JPH1149571A

JPH1149571A - 窒化珪素質焼結体とその製造方法

Info

Publication number: JPH1149571A
Application number: JP9220651A
Authority: JP
Inventors: Katsura Matsubara; 桂松原; Kazuhiro Urashima; 和浩浦島
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1997-07-31
Publication date: 1999-02-23

Abstract

(57)【要約】【課題】大がかりな装置を必要とせず焼成費用が安価
で、一度の焼成で所望の形状で高強度の窒化珪素質焼結
体を製造することができる窒化珪素質焼結体の製造方法
を提供する。【解決手段】８ｗｔ％のＹｂ₂Ｏ₃粉末と、３ｗｔ％のＭ
ｇＯ粉末と、０．５ｗｔ％のＡｌ₂Ｏ₃粉末と８８．５ｗ
ｔ％のＳｉ₃Ｎ₄原料粉末から成る圧粉体を、１気圧
（０．１ＭＰａ）の窒素雰囲気下で昇温して１５００℃
で１時間保持し、その後雰囲気を７５気圧（７．５ＭＰ
ａ）に昇圧して１５００℃で４時間保持して焼成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ベアリングボール
などの耐摩耗部材、タペットシムなどのエンジン部材及
び製鉄ラインにおける塑性加工用治具等に好適な強度特
性に優れた窒化珪素質焼結体及びその製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化珪素焼結体は、機械的特性、耐熱性
及び耐食性等に優れているため、様々な構造部材への適
用が試みられている。しかしながら、金属材料と比較す
ると、未だ強度や靭性が低く、窒化珪素材料が幅広く利
用されるに至っていない。この為、強度向上に対しては
様々な検討が成されてきた。

【０００３】窒化珪素焼結体の強度は、主に残留気孔及
び徴構造によって左右されることが知られている。そこ
で、従来、高強度焼結体を得るためには、ホットプレス
焼結や熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）焼結といった高圧力下
で行う焼成法を用い、残留気孔が無く微細な組織を有す
る焼結体を製造している。

【０００４】例えば、特開平１−２４２４６７号公報で
は、成形体にガラス被覆を施してＨＩＰ焼結することに
より機械的特性に優れた高密度窒化珪素焼結体を得てい
る。また、特開平５−７０２３３号公報では、焼結助剤
組成範囲を限定して１３００〜１７００℃という低温で
一次焼結を行った後、８０気圧（８ＭＰａ）以上の高圧
下で二次焼結により緻密化させて、高強度焼結体を製造
している。更に、特開平４−２３１３８１号公報では、
ＳｉＣと複合化することによりＳｉ₃Ｎ₄粒子の粒成長を
抑制し、高強度を得ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来、
窒化珪素焼結体においては、主として焼結助剤組成、添
加物及び焼結方法などを検討することにより、高強度化
が達成されている。しかしながら、焼結方法としては、
いずれもホットプレスあるいはＨＩＰ焼結などの加圧条
件下により行っているので、次のような欠点がある。即
ち、ホットプレスは一軸加圧であるため複雑形状の焼結
を行うことは不可能であり、また、ＨＩＰ焼結は大がか
りな装置を必要とするため焼成費用が嵩むといった欠点
がある。

【０００６】また、ＨＩＰ焼結より低い圧力で行うガス
圧焼結により高強度焼結体を作製している例もあるが、
ガス圧焼結の前に開気孔が消滅する程度に予備焼結する
必要があり、都合二度の焼成を行わなければならないと
いう欠点がある。

【０００７】本発明は、上記従来技術の欠点を解消した
高強度の窒化珪素質焼結体と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、上記従来技
術の状況を鑑み、焼結助剤組成を検討したところ、特定
組成の焼結助剤を用いることにより、１回のガス圧焼結
により緻密で高強度な窒化珪素焼結体を得ることが可能
であるということを見い出し、本発明を完成するに至っ
た。より詳細には、以下の知見に基づき本発明を完成す
るに至った。

