JP3810236B2

JP3810236B2 - 窒化珪素質焼結体及びその製造方法

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Publication number: JP3810236B2
Application number: JP27329999A
Authority: JP
Inventors: 政宏佐藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2019-09-27
Also published as: JP2001089244A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温における疲労寿命の長い窒化珪素質焼結体とその製造方法に関するものであり、特にピストンピン、エンジンバルブ等の自動車用部品やガスタービンエンジン用部品などの熱機関用部品として好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エンジニアリングセラミックスとして知られている窒化珪素質焼結体は、耐熱性、耐熱衝撃性、耐摩耗性及び耐酸化性に優れることから、特にガスタービンやタ−ボロ−タ等の熱機関用部品としての応用が進められている。
【０００３】
窒化珪素は難焼結材であることから焼結性を向上させるため、窒化珪素粉末に対し、焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃などの希土類元素酸化物や酸化アルミニウムなどを添加した成形体を、加圧焼成し、窒化珪素結晶相を主体とし、希土類元素、珪素、アルミニウム、酸素及び窒素とからなる非晶質の粒界相により構成された焼結体を得ることが知られている。
【０００４】
しかし、焼結助剤として希土類元素酸化物と酸化アルミニウムを用いた場合、室温での強度は高いものの、高温域、例えば１０００℃前後の温度域では、焼結体中の希土類元素、珪素、アルミニウム、酸素及び窒素とからなる粒界相が低融点で高温域において軟化し易いため、高温強度および疲労特性が大きく劣化するといった課題があった。
【０００５】
また、高い高温強度を実現するために微細な組織としたために、破壊靭性が小さくなって、衝撃などが窒化珪素質焼結体に加わったとき、クラックの進展が早く、容易に破壊されるという問題があった。
【０００６】
そこで、高温強度を向上するために、特開平７−３３０４３７号公報では、熱処理を加えて希土類元素、珪素、アルミニウム、酸素及び窒素とからなる非晶質の粒界相を結晶化させて、高温強度に優れた窒化珪素質焼結体が提案されている。
【０００７】
また、破壊靭性値を向上させるために、特開平５−１８６２７１号公報では、窒化珪素粒子の成長を促進して柱状の粒子を形成せしめ、破壊しにくい窒化珪素質焼結体が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平７−３３０４３７号公報で開示された窒化珪素質焼結体では、高温強度が大きいものの、破壊靭性値が低いため、実際の熱機関で使用された場合にチッピングを生じやすいという問題があった。
【０００９】
また、焼結助剤として含有する酸化アルミニウムは粒界相の結晶化を抑制する作用があるため、窒化珪素粒子間や窒化珪素粒子と結晶化された粒界相との間に存在する非晶質相が原因となり、高温強度のばらつきが大きくなるとともに、また高温域での疲労寿命も短かく、熱機関用部品などは高温に曝された過酷な条件下で長期に安定して使用することができない問題があった。
【００１０】
