JP3479656B2 - 高信頼性窒化ケイ素質焼結体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広い分野において使用され
る各種機械構造部品の素材として利用でき、β型窒化ケ
イ素粉末を原料として用い、特に高い破壊靭性値と優れ
た強度を有し、強度のばらつきの小さい信頼性の高いフ
ァインセラミックス材料である高信頼性窒化ケイ素質焼
結体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、軸受等の摺動部材，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、高強度の窒化ケイ素質焼結体を
得るには、α型の窒化ケイ素を主成分とする原料粉末が
必要と言われており、一般に、α型窒化ケイ素の含有率
が９０重量％以上の市販粉末が使用されている。

【０００４】従来、β型の窒化ケイ素質焼結体を製造す
るに際してα型の窒化ケイ素を主成分とする原料粉末を
用いるのは、 １．α型の窒化ケイ素は微粉末であり、焼結性が高いこ
と、 ２．α型の窒化ケイ素は焼結中にα型からβ型への相転
移が起こり、柱状結晶が発達した組織となることにより
強度および靭性が向上すること、等の理由からであっ
た。

【０００５】さらに、α型の窒化ケイ素を原料粉末とし
て用いて、一部の粒子を数十ミクロンの長さまで粒成長
させることにより、破壊靭性を向上させる手法（Ｉｎ−
ｓｉｔｕ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）（例えば、Ｃｅｒａ
ｍ．Ｅｎｇ．Ｓｃｉ．Ｐｒｏｃ．１０巻７−８号 ６３
２−６４５ページ １９８９年）等も行われていた。

【０００６】

【発明の解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たα型の窒化ケイ素を出発原料とする窒化ケイ素質焼結
体は、α型からβ型への相転移によりβ型の窒化ケイ素
の柱状結晶が発達した組織となるため、破壊靭性値は向
上するものの、生成したβ型の柱状結晶は大きさが不揃
いで強度のばらつきが大きくなり、各種機械構造部品と
して使用する際の信頼性に問題があった。

【０００７】例えば、上記のＩｎ−Ｓｉｔｕ Ｃｏｍｐ
ｏｓｉｔｅでは、破壊靭性は１０ＭＰａ√ｍ以上に向上
するものの、ワイブル係数は２０以下であった。

【０００８】一方、β型を主成分とする窒化ケイ素粉末
としては、高純度の焼結グレードの粉末や耐火物の原料
として使用する低純度の粉末が知られている。また、β
型を主成分とする窒化ケイ素粉末を原料とする焼結体と
しては、Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．５７巻２５ペ
ージ（１９７４年）や、特開昭５８−１５１３７１号等
が知られている。

【０００９】しかしながら、β型を主成分とする窒化ケ
イ素粉末は粒子が粗く、α相の含有率が低いため、柱状
組織が得られず、高強度の焼結体は得られないことか
ら、高強度のβ型窒化ケイ素質焼結体を製造するための
原料粉末としては使用されていなかった。

【００１０】本発明者の一人は、先に、高窒素分圧下で
高温での焼結が可能となるガス圧焼結法を開発しこれを
提案した（特許第１，２４７，１８３号）。また、ガス
圧焼結法によると、従来は焼結性が低いと考えられてい
たβ型窒化ケイ素粉末を用いても、高密度まで焼結でき
ることを示した（Ｊａｕｒｎａｌ ｏｆ ｍａｔｅｒｉ
ａｌｓ ｓｃｉｅｎｃｅ 第１１巻１１０３〜１１０７
ページ（１９７６年）および特公昭５８−１５１３７１
号）。

【００１１】さらに、別の特許出願（平成元年３月２９
日付三友出願）で、高純度のβ型窒化ケイ素粉末の粒度
分布を調整することにより、高強度のβ型窒化ケイ素質
焼結体が得られることを示した。

