JP5687090B2

JP5687090B2 - 窒化珪素質焼結体

Info

Publication number: JP5687090B2
Application number: JP2011037214A
Authority: JP
Inventors: 瀧川　和明; 和明瀧川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2031-02-23
Also published as: JP2012171845A

Description

本発明は、機械的特性に優れる窒化珪素質焼結体に関する。

窒化珪素質焼結体は、優れた機械的特性を有していることから、様々な構造部材に好適に用いられている。ところで、窒化珪素は、共有結合が強く、窒化珪素粉末のみで焼結させることは困難であることから、種々の焼結助剤を添加して焼結することが行なわれている。

例えば、特許文献１には、Ｙ_２Ｏ_３やＡｌ_２Ｏ_３を焼結助剤として用いた窒化珪素質焼結体として、サイアロン粒子および粒界相により構成されるサイアロン焼結体であって、上記粒界相の総量が20ｗｔ％以下であるとともに、粒界相の酸化物換算したＳｉ，ＡｌおよびＹがＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３三成分系において、重量比における（ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｙ_２Ｏ_３）組成が、点Ａ(20，10，70)、点Ｂ(20，25，65)、点Ｃ(30，25
，55)、点Ｄ(30，10，60)の４点で囲まれる領域にある高靱性サイアロン焼結体が提案さ
れている。

また、特許文献２には、Ｙ_２Ｏ_３とＡｌ_２Ｏ_３とを焼結助剤として添加してなる窒化珪素焼結体であって、焼結助剤の配合量が、窒化珪素と焼結助剤の合計の15重量％以上であるとともに、窒化珪素の酸素含有量（ＳｉＯ_２量換算値で表す）と、Ｙ_２Ｏ_３及びＡｌ_２Ｏ_３の量との比は、ＳｉＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３三成分系を示す三角図（重量比で表す）において、点Ａ（０，80，20）、点Ｂ（９，73，18）、点Ｃ（９，55，36）、点Ｄ（０，60，40）の４点で囲まれる領域内にある窒化珪素焼結体が提案されている。

特許第2820846号公報特許第2863569号公報

特許文献１に記載の高靱性サイアロン焼結体や特許文献２に記載の窒化珪素焼結体が提案されているように、各メーカーにおいて機械的特性を向上させるべく、鋭意検討されているものの、市場要求は常にそれを上回り、更なる機械的特性の向上が求められている。

本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、強度に優れた窒化珪素質焼結体を提供することを目的とする。

本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素の結晶を主相とし、粒界相にＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在し、該Ｙ _４ＳｉＡｌＯ _８Ｎの結晶は、Ｘ線回折によりＹ _４ＳｉＡｌＯ _８Ｎと同定されたピークにおいて、Ｘ線回折チャートにおける２θ＝２９．４°付近に現れるピークが、２θ＝３０°を超える部分に現れるピークよりも大きいものであり、２θ＝29.4°付近の前記Ｙ _４ＳｉＡｌＯ _８Ｎの結晶のピーク強度と、２θ＝33.6°付近の前記窒化珪素の結晶のピーク強度とをそれぞれＸ，Ｙとしたとき、その比率Ｘ／Ｙが0.2以上0.3以下であることを特徴とするものである。

本発明の窒化珪素質焼結体によれば、窒化珪素の結晶を主相とし、粒界相にＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在し、該Ｙ _４ＳｉＡｌＯ _８Ｎの結晶は、Ｘ線回折によりＹ _４ＳｉＡｌＯ _８Ｎと同定されたピークにおいて、Ｘ線回折チャートにおける２θ＝２９．４°付近に現れるピークが、２θ＝３０°を超える部分に現れるピークよりも大きいものであり、２θ＝29.4°付近のＹ _４ＳｉＡｌＯ _８Ｎの結晶のピーク強度と、２θ＝33.6°付近の窒化珪
素の結晶のピーク強度とをそれぞれＸ，Ｙとしたとき、その比率Ｘ／Ｙが0.2以上0.3以下であることにより、強度を向上させることができる。

