JP2001172085A

JP2001172085A - 窒化珪素質焼結体とその製造方法およびこれを用いた窒化珪素質耐摩耗性部材

Info

Publication number: JP2001172085A
Application number: JP35915399A
Authority: JP
Inventors: Masataka Ueda; 正孝上田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2001-06-26
Anticipated expiration: 2019-12-17
Also published as: JP4822573B2

Abstract

(57)【要約】【課題】寿命が長く信頼性に富んだ窒化珪素質耐摩耗部
材を提供する。【解決手段】粒界相を有する窒化珪素質焼結体であっ
て、表面より１ｍｍの範囲内にある粒界相の最大結晶径
を１００μｍ以下とした窒化珪素質焼結体で耐摩耗性部
材を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化珪素質焼結体
からなる耐摩耗性部材およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化珪素質焼結体は、高強度で耐摩耗性
や剛性に優れているため構造用機械部品の材料として期
待されており、近年ではこれらの特性を利用してベアリ
ングの転動体であるボールやローラーに使用されてい
る。

【０００３】上記窒化珪素質焼結体の焼結に際しては、
上記窒化珪素質焼結体の原材料である窒化珪素に自己焼
結性がないため焼結助剤を添加して焼結を行っている。
上記焼結助剤としては、一般にＹ₂Ｏ₃などの希土類酸化
物や、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＣａＯなどの酸化物が組み合
わされて用いられている。そして、窒化珪素粉末にこれ
らの焼結助剤を混合して成形した後、焼結を行うことに
より窒化珪素質焼結体を得ている。上記焼結する方法と
しては、常圧下で行う常圧焼結や窒素等による雰囲気加
圧焼結などがあり、さらに、上記常圧焼結により得られ
る焼結体においては、焼結体内部の残留気孔を排除する
ために高温で高いガス圧力で処理して機械的強度を向上
させるために、ＨＩＰ（熱間静水圧加圧）処理を行って
いる。

【０００４】特に、軸受材料として用いる場合は、材料
に内在する微少な欠陥（気孔等）が転がり疲労によって
表面で剥離を起こす原因となるため、雰囲気加圧焼結や
ＨＩＰ処理が用いられている。このようにして得られた
焼結体は、製品として精密加工された後、軸受部品とし
て使用される。

【０００５】転動体は、表面ないしはその近傍の表層に
高い引っ張り応力を受けるために、表面ないしはその近
傍の表層に欠陥が存在しないことが重要であり、軸受部
品材料として用いる焼結体には、特に、欠陥（気孔、介
在物、組織の異常など）がないことが要求されている。

【０００６】さらに、近年はセラミックベアリングの主
用途である工作機械の高速化、及び、航空機、宇宙産業
への市場展開により、より高温環境化での高負荷用セラ
ミック軸受けのニーズが高まっている。また、軽量であ
ることから高速回転のＨＤＤ用としてセラミック軸受け
のニーズが高まっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ようにして得られる窒化珪素質焼結体を用いた軸受材料
は、摩擦熱の発生による機械的特性の低下が発生すると
いう問題点があった。特に、光学顕微鏡で観察したとき
に焼結体内に白い模様が発生し、製品に加工するまでに
除去できずに製品の表面に残った場合、機械的特性の低
下が顕著であった。この白い模様は粒界の欠落によるも
のであり、表面に残った模様は、製品表面の蛍光探傷検
査において明確な欠陥指示模様ではないが微弱に発色す
る。

【０００８】特開平６−３２９４７２号公報でも、この
ような模様を有する窒化珪素質焼結体は、軸受材料とし
て要求されている転がり寿命に対して、下記に示すよう
な問題が記載されている。

【０００９】上記表面からの深さが１ｍｍを越えると、
該模様を構成している粒界相欠落部の大きさが０. ３μ
ｍを越える傾向があり、転がり疲労による剥離を起こ
す。また、窒化珪素質焼結体が有する上記模様を構成し
ている上記粒界相欠落部の集合体の大きさは、０. ３μ
ｍ以下であっても使用温度が高い軸受けについてはその
粒界相欠落部の集合体の大きさが０．５ｍｍ以上になる
と、短時間で転がり疲労による剥離を生じるという問題
があった。

