JP2003095748A - 窒化ケイ素系セラミックス及びその焼結・成型加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒化ケイ素系セラミックス及びその焼結・成
型加工方法を提供する。 【解決手段】 配向組織を有し、１３００℃で曲げ強度
６００ＭＰａ以上の高温強度に優れた窒化ケイ素系セラ
ミックスを製造する方法であって、窒化ケイ素系原料粉
末が、α窒化ケイ素粉末、β窒化ケイ素の粉末・種結晶
・ウィスカーから選択されるｌ種以上と、イッテルビウ
ム、ルテチウムから選択されるｌ種以上を含む焼結助剤
とからなる当該窒化ケイ素系原料粉末を成型して予備成
型体を作製し、当該予備成型体にその一部を拘束した状
態で塑性流動を伴う焼結・成型加工を施し、予備成型体
の少なくとも一部分に塑性流動を生じさせて焼結成型体
の各部分の結晶粒の配向方向を所定の方向に制御するこ
とを特徴とする窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型
加工方法、及び当該方法により作製された窒化ケイ素系
セラミックス。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、優れた高温強度を
有する窒化ケイ素系セラミックスの焼結成型体を作製す
る方法に関するものであり、更に詳しくは、適切な焼結
助剤を混合した窒化ケイ素系原料粉末を成型して作製し
た予備成型体を、仮焼結体又は焼結体とすることなく、
そのまま、当該予備成型体に、直接、適切な塑性流動を
伴う焼結・成型加工条件を選択しつつ焼結・成型加工を
同時に施し、結晶粒配向組織を有し、かつ、優れた高温
強度を示す窒化ケイ素系セラミックスを作製することを
特徴とする、窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加
工方法、及び得られた窒化ケイ素系セラミックスに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、窒化ケイ素系セラミックスは、高
強度、高耐熱性、低比重、高耐食性及び高耐熱衝撃性等
の優れた特性を有していることから、例えば、機械部品
の構造用材料等として注目を集めている。従来、窒化ケ
イ素系セラミックスからなる機械部品は、原料粉末を金
型圧粉成型等によって成型し、更に、これを焼結する方
法によって作製されている。しかしながら、このような
方法では、焼結による製品の収縮が伴い、そのために、
例えば、精度を要求される部品については、更に切削、
研削、研磨等の機械加工が必要であり、生産性及びコス
トの面で解決すべき問題があることから、これらの問題
を解決できる新しい成型加工方法の開発が強く望まれて
いた。

【０００３】これに対して、最近、窒化ケイ素系セラミ
ックスに関して、超塑性を利用した成型加工方法が提案
されている。その代表的な例を挙げると、例えば、窒化
ケイ素系セラミックス焼結体について、制御された温度
及び歪速度の下で超塑性による成型加工が可能であるこ
とが報告されている（特開平８−１０４５７１）。この
ような超塑性を利用した塑性（成型）加工による方法
は、従来のような焼結後の機械加工をすることなく、窒
化ケイ素系セラミックスを所定の形状に精度よく成型す
ることができるので、窒化ケイ素系セラミックスからな
る機械部品の生産性を向上させることができる。このよ
うに、窒化ケイ素系セラミックスは、超塑性を利用した
方法による成型加工が可能であり、この方法によれば、
焼結後の製品の機械加工を省略することができるので、
機械加工に伴う問題を解決することができる。しかしな
がら、超塑性成型加工によって作製した機械部品には、
成型加工による塑性流動方向に結晶粒の配向が生ずるの
で、当該機械部品は、機械的性質が方向によって異なる
いわゆる異方性の問題を有しており、その結果、機械部
品の適用範囲は限定されたものとなる。

【０００４】本発明者らの一部は、これまで、このよう
な問題を解決することを目標として種々研究を積み重ね
る中で、窒化ケイ素系セラミックスの仮焼結体又は焼結
体に多段階の超塑性成型加工を施し、各成型段階毎に焼
結体の各部分の結晶粒の配向を所定の方向にコントロー
ルすることによって前記問題を解決できること、更に、
窒化ケイ素系セラミックス焼結体の各部分に所定の結晶
粒配向組織を形成することにより、焼結体の特定方向へ
の強度及び／又は靭性の向上を図ることができること等
の知見を得て、特許を取得した（特許第２９４４９５３
号）。このように、本発明者らの一部によって、窒化ケ
イ素系セラミックス焼結体に多段階の超塑性成型加工を
施し、焼結成型体の各部分の結晶粒を所定の方向に制御
することによっていわゆる異方性の問題を解決すること
ができること、そして、それによって、焼結体の特定方
向への強度及び／又は靭性の向上を図ることができるこ
と、が分かった。次に、窒化ケイ素系セラミックス焼結
体の超塑性成型加工は、一般に、高温、低速度で行われ
るため、生産性の面で改善すべき問題があった。

