JP3317421B2 - 炭化ケイ素／窒化ケイ素複合材料およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車，機械装置，化
学装置，宇宙航空機器などの幅広い分野において使用さ
れる各種構造部品の素材として利用でき、室温および高
温において高い破壊靭性値と優れた強度を有するファイ
ンセラミックス基複合材料である炭化ケイ素／窒化ケイ
素複合材料およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化ケイ素を主成分とする焼結体は、常
温および高温で化学的に安定であり、高い機械的強度を
有するため、軸受などの摺動部材，ターボチャージャロ
ータなどのエンジン部材として好適な材料である。

【０００３】従来より、高強度な窒化ケイ素焼結体は、
α型を主成分とする窒化ケイ素粉末に酸化物系の焼結助
剤を添加して、１７００℃以上で液相焼結することによ
り製造されてきた。

【０００４】しかしながら、このようにして製造された
焼結体は、室温においては高い靭性値と高い強度を有す
るが、１０００℃以上の高温では、添加した酸化物系焼
結助剤成分が軟化するため、強度が低下するという問題
があった。

【０００５】窒化ケイ素焼結体の高温強度を改善する試
みとして、（１）酸化物助剤を高融点助剤に変える方法
（Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，７１巻３号Ｃ１１
４ページ １９８８年）、（２）酸化物助剤の量を低減
させる方法（日本セラミックス協会学術論文誌 ９７巻
６号 ６７３ページ １９８９年）、（３）酸化物助
剤成分を焼結後に窒化ケイ素粒子に固溶させる方法（サ
イアロン）（Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．１４巻 ２３０
９ページ １９７９年）、（４）炭化ケイ素粒子を窒化
ケイ素の粒界や粒内に分散させる方法（粉体および粉末
冶金 ３９巻１１１９ページ １９９２年）などが提案
されており、ある程度の高温強度の改善に成功してい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述す
る高温強度の改善方法では、高温での強度と靭性が両立
した材料は得られていない。すなわち、（１）の高融点
助剤を用いる方法では、焼結助剤をＭｇＯに変えてＹ_２
Ｏ_３とすることにより、強度の低下温度がＭｇＯの１０
００℃からＹ_２Ｏ_３の１２００℃へとある程度高温強度
が改善するが、十分ではない。また、（２）の酸化物助
剤量を低減させる方法では、助剤量を従来の１０ｍｏｌ
％から１ｍｏｌ％へ低減させることにより、強度の低下
温度が１０００℃から１２００℃へとある程度高温強度
が改善するが、十分ではない。さらに、（３）の酸化物
助剤を粒内に固溶させる方法では、１４００℃以上まで
強度が劣化しない材料が得られ、高温強度の改善効果は
大きいが、破壊靭性が５ＭＰａ√ｍ以下であり、靭性が
低いという問題点が有る。さらにまた、（４）の炭化ケ
イ素粒子を分散させる方法でも、高温強度の改善効果は
大きいが、靭性が低いという問題が有る。

【０００７】このように、従来の窒化ケイ素焼結体で
は、高温における強度と靭性が両立した材料は得られて
いなかったことから、室温において高強度で高い破壊靭
性値を有しているのみならず高温においても優れた強度
を有する軽量なセラミックス複合材料の開発が望まれて
いるという課題があった。

【０００８】

【発明の目的】本発明は、上述した従来の課題にかんが
みてなされたものであって、窒化ケイ素粒子群と炭化ケ
イ素粒子分散窒化ケイ素粒子群とから構成される複合構
造とすることにより、室温での強度および破壊靭性に優
れているのみならず、特に高温環境においても高強度で
かつ高靭性が得られるセラミックス複合材料を提供する
ことを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる炭化ケイ
素／窒化ケイ素複合材料は、請求項１に記載しているよ
うに、窒化ケイ素と炭化ケイ素の複合構造を持つセラミ
ックス焼結体であって、窒化ケイ素とその焼結助剤から
構成される多結晶である窒化ケイ素粒子群の領域と、窒
化ケイ素と炭化ケイ素およびその焼結助剤から構成され
る多結晶である炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群の領域を
有する複合構造を持ち、二次元断面より求めた等価円直
径で表わされる平均径が１０μｍ以上５０μｍ以下の窒
化ケイ素粒子群が炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群のマト
リックス中に分散した微構造を有する構成としたことを
特徴としている。

【００１０】そして、本発明に係わる炭化ケイ素／窒化
ケイ素複合材料の実施態様においては、請求項２に記載
しているように、焼結体の切断面において、窒化ケイ素
粒子群の面積が全断面積の１０面積％以上６０面積％以
下である構成のものとすることができ、請求項３に記載
しているように、焼結体の切断面において、窒化ケイ素
粒子群が粒径３μｍ以上１０μｍ以下で長さ１０μｍ以
上５０μｍ以下の柱状のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４粗大粒子を含
み、切断面における粗大粒子の面積が窒化ケイ素粒子群
の断面積の５面積％以上４０面積％以下である構成のも
のとすることができ、請求項４に記載しているように、
焼結体の切断面において、窒化ケイ素粒子群中に含まれ
る長さ５０μｍ超過の柱状のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４巨大粒子の
面積が窒化ケイ素粒子群の断面積の５面積％以下である
構成のものとすることができ、請求項５に記載している
ように、平均粒径０．０１μｍ以上１．０μｍ以下の炭
化ケイ素粒子を０．５体積％以上３０体積％以下含む構
成のものとすることが可能である。

【００１１】本発明に係わる炭化ケイ素／窒化ケイ素複
合材料の製造方法は、請求項６に記載しているように、
窒化ケイ素粉末に、周期律表第ＩＩＩａ族元素の酸化
物，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，酸化カルシ
ウム，酸化ジルコニウム，窒化アルミニウムのうちから
選ばれる１種または２種以上の酸化物あるいは窒化物を
０．２重量％以上１０重量％以下添加して平均粒径１０
μｍ以上５０μｍ以下に造粒して得た造粒体Ａと、窒化
ケイ素粉末に、周期律表第ＩＩＩａ族元素の酸化物，酸
化アルミニウム，酸化マグネシウム，酸化カルシウム，
酸化ジルコニウム，窒化アルミニウムのうちから選ばれ
る１種または２種以上の酸化物あるいは窒化物を０．２
重量％以上１０重量％以下添加すると共に炭化ケイ素粒
子を０．５重量％以上３０重量％以下添加して得た混合
粉末Ｂまたは混合粉末Ｂを平均粒径１００μｍ以下に造
粒して得た造粒体Ｂとを、造粒体Ａと混合粉末Ｂおよび
造粒体Ｂの合計との割合において造粒体Ａが１０重量％
以上６０重量％以下であるように混合し、混合物もしく
は該混合物の成形体を請求項１ないし５のいずれかに記
載の組織が発現するまで１６００℃以上２１００℃以下
の温度で焼成する構成としたことを特徴としている。

【００１２】そして、本発明に係わる炭化ケイ素／窒化
ケイ素複合材料の製造方法の実施態様においては、請求
項７に記載しているように、焼成の際の焼結方法がホッ
トプレスであり、１気圧以上１００気圧以下の窒素雰囲
気中で５ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下の加圧力で一軸加圧
して焼成するようになすことが可能であり、請求項８に
記載しているように、焼成の際の焼結方法がガス圧焼結
であり、１気圧以上５００気圧以下の窒素ガス圧下で焼
成するようになすことが可能であり、請求項９に記載し
ているように、焼成の際の焼結方法が熱間静水圧プレス
であり、１００気圧以上２０００気圧以下のガス圧下で
焼成するようになすことが可能である。

【００１３】また、同じく本発明に係わる炭化ケイ素／
窒化ケイ素複合材料の製造方法の実施態様においては、
請求項１０に記載しているように、炭化ケイ素粒子の平
均粒径が０．０１μｍ以上１μｍ以下であるようにする
ことが可能であり、請求項１１に記載しているように、
造粒体Ａの原料である窒化ケイ素粉末が、β型窒化ケイ
素を８０重量％以上含有しているものを用いるようにす
ることが可能であり、請求項１２に記載しているよう
に、窒化ケイ素の原料粉末として、原料粉末の粉砕分級
処理ないしは複数種類の原料粉末の混合により、０．８
μｍ以下の割合が７０重量％以上９５重量％以下、１．
５μｍ以上５μｍ以下の割合が５重量％以上３０重量％
以下となるように粒度分布を制御した原料粉末を用いる
ようにすることが可能であり、請求項１３に記載してい
るように、焼結助剤が、酸化イットリウムと酸化ネオジ
ムの組み合わせであるものとしたり、請求項１４に記載
しているように、焼結助剤が、酸化イットリウムと酸化
アルミニウムの組み合わせであるものとしたりすること
が可能である。