【００１０】特開平６−３２９４７２号公報の中には、
上記のような問題も示されているが、欠陥サイズを０．
３μｍ以下のマイクロボイドの集合体であると規定した
のみで根本対策には至っていない。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は前記課題に鑑
み、種々検討した結果、結晶粒界相の少なくとも一部が
結晶化している窒化珪素質焼結体であって、前記粒界相
の結晶最大径が１００μｍ以下とすることにより上記課
題を解決できることを見出した。

【００１２】また、かかる焼結体を作製する方法とし
て、窒化珪素を主成分とし、焼結助剤として希土類元素
酸化物粉末および酸化アルミニウム粉末を添加した混合
物を成形した後、非酸化物雰囲気中で１６００℃〜２０
００℃の温度で焼成し緻密化し、急速に冷却した後、９
００℃〜１２００℃の温度で熱処理することが有効であ
ることを見出した。摩擦熱による高温耐久性を向上させ
るために粒界を結晶化させて熱伝導率を向上させること
が重要であり、さらに、その粒界相の結晶の大きさが粒
界相欠落部の発生に影響し、ひいては高温耐久性に影響
することを発見し、本発明に至ったのである。

【００１３】また、粒界相欠落部は粒界相の最大結晶径
に起因することが判明した。したがって、粒界相の最大
結晶径を小さくすることで粒界相欠落部の発生を小さく
し、粒界相欠落部の集合である樹枝状白色模様が生じに
くくなることを見いだし、本発明に至ったのである。

【００１４】ここで、粒界結晶相と示しているものは、
従来指摘されている窒化珪素結晶相に囲まれるように存
在する欠陥としての粒界結晶相ではなく、一群の窒化珪
素結晶相を内部に分散した粒界相のまとまりを意味する
ものであり、セラミックスを研磨し偏光顕微鏡で観察す
ることにより、観察できるものである。こうして観察さ
れる粒界結晶相は、結晶がある一点から放射状に並んで
いるので、他の部分と識別することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。

【００１６】まず、本発明の窒化珪素質焼結体について
説明する。本発明の窒化珪素は焼結助剤として、酸化物
換算で１〜３０重量％の希土類元素化合物や、他に酸化
珪素、酸化アルミニウムを含有するものである。また、
上記の焼結助剤により形成される粒界相は、少なくとも
一部が結晶化しており、その粒界相の最大結晶径が１０
０μｍ以下であることを特徴とする。

【００１７】ここで、まず、従来の窒化珪素質焼結体の
粒界結晶相の模式図を図２を用いて説明する。従来の窒
化珪素質焼結体は、表面ないしは破面を研磨し偏光顕微
鏡でその組織を観察すると、偏光の角度を調整した場合
に図２に示したように、光る集合部分が見える。これ
が、粒界結晶相１である。その大きさにより、１０〜２
００倍程度の倍率で観察することができる。この粒界結
晶相１が１００μｍより大きくなると、その周囲に、粒
界相欠落層２である樹脂状白色模様が発生しているのが
判る。これに対し、本発明の窒化珪素質焼結体の粒界結
晶相は、図１に示すように粒界結晶相１の大きさが１０
０μｍ以下と小さく、その周囲に粒界相欠落部である樹
脂状白色模様がみえないことが特徴である。

【００１８】本発明者等は、この粒界結晶相１をよく観
察することにより、これらが、結晶相がある起点から放
射状に結晶化した粒界結晶相１であり、これらの組織の
中に窒化珪素の結晶が内包されている組織であることが
判った。また、これらの磁器が焼成後冷却され、前記粒
界結晶相１が生成する際に大きく収縮するため、残留し
ている液層成分との間に隙間が生成し、前記結晶化した
粒界結晶相１の周囲に隙間を生成させたものが、粒界相
欠落部２であることを見出した。