一方、特開平５−１８６２７１号公報で開示されているように、粒成長を促進し、破壊靭性値を向上させることができるが、その反面、その成長した粒子そのものが破壊源となるため、強度特性を劣化させる問題があった。
【００１１】
以上のように、高温強度または高靭性のいずれかの特性を改善する手法が得られているものの、その特性が不十分であったり、一方の特性を改善すると他方の特性が低下するという問題があった。
【００１２】
したがって、本発明は、室温から１０００℃付近の高温域において優れた強度を有するとともに、かつチッピング性に優れた高靭性で、疲労寿命の長い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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素を主成分とし、希土類元素が酸化物換算で２〜１０重量％、アルミニウムが酸化物換算で２〜５重量％、さらに過剰酸素が酸化珪素換算で０．５〜５重量％で、かつ前記希土類元素の酸化物換算量に対するアルミニウムの酸化物換算量の比が０．２〜０．７、前記希土類元素の酸化物換算量に対する過剰酸素の酸化珪素換算量の比が０．２〜０．７となる窒化珪素質焼結体において、β型窒化珪素結晶相と、希土類元素、珪素、アルミニウム、酸素及び窒素とからなる粒界結晶相並びに粒界非晶質相よりなり、１０μｍ以下のβ型窒化珪素結晶相のマトリックス７０〜９０％、４０〜１００μｍのβ型窒化珪素結晶１０〜３０％含み、かつ窒化珪素結晶相間の非晶質相の厚みが２ｎｍ以下で、かつ上記β型窒化珪素結晶相と前記粒界結晶相間の非晶質相の厚みが５ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１４】
すなわち、本発明の窒化珪素質焼結体は、粒界相の結晶化を促進させ、窒化珪素粒子間や窒化珪素粒子と結晶化された粒界相との間に存在する非晶質相の厚みを薄くすることで、粒界の強度が高くなるために高温強度が向上し、また粒界での高温すべりが抑制されるために疲労寿命が改善できる。さらに、微細な窒化珪素粒子からなるマトリックス中に、柱状で大きな窒化珪素粒子を所定の粒度分布で分散させることによってクラックの進行方向を変え、クラックの走行距離を長くすることで破壊エネルギーを吸収し、靭性を改善することができる。したがって、高温強度に優れ、疲労寿命の長く、高靭性な窒化珪素質焼結体を得ることができる。
【００１５】
また、希土類元素、アルミニウムおよび過剰酸素の含有量およびこれらの存在比が、アスペクト比および粒界結晶量に影響を及ぼすため、添加量とこれらの存在比を制御して上記の組織が得られる。
【００１６】
さらに、本発明は上記窒化珪素質焼結体を製造するために、窒化珪素を主成分とし、助剤成分として希土類元素酸化物が２〜１０重量％、酸化アルミニウムが２〜５重量％、さらに過剰酸素が酸化珪素換算で０．５〜５重量％で、かつ上記希土類元素酸化物量に対する酸化アルミニウム量の比が０．２〜０．７、上記希土類元素酸化物量に対する過剰酸素の酸化珪素換算量の比が０．２〜０．７となるようにそれぞれ添加してなる成形体を、非酸化性雰囲気下にて１７００〜１８００℃の温度で焼成し、その後窒素圧５気圧以上で１９００〜２０００℃の温度域で焼成し、しかるのち１０００℃まで５０℃／分以上の速度で急冷したあと、１０００〜１５００℃の熱処理をすることで焼結体の粒界相を結晶化することを特徴とする。
【００１７】