【００１２】さらにまた、粒度調整手法の改良（特願平
３−３３８８３３号，特願平３−２４５８６８号）や焼
成方法の改良（特願平３−３３９０１２号，特願平３−
２４６１１３号）により低純度の粉末を使用しても強度
が向上することを示した。さらにまた、β型の窒化ケイ
素粉末に適するように焼成手法を改良（特願平３−３３
９００８号，特願平３−３３８８４４号）することによ
り、強度や靭性が向上することを示した。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
β型の窒化ケイ素を原料粉末として用いた焼結手法で
は、強度向上のために数十ミクロンの長さの柱状結晶を
発達させるが、従来の手法ではこの柱状結晶の大きさが
不揃いなため、焼結体の強度にばらつきを生ずることが
あって信頼性は十分とは言えないという課題があった。

【００１４】

【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、β型窒化ケイ素粉末を原料とし、
焼結助剤の種類と量や焼成条件などを工夫することによ
り、焼結体中の数十ミクロンの柱状結晶の大きさ・密度
・分布を制御することにより、強度および靭性に優れる
だけでなく、強度のばらつきが少なく、信頼性が高い窒
化ケイ素質焼結体を提供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる窒化ケイ
素質焼結体は、上記のように、β型窒化ケイ素粉末を原
料とし、β型窒化ケイ素粉末に適した焼結助剤の種類と
量を制御して成形した後、焼結体中の粗大粒の数と大き
さの分布に注目して、粗大粒の大きさが揃った焼結体が
得られる焼成条件で焼成することにより、強度および靭
性が優れていることに加えて、高い信頼性を備えた焼結
体が得られることを新規に発明した。

【００１６】すなわち、本発明に係わる高信頼性窒化ケ
イ素質焼結体の製造方法は、α型とβ型とから構成され
る窒化ケイ素粉末においてβ型を８０重量％以上含む原
料粉末に、周期律表の第ＩＩＩａ族の酸化物，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
るいは窒化物系焼結助剤を０．２重量％以上１０重量％
以下添加して成形した後、５００気圧以下の窒素ガス圧
下で１６００℃以上２１００℃以下の温度で焼成し、２
気圧以上の窒素ガス圧下で１８００℃以上２１００℃以
下の温度で粒成長の熱処理を行って粗大粒子の数と大き
さを制御することにより、強度および靭性が優れている
ことに加えて、高い信頼性を備えた窒化ケイ素質焼結体
が得られることを新規に発明した。

【００１７】この窒化ケイ素質焼結体は、微細粒と粗大
粒からなる一種の複合材料となり、強度および靭性値が
高く、強度のばらつきの原因となる粗大粒の大きさをそ
ろえたことにより高い信頼性を有する。

【００１８】本発明に係わる窒化ケイ素質焼結体の機械
的特性について説明する。

【００１９】一般に、セラミックスの強度のばらつきは
ワイブル係数で表される。そして、ワイブル統計によれ
ば、破壊確率Ｆは、 の分布を持つ。ここで、σは強度，Ｖは体積，σ_０は定
数である。

【００２０】ワイブル係数は、この式でｍとして定義さ
れ、この値が大きいほどばらつきは小さくなる。一般
に、高強度の構造用セラミックスでは、ワイブル係数が
１０ないし２０であり、特別なプロセスで注意深く製造
されたもので２０ないし３０である。

【００２１】本発明に係わる窒化ケイ素質焼結体は、機
械的特性の面からは、気孔率５％以下，３点曲げ強さ５
００ＭＰａ以上，ワイブル係数４０以上，破壊靭性７Ｍ
Ｐａ√ｍ以上であることが好適である。

【００２２】多孔質の材料では、従来から、ワイブル係
数の大きい材料は知られているが、強度が低く構造用材
料として不適である。従って、本発明では、５％以下の
気孔率を有することが望ましい。

【００２３】また、３点曲げ強さ５００ＭＰａ未満で
は、エンジン部品などの構造用材料としては、強度が低
く不適である。さらに、ワイブル係数４０未満の窒化ケ
イ素材料は従来から存在するが、信頼性に乏しい。さら
にまた、破壊靭性７ＭＰａ√ｍ未満では構造用材料とし
ては使いにくい。

【００２４】そこで、本発明では、窒化ケイ素質焼結体
を粗大粒とマトリックス粒の複合組織とすることによ
り、気孔率５％以下，３点曲げ強さ５００ＭＰａ以上，
ワイブル係数４０以上，破壊靭性７ＭＰａ√ｍ以上の全
ての機械的特性を兼ね備えた材料を提供することができ
る。