【０００５】そこで、本発明者らは、成型加工の速度を
上げて生産性の向上を図ることを達成するために、窒化
ケイ素系原料粉末を成型して作製した予備成型体を仮焼
結体又は焼結体とすることなく、そのまま、当該予備成
型体に、直接、焼結と超塑性成型加工を施すことを試み
た。その結果、みかけの変形歪み量を高くとることによ
り高い配向度が達成されること、そして、それによっ
て、従来製品を上回る優れた強度及び／又は破壊靭性を
有する窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型体が得ら
れること、更に、予備成型体の変形能が大きいことによ
り成型加工の速度が向上し、加工時間が短縮されるこ
と、各部分が受持つ機能に応じた適切な結晶粒配向組織
を形成させることができること、等の新規な知見を見出
し、新規な焼結・成型加工方法として、特許を取得した
（特許第２９２３７８１号）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、本発明者
らは、窒化ケイ素系セラミックス焼結体の超塑性成型加
工方法に関する新しい技術を種々開発している。しかし
ながら、例えば、窒化ケイ素焼結体をガスタービンブレ
ードに適用しようとすると、１３００℃において６００
ＭＰａ以上の高温高強度が発揮されないと、実用材料と
して利用できない。そこで、本発明者らは、更に研究を
進め、高温において優れた特性を有する窒化ケイ素の製
造を試みた結果、適切な焼結助剤を選択し、かつ、適切
な塑性流動を伴う焼結・成型加工条件を選択することに
よって、結晶粒配向組織を有し、かつ、優れた高温強度
を示す窒化ケイ素セラミックスの焼結・成型体を製造す
ることが可能であるという新規な知見を見出し、本発明
を完成するに至った。即ち、本発明は、１３００℃にお
いて６００ＭＰａ以上の高温強度を発揮する窒化ケイ素
焼結体を製造し、提供することを目的とするものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明は、以下の技術的手段からなる。 （１）配向組織を有し、１３００℃で曲げ強度６００Ｍ
Ｐａ以上の高温強度に優れた窒化ケイ素系セラミックス
を製造する方法であって、窒化ケイ素系原料粉末が、α
窒化ケイ素粉末、β窒化ケイ素の粉末・種結晶・ウィス
カーから選択されるｌ種以上と、イッテルビウム、ルテ
チウムから選択されるｌ種以上を含む焼結助剤とからな
る当該窒化ケイ素系原料粉末を成型して予備成型体を作
製し、当該予備成型体にその一部を拘束した状態で塑性
流動を伴う焼結・成型加工を施し、予備成型体の少なく
とも一部分に塑性流動を生じさせて焼結成型体の各部分
の結晶粒の配向方向を所定の方向に制御することを特徴
とする窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方
法。 （２）前記焼結助剤として、イッテルビア（Ｙｂ₂ Ｏ
₃ ）及び／又はルテチア（Ｌｕ₂ Ｏ₃ ）を１〜２０重量
％添加することを特徴とする前記（ｌ）に記載の窒化ケ
イ素系セラミックスの焼結・成型加工方法。 （３）前記窒化ケイ素系原料粉末に、シリカ（ＳｉＯ
₂ ）を加えることを特徴とする前記（ｌ）又は（２）に
記載の窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方
法。 （４）前記窒化ケイ素系原料粉末に炭化ケイ素を加える
ことを特徴とする前記（ｌ）、（２）又は（３）に記載
の窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法。 （５）前記（１）から（４）のいずれかに記載の方法に
より作製された窒化ケイ素系セラミックスであって、窒
化ケイ素系セラミックスが、イッテルビウム及び／又は
ルテチウムを含有し、当該窒化ケイ素系セラミックスの
Ｘ線回折強度比Ｉ（１０１）／Ｉ（２１０）の最小値が
０．２以下であることを特徴とする窒化ケイ素系セラミ
ックス。 （６）前記窒化ケイ素系セラミックスが、イッテルビウ
ムケイ素酸化物及び／又はルテチウムイッテルビウムケ
イ素酸化物を含有することを特徴とする前記（５）に記
載の窒化ケイ素系セラミックス。 （７）前記窒化ケイ素系セラミックスが、Ｙｂ₂ ＳｉＯ
₅ 、Ｙｂ₂ Ｓｉ₂ Ｏ₇ 、Ｌｕ₂ ＳｉＯ₅ 、Ｌｕ₂ Ｓｉ₂
Ｏ₇ の内から選択された１種以上を含有することを特徴
とする前記（５）又は（６）に記載の窒化ケイ素系セラ
ミックス。 （８）窒化ケイ素系セラミックスが、１３００℃で曲げ
強度６００ＭＰａ以上であることを特徴とする前記
（５）、（６）又は（７）に記載の窒化ケイ素系セラミ
ックス。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に、本発明について更に詳細に
説明する。本発明は、窒化ケイ素の持つ、高温において
優れた特性を生かした窒化ケイ素系セラミックスの焼結
・成型加工方法を提供するものであり、更に詳しくは、
適切な焼結助剤を混合した窒化ケイ素系原料粉末を成型
して作製した予備成型体を仮焼結体又は焼結体とするこ
となく、そのまま、当該予備成型体に、直接、適切な塑
性流動を伴う焼結・成型加工条件を選択しつつ焼結・成
型加工を同時に施し、結晶粒配向組織を有し、かつ、優
れた高温強度を示す窒化ケイ素系セラミックスを作製す
ることを特徴とする新しい窒化ケイ素系セラミックスの
焼結・成型加工方法、及び当該方法によって作製される
窒化ケイ素系セラミックスを提供するものである。

