ（酸化マグネシウム）を３質量％とを添加し、エ
チルアルコール中で粉砕媒体として窒化けい素製ボール
を用いて９６時間湿式混合したのち乾燥して原料混合体
を調製した。

【００５８】次に得られた原料粉末混合体に有機バイン
ダを所定量添加し調合造粒粉としたのち、１２０ＭＰａ
の成形圧力でプレス成形し、５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ
５ｍｍの成形体を多数製作した。次に得られた成形体を
４５０℃の空気気流中において４時間脱脂したのち、窒
素ガス雰囲気中にて温度１５５０℃で６時間焼結して実
施例１に係る窒化けい素焼結体を調製した。

【００５９】一方、実施例２として、実施例１で使用し
たＥｒ_２Ｏ_４粉末の代替として平均粒径０．７μｍのＨ
ｏ_２Ｏ_３（酸化ホルミウム）粉末を５質量％添加した点
以外は実施例１と同一条件で処理することにより実施例
２に係る窒化けい素焼結体を調製した。

【００６０】比較例１比較例１として実施例１で使用したＥｒ_２Ｏ_３粉末に代
えて平均粒径０．９μｍのＹ_２Ｏ_３（酸化イットリウ
ム）粉末を５質量％添加した点以外は実施例１と同一条
件で処理して比較例１に係る窒化けい素製焼結体を調製
した。

【００６１】こうして得られた各実施例および比較例に
係る各窒化けい素焼結体について気孔率、焼結仕上り面
の表面粗さ（中心線平均粗さ：Ｒａ），Ｘ線回折法によ
るα相型窒化けい素の含有率，室温での３点曲げ強度，
マイクロインデンテーション法における新原方式による
破壊靭性値およびビッカース硬度（Ｈｖ）を測定して表
１に示す結果を得た。

【００６２】なお、焼結体の気孔率はアルキメデス法に
よって測定する一方、Ｘ線回折によるα相型の窒化けい
素の含有率は、焼結体の観察断面の中から任意の３個所
選択し各部におけるα相型およびβ相型窒化けい素に起
因する回折Ｘ線強度のピーク高さα_１，α_２…，β_１，
β_２…を求め、前記（１）式により算出した。

【００６３】また、三点曲げ強度については下記の２通
りの場合についてそれぞれ測定した。すなわち、日本工
業規格（ＪＩＳＲ１６０１）に規定する三点曲げ強度
試験法に準拠し、焼結仕上り面（無加工面）をそのまま
三点曲げ試験における引張り面にした場合および焼結仕
上り面をダイヤモンド砥石で研削し、その表面粗さを
０．８Ｓ（約０．１５μｍ−Ｒａ）に調整した研削加工
面を引張り面にした場合の２通りについて測定した。ま
た、ビッカース硬度（Ｈｖ）はＪＩＳ−Ｒ−１６１０に
規定するＨＶ２０（試験荷重１９８．１Ｎ）で測定し
た。各測定結果を下記表１に示す。

【００６４】

【表１】

【００６５】上記表１に示す結果から明らかなように各
実施例に係る窒化けい素焼結体においては、所定の添加
成分が含有されて形成されているため、気孔の発生が抑
制されており、焼結体の表面性状が良好であり、焼結し
たままでの三点曲げ強度が良好であり、および硬度に優
れた窒化けい素製焼結体が得られた。

【００６６】一方、各実施例で使用したＥｒ_２Ｏ_３粉末
やＨｏ_２Ｏ_３粉末に代えて従来のＹ _２Ｏ_３粉末のみを添
加した比較例１においては、焼結を十分に実施しても気
孔率が大きく、曲げ強度および破壊靭性値が共に低下す
ることが判明した。また、本実施例に係る焼結体の任意
の断面において単位面積５０μｍ×５０μｍの拡大写真
を３個所測定したところ、粒界相中の最大気孔径はいず
れも０．４μｍ以下であった。

【００６７】次に前記実施例以外の組成または処理条件
によって調製した窒化けい素焼結体について以下の実施
例および比較例を参照して具体的に説明する。

【００６８】実施例３〜３０実施例３〜３０として実施例１〜２および比較例１にお
いて使用した窒化けい素原料粉末と、Ｅｒ_２Ｏ_３粉末
と、Ｈｏ_２Ｏ_３粉末と、Ｙ_２Ｏ_３粉末と、ＭｇＡｌ_２Ｏ
_３粉末と、ＭｇＯ粉末と、表２に示すように平均粒径
０．９μｍのＳｒＯ粉末の他に、平均粒径０．５μｍの
ＴｉＯ_２粉末と、平均粒径１．０μｍのＺｒＯ_２粉末，
平均粒径０．４〜０．５μｍの各種化合物粉末を表２に
示す組成比となるように調合して原料混合体をそれぞれ
調製した。

【００６９】次に得られた各原料混合体を実施例１と同
一条件で成形脱脂処理した後、表２に示す条件で焼結を
実施することにより、それぞれ実施例３〜３０に係る窒
化けい素焼結体を製造した。

【００７０】比較例２〜１３一方比較例２〜１３として表３に示すように、Ｅｒ_２Ｏ
_３などの希土類酸化物，Ａｌ_２Ｏ_３，ＭｇＯ等の各種添
加物を過少量に添加したり、または過量に添加して各比
較例用の原料混合体をそれぞれ調製した。

【００７１】次に得られた各原料混合体を実施例３と同
一条件で成形脱脂処理した後、表３に示す条件で焼結す
ることにより、それぞれ比較例２〜１３に係る窒化けい
素焼結体を製造した。

【００７２】こうして製造した各実施例および比較例に
係る各窒化けい素焼結体について、実施例１と同一条件
で気孔率，焼結仕上り面の表面粗さ，α相型窒化けい素
の含有率，室温での三点曲げ強度，破壊靭性値およびビ
ッカース硬度を測定して下記表２〜３に示す結果を得
た。

