JPH092878A - 窒化ケイ素系焼結体及びその製造方法 - Google Patents

窒化ケイ素系焼結体及びその製造方法

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JPH092878A
JPH092878A JP7338777A JP33877795A JPH092878A JP H092878 A JPH092878 A JP H092878A JP 7338777 A JP7338777 A JP 7338777A JP 33877795 A JP33877795 A JP 33877795A JP H092878 A JPH092878 A JP H092878A
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Jihei Ukekawa
治平 請川
Matsuo Higuchi
松夫 樋口
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 粒界相に結晶を析出させ、高温での強度及び
破壊靭性に優れた窒化ケイ素系焼結体を提供する。 【解決手段】 主相がＳｉ3Ｎ4及び／又はサイアロンか
らなり、主相の全結晶に対するβ−Ｓｉ3Ｎ4とβ’−サ
イアロン量比が０.５〜１であって、粒界相はＲｅ2Ｓｉ
2Ｏ7（但しＲｅはＥｒ，Ｙｂを除く希土類元素）と他の
結晶成分を組合せて含み、主相のβ−Ｓｉ3Ｎ4とβ’−
サイアロンに対する粒界相の全結晶成分の量比が０.０
３〜１.６である窒化ケイ素焼結体。この焼結体は、焼
結助剤としてＲｅ2Ｏ3とＳｉＯ2等との複合化合物等を
添加して焼結した後、１０５０℃〜１５５０℃の温度域
内で核形成と結晶成長のための熱処理を行って製造す
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、高温下で高強度と
高靭性を要求される切削工具、耐摩耗工具、機械構造部
品等として好適な窒化ケイ素系焼結体、及びその製造方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化ケイ素系焼結体は、耐熱性並びに高
強度を要求される切削工具、耐摩耗工具、機械構造部
品、耐摩耗部品等の材料として期待されている。
【０００３】窒化ケイ素は単一物では難焼結性のため、
従来からＹ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3等の焼結助剤成分を添加し、
その液相生成による物質移動によって緻密なものが得ら
れている。しかしながら、通常の液相焼結のみではＳｉ
3Ｎ4以外の液相形成成分が主にガラス相となって粒界相
を形成するため、１２００℃以上の高温下ではガラス相
が軟化して強度が著しく低下する。
【０００４】例えば、特公昭５６−２８８６５号公報に
よれば、焼結時に粒界にＳｉ3Ｎ4・Ｙ2Ｏ3結晶相を析出
させているが、１３００℃での曲げ強度は７５〜９３ｋ
ｇ／ｍｍ2程度と小さいものである。又、特開昭６０−
１８６４６９号公報ではＲｅＡｌＯ3やＲｅ3Ａｌ5Ｏ12
（ここでＲｅは希土類元素である）を添加して焼結して
いるが、その曲げ強度は室温でも７０ｋｇ／ｍｍ2程度
であり、特開平４−１３００６２号公報ではＹＡＧ等の
Ｙ2Ｏ3−Ａｌ2Ｏ3系焼結剤の添加により、室温で１００
ｋｇ／ｍｍ2を越える焼結体を得ているが、１２００℃
では８０ｋｇ／ｍｍ2程度の強度に留まっている。
【０００５】このように、粒界相がガラス相であること
によってＳｉ3Ｎ4焼結体の強度、特に高温強度が著しく
低下するので、ガラス相の結晶化により高温強度を向上
させる試みが種々なされている。例えば、特公昭５２−
４５７２４号公報では、結晶化促進剤として少量のＴｉ
Ｏ2を加え、焼結助剤としてＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3を用いて
焼結した後、７００〜１４００℃で加熱処理を行ってコ
ージライトやクリストバライト等の結晶を析出させるこ
とで、１２００℃で６０ｋｇ／ｍｍ2の曲げ強度のもの
を得ている。
【０００６】又、特開平３−１２２０５５号公報には、
Ａｌ2Ｏ3とＹ2Ｏ3を添加した後、冷却時に９００〜９７
０℃で保持し、更に１２００〜１３００℃に昇温する熱
処理プログラムによって、Ｓｉ3Ｎ4・Ｙ2Ｏ3又はＳｉ2Ｎ
2Ｏの微結晶を析出させる方法が開示されているが、得
られる焼結体の曲げ強度は１２００℃で６７ｋｇ／ｍｍ
2程度に留まっている。
【０００７】特開平３−１９９１６５号公報には、焼結
後の冷却速度をコントロールして、Ｓｉ2Ｎ2Ｏ結晶を析
出させたＲｅ2Ｏ3（ここでＲｅは希土類元素である）−
ＳｉＯ2系粒界相を形成することが記載されているが、
その曲げ強度は常温で８３〜９９ｋｇ／ｍｍ2、１４０
０℃で５１〜６３ｋｇ／ｍｍ2である。特開平４−２３
１３７９号公報には、焼結後の１２００℃での熱処理に
よりＳｉ2Ｎ2Ｏ結晶を粒界相に形成し、室温で１００ｋ
ｇ／ｍｍ2程度及び１４００℃で６３ｋｇ／ｍｍ2程度の
強度のＳｉ3Ｎ4焼結体を得ることが記載されている。
【０００８】特開平５−２９４７３１号公報には、１５
００〜１７００℃の熱処理によりＲｅ2Ｏ3（ここでＲｅ
は希土類元素である）とＺｒＳｉＯ4の複合結晶相が形
成され、１４００℃で５０ｋｇ／ｍｍ2以上の強度と、
ＫICで５以上の靭性値の焼結体が得られることが記載さ
れている。特開平５−３３０９１９号公報には、８５０
〜１０５０℃での核形成と１１００〜１５００℃での結
晶成長を経て粒界相にＡｌ−Ｙｂ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系又は
Ａｌ−Ｅｒ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の微結晶を形成し、１３０
０℃で６０ｋｇ／ｍｍ2程度の曲げ強度の焼結体を得る
ことが記載されている。
【０００９】更に、特開平５−５８７４０号公報には、
ＭｇＯやＴｉＯ2を核形成剤として加え、Ｙ2Ｏ3とＡｌ2
Ｏ3を焼結助剤として焼結した後、焼結体を８５０〜１
０５０℃で核形成させ、１２００〜１３００℃で結晶成
長させる方法により、Ｙ2Ｓｉ2Ｏ7、Ａｌ5Ｙ3Ｏ12、Ａ
ｌ6Ｓｉ2Ｏ13等のＹ2Ｏ3−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2系酸化物
結晶相を析出させ、室温で５０ｋｇ／ｍｍ2程度の曲げ
強度のＳｉ3Ｎ4焼結体を得ることが記載されている。
【００１０】以上のように、焼結助剤の成分と量、及び
結晶化処理条件を組み合わせることによって、高温強度
と靭性を向上させる試みがなされてきたが、近年の工具