本実施形態の窒化珪素質焼結体のＸ線回折チャートの一例を示す。

以下、本実施形態の窒化珪素質焼結体について説明する。

本実施形態の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素の結晶を主相とし、粒界相にＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在することを特徴としている。なお、本実施形態において主相とは、窒化珪素質焼結体における体積比率が50体積％以上であることをいい、主相の体積比率としては、80体積％以上であることが好ましい。また、共有結合性の高い窒化珪素を焼結させるには、焼結助剤を必要とし、この焼結助剤によって形成される粒界相は、体積比率で６体積％以上有していることが好ましいので、主相の体積比率としては、80体積％以上94体積％以下であり、粒界相の体積比率は、６体積％以上20体積％以下であることがより好ましい。

そして、主相の体積比率が80体積％以上94体積％以下であり、粒界相の体積比率が６体積％以上20体積％以下となる窒化珪素質焼結体の組成としては、Ｙ_２Ｏ_３換算で３質量％以上12質量％以下、Ａｌ_２Ｏ_３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ_２換算で２質量％以上４質量％以下含有し、残部が窒化珪素からなるものである。

ここで、体積比率を求め方の一例を記載する。まず、酸素分析装置（堀場製作所製 EMGA−650FA）を用いた赤外線吸収法により窒化珪素質焼結体中の酸素の含有量を求める。
次に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（島津製作所製 ICPS−8100）を用いてＹおよびＡｌの定量分析を行なう。次に、定量分析によって得られたＹおよびＡｌの定量値をそれぞれＹ_２Ｏ_３およびＡｌ_２Ｏ_３に換算し、この酸化物換算で必要とした酸素量を窒化珪素質焼結体中の酸素の含有量から差し引き、この差し引いた酸素量からＳｉＯ_２に換算する。そして、それぞれ換算したＹ_２Ｏ_３，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２量を100から差し引くことにより、Ｓｉ_３Ｎ_４の含有量とする。

次に、Ｙ_２Ｏ_３の含有量をａ，Ａｌ_２Ｏ_３の含有量をｂ，ＳｉＯ_２の含有量をｃ，窒化珪素の含有量をｄとしたとき、それぞれの理論密度（Ｙ_２Ｏ_３：5.02ｇ／ｃｍ^３，Ａｌ_２Ｏ_３：3.98ｇ／ｃｍ^３，ＳｉＯ_２：2.65ｇ／ｃｍ^３，Ｓｉ_３Ｎ_４：3.18ｇ／ｃｍ^３）を用いて、次式（ｄ／3.18）／（ａ／5.02＋ｂ／3.98＋ｃ／2.65＋ｄ／3.18）×100によって
主相の体積比率を求めることができる。ａ＝7.5，ｂ＝3.5，ｃ＝3.5，ｄ＝85.5のとき、
主相の体積比率は87.9体積％となる。

また、粒界相にＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在するか否かについては、Ｘ線回折装置（Bruker AXS社製 D8 ADVANCE）を用いて、窒化珪素質焼結体の表面にＣｕＫα線を照
射し、ＣｕＫα線の回折方向と入射方向の角度差（２θ）と回折Ｘ線強度を検出器で走査した結果であるＸ線回折チャートを得て、ＪＣＰＤＳカードに基づいて同定することにより確認することができる。

具体的に、本実施形態の窒化珪素質焼結体のＸ線回折チャートを図１に示す。このＸ線回折チャートにおいて、窒化珪素の結晶が存在していることを示すピークは、２θ＝23.5°付近，27.2°付近，33.6°付近，36°付近に現れる。そして、Ｙ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在しているときには、２θ＝29°〜31°付近（29.4°，30.7°，31.1°）の間にピークが現れる。また、窒化珪素やＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの存在を示す鋭いピークの間のブロードなピークは、窒化珪素質焼結体に非晶質（アモルファス）相が存在していることを示している。