【００２５】次に、本発明に係わる窒化ケイ素質焼結体
の組織について説明する。

【００２６】本発明に係わる窒化ケイ素質焼結体の組織
は、マトリックス粒子中に粗粒を含有する複合構造を持
ち、マトリックス粒子は、平均粒径１．５μｍ以上３μ
ｍ未満の柱状のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４粒子から構成され、粗粒
は、平均粒径がマトリックス粒子の平均粒径の２倍以上
で３μｍ以上１０μｍ以下、平均長さ１０μｍ以上１５
０μｍ以下の柱状のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４粒子から構成され
る。

【００２７】この場合、マトリックス粒子の平均粒径が
３μｍ以上となると強度が低下する。また、粗粒の平均
粒径がマトリックス粒子の平均粒径の２倍未満では粗粒
による強靭化が不十分で破壊磁性が低くなる。さらに、
粗粒の平均粒径が３μｍ未満では粗粒による強靭化が不
十分で破壊靭性が低くなる。粗粒の平均粒径が１０μｍ
超過では粗粒の粒内破壊が顕著になるため破壊靭性が低
下する。粗粒の平均長さが１０μｍ未満では強靭化が不
十分で破壊靭性が低くなる。粗粒の平均長さが１５０μ
ｍを超えると粗粒が欠陥として働くため強度が低下す
る。

【００２８】さらに、ワイブル係数を高くするには、粗
粒は均一に分散していた方がよい。この場合、粗粒の分
布としては、欠陥として働く３０μｍ以上の長さの２個
もしくは３個以上の粗粒が１０μｍ以下の距離に近接な
いしは接触しているものの割合が、３０μｍ以上の長さ
の全粗粒の１０％以下であるように分散させるのがよ
い。そして、３０μｍ以上の長さの粗粒が複数個近接す
ると、近接した塊が欠陥として作用するため強度が低下
する。その近接距離は１０μｍ以下で強度低下は顕著と
なるため、１０μｍよりも大きく離れた方がよい。ま
た、近接したものの割合が１０％を超えると強度のばら
つきが顕著となるため、３０μｍ以上の長さの全粗粒の
１０％以下がよい。

【００２９】また、単位体積当りの粗粒の数もワイブル
係数に影響を及ぼし、ワイブル係数を高くするには、単
位体積当りの粗粒の数に上限と下限が存在する。この場
合、焼結体の破面を観察したとき１ｍｍ^２当りに観察さ
れる３０μｍ以上の長さの粗粒の数が２０個以上２００
個以下であるように粗粒の数を制御する。３０μｍ以上
の長さの粗粒が１ｍｍ^２当り２０個未満では強靭化への
寄与が小さく靭性が低くなる。また、３０μｍ以上の長
さの粗粒は欠陥として働くため、この割合が１ｍｍ^２当
り２００個を超えると強度が低下する焼結体の割合が増
えて、ワイブル係数が低下する。

【００３０】ここで、粗粒の数の測定法としては次のよ
うに行う。

【００３１】焼結体を曲げ試験などにより破壊し、破面
を造る。破面を走査型電子顕微鏡などで観察し、写真を
とる。写真上で、一定面積に存在する長さ３０μｍ以上
の長さに相当する粗粒の数を数える。

【００３２】また、単位体積当りの粗粒の体積もワイブ
ル係数に影響を及ぼし、ワイブル係数を高くするために
は、単位体積当りの粗粒の体積分率に上限と下限が存在
する。つまり、３０μｍ以上の長さの粗粒が焼結体の１
体積％以上１５体積％以下の割合で含まれるとワイブル
係数が高くなる。粗粒の体積分率が１％未満では強靭化
への寄与が小さく靭性が低くなる。１５％を超えると、
破壊起点として働く３０μｍの長さの粗粒の割合が大き
くるため、強度が低下する焼結体の割合が増えて、ワイ
ブル係数が低下する。