に対して要求される高温特性を満たすには不十分であっ
た。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる従来
の事情に鑑み、粒界相に結晶を析出させ、従来よりも高
温での強度及び破壊靭性に優れた窒化ケイ素系焼結体、
及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供する窒化ケイ素系焼結体は、２０重量
％以下の粒界相と、残部が窒化ケイ素及び／又はサイア
ロンの結晶粒子の主相とからなる窒化ケイ素系焼結体で
あって；前記主相がβ−Ｓｉ3Ｎ4相及び／又はβ’−サ
イアロン相からなる粒子相を含み、且つ主相に対する該
β−Ｓｉ3Ｎ4相及び／又はβ’−サイアロン相の粒子相
の量比が０.５〜１.０の範囲にあり；前記粒界相は第１
の結晶成分としてＲｅ2Ｓｉ2Ｏ7（但しＲｅはＥｒとＹ
ｂを除く希土類元素を意味する、以下同じ）を、及び第
２の結晶成分としてＲｅＳｉＮＯ2、Ｒｅ3Ａｌ5Ｏ12、
ＲｅＡｌＯ3及びＳｉ3Ｎ4・Ｙ2Ｏ3の少なくとも１種を含
み；これら粒界相中の結晶成分の主相中の前記β−Ｓｉ
3Ｎ4相及び／又はβ’−サイアロン相の粒子相に対する
量比が０.０３〜１.６の範囲にあることを特徴とする。
【００１３】尚、主相に対するβ−Ｓｉ3Ｎ4相及び／又
はβ’−サイアロン相の粒子相の量比とは、主相を構成
するＳｉ3Ｎ4とサイアロンの全ての結晶粒子のＸ線回折
線の各ピーク強度の総和に対する、β−Ｓｉ3Ｎ4とβ’
−サイアロンの結晶粒子の各ピーク強度の和の比率を言
う。
【００１４】また、粒界相中の結晶成分の主相中のβ−
Ｓｉ3Ｎ4相及び／又はβ’−サイアロン相の粒子相に対
する量比とは、ＪＣＰＤＳ３３−１１６０カードに示さ
れる（２００）又はそれに該当するβ’−サイアロンの
Ｘ線回折線のピーク強度に対する、粒界相中の全ての結
晶相のＸ線回折線のメインピーク強度の総和の比率を意
味する。
【００１５】本発明による窒化ケイ素系焼結体の製造方
法は、窒化ケイ素系粉末８０〜９８重量％と、焼結助剤
系粉末としてＲｅ2Ｏ3（但しＲｅはＥｒ及びＹｂを除く
希土類元素を意味する、以下同じ）粉末とＡｌＮ、Ｒｅ
Ｎ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3及びＭxＯy（但しＭxＯyは酸化
物を意味し、ＭはＬｉ、Ｎａ、Ｃａ、Ｍｇ、又はＥｒと
Ｙｂを除く希土類元素を意味する）の粉末の少なくとも
１種とを組合せた単一化合物の混合粉末、又はその単一
化合物の組合せ組成をもつ複合化合物の粉末、若しくは
これらにＳｉ3Ｎ4・Ｙ2Ｏ3粉末を加えた混合粉末のいず
れか少なくとも１種の焼結助剤系粉末２〜２０重量％と
を混合し；得られた原料粉末を成形した成形体を窒素加
圧雰囲気中で焼結した後；得られた焼結体を非酸化性雰
囲気中において、１０５０℃から１５５０℃までの温度
域内で核形成と結晶成長のための熱処理を行うことを特
徴とする。
【００１６】尚、この温度範囲内に前記単一化合物の組
合せ組成に対応する共晶点が存在すれば、１０５０℃か
ら当該共晶点までの温度領域内で結晶核形成と結晶成長
までの熱処理を行うこととする。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の窒化ケイ素系焼結体は、
上記のごとく２０重量％以下の粒界相と、残部の主相で
ある窒化ケイ素及び／又はサイアロンの結晶粒子相とか
らなる。主相である窒化ケイ素及び／又はサイアロンの
結晶相が８０重量％未満、即ち粒界相が２０重量％を越
えると、粒界相に結晶成分が含まれていても十分な強度
が得られない。尚、粒界相が２重量％未満、即ち主相が
９８重量％を越えると焼結による緻密化が困難となる場
合もあるので好ましくない。
【００１８】前記窒化ケイ素及び／又はサイアロンから
なる主相の組合せは以下の通りであり、代表的な組合せ
例を下記表１に示す：
【表１】 （注）○は存在する相を表す。
【００１９】又、上記窒化ケイ素及び／又はサイアロン
の結晶相からなる主相については、結晶粒子の中でのβ
−Ｓｉ3Ｎ4及び／又はβ’−サイアロンの全結晶粒子に
対する量比（β、β’量比）、即ち下記数式１により求
められるＸ線回折線のピーク強度Ｉの比を０.５〜１の
範囲とする必要がある。このβ−Ｓｉ3Ｎ4及び／又は
β’−サイアロンの量比（β、β'量比）が０.５未満で
は等軸晶のα−Ｓｉ3Ｎ4又はα’−サイアロンが多くな
るため、β−Ｓｉ3Ｎ4及び／又はβ’−サイアロンによ
るネットワーク構造が充分形成されず、従って高い靭性
のものが得られないからである。
【００２０】
【数１】β、β'量比＝［Ｉ(β−Ｓｉ3Ｎ4)＋Ｉ(β’−
サイアロン)］／［Ｉ(α−Ｓｉ3Ｎ4)＋Ｉ(β−Ｓｉ
3Ｎ4)＋Ｉ(α’−サイアロン)＋Ｉ(β’−サイアロ
ン)］
【００２１】ここで、α’−サイアロンはＭx(Ｓｉ,Ａ
ｌ)12(Ｏ,Ｎ)16（但し０＜ｘ≦２）、β’−サイアロン
はＳｉ6-zＡｌzＮ8-z（但し０＜ｘ≦４.２）の一般式で
表されるものである。但し、上記一般式においてＭはＮ
ａ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ又は希土類元素を意味する。
【００２２】β−Ｓｉ3Ｎ4粒子あるいはβ’−サイアロ
ン粒子は、その平均長軸径が０.４〜１０μｍ且つアス
ペクト比が１.４〜１０であることが望ましい。即ち、
主相であるβ−Ｓｉ3Ｎ4粒子あるいはβ’−サイアロン
粒子が細かくなり過ぎたり或は等軸晶に近い形状になる
と、β−Ｓｉ3Ｎ4あるいはβ’−サイアロンのネットワ
ーク組織の継目が多くなるため、上記範囲内のものに比
べ耐衝撃性や靭性の改善が小さくなり、逆に大き過ぎた
り長径化し過ぎると、上記範囲内のものに比べ緻密な焼
結体を得ることがより難しくなるため、その結果強度や
靭性の改善が小さくなるからである。
【００２３】一方、粒界相は、第１の結晶成分としてＲ
ｅ2Ｓｉ2Ｏ7（以下、ＲｅはＥｒ及びＹｂを除く希土類
元素を意味する）を必ず含み、第２の結晶成分としてＲ
ｅＳｉＮＯ2（ＲｅＮ・ＳｉＯ2）、Ｒｅ3Ａｌ5Ｏ12（３
Ｒｅ2Ｏ3・５Ａｌ2Ｏ3）、ＲｅＡｌＯ3（Ｒｅ2Ｏ3・Ａｌ2
Ｏ3）及びＳｉ3Ｎ4・Ｙ2Ｏ3の少なくとも１種を含んでい
る。第１の結晶成分としてはＹ2Ｓｉ2Ｏ7が好ましく、
第２の結晶成分もＲｅがＹである組成のものが好まし
い。
【００２４】これら粒界相中の各結晶成分の量的指標と
して、粒界相中の結晶成分の主相中のβ−Ｓｉ3Ｎ4相及
び／又はβ’−サイアロン相に対する量比、即ち粒界相
における全ての結晶相のＸ線回折線のメインピーク強度
の総和の、β−Ｓｉ3Ｎ4のＪＣＰＤＳ３３−１１６０カ
ードに示される（２００）又はそれに該当するβ’−サ
イアロンのＸ線回折線のピーク強度に対する比を、０.