【００１４】

【発明の作用】本発明に係わる炭化ケイ素／窒化ケイ素
複合材料では、上述した構成のものとしており、窒化ケ
イ素粒子群と、炭化ケイ素粒子分散窒化ケイ素粒子群と
から構成される複合構造を持つセラミックス焼結体とす
ることによって、常温のみならず高温でも高強度でかつ
高靭性が得られることを新規に発明したものである。

【００１５】本発明による炭化ケイ素／窒化ケイ素複合
材料は、窒化ケイ素粒子群と炭化ケイ素粒子分散窒化ケ
イ素粒子群とから構成される複合構造を有するものであ
って、焼結体が、窒化ケイ素とその焼結助剤から構成さ
れる多結晶である領域（窒化ケイ素粒子群と呼ぶ）と、
窒化ケイ素と炭化ケイ素およびその焼結助剤から構成さ
れる多結晶である領域（炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群
と呼ぶ）とから構成され、平均径（二次元断面より求め
た等価円直径）が１０μｍ以上５０μｍ以下の窒化ケイ
素粒子群が炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群マトリックス
中に分散した微構造を有するものである。

【００１６】ここで、窒化ケイ素粒子群とは、窒化ケイ
素粒と焼結助剤成分の粒界相とから構成される多結晶体
の塊である。また、炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群（炭
化ケイ素粒子分散窒化ケイ素粒子群）とは、窒化ケイ素
粒と炭化ケイ素粒と焼結助剤成分の粒界相とから構成さ
れる多結晶体の塊であり、炭化ケイ素粒は窒化ケイ素の
粒内または粒界相内に分散している。

【００１７】焼結体は、これらの二つの粒子群が複合し
た微構造を有し、窒化ケイ素粒子群の大きさは、平均径
が１０μｍ以上５０μｍ以下であり、炭化ケイ素／窒化
ケイ素粒子群のマトリックス中に分散した微構造を有す
る。

【００１８】このような微構造を有するものとすること
によって、焼結中に、窒化ケイ素の微細粒子と５０μｍ
以下の粗大粒子とからなる微構造となって、高温におけ
る強度と靭性が両立する。

【００１９】通常の複合材料では、多結晶のマトリック
ス中に個々の粒子や繊維が分散した組織である。この場
合、分散相を大きくすると焼結の阻害となるために、分
散相の大きさや添加量に制限があった。本発明では、分
散相を粉末の造粒体とすることにより、焼結時に分散相
とマトリックス相が同時に収縮するために、大きい分散
相を多量に添加しても焼結可能となった。

【００２０】粒子群の大きさは、切断面の二次元断面よ
り粒子群の面積を求め、その面積に等価な円の直径とし
て定義する。すなわち、粒子群の面積がＳ（μｍ^２）で
あるときに、等価円直径ｄ（μｍ）は、 となる。

【００２１】窒化ケイ素粒子群の大きさが平均径で１０
μｍ以上５０μｍ以下であるものとしているのは、１０
μｍ未満であるとβ−Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の大きさが１０μ
ｍ未満となるために１０μｍ以上の粗大粒子が不足する
こととなって靭性が低下する。また、５０μｍ超過とな
るとβ−Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の大きさが５０μｍ超過となる
ため、５０μｍ超過の巨大粒子が増加することとなって
強度が低下するので好ましくない。

【００２２】窒化ケイ素粒子群と炭化ケイ素／窒化ケイ
素粒子群との割合は、請求項２に記載しているように、
焼結体の切断面を観察したとき、窒化ケイ素粒子群の面
積が全断面積の１０面積％以上６０面積％以下である
と、靭性と強度の両立の作用・効果は大きい。これは１
０面積％未満では、窒化ケイ素粒子群中の粗大粒子の割
合が低下するために靭性が低下し、６０面積％超過とな
ると炭化ケイ素粒子による高温強度向上の作用・効果が
少ないことによるものである。

【００２３】このようにして粒子群同士の複合構造とす
ることにより、窒化ケイ素粒子群内の微構造は、請求項
３に記載しているように、焼結体の切断面を観察したと
き、窒化ケイ素粒子群が粒径３μｍ以上１０μｍ以下で
長さ１０μｍ以上５０μｍ以下の柱状のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４
粗大粒子を含み、切断面上における粗大粒子の面積が窒
化ケイ素粒子群の断面積の５面積％以上４０面積％以下
であるものとしたときに、特に強度と靭性の同時向上が
より一層良好に達成されることとなる。

【００２４】窒化ケイ素粒子群の組織は、微細な窒化ケ
イ素マトリックス粒子と粗大な窒化ケイ素柱状粒子の複
合構造となるが、粗大粒子としての靭性向上の作用・効
果は、粒径３μｍ以上１０μｍ以下で長さ１０μｍ以上
５０μｍ以下の柱状のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４粗大粒子が受持
ち、その粗大粒子の面積が窒化ケイ素粒子群の断面積の
５面積％以上４０面積％以下であるときに作用・効果が
大きい。そして、５面積％未満では作用・効果が少な
く、４０面積％超過では強度が低下する傾向となる。

【００２５】さらに、強度を低下させるのは５０μｍ超
過の長さの巨大粒子であるため、請求項４に記載してい
るように、焼結体の切断面を観察したとき、窒化ケイ素
粒子群中に含まれる長さ５０μｍ超過の柱状のβ−Ｓｉ
_３Ｎ_４巨大粒子の面積が窒化ケイ素粒子群の断面積の５
面積％以下であるようにした微構造が達成されると、強
度向上の作用・効果は大きいものとなる。

【００２６】複合化のために添加する炭化ケイ素は、請
求項５に記載しているように、平均粒径０．０１μｍ以
上１．０μｍ以下の粒子で、０．５体積％以上３０体積
％以下の添加量とするのがよい。すなわち、０．０１μ
ｍ未満では成形性が悪くなり、１．０μｍ超過では焼結
性が悪くなる傾向となる。また、０．５体積％未満では
添加の作用・効果が少なく、高温強度が低下する傾向に
あり、３０体積％超過では焼結性が悪くなる傾向とな
る。

【００２７】以上の微構造を持つ複合材料の製造方法
は、特に限定されないが、例えば以下の方法がある。

【００２８】すなわち、請求項６に記載しているよう
に、窒化ケイ素粉末に、周期律表第ＩＩＩａ族元素の酸
化物，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，酸化カル
シウム，酸化ジルコニウム，窒化アルミニウムのうちか
ら選ばれる１種または２種以上の酸化物あるいは窒化物
を０．２重量％以上１０重量％以下添加して平均粒径１
０μｍ以上５０μｍ以下に造粒して得ることができる窒
化ケイ素粒子群を造るための造粒体Ａを原料の一部とし
て用いる。

【００２９】この場合、造粒体Ａの製造方法および形状
は特に限定されないが、例えば、スプレードライヤーを
用いることによって球形の造粒体Ａを作ることができ
る。また、必要に応じて風力分級を行いまたはふるいを
通して粒径を制御してもよい。

【００３０】そして、同じく請求項６に記載しているよ
うに、窒化ケイ素粉末に、周期律表第ＩＩＩａ族元素の
酸化物，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，酸化カ
ルシウム，酸化ジルコニウム，窒化アルミニウムのうち
から選ばれる１種または２種以上の酸化物あるいは窒化
物を０．２重量％以上１０重量％以下添加すると共に炭
化ケイ素粒子を０．５重量％以上３０重量％以下添加し
て乾燥して得ることができる炭化ケイ素／窒化ケイ素粒
子群を造るための混合粉末Ｂを原料の他部として用い
る。また、場合によっては、粉末ではなく造粒体として
用いてもよく、この場合、混合粉末Ｂを用いて平均粒径
１００μｍ以下に造粒した造粒体Ｂを用いる。

【００３１】このようにして得た造粒体Ａ，混合粉末
Ｂ，造粒体Ｂを用い、造粒体Ａと混合粉末Ｂとの組み合
わせや、造粒体Ａと造粒体Ｂとの組み合わせや、造粒体
Ａと混合粉末Ｂと造粒体Ｂとの組み合わせ、のうちから
選ばれる組み合わせで混合する。

【００３２】混合方法は特に限定されないが、Ｖ型粉末
混合器（Ｖ型ブレンダー）等を用いればよい。そして、
混合割合は、同じく請求項６に記載しているように、造
粒体Ａと混合粉末Ｂおよび造粒体Ｂの合計との割合にお
いて造粒体Ａが１０重量％以上６０重量％以下であるよ
うに混合し、混合物もしくは該混合物の成形体を請求項
１ないし５のいずれかに記載の組織が発現するまで１６
００℃以上２１００℃以下の温度で焼成する。