これは、β型窒化珪素結晶相と、希土類元素、珪素、アルミニウム、酸素及び窒素とからなる粒界結晶相並びに粒界非晶質相よりなり、１０μｍ以下のβ型窒化珪素結晶相のマトリックス７０〜９０％、４０〜１００μｍのβ型窒化珪素結晶１０〜３０％含み、かつ窒化珪素結晶相間の非晶質相の厚みが２ｎｍ以下で、かつ前記β型窒化珪素結晶相と前記粒界結晶相間の非晶質相の厚みが５ｎｍ以下となる組織を得るためであり、所定の温度で焼成し、粒成長を促進させた後、特定の速度で急冷したあと、熱処理や熱が加わる条件で使用することにより粒界相を結晶化させることが重要である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化珪素質燒結体は、図１に結晶構造の模式図を示すように、β型窒化珪素結晶相１を主体とし、希土類元素、珪素、酸素及び窒素とからなる粒界結晶相２並びに粒界非晶質相３，４を有するものであるが、本発明によれば、窒化珪素結晶相１間の非晶質相３の厚みが２ｎｍ、好ましくは１ｎｍ以下で、かつ窒化珪素結晶相１と粒界結晶相２間の非晶質相４の厚みが５ｎｍ、好ましくは３ｎｍ以下であることを大きな特徴とする。
【００１９】
このように、粒界相を単に結晶化させるだけでなく、窒化珪素結晶相１間に残存する粒界非晶質相３や窒化珪素結晶相１と粒界結晶相２との間に残存する粒界非晶質相４の厚みを上記範囲内まで薄くすることで、酸化特性、クリープ等の他の高温特性を向上させることができる。
【００２０】
すなわち、粒界の非晶質相３，４が薄いと、１０００℃前後の高温下で非晶質相３、４が軟化しにくくなり、また外部応力に対してクラックが進展しにくくなる。その結果、１０００℃の高温雰囲気下で７００ＭＰａの荷重を加えた時の繰り返し疲労寿命を１０⁷回以上、さらには３×１０⁷回以上にまで大幅に高めるとともに、窒化珪素質焼結の高温強度を８００ＭＰａ以上にすることができる。
【００２１】
ところで、このような高温特性を得るためには、窒化珪素に対し、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｍ、Ｄｙ等の希土類元素を酸化物換算量で２〜１０重量％、好ましくは４〜８重量％と、アルミニウムを酸化アルミニウム換算量で２〜５重量％、好ましくは３〜４重量％の範囲で含有するとともに、過剰酸素を酸化珪素換算量で０．５〜５重量％、好ましくは２〜４重量％の範囲で含み、さらに上記希土類元素の酸化物換算量に対するアルミニウムの酸化アルミニウム換算量の比が０．２〜０．７、好ましくは０．３〜０．６で、かつ上記希土類元素の酸化物換算量に対する過剰酸素の酸化珪素換算量の比が０．２〜０．７、好ましくは０．３〜０．６であることが重要である。
【００２２】
ここで、過剰酸素は希土類酸化物に必要な酸素量と酸化アルミニウムに必要な酸素量とを算出し、全体の酸素量から差し引いたものである。全酸素量は、燃焼法を用いた酸素分析装置にて測定を行うことができる。
【００２３】
即ち、希土類元素、アルミニウム、過剰酸素の含有量及び比率が上記範囲を外れると、希土類元素、珪素、酸素及び窒素とからなる粒界相を十分に結晶化させることができなかったり、結晶化しても粒界非晶質相３および４の厚みを前記範囲とすることができないからである。
【００２４】
また、高靭性の特徴を併せ持つために１０μｍ以下好ましくは８μｍ以下のβ型窒化珪素結晶粒子のマトリックス７０〜９０％好ましくは８０〜９０％中に４０〜１００μｍ好ましくは７０〜９０μｍの粗大なβ型窒化珪素結晶粒子を１０〜３０％好ましくは１０〜２０％の割合で分散させることが重要である。このような組織に制御することにより靭性値を７以上さらには８ＭＰａ・ｍ^1/2以上に高めることができ、さらに粒界のアモルファスフィルム相の厚みも薄くし、疲労特性をさらに向上できる。１０μｍ以下の微細粒子の割合が７０％よりも少ない、もしくは柱状粒子が４０μｍ以下ではディフレクションが少なくクラックは比較的直線的に進展し、クラックの走行距離が短いために吸収できる破壊エネルギーが小さくなり、高靭性化が達成されない。また柱状粒子が１００μｍ以上、その割合が２０％以上ではそれ自身が破壊源となり高強度化が達成されない。