０３〜１.６の範囲に制御する必要がある。この粒界結
晶量比が０.０３未満では、粒界相に前記組合せの微結
晶が生成しないか又はその生成量が少ないため、高温で
の強度、靭性、耐摩耗性が共に低下する。逆に、この結
晶成分の量比が１.６を越えると、焼結体中のＳｉ3Ｎ4
又はサイアロンの量が相対的に減少し、充分な強度を得
ることができなくなる。
【００２５】以上のような粒界相に結晶成分を含有した
本発明の窒化ケイ素系焼結体は、室温での曲げ強度１１
７０ＭＰａ以上及び１３００℃での曲げ強度８８０ＭＰ
ａ以上のものが安定して得られ、且つ室温での破壊靭性
値ＫICが６.５ＭＰａ3/2以上という、高い強度と優れた
高靭性を兼ね備えている。
【００２６】かかる本発明の窒化ケイ素系焼結体は、出
発原料の窒化ケイ素系粉末とそれに混合する特定の焼結
助剤系の組合せ、及び焼結後の熱処理工程に特徴がある
方法により製造することができる。まず、出発原料であ
る窒化ケイ素系粉末は５０％以下のβ−Ｓｉ3Ｎ4又は
β’−サイアロンを含むことが好ましい。このβ−Ｓｉ
3Ｎ4又はβ’−サイアロンの割合は、単一粉末中のβ化
率でも良いし、例えばＳｉ3Ｎ4粉末の場合α−Ｓｉ3Ｎ4
粉末とβ−Ｓｉ3Ｎ4粉末の混合により達成しても良い。
【００２７】かかる窒化ケイ素系粉末に焼結助剤系粉末
を加えるが、焼結助剤系粉末としてはＲｅ2Ｏ3（但しＲ
ｅはＥｒ及びＹｂを除く希土類元素を意味する、以下同
じ）粉末と、ＡｌＮ、ＲｅＮ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3及び
ＭxＯy（但しＭxＯyは酸化物を意味し、ＭはＬｉ、Ｎ
ａ、Ｃａ、Ｍｇ、又はＥｒとＹｂを除く希土類元素を意
味する）の各粉末の少なくとも１種とを組合せて使用す
る。また、これらにＳｉ3Ｎ4・Ｙ2Ｏ3粉末を更に加える
こともできる。
【００２８】焼結助剤系粉末の形態については、従来よ
り行われてきたように、Ｒｅ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＲｅＮ、Ｓ
ｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭxＯy等の上記の各単一化合物の形
態で添加しても良いが、Ｒｅ2Ｏ3と他の単一化合物の少
なくとも１種を組み合わせた任意の組成の複合化合物の
形態で添加することがより好ましい。かかる複合化合物
の形態で添加することによって、従来のごとく単一化合
物のまま添加して焼結により複合化合物を形成させた場
合よりも、均質に焼結が進行し、より一層低温で緻密化
し得るからである。その結果、主相のＳｉ3Ｎ4又はサイ
アロン粒子も微細化し、強度、靭性、耐摩耗性の点で優
れた焼結体を得ることができる。
【００２９】例えば、図３は焼結助剤系粉末の添加形態
とその効果の違いを示す一例であるが、５モルのＡｌ2
Ｏ3と３モルのＹ2Ｏ3をそれぞれ単一化合物で添加した
場合よりも、５モルのＡｌ2Ｏ3と３モルのＹ2Ｏ3を複合
化合物Ｙ3Ａｌ5Ｏ12として添加した方が、焼結温度が約
１００℃ほど低下し、低温で緻密化することが理解でき
る。又、必要に応じて、前記単一化合物と複合化合物と
を一緒に添加することもできる。例えば、複合化合物Ｙ
3Ａｌ5Ｏ12と単一化合物ＡｌＮを一緒に添加すると、サ
イアロン系あるいはＳｉ3Ｎ4−サイアロン系の焼結体が
作成できる。
【００３０】又、窒化ケイ素系粉末と焼結助剤系粉末の
混合割合は、窒化ケイ素系粉末８０〜９８重量％に焼結
助剤系粉末２〜２０重量％とする。焼結助剤系粉末が２
０重量％を越えると、窒化ケイ素系粉末が少なくなり過
ぎるため脆弱な焼結体しか得られず、高温において強度
が急激に低下する。焼結助剤系粉末が２重量％未満で
は、焼結助剤の量が少な過ぎるため、焼結が充分に進行
しないからである。
【００３１】上記の窒化ケイ素系粉末と焼結助剤系粉末
は通常のごとく混合され、その混合粉末は各種の成形法
により成形される。この成形体は窒素加圧雰囲気中で焼
結することにより窒化ケイ素系焼結体とされるが、本発
明方法では得られた焼結体に更に核形成と結晶成長のた
めの熱処理を施すことによって、最終的にその粒界相が
前記の結晶成分並びにその量的指標を満たすものとな
る。尚、前記焼結体を更に５０〜１０００ａｔｍの高圧
窒素雰囲気中で緻密化処理することにより、一層緻密で
高強度の焼結体とすることができる。
【００３２】窒化ケイ素系焼結体の熱処理温度は１０５
０℃以上且つ１５５０℃以下の温度範囲とする。この温
度範囲内において、粒界相の結晶成分となるべき核の形
成と、その核の結晶成長とを実現する。熱処理雰囲気を
非酸化性雰囲気とするのは、焼結体表面の酸化並びに強
度の低下を防ぐためである。又、上記熱処理温度を１０
５０℃〜１５５０℃とするのは、１０５０℃未満では粒
界相に結晶の核が形成されず、１５５０℃を越えると、
主相の粒子が異常に成長したり、焼結体が昇華する恐れ
があるからである。尚、この温度領域内に、前記焼結助
剤系粉末の単一化合物の組合せ組成に対応する共晶点が
存在すれば、１０５０℃から当該共晶点までの温度範囲
において前記熱処理を行う。
【００３３】上記熱処理工程の好ましい態様として、１
０５０〜１４００℃で０.５〜１２時間の核形成を行っ
た後、引き続き昇温して、該核形成処理温度＋１５０℃
の温度から１５５０℃（又は前記単一化合物の組合せ組
成に対応する共晶点）までの温度域内で結晶成長を行う
ことができる。
【００３４】このように２段階のステップを経ることに
よって、１段階ステップに比べ焼結時にはガラス相であ
った粒界相をより多く結晶化させることが可能となり、
焼結体の高温強度、靭性及び耐摩耗性が一層向上する。
即ち、室温での曲げ強度が１２００ＭＰａ以上、１３０
０℃での曲げ強度が９００ＭＰａ以上、且つ室温での破
壊靭性ＫICが７.０ＭＰａ3/2以上のものが安定して得ら
れる。
【００３５】上記核形成ステップにおいて、核形成条件