【０００９】本発明において、窒化ケイ素系原料粉末と
しては、α窒化ケイ素粉末、β窒化ケイ素の粉末・種結
晶・ウィスカーから選択されるｌ種以上、及びイッテル
ビウム、ルテチウムから選択されるｌ種以上の焼結助剤
粉末からなるものが用いられる。当該窒化ケイ素系原料
粉末は、複数の種類を適宜組み合わせて使用することが
可能であり、窒化ケイ素系セラミックスの要求特性に応
じて上記原料粉末を適宜選択して使用することができ
る。炭化ケイ素等を加えて複合材料化することもでき
る。次に、窒化ケイ素系原料粉末を成型する方法として
は、例えば、圧縮成型、射出成型、鋳込み成型等が好適
なものとして例示されるが、これらに限らず、原料粉末
をそのまま成型できる方法であれば適宜の方法が使用さ
れる。本発明において、成型とは、上記方法又はそれら
と同効の方法で上記原料粉末を成型することを意味す
る。

【００１０】次に、予備成型体にその一部を拘束した状
態で塑性流動を伴う焼結・成型加工を施す方法として
は、熱間圧縮加工、熱間圧延加工、熱間押出し加工及び
熱間引張り加工の中から選択される１種以上の方法を用
いて焼結・成型加工する方法が選択される。予備成型体
の焼結・成型加工は、１段又は多段階の加工を施すこと
によって行われる。この場合、例えば、各段階の焼結・
成型加工を全て熱間圧縮加工によって行っても良く、ま
た、第１段階を熱間押出し加工で行い、第２段階を熱間
圧延加工で行い、第３段階を熱間引張り加工で行っても
良い。このように、予備成型体の焼結・成型加工は、複
数の加工方法の中から選択される適宜の加工方法を用い
て行うことができるので、予備成型体を様々な形状に容
易に成型加工することが可能であり、その結果、機械部
品としての適用範囲を大幅に拡大することが可能とな
る。

【００１１】本発明において、予備成型体とは、成型等
によって粉末を固めたものであり、相対密度が７０％以
下であるものを意味し、また、焼結・成型体とは、予備
成型体に熱と圧力を加えて焼結・成型加工を施したもの
であり、相対密度９８％以上であるものを意味する。本
発明の窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法
は、上記のように、基本的には、原料粉末の調製、予備
成型、及び１段又は多段の熱間加工の各工程からなるこ
とを特徴とするものであり、以下に、その各工程の内容
を更に詳細に説明する。図１に各工程の流れを示す。

【００１２】まず、原料粉末の調製について説明する
と、窒化ケイ素系原料粉末としては、前記のように、α
窒化ケイ素粉末、β窒化ケイ素の粉末・種結晶・ウィス
カーから選択されるｌ種以上の組合わせ、及び焼結助剤
粉末からなり、必要に応じて炭化ケイ素等の強化材を加
えたものを使用する。窒化ケイ素粉末は、その組成はＳ
ｉ₃ Ｎ₄ で表される。通常、酸素を微量含有しており、
粉末表面に酸化膜としておおよそ１重量％程度のシリカ
相を形成する。α窒化ケイ素の結晶粒は、一般的に等軸
であり、高温、例えば、１５００℃以上ではβ窒化ケイ
素に相転移する。β窒化ケイ素は、高温及び低酸素分圧
下で安定であり、その組成はＳｉ₃ Ｎ₄ で表される。β
窒化ケイ素の結晶粒は、一般的に棒状又は柱状である。