そして、図１のＸ線回折チャートに示すように、Ｙ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在して
いることにより、窒化珪素質焼結体の強度を向上させることができる。このように、Ｙ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在していることにより、優れた強度を有する窒化珪素質焼結体とできる理由については明らかではないが、粒界相にＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在することにより、主相である窒化珪素の結晶の粒成長を抑制して微細な組織構造とすることができ、かつ粒界相にかかる応力を分散させる働きがあるためと考えられる。なお、強度の比較は、ＪＩＳＲ 1601−2008に準拠した４点曲げ強さ試験によって得られた４点曲げ強度の値を比較することにより確認することができる。

なお、Ｙ_２Ｏ_３換算で３質量％以上12質量％以下、Ａｌ_２Ｏ_３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ_２換算で２質量％以上４質量％以下含有し、残部が窒化珪素からなり、粒界相にＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在する窒化珪素質焼結体の具体的な機械的特性としては、４点曲げ強度が850ＭＰａ以上であり、破壊靭性（Ｋ_ＩＣ）が6.1ＭＰａ・ｍ^１／２以上となる。ここで、破壊靱性については、ＪＩＳＲ 1607−2010で規定される圧子圧入法（ＩＦ法）に準拠して測定すればよい。

また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、Ｘ線回折チャートにおける２θ＝29.4°付近のＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶のピーク強度と、２θ＝33.6°付近の窒化珪素の結晶のピーク強度をそれぞれＸ，Ｙとしたとき、その比率Ｘ／Ｙが0.05以上0.4以下であることが好
ましい。この比率Ｘ／Ｙが0.05以上0.4以下であるときには、さらに強度に優れていると
もに、破壊靭性に優れた窒化珪素質焼結体とすることができる。

具体的には、Ｙ_２Ｏ_３換算で３質量％以上12質量％以下、Ａｌ_２Ｏ_３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ_２換算で２質量％以上４質量％以下含有し、残部が窒化珪素からなり、粒界相にＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在し、Ｘ線回折チャートにおける２θ＝29.4°付近のＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶のピーク強度と、２θ＝33.6°付近の窒化珪素の結晶のピーク強度をそれぞれＸ，Ｙとしたとき、その比率Ｘ／Ｙが0.05以上0.4以下で
あれば、４点曲げ強度を930ＭＰａ以上、破壊靭性を6.5ＭＰａ・ｍ^１／２以上とすることができる。

また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、粒界相にさらにＷＳｉ_２およびＦｅＳｉ_２の結晶が存在していることが好ましい。ＷＳｉ_２およびＦｅＳｉ_２の結晶は、熱力学的に安定しており、機械的応力や熱応力がかかった場合でも粒界相が相変態を起こしにくいため、高温における強度を向上させることができる。なお、高温における強度を向上させるには、窒化珪素質焼結体を構成するＳｉ_３Ｎ_４，Ｙ_２Ｏ_３，Ａｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２の合計100質量％に対し、ＷがＷＯ_３換算で３質量％以下（０質量％を含まず）、ＦｅがＦｅ
_２Ｏ_３換算で２質量％以下（０質量％を含まず）であることが好ましい。

そして、具体的な特性としては、Ｙ_２Ｏ_３換算で３質量％以上12質量％以下、Ａｌ_２Ｏ_３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ_２換算で２質量％以上４質量％以下含有する窒化珪素質焼結体において、窒化珪素質焼結体100質量％に対し、ＷがＷＯ_３換算で
３質量％以下（０質量％を含まず）、ＦｅがＦｅ_２Ｏ_３換算で２質量％以下（０質量％を含まず）含み、粒界相にＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶に加えてＷＳｉ_２およびＦｅＳｉ_２の結晶が存在する窒化珪素質焼結体は、高温（800℃）における４点曲げ強度を700ＭＰａ以上とすることができる。なお、ＷＳｉ_２およびＦｅＳｉ_２の結晶については、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー装置（日本電子製ＪＸＡ−8600Ｍ型）を用いて、ＷとＳｉとが存在する領域、ＦｅとＳｉとが存在する領域を確認し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）分析によって結晶構造を確認することができる。また、高温（800℃）における強度につい
ては、ＪＩＳＲ 1604−2008に準拠して測定すればよい。