が１０５０℃未満又は０.５時間未満では核形成がなさ
れず、１４００℃を越える核形成温度では必要とする組
合せの結晶成分並びにその量的指標を満たすことができ
ない。又、核形成時間が１２時間を越えても形成される
核は増加しないので、１２時間以内とすることが好まし
い。
【００３６】又、引き続いての結晶成長ステップでは、
結晶成長温度が核形成処理温度＋１５０℃よりも低いと
結晶核が充分に成長せず、１５５０℃を越えるか又は単
一化合物の組合せ組成に対応する共晶点を越えると粒界
相に目的とする組成の結晶成分が得られないか、又は焼
結体が昇華する恐れがあるからである。結晶成長の時間
は０.５〜２４時間が好ましい。０.５時間未満では結晶
化が進まないため所望３の特性が得られず、２４時間を
越えても結晶化がもはや進行しないばかりか、焼結体表
面の肌荒れが生じるからである。
【００３７】核形成と結晶成長のための熱処理工程、好
ましくは上記２段階のステップからなる熱処理工程を、
前述の時間の上限範囲内で１サイクルの時間と前記範囲
内の温度のプログラムを刻んで２サイクル以上複数回連
続して繰り返すことにより、粒界相の結晶化が一層進行
され、焼結体の高温強度、靭性、及び耐摩耗性が更に改
善される。即ち、繰り返しの熱処理によって、室温での
曲げ強度が１３００ＭＰａ以上、１３００℃での曲げ強
度が９４０ＭＰａ以上であり、且つ室温での破壊靭性Ｋ
ICが８.６ＭＰａ3/2以上のものが安定して得られる。
【００３８】尚、前記熱処理工程は、焼結体を得るため
の焼結工程の冷却過程の中に織り込んで実施しても良
い。又、焼結工程とは切り放し、焼結で得られた焼結体
に機械加工又はコーティング処理を施した後に行っても
良い。特に機械加工後に熱処理を行う場合には、加工時
の表面の傷や欠陥等がヒーリング効果によって修復され
るという副次的効果が得られる。更には、結晶核形成ス
テップを行う前に予め粒界相に液相が生じる温度まで昇
温して保持した後、結晶核形成温度まで冷却して、結晶
核形成ステップと結晶成長ステップを施しても良い。
【００３９】
【実施例】実施例１ 平均粒径０.７μｍのα−Ｓｉ3Ｎ4粉末と平均粒径１.５
μｍのβ−Ｓｉ3Ｎ4粉末、及び焼結助剤として平均粒径
０.８μｍの複合化合物Ｙ3Ａｌ5Ｏ12粉末と平均粒径１.
０μｍのＡｌＮ粉末又はＭｇＯ粉末を、下記表２に示す
割合で混合した。尚、複合化合物Ｙ3Ａｌ5Ｏ12は、Ｙ2
Ｏ3とＡｌ2Ｏ3とを３：５のモル比で混合し、１１５０
〜１６５０℃で焼成することにより製造した。
【００４０】これらの各混合粉末１００重量部に対し
て、分散剤としてポリエチレンアミンを３重量部、溶媒
としてエタノールを１２０重量部添加し、アルミナボー
ルで均一に混合した後、乾燥し、それぞれ直方体にプレ
ス成形した。各成形体を真空中で６００℃に加熱し、１
時間保持して脱脂した。
【００４１】次に、各成形体を６気圧の窒素加圧雰囲気
中にて１８００℃で４時間焼結し、それぞれ窒化ケイ素
系焼結体を得た。得られた各焼結体を抗折試験片形状に
加工した後、試料４を除いて、１.５気圧の窒素雰囲気
中において図１に示すプログラムに従って、１２００℃
×３時間及びそれに続く１５００℃×４時間の熱処理を
行った。また、試料７は同じ雰囲気中において１５００
℃で７時間の熱処理を行った。
【００４２】
【表２】 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００４３】熱処理後の各焼結体について、Ｘ線回折法
により、主相におけるＳｉ3Ｎ4とサイアロンの組合せ及
び主相中におけるβ−Ｓｉ3Ｎ4及び／又はβ’−サイア
ロンの量比（以下β、β’量比と記す）を求め、更に粒
界相に含まれる結晶成分を求めて、結果を表３に示し
た。各焼結体の主相は、試料１、３、５、７がα−Ｓｉ
3Ｎ4とβ’−サイアロンの組合せ、試料２、４はα’−
サイアロンとβ’−サイアロンの組合せ、試料６はＳｉ
3Ｎ4のみからなる焼結体であった。
【００４４】
【表３】 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００４５】又、得られた各試料の焼結体について、相
対密度、常温及び１３００℃での３点曲げ強度と破壊靭
性ＫIC、並びに耐熱衝撃性をそれぞれ測定し、その結果
を下記表４に示した。
【００４６】
【表４】 曲げ強度(kg/mm2) 破壊靭性(MPa3/2) 相対密度 耐熱衝撃性試料 常 温 1300℃ 常 温 1300℃ (％) (℃) 1 123 94 7.6 5.8 99.6 1100 2 122 92 7.8 5.7 99.2 1100 3 126 92 7.7 5.8 99.5 1100 4＊ 113 32 6.7 3.2 99.2 600 5＊ 110 44 6.5 3.3 97.6 600 6＊ 106 51 6.2 3.1 91.6 600 7 120 88 6.6 5.1 99.3 950 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００４７】上記の結果から分かるように、本発明例の
各焼結体は常温及び１３００℃において高い曲げ強度と
優れた破壊靭性を示したが、比較例の試料４は結晶化の
ための熱処理を行わなかったため粒界相がガラス相の状
態であり、高温での曲げ強度及び破壊靭性が急激に低下
している。又、比較例の試料５はＳｉ3Ｎ4及びサイアロ
ン成分が少なすぎるため脆弱な焼結体しか得られず、試
料６は逆に焼結助剤成分が少なすぎるため充分に焼結さ
れず、共に強度及び靭性に劣っている。また、試料１と
７は熱処理の最高温度が１５００℃で等しいが、結晶核
生成ステップを設けた試料１の方が高温特性が優れてい
る事が分かる。
【００４８】実施例２ 平均粒径０.８μｍのα−Ｓｉ3Ｎ4粉末と平均粒径１.２
μｍのβ−Ｓｉ3Ｎ4粉末、及び焼結助剤として実施例１