【００１３】窒化ケイ素粉末の合成法としては、工業的
にはシリコン窒化法とイミド熱分解法が用いられる。な
お、α窒化ケイ素とβ窒化ケイ素は、粉末合成時に混在
して合成され、通常、イミド熱分解法では合成粉末中の
α窒化ケイ素の含有率は９０％以上、シリコン窒化法で
はα相とβ相の割合を酸素分圧や窒化条件によって制御
できる。いずれの粉末を用いても、通常、焼結後はβ窒
化ケイ素が主になる。但し、カルシウムやリチウムなど
を加えることでα相を安定化させることもできる。β窒
化ケイ素の種結晶やウィスカーは窒化ケイ素の相転移の
基点となることから、組織制御を行うために混合される
ことがある。また、種結晶やウィスカーは予備成形体中
に混合することで焼結成形後の配向組織形成を補助する
役割を持たせることもできる。このように、窒化ケイ素
系セラミックスの要求特性に応じて上記原料粉末を適宜
選択して使用することができる。

【００１４】次に、原料粉末中に混合される焼結助剤と
して、本発明ではイッテルビウム、ルテチウムから選択
されるｌ種以上を含む焼結助剤を用いる。具体的には、
イッテルビウム、ルテチウムの酸化物として、イッテル
ビア（Ｙｂ₂ Ｏ₃ ）及び／又はルテチア（Ｌｕ₂ Ｏ₃ ）
を用いる。イッテルビアやルテチアは高温強度に優れる
窒化ケイ素の製造時によく用いられる。必要に応じてシ
リカ（ＳｉＯ₂ ）を添加する。窒化ケイ素の焼結は、一
般に、焼結助剤が高温で液化（ガラス化）することで進
行する。シリカの添加は、焼結時や焼結後に生成する粒
界相を制御するために行われる。また、炭化ケイ素等の
強化材は、窒化ケイ素との複合材料化の効果で高温特性
や耐酸化性を向上させるので、必要に応じて混合する。
前記窒化ケイ素粉末と合わせて混合を行うが、混合方法
としては、一般的な方法を用いれば良い。一例として、
ボールミルを用いてメタノール中で混合する方法が挙げ
られる。

【００１５】次に、原料粉末を成型する方法としては、
上記混合粉末を金型に充填した後、圧縮成型し、予備成
型体とする方法が例示される。この場合、予備成型体を
作製する方法として、例えば、圧縮成型、射出成型、鋳
込み成型等による適宜の方法が使用される。当該予備成
型体の形状は、焼結成型加工後の最終製品の形状とそれ
に適した配向組織の形成を考慮した形状で決定される
が、具体的には、例えば、立方体等、適宜の機械部品の
形態に形成することが可能であり、その形態は、特に限
定されるものではない。また、予備成型体の相対密度
は、好ましくは７０％以下である。

【００１６】次に、上記予備成型体にその一部分を拘束
した状態で塑性流動を伴う焼結・成型加工を施す。当該
工程において、熱間加工は、例えば、予備成型体を型治
具に挿入し、その一部分を拘束した状態で、熱間圧縮加
工することによって行われる。焼結・成型加工条件は、
焼結・成型温度１５００〜２３００℃、歪速度ｌ０^-1 ／
秒以下であることが好ましい。また、ｌ８００℃以上で
は、窒化ケイ素の昇華分解を防止するために窒素ガス加
圧雰囲気で成型加工を行う。この場合、焼結・成型温度
が１５００℃未満では焼結・成型加工の速度が遅くな
り、焼結・成型加工の効率が低下し、また、焼結・成型
温度が２３００℃を超えると、窒化ケイ素の昇華分解が
生ずる恐れがある。また、歪速度がｌ０^-1／秒を超える
と焼結・成型中に予備成型体内にキャビティが発生し、
所定の歪量まで塑性流動を起こしつつ変形させることが
できない。なお、好ましい焼結・成型加工の好適な温度
範囲は、１８００〜２２００℃であり、また、好適な歪
速度は１０^-2／秒以下である。