【００３３】次に、本発明に係わる窒化ケイ素質焼結体
の製造方法について説明する。

【００３４】上記の組織を得るための窒化ケイ素質焼結
体の製造方法は、特に限定しないが、一方法として、β
型窒化ケイ素原料を使用する下記の方法がある。

【００３５】この方法で、出発原料粉末は、α型とβ型
とから構成される窒化ケイ素粉末においてβ型を８０重
量％以上含む窒化ケイ素粉末を用いる。β型を出発原料
とすると、粒成長は添加したβ型粒子の粒成長によって
柱状結晶が発達する。従って、原料粉末を粒度調整する
ことにより、粒成長のための核の大きさが揃った原料を
使用することができる。この粉末を適当な条件で焼成す
るとβ型の粗粒の大きさが揃った材料が得られる。

【００３６】一方、α型を出発原料とすると、焼成過程
で先ずα型はβ型へ相転移を起こす。この過程で数ミク
ロンのβ型の粒子ができて、以後の粒成長は生成した粒
子の粒度分布に従って起こる。相転移により生成したβ
型の粒子の大きさは制御が難しく大きなばらつきを持つ
ため、β型の粗粒の大きさはばらつく。従って、β型が
８０重量％未満では相転位による核が発生して強度のば
らつきが大きくなる。

【００３７】出発原料の粒度は特に限定しないが、一般
に、β型の原料は粒度が粗いため、粉砕分級処理が必要
であり、平均粒径１．０μｍ以下に粉砕した粉末を使用
するのがよい。さらに、粒成長のための核の大きさの分
布を揃えるためには、原料の粒度分布を制御する手法
（例えば、特願平３−３３８８３３号）を適用してもよ
い。

【００３８】焼結助剤としては、周期律表の第ＩＩＩａ
族（原子番号２１，３９，５７〜７１，８９）の酸化
物，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。焼結助剤の種類と量はこの範囲内で原
料の純度や製品の用途等に応じて決められるが、０．２
重量％より少ないと焼結性が低下して緻密な焼結体が得
られず、１０重量％よりも多いと粒界相が弱くなるため
強度が低下する。

【００３９】成形法は、静水圧プレス成形，射出成形，
鋳込み成形など通常の成形法で成形する。

【００４０】焼成は、５００気圧以下の窒素ガス圧下で
１６００℃以上２１００℃以下の温度で行われる。必要
な窒素ガスの圧力は焼成温度によって異なり、高温で焼
成するほど高圧の窒素雰囲気を使用する。必要な最低圧
は、１６００℃以上１７５０℃以下で１気圧，１８００
℃で２気圧，１９００℃で５気圧，２０００℃で１０気
圧である。所定圧力よりも低いと窒化ケイ素は熱分解を
起こし、窒素を放出してケイ素となるので好ましくな
い。また、窒素ガス圧力が５００気圧超過では焼結体中
に気孔が残り完全には緻密化しない。焼成の後、２気圧
以上の窒素ガス圧下で１８００℃以上２１００℃以下の
温度で熱処理を行い、平均粒径が３μｍ以上７μｍ以下
となるまで柱状のβ型窒化ケイ素の粗粒を成長させる。

【００４１】ここで、焼成と熱処理は別の工程で行って
もよいが、通常は同一の炉を用いた一連の工程で、焼成
スケジュールを制御して焼成工程の後に熱処理工程を連
続して行う。また、必要に応じて、粒成長のための熱処
理を熱間静水圧処理の条件で行うことができる。

【００４２】焼成工程において、焼成温度が１６００℃
未満では緻密化せず、２１００℃超過では粒成長が著し
くなり強度が低下する。また、熱処理工程において、熱
処理温度が１８００℃未満では緻密化は可能であるが粗
大粒の成長が不完全であり、微細粒と粗大粒が混ざった
組織が得られない。熱処理温度が２１００℃を超えると
粒成長が著しくなり強度が低下する。

【００４３】焼成時間および熱処理時間は温度や助剤の
種類・量によっても異なるが、一般に、焼成時間は緻密
化が達成される最少時間がよい。また、熱処理時間は粗
大粒の大きさ・密度・分布を考慮して決められるが、通
常は３０分から４時間程度の間がよい。