【００２５】
さらに、本発明の窒化珪素質焼結体中には、他の成分として、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素の金属や、ＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴａＣ，ＴａＮ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＷＣ，ＷＳｉ₂，Ｍｏ₂Ｃなど周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、珪化物の少なくとも１種以上、又はＳｉＣなどを分散粒子やウィスカ−の状態で含有させることで特性を改善することも可能である。ただし、これらの合計含有量は５重量％以下とすることが好ましい。
【００２６】
次に、本発明の窒化珪素質焼結体を製造する方法について説明する。
【００２７】
まず、窒化珪素粉末を準備する。窒化珪素粉末としては、α−Ｓｉ₃Ｎ₄、β−Ｓｉ₃Ｎ₄のいずれの状態であっても良く、その粒径が０．４〜１．２μｍでかつ酸素を０．５〜１．５重量％の範囲で含有しているものを用いることが良い。
【００２８】
そして、この窒化珪素粉末に対し、焼結助剤として希土類元素酸化物を２〜１０重量％、好ましくは４〜８重量％と、酸化アルミニウムを２〜５重量％、好ましくは３〜４重量％の範囲でそれぞれ添加するとともに、酸化珪素を０．５〜５重量％、好ましくは２〜４重量％の範囲で添加し、さらに上記希土類元素酸化物の添加量に対する酸化アルミニウムの添加量の比が０．２〜０．７、好ましくは０．３〜０．６で、かつ上記希土類元素酸化物の添加量に対する酸化珪素量の比が０．２〜０．７、好ましくは０．３〜０．６となるように調合する。ただし、上記酸化珪素量とは、添加する酸化珪素粉末の添加量に、窒化珪素粉末中に不純物として含まれる過剰酸素を酸化珪素換算した量を加えた値とする。
【００２９】
これらの範囲で調合した原料粉末に対して、エタノールやイソプロピルアルコール等の有機溶剤及びバインダーを加えたあと、公知の粉砕方法、例えばボールミル、振動ミル、回転ミル、バレルミル等により原料粉末を均一に混合粉砕したものを、一軸加圧成形法や等加圧成形法、あるいは鋳込み成形法、押出成形法、射出成形法、冷間静水圧プレス等の公知のセラミック成形手段にて所望の形状に形成した成形体を製作する。この時、必要に応じて成形体に切削加工を施して良い。
【００３０】
次に、得られた成形体を、非酸化雰囲気中にて１７００〜１８００℃、好ましくは１７５０〜１８００℃の温度で常圧焼成したあと、１９００〜２０００℃好ましくは１９５０から２０００℃の温度で、５気圧以上、特に１０〜５０気圧で焼成する。このような２段階焼成を行うことにより、低温処理で均一で微細な粒子を生成させ、ある程度緻密化させ、その後の高温処理で一部の粒子を粒成長させることができる。また、上記焼成後の冷却過程で１０００℃まで５０℃／分以上、好ましくは７０℃／分以上の速度で急冷することが重要である。
【００３１】
なお、焼成にあたっては、密閉した焼成鉢内に充填した酸化珪素とＳｉの混合粉末、あるいは酸化珪素と窒化珪素の混合粉末内に前記成形体を埋め、ＳｉＯ含有雰囲気下で焼成するようにしても良く、この場合、焼成時における窒化珪素の分解を抑制することができる。
【００３２】