【００１９】しかしながら、本発明の窒化珪素質焼結体
は、粒界相の少なくとも一部が結晶化していることが重
要である。その理由は、窒化珪素質焼結体の用途として
軸受け部品があるが、使用中の摩擦熱の発生により機械
的特性の低下が発生するという問題点があったからであ
る。そこで発生する摩擦熱を効率よく逃がしてやる必要
がある。窒化珪素には自己焼結性がないために焼結助剤
を添加して焼結を行っている。一般に、熱伝導率は金属
や結晶性の良い物質が優れているが、窒化珪素粒子の間
の粒界相が非晶質であると、非晶質の部分は熱伝導率が
低いために摩擦熱が効率よく逃がされない。ところが粒
界相が結晶化していると熱伝導率が高く、摩擦熱を効率
よく逃がすことができ、窒化珪素質焼結体を軸受け部品
として用いたときに機械的特性の低下が発生しないこと
を見出した。

【００２０】粒界相の欠陥に関しては、特開平２−１４
１４７４号公報に１００μｍ以上の粒界析出部が存在し
ないことが必要であることが示されているが、前記特許
公報で示されている粒界析出部は、窒化珪素の粒子間に
形成される欠陥であり、本発明で捕らえている粒界析出
部は、ある一点から放射状に粒界結晶相が並んだ、一群
の窒化珪素の粒子を包含する粒界相のまとまりを意味す
る点で、基本的に異なるものである。前記特許公報で示
されている欠陥には、内部に窒化珪素の結晶を内部に分
散した粒界相の最大結晶径が１００μｍ以下であること
を示唆する記述はない。また、粒界相の結晶化につい
て、特願昭６３−４４００１号公報に粒界相の５０％以
下が結晶化している窒化珪素材料とすることが必要であ
るとの記載があるが、ここでも、本発明のように、内部
に窒化珪素の結晶を内部に分散した最大結晶径について
はしめされていない。

【００２１】また、本発明は、粒界相の最大結晶径を小
さくすることで粒界相欠落部２の発生を小さくし、粒界
相欠落部２の集合である樹枝状白色模様が生じにくくす
ることができる。すなわち、粒界相欠落部の発生は次の
ように説明される。

【００２２】焼成中に液相となっている焼結助剤を主と
する成分が冷却に伴い熱収縮するが、その一部または全
てが結晶化すると、結晶化に伴う急激な体積収縮（体積
収縮で数％）が生じ、隣接する粒界の結晶あるいは過冷
却状態の非晶質部との間に隙間が生じ粒界相の欠落部が
発生するのである。このとき粒界相の最大結晶径が大き
く、その数が少ないほど結晶化に伴う体積収縮により発
生する隙間が大きくなり、より大きな粒界相欠落部が発
生する。そこで粒界相欠落部２の発生を抑えるために
は、粒径の小さい粒界の結晶が数多くあればよい。

【００２３】最大粒径が１００μｍ以下の小さい粒界の
結晶を数多く発生させるためには、焼成後に急激に冷却
することにより粒界を非晶質化させてやり、その後、結
晶の核生成温度で熱処理を行い多くの核を生成させたの
ち結晶化させることが必要である。ただし、焼成後に急
冷を行わないと、冷却過程でサイズの大きい結晶が生成
してしまい、そのとき起こる体積収縮により粒界相欠落
部が発生する。そのために、焼成後に急冷して粒界相を
一旦非晶質化させてやる必要があり、そうすることによ
り焼成後に行う９００℃〜１２００℃の温度での熱処理
により１００μｍ以下の小さな結晶核が数多く析出し、
粒界の結晶相は１００μｍ以上の大きさには成長しな
い。