【００３３】請求項６に記載しているように、造粒体Ａ
の製造に際して窒化ケイ素粉末に添加する焼結助剤は、
周期律表第ＩＩＩａ族元素の酸化物，酸化アルミニウ
ム，酸化マグネシウム，酸化カルシウム，酸化ジルコニ
ウム，窒化アルミニウムのうちから選ばれる１種または
２種以上の酸化物あるいは窒化物である。このなかで、
特に、請求項１３に記載しているように、酸化イットリ
ウムと酸化ネオジムの組み合わせは、特に高温強度によ
り一層優れたものとする作用・効果がある。また、請求
項１４に記載しているように、酸化イットリウムと酸化
アルミニウムの組み合わせは、特に焼結性により一層優
れたものとする作用・効果があり、ホットプレスを用い
ない焼結に適するものとなる。

【００３４】焼結助剤の添加量は、０．２重量％以上１
０重量％以下であり、０．２重量％未満では窒化ケイ素
粒子群が緻密化せず、１０重量％超過では窒化ケイ素粒
子群の強度が低下して、焼結体の強度が低下する。

【００３５】造粒体Ａの平均粒径は１０μｍ以上５０μ
ｍ以下であり、１０μｍ未満では窒化ケイ素の粗大粒子
が小さくなるため、靭性向上の作用・効果が少なく、５
０μｍ超過では粗大粒子が大きくなりすぎるため、強度
が低下する。

【００３６】請求項１１に記載しているように、造粒体
Ａを造るための窒化ケイ素原料粉末中のβ型窒化ケイ素
含有量が８０重量％以上である粉末を用いると、特に組
織の再現性がよいという作用・効果が得られる。これ
は、α型含有量が多くなると、焼結中に相転移が起こる
ためである。また、β型窒化ケイ素原料の粒度分布を原
料粉末の粉砕分級処理ないしは複数種類の原料粉末の混
合により、０．８μｍ以下の割合が７０重量％以上９５
重量％以下で、１．５μｍ以上５μｍ以下の割合が５重
量％以上３０重量％以下となるように制御すると、柱状
粒子が良く発達するという作用・効果がもたらされる。

【００３７】これは、１．５μｍ以上５μｍ以下の粒子
が粒成長の核となるためである。そして、１．５μｍ以
上５μｍ以下の核の割合が５重量％未満では柱状粒子を
良く発達させる作用・効果が少なく、３０重量％を超え
ると粗大粒子が多くなりすぎるため強度が低下する。

【００３８】同じく、請求項６に記載しているように、
混合粉末Ｂまたは造粒体Ｂの製造に際して窒化ケイ素粉
末に添加する焼結助剤は、周期律表第ＩＩＩａ族元素の
酸化物，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，酸化カ
ルシウム，酸化ジルコニウム，窒化アルミニウムのうち
から選ばれる１種または２種以上の酸化物あるいは窒化
物である。このなかで、特に、請求項１３に記載してい
るように、酸化イットリウムと酸化ネオジムの組み合わ
せは、特に高温強度により一層優れたものとする作用・
効果がある。また、請求項１４に記載しているように、
酸化イットリウムと酸化アルミニウムの組み合わせは、
特に焼結性により一層優れたものとする作用・効果があ
り、ホットプレスを用いない焼結に適するものとなる。

【００３９】焼結助剤の添加量は、０．２重量％以上１
０重量％以下であり、０．２重量％未満では炭化ケイ素
／窒化ケイ素粒子群が緻密化せず、１０重量％超過では
炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群の強度が低下して、焼結
体の強度が低下する。

【００４０】同じく、請求項６に記載しているように、
混合粉末Ｂまたは造粒体Ｂの製造に際して焼結助剤と共
に窒化ケイ素粉末に添加する炭化ケイ素粒子は、０．５
重量％以上３０重量％以下の量である。ここで、０．５
重量％未満では高温強度向上の作用・効果は少なく、３
０重量％超過では炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群の焼結
性が悪くなる。

【００４１】また、添加する炭化ケイ素の粒径は特に限
定されないが、請求項１０に記載しているように、０．
０１μｍ以上１μｍ以下であるときに、特に高温強度向
上の作用・効果は大きい。そして、０．０１μｍ未満で
は混合と成形が難かしくなる可能性があり、１μｍ超過
では高温強度向上の作用・効果が小さくなる傾向とな
る。

【００４２】炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群を造るため
のこのような原料は、混合粉末Ｂとしてもよいし、造粒
体Ｂとしてもよい。そして、造粒体Ｂとする場合の平均
粒径は１００μｍ以下であり、１００μｍ超過では炭化
ケイ素／窒化ケイ素粒子群が大きくなりすぎるため、靭
性向上の作用・効果が低下する。

【００４３】混合割合は、請求項６に記載しているよう
に、造粒体Ａと混合粉末Ｂおよび造粒体Ｂの合計との割
合において、造粒体Ａが１０重量％以上６０重量％以下
であるように混合する。

【００４４】ここで、造粒体Ａの混合量が１０重量％未
満では窒化ケイ素粒子群が少なくなりすぎるため靭性が
低下することとなるので好ましくなく、６０重量％超過
では窒化ケイ素粒子群が分散した組織が得られないため
高温強度が低下することとなるので好ましくない。焼結
体の組織は、混合割合だけではなく、造粒体Ａと混合粉
末Ｂおよび造粒体Ｂの収縮挙動によっても異なり、造粒
体Ａが５０重量％を超えても造粒体Ａが混合粉末Ｂおよ
び造粒体Ｂよりも早く収縮すれば造粒体Ａにより造られ
る窒化ケイ素粒子群が分散した組織は得られる。

【００４５】造粒体Ａと混合粉末Ｂおよび／または造粒
体Ｂとを混合した後、必要に応じて成形する。この場合
の成形方法は特に限定されないが、金型成形，射出成
形，鋳込み成形等が選ばれる。また、焼結方法としてホ
ットプレスを用いる場合は成形は不要である。

【００４６】焼成に際しての焼結手法は特に限定され
ず、組成や形状などによって適当な手法を選ぶことが望
ましく、１６００℃以上２１００℃以下の温度で焼成す
ることにより、緻密な焼結体が得られる。いずれの焼結
手法であっても、１６００℃未満では緻密化せず、２１
００℃超過ではマトリックスの窒化ケイ素の粒成長のた
めに強度が低下する。

【００４７】単純形状の製品の場合は、請求項７に記載
しているように、ホットプレスが適している。この場
合、造粒体Ａと混合粉末Ｂおよび／または造粒体Ｂとの
混合物を黒鉛型に入れ、１気圧以上１００気圧以下の窒
素雰囲気中で５ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下の加圧力で一
軸加圧して焼成する。ここで、ガス圧が１気圧未満では
窒化ケイ素が熱分解を起こし、５００ＭＰａ超過では焼
結体中に気孔が残る傾向となるので好ましくない。ま
た、一軸加圧の際の圧力が５ＭＰａ未満では緻密化促進
の作用・効果は少なく、５０ＭＰａ超過では黒鉛型との
反応が起こり製品を取り出しにくくなる可能性がある。

【００４８】複雑形状で比較的焼結性が良い組成の場合
は、請求項８に記載のように、ガス圧焼結が適してい
る。この場合、焼成は１気圧以上５００気圧以下の窒素
ガス圧下で行われる。ここで、窒素ガス圧力が１気圧未
満では窒化ケイ素あるいは助剤成分が熱分解を起こして
焼結性が低下する傾向となり、５００気圧超過では高圧
のガスが焼結体内に閉じ込められるため焼結性が低下す
る傾向となる。

【００４９】複雑形状で焼結性が悪い組成の場合は、請
求項９に記載しているように、熱間静水圧プレスが適し
ている。この場合、造粒体Ａと混合粉末Ｂおよび／また
は造粒体Ｂとの混合物の成形体をガラスなどのガスを通
さないカプセルに封入し、１００気圧以上２０００気圧
以下のガス圧下で焼成する手法や、ガス圧焼結法で密度
９５％以上に緻密化した後カプセルに封入せずに１００
気圧以上２０００気圧以下のガス圧下で焼結する手法を
採用することができる。そして、いずれの手法であって
も、１００気圧未満では緻密化促進の作用・効果は少な
く、２０００気圧超過では装置の取扱いが困難になる可
能性がある。また、ガス圧焼結法で予備焼成する場合、
密度９５％未満では熱間静水圧プレス中にガスが焼結体
中に侵入するため緻密化しない傾向となる。

【００５０】

【実施例】実施例１ 表の実施例１の欄にも示すように、平均粒径０．５μ
ｍ，酸素含有量１．５重量％，β型含有量９０重量％の
窒化ケイ素粉末９８重量％に、酸化イットリウム０．８
重量％と酸化ネオジム１．２重量％を添加し、エタノー
ルを加えた湿式ボールミルにより９４時間混合粉砕した
のち、空気中でスプレードライヤーを用いて乾燥するこ
とにより、平均粒径３０μｍの造粒体Ａ（造粒体Ａ−
１）を得た。