【００４４】粗粒の粒成長は、上記の条件で温度および
焼成時間を制御することにより行われるが、粗粒の粒径
の平均値が３μｍ以上１０μｍ以下となるように熱処理
される。粗粒の粒径の平均値が３μｍ未満では柱状結晶
の発達が不十分であり靭性が低下する。粗粒の粒径の平
均値が１０μｍを超えると粗大粒の大きさのばらつきが
大きくなり信頼性が低下する。

【００４５】さらに、信頼性を上げるには請求項２ない
し４に記載の組織が得られるように、熱処理温度と時間
を制御して粒成長の程度を制御するとよい。

【００４６】上記した窒化ケイ素質焼結体の製造方法に
よって、均一な粗大粒を含んだ複合組織が得られる理由
は明確ではないが、次のように推察される。

【００４７】β型窒化ケイ素粉末を出発原料として用い
ると、粗大粒の成長の核となる粒子は原料粉末の粒度分
布に従って均一に分布する。この核から粒成長が始まる
と、粒成長が起こった核の近傍では、他の粒子は粗大粒
としての粒成長は抑制される。従って、大きさの揃った
粗大粒が均一に分布した組織が得られ、粗大粒の合体な
どによる強度低下が無いためワイブル係数が上昇する。

【００４８】

【発明の作用】窒化ケイ素の焼結では、通常、α型の窒
化ケイ素が用いられ、焼成中にα型からβ型への相転移
が起こり、β型の柱状結晶が成長して強度や靭性を向上
させていたが、生成した柱状結晶の大きさは不揃いのた
め強度のばらつきが大きく、信頼性に乏しい材料であっ
たのに対して、本発明に係わる窒化ケイ素質焼結体およ
びその製造方法では、上記した構成としており、前記製
造方法の一例ではβ型の窒化ケイ素粉末を使用し、焼結
助剤の量や種類および焼成条件を制御して、得られた焼
結体中の粗大粒子の大きさ・密度・分布を制御すること
としているので、強度および破壊靭性値が高いだけでな
く、強度のばらつきが小さい信頼性の高い窒化ケイ素質
焼結体となる。

【００４９】

【実施例】

（実施例１）平均粒径０．５μｍ，最大粒径２μｍでβ
型含有量９５重量％の窒化ケイ素粉末に、表１に示すよ
うに、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、エタノールを添加した湿式ボー
ルミルにより９４時間混合粉砕した。ついで、空気中で
スプレードライヤーを用いて乾燥した後、２０ＭＰａの
圧力で金型成形し、さらに２００ＭＰａの圧力でラバー
プレスを行うことにより、６ｍｍ×６ｍｍ×５０ｍｍの
成形体を得た。

【００５０】次に、この成形体を黒鉛のガス圧炉を用い
て同じく表１に示すように１００気圧の窒素ガス圧下で
１９００℃で２時間焼成した後、３００気圧の窒素ガス
圧下で２０００℃で２時間焼成して本発明実施例１の窒
化ケイ素質焼結体を得た。

【００５１】このようにして得た焼結体を８００メッシ
ュのダイヤモンドホイールで平面研削し、３ｍｍ×４ｍ
ｍ×４０ｍｍの形状に加工し、ＪＩＳ Ｒ １６０１に
準じた室温３点曲げにより曲げ強さを測定し、また、Ｊ
ＩＳ Ｒ １６０７に準じたＳＥＰＢ法（試験片の３×
４０ｍｍの面にビッカース圧痕を加え、これから予亀裂
を生じさせ、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。ここで得られた焼結体中のβ型窒化ケ
イ素とα型窒化ケイ素の割合は表２に示すようにβ相１
００％であった。

【００５２】また、同じく表２に示すように、この焼結
体の気孔率は１．１％，室温３点曲げ強さは６８９ＭＰ
ａであり、破壊靭性値は８．５ＭＰａ√ｍであり、ワイ
ブル係数は５３であった。