【００２４】このときの粒界相の最大結晶径について説
明する。

【００２５】通常、粒界が結晶化した場合、その最大結
晶径は、サブμｍから数ｍｍの大きさであると考えられ
ていた。通常走査型電子顕微鏡などによって観察される
粒界相は、二つの窒化珪素粒子に挟まれた２面間領域
や、三つの窒化珪素粒子に挟まれた３重点領域などを指
し、その大きさはせいぜい大きくても十数μｍ（偏析が
ある場合数十μｍ）の様に観察される。しかし、実際に
は窒化珪素粒子の２面間領域や３重点領域は立体的に連
結しているため、結晶化した場合、１つの結晶は立体的
に連結した広い領域（例えば数ｍｍ）に及ぶ事がある。
これは、窒化珪素焼結体を薄片化し、偏光顕微鏡などで
観察すると、数ｍｍの領域に渡って粒界相が同一方位を
有して結晶化している場合があることからも明らかであ
る。

【００２６】数ｍｍの最大結晶径となる場合は、数ｍｍ
の結晶相（例えばＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇結晶など）の中に窒化
珪素粒子が密に分散した形態となっているのである。本
発明で定義する粒界相の最大結晶径は、１０〜１００μ
ｍの厚さ、または粒界結晶相が確認される程度の厚さま
で薄片加工した窒化珪素質焼結体を偏光顕微鏡で観察し
たときに、ある一点から放射状に成長した白く光る結晶
群が確認できた場合、この結晶群の大きさを粒界相の最
大結晶径と判断した。顕微鏡で観察する場合の倍率は、
粒界結晶相の大きさに応じて２０〜２００倍程度で観察
することが可能である。本発明では、ひとつの試料につ
き５ｍｍ角の部分を５箇所づつ観察した。この大きさ
は、顕微鏡写真から測定した。

【００２７】このようにして観察すると、粒界相の最大
結晶径が１００μｍ以下、望ましくは１０μｍ以下であ
れば、結晶化による体積収縮量が小さく、粒界結晶間ま
たは、一部結晶化せずに残存する非晶質間との隙間に生
じる粒界欠落部が小さくなる。粒界相の最大結晶径を上
記のように管理すると、粒界相欠落部の集合である樹枝
状白色模様の大きさについては３００μｍ以下、望まし
くは１００μｍ以下、さらに望ましくは１０μｍ以下と
なり、転がり疲労による剥離が生じないことが判明し
た。

【００２８】さらには、セラミック部品、特に軸受け材
等の耐摩耗性部品は表面を研削したり、研削しない場合
でも表面近傍に応力がかかるため、表面より１ｍｍの範
囲内の粒界相欠落部が１μｍ以下、かつ１μｍ以下の粒
界相欠落部の集合である樹枝状白色模様の大きさが３０
０μｍ以下であることが特に重要である。

【００２９】また、焼結助剤としては希土類元素酸化物
を用いた場合の方が、酸化マグネシウムや酸化カルシウ
ムなどを用いる場合より粒界相欠落部の生成が少ない。
理由は明確でないが、粒界相の性質が異なるものと思わ
れる。

【００３０】特に希土類元素酸化物は焼結助剤として重
要であり、その量は１〜３０重量％が望ましい。この範
囲を選んだ理由は、１重量％未満では緻密化させるため
に焼成温度を高温にする必要があるため、機械的特性が
低下する傾向にあるからであり、また、３０重量％を越
えると窒化珪素の本来の特性、即ち機械的特性が低下す
る傾向にあるからである。

【００３１】また、窒化珪素質磁器を分析する事によっ
て求めた酸素量から、添加した希土類元素酸化物の含有
する酸素量を差し引き、残りの酸素がＳｉＯ₂となって
いると仮定して計算したときに、ＳｉＯ₂：希土類元素
酸化物の重量比が１：０．３〜１：１５となるようにす
ると、耐摩耗性が良好な窒化珪素質セラミック焼結体を
得ることができる。