また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、粒界相に、ＹＳｉＯ_２Ｎ（ボラステナイト）
、Ｙ_５（Ｓｉ_４）_３Ｎ（アパタイト）、Ｙ_２Ｓｉ_２Ｏ_７（ダイシリケート）相およびＹ_２ＳｉＯ_５（モノシリケート）のうち少なくとも１種の結晶が存在していてもよい。これらの結晶は、非晶質相と比較して軟化しにくいため、高温（800℃）における強度の向上に
効果がある。

次に、本実施形態の窒化珪素質焼結体の製造方法について説明する。

まず、出発原料として、Ｓｉ粉末（平均粒径Ｄ50＝0.5〜100μｍ）およびＳｉ_３Ｎ_４粉末（α化率50％以上、平均粒径Ｄ50＝0．5〜10μｍ）と、焼結助剤であるＹ_２Ｏ_３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.5〜10μｍ）、Ａｌ_２Ｏ_３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.5〜10μｍ）およびＳｉＯ_２粉末（平均粒径Ｄ50＝0.5〜10μｍ）とを準備する。その後、それぞれの粉末を所
定量秤量し、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）やポリエチレングリコール（ＰＥＧ）などの各種バインダとともに、例えば回転ミル、振動ミル、ビーズミルなどのミルに入れて湿式混合・粉砕し、スラリーを作製する。

ここで、秤量時に重要となるのは、Ｓｉ粉末およびＳｉ_３Ｎ_４粉末に不可避的に含まれる酸素をＳｉＯ_２換算した量と、添加するＳｉＯ_２粉末とを合わせてＳｉＯ_２の添加量が２質量％以上となるようにすることであり、好ましくは４質量％以下とする。

また、Ｓｉ粉末とＳｉ_３Ｎ_４粉末との質量比率は、80：20〜90：10となるように秤量する。そして、窒化珪素質焼結体の組成が、Ｙ_２Ｏ_３換算で３質量％以上12質量％以下、Ａｌ_２Ｏ_３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ_２換算で２質量％以上４質量％以下含有し、残部が窒化珪素からなるものとするには、Ｓｉ粉末とＳｉ_３Ｎ_４粉末との質量比率が85：15であるとき、Ｙ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末については、それぞれ4.3
質量％以上17質量％以下、2.9質量％以上7.2質量％以下となるように秤量する。なお、各粉末の秤量時と窒化珪素質焼結体の含有量とで質量％が異なるのは、Ｓｉ粉末を窒化させて窒化珪素としているためである。

また、ＳｉＯ_２粉末については、Ｓｉ粉末およびＳｉ_３Ｎ_４粉末に不可避的に含まれる酸素をＳｉＯ_２に換算した量と合わせて窒化珪素質焼結体に含まれるＳｉＯ_２換算での含有量が２質量％以上４質量％以下となるように秤量する。なお、Ｙ_２Ｏ_３：Ａｌ_２Ｏ_３：ＳｉＯ_２の窒化珪素質焼結体の含有量は、質量比率で50〜66質量％：18〜26質量％：16〜24質量％であることが好ましい。

また、粒界相にＷＳｉ_２およびＦｅＳｉ_２の結晶を存在させるには、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.1〜３μｍ）、ＷＯ_３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.1〜３μｍ）を準備し、上述した粉末100質量％に対し、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を３質量％以下（０質量％以下を除く）、
ＷＯ_３粉末を２質量％以下（０質量％以下を除く）秤量して、出発原料に加えればよい。