【００１７】本発明において、上記熱間加工は１段又は
多段階で行うことができるが、多段階の熱間加工の場
合、例えば、ｌ段目の熱間加工と２段目の熱間加工では
焼結が同時的に進行し、通常、α粒子が多い場合、αか
らβへの相転移を介して焼結が速く進行する。また、粒
成長の核になるβ窒化ケイ素粒子の量及び形状を制御す
ることにより、焼結後の組織形成を制御することができ
る。このように、α，β粒子の量及び形状を制御するこ
とによって所望の予備成型体及び焼結・成型体を製造す
ることができる。熱間加工中、焼結助剤と窒化ケイ素粒
子の表面に存在するシリカが反応し、加熱によって液相
を生成し、α窒化ケイ素粒子が液相に溶解し、未溶解の
β窒化ケイ素粒子上に析出して粒成長する。また、α窒
化ケイ素粒子は、溶解、析出、粒成長の過程でβ窒化ケ
イ素に相転移し、生成したβ窒化ケイ素粒子は棒状に成
長し、焼結成型体の機械的性質を向上させる。

【００１８】塑性流動を伴う焼結・成型加工の工程にお
いて、成型圧力は、成型温度に応じて１０^-1／秒以下の
歪速度となるように２〜１００ＭＰａの範囲内で適宜調
整される。成型加工の雰囲気は、非酸化性雰囲気が好ま
しく、例えば、窒素ガス雰囲気が例示される。酸化性雰
囲気は、窒化ケイ素が酸化されるので好ましくない。型
治具の材質は、例えば、セラミックス、黒鉛等が好適な
ものとして例示される。なお、本発明の方法の好適な一
例をあげると、例えば、焼結・成型加工条件としては、
イッテルビアを焼結助剤として用いた場合、雰囲気：９
気圧窒素、成型温度：１９００℃、見かけ歪み量：５０
％、加工時間：３ｈｒが例示され、また、ルテチアを焼
結助剤として用いた場合、雰囲気：９気圧窒素、成型温
度：２０００℃、見かけ歪み量：５０％、加工時間：３
ｈｒが例示される。型治具としては炭化ケイ素製やグラ
ファイト製が例示される。

【００１９】多段階の熱間加工の場合、１段目の熱間加
工によって、中間焼結成型体又は焼結成型体には棒状結
晶粒の長手方向を所定の方向に配向させた結晶粒配向組
織が既に形成されているので、多段階成型部分には新た
な配向組織が、また、多段成型部分と１段成型部分との
境界部分には、例えば、曲線状の所定の方向の結晶粒配
向組織が形成される。このように、本発明では、予備成
型体を仮焼結体又は焼結体とすることなく、そのまま、
当該予備成型体に、直接、１段又は多段階の焼結・成型
加工が施されるので、各成型段階毎に焼結成型体の全体
あるいは一部分に塑性変形が生ずる。したがって、各成
型段階毎に予備成型体、中間焼結成型体又は焼結成型体
の各部分の塑性流動方向を所定の方向に制御すれば、焼
結成型体の各部分の結晶粒を所定の方向に配向させた結
晶粒配向組織が形成される。

【００２０】そのため、結晶粒の配向方向又は配向面に
平行な方向の力に対する強度は、他の方向の力に対する
強度よりも高く、結晶粒配向組織を焼結成型体の所定部
分に形成することによって、予め定めた複数の方向にお
ける焼結成型体の強度を向上させることができる。ま
た、結晶粒配向組織が形成されることによって、結晶粒
の配向方向に対して垂直方向に進行するクラックが発生
しても、クラックの進行方向が結晶粒配向方向に沿う方
向に変化するので、クラックの直進が妨げられ、クラッ
クの侵入深さが小さくなる。また、前記のように、予備
成型体の相対密度が７０％以下の低密度であるので、塑
性流動を伴う焼結・成型加工によって焼結成型体の相対
密度が増大し、その結果、焼結成型体の全体的な強度水
準が大幅に向上する。窒化ケイ素の配向組織（異方性の
強さ、配向度）はＸ線回折法を用いて定義した。Ｘ線回
折法を用いる方法は、窒化ケイ素の配向性の簡便な評価
法の１として、例えば、Ｌｅｅらによって、J. Am. Cer
am. Soc., 75 [7], 1748-55, (1992)、J. Am. Ceram. S
oc., 76 [7], 1793-800, (1993)、J. Am. Ceram. Soc.,
77 [4], 947-53, (1994)などに詳細に報告されてい
る。この方法では、観察面での（１０１）と（２１０）
のピークの強度比を比較する。窒化ケイ素の結晶粒は六
角柱状になるが、（１０１）面は六角柱の底面に対し約
２０度傾く面であり、（２１０）面は柱面に平行な面で
ある。すなわち、この強度比Ｉ（１０１）／Ｉ（２１
０）が小さいほど、観察面に対して結晶粒の柱面が平行
に存在する割合が高いことになる。この強度比は、完全
に等方的な窒化ケイ素では１．０６（ＪＣＰＤＳカード
３３−１１６０による値）、一般的なホットプレス材で
は０．５〜０．７である（例えば、Ｙｏｏｎら（J. Mat
er. Sci., 32, 3813-19, (1997) ）の報告では０．５
８）。