【０００９】通常、高強度窒化珪素焼結体を開発する場
合、微細組織を得るために、より低温での液相生成が可
能な焼結助剤組成をまず探索する。また、焼結法として
は、開気孔が無くなるまで、即ち理論密度比で９５％程
度まで一次焼結を行った後、強度低下の要因となる残留
気孔を完全に除去するため、二次焼結としてＨＩＰ処理
を施している。

【００１０】しかしながら、このようにして得られた焼
結体であっても非常に低強度を示すものが時としてみら
れる。この原因について調査した結果、組織がいかに微
細であっても、窒化珪素粒子のほとんどが等軸晶である
と低強度となってしまうことがわかった。これは、理論
的には、このような組織であっても微細であれば高強度
化するはずであるが、実際には、クラックディフレクシ
ョンの効果が得られないため靭性が低下し、焼結体中不
可避に存在する欠陥から、低応力で破壊してしまうもの
と考えられた。そこで本発明者は、靭性を向上させるべ
く粒子を針状化することを念頭に置き、焼結助剤組成の
探索及び焼結条件の検討を行って本発明を完成するに至
ったのである。

【００１１】本発明によれば、次の窒化珪素質焼結体及
び窒化珪素質焼結体の製造方法により上記目的を達成す
ることができる。即ち、上記課題を解決するための請求
項１の発明は、窒化珪素及びＹｂサイアロンのうちの１
種以上の多結晶粒子とＹｂ−Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ
の非晶質相とから実質的に成る焼結体であって、前記焼
結体中のＹｂ量がＹｂ₂Ｏ₃換算で４〜１０ｗｔ％、Ｍｇ
量がＭｇＯ換算で２〜５ｗｔ％、Ａｌ量がＡｌ₂Ｏ₃換算
で０．５〜４ｗｔ％であり、Ａｌ₂Ｏ₃／ＭｇＯ重量比が
１以下であることを特徴とする窒化珪素質焼結体を要旨
とする。請求項２の発明は、前記焼結体の残留α率が５
〜３５％であることを特徴とする請求項１に記載の窒化
珪素質焼結体を要旨とする。

【００１２】請求項３の発明は、Ｓｉ₃Ｎ₄原料粉末、Ｙ
ｂ₂Ｏ₃粉末、Ｍｇ化合物粉末及びＡｌ化合物粉末から成
る圧粉体を前記圧粉体に対して不活性な雰囲気下で焼成
する焼成工程を含み、前記焼成工程は、前記圧粉体を１
〜２気圧（ａｔｍ）（０．１〜０．２ＭＰａ）の雰囲気
下で昇温して１４００〜１６００℃で実質的に開気孔が
残らないようになるまで保持する第一ステージと、前記
第一ステージの後に雰囲気圧力を３０気圧（ａｔｍ）
（３ＭＰａ）以上に昇圧して、前記第一ステージを経た
圧粉体を１４００〜１６００℃で焼結体の残留α率が５
〜３５％に達するまで保持する第二ステージを含むこと
を特徴とする窒化珪素質焼結体の製造方法を要旨とす
る。請求項４の発明は、前記第一ステージにおいて１４
００〜１６００℃で０．５〜２時間、前記第二ステージ
において１４００〜１６００℃で２〜５時間夫々保持す
ることを特徴とする請求項３に記載の窒化珪素質焼結体
の製造方法を要旨とする。なお、本発明において数値範
囲の記載は、両端値のみならず、その中に含まれる全て
の任意の中間値を含むものとする。また、ｗｔ％は、重
量％のことである。

【００１３】

【発明の実施の形態】

〔窒化珪素質焼結体〕本発明の窒化珪素質焼結体は、窒
化珪素及びＹｂサイアロンのうちの１種以上の多結晶粒
子とＹｂ−Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎの非晶質相とから
実質的に成る焼結体である。