【００５１】一方、平均粒径１．２μｍ，酸素含有量
１．０重量％，β型含有量５重量％の窒化ケイ素粉末９
０重量％に、酸化イットリウム２．４重量％と酸化ネオ
ジム３．６重量％を添加し、さらに平均粒径０．０３μ
ｍの炭化ケイ素粉末４．０重量％を添加し、エタノール
を加えた湿式ボールミルにより９４時間混合粉砕したの
ち、空気中でスプレードライヤーを用いて乾燥すること
によって、平均粒径２５μｍの造粒体Ｂ（造粒体Ｂ−
１）を得た。

【００５２】次いで、造粒体Ａ−１と造粒体Ｂ−１とを
３０：７０の重量割合でＶ型ブレンダーにて６０分間混
合して混合造粒体を得た。そして、この混合造粒体を２
０ＭＰａの圧力で金型成形した後、２００ＭＰａの圧力
でラバープレスを施すことにより、６×６×５０ｍｍの
成形体を得た。

【００５３】次に、この成形体を、黒鉛のガス圧炉を用
い、１０気圧の窒素ガス圧下において１９００℃で４時
間焼成して焼結体を得たのち、この焼結体を８００メッ
シュのダイヤモンドホイールで平面研削して３×４×４
０ｍｍの形状に加工し、ＪＩＳ Ｒ１６０１に準じて室
温および１４００℃での３点曲げ試験を行うことにより
曲げ強さを求め、また、ＪＩＳ Ｒ１６０７に準じたＳ
ＥＰＢ法（試験片の３×４０ｍｍの面にビッカース圧痕
を加え、この圧痕から予亀裂を生成し、この予亀裂から
破壊する手法）により破壊靭性値を求めた。

【００５４】この結果、同じく表の実施例１の欄に示す
ように、この焼結体の気孔率は１．２％、室温での３点
曲げ強さは９５０ＭＰａ、１４００℃での３点曲げ強さ
は９２０ＭＰａであり、破壊靭性値は８．８ＭＰａ√ｍ
であって、高温強度と靭性が共に優れた値を示す機械的
特性の良好なセラミックス複合材料を得ることが可能で
あった。

【００５５】次に、３×３×４ｍｍの形状に切断した焼
結体の３×４ｍｍの表面を鏡面に研磨加工した後、７％
の酸素ガスを含むＣＦ_４ガス中で４０Ｗの出力でプラズ
マを発生させて２分間のプラズマエッチング処理を施し
た。そして、エッチング処理を施した焼結体について元
素分析装置（ＥＰＭＡ）を内蔵した走査型電子顕微鏡
（ＳＥＭ）で観察した。

【００５６】ここで観察された組織は、図１の（Ａ）に
概略を示すように、窒化ケイ素粒子群ＳＮと炭化ケイ素
／窒化ケイ素粒子群ＳＣ／ＳＮとから構成される複合構
造を有するものであり、炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群
ＳＣ／ＳＮのマトリックス中に窒化ケイ素粒子群ＳＮが
分散したものとなっていた。そして、画像解析によれ
ば、窒化ケイ素粒子群ＳＮの平均径は３８μｍであり、
その周りを炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群ＳＣ／ＳＮで
取り囲まれた微構造を持つものであった。また、窒化ケ
イ素粒子群ＳＮが占める面積は全断面積の２５面積％で
あった。

【００５７】さらに、窒化ケイ素粒子群ＳＮ中の組織を
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により拡大して観察したと
ころ、図１の（Ｂ）に示すように、粗大粒子Ｒと微細粒
子Ｆとから構成される微構造を有するものとなってお
り、窒化ケイ素の粗大粒子である粒径３μｍ以上１０μ
ｍ以下で長さ１０μｍ以上５０μｍ以下のβ−Ｓｉ_３Ｎ
_４粗大粒子Ｒが占める面積は、窒化ケイ素粒子群ＳＮの
断面積の１５面積％であった。さらにまた、窒化ケイ素
粒子群ＳＮ中に含まれる長さ５０μｍ超過の柱状のβ−
Ｓｉ_３Ｎ_４巨大粒子の面積は、窒化ケイ素粒子群ＳＮの
断面積の２．５面積％であった。

【００５８】さらに、実施例１で得た焼結体から５０μ
ｍの薄片を切り出し、アルゴンイオンによってイオンミ
ル処理を施したのち、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によ
って炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群ＳＣ／ＳＮの部分を
拡大して観察したところ、図１の（Ｃ）に示すように、
炭化ケイ素粒子Ｃが窒化ケイ素粒子Ｎの粒内および粒界
相中に分散した微構造が観察された。

【００５９】この実施例１で得た複合セラミックス焼結
体より明らかなように、窒化ケイ素粒子群と炭化ケイ素
／窒化ケイ素粒子群とから構成される複合構造とするこ
とにより、高温強度と靭性を兼ね備えた機械的特性に優
れたセラミックス焼結体を得ることが可能であった。

【００６０】比較例１ 実施例１で作製した造粒体Ａ−１と造粒体Ｂ−１をそれ
ぞれ単独（すなわち、表に示すように、造粒体Ａ−１を
単独で用いる場合は比較例１−１，造粒体Ｂ−１を単独
で用いる場合は比較例１−２）で２０ＭＰａの圧力で金
型成形した後、２００ＭＰａの圧力でラバープレスを施
すことにより、６×６×５０ｍｍの成形体を得た。

【００６１】次に、各成形体を、黒鉛のガス圧炉を用
い、１０気圧の窒素ガス圧下において１９００℃で４時
間焼成して焼結体を得たのち、各焼結体を８００メッシ
ュのダイヤモンドホイールで平面研削して３×４×４０
ｍｍの形状に加工し、ＪＩＳＲ１６０１に準じて室温お
よび１４００℃での３点曲げ試験を行うことにより曲げ
強さを求め、また、ＪＩＳ Ｒ１６０７に準じたＳＥＰ
Ｂ法により破壊靭性値を求めた。

【００６２】（比較例１−１）造粒体Ａ−１を単独で焼
結した焼結体では、同じく表の比較例１−１の欄に示す
ように、気孔率は０．５％、室温での３点曲げ強さは１
０５０ＭＰａ、１４００℃での３点曲げ強さは６２０Ｍ
Ｐａであり、破壊靭性値は１０．８ＭＰａ√ｍであっ
て、室温強度と靭性は高いが高温強度は低いものであっ
た。

【００６３】次に、３×３×４ｍｍの形状に切断した焼
結体の３×４ｍｍの表面を鏡面に研磨加工した後、実施
例１と同様にしてプラズマエッチング処理を施した焼結
体について元素分析装置（ＥＰＭＡ）を内蔵した走査型
電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。

【００６４】ここで観察された組織は、図２の（Ａ）に
示すように、窒化ケイ素粗大粒子ＳＮ−Ｒと窒化ケイ素
微細粒子ＳＮ−Ｆよりなる窒化ケイ素焼結体のみから構
成されるものであった。そして、画像解析によれば、窒
化ケイ素粒子群ＳＮ中の組織の観察では、図２の（Ｂ）
に示すように、窒化ケイ素の粗大粒子である粒径３μｍ
以上１０μｍ以下で長さ１０μｍ以上５０μｍ以下のβ
−Ｓｉ_３Ｎ_４粗大粒子Ｒが占める面積は、断面積の４８
面積％であった。

【００６５】さらに、窒化ケイ素粒子群ＳＮ中に含まれ
る長さ５０μｍ超過の柱状のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４巨大粒子の
面積は、窒化ケイ素粒子群ＳＮの断面積の８．２面積％
であった。また、元素分析装置（ＥＰＭＡ）のよる分析
では、炭素は検出されず、炭化ケイ素は含まれていない
ことが確認された。このように、窒化ケイ素単独の焼結
体では高温強度が低下するものとなっていた。

【００６６】（比較例１−２）造粒体Ｂ−１を単独で焼
結した焼結体では、同じく表の比較例１−２の欄に示す
ように、気孔率は１．８％、室温での３点曲げ強さは１
２４０ＭＰａ、１４００℃での３点曲げ強さは９８０Ｍ
Ｐａであり、破壊靭性値は４．８ＭＰａ√ｍであって、
室温強度と高温強度は高いが靭性は低いものであった。

【００６７】次に、３×３×４ｍｍの形状に切断した焼
結体の３×４ｍｍの表面を鏡面に研磨加工した後、実施
例１と同様にしてプラズマエッチング処理を施した焼結
体について元素分析装置（ＥＰＭＡ）を内蔵した走査型
電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。