【００５３】さらに、焼結体の破面を観察したところ、
表２の符号Ａ欄に示すように、焼結体のマトリックス相
の粒子の平均粒径は１．５μｍであり、表２の符号Ｂ欄
に示すように、直径３μｍ以上の粗大粒の平均粒径は
３．５μｍであり、表２の符号Ｃ欄に示すように、直径
３μｍ以上の粗大粒の平均長さは５０μｍであった。さ
らにまた、表２の符号Ｄ欄に示すように、破面上で３０
μｍ以上の長さの２個もしくは３個以上の粗粒が１０μ
ｍ以下の距離に近接ないしは接触しているものの割合は
３．０％であり、表２の符号Ｅ欄に示すように、１ｍｍ
^２当りに観察される３０μｍ以上の長さの粗粒の数は６
８個であり、表２の符号Ｆ欄に示すように、３０μｍ以
上の長さの粗粒の体積分率は３．２体積％であった。

【００５４】このように、β型の窒化ケイ素原料粉末を
出発原料として、β型の柱状結晶の粗大粒の大きさを制
御することにより、ワイブル係数が大きい、すなわち強
度のばらつきが小さい高信頼性の窒化ケイ素質焼結体を
得ることができた。

【００５５】（比較例１）平均粒径０．６μｍ，最大粒
径２μｍでβ型含有量５重量％のα型窒化ケイ素粉末
に、表３に示すように、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、エタノールを添
加した湿式ボールミルにより９４時間混合粉砕した。つ
いで、空気中でスプレードライヤーを用いて乾燥した
後、２０ＭＰａの圧力で金型成形し、さらに２００ＭＰ
ａの圧力でラバープレスを行うことにより、６ｍｍ×６
ｍｍ×５０ｍｍの成形体を得た。

【００５６】次いで、この成形体を実施例１と同じ工程
で焼成しそして加工を行うことにより、焼結体の特性を
測定した。

【００５７】表４に示すように、ここで得られた焼結体
のβ相の割合は９３％，気孔率は２％，室温３点曲げ強
さは７４０ＭＰａ，破壊靭性値は７．５ＭＰａ√ｍであ
り、強度および破壊靭性値は高かったが、ワイブル係数
は１８であって、強度のばらつきは大きいものであっ
た。

【００５８】さらに、焼結体の破面を観察したところ、
表４の符号Ａ欄に示すように、焼結体のマトリックス相
の粒子の平均粒径は１．２μｍであり、表４の符号Ｂ欄
に示すように、直径３μｍ以上の粗大粒の平均粒径は
８．２μｍであり、表４の符号Ｃ欄に示すように、直径
３μｍ以上の粗大粒の平均長さは１８０μｍであった。
さらにまた、表４の符号Ｄ欄に示すように、破面上で３
０μｍ以上の長さの２個もしくは３個以上の粗粒が１０
μｍ以下の距離に近接ないしは接触しているものの割合
は１８％であり、表４の符号Ｅ欄に示すように、１ｍｍ
^２当りに観察される３０μｍ以上の長さの粗粒の数は２
４０個であり、表４の符号Ｆ欄に示すように、３０μｍ
以上の長さの粗粒の体積分率は１８．６体積％であっ
た。

【００５９】このように、α型の窒化ケイ素原料粉末を
出発原料として焼成すると、ワイブル係数が小さい、す
なわち強度のばらつきが大きい窒化ケイ素質焼結体とな
っていた。

【００６０】（実施例２〜５） 実施例１と同じβ型含有量９５重量％の窒化ケイ素粉末
を使用し、これに表１の実施例２〜５に示す組成の焼結
助剤を添加して、エタノールを添加した湿式ボールミル
により９４時間混合粉砕した。ついで、空気中でスプレ
ードライヤーを用いて乾燥した後、２０ＭＰａの圧力で
金型成形し、さらに２００ＭＰａの圧力でラバープレス
を行うことにより、６ｍｍ×６ｍｍ×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て
同じく表１の実施例２〜５に示す条件で焼成して本発明
実施例２〜５の窒化ケイ素質焼結体を得た。

【００６２】このようにして得た窒化ケイ素質焼結体を
８００メッシュのダイヤモンドホイールで平面研削し、
３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの形状に加工し、ＪＩＳ Ｒ
１６０１に準じた室温３点曲げにより曲げ強さを測定
し、また、ＪＩＳ Ｒ １６０７に準じたＳＥＰＢ法
（試験片の３×４０ｍｍの面にビッカース圧痕を加え、
これから予亀裂を生じさせ、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。ここで得られた各焼結
体中のβ型窒化ケイ素とα型窒化ケイ素の割合は表２に
示すようにβ相が９５％以上であった。