ここで、冷却速度を１０００℃まで５０℃／分以上とするのは、これより遅い冷却速度では、希土類元素、珪素、酸素及び窒素とからなる粒界相が部分的に結晶化したり、固化して分相を形成し、焼成後の粒界の組成が不均一となるために、後述する熱処理や熱が加わる条件で使用しても、粒界相の結晶化が不十分となり、窒化珪素結晶相１間の非晶質相３の厚みを２ｎｍ以下で、かつ窒化珪素結晶相１と粒界結晶相２間の非晶質相４の厚みを５ｎｍ以下とすることができないからである。
【００３３】
すなわち、本発明によれば、焼成後急冷することで、希土類元素、珪素、酸素及び窒素とからなる粒界相の結晶化を抑制して非晶質の状態とし、粒界の組成を均一化しておくことが好ましい。
【００３４】
しかるのち、得られた窒化珪素質焼結体に１０００〜１５００℃の範囲で熱処理を加える。この熱処理は、１０００℃以上の熱が加わる雰囲気下で使用することによっても成就できる。このような熱処理により、焼結体中の希土類元素、珪素、酸素及び窒素とからなる粒界相を結晶化させ、窒化珪素結晶相１間の非晶質相３の厚みを２ｎｍ以下で、かつ窒化珪素結晶相１と粒界結晶相２間の非晶質相４の厚みを５ｎｍ以下とすることができ、その結果繰り返し疲労寿命の長い耐久性に優れた窒化珪素質焼結体を得ることができる。
【００３５】
さらに、本発明の製造方法によれば、出発原料の窒化珪素粉末に対し、１０〜８０重量％を珪素粉末に置き換えることもでき、この場合、成形体を焼成前に、窒素雰囲気下にて１０００〜１４００℃の温度で熱処理してＳｉ粉末を窒化処理して窒化珪素を生成させ、成形体の密度を高めたうえで、前記焼成条件で焼成すれば良い。この製法によれば、焼成時の収縮を抑え、緻密で寸法精度の高い窒化珪素質焼結体を得ることができる。
【００３６】
【実施例】
実施例１
ＢＥＴ比表面積９ｍ²／ｇ、窒化珪素のα率９８％、酸素量１．２重量％の窒化珪素粉末に対し、焼結助剤として平均粒径１．５μｍの希土類元素酸化物の粉末と、純度９９．９％、平均粒径２μｍの酸化アルミニウムの粉末と、純度９９．９％、平均粒径２μｍの酸化珪素の粉末と、所望により純度９９％、平均粒径５．０μｍのＳｉ粉末を表１のように調合し、バインダー及び溶媒を添加して混練乾燥したあと、１ｔ／ｃｍ²の圧力にて冷間静水圧成形法により成形体を形成した。
【００３７】
次に、得られた成形体を炭化珪素からなる匣鉢に入れ、常圧の窒素雰囲下にて１３００℃で５時間保持したあと、さらに１７５０℃の温度にて５時間焼成した。その後１９５０℃まで昇温し、５時間保持した。その後８０℃／分の速度で冷却して窒化珪素質焼結体を得た。その後、この窒化珪素質焼結体を常圧の窒素雰囲気において１２００℃で５時間熱処理を行った。
【００３８】
そして、得られた窒化珪素質焼結体について、ＩＣＰ分析と酸素分析にて組成を確認するとともに、焼結体の一部を切り出し、窒素雰囲気中、１１００℃の温度で約１０時間の熱処理を施したあと、窒化珪素質焼結体の表面に研磨加工を施し、透過型電子顕微鏡により窒化珪素結晶相１間の粒界非晶質相３の厚みＬ及び窒化珪素結晶相１と粒界結晶相２間の非晶質相４の厚みＷを測定した。測定条件は５０万倍の格子像を用い、測定ポイントを１０カ所とし、その平均値を表１に示した。
【００３９】
また、粒径の算出は走査型電子顕微鏡で組織観察を行い、顕微鏡写真から、画像解析により１０μｍ以下、４０〜１００μｍおよび１００μｍ以上の面積比率を求めた。また、ＪＩＳ１６０７に従って靭性（Ｋ_1c）を測定し、ＪＩＳ１６０７に従って１０００℃での４点曲げ強度測定を行った。
【００４０】
さらに、得られた窒化珪素質焼結体を、１０００℃の高温雰囲気下で７００ＭＰａの荷重を加え、応力比０．１、周波数４０Ｈｚの条件下で４点曲げ試験を行い、繰り返し疲労寿命を測定した。
【００４１】