【００２１】以上説明したように、本発明においては、
予備成型体にその一部分を拘束した状態で焼結・成型加
工を施し、予備成型体の少なくとも一部分に塑性流動を
生じさせて焼結成型体の各部分に所定の結晶粒配向組織
を自在に形成することができるので、各部分が受け持つ
機能に応じた特性を各部分毎に付与することが可能であ
り、その結果、本発明の焼結成型体は、機械部品等とし
て広範囲の用途に適用することができる。

【００２２】イッテルビアやルテチアは、一部の窒化ケ
イ素系セラミックスにおいて、焼結助剤として用いられ
ていることが知られている。しかしながら、本発明のよ
うに、イッテルビア及び／又はルテチアを用い、かつ、
焼結成型時に塑性流動を生じさせて焼結成型体の各部分
の結晶粒の配向方向を所定の方向に制御することは行わ
れておらず、本発明は、この点で、市販品と異なってお
り、そのことが本発明の最大の特徴となる。

【００２３】また、本発明の他の態様として、既に、結
晶粒配向組織の形成された予備成型体を用いて焼結・成
型加工を行うことも適宜可能である。また、配向組織を
有する予備成型体は、窒化ケイ素系原料粉末に種結晶、
ウィスカ等を添加し、シート成型、射出成型等を施して
製造される。この場合、配向組織を有する予備成型体に
塑性流動を伴う焼結・成型加工が施され、窒化ケイ素系
セラミックスの焼結成型体が形成される。これによっ
て、窒化ケイ素系セラミックスの結晶粒配向組織が更に
多様に形成されるので、窒化ケイ素系セラミックスの各
部分が受け持つ機能に応じた特性を、各部分毎に更にき
め細かく付与することができ、これにより、窒化ケイ素
系セラミックスの用途を更に拡大することができる。ま
た、焼結・成型加工を仕上げ加工として施すことができ
るので、これにより、窒化ケイ素系セラミックスの結晶
粒配向組織を所望の配向組織と一致するように精度よく
制御し、かつ最終製品の形状に近い焼結成型体とするこ
とができる。

【００２４】

【実施例】次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説
明するが、本発明は当該実施例によって何ら限定される
ものではない。 実施例１ 本実施例における実施の手順は図１に示したとおりであ
る。α窒化ケイ素粉末（宇部興産株式会社製Ｅ−１０）
に焼結助剤としてイッテルビア粉末（株式会社高純度化
学研究所製）１３重量％とシリカ粉末（株式会社高純度
化学研究所製）２重量％を加え、メタノール中でボール
ミルを用いて５０時間混合した。この混合粉末を金型に
より圧粉成型後、静水圧プレス（ＣＩＰ）処理を行い、
４０×４０×１５ｍｍの予備成型体を得た。この予備成
型体の密度はおよそ５２％であった。図２（左側) に予
備成型体を示す。予備成型体を底面４５×４５ｍｍのカ
ーボンダイスに入れ、上下面を拘束した状態で焼結と同
時に熱間圧縮加工を行った。圧縮加工はホットプレスを
用いて、１９００℃、９気圧窒素雰囲気中、圧縮荷重６
０００ｋｇで３時間かけて行った。また、同じ焼結条件
で通常のホットプレスによる焼結も行い、比較を行っ
た。

【００２５】本発明による方法で得られた焼結成型体は
４５×４５×６ｍｍで、密度は３．３５ｇ／ｃｍ³ （ほ
ぼ９８％の密度）であった。得られた焼結体を図２（右
側)に示す。この焼結体から組織観察試験片、強度試験
片を切り出した。尚、試験はＪＩＳ−Ｒ１６０１及び１
６０４に準拠した。この焼結成型体の組織を図３に示
す。また、比較用にホットプレス焼結を行ったものの組
織も示す。これらは破面から得られたもので、上下方向
にホットプレスあるいは圧縮を行ったものである。ホッ
トプレス焼結体では棒状の窒化ケイ素粒子が比較的ラン
ダムに分布しているのに対し、本発明による焼結成型体
では圧縮加工方向に対して垂直に棒状の窒化ケイ素粒子
が主に分布していることがわかる。