【００１４】ここで、窒化珪素及びＹｂサイアロンのう
ちの１種以上の多結晶粒子とＹｂ−Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｉ−
Ｏ−Ｎの非晶質相とから実質的に成る焼結体とは、この
焼結体のＸ線回折測定を行った場合に、スペクトルがα
型窒化珪素、β型窒化珪素、α’型サイアロン及びβ’
型サイアロンのうちの１種以上で説明され（即ち、α型
窒化珪素、β型窒化珪素、α’型サイアロン及びβ’型
サイアロンのうちの１種以上のピークを含み）、その粒
界相については、窒化珪素あるいはサイアロンの最強ピ
ークに対し１０％を越えるスペクトルが存在しないこと
を意味する。尚、粒界相をこのような非晶質に限定した
のは、結晶相を生成するとこれが起点となって低強度で
破壊してしまうことがあるからである。

【００１５】故に、粒界相は非晶質であることが望まし
いが、Ｙｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｏ及びＮの元素のうち
２種類以上からなる結晶相が、粒界相に極微量だけ析出
した場合も本発明の窒化珪素質焼結体に含まれる。

【００１６】本発明の窒化珪素質焼結体は、好ましく
は、残留α率が５〜３５％（より好ましくは１０〜３０
％、さらに好ましくは１５〜２５％）である。前記焼結
体の残留α率を５〜３５％としたのは、同様に緻密体で
あっても、残留α率が５％よりも低すぎると粗大なβ粒
子から成る組織となり、強度が低下する傾向があるから
である。また、逆に３５％よりも高すぎると針状のβ粒
子が少ないために、クラックディフレクションの効果が
得られず、靭性が低下する傾向があるからである。

【００１７】ここで、窒化珪素質焼結体の残留α率と
は、冷却後の窒化珪素質焼結体におけるα相（α型窒化
珪素の相）の存在率を意味する。例えば、焼結体の残留
α率が５〜３５％であるとは、以下のことを意味する。
即ち、通常用いられるα型窒化珪素原料粉末に焼結助剤
を添加して焼成した場合、昇温途中及び温度保持の最中
に高温相のβ型に相転移するが、冷却後の焼結体におい
てα相が、未だ５〜３５％存在していることを示してい
る。

【００１８】また、この残留α率Ｒαは、α−Ｓｉ₃Ｎ₄
あるいはα’型サイアロンの指数（ｈｋｌ）のＸ線回折
強度をα（ｈｋｌ）として示し、β−Ｓｉ₃Ｎ₄あるいは
β’型サイアロンの指数（ｈｋｌ）のＸ線回折強度をβ
（ｈｋｌ）として示すと、Ｘ線回折により以下の様に定
義される。

【００１９】

【数１】

【００２０】本発明の窒化珪素質焼結体は、焼結体中の
Ｙｂ量がＹｂ₂Ｏ₃換算で４〜１０ｗｔ％（より好ましく
は５〜９ｗｔ％、さらに好ましくは６〜８ｗｔ％）、Ｍ
ｇ量がＭｇＯ換算で２〜５ｗｔ％（より好ましくは２〜
４ｗｔ％、さらに好ましくは２．５〜３．５ｗｔ％）、
Ａｌ量がＡｌ₂Ｏ₃換算で０．５〜４ｗｔ％（より好まし
くは０．５〜３ｗｔ％、さらに好ましくは１〜２ｗｔ
％）であり、Ａｌ₂Ｏ₃／ＭｇＯ重量比が１以下（より好
ましくは０．１５〜１、さらに好ましくは０．３〜０．
７）である。

【００２１】本発明の窒化珪素質焼結体の強度は、三点
曲げ強度（ＪＩＳＲ１６０１）で好ましくは１４０
０ＭＰａ以上（より好ましくは１４５０ＭＰａ以上、さ
らに好ましくは１５００ＭＰａ以上）である。また、本
発明の窒化珪素質焼結体の靱性は、ＪＩＳＲ１６０
７に従うＩＦ法による測定法で好ましくは５ＭＰａ・ｍ
^1/2以上（より好ましくは５．５ＭＰａ・ｍ^1/2以上、さ
らに好ましくは６ＭＰａ・ｍ^1/2以上）である。本発明
の窒化珪素質焼結体の密度は、アルキメデス法により測
定し混合則で計算した理論密度に対する比で好ましくは
９８％以上（より好ましくは９９％以上、さらに好まし
くは９９．５％以上）である。