【００６３】また、同じく表２に示すように、各焼結体
の気孔率，室温３点曲げ強さ，破壊靭性値，ワイブル係
数は、それぞれ気孔率５％以下，室温３点曲げ強さ５０
０ＭＰａ以上，破壊靭性値７ＭＰａ√ｍ以上，ワイブル
係数４０以上であった。

【００６４】さらに、焼結体の破面を観察したところ、
表２の符号Ａ欄に示すように、焼結体のマトリックス相
の粒子の平均粒径は３μｍ未満であり、表２の符号Ｂ欄
に示すように、直径３μｍ以上の粗大粒はマトリックス
粒子の平均粒径の２倍以上であって平均粒径３μｍ以上
１０μｍ以下および表２の符号Ｃ欄に示すように平均長
さ１０μｍ以上１５０μｍ以下であり、表２の符号Ｄ欄
に示すように、破面上で３０μｍ以上の長さの２個もし
くは３個以上の粗粒が１０μｍ以下の距離に近接ないし
は接触しているものの割合は１０％以下であり、表２の
符号Ｅ欄に示すように、破面上で１ｍｍ^２当りに観察さ
れる３０μｍ以上の長さの粗粒の数は２０個以上２００
個以下であり、表２の符号Ｆ欄に示すように、焼結体に
含まれる３０μｍ以上の長さの粗粒の体積分率は１体積
％以上１５体積％以下であった。

【００６５】このように、β型の窒化ケイ素原料粉末を
出発原料として、β型の柱状結晶の粗大粒の大きさを制
御することにより、ワイブル係数が大きい、すなわち強
度のばらつきが小さい高信頼性の窒化ケイ素質焼結体を
得ることができた。

【００６６】（比較例２〜６）実施例１と同じ原料粉末
を使用し、これに表３の比較例２〜６に示す組成の焼結
助剤を添加して、エタノールを添加した湿式ボールミル
により９４時間混合粉砕した。ついで、空気中でスプレ
ードライヤーを用いて乾燥した後、２０ＭＰａの圧力で
金型成形し、さらに２００ＭＰａの圧力でラバープレス
を行うことにより、６ｍｍ×６ｍｍ×５０ｍｍの成形体
を得た。

【００６７】次に、各成形体を黒鉛のガス圧炉を用いて
同じく表３の比較例２〜６に示す条件で焼成して本発明
比較例２〜６の窒化ケイ素質焼結体を得た。

【００６８】このようにして得た窒化ケイ素質焼結体を
８００メッシュのダイヤモンドホイールで平面研削し、
３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの形状に加工し、ＪＩＳ Ｒ
１６０１に準じた室温３点曲げにより曲げ強さを測定
し、また、ＪＩＳ Ｒ １６０７に準じたＳＥＰＢ法
（試験片の３×４０ｍｍの面にビッカース圧痕を加え、
これから予亀裂を生じさせ、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。ここで得られた各焼結
体中のβ型窒化ケイ素とα型窒化ケイ素の割合を表４に
示す。また、各焼結体の気孔率，室温３点曲げ強さ，破
壊靭性値，ワイブル係数を同じく表４に示す。

【００６９】さらに各焼結体の破面を観察し、表４の符
号Ａ欄に示す焼結体のマトリックス相の粒子の平均粒
径、表４の符号Ｂ，Ｃ欄に示す直径３μｍ以上の粗大粒
の平均粒径および長さ、表４の符号Ｄ欄に示す破面上で
３０μｍ以上の長さの２個もしくは３個以上の粗粒が１
０μｍ以下の距離に近接ないしは接触しているものの割
合、表４の符号Ｅ欄に示す破面上で１ｍｍ^２当りに観察
される３０μｍ以上の長さの粗粒の数、表４の符号Ｆ欄
に示す焼結体に含まれる３０μｍ以上の長さの粗粒の体
積分率をそれぞれ調べた。