と同様に製造した平均粒径０.８μｍの複合化合物Ｙ3Ａ
ｌ5Ｏ12粉末、平均粒径１.０μｍのＡｌＮ粉末又ＭｇＯ
粉末を下記表５に示す割合で混合した。
【００４９】
【表５】 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００５０】各混合粉末１００重量部に対して、分散剤
としてポリエチレンアミンを３重量部、溶媒としてエタ
ノールを１２０重量部添加し、アルミナボールで均一に
混合した後、乾燥し、それぞれ直方体にプレス成形し
た。各成形体を真空中で６００℃に加熱し、１時間保持
して脱脂した。各成形体を６気圧の窒素加圧雰囲気中に
て４時間焼結したが、焼結温度は試料８と１２が１８０
０℃、試料９が１８２５℃、試料１０と１３が１８５０
℃、及び試料１１と１４が１９００℃とした。
【００５１】得られた各Ｓｉ3Ｎ4焼結体を抗折試験片形
状に加工し、１.４気圧の窒素雰囲気中において熱処理
した。ただし、試料８〜１０は１１００℃で４時間保持
した後１５５０℃で５時間の熱処理、試料１１は１０５
０℃で４時間保持した後１５００℃で６時間の熱処理を
行った。又、比較例の試料１２、１３は１１００℃で４
時間保持した後１４３０℃で７時間の熱処理を行った。
尚、試料１４は熱処理を行わなかった。
【００５２】熱処理後の各焼結体について、実施例１と
同様に、粒界相に含まれる結晶成分を測定し、主相中の
β、β’量比、窒化ケイ素中のβ−Ｓｉ3Ｎ4のＪＣＰＤ
Ｓ３３−１１６０カードに示される(２００)Ｘ線回折線
ピーク強度あるいはそれに該当するβ’−サイアロンに
対する粒界相の全結晶成分のＸ線回折線メインピーク強
度の総和の比（以下粒界結晶量比と記す）を求め、それ
ぞれ表６に示した。また、試料８から１１の中で、試料
８と１１の主相はＳi3Ｎ4のみから形成されていた。
【００５３】
【表６】 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００５４】又、得られた各試料の焼結体について、相
対密度を求めると共に、更に常温及び１３００℃での３
点曲げ強度と破壊靭性ＫIC、並びに耐熱衝撃性をそれぞ
れ測定し、その結果を表７に示した。
【００５５】
【表７】 曲げ強度(kg/mm2) 破壊靭性(MPa3/2) 相対密度 耐熱衝撃性試料 常 温 1300℃ 常 温 1300℃ (％) (℃) 8 123 95 7.6 5.9 99.5 1200 9 126 94 8.3 5.7 99.4 1100 10 128 94 7.9 5.9 99.1 1100 11 128 94 8.1 5.7 99.3 1150 12＊ 83 48 5.1 3.1 94.8 800 13＊ 71 43 3.4 2.2 92.8 600 14＊ 113 40 5.0 3.1 99.0 600 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００５６】上記の結果から分かるように、本発明例の
各焼結体は常温及び１３００℃において高い曲げ強度と
優れた破壊靭性を示したが、試料１２はＳｉ3Ｎ4の重量
比が９９重量％で９８重量％よりも多いため、また試料
１３はＳｉ3Ｎ4の重量比が７７重量％で８０重量％未満
のため、いずれも曲げ強度及び破壊靭性に劣り、特に高
温において曲げ強度及び破壊靭性の劣化が顕著であり、
耐熱衝撃性にも劣っている。
【００５７】実施例３ 平均粒径０.７μｍのα−Ｓｉ3Ｎ4粉末と平均粒径１.５
μｍのβ−Ｓｉ3Ｎ4粉末、及び焼結助剤として実施例１
と同様に製造した平均粒径０.８μｍの複合化合物Ｙ3Ａ
ｌ5Ｏ12粉末を、下記表８に示す割合で混合した。
【００５８】
【表８】
【００５９】各混合粉末１００重量部に対して、分散剤
としてポリエチレンアミンを３重量部、溶媒としてエタ
ノールを１２０重量部添加し、アルミナボールで均一に
混合した後、乾燥し、それぞれ直方体にプレス成形し
た。各成形体を真空中で６００℃に加熱し、１時間保持
して脱脂した。各成形体を６気圧の窒素加圧雰囲気中に
て１８５０℃で４時間焼結した。
【００６０】得られた各焼結体を抗折試験片形状に加工
し、１.４気圧の窒素雰囲気中において１１００℃で３
時間保持した後、１５００℃で４時間保持することによ
り熱処理を行った。熱処理後の各焼結体について、実施
例１及び２と同様にＸ線回折法により、主相中のβ、
β’量比を求めると共に、粒界相に含まれる結晶成分を
測定し且つその粒界結晶量比を求め、結果を表９に示し
た。
【００６１】
【表９】
【００６２】更に、各試料の焼結体について、相対密度
を求めると共に、常温及び１３００℃での３点曲げ強度
と破壊靭性ＫIC、及び耐熱衝撃性をそれぞれ測定し、そ
の結果を表１０に示した。
【００６３】
【表１０】 曲げ強度(kg/mm2) 破壊靭性(MPa3/2) 相対密度 耐熱衝撃性試料 常 温 1300℃ 常 温 1300℃ (％) (℃) 15 128 93 7.6 5.8 99.4 1100 16 124 92 7.8 5.4 99.2 1200 17 126 92 8.1 5.9 99.2 1100 18 124 93 7.6 5.8 99.3 1200 19 114 81 6.6 4.3 98.1 900 20 110 70 6.6 3.7 97.6 900
【００６４】上記の結果から分かるように、本発明例の
各焼結体は常温及び１３００℃において高い曲げ強度と
優れた破壊靭性を示し、耐熱衝撃性も優れているが、使
用するＳｉ3Ｎ4粉末のβ相の含有率が５０％を越えると
（試料１９、２０）、強度、破壊靭性、耐熱衝撃性が劣
化するため、β型窒化ケイ素粉末は５０重量％以下とす
ることが好ましい。
【００６５】実施例４ 平均粒径０.７μｍのα−Ｓｉ3Ｎ4粉末９０重量％と、
平均粒径１.５μｍのβ−Ｓｉ3Ｎ4粉末２重量％、及び
焼結助剤として実施例１におけるＹ2Ｏ3の代わりにＤｙ
2Ｏ3を用いることによって同様に製造した平均粒径０.