【００７３】

【表２】

【００７４】

【表３】

【００７５】上記表２〜３に示す結果から明らかなよう
に、所定量のＥｒ_２Ｏ_３またはＨｏ _２Ｏ_３を含み、各種
添加物の含有量を規定した原料成形体を焼結して製造さ
れた各実施例に係るＳｉ_３Ｎ_４焼結体においては、気孔
の発生が抑制されて焼結したままでも表面粗さが微小化
されており、表面性状が良好であり、三点曲げ強度，破
壊靭性値および硬度による耐摩耗性に優れた窒化けい素
焼結体が得られている。

【００７６】また、実施例１と同様に粒界相の最大気孔
径を測定したところ本実施例に係る焼結体はいずれも
０．４μｍ以下であった。

【００７７】一方、比較２〜１３で示すように、Ｅｒ，
Ｈｏ成分などの各種添加物の添加量を本発明で規定する
範囲外とした焼結体では、十分な焼結処理を実施して
も、焼結体の気孔率，焼結仕上り面の表面粗さ，α相型
窒化けい素の含有率，三点曲げ強度，破壊靭性値および
ビッカース硬度等のいずれかの特性において本発明で規
定する特性要件が満たされていないことが確認できる。

【００７８】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る窒化けい
素焼結体およびその製造方法によれば、所定量の希土類
元素としてのエルビウム，ホルミウムの酸化物と酸化マ
グネシウムと酸化アルミニウムと、必要に応じてＳｒ
Ｏ，ＡｌＮ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，等の化合物を添加した
原料混合体を調製しているため、焼結性が大幅に改善さ
れ、１６００℃以下の低温度で焼結した場合において
も、従来の窒化けい素焼結体と同等以上の緻密性および
高い機械的強度とを備え、焼結したままの状態において
も平滑で良好な表面性状を有し、各種構造部品として好
適な窒化けい素焼結体が得られる。

【００７９】また、特に所定の原料組成で１６００℃以
下の低温度で焼成しているため、窒化けい素の結晶粒径
を微細にでき硬度を高め耐摩耗性を向上させることがで
き、さらに気孔の発生が抑制されて最大気孔径を極微小
化することが可能であり、耐久性が優れた耐摩耗性部材
が得られる。

【００８０】また１６００℃以下の低温度で焼結して製
造されるため、焼成炉等の耐熱仕様を高度化する必要が
なく、製造設備を低減できる上に、連続式の製造プロセ
スを採用できるために、焼結体の製造コストおよび製造
効率を大幅に高めることも可能である。さらに焼結した
ままの状態であっても表面性状が良好であるため、さら
なる研磨加工等を実施しなくても直接機械加工により構
造部品に加工できるため、材料歩留りが向上し、構造部
品の量産性を大幅に改善することも可能である。

【００８１】本発明に係る窒化けい素焼結体は、特に一
般の治工具の構成材料および自動車のエンジン部品など
の耐摩耗性を要求される構造部品の構成材料として極め
て有用である。

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エルビウム，ホルミウムの少なくとも一
方を酸化物に換算して２〜１０質量％と，アルミニウム
を酸化物に換算して２．５〜７質量％と，マグネシウム
を酸化物に換算して１．５〜４質量％と、残部を構成す
る窒化けい素とから成り、ビッカース硬度が１５００以
上であることを特徴とする窒化けい素焼結体。
【請求項２】酸化ストロンチウムを２質量％以下含有
することを特徴とする請求項１記載の窒化けい素焼結
体。
【請求項３】窒化アルミニウムを０．１〜４質量％含
有することを特徴とする請求項１記載の窒化けい素焼結
体。
【請求項４】前記エルビウムおよびホルミウムの少な
くとも一方の含有量が２〜８質量％であるとともに、酸
化イットリウムを２質量％以下含有することを特徴とす
る請求項１記載の窒化けい素焼結体。
【請求項５】チタン，ジルコニウム，ハフニウムおよ
びタングステンから選択される少なくとも１種の元素を
酸化物に換算して０．１〜５質量％以下含有することを
特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒化けい素
焼結体。
【請求項６】前記窒化けい素焼結体がα相型およびβ
相型窒化けい素を共に含有し、Ｘ線回折法により測定し
たα相型窒化けい素の回折Ｘ線強度化が２５％以下であ
ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の窒
化けい素焼結体。
【請求項７】前記窒化けい素焼結体の気孔率が１．５
％以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか
に記載の窒化けい素焼結体。
【請求項８】前記窒化けい素焼結体の三点曲げ強度が
９００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜７
のいずれかに記載の窒化けい素焼結体。
【請求項９】前記窒化けい素焼結体の破壊靭性値が
６．０ＭＰａ・ｍ^１／ ^２以上であることを特徴とする請
求項１〜８のいずれかに記載の窒化けい素焼結体。
【請求項１０】前記窒化けい素焼結体の焼結仕上り面
における表面粗さが中心線平均粗さ（Ｒａ）基準で０．
３μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいず
れかに記載の窒化けい素焼結体。
【請求項１１】酸素を１．７質量％以下、α相型窒化
けい素を９０質量％以上含有し、平均粒径が１．０μｍ
以下の窒化けい素粉末に、エルビウムおよびホルミウム
の少なくとも一方の元素を酸化物に換算して２〜１０質
量％と，酸化マグネシウムを１．５〜４質量％と，酸化
アルミニウムを２．５〜７質量％とを添加した原料混合
体を成形して成形体を調製し、得られた成形体を非酸化
性雰囲気中で温度１６００℃以下で焼結することを特徴
とする窒化けい素焼結体の製造方法。