【００６８】ここで観察された組織は、図３の（Ａ）に
示すように、炭化ケイ素と窒化ケイ素との複合組織ＳＣ
・ＳＮのみから構成されるものであった。また、元素分
析装置（ＥＰＭＡ）による分析では炭素が検出され、炭
化ケイ素が含まれていることが確認された。そして、画
像解析によれば、窒化ケイ素の粗大粒子である粒径３μ
ｍ以上１０μｍ以下で長さ１０μｍ以上５０μｍ以下の
β−Ｓｉ_３Ｎ_４粗大粒子が占める面積は、断面積の１．
０面積％であった。さらに、窒化ケイ素粒子群中に含ま
れる長さ５０μｍ超過の柱状のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４巨大粒子
は観察されなかった。さらに、比較例１−２で得た焼結
体から５０μｍの薄片を切り出し、アルゴンイオンによ
ってイオンミル処理を施したのち、透過型電子顕微鏡
（ＴＥＭ）によって炭化ケイ素と窒化ケイ素との複合組
織ＳＣ・ＳＮの部分を拡大して観察したところ、図３の
（Ｂ）に示すように、炭化ケイ素粒子Ｃが窒化ケイ素粒
子Ｎの粒内および粒界相中に分散した微構造が観察され
た。このように、炭化ケイ素と窒化ケイ素との複合組織
のみからなる焼結体では靭性が低下するものとなってい
た。

【００６９】実施例２ 表の実施例２の欄にも示すように、平均粒径０．５μ
ｍ，酸素含有量１．５重量％，β型含有量９０重量％の
窒化ケイ素粉末８５重量％と、平均粒径３．５μｍ，酸
素含有量０．５重量％，β型含有量９５重量％の窒化ケ
イ素粉末１０重量％に、酸化イットリウム３．０重量％
と酸化アルミニウム２．０重量％を添加し、エタノール
を加えた湿式ボールミルにより９４時間混合粉砕した。

【００７０】この粉末の粒度分布をレーザ回折式の粒度
分布計で測定したところ、０．８μｍ以下の粒子は９０
重量％，１．５μｍ以上５μｍ以下の粒子の割合は５重
量％であった。そして、この粉末を空気中でスプレード
ライヤーを用いて乾燥することにより、平均粒径４５μ
ｍの造粒体Ａ（造粒体Ａ−２）を得た。

【００７１】一方、平均粒径１．２μｍ，酸素含有量
１．０重量％，β型含有量５重量％の窒化ケイ素粉末７
６重量％に、酸化イットリウム６．０重量％と酸化アル
ミニウム３．０重量％を添加し、さらに平均粒径０．５
μｍの炭化ケイ素粉末１５．０重量％を添加し、エタノ
ールを加えた湿式ボールミルにより９４時間混合粉砕し
たのち、空気中でスプレードライヤーを用いて乾燥する
ことによって、平均粒径１５μｍの造粒体Ｂ（造粒体Ｂ
−２）を得た。

【００７２】次いで、造粒体Ａ−２と造粒体Ｂ−２とを
５０：５０の重量割合でＶ型ブレンダーにて６０分間混
合して混合造粒体を得た。そして、この混合造粒体を５
０×５０ｍｍの焼結体を得ることができる形状の黒鉛型
に入れ、１気圧の窒素ガス圧下において２０ＭＰａの加
圧力で１７５０℃，２時間のホットプレスを行って焼成
した焼結体を得たのち、この焼結体を８００メッシュの
ダイヤモンドホイールで平面研削して３×４×４０ｍｍ
の形状に加工し、ＪＩＳ Ｒ１６０１に準じて室温およ
び１４００℃での３点曲げ試験を行うことにより曲げ強
さを求め、また、ＪＩＳ Ｒ１６０７に準じたＳＥＰＢ
法により破壊靭性値を求めた。

【００７３】この結果、同じく表の実施例２の欄に示す
ように、この焼結体の気孔率は０．２％、室温での３点
曲げ強さは１２１０ＭＰａ、１４００℃での３点曲げ強
さは１０５０ＭＰａであり、破壊靭性値は９．８ＭＰａ
√ｍであって、高温強度と靭性が共に優れた値を示す機
械的特性の良好なセラミックス複合材料を得ることが可
能であった。

【００７４】次に、３×３×４ｍｍの形状に切断した焼
結体の３×４ｍｍの表面を鏡面に研磨加工した後、実施
例１と同様にしてプラズマエッチング処理を施した焼結
体について元素分析装置を内蔵した走査型電子顕微鏡で
観察した。

【００７５】ここで観察された組織は、窒化ケイ素粒子
群と炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群とから構成される複
合構造を有するものであり、組織は図１に示したものに
類似した微構造を持つものであった。そして、画像解析
によれば、窒化ケイ素粒子群の平均径は３８μｍであ
り、その周りを炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群で取り囲
まれた微構造を持つものであった。また、窒化ケイ素粒
子群が占める面積は全断面積の５５面積％であった。

【００７６】さらに、窒化ケイ素粒子群中の組織の観察
では、窒化ケイ素の粗大粒子である粒径３μｍ以上１０
μｍ以下で長さ１０μｍ以上５０μｍ以下のβ−Ｓｉ_３
Ｎ_４粗大粒子が占める面積は、窒化ケイ素粒子群の断面
積の８面積％であった。さらにまた、窒化ケイ素粒子群
中に含まれる長さ５０μｍ超過の柱状のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４
巨大粒子の面積は、窒化ケイ素粒子群の断面積の０．５
面積％であった。

【００７７】この実施例２で得た複合セラミックス焼結
体より明らかなように、窒化ケイ素粒子群と炭化ケイ素
／窒化ケイ素粒子群とから構成される複合構造とするこ
とにより、高温強度と靭性を兼ね備えた機械的特性に優
れたセラミックス焼結体を得ることが可能であった。

【００７８】比較例２ 実施例２で作製した造粒体Ａ−２と造粒体Ｂ−２をそれ
ぞれ単独（すなわち、表に示すように、造粒体Ａ−２を
単独で用いる場合は比較例２−１，造粒体Ｂ−２を単独
で用いる場合は比較例２−２）で、５０×５０ｍｍの焼
結体を得ることができる形状の黒鉛型に入れ、１気圧の
窒素ガス圧下において２０ＭＰａの加圧力で１７５０
℃，２時間のホットプレスを行って焼成して焼結体を得
たのち、この焼結体を８００メッシュのダイヤモンドホ
イールで平面研削して３×４×４０ｍｍの形状に加工
し、ＪＩＳ Ｒ１６０１に準じて室温および１４００℃
での３点曲げ試験を行うことにより曲げ強さを求め、ま
た、ＪＩＳ Ｒ１６０７に準じたＳＥＰＢ法により破壊
靭性値を求めた。

【００７９】（比較例２−１）造粒体Ａ−２を単独で焼
結した焼結体では、同じく表の比較例２−１の欄に示す
ように、気孔率は０．２％、室温での３点曲げ強さは１
３５０ＭＰａ、１４００℃での３点曲げ強さは７２０Ｍ
Ｐａであり、破壊靭性値は９．２ＭＰａ√ｍであって、
室温強度と靭性は高いが高温強度は低いものであった。

【００８０】次に、３×３×４ｍｍの形状に切断した焼
結体の３×４ｍｍの表面を鏡面に研磨加工した後、実施
例１と同様にしてプラズマエッチング処理を施した焼結
体について元素分析装置を内蔵した走査型電子顕微鏡で
観察した。

【００８１】ここで観察された組織は、窒化ケイ素焼結
体のみから構成されるものであった。そして、この組織
は図２に示したものと類似した微構造を持つものであっ
た。また、画像解析によれば、窒化ケイ素粒子群中の組
織の観察では、窒化ケイ素の粗大粒子である粒径３μｍ
以上１０μｍ以下で長さ１０μｍ以上５０μｍ以下のβ
−Ｓｉ_３Ｎ_４粗大粒子が占める面積は、断面積の３５面
積％であった。

【００８２】さらに、窒化ケイ素粒子群中に含まれる長
さ５０μｍ超過の柱状のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４巨大粒子の面積
は、窒化ケイ素粒子群の断面積の５．９面積％であっ
た。このように、窒化ケイ素単独の焼結体では高温強度
が低下するものとなっていた。

【００８３】（比較例２−２）造粒体Ｂ−２を単独で焼
結した焼結体では、同じく表の比較例２−２の欄に示す
ように、気孔率は１．２％、室温での３点曲げ強さは１
２５０ＭＰａ、１４００℃での３点曲げ強さは１０２０
ＭＰａであり、破壊靭性値は６．２ＭＰａ√ｍであっ
て、室温強度と高温強度は高いが靭性は低いものであっ
た。

【００８４】次に、３×３×４ｍｍの形状に切断した焼
結体の３×４ｍｍの表面を鏡面に研磨加工した後、実施
例１と同様にしてプラズマエッチング処理を施した焼結
体について元素分析装置を内蔵した走査型電子顕微鏡で
観察した。