【００２２】本発明の窒化珪素質焼結体は、好ましく
は、Ｓｉ₃Ｎ₄原料粉末、Ｙｂ₂Ｏ₃粉末、ＭｇＯ及びＡｌ
₂Ｏ₃粉末を混合成形して圧粉体とした後、１〜２気圧
（０．１〜０．２ＭＰａ）の窒素雰囲気下で昇温して１
４００〜１６００℃、好ましくは１４５０〜１５５０℃
で０．５〜２時間保持し、雰囲気を３０気圧（３ＭＰ
ａ）以上、好ましくは５０気圧（５ＭＰａ）以上１００
気圧（１０ＭＰａ）以下に昇圧して２〜５時間保持する
ことにより得ることができる。

【００２３】〔窒化珪素質焼結体の製造方法〕本発明の
窒化珪素質焼結体の製造方法は、Ｓｉ₃Ｎ₄原料粉末、Ｙ
ｂ₂Ｏ₃粉末、Ｍｇ化合物粉末及びＡｌ化合物粉末から成
る圧粉体を前記圧粉体に対して不活性な雰囲気下で焼成
する焼成工程を含む。前記圧粉体に対して不活性な雰囲
気として、好ましくは窒素雰囲気を用いる。

【００２４】［圧粉体］前記圧粉体は、好ましくは、Ｙ
ｂ₂Ｏ₃粉末を４〜１０ｗｔ％（より好ましくは５〜９ｗ
ｔ％、さらに好ましくは６〜８ｗｔ％）、Ｍｇ化合物粉
末を２〜５ｗｔ％（より好ましくは２〜４ｗｔ％、さら
に好ましくは２．５〜３．５ｗｔ％）、Ａｌ化合物粉末
を０．５〜４ｗｔ％（より好ましくは０．５〜３ｗｔ
％、さらに好ましくは１〜２ｗｔ％）含有し、残りの部
分がＳｉ₃Ｎ₄原料粉末から成るものにする。前記圧粉体
におけるＳｉ₃Ｎ₄原料粉末の含有率は、好ましくは８５
〜９５ｗｔ％（より好ましくは８８〜９２ｗｔ％、さら
に好ましくは８９〜９１ｗｔ％）である。

【００２５】Ｓｉ₃Ｎ₄原料粉末としては、好ましくはα
型窒化珪素を用いる。Ｙｂ₂Ｏ₃粉末としては、Ｙｂ₂Ｏ₃
の組成のものであれば結晶の種類等にかかわらずいずれ
のものでも用いることができるが、できるだけ微細な粉
末を用いるのが好ましい。Ｍｇ化合物粉末としては、Ｍ
ｇＯ粉末の他、塩基性炭酸マグネシウム４ＭｇＣＯ₃・
Ｍｇ（ＯＨ）₂・５Ｈ₂Ｏ粉末を、Ａｌ化合物粉末として
は、Ａｌ₂Ｏ₃粉末の他ＡｌＮ等を使用することが可能で
ある。

【００２６】焼結助剤として、数ある希土類酸化物の中
からＹｂ₂Ｏ₃粉末を選択した理由は、この元素が最も焼
結体組織の針状化に寄与するからである。また、ＭｇＯ
粉末については、低温での液相生成を促進する効果があ
り、アスペクト比の高い窒化珪素粒子が形成される。更
に、Ａｌ₂Ｏ₃粉末については、窒化珪素粒子内に置換固
溶し、無用な粒成長を抑制する効果があることから、焼
結体組織全体の微細化に有効である。