【００３２】これは、重量比が１：０．３未満であれ
ば、粒界相がＳｉＯ₂に富んだ相を分離して白い模様
（粒界の脱落した組織）が発生しやすい傾向にあり、ま
た、１：１５以上であれば、ＳｉＯ₂−希土類元素酸化
物の反応による低融点組成から大幅に外れるため液相生
成が十分ではなく、焼結不良が発生して機械的特性の低
い焼結体になる傾向にあるためである。

【００３３】なお、ＳｉＯ₂は窒化珪素原料中に最初か
ら含まれていたものに加え、場合によっては焼結助剤と
して加えてもかまわないし、製造工程中で原料の酸化等
による増加や焼成分解等による減少が生じてもかまわな
い。

【００３４】なお、本発明に用いられる希土類元素とし
ては、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕが望ましい。これらの元素
中で、白い模様（粒界の脱落した組織）が発生し難くな
る点で特にＹｂ、Ｅｒ等の重希土類元素を用いることが
最も望ましい。

【００３５】さらに、副成分として酸化アルミニウムを
添加する方が、焼結性の面および粒界相を一旦非晶質化
させる点で望ましい。粒界相の最大結晶径を１００μｍ
以下にするためには、焼成後に急冷して粒界相を一旦非
晶質化させてやる必要があり、そうすることにより焼成
後に行う９００℃〜１２００℃の温度での熱処理により
１００μｍ以下の小さな結晶核が数多く析出し、粒界相
の結晶相は１００μｍ以上の大きさに成長しない。好ま
しい酸化アルミニウム量は、酸化アルミニウム：希土類
元素酸化物の重量比が１：０．５〜１：１０、さらに好
ましくは、１：１〜１：５の範囲に選ばれる。

【００３６】その理由は、酸化アルミニウム：希土類元
素酸化物比が１：０．５より酸化アルミニウムが過剰に
なると、破壊靭性値が低下する傾向にある。また、酸化
アルミニウム：希土類元素酸化物比が１：１０より酸化
アルミニウムが少なくなると、焼結性が悪くなり、圧砕
荷重が低くなる傾向にある。また、粒界相が非晶質化し
にくくなり、粒界相欠落部が発生しやすくなる。

【００３７】また、上記の焼結体中に、平均粒径が３μ
ｍ以下であるタングステン珪化物を含有させることが好
ましい。もともと窒化珪素原料中には微量のＦｅが不純
物として含まれており、焼成後Ｆｅが偏在して破壊源と
なることがあり、強度低下が生じ、また耐摩耗性部材と
して用いたときに、圧砕荷重が低下し、転がり寿命が短
くなる。タングステン珪化物はＦｅを固溶する性質を持
つため、焼成後のＦｅの偏在を少なくし、機械的特性を
向上させる。

【００３８】ここで、これらのＷ珪化物の粒径を３μｍ
以下に限定したのは、タングステン珪化物が３μｍより
大きいと粒界相中での分散が不十分となり、それ自身が
破壊源となり焼結体の強度を低下させてしまい、目的の
強度が得られないためである。

【００３９】また、窒化珪素質焼結体中にＷ₅Ｓｉ₃やＷ
Ｓｉ₂を生成させるには、平均粒径が３μｍ以下のＷの
珪化物、炭化物、酸化物、窒化物の１種類以上を０. １
〜１０．０重量％を添加する。これらのＷ化合物は焼成
中に窒化珪素やＳｉＯ₂と反応し、３μｍ以下のＷ₅Ｓｉ
₃やＷＳｉ₂を生成する。

【００４０】なお、本発明の焼結体においては、Ｗ成分
以外に、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｎなどの周期
率第４ａ、５ａ、６ａ族金属や、それらの珪化物、炭化
物、酸化物、窒化物、また、ＳｉＣなどの分散粒子やウ
イスカーとして本発明の焼結体に分散させても特性を劣
化させるような影響が少ないことから、これらを周知技
術に基づき、適量添加して複合材料として特性の改善を
行うことも当然可能である。