【００８５】ここで観察された組織は、炭化ケイ素粒子
が分散した窒化ケイ素焼結体のみから構成されるもので
あった。そして、この組織は図３に示したものと類似し
た微構造を持つものであった。また、画像解析によれ
ば、窒化ケイ素の粗大粒子である粒径３μｍ以上１０μ
ｍ以下で長さ１０μｍ以上５０μｍ以下のβ−Ｓｉ_３Ｎ
_４粗大粒子が占める面積は、断面積の２５面積％であっ
た。さらに、窒化ケイ素粒子群中に含まれる長さ５０μ
BR>ｍ超過の柱状のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４巨大粒子は観察され
なかった。このように、炭化ケイ素と窒化ケイ素との複
合組織のみからなる焼結体では靭性が低下するものとな
っていた。

【００８６】実施例３ 表の実施例３の欄に示すように、平均粒径０．５μｍ，
酸素含有量１．５重量％，β型含有量９０重量％の窒化
ケイ素粉末９９重量％に、酸化イットリウム０．４重量
％と酸化ネオジム０．６重量％を添加し、エタノールを
加えた湿式ボールミルにより９４時間混合粉砕したの
ち、空気中でスプレードライヤーを用いて乾燥し、その
後、ふるいを通すことによって、平均粒径１２μｍの造
粒体Ａ（造粒体Ａ−３）を得た。

【００８７】一方、平均粒径１．２μｍ，酸素含有量
１．０重量％，β型含有量５重量％の窒化ケイ素粉末９
１重量％に、酸化イットリウム３．２重量％と酸化ネオ
ジム４．８重量％を添加し、さらに平均粒径０．５μｍ
の炭化ケイ素粉末１．０重量％を添加し、エタノールを
加えた湿式ボールミルにより９４時間混合粉砕したの
ち、ロータリーエバポレータで乾燥し、その後、ほぐし
てふるい通しをすることによって、混合粉末Ｂ（混合粉
末Ｂ−３）を得た。

【００８８】次いで、造粒体Ａ−３と混合粉末Ｂ−３と
を６０：４０の重量割合でＶ型ブレンダーにて６０分間
混合して混合造粒体を得た。そして、この混合造粒体を
３０×３０×５０ｍｍの形状に２００ＭＰａの圧力でラ
バープレス成形した後、真空中でガラス管に封入した。
次に、この封入体を熱間静水圧プレス装置にセットし、
１４００℃まで１気圧の窒素中で加熱した後、温度と圧
力を上昇させて、１９００℃で１００気圧の窒素ガス中
で２時間処理して焼結体を得た。

【００８９】次いで、ここで得られた焼結体を８００メ
ッシュのダイヤモンドホイールで平面研削して３×４×
４０ｍｍの形状に加工し、ＪＩＳ Ｒ１６０１に準じて
室温および１４００℃での３点曲げ試験を行うことによ
り曲げ強さを求め、また、ＪＩＳ Ｒ１６０７に準じた
ＳＥＰＢ法により破壊靭性値を求めた。

【００９０】この結果、同じく表の実施例３の欄に示す
ように、この焼結体の気孔率は０．４％、室温での３点
曲げ強さは１０４０ＭＰａ、１４００℃での３点曲げ強
さは９２０ＭＰａであり、破壊靭性値は８．４ＭＰａ√
ｍであって、高温強度と靭性が共に優れた値を示す機械
的特性の良好なセラミックス複合材料を得ることが可能
であった。

【００９１】次に、３×３×４ｍｍの形状に切断した焼
結体の３×４ｍｍの表面を鏡面に研磨加工した後、実施
例１と同様にしてプラズマエッチング処理を施した焼結
体について元素分析装置を内蔵した走査型電子顕微鏡で
観察した。

【００９２】ここで観察された組織は、窒化ケイ素粒子
群と炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群とから構成される複
合構造を有するものであり、組織は図１に示したものと
類似した微構造を持つものであった。そして、画像解析
によれば、窒化ケイ素粒子群の平均径は１０μｍであ
り、その周りを炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群で取り囲
まれた微構造を持つものであった。また、窒化ケイ素粒
子群が占める面積は全断面積の５８面積％であった。

【００９３】さらに、窒化ケイ素粒子群中の組織の観察
では、窒化ケイ素の粗大粒子である粒径３μｍ以上１０
μｍ以下で長さ１０μｍ以上５０μｍ以下のβ−Ｓｉ_３
Ｎ_４粗大粒子が占める面積は、窒化ケイ素粒子群の断面
積の３５面積％であった。さらにまた、窒化ケイ素粒子
群中に含まれる長さ５０μｍ超過の柱状のβ−Ｓｉ_３Ｎ
_４巨大粒子の面積は、窒化ケイ素粒子群の断面積の１．
５面積％であった。

【００９４】この実施例３で得た複合セラミックス焼結
体より明らかなように、窒化ケイ素粒子群と炭化ケイ素
／窒化ケイ素粒子群とから構成される複合構造とするこ
とにより、高温強度と靭性を兼ね備えた機械的特性に優
れたセラミックス焼結体を得ることが可能であった。

【００９５】実施例４〜８，比較例３〜８ 実施例４において使用するために、平均粒径０．５μ
ｍ，酸素含有量１．５重量％，β型含有量９０重量％の
窒化ケイ素粉末９１重量％に、酸化イットリウム６．０
重量％と酸化アルミニウム３．０重量％を添加し、エタ
ノールを加えた湿式ボールミルにより９４時間混合粉砕
したのち、空気中でスプレードライヤーを用いて乾燥す
ることによって、平均粒径５０μｍの造粒体Ａ（造粒体
Ａ−４）を得た。

【００９６】また、実施例５において使用するために、
平均粒径０．５μｍ，酸素含有量１．５重量％，β型含
有量９０重量％の窒化ケイ素粉末９２重量％に、酸化ラ
ンタン４．０重量％と酸化マグネシウム２．０重量％と
酸化ジルコニウム２．０重量％を添加し、エタノールを
加えた湿式ボールミルにより９４時間混合粉砕したの
ち、空気中でスプレードライヤーを用いて乾燥すること
によって、平均粒径３０μｍの造粒体Ａ（造粒体Ａ−
５）を得た。

【００９７】さらに、比較例３において使用するため
に、平均粒径０．５μｍ，酸素含有量１．５重量％，β
型含有量９０重量％の窒化ケイ素粉末８８重量％に、酸
化イットリウム６．０重量％と酸化アルミニウム６．０
重量％を添加し、エタノールを加えた湿式ボールミルに
より９４時間混合粉砕したのち、空気中でスプレードラ
イヤーを用いて乾燥することによって、平均粒径６０μ
ｍの造粒体Ａ（造粒体Ａ−６）を得た。

【００９８】さらにまた、比較例４において使用するた
めに、平均粒径０．５μｍ，酸素含有量１．５重量％，
β型含有量９０重量％の窒化ケイ素粉末９９．８５重量
％に、酸化イットリウム０．１重量％と酸化アルミニウ
ム０．０５重量％を添加し、エタノールを加えた湿式ボ
ールミルにより９４時間混合粉砕したのち、空気中でス
プレードライヤーを用いて乾燥し、その後、ふるいによ
る分級を行って、平均粒径８μｍの造粒体Ａ（造粒体Ａ
−７）を得た。

【００９９】さらにまた、実施例５において使用するた
めに、平均粒径１．２μｍ，酸素含有量１．０重量％，
β型含有量５重量％の窒化ケイ素粉末６３重量％に、酸
化イットリウム４．０重量％と酸化アルミニウム３．０
重量％を添加し、さらに平均粒径０．０５μｍの炭化ケ
イ素粉末３０．０重量％を添加し、エタノールを加えた
湿式ボールミルにより９４時間混合粉砕したのち、空気
中でスプレードライヤーを用いて乾燥することによっ
て、平均粒径１００μｍの造粒体Ｂ（造粒体Ｂ−４）を
得た。

【０１００】さらにまた、比較例３において使用するた
めに、平均粒径１．２μｍ，酸素含有量１．０重量％，
β型含有量５重量％の窒化ケイ素粉末４８重量％に、酸
化イットリウム６．０重量％と酸化ネオジム６．０重量
％を添加し、さらに平均粒径１．２μｍの炭化ケイ素粉
末４０．０重量％を添加し、エタノールを加えた湿式ボ
ールミルにより９４時間混合粉砕したのち、空気中でス
プレードライヤーを用いて乾燥することによって、平均
粒径１２０μｍの造粒体Ｂ（造粒体Ｂ−５）を得た。

【０１０１】さらにまた、比較例４において使用するた
めに、平均粒径１．２μｍ，酸素含有量１．０重量％，
β型含有量５重量％の窒化ケイ素粉末９７重量％に、酸
化イットリウム１．６重量％と酸化アルミニウム１．０
重量％を添加し、さらに平均粒径０．０１μｍの炭化ケ
イ素粉末０．４重量％を添加し、エタノールを加えた湿
式ボールミルにより９４時間混合粉砕したのち、空気中
でスプレードライヤーを用いて乾燥することによって、
平均粒径３０μｍの造粒体Ｂ（造粒体Ｂ−６）を得た。