【００２７】前記圧粉体における好ましいＹｂ₂Ｏ₃粉末
含有率を４〜１０ｗｔ％としたのは、４ｗｔ％未満の場
合には焼結性が低下する傾向があり、１０ｗｔ％を越え
るとメリライト型結晶相を粒界に多量に生じ、強度が低
下してしまう傾向があるからである。

【００２８】前記圧粉体における好ましいＭｇ化合物粉
末（好ましくはＭｇＯ粉末）含有率は２〜５ｗｔ％であ
る。この含有率が２ｗｔ％未満の場合には焼結性が低下
する傾向があり、５ｗｔ％を越えるとＭｇ成分が粒界相
に偏析し、強度が低下する傾向があるからである。

【００２９】前記圧粉体における好ましいＡｌ化合物粉
末（好ましくはＡｌ₂Ｏ₃粉末）含有率は０．５〜４ｗｔ
％である。この含有率が０．５ｗｔ％未満の場合には粒
成長を抑制する効果が不十分である傾向があり、一方、
４ｗｔ％を越える場合については、窒化珪素粒子と粒界
ガラス相の界面接合強度が強固になるため、粒内破壊が
増加してクラックディフレクションが生じず、靭性の低
下を生じてしまう傾向があるからである。

【００３０】更に、前記圧粉体における好ましいＡｌ₂
Ｏ₃／ＭｇＯ重量比は１以下であり、そのようにしたの
は、ＭｇＯはＡｌ₂Ｏ₃とは逆に窒化珪素粒子と粒界ガラ
ス相の界面接合強度を弱くするような効果があり、粒界
破壊を生じさせるためにはＭｇＯ添加量はＡｌ₂Ｏ₃添加
量より常に同量以上であることが好ましいからである。

【００３１】Ｓｉ₃Ｎ₄原料粉末の平均粒径は、好ましく
は０．３〜１μｍである。Ｙｂ₂Ｏ₃粉末の平均粒径は、
好ましくは０．５〜３μｍである。Ｍｇ化合物粉末の平
均粒径は、好ましくは０．０１〜１μｍである。Ａｌ化
合物粉末の平均粒径は、好ましくは０．５〜３μｍであ
る。

【００３２】前記圧粉体として、好ましくは、等方的に
加圧されて得られた等方加圧圧粉体を用いる。等方的に
加圧するための手段としては、例えば湿式法静水圧プレ
スあるいは乾式法静水圧プレス等がある。加圧する際の
圧力は、好ましくは１００ＭＰａ以上にする。前記圧粉
体の密度は、好ましくは理論密度の５０％以上にする。

【００３３】［圧粉体の焼成工程］前記焼成工程は、次
の第一ステージと第二ステージを含む。

【００３４】［第一ステージ］即ち、第一ステージは、
前記圧粉体を１〜２気圧（０．１〜０．２ＭＰａ）（好
ましくは１〜１．５気圧（０．１〜０．１５ＭＰａ））
の雰囲気下で昇温して（好ましくは２０〜１００℃の非
加熱時の雰囲気温度から１４００〜１６００℃まで昇温
して）、１４００〜１６００℃（好ましくは１４５０〜
１５５０℃、より好ましくは１４８０〜１５２０℃）の
焼結温度で０．５〜２時間（好ましくは０．５〜１．５
時間）保持するステージ（１４００〜１６００℃での保
持圧力１〜２気圧（０．１〜０．２ＭＰａ））である。

【００３５】ここで、昇温時の圧力を１〜２気圧とした
のは、圧力が１気圧（０．１ＭＰａ）よりも低いと揮発
により焼結体の表面が肌荒れを起こし、また圧力が２気
圧（０．２ＭＰａ）よりも高くなると緻密化を阻害する
ためである。

【００３６】第一ステージの焼結温度に関しては、１４
００℃よりも低温になると助剤組成により多少異なるが
緻密化しないか、たとえ緻密化しても残留α率が３５％
より高くなってしまう。一方、１６００℃よりも高温に
なると、逆に残留α率が５％より低くなってしまう。