【００４１】さらに、Ｗの珪化物のうち、Ｗ₅Ｓｉ₃粒子
はＷＳｉ₂粒子よりも耐熱性が高いと考えられるためＷ₅
Ｓｉ₃粒子を含有する場合の方が、転がり寿命が優れ
る。Ｗ ₅Ｓｉ₃とＷＳｉ₂との比率（Ｗ₅Ｓｉ₃／ＷＳｉ₂）
が０．１以上で構成されるセラミック焼結体とすること
が好適である。さらに好ましくは、上記比率が０．３〜
１．５とするのが望ましい。

【００４２】次に、本発明の窒化珪素質焼結体の製造方
法を説明する。

【００４３】原料粉末を所定量秤量し、公知の混合方
法、例えば回転ミルや振動ミル、バレルミルでＩＰＡや
メタノール、水等を溶媒として混合する。場合によって
は、溶媒を使わない乾式混合でもかまわない。

【００４４】できあがった混合粉末を所望の成形手段、
例えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、押し出し成
形、射出成形、鋳込み成形等により任意の形状にする。
成型手段によっては、スプレードライ等による造粒や、
水、有機バインダーと共にある一定粘度の杯土を作製す
るなどの準備も必要であるが、通常のセラッミクスの成
形手順に従えばよい。

【００４５】成形後、乾燥、脱脂が必要な場合、窒素中
や真空中、大気中で、５０℃〜１４００℃の温度で加熱
処理する。

【００４６】焼成は、窒素を含有した非酸化物雰囲気中
において１６００℃〜２０００℃で行う。１８００℃以
上で焼成を行う場合は、窒化珪素の分解が生じるので、
１気圧以上の窒素分圧を必要とする。さらにこれらの焼
成後、熱間静水圧焼成（ＨＩＰ）等で焼成することによ
り、より緻密な焼結体を得る。焼成温度は、高すぎると
主相である窒化珪素結晶が粒成長し強度が低下するた
め、１６５０〜１９５０℃で行うことが望ましい。

【００４７】また、成形体をガラス浴ＨＩＰ法で焼成す
ると低温短時間で緻密な焼結体が作製できるので、特に
高強度を必要とするセラミック部品や、耐摩耗性部品に
は好適である。

【００４８】また、粒界相の結晶最大径を１００μｍ以
下にするためには、粒界相を一旦非晶質化させる必要が
あるが、粒界相を一旦非晶質化させるためには冷却速度
が速いほうが良く、特に１６００〜８００℃の温度領域
を３時間、望ましくは１時間、さらに望ましくは３０分
以内で冷却させる方がよい。

【００４９】さらに、非晶質化した粒界相を結晶径の小
さい結晶として析出させるために、９００℃〜１２００
℃の温度で熱処理し結晶核を生成させる。この熱処理は
焼成後完全に冷却した後、炉から取り出して別の炉で個
々に行う単独熱処理としてもかまわないし、冷却に続く
焼成パターンとして同一の炉で行う連続熱処理としても
構わない。この焼成により窒化珪素は、原料がα、βの
いずれの場合においてもβ−Ｓｉ₃Ｎ₄となる。

【００５０】この焼成により、最終的にはβ−窒化珪素
主結晶相と粒界相を含む焼結体が得られる。特に希土類
元素酸化物、酸化アルミニウムを焼結助剤として用いた
場合は、希土類元素、アルミニウム、酸素および窒素を
含む粒界相からなり、その粒界中に平均粒径が３μｍ以
下であるＷ₅Ｓｉ₃あるいはＷ₅Ｓｉ₃＋ＷＳｉ₂を含有し
た焼結体を得ることができる。ここで結晶化する部分
は、希土類元素酸化物、酸化アルミニウム、酸化珪素等
のセラミックス成分を主成分とする粒界部分である。