【０１０２】次いで、造粒体Ａ−１〜Ａ−７と、混合粉
末または造粒体Ｂ−１〜Ｂ−６とを適宜選択して表の実
施例４〜８，比較例３〜８の各欄に示す割合で配合し、
Ｖ型ブレンダーにより混合して各々の混合造粒体を得
た。そして、各混合造粒体を用いて、実施例４，５，
８，比較例６ではガス圧焼結により焼成し、実施例６，
７，比較例３，４，５，８ではホットプレスにより焼成
し、比較例７では熱間静水圧プレスにより焼成して、そ
れぞれの焼結体を得た。

【０１０３】このとき、ガス圧焼結の場合は、２０ＭＰ
ａの圧力で金型成形した後、２００ＭＰａでラバープレ
スを施すことにより、６×６×５０ｍｍの成形体を得
た。また、ホットプレスの場合は、混合造粒体を５０×
５０ｍｍの焼結体を得ることができる形状の黒鉛型に入
れて、表に示す条件での窒素ガス圧下でホットプレス焼
成した。さらに、熱間静水圧プレスの場合は、混合造粒
体を３０×３０×５０ｍｍの形状の２００ＭＰａの圧力
でラバープレス成形したのちに真空中でガラス管に封入
し、静水圧プレス装置にセットして表に示す条件で焼成
した。

【０１０４】このようにして得られた各焼結体を８００
メッシュのダイヤモンドホイールで平面研削して３×４
×４０ｍｍの形状に加工し、ＪＩＳ Ｒ１６０１に準じ
て室温および１４００℃での３点曲げ試験を行うことに
より曲げ強さを求め、ＪＩＳＲ１６０７に準じたＳＥＰ
Ｂ法により破壊靭性値を求めた。この各焼結体の気孔
率，室温での３点曲げ強さ，１４００℃での３点曲げ強
さ，破壊靭性値は表に示す値であった。

【０１０５】次に、３×３×４ｍｍの形状に切断した焼
結体の３×４ｍｍの表面を鏡面に研磨加工した後、実施
例１と同様にしてプラズマエッチング処理を施した焼結
体について元素分析装置を内蔵した走査型電子顕微鏡で
観察した。

【０１０６】ここで観察された組織は、窒化ケイ素粒子
群と炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群とから構成される複
合構造をなすものであった。そして、画像解析によれ
ば、窒化ケイ素粒子群の平均径，窒化ケイ素粒子群が占
める面積割合は同じく表の実施例４〜８，比較例３〜８
の各欄に示すとおりであった。また、窒化ケイ素粒子群
の粗大粒子である粒径３μｍ以上１０μｍ以下で長さ１
０μｍ以上５０μｍ以下のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４粗大粒子が占
める面積は、同じく表に示すとおりであった。さらに、
窒化ケイ素粒子群中に含まれる長さ５０μｍ超過の柱状
のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４巨大粒子の面積は、同じく表に示すと
おりであった。

【０１０７】表の実施例４〜８の各欄に示すとおり、本
発明の構成とすることによって、窒化ケイ素粒子群と炭
化ケイ素／窒化ケイ素粒子群とから構成される複合構造
とすることにより、高温強度と靭性を兼ね備えた機械的
特性に優れたセラミックス焼結体を得ることが可能であ
った。

【０１０８】これに対して、比較例３〜８の焼結体で
は、高温強度および靭性の両方共を優れたものにするこ
とができないものであった。

【０１０９】

【表１】

【０１１０】

【表２】

【０１１１】

【表３】

【０１１２】

【表４】

【０１１３】

【表５】

【０１１４】

【表６】

【０１１５】

【発明の効果】本発明に係わる炭化ケイ素／窒化ケイ素
複合材料は、請求項１に記載しているように、窒化ケイ
素と炭化ケイ素の複合構造を持つセラミックス焼結体に
おいて、窒化ケイ素とその焼結助剤から構成される多結
晶である窒化ケイ素粒子群の領域と、窒化ケイ素と炭化
ケイ素およびその焼結助剤から構成される多結晶である
炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群の領域を有する複合構造
を持ち、二次元断面より求めた等価円直径で表わされる
平均径が１０μｍ以上５０μｍ以下の窒化ケイ素粒子群
が炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群のマトリックス中に分
散した微構造を有する構成としたから、室温での強度お
よび破壊靭性に優れているのみならず、特に高温環境に
おいても高強度が得られる機械的特性に著しく優れた軽
量なセラミックス複合材料であるという著大なる効果が
もたらされる。

【０１１６】そして、実施態様にあっては、請求項２に
記載しているように、焼結体の切断面において、窒化ケ
イ素粒子群の面積が全断面積の１０面積％以上６０面積
％以下であるものとすることによって、靭性と強度とが
ともにより一層優れたものとすることが可能であり、ま
た、請求項３に記載しているように、焼結体の切断面に
おいて、窒化ケイ素粒子群が粒径３μｍ以上１０μｍ以
下で長さ１０μｍ以上５０μｍ以下の柱状のβ−Ｓｉ_３
Ｎ_４粗大粒子を含み、切断面における粗大粒子の面積が
窒化ケイ素粒子群の断面積の５面積％以上４０面積％以
下であるものとすることによって、強度と靭性の同時向
上がより一層良好に達成されることになり、請求項４に
記載しているように、焼結体の切断面において、窒化ケ
イ素粒子群中に含まれる長さ５０μｍ超過の柱状のβ−
Ｓｉ_３Ｎ_４巨大粒子の面積が窒化ケイ素粒子群の断面積
の５面積％以下であるものとすることによって、強度向
上の効果がより大きく得られることとなり、請求項５に
記載しているように、平均粒径０．０１μｍ以上１．０
μｍ以下の炭化ケイ素粒子を０．５体積％以上３０体積
％以下含むものとすることによって、成形性および焼結
性を良好なものとすることが可能であり、高温強度をよ
り一層良好なものとすることが可能である。

【０１１７】また、本発明に係わる炭化ケイ素／窒化ケ
イ素複合材料の製造方法では、請求項６に記載している
ように、窒化ケイ素粉末に、周期律表第ＩＩＩａ族元素
の酸化物，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，酸化
カルシウム，酸化ジルコニウム，窒化アルミニウムのう
ちから選ばれる１種または２種以上の酸化物あるいは窒
化物を０．２重量％以上１０重量％以下添加して平均粒
径１０μｍ以上５０μｍ以下に造粒して得た造粒体Ａ
と、窒化ケイ素粉末に、周期律表第ＩＩＩａ族元素の酸
化物，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，酸化カル
シウム，酸化ジルコニウム，窒化アルミニウムのうちか
ら選ばれる１種または２種以上の酸化物あるいは窒化物
を０．２重量％以上１０重量％以下添加すると共に炭化
ケイ素粒子を０．５重量％以上３０重量％以下添加して
得た混合粉末Ｂまたは混合粉末Ｂを平均粒径１００μｍ
以下に造粒して得た造粒体Ｂとを、造粒体Ａと混合粉末
Ｂおよび造粒体Ｂの合計との割合において造粒体Ａが１
０重量％以上６０重量％以下であるように混合し、混合
物もしくは該混合物の成形体を請求項１ないし５のいず
れかに記載の組織が発現するまで１６００℃以上２１０
０℃以下の温度で焼成するようにしたから、室温での強
度および破壊靭性に優れているのみならず、特に高温環
境においても高強度が得られる機械的特性に著しく優れ
た炭化ケイ素／窒化ケイ素複合材料を製造することが可
能であるという著大なる効果がもたらされる。

【０１１８】そして、実施態様においては、請求項７に
記載しているように、焼成の際の焼結方法がホットプレ
スであり、１気圧以上１００気圧以下の窒素雰囲気中で
５ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下の加圧力で一軸加圧して焼
成するようになすことによって、単純形状の製品の製造
に適したものとなり、請求項８に記載しているように、
焼成の際の焼結方法がガス圧焼結であり、１気圧以上５
００気圧以下の窒素ガス圧下で焼成するようになすこと
によって、比較的焼結性の良い組成を有する素材から複
雑形状の製品を製造する場合に適したものとなり、請求
項９に記載しているように、焼成の際の焼結方法が熱間
静水圧プレスであり、１００気圧以上２０００気圧以下
のガス圧下で焼成するようになすことによって、比較的
焼結性の悪い組成を有する素材から複雑形状の製品を製
造する場合に適したものとなるというより一層優れた効
果がもたらされる。

【０１１９】また、同じく製造方法の実施態様におい
て、請求項１０に記載しているように、炭化ケイ素粒子
の平均粒径が０．０１μｍ以上１μｍ以下であるものを
用いることによって、成形性が良好であって高温強度の
より一層の向上が可能となり、請求項１１に記載してい
るように、造粒体Ａの原料である窒化ケイ素粉末が、β
型窒化ケイ素を８０重量％以上含有しているものとする
ことによって、組織の再現性をより一層良好なものとす
ることが可能であり、請求項１２に記載しているよう
に、窒化ケイ素の原料粉末として、原料粉末の粉砕分級
処理ないしは複数種類の原料粉末の混合により、０．８
μｍ以下の割合が７０重量％以上９５重量％以下、１．
５μｍ以上５μｍ以下の割合が５重量％以上３０重量％
以下となるように粒度分布を制御した原料粉末を用いる
ことによって、柱状粒子をより一層良好に発達させるこ
とが可能になるという優れた効果がもたらされる。