結果は、表１に示す通りである。
【００４２】
【表１】

【００４３】
まず、各種の希土類元素酸化物を５重量％添加してなる本発明の試料Ｎｏ．１〜７は、Ｌが１ｎｍ以下でＷが３ｎｍ以下であり、１０μｍ以下の窒化珪素粒子が８０〜９０％、４０〜１００μｍの粒子が１０〜２０％であり、その結果、１０００℃での強度が９００ＭＰａ以上、破壊靭性が８ＭＰａ・ｍ^1/2以上、疲労寿命が７×１０⁷回以上という優れた特性を有していた。
【００４４】
また、表１に示すように、希土類元素としてＹ₂Ｏ₃を使用し、過剰酸素の酸化珪素換算量であるＳｉＯ₂量およびＡｌ₂Ｏ₃量を変化させた試料Ｎｏ．８〜２９から明らかなように、Ｙ₂Ｏ₃量、ＳｉＯ₂量、Ａｌ₂Ｏ₃量、ＳｉＯ₂／Ｙ₂Ｏ₃比およびＡｌ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃比が本発明の範囲内にある試料Ｎｏ．８、９、１２、１３、１６、１７、２０、２１、２４、２５、２８および２９は、いずれも窒化珪素質焼結体中におけるβ型窒化珪素結晶相間の非晶質相の厚みＬを２ｎｍ以下で、かつβ型窒化珪素結晶相と粒界結晶相間の非晶質相の厚みＷを５ｎｍ以下であり、その結果、１０００℃での強度を８００ＭＰａ以上、１０００℃の高温雰囲気下で７００ＭＰａの荷重を加えた時の繰り返し疲労寿命を１０⁷回以上にまで高められることが確認できた。さらに１０μｍ以下のβ型窒化珪素結晶相からなるマトリックス７０〜９０％のなかに４０〜１００μｍのβ型窒化珪素結晶１０〜３０％分散させることにより靭性値を７ＭＰａ・ｍ^1/2以上に高めることができることが確認できた。
【００４５】
さらに、出発原料の窒化珪素粉末に対し、１０〜８０重量％の範囲内で珪素粉末に置き換え、成形体を焼成前に、窒素雰囲気下にて１０００〜１４００℃の温度で熱処理してＳｉ粉末を窒化処理して窒化珪素を生成させ、成形体の密度を高めたうえで焼成した試料Ｎｏ．２８および２９は、Ｌが１ｎｍ以下、Ｗが２ｎｍ以下、１０μｍ以下の窒化珪素粒子が８０〜９０％、４０〜１００μｍの粒子が１５〜２５％であり、その結果、１０００℃での強度が１０００ＭＰａ以上、破壊靭性が８．５ＭＰａ・ｍ^1/2以上、疲労寿命が８×１０⁷回以上という非常に優れた特性を有していた。
【００４６】
これに対して、希土類酸化物量が２重量％未満の試料Ｎｏ．１０および１０重量％を越える試料Ｎｏ．１１、酸化珪素量が０．５重量％未満の試料Ｎｏ．１４および５重量％を越える試料Ｎｏ．１５、アルミナ量が２重量％未満の試料Ｎｏ．１８および５％を越える試料Ｎｏ．１９、ＳｉＯ₂／Ｙ₂Ｏ₃比が０．２より小さい試料Ｎｏ．２２および０．７より大きい試料Ｎｏ．２３、およびＡｌ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃比が０．２より小さい試料Ｎｏ．２６および０．７より大きい試料Ｎｏ．２７は、Ｌ、Ｗがそれぞれ２ｎｍ、５ｎｍより大きく、また１０μｍ以下の窒化珪素の量が７０〜９０％の範囲外、４０〜１００μｍの量が１０〜３０％の範囲外となり、高温強度、破壊靭性および疲労寿命がそれぞれ６４０ＭＰａ以下、６．２ＭＰａ・ｍ^1/2以下、８×１０⁶回以下と低い値であった。
実施例２
次に、組成がＹ₂Ｏ₃量が５重量％、ＳｉＯ₂量が３重量％およびＡｌ₂Ｏ₃量が３重量％含まれる窒化珪素質成形体を１７５０℃の温度で常圧焼成したあと、１９５０℃の温度域２０気圧で焼成後１０００℃で１００時間熱処理し、表２に示した冷却速度で１０００℃まで冷却し、実施例１と同様の条件にて高温強度、疲労寿命、破壊靭性値を測定した。結果を表２に示した。
【００４７】
【表２】

【００４８】