次に、噴霧造粒乾燥装置（スプレードライヤ）を用いてスラリーを噴霧造粒して球状顆粒を得た後、この球状顆粒を用いて粉末プレス成形法や静水圧プレス（ラバープレス）成形法にて成形し、必要に応じて切削加工を施すことにより成形体を得る。

次に、この成形体を50ｋＰａ〜1.1ＭＰａの窒素分圧で、1000〜1400℃の温度で焼成し
、窒化珪素のα化率が90％以上の窒化体を得て、この窒化体を50〜300ｋＰａの窒素分圧
で、1750〜1900℃の最高温度で焼成する。そして、粒界相にＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶を存在させるには、最高温度から1200℃までの降温速度を10℃／ｍｉｎ以下とすることが重要である。最高温度から1200℃までの降温速度を10℃／ｍｉｎ以下としたのは、10℃／ｍｉｎを超える降温速度では、Ｙ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶を粒界相に存在させることができない。なお、最高温度から1200℃までの降温速度が遅すぎては、生産効率を低下させるた
め、２℃／ｍｉｎ以上であることが好ましい。なお、上述した降温速度とすることにより、粒界相にＷＳｉ_２およびＦｅＳｉ_２の結晶についても存在させることができる。

また、Ｘ線回折チャートにおける２θ＝29.5°付近のＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶のピーク強度Ｘと、２θ＝33.7°付近の窒化珪素の結晶のピーク強度Ｙとの比率Ｘ／Ｙを0.05以上0.4以下とするには、降温速度を２〜８℃／ｍｉｎとすることが好ましい。

そして、その後、室温まで冷却することにより本実施形態の窒化珪素質焼結体を得ることができる。このようにして得られた本実施形態の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素を主相とし、粒界相にＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在することから、強度の向上した窒化珪素質焼結体とすることができる。

このように、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、優れた熱的特性や機械的特性を有していることから、これらの特性を必要とする構造部材として好適に用いることができる。また、各種金属溶湯と接する金属溶湯用部材などにも適用可能である。

以下、本発明の窒化珪素質焼結体の実施例を説明する。

まず、焼成時における最高温度から1200℃までの降温速度を異ならせてＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶の有無および強度差の確認を行なった。出発原料として、Ｓｉ粉末（平均粒径Ｄ50＝10μｍ）およびＳｉ_３Ｎ_４粉末（α化率50％以上、平均粒径Ｄ50＝１μｍ）と、焼結助剤であるＹ_２Ｏ_３粉末（平均粒径Ｄ50＝１μｍ）、Ａｌ_２Ｏ_３粉末（平均粒径Ｄ50＝１μｍ）、ＳｉＯ_２粉末（平均粒径Ｄ50＝１μｍ）を準備し、Ｓｉ粉末を65質量％、Ｓｉ_３Ｎ_４粉末を15質量％、Ｙ_２Ｏ_３粉末を12質量％、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を５質量％、ＳｉＯ_２粉末を３質量％秤量する。

その後、秤量後の粉末とバインダと溶媒とを回転ミルに入れて、所定時間混合・粉砕し、スラリーを得た。そして、噴霧造粒乾燥装置を用いてスラリーを噴霧造粒して球状顆粒を得た後、この球状顆粒を所定の金型に充填して粉末プレス成形法により成形し成形体を得た。次に、この成形体を120ｋＰａの窒素分圧で，1300℃の温度で焼成し窒化珪素のα
化率が90％以上の窒化体を得た後、さらに120ｋＰａの窒素分圧で、1750℃の最高温度で
５時間保持した。ここまでの条件は同じであり、最高温度から1200℃までの降温速度を、一方は15℃／ｍｉｎとし、他方は10℃／ｍｉｎで降温して、その後、室温まで冷却することにより、窒化珪素質焼結体を得た。