８μｍの複合化合物Ｄｙ3Ａｌ5Ｏ12粉末を６重量％、及
びＡｌＮ粉末とＭｇＯ粉末をそれぞれ１重量％の割合で
混合した。
【００６６】この混合粉末１００重量部に対して、分散
剤のポリエチレンアミンを３重量部及び溶媒のエタノー
ルを１２０重量部添加し、アルミナボールで均一に混合
し、乾燥した後、５ｔ／ｃｍ2の静水圧プレス形成によ
り直径７０ｍｍで厚さ８ｍｍの円盤状に成形した。
【００６７】次に、各成形体を真空中で６００℃に加熱
し、１時間保持して脱脂した後、６気圧の窒素加圧雰囲
気中にて１８００℃で焼結した。各試料の焼結時間は、
試料２１が１時間、試料２２が２時間、試料２３が４時
間、試料２４が５時間、及び試料２５が７時間とした。
【００６８】得られた各焼結体を抗折試験片形状に加工
し、１.４気圧の窒素雰囲気中において、図２に示す熱
処理プログラムに従って、１２００℃で４.５時間保持
した後１５４０℃で５時間保持することにより熱処理を
行った。
【００６９】熱処理後の各焼結体について、主相中のβ
−Ｓｉ3Ｎ4とβ’−サイアロンの長径とアスペクト比の
平均値をそれぞれ測定し、更に実施例１及び２と同様に
Ｘ線回折法により主相中のβ、β’量比、粒界相中の結
晶成分及びその粒界結晶量比を求めて、それぞれの結果
を表１１に示した。
【００７０】
【表１１】 β、β’粒子 β、β’ 粒界結晶試料 長径(μm) アスヘ゜クト比 量 比 量 比 粒 界 相 結 晶 成 分 21 0.9 1.5 0.86 0.20 Dy2Si2O7 DySiNO2 22 3.3 6.7 0.90 0.21 Dy2Si2O7 DySiNO2 23 9.1 9.0 0.93 0.23 Dy2Si2O7 DySiNO2 24 5.9 1.0 1.0 0.16 Dy2Si2O7 DyAlO3 25 9.9 12 1.0 0.14 Dy2Si2O7 DyAlO3
【００７１】又、各試料の焼結体について、相対密度を
求めると共に、常温及び１３００℃での３点曲げ強度と
常温での破壊靭性ＫIC、及び耐熱衝撃性をそれぞれ測定
し、結果を表１２に示した。
【００７２】
【表１２】曲げ強度(kg/mm2) 破壊靭性 相対密度 耐熱衝撃性試料 常 温 1300℃ (MPa3/2) (％) (℃) 21 123 93 7.8 99.3 1200 22 126 92 7.8 99.4 1100 23 128 93 7.0 99.4 1100 24 113 78 6.3 97.8 700 25 108 73 6.1 98.1 700
【００７３】上記の結果から分かるように、試料２１〜
２３の各焼結体はβ−Ｓｉ3Ｎ4及び／又はβ’−サイア
ロン粒子のアスペクト比が１.４〜１０の範囲にあるた
め、常温及び１３００℃において高い曲げ強度と優れた
破壊靭性を示し、耐熱衝撃性も優れている。このことか
ら、β−Ｓｉ3Ｎ4及びβ’−サイアロン粒子のアスペク
ト比は１.４〜１０の範囲がより好ましいことが分か
る。
【００７４】実施例５ 平均粒径０.５μｍのα−Ｓｉ3Ｎ4粉末９６重量％、及
び焼結助剤として実施例１と同様に製造した平均粒径
０.８μｍの複合化合物Ｙ3Ａｌ5Ｏ12粉末４重量％を混
合した。
【００７５】上記の混合粉末１０重量部に対して、分散
剤としてポリエチレンアミンを３重量部、溶媒としてエ
タノールを１２０重量部それぞれ添加し、アルミナボー
ルで均一に混合し、乾燥した後、５ｔ／ｃｍ2の静水圧
プレスにより直径７０ｍｍで厚さ８ｍｍの円盤状に成形
した。各成形体を真空中で６００℃に加熱し、１時間保
持して脱脂した。
【００７６】次に、焼結助剤として上記複合化合物を用
いた各試料、及びこの複合化合物に対応する各単一化合
物を混合して用いた試料３９について、それぞれ１８５
０℃で３時間焼結し、得られた各焼結体について抗折試
験片形状に加工し、２.０気圧の窒素雰囲気中（試料３
８は大気中）において図４に示す核形成処理と結晶成長
処理の２段階ステップ（試料２９は１段階のみ）からな
る結晶化処理パターンで熱処理を実施した。この時の核
形成処理の温度ａと保持時間ｂ、及び結晶成長処理の温
度ｃと保持時間ｄを下記表１３に示した。尚、昇温速度
はいずれも１０℃／分、冷却は自然冷却とした。
【００７７】
【表１３】 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。尚、試料
２９は１段階熱処理の本発明例であり、試料４０は熱処
理なしの比較例である。又、試料３８は熱処理を大気中
で行い、試料３９は焼結助剤として複合化合物Ｙ3Ａｌ5
Ｏ12の代わりに単一化合物Ｙ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3を混合して
使用した。
【００７８】上記熱処理後の各焼結体について、実施例
１及び２と同様にＸ線回折法により粒界結晶成分を求め
ると共に、粒界結晶の量比を求め、その結果を下記表１
４に示した。
【００７９】
【表１４】 粒界結晶試料 量 比 粒 界 相 結 晶 成 分 26 0.31 Y2Si2O7 YSiNO2 Y3Al5O12 27 0.38 Y2Si2O7 YSiNO2 YAlO3 Y10Al2Si3O18N4 28 0.04 Y2Si2O7 YAlO3 29 0.03 Y2Si2O7 Si3N4・Y2O3 30＊ 0.01 Y2SiO5 31 0.03 Y2Si2O7 Y3Al5O12 32 0.03 Y2Si2O7 YSiNO2 YAlO3 33 0.32 Y2Si2O7 YSiNO2 YAlO3 Y10Al2Si3O18N4 34＊ 0.02 YSiNO2 35 0.03 Y2Si2O7 YSiNO2 36＊ 0.01 Si3N4・Y2O3 37＊ 0.05 Y2SiO7 Si3N4・Y2O3 38＊ 0.03 Y2SiO5 39 0.11 Y2Si2O7 YAlO3 Y3Al5O12 40＊ 0 なし （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００８０】又、得られた各焼結体について、常温と１
３００℃における３点曲げ強度及び破壊靭性を測定し、
更に常温と１３００℃における硬度、及び耐熱衝撃性を
測定して、結果を下記表１５に示した。尚、試料３３と
３７の焼結体には肌荒れが認められ、試料３４では焼結
体の一部が昇華した。
【００８１】
【表１５】 曲げ強度(kg/mm2) 破壊靭性(MPa3/2) 相対密度 硬 度(ＨV) 耐熱衝撃性試料 常 温 1300℃ 常 温 1300℃ (％) 常温 1300℃ (℃) 26 126 93 7.7 5.7 99.5 1532 1050 1200 27 123 94 7.7 6.3 99.4 1543 1038 1200 28 130 93 7.4 6.0 99.5 1540 1041 1100 29 120 90 6.5 5.1 99.5 1538 980 950 30＊ 111 44 6.1 2.5 97.4 1509 911 600 31 122 92 7.0 5.2 99.3 1530 978 950 32 122 92 7.0 5.2 99.2 1521 983 950 33 123 92 7.3 5.3 99.4 1520 980 950 34＊ 114 41 6.2 3.1 93.4 1423 879 800 35 122 92 7.1 5.3 99.4 1530 974 950 36＊ 116 41 6.1 3.0 99.2 1522 903 600 37＊ 115 87 6.2 3.0 99.5 1531 901 800 38＊ 80 30 6.3 2.8 94.8 1479 819 400 39 123 92 7.3 4.9 99.3 1520 980 900 40＊ 108 40 6.3 2.4 99.3 1476 891 400 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００８２】上記の結果から、本発明例の試料の粒界相