【０１２０】さらに、同じく製造方法の実施態様におい
て、請求項１３に記載しているように、焼結助剤が、酸
化イットリウムと酸化ネオジムの組み合わせであるもの
とすることによって、高温強度をより一層向上させるこ
とが可能であり、請求項１４に記載しているように、焼
結助剤が、酸化イットリウムと酸化アルミニウムの組み
合わせであるものとすることによって、焼結性をより一
層向上させることが可能であるという優れた効果がもた
らされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１の（Ａ）は実施例１で得た焼結体の走査型
電子顕微鏡による組織観察結果を示し、炭化ケイ素／窒
化ケイ素粒子群ＳＣ／ＳＮのマトリックス中に窒化ケイ
素ＳＮが分散している複合構造を示す模写図であり、図
１の（Ｂ）は図１の（Ａ）における窒化ケイ素粒子群Ｓ
Ｎの部分を走査型電子顕微鏡により拡大して観察した結
果を示す模写図であり、図１の（Ｃ）は図１の（Ａ）に
おける炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群ＳＣ／ＳＮの部分
を透過型電子顕微鏡により拡大して観察した結果を示す
模写図である。

【図２】図２の（Ａ）は比較例１−１で得た焼結体の走
査型電子顕微鏡による組織観察結果を示し、窒化ケイ素
焼結体のみからなる構造を示す模写図であり、図２の
（Ｂ）は図２の（Ａ）における窒化ケイ素微細粒子ＳＮ
−Ｆの部分を走査型電子顕微鏡により拡大して観察した
結果を示す模写図である。

【図３】図３の（Ａ）は比較例１−２で得た焼結体の走
査型電子顕微鏡による組織観察結果を示し、炭化ケイ素
と窒化ケイ素の複合組織のみからなる構造を示す模写図
であり、図３の（Ｂ）は図３の（Ａ）における炭化ケイ
素と窒化ケイ素の複合組織の部分を透過型電子顕微鏡に
より拡大して観察した結果を示す模写図である。

【符号の説明】

ＳＮ 窒化ケイ素粒子群 ＳＣ／ＳＮ 炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群 Ｒ 窒化ケイ素粒子群ＳＮ中の粗大粒子 Ｆ 窒化ケイ素粒子群ＳＮ中の微細粒子 Ｎ 炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群ＳＣ／ＳＮ中の窒化
ケイ素粒子 Ｃ 炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群ＳＣ／ＳＮ中の炭化
ケイ素粒子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−254943（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−144931（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−295056（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−148373（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−187796（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 35/565 - 35/577 C04B 35/584 - 35/596

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化ケイ素と炭化ケイ素の複合構造を持
   つセラミックス焼結体において、窒化ケイ素とその焼結
   助剤から構成される多結晶である窒化ケイ素粒子群の領
   域と、窒化ケイ素と炭化ケイ素およびその焼結助剤から
   構成される多結晶である炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子群
   の領域を有する複合構造を持ち、二次元断面より求めた
   等価円直径で表わされる平均径が１０μｍ以上５０μｍ
   以下の窒化ケイ素粒子群が炭化ケイ素／窒化ケイ素粒子
   群のマトリックス中に分散した微構造を有することを特
   徴とする炭化ケイ素／窒化ケイ素複合材料。
2. 【請求項２】 焼結体の切断面において、窒化ケイ素粒
   子群の面積が全断面積の１０面積％以上６０面積％以下
   であることを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素／
   窒化ケイ素複合材料。
3. 【請求項３】 焼結体の切断面において、窒化ケイ素粒
   子群が粒径３μｍ以上１０μｍ以下で長さ１０μｍ以上
   ５０μｍ以下の柱状のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４粗大粒子を含み、
   切断面における粗大粒子の面積が窒化ケイ素粒子群の断
   面積の５面積％以上４０面積％以下であることを特徴と
   する請求項１または２に記載の炭化ケイ素／窒化ケイ素
   複合材料。
4. 【請求項４】 焼結体の切断面において、窒化ケイ素粒
   子群中に含まれる長さ５０μｍ超過の柱状のβ−Ｓｉ_３
   Ｎ_４巨大粒子の面積が窒化ケイ素粒子群の断面積の５面
   積％以下であることを特徴とする請求項１ないし３のい
   ずれかに記載の炭化ケイ素／窒化ケイ素複合材料。
5. 【請求項５】 平均粒径０．０１μｍ以上１．０μｍ以
   下の炭化ケイ素粒子を０．５体積％以上３０体積％以下
   含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記
   載の炭化ケイ素／窒化ケイ素複合材料。
6. 【請求項６】 窒化ケイ素粉末に、周期律表第ＩＩＩａ
   族元素の酸化物，酸化アルミニウム，酸化マグネシウ
   ム，酸化カルシウム，酸化ジルコニウム，窒化アルミニ
   ウムのうちから選ばれる１種または２種以上の酸化物あ
   るいは窒化物を０．２重量％以上１０重量％以下添加し
   て平均粒径１０μｍ以上５０μｍ以下に造粒して得た造
   粒体Ａと、窒化ケイ素粉末に、周期律表第ＩＩＩａ族元
   素の酸化物，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，酸
   化カルシウム，酸化ジルコニウム，窒化アルミニウムの
   うちから選ばれる１種または２種以上の酸化物あるいは
   窒化物を０．２重量％以上１０重量％以下添加すると共
   に炭化ケイ素粒子を０．５重量％以上３０重量％以下添
   加して得た混合粉末Ｂまたは混合粉末Ｂを平均粒径１０
   ０μｍ以下に造粒して得た造粒体Ｂとを、造粒体Ａと混
   合粉末Ｂおよび造粒体Ｂの合計との割合において造粒体
   Ａが１０重量％以上６０重量％以下であるように混合
   し、混合物もしくは該混合物の成形体を請求項１ないし
   ５のいずれかに記載の組織が発現するまで１６００℃以
   上２１００℃以下の温度で焼成することを特徴とする炭
   化ケイ素／窒化ケイ素複合材料の製造方法。
7. 【請求項７】 焼成の際の焼結方法がホットプレスであ
   り、１気圧以上１００気圧以下の窒素雰囲気中で５ＭＰ
   ａ以上５０ＭＰａ以下の加圧力で一軸加圧して焼成する
   ことを特徴とする請求項６に記載の炭化ケイ素／窒化ケ
   イ素複合材料の製造方法。
8. 【請求項８】 焼成の際の焼結方法がガス圧焼結であ
   り、１気圧以上５００気圧以下の窒素ガス圧下で焼成す
   ることを特徴とする請求項６に記載の炭化ケイ素／窒化
   ケイ素複合材料の製造方法。
9. 【請求項９】 焼成の際の焼結方法が熱間静水圧プレス
   であり、１００気圧以上２０００気圧以下のガス圧下で
   焼成することを特徴とする請求項６に記載の炭化ケイ素
   ／窒化ケイ素複合材料の製造方法。
10. 【請求項１０】 炭化ケイ素粒子の平均粒径が０．０１
    μｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする請求項６な
    いし９のいずれかに記載の炭化ケイ素／窒化ケイ素複合
    材料の製造方法。
11. 【請求項１１】 造粒体Ａの原料である窒化ケイ素粉末
    が、β型窒化ケイ素を８０重量％以上含有していること
    を特徴とする請求項６ないし１０のいずれかに記載の炭
    化ケイ素／窒化ケイ素複合材料の製造方法。
12. 【請求項１２】 窒化ケイ素の原料粉末として、原料粉
    末の粉砕分級処理ないしは複数種類の原料粉末の混合に
    より、０．８μｍ以下の割合が７０重量％以上９５重量
    ％以下、１．５μｍ以上５μｍ以下の割合が５重量％以
    上３０重量％以下となるように粒度分布を制御した原料
    粉末を用いることを特徴とする請求項６ないし１１のい
    ずれかに記載の炭化ケイ素／窒化ケイ素複合材料の製造
    方法。
13. 【請求項１３】 焼結助剤が、酸化イットリウムと酸化
    ネオジムの組み合わせであることを特徴とする請求項６
    ないし１２のいずれかに記載の炭化ケイ素／窒化ケイ素
    複合材料の製造方法。
14. 【請求項１４】 焼結助剤が、酸化イットリウムと酸化
    アルミニウムの組み合わせであることを特徴とする請求
    項６ないし１２のいずれかに記載の炭化ケイ素／窒化ケ
    イ素複合材料の製造方法。