そして、酸素分析装置（堀場製作所製 EMGA−650FA）を用いた赤外線吸収法により窒
化珪素質焼結体中の酸素の含有量を求めた。また、ＩＣＰ発光分光分析装置（島津製作所製 ICPS−8100）を用いてＹおよびＡｌの定量分析を行ない、それぞれＹ_２Ｏ_３およびＡｌ_２Ｏ_３に換算し、この酸化物換算で必要とした酸素量を窒化珪素質焼結体中の酸素の含有量から差し引き、この差し引いた酸素量からＳｉＯ_２に換算した。そして、それぞれ換算したＹ_２Ｏ_３，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２量を100から差し引くことにより、窒化珪素の含
有量を求めた。その結果、窒化珪素質焼結体の組成は、窒化珪素が86質量％であり、Ｙ_２Ｏ_３換算で8.4質量％であり、Ａｌ_２Ｏ_３換算で3.5質量％であり、ＳｉＯ_２換算で3.1質
量％であった。

また、Ｘ線回折装置（Bruker AXS社製 D8 ADVANCE）を用いて、窒化珪素質焼結体の
表面にＣｕＫα線を照射し、ＣｕＫα線の回折方向と入射方向の角度差（２θ）と回折Ｘ線強度を検出器で走査した結果であるＸ線回折チャートを得た。その結果、最高温度から1200℃までの降温速度が15℃／ｍｉｎのものについては、２θ＝29°〜31°付近に鋭いピ
ークが確認されず、Ｙ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在していなかった。これに対し、最高温度から1200℃までの降温速度が10℃／ｍｉｎのものについては、２θ＝29°〜31°付近に鋭いピークが確認され、ＪＣＰＤＳカードに基づいて同定したところ、Ｙ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在することがわかった。

次に、ＪＩＳＲ 1601−2008に準拠した試験片寸法となるように窒化珪素質焼結体に研削加工を施して、４点曲げ強さ試験を行なった。その結果、最高温度から1200℃までの降温速度が15℃／ｍｉｎであり、Ｙ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在していない窒化珪素質焼結体よりも、最高温度から1200℃までの降温速度が10℃／ｍｉｎであり、Ｙ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶の存在が確認された窒化珪素質焼結体は、４点曲げ強度の値が10〜20％高く、Ｙ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在していることにより、強度を向上できることがわかった。

次に、実施例１と同様の粉末を準備して、表１に示す組成となるように秤量して実施例１と同様の方法で窒化珪素質焼結体を作製した。なお、最高温度から1200℃までの降温速度は、６℃／ｍｉｎとし、組成については、実施例１と同様の方法により求めた。

そして、ＪＩＳＲ 1601−2008に準拠した試験片寸法となるように窒化珪素質焼結体に研削加工を施して、４点曲げ強さ試験を行なった。また、窒化珪素質焼結体の表面を研磨加工してＪＩＳＲ 1607−2010で規定される圧子圧入法（ＩＦ法）に準拠して測定した。結果を表１に示す。

表１に示す通り、Ｙ_２Ｏ_３換算で３質量％以上12質量％以下、Ａｌ_２Ｏ_３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ_２換算で２質量％以上４質量％以下含有し、残部が窒化珪素からなる試料Ｎｏ．２〜７は、850ＭＰａ以上の４点曲げ強度と、6.1ＭＰａ・ｍ^１／２以上の破壊靭性（Ｋ_ＩＣ）とを有しており、この範囲外の組成を示す試料よりも４点曲げ強度および破壊靭性に優れていた。また、試料Ｎｏ．５と試料Ｎｏ．６とを比較すると、試料Ｎｏ．５の方が４点曲げ強度および破壊靭性に優れており、Ｙ_２Ｏ_３：Ａｌ_２Ｏ_３：ＳｉＯ_２の窒化珪素質焼結体の含有量の質量比率が50〜66質量％：18〜26質量％：16〜24質量％であった方が機械的特性に優れていることがわかった。