【００７０】表４に示すように、いずれの条件において
もワイブル係数が小さく、強度のばらつきが大きいもの
となっており、強度と信頼性が共に高い材料は得られな
かった。

【００７１】

【表１】

【００７２】

【表２】

【００７３】

【表３】

【００７４】

【表４】

【００７５】

【発明の効果】本発明に係わる窒化ケイ素質焼結体の製
造方法は、α型とβ型とから構成される窒化ケイ素粉末
においてβ型を８０重量％以上含む原料粉末に、周期律
表の第ＩＩＩａ族の酸化物，酸化マグネシウム，酸化カ
ルシウム，酸化ジルコニウム，窒化アルミニウムから選
ばれる１種または２種以上の焼結助剤を０．２重量％以
上１０重量％以下添加して成形した後、５００気圧以下
の窒素ガス圧下で１６００℃以上２１００℃以下の温度
で焼成し、請求項１ないし４のいずれかに記載の組織が
発現するまで２気圧以上の窒素ガス圧下で１８００℃以
上２１００℃以下の温度で粒成長の熱処理を行う構成と
したから、気孔率５％以下，３点曲げ強さ５００ＭＰａ
以上，ワイブル係数４０以上，破壊靭性７ＭＰａ√ｍ以
上である窒化ケイ素質焼結体を得ることが可能であり、
強度および靭性に優れていると共にワイブル係数が大き
く、強度のばらつきが少ない高信頼性の窒化ケイ素質焼
結体を提供することができるという著しく優れた効果が
もたらされる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 広 崎 尚 登 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日 産自動車株式会社 内 (72)発明者 安 藤 元 英 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日 産自動車株式会社 内 (56)参考文献 特開 平２−255573（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−177307（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−89459（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−175662（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−257070（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−310771（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−201663（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−139841（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−254472（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マトリックス粒子中に粗粒を含有する複
   合構造を持つ窒化ケイ素質焼結体であって、マトリック
   ス粒子は、平均粒径１．５μｍ以上３μｍ未満の柱状の
   β−Ｓｉ_３Ｎ_４粒子から構成され、粗粒は、平均粒径が
   マトリックス粒子の平均粒径の２倍以上で３μｍ以上１
   ０μｍ以下、平均長さ１０μｍ以上１５０μｍ以下の柱
   状のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４粒子から構成されることを特徴とす
   る高信頼性窒化ケイ素質焼結体。
2. 【請求項２】 破面上で３０μｍ以上の長さの粗粒を含
   み、２個もしくは３個以上の当該粗粒が、１０μｍ以下
   の距離に近接ないしは接触している割合が、破面上で長
   さ３０μｍ以上の長さの全粗粒の１０％以下である請求
   項１に記載の高信頼性窒化ケイ素質焼結体。
3. 【請求項３】 焼結体の破面を観察したとき１ｍｍ^２当
   りに観察される３０μｍ以上の粗粒の数が２０個以上２
   ００個以下である請求項１または２に記載の高信頼性窒
   化ケイ素質焼結体。
4. 【請求項４】 ３０μｍ以上の長さの粗粒が焼結体の１
   体積％以上１５体積％以下の割合で含まれる請求項１な
   いし３のいずれかに記載の高信頼性窒化ケイ素質焼結
   体。
5. 【請求項５】 α型とβ型とから構成される窒化ケイ素
   粉末においてβ型を８０重量％以上含む原料粉末に、周
   期律表の第ＩＩＩａ族の酸化物，酸化マグネシウム，酸
   化カルシウム，酸化ジルコニウム，窒化アルミニウムか
   ら選ばれる１種または２種以上の焼結助剤を０．２重量
   ％以上１０重量％以下添加して成形した後、５００気圧
   以下の窒素ガス圧下で１６００℃以上２１００℃以下の
   温度で焼成し、請求項１ないし４のいずれかに記載の組
   織が発現するまで２気圧以上の窒素ガス圧下で１８００
   ℃以上２１００℃以下の温度で粒成長の熱処理を行うこ
   とを特徴とする高信頼性窒化ケイ素質焼結体の製造方
   法。