【００３７】第一ステージの雰囲気は、前記圧粉体に対
して不活性な雰囲気、好ましくは窒素雰囲気にする。ま
た、非加熱時の雰囲気温度から１４００〜１６００℃ま
で昇温する際の昇温速度は、好ましくは１〜１５℃／分
（より好ましくは５〜１０℃／分）にする。

【００３８】第一ステージの１４００〜１６００℃での
保持時間については、基本的には温度に依存して定めら
れ、より低温程長時間を要する傾向があり、実質的に開
気孔が残らないよう定める。平均的に言うと、０．５時
間よりも短すぎると焼結が進まず開気孔が残ってしまう
ため、この後の第二ステージで昇圧したときに第二ステ
ージで加える圧力の効果が得られない傾向がある。ま
た、２時間を越えると窒化珪素粒子が粒成長してしまう
ため、第二ステージで昇圧した際に残留気孔を完全に潰
すことが困難となる傾向がある。

【００３９】［第二ステージ］また、第二ステージは、
前記第一ステージの後に引き続いて行うステージであ
り、雰囲気圧力を３０気圧（３ＭＰａ）以上（好ましく
は５０気圧（５ＭＰａ）以上１００気圧（１０ＭＰａ）
以下）に昇圧して（好ましくは、前記第一ステージにお
ける１４００〜１６００℃での保持温度における雰囲気
圧力から３０気圧（３ＭＰａ）以上に昇圧して）、前記
第一ステージを経た圧粉体（半焼成体）を１４００〜１
６００℃（好ましくは１４５０〜１５５０℃、より好ま
しくは１４８０〜１５２０℃）の焼結温度で２〜５時間
（好ましくは３〜４時間）保持するステージである。

【００４０】最終的に圧力を３０気圧（３ＭＰａ）以上
としたのは、これより低圧だと残留気孔を消去しきれな
いためである。更に、圧力は高いほど気孔は消去される
が、焼成コストを考慮すれば１００気圧（１０ＭＰａ）
までで十分である。

【００４１】第二ステージの保持時間（１４００〜１６
００℃での保持時間）については、２時間よりも短すぎ
ると針状組織が発達せず、５時間よりも長すぎると残留
α率が低くなって好ましくないことになる。

【００４２】第二ステージの雰囲気は、前記圧粉体に対
して不活性な雰囲気、好ましくは窒素雰囲気にする。前
記第一ステージにおける１４００〜１６００℃での保持
温度における雰囲気圧力から３０気圧（３ＭＰａ）以上
に昇圧する際の昇圧速度は、好ましくは０．１〜２ＭＰ
ａ／分（より好ましくは０．５〜１ＭＰａ／分）にす
る。

【００４３】第二ステージの焼結温度に関しては、１４
００℃よりも低温になると助剤組成により多少異なるが
緻密化しないか、たとえ緻密化しても残留α率が３５％
より高くなってしまう。一方、１６００℃よりも高温に
なると、逆に残留α率が５％より低くなってしまう。

【００４４】

【実施例】

［実施例１］平均粒径０．６μｍ、α率９７％のＳｉ₃
Ｎ₄粉末に、平均粒径１．２μｍのＹｂ₂Ｏ₃粉末、平均
粒径０．０５μｍのＭｇＯ粉末及び平均粒径１．０μｍ
のＡｌ ₂Ｏ₃粉末の各粉末を表１に示した組成で配合し、
窒化珪素製の球石を使用してエタノール中で湿式混合後
に湯煎乾燥して得られた粉末を５５×５５×２５ｍｍに
２ｔｏｎ／ｃｍ²（２００ＭＰａ）の圧力で静水圧プレ
ス成形し、１気圧（０．１ＭＰａ）−１５００℃−１ｈ
／７５気圧（７．５ＭＰａ）−１５００℃−４ｈで焼成
した。