【００２６】本発明による方法で得られたイッテルビア
を助剤として含む焼結体に関するＸ線回折試験の結果を
図４に示す。同時に比較例としてホットプレスにより得
た焼結体に関する結果も示す。窒化ケイ素の配向性の簡
便な評価法の１つとして、（１０１）と（２１０）のＸ
線回折ピークの強度比を比較する方法がある。窒化ケイ
素の結晶粒は六角柱状になるが、（１０１）面は六角柱
の底面に対し約２０度傾く面であり、（２１０）面は柱
面に平行な面である。すなわち、この強度比Ｉ（１０
１）／Ｉ（２１０）が小さいほど、観察面に対して結晶
粒の柱面が平行に存在する割合が高いことになる。本発
明の場合、圧縮面あるいはプレス面（上面）に対して結
晶粒の柱面が平行に存在している。上面からの回折結果
を比較するとＩ（１０１）／Ｉ（２１０）はホットプレ
ス材で０．３３、本発明品で０．０５であった。なお、
この強度比は、完全に等方的な窒化ケイ素では１．０
６，一般的なホットプレス材では０．５〜０．７であ
る。この結果ではホットプレス材でも通常より高い配向
性を示しているが、本発明により得られた焼結・成型体
中には、それを更に上回る高い配向性を有する組織を形
成できたことが分かる。

【００２７】本発明による方法で得られたイッテルビア
を助剤として含む焼結成型体の強度特性を図５に示す。
あわせて比較例として、従来品の強度特性も示す。この
従来品は焼結助剤として５重量％のイットリアと３重量
％のアルミナを含んでおり、配向組織を有する材料であ
る。従来品は室温においては本発明よりも高強度であ
り、１１００℃までは強度低下も少ないが、それ以上の
温度域では急激に強度が低下し、１３００℃において５
２０ＭＰａとなる。一方、本発明によるイッテルビアを
助剤として含む焼結成型体では、室温強度は従来品に比
べて低いが、１３００℃を超える高温においては従来品
より優れた強度を示し、１４００℃においても６００Ｍ
Ｐａを超える強度を維持できている。即ち、本発明によ
り高温強度に優れた焼結成型体を製造できることが分か
る。

【００２８】実施例２ 実施例１と同様の手順で炭化ケイ素粒子を混合した実施
例を示す。特に示さない部分は実施例１と同様の手順で
行った。α窒化ケイ素粉末（宇部興産株式会社製Ｅ−１
０）に焼結助剤としてイッテルビア粉末（株式会社高純
度化学研究所製）１４重量％と炭化ケイ素粉末（イビデ
ン株式会社製ＵＦ）２０重量％を加え、混合後、予備成
型体を作製した。焼結・熱間圧縮加工は１８００℃、９
気圧窒素雰囲気中、圧縮荷重６０００ｋｇで３時間かけ
て行った。得られた試験片は１４００℃において７９６
ＭＰａという、実施例１で示した炭化ケイ素を加えない
場合に比べて１００ＭＰａ以上高い強度を示した。

【００２９】実施例３ 実施例１と同様の手順でルテチアを焼結助剤として用い
た実施例を示す。特に示さない部分は実施例１と同様の
手順で行った。α窒化ケイ素粉末（宇部興産株式会社製
Ｅ−１０）に焼結助剤としてルテチア粉末（株式会社高
純度化学研究所製）８重量％とシリカ粉末（株式会社高
純度化学研究所製）２重量％を加え、混合後、予備成型
体を作製した。焼結・熱間圧縮加工は２０００℃、９気
圧窒素雰囲気中、圧縮荷重６０００ｋｇで３時間かけて
行った。得られた試験片の強度特性を図５に示す。ルテ
チアを焼結助剤に用いた例では、イッテルビアを助剤と
して含む実施例に比べて室温強度は劣るものの、１４０
０℃を超える高温ではイッテルビアを用いたものより優
れた強度を示すことが分かる。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明は、窒化ケ
イ素系セラミックス及びその焼結・成型加工方法に係る
ものであり、本発明によれば、以下のような効果が奏さ
れる。 （１）従来プロセスで必須の仮焼結体又は焼結体の作製
プロセスを省略することができる。 （２）窒化ケイ素系セラミックスの各部分の結晶粒の配
向方向を所定の方向に配向させることができるので、各
部分毎に、各部分が受け持つ機能に応じた特性を付与す
ることができる。 （３）生産性を向上させ、窒化ケイ素系セラミックスの
機械部品としての適用範囲を大幅に拡大することができ
る。 （４）複数の種類の窒化ケイ素系原料粉末を使用するこ
とが可能であり、窒化ケイ素系セラミックスの要求特性
に応じて適正な原料粉末を適宜選択して使用することが
できる。 （５）予備成型体の熱間加工は、各成型段階毎に熱間圧
縮加工、熱間圧延加工、熱間押出し加工及び熱間引張加
工から選択された適宜の加工方法を用いて行うことがで
きるので、予備成型体を様々な形状に焼結・成型加工す
ることが可能であり、その結果、機械部品としての適用
範囲を大幅に拡大することができる。 （６）イッテルビアあるいはルテチアを焼結助剤として
用いることで、配向組織を有し、１３００℃で曲げ強度
６００ＭＰａ以上の高温強度に優れた窒化ケイ素を製造
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成
型加工方法のフローを示す説明図である。