【００５１】さらにＷＳｉ₂またはＷ₅Ｓｉ₃は粒界に単
分散し、外部より応力がかかった際に、応力を緩和する
効果があり、また、同時に焼結助剤としても効果があ
り、その結果、破壊靭性が５．６ＭＰａ√ｍ以上、か
つ、Ｈｖ１０硬度が１４．５以上の高靭性、かつ、高硬
度の機械的特性を有することができる。つまり、本発明
によると、白い樹枝状に観察される模様がなくなり、高
信頼性であり、変質層が少ないため研削代が少なく、か
つ高破壊靭性、高硬度である窒化珪素質焼結体を得るこ
とが可能となる。

【００５２】以上の本発明の窒化珪素質焼結体は種々の
セラミックス部品、特に、転動体、ピストンピン、ロー
ラーピン、ロッカーアームチップ、ローラーブッシュ、
カムローラー、バルブ等の耐摩耗性部品に使用する事が
可能である。

【００５３】

【実施例】実施例１以下、実施例を説明する。

【００５４】まず窒化珪素粉末（ＢＥＴ比表面積９ｍ²
／ｇ）粉末に表１に示す焼結助剤を添加し、ＩＰＡとと
もにバレルミルで４０Ｈｒ混合した。混合後＃５００メ
ッシュを通してスラリーから異物を除去後、乾燥した。
この混合粉末に水、有機バインダーを加え、２０Ｈｒ混
合後、スプレードライにより原料顆粒を得た。この原料
顆粒を用いて、プレス成形により球状成形体及び強度測
定用の試験片を作製した。

【００５５】次にこの成形体を１０Ｔｏｒｒ以下の減圧
中８００〜１４００℃の温度域で加熱後、１７５０〜１
８５０℃で窒素雰囲気の下、相対比重９９％以上まで緻
密化させた。さらに、２０００気圧の加圧下にて１６０
０℃でＨＩＰ処理を施し、１６００〜８００℃までの冷
却時間を１または６時間とし、９００℃〜１２００℃の
温度域で熱処理して直径３／８インチの本発明球状セラ
ミックス焼結体および強度測定用試験片を得た。

【００５６】球状セラミックスの圧砕荷重は、同じ寸法
の２個の球を重ねて圧縮荷重を加えるもので、ＪＩＳ−
Ｂ−１５０１に準じ、インストロン万能試験機によりク
ロスヘッドスピード５ｍｍ／分で測定した。

【００５７】強度測定は、３×４×３５ｍｍの形状に加
工した試験片をＪＩＳＲ１６０１に準じた四点曲げ試
験にて行った。

【００５８】粒界相欠落部のサイズは光学顕微鏡１００
倍で観察した後、ＳＥＭ像によって測定した。粒界相欠
落部の集合体である樹枝状白色模様のサイズは、光学顕
微鏡１００倍の写真より測定した。

【００５９】粒界相の最大結晶径の判断は、結晶の有無
を焼結体を粉砕した粉末のＸ線回折により判断し、さら
に同一ロットの球状セラミックス体を２０μｍに薄片加
工し、偏光顕微鏡によって粒界相の最大結晶径の確認を
行った。試料は、各条件５ｍｍ角の部分を５箇所づつ調
査した。偏光顕微鏡に試料をセットし、試料を回転して
いくと、方位があった時点で白く見える部分がある。こ
のとき白く見える部分が一つの粒界相の結晶であり、こ
れらの評価結果を表１にまとめた。

【００６０】

【表１】

【００６１】表１から明らかなように、粒界相の最大結
晶径が１００μｍより大きい試料２、３は強度が劣る。
これに対して本発明の請求範囲内である粒界相の結晶サ
イズが１００μｍ以下である試料１、４〜６は高強度で
あり、かつ圧砕荷重に優れていた。

【００６２】実施例２実施例１と同様の手法を用いて、焼結体を作製した。結
晶化条件を表２に示した冷却時間、熱処理温度とし、得
られた各々の焼結体を実施例１と同様の手法により評価
した。