【００４５】

【表１】

【００４６】得られた焼結体の密度、残留α率、粒界相
の状態、強度及び靭性を表２に示す。ここで、焼結体の
密度は、アルキメデス法により測定し混合則で計算した
理論密度に対する比で表した。残留α率は、前述のよう
にＸ繰回折のピーク強度から計算式を用いて算出した。
強度は、焼結体加工装置によりＪＩＳ試験片を作製し、
ＪＩＳＲ１６０１に従う三点曲げ強度により測定し
た。靭性は、ＪＩＳＲ１６０７に従うＩＦ法により測
定した。尚、粒界相の状態については、焼結体のＸ線回
折測定を行い窒化珪素あるいはＹｂサイアロンの最強ピ
ークに対して、１０％以下のスペクトルしか存在しない
場合は非晶質、１０％以上のスペクトルが存在する場合
は、その結晶相名を記載した。

【００４７】

【表２】

【００４８】表２から明らかなように、本発明の組成に
属する焼結体によれば１回のみの焼結で１４００ＭＰａ
以上の高強度が得られる。比較例８では、ＭｇＯ添加量
が１ｗｔ％と少ないため焼結後の密度が低く、低強度で
ある。また、比較例９及び１１においてはＡｌ₂Ｏ₃の添
加量が多いこと、及びＡｌ₂Ｏ₃／ＭｇＯ比（重量比）が
高いことから靭性が低く、強度が低い。比較例１０で
は、ＭｇＯ添加量が多いためにＭｇの偏析が生じ、これ
を起点として低応力で破壊している。比較例１２では、
Ｙｂ₂Ｏ₃添加量が多いため、メリライト型の結晶相（Ｙ
ｂ₂Ｓｉ₃Ｏ₃Ｎ₄）を粒界に生成し、低強度を示してい
る。

【００４９】［実施例２］平均粒径０．６μｍ、α率９
７％のＳｉ₃Ｎ₄粉末に、平均粒径１．２μｍのＹｂ₂Ｏ₃
粉末、平均粒径０．０５μｍの塩基性炭酸マグネシウム
４ＭｇＣＯ₃・Ｍｇ（ＯＨ）₂・５Ｈ₂Ｏ粉末及び平均粒
径１．０μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末の各粉末を重量基準で、８
８％Ｓｉ₃Ｎ₄−８％Ｙｂ₂Ｏ₃−７．２％４ＭｇＣＯ₃・
Ｍｇ（ＯＨ）₂・５Ｈ₂Ｏ（３％ＭｇＯ換算）−１％Ａｌ
₂Ｏ₃組成に配合し、窒化珪素ボールミルを使用して水中
で混合し、スプレー乾燥した。この粉末を５５×５５×
３０ｍｍに２ｔｏｎ／ｃｍ²（２００ＭＰａ）の圧力で
静水圧プレス成形し、表３に示す焼結条件により焼成し
た。

【００５０】

【表３】

【００５１】得られた焼結体の密度、残留α率、強度及
び靭性を表４に示す。ここで、焼結体の密度は、アルキ
メデス法により測定し混合則で計算した理論密度に対す
る比で表した。残留α率は、前述のようにＸ繰回折のピ
ーク強度から計算式を用いて算出した。強度は、焼結体
加工装置によりＪＩＳ試験片を作製し、ＪＩＳＲ１６
０１に従う三点曲げ強度により測定した。靭性は、ＪＩ
ＳＲ１６０７に従うＩＦ法により測定した。

【００５２】

【表４】

【００５３】表４から明らかなように、本発明の製造方
法によれば高強度焼結体を得ることが可能である。な
お、比較例１８では、第Ｉステージすなわち昇温過程の
雰囲気圧力が高いため、比較例１９では、第IIステージ
の圧力が１０気圧（１ＭＰａ）と低いため、いずれも緻
密化の度合いが低く、低強度となっている。比較例２０
では、第Ｉステージの保持時間が長すぎるため、比較例
２１では焼結温度が高すぎるため、いずれも粗大粒子が
生成し強度を低下させている。