その結果、１０００℃までの冷却速度が５０℃／分以上である試料Ｎｏ．３０〜３２は、１０μｍ以下のβ型窒化珪素結晶相からなるマトリックス７０〜９０％のなかに４０〜１００μｍのβ型窒化珪素結晶１０〜３０％を分散させることができた。また、窒化珪素質焼結体中におけるβ型窒化珪素結晶相間の非晶質相の厚みを２ｎｍ以下で、かつβ型窒化珪素結晶相と粒界結晶相間の非晶質相の厚みを５ｎｍ以下とすることができた。
【００４９】
そして、その結果、１０００℃での強度を８００ＭＰａ以上、靭性値を７ＭＰａ・ｍ^1/2以上、１０００℃の高温雰囲気下で７００ＭＰａの荷重を加えた時の繰り返し疲労寿命を１０⁷回以上とすることができた。
【００５０】
一方、１０００℃までの冷却速度が５０℃／分より遅い試料Ｎｏ．３３および３４は、β型窒化珪素結晶相間の非晶質相の厚みが２ｎｍを越えるとともに、β型窒化珪素結晶相と粒界結晶相間の非晶質相の厚みが５ｎｍを越えるので本発明の範囲外となり、高温強度、破壊靭性および疲労寿命がそれぞれ８００ＭＰａ未満、７ＭＰａ・ｍ^1/2未満、１０⁷回未満と低い値となった。
【００５１】
以上の結果から、本発明の窒化珪素質焼結体は、いずれも１０００℃の高温強度が８００ＭＰａ以上、破壊靭性が７ＭＰａ・ｍ^1/2以上、疲労寿命が１０⁷回以上が達成された。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、粒界相の結晶化を促進させて非晶質相の厚みを薄くするとともに、窒化珪素粒子を微細なマトリックスの中に、柱状の窒化けい素粒子を所定量分散させることによって靭性を改善し、高温強度に優れ、疲労寿命の長く、高靭性な窒化珪素質焼結体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化珪素質焼結体の結晶構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１・・窒化珪素結晶相
２・・粒界結晶相
３・・窒化珪素結晶相間の非晶質相
４・・窒化珪素結晶相と粒界結晶相間の非晶質相

Claims

窒化珪素を主成分とし、希土類元素が酸化物換算で２〜１０重量％、アルミニウムが酸化物換算で２〜５重量％、さらに過剰酸素が酸化珪素換算で０．５〜５重量％で、かつ前記希土類元素の酸化物換算量に対するアルミニウムの酸化物換算量の比が０．２〜０．７、前記希土類元素の酸化物換算量に対する過剰酸素の酸化珪素換算量の比が０．２〜０．７となる窒化珪素質焼結体において、β型窒化珪素結晶相と、希土類元素、珪素、アルミニウム、酸素及び窒素とからなる粒界結晶相並びに粒界非晶質相よりなり、長径が１０μｍ以下のβ型窒化珪素結晶粒子が面積比率で７０〜９０％、長径が４０〜１００μｍのβ型窒化珪素結晶粒子を１０〜３０％含み、かつ窒化珪素結晶相間の非晶質相の厚みが２ｎｍ以下で、かつ前記β型窒化珪素結晶相と前記粒界結晶相間の非晶質相の厚みが５ｎｍ以下であることを特徴とする窒化珪素質焼結体。
窒化珪素を主成分とし、希土類元素酸化物が２〜１０重量％、酸化アルミニウムが２〜５重量％、さらに過剰酸素が酸化珪素換算で０．５〜５重量％で、かつ前記希土類元素酸化物量に対する酸化アルミニウム量の比が０．２〜０．７、前記希土類元素酸化物量に対する過剰酸素の酸化珪素換算量の比が０．２〜０．７となるようにそれぞれ添加してなる成形体を、非酸化性雰囲気下にて常圧で１７００〜１８００℃の温度で焼成し、その後窒素圧５気圧以上で１９００〜２０００℃の温度域で焼成し、しかるのち１０００℃まで５０℃／分以上の速度で急冷したあと、１０００〜１５００℃の熱処理をすることで焼結体の粒界相を結晶化することを特徴とする窒化珪素質焼結体の製造方法。