には必ずＹ2Ｓｉ2Ｏ7が析出し、これにＹＳｉＮＯ2、Ｙ
3Ａｌ5Ｏ12、ＹＡｌＯ3、Ｓｉ3Ｎ4・Ｙ2Ｏ3等の結晶成分
が同時に析出している。一方、比較例の試料の結晶相で
は、このような結晶成分の組み合わせが得られていな
い。試料２６と２９は熱処理の最高温度とその温度での
処理時間が各々１４８０℃で１２時間と等しいが、結晶
核生成ステップを設けた試料２６の方が高温特性の優れ
ていることが分かる。又、試料２９は熱処理を施してい
ない試料４０よりも高温特性が優れている。そして、比
較例の試料に対して、本発明例の試料は常温及び高温に
おける曲げ強度や破壊靭性が遥かに優れていることが分
かる。
【００８３】実施例６ 前記実施例５と同様に複合化合物Ｙ3Ａｌ5Ｏ12粉末を添
加して焼結体を製造し、この焼結体を連続して実施例５
の試料２８と同じ条件で熱処理して、本実施例の試料４
１とした。又、同様に焼結体を製造し、連続してこの焼
結体に図５に示す核形成と結晶成長の結晶化処理を２回
繰り返す熱処理を施し、本実施例の試料４２とした。そ
の後、両試料４１、４２とも型番ＳＮＧ４３４の切削工
具形状に加工した。
【００８４】更に、上記のごとく実施例５と同様に製造
した焼結体を型番ＳＮＧ４３４の切削工具形状に加工し
た後、実施例５の試料２８と同じ条件で熱処理して、本
実施例の試料４３とした。又、同様に焼結体を加工した
後、図５に示す熱処理を行うことにより、本実施例の試
料４４を得た。尚、比較例として、同様に焼結体を加工
したままで、熱処理を行わないものを試料４５とした。
【００８５】これら各試料について、実施例１及び２と
同様に、Ｘ線回折法により粒界相の全結晶成分とその粒
界結晶量比を求めた。試料４１〜４４の粒界相の結晶成
分は実施例５の表１４に示した試料２８と同じく、Ｙ2
Ｓｉ2Ｏ7、ＹＡｌＯ3であったが、試料４５には結晶成
分の析出はなかった。
【００８６】各試料の焼結体について、常温及び１３０
０℃の３点曲げ強度、及び常温での破壊靭性、相対密
度、並びに耐熱衝撃性を求めた。又、切削性能を評価す
るために、Ｖ＝４００ｍ／ｍｉｎ、ｆ＝０.１ｍｍ／ｒ
ｅｖ、ｄ＝２.０ｍｍの切削条件で、被削材としてＦＣ
２５０ディスクブレーキ１００個を湿式切削し、それぞ
れのチップの摩耗量を求めた。
【００８７】更に、上記と同様に作製した各試料からな
る直径８ｍｍ×長さ２５ｍｍの試験片を用いて、５００
℃で摩擦摩耗試験を実施し、比摩耗量を求めた。相手材
は鋼を使い、回転数９００ｒｐｍ、荷重３００Ｎとし
た。これらの結果を下記表１６にまとめて示した。
【００８８】
【表１６】 粒界結晶 強度(kg/mm2) 破壊靭性 密 度 耐熱衝撃性 切削試験 比摩試料 量 比 常 温 1300℃ (MPa3/2) (％) (℃) 摩耗量(mm) 耗量 41 0.04 122 92 7.1 99.5 1100 0.316 6.8 42 0.23 135 97 8.6 99.5 1200 0.273 5.6 43 0.04 128 95 7.6 99.5 1150 0.298 6.0 44 0.23 138 103 8.7 99.5 1200 0.216 4.0 45＊ なし 121 32 6.3 99.4 800 0.623 13.0 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。又、比摩耗量の単位は×１０-9ｍ ｍ3／Ｎ・ｍｍである。
【００８９】上記切削試験の結果から、焼結後そのまま
連続して熱処理するよりも、焼結後に一旦加工してから
熱処理した方が、高温特性並びに切削性能が優れている
ことが分かる。又、熱処理を１回で終了するよりも、２
回以上連続して行った方が、更に特性が向上することが
判明した。
【００９０】又、摩擦摩耗試験においても、焼結後に２
回連続して熱処理した試料４４が最も摩耗量が少なく、
結晶化のための熱処理を施していない試料４５が最も摩
耗量が多い。この結果から、粒界相を結晶化することに
より、耐摩耗性が向上することが分かった。
【００９１】実施例７ 前記実施例２の試料９と同様にして得た焼結体を、一旦
炉から取り出して機械特性評価試験片及び切削試験片に
加工した後、それぞれ以下の熱処理を行った。
【００９２】試料４６については、図６に示すように、
常温から一旦１７００℃まで昇温させてその温度で１時
間保持した後、１１００℃まで冷却してその温度で４時
間保持し、更に１４５０℃で５時間保持した。試料４７
については、図７に示すように、常温から１１００℃ま
で昇温してその温度で４時間保持した後、１４５０℃に
昇温してその温度で５時間保持した。比較のために、試
料４８として熱処理を施さない試験片も作製した。
【００９３】熱処理後の各試料について、実施例６と同
様に、粒界相の結晶成分とその粒界結晶量比を求め、結
果を表１７に示した。又、各機械特性評価試験片につい
て、実施例６と同様に曲げ強度、破壊靭性を測定し、結
果を表１８に示した。更に、ＳＮＭＮ４３４に焼結、加
工した各切削試験片を用いて切削性能評価試験を行っ
た。切削切削評価試験の条件は、Ｖ＝７００ｍ／ｍｉ
ｎ、ｆ＝０.３ｍｍ／ｒｅｖ、ｄ＝１.５ｍｍとし、直径
２００ｍｍのディスク状ＦＣ２５０材を５０枚切削した
後の摩耗状態を調べた。得られた結果を表１８に併せて
示した。
【００９４】
【表１７】粒界結晶試料 量 比 粒界相結晶成分 46 0.96 Y2Si2O7 YAlO3 47 0.84 Y2Si2O7 Y3Al5O12 YAlO3 48＊ 0 なし （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００９５】
【表１８】 曲げ強度(kg/mm2) 破壊靭性(MPa3/2) 切削性能試料 常 温 1300℃ 常 温 1300℃ 摩耗量(mm) 46 124 94 7.9 6.1 0.377 47 122 92 7.4 5.8 0.485 48＊ 120 34 7.8 2.7 0.798 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
【００９６】試料４６のように、一旦粒界相が液相状態
になる温度まで昇温させてから、冷却途中で結晶核を形
成させて成長させるプロセスを経た方が、結晶相が多量
に形成され、また高温特性にも優れていることが分かっ
た。
【００９７】実施例８ 実施例５の試料２６と同一の条件で焼結及び熱処理を行
って、最外径５８ｍｍ及び厚み２５ｍｍの線引き用ガイ
ドローラーを作製した。又、比較の為に同じく実施例５