【００５４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１〜２の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素及びＹｂサイア
ロンのうちの１種以上の多結晶粒子とＹｂ−Ｍｇ−Ａｌ
−Ｓｉ−Ｏ−Ｎの非晶質相とから実質的に成る焼結体で
あって、前記焼結体中のＹｂ量がＹｂ₂Ｏ₃換算で４〜１
０ｗｔ％、Ｍｇ量がＭｇＯ換算で２〜５ｗｔ％、Ａｌ量
がＡｌ₂Ｏ₃換算で０．５〜４ｗｔ％であり、Ａｌ₂Ｏ₃／
ＭｇＯ重量比が１以下であるので、次の基本的効果を奏
することができる。

【００５５】（１）焼結体における微構造及び窒化珪素
粒子と粒界相の界面強度が改善されており、高強度であ
る。（２）また、一度の焼成で作製できるため、製造する際
に焼成費用の削減が可能となり、低コストで製造するこ
とができるから安価である。請求項２の窒化珪素質焼結
体は、上記基本的な効果がより顕著である。

【００５６】請求項３〜４の窒化珪素質焼結体の製造方
法は、Ｓｉ₃Ｎ₄原料粉末、Ｙｂ₂Ｏ₃粉末、Ｍｇ化合物粉
末及びＡｌ化合物粉末から成る圧粉体を前記圧粉体に対
して不活性な雰囲気下で焼成する焼成工程を含み、前記
焼成工程は、前記圧粉体を１〜２気圧（０．１〜０．２
ＭＰａ）の雰囲気下で昇温して１４００〜１６００℃で
実質的に開気孔が残らないようになるまで保持する第一
ステージと、前記第一ステージの後に雰囲気圧力を３０
気圧（３ＭＰａ）以上に昇圧して、前記第一ステージを
経た圧粉体を１４００〜１６００℃で焼結体の残留α率
が５〜３５％に達するまで保持する第二ステージを含む
ものであり、このような焼結条件の最適化により、所望
の形状の上記本発明の窒化珪素質焼結体を、一度の焼成
で製造することができるため、焼成費用の削減が可能と
なり、コストダウンを可能とするという基本的な効果を
奏することができるものである。請求項４の窒化珪素質
焼結体の製造方法は、上記基本的な効果が顕著である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化珪素及びＹｂサイアロンのうちの１種
以上の多結晶粒子とＹｂ−Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎの
非晶質相とから実質的に成る焼結体であって、前記焼結
体中のＹｂ量がＹｂ₂Ｏ₃換算で４〜１０ｗｔ％、Ｍｇ量
がＭｇＯ換算で２〜５ｗｔ％、Ａｌ量がＡｌ₂Ｏ₃換算で
０．５〜４ｗｔ％であり、Ａｌ₂Ｏ₃／ＭｇＯ重量比が１
以下であることを特徴とする窒化珪素質焼結体。
【請求項２】前記焼結体の残留α率が５〜３５％である
ことを特徴とする請求項１に記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項３】Ｓｉ₃Ｎ₄原料粉末、Ｙｂ₂Ｏ₃粉末、Ｍｇ化
合物粉末及びＡｌ化合物粉末から成る圧粉体を前記圧粉
体に対して不活性な雰囲気下で焼成する焼成工程を含
み、前記焼成工程は、前記圧粉体を１〜２気圧（０．１〜
０．２ＭＰａ）の雰囲気下で昇温して１４００〜１６０
０℃で実質的に開気孔が残らないようになるまで保持す
る第一ステージと、前記第一ステージの後に雰囲気圧力
を３０気圧（３ＭＰａ）以上に昇圧して、前記第一ステ
ージを経た圧粉体を１４００〜１６００℃で焼結体の残
留α率が５〜３５％に達するまで保持する第二ステージ
を含むことを特徴とする窒化珪素質焼結体の製造方法。
【請求項４】前記第一ステージにおいて１４００〜１６
００℃で０．５〜２時間、前記第二ステージにおいて１
４００〜１６００℃で２〜５時間夫々保持することを特
徴とする請求項３に記載の窒化珪素質焼結体の製造方
法。