次に、実施例２の試料Ｎｏ．４と同様の組成となるように各粉末を秤量して、実施例１と同様の作製方法で窒化体までを作製した。次に、120ｋＰａの窒素分圧で、1750℃の最
高温度で５時間保持し、最高温度から1200℃までの降温速度をそれぞれ表２に示す設定として、その後、室温まで冷却することにより、試料Ｎｏ．12〜17の窒化珪素質焼結体を得た。

次に、ＪＩＳＲ 1601−2008に準拠した試験片寸法となるように窒化珪素質焼結体に研削加工を施して、４点曲げ強さ試験を行なった。また、窒化珪素質焼結体の表面を研磨加工してＪＩＳＲ 1607−2010で規定される圧子圧入法（ＩＦ法）に準拠して測定した。結果を表２に示す。

表２に示す結果、Ｘ線回折チャートにおける２θ＝29.5°付近のＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶のピーク強度Ｘと、２θ＝33.7°付近の窒化珪素の結晶のピーク強度Ｙとの比率Ｘ／Ｙを0.05以上0.4以下である試料Ｎｏ．13〜17は、比率Ｘ／Ｙが0.04である試料Ｎｏ．12
よりも４点曲げ強度および破壊靭性に優れていることがわかった。

次に、実施例３の試料Ｎｏ．14と同様の組成となるように各粉末を秤量した。そして、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.1〜３μｍ）、ＷＯ_３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.1〜３μｍ）を準備し、Ｓｉ粉末、Ｓｉ_３Ｎ_４粉末、Ｙ_２Ｏ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末、ＳｉＯ_２粉末の合計100質量％に対し、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を２質量％以下（０質量％以下を除く）、Ｗ
Ｏ_３粉末を１質量％以下（０質量％以下を除く）加えて、後の工程については、実施例３の試料Ｎｏ．14と同様の作製方法で窒化珪素質焼結体を得た。

そして、得られた窒化珪素質焼結体について、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー装置（日本電子製ＪＸＡ−8600Ｍ型）を用いて、ＷとＳｉとが存在する領域、ＦｅとＳｉとが存在する領域を確認し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）分析したところ、ＷＳｉ_２およびＦｅＳｉ_２の結晶が粒界相に存在していることが確認できた。そして、実施例３の試料Ｎｏ．14と今回得られた窒化珪素質焼結体とを用いて、ＪＩＳＲ 1604−2008に準拠した試験片寸法となるように研削加工を施して、高温（800℃）における４点曲げ強さ試験
を行なった。

その結果、今回得られた窒化珪素質焼結体は、実施例３の試料Ｎｏ．14よりも高温（800℃）における４点曲げ強度の値が大きく、ＷＳｉ_２およびＦｅＳｉ_２の結晶が粒界相に
存在していることにより、高温における強度を向上できることがわかった。

Claims

窒化珪素の結晶を主相とし、粒界相にＹ_４ＳｉＡｌＯ_８Ｎの結晶が存在し、該Ｙ _４ＳｉＡｌＯ _８Ｎの結晶は、Ｘ線回折によりＹ _４ＳｉＡｌＯ _８Ｎと同定されたピークにおいて、Ｘ線回折チャートにおける２θ＝２９．４°付近に現れるピークが、２θ＝３０°を超える部分に現れるピークよりも大きいものであり、２θ＝２９．４°付近の前記Ｙ _４ＳｉＡｌＯ _８Ｎの結晶のピーク強度と、２θ＝３３．６°付近の前記窒化珪素の結晶のピーク強度とをそれぞれＸ，Ｙとしたとき、その比率Ｘ／Ｙが０．２以上０．３以下であることを特徴とする窒化珪素質焼結体。