【図２】本発明の実施例でイッテルビアを焼結助剤とし
て用いて作製した予備成型体及び焼結成型体を示す説明
図である。

【図３】本発明の実施例でイッテルビアを焼結助剤とし
て用いて作製した焼結成型体及び比較用に作製したホッ
トプレス焼結体の組織を示す説明図である。

【図４】本発明の実施例で作製したイッテルビアを焼結
助剤として用いて焼結成型体及び比較用に作製したホッ
トプレス焼結体のＸ線回折試験結果を示す説明図であ
る。

【図５】本発明の実施例でイッテルビアあるいはルテチ
アを焼結助剤として用いて作製した焼結成型体の強度特
性を示す説明図である。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配向組織を有し、１３００℃で曲げ強度
   ６００ＭＰａ以上の高温強度に優れた窒化ケイ素系セラ
   ミックスを製造する方法であって、窒化ケイ素系原料粉
   末が、α窒化ケイ素粉末、β窒化ケイ素の粉末・種結晶
   ・ウィスカーから選択されるｌ種以上と、イッテルビウ
   ム、ルテチウムから選択されるｌ種以上を含む焼結助剤
   とからなる当該窒化ケイ素系原料粉末を成型して予備成
   型体を作製し、当該予備成型体にその一部を拘束した状
   態で塑性流動を伴う焼結・成型加工を施し、予備成型体
   の少なくとも一部分に塑性流動を生じさせて焼結成型体
   の各部分の結晶粒の配向方向を所定の方向に制御するこ
   とを特徴とする窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型
   加工方法。
2. 【請求項２】 前記焼結助剤として、イッテルビア（Ｙ
   ｂ₂ Ｏ₃ ）及び／又はルテチア（Ｌｕ₂ Ｏ₃ ）を１〜２
   ０重量％添加することを特徴とする請求項ｌに記載の窒
   化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法。
3. 【請求項３】 前記窒化ケイ素系原料粉末に、シリカ
   （ＳｉＯ₂ ）を加えることを特徴とする請求項ｌ又は２
   に記載の窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方
   法。
4. 【請求項４】 前記窒化ケイ素系原料粉末に炭化ケイ素
   を加えることを特徴とする請求項ｌ、２又は３に記載の
   窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法。
5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれかに記載の方法
   により作製された窒化ケイ素系セラミックスであって、
   窒化ケイ素系セラミックスが、イッテルビウム及び／又
   はルテチウムを含有し、当該窒化ケイ素系セラミックス
   のＸ線回折強度比Ｉ（１０１）／Ｉ（２１０）の最小値
   が０．２以下であることを特徴とする窒化ケイ素系セラ
   ミックス。
6. 【請求項６】 前記窒化ケイ素系セラミックスが、イッ
   テルビウムケイ素酸化物及び／又はルテチウムイッテル
   ビウムケイ素酸化物を含有することを特徴とする請求項
   ５に記載の窒化ケイ素系セラミックス。
7. 【請求項７】 前記窒化ケイ素系セラミックスが、Ｙｂ
   ₂ ＳｉＯ₅ 、Ｙｂ₂ Ｓｉ₂ Ｏ₇ 、Ｌｕ₂ ＳｉＯ₅ 、Ｌｕ₂
   Ｓｉ₂ Ｏ₇ の内から選択された１種以上を含有するこ
   とを特徴とする請求項５又は６に記載の窒化ケイ素系セ
   ラミックス。
8. 【請求項８】 窒化ケイ素系セラミックスが、１３００
   ℃で曲げ強度６００ＭＰａ以上であることを特徴とする
   請求項５、６又は７に記載の窒化ケイ素系セラミック
   ス。