【００６３】破壊靭性値はＪＩＳＲ１６０７に準じ
た。これらの評価結果を表２にまとめた。

【００６４】

【表２】

【００６５】表２から明らかなように、希土類元素酸化
物であるＹｂ₂Ｏ₃を４０重量％含有しＳｉＯ₂：希土類
元素酸化物比が１：２０である試料７は、焼結不足とな
った。また、前記Ｙｂ₂Ｏ₃を０．５重量％含有しＳｉＯ
₂：希土類元素酸化物比が１：０．２である試料３は、
粒界相の最大結晶径が１４０μｍとなり、強度および圧
砕荷重、Ｋ１ｃが低い値となった。

【００６６】これに対し、希土類元素酸化物が１〜３０
重量％で、ＳｉＯ₂：希土類元素酸化物の重量比が１：
０．３〜１：１５である試料１、２、４〜６、８は粒界
相の結晶サイズが１００μｍ以下であって、機械的特性
が優れていた。

【００６７】また、同じ重量比の希土類元素酸化物を添
加した試料１、２、５において、Ｅｒ、Ｙｂを使用した
試料２、５は強度が特に優れていた。

【００６８】実施例３実施例１と同様の手法を用いて、焼結体を作製した。表
３に示した冷却時間、熱処理温度で粒界相を結晶化さ
せ、得られた焼結体を実施例１と同様の手法により評価
した。

【００６９】破壊靭性値はＪＩＳＲ１６０７に準じ
た。これらの評価結果を表３にまとめた。

【００７０】

【表３】

【００７１】表３から明らかなように、試料１〜１１に
おいて、酸化アルミニウム：希土類元素酸化物比が１：
１０より酸化アルミニウムが少ない試料１、３、５は焼
結不足であり、酸化アルミニウム：希土類元素酸化物比
が１：０．５より酸化アルミニウムが過剰な試料１１は
破壊靱性値および圧砕荷重が劣っていたが、酸化アルミ
ニウム：希土類元素酸化物が１：０．５〜１：１０の試
料２、４、６〜１０は、焼結性に優れており、かつ、粒
界相の最大結晶径が１００μｍ以下であって、かつ粒界
相欠落部が１μｍ以下で、粒界相欠落部の集合である樹
枝状白色模様が３００μｍ以下であり、優れた機械的特
性を有していた。

【００７２】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、粒
界相を有する窒化珪素質焼結体において、表面より１ｍ
ｍの範囲内にある結晶粒界相の最大結晶径が１００μｍ
以下であり、かつ窒化珪素粒子間から欠落した粒界相欠
落部の大きさが１μｍ以下であり、かつ１μｍ以下の粒
界相欠落部の集合である樹枝状白色模様の大きさが３０
０μｍ以下であることを特徴とするものが得られ、高い
機械的特性を有する窒化珪素質焼結体と、研削代の少な
い長寿命の耐摩耗性部材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の窒化珪素質焼結体における粒界結晶相
を示す模式図である。

【図２】従来の窒化珪素質焼結体における粒界結晶相を
示す模式図である。

【符号の説明】

１：粒界結晶相２：粒界相欠落部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶粒界相の少なくとも一部が結晶化して
いる窒化珪素質焼結体であって、前記粒界相の最大結晶
径が１００μｍ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】添加成分として少なくとも酸化物換算で１
〜３０重量％の希土類元素化合物を含み、酸化物換算し
た酸化珪素：希土類元素酸化物の重量比が１：０．３〜
１：１５であることを特徴とする請求項１記載の窒化珪
素質焼結体。
【請求項３】添加成分としてアルミニウム化合物を含
み、酸化物換算した酸化アルミニウム：希土類元素酸化
物の重量比が１：０．５〜１：１０であることを特徴と
する請求項２記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項４】請求項１〜３記載の窒化珪素質焼結体から
なることを特徴とする窒化珪素質耐摩耗性部材。
【請求項５】窒化珪素を主成分とした粉末を成形した
後、非酸化物雰囲気中で１６００℃〜２０００℃の温度
で焼成し、１６００℃〜８００℃の温度領域を３時間以
内で冷却し、その後９００℃〜１２００℃の温度で熱処
理することを特徴とする窒化珪素質焼結体の製造方法。