の試料３０及び４０と同一の条件で上記と同型のガイド
ローラーを作製した。これらの製品の焼結体の粒界相か
ら生じる結晶相の有無、結晶相の種類と結晶相量比、及
び機械特性は実施例５の結果と同じであった。
【００９８】これらの各ガイドローラーを用いて、直径
５.５ｍｍのステンレス高炭素鋼の線材を４５ｍｍ／秒
の速度で線引きを行った。この時のガイドローラーと線
材との接触面の温度を放射温度計で測定すると約６８０
℃にまで上昇していた。この線引きの結果、いずれのガ
イドローラーも摩耗量が寿命の要因となったが、実施例
５の試料２６からなるガイドローラーは、試料３０のも
のに比べて約３倍、試料４０のものに比べて約５倍の寿
命を示した。
【００９９】実施例９ 実施例２の試料１０と同一の条件で焼結及び熱処理を行
って、型番ＳＮＭＮ４３４の切削工具を作製した。又、
比較の為に、同じく実施例２の試料１２及び１４と同一
の条件で、上記と同じ型番の切削工具を作製した。
【０１００】これらの各切削工具を用いて下記の条件の
切削試験を行い、試験後の逃げ面に生じる摩耗量を測定
した：切 削 条 件 乾式施削 周 速：５００ｍｍ／ｍｉｎ 送り速度：０.５ｍｍ／ｒｅｖ 切り込み：２.０ｍｍ 被 削 材：ＦＣ２５０ 切削箇所：φ２００ｍｍディスクブレーキ端面 切削個数：１００枚
【０１０１】この切削条件で切削を行っている時のチッ
プの刃先の温度を赤外線温度計で測定した結果、約９２
０℃にまで加熱されていることが判明した。この切削試
験の結果、試料１０からなる切削工具の逃げ面の境界摩
耗量は０.２６８ｍｍであったのに対し、試料１２及び
１４からなる切削工具の逃げ面の摩耗量は各々０.５１
２ｍｍ及び０.６０２ｍｍであった。
【０１０２】実施例１０ 実施例１の試料１と同一の条件で焼結及び熱処理を行っ
て、外径１２０ｍｍ及び厚み３０ｍｍの絞り型を作製し
た。比較の為に、同じく実施例１の試料４及び５と同一
の条件で上記と同型の絞り型を作製した。
【０１０３】これらの絞り型を用いて、外径８０ｍｍ及
び内径７２ｍｍ、長さ３００ｍｍの機械構造用炭素鋼管
ＳＴＫＭ１２Ｂの片方の端から長さ５０ｍｍに亘り、外
径を直径にして０．８ｍｍだけ絞り加工した。この絞り
型を用いて絞り加工を行った結果、試料１からなる絞り
型は１２万ショット絞りこむことができたが、試料４及
び５からなる絞り型は各々５万ショット及び６万ショッ
トしか加工できなかった。尚、通常の超硬合金で作製し
た同型の絞り型を用いると、わずか３万ショットしか加
工できなかった。これらの絞り型の寿命要因は、いずれ
も絞り型の摩耗であった。
【０１０４】実施例１１ 実施例５の試料２８と同一の条件で焼結及び熱処理を行
って、外径８５ｍｍ及び長さ５２０ｍｍの鋼管搬送用ロ
ーラーを作製した。このローラーを数十個用いてバッチ
焼鈍炉の搬送ローラーとし、この搬送ローラーの上に幅
３００ｍｍ、長さ５００ｍｍ、厚み５ｍｍの鋼板を速度
２０ｋｍ／ｈで転がして搬送した。尚、焼鈍炉の入り口
温度は１１００℃、出口温度は１３２０℃であり、雰囲
気は大気中である。この条件で鋼板の送り作業を連続し
て行った結果、１５日間使用した後のローラーの摩耗量
はいずれも０.０８ｍｍ以下であった。この為にこの場
合のローラーの寿命は７０日間であった。
【０１０５】又、比較のために試料３２及び４０と同一
の条件で焼結及び熱処理を行って、上記と同型のローラ
ーを作製し、同一の条件の下で鋼板の送り作業を行っ
た。その結果、１５日間使用した後のこれローラーの摩
耗量は、試料３２のローラーが０.１８ｍｍ、及び試料
４０のローラーが０.２５ｍｍであり、寿命は各々３０
日間と１９日間であった。他材質として、ＳＵＳ３１０
Ｓ製の同型のローラーは摩耗量が大きく、寿命は僅かに
１０日間であった。
【０１０６】
【発明の効果】本発明によれば、窒化ケイ素及び／又は
サイアロンを主相とする焼結体の粒界相に特定の組合せ
の結晶成分を析出させることにより、従来よりも強度及
び破壊靭性に優れ、特に高温での強度及び破壊靭性に優
れると共に、耐熱衝撃性にも優れた窒化ケイ素系焼結体
を提供することができる。
【０１０７】又、この窒化ケイ素系焼結体は、上記のご
とく強度及び破壊靭性等の優れた特性を有すると共に、
高温での硬度や耐摩耗性に優れているので、切削工具材
料、耐摩耗工具材料、構造用材料等として特に有用であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で用いた結晶化のための熱処理プログ
ラムを示すグラフである。
【図２】実施例４で用いた結晶化のための熱処理プログ
ラムを示すグラフである。
【図３】焼結助剤として単一化合物を用いた場合と、そ
れらを組み合わせた複合化合物を用いた場合における、
焼結性の違いを示すグラフである。
【図４】実施例５で用いた結晶化のための２段階の熱処
理プログラムを示すグラフである。
【図５】実施例６で用いた結晶化のための２サイクルの
熱処理プログラムを示すグラフである。
【図６】実施例７で用いた結晶化のための熱処理プログ
ラムを示すグラフである。
【図７】実施例７で用いた結晶化のための別の熱処理プ
ログラムを示すグラフである。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 粒界相が重量比で２０％以下であり、残
    部が窒化ケイ素及び／又はサイアロンの結晶粒子の主相
    からなる窒化ケイ素系焼結体であって；前記主相がβ−
    Ｓｉ3Ｎ4相及び／又はβ’−サイアロン相からなる粒子
    相を含み、且つ主相に対する該β−Ｓｉ3Ｎ4相及び／又
    はβ’−サイアロン相の粒子相の量比が０.５〜１.０の
    範囲にあり；前記粒界相が第１の結晶成分としてＲｅ2
    Ｓｉ2Ｏ7（但しＲｅはＥｒとＹｂを除く希土類元素を意
    味する、以下同じ）を、及び第２の結晶成分としてＲｅ
    ＳｉＮＯ2、Ｒｅ3Ａｌ5Ｏ12、ＲｅＡｌＯ3及びＳｉ3Ｎ4
    ・Ｙ2Ｏ3の少なくとも１種を含み；これら粒界相中の結
    晶成分の主相中の前記β−Ｓｉ3Ｎ4相及び／又はβ’−
    サイアロン相の粒子相に対する量比が０.０３〜１.６の
    範囲にあることを特徴とする窒化ケイ素系焼結体。
  2. 【請求項２】 前記β−Ｓｉ3Ｎ4粒子又はβ’−サイア
    ロン粒子の平均長軸径が０.４〜１０μｍ、アスペクト
    比が１.４〜１０であることを特徴とする、請求項１に
    記載の窒化ケイ素系焼結体。
  3. 【請求項３】 窒化ケイ素系粉末８０〜９８重量％と、
    焼結助剤系粉末としてＲｅ2Ｏ3（但しＲｅはＥｒ及びＹ
    ｂを除く希土類元素を意味する、以下同じ）粉末とＡｌ
    Ｎ、ＲｅＮ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭxＯy（但しＭxＯy
    は酸化物を意味し、ＭはＬｉ、Ｎａ、Ｃａ、Ｍｇ、又は
    ＥｒとＹｂを除く希土類元素を意味する）の粉末の少な
    くとも１種とを組合せた単一化合物の混合粉末、又はそ
    の単一化合物の組合せ組成をもつの複合化合物の粉末、
    若しくはこれらにＳｉ3Ｎ4・Ｙ2Ｏ3粉末を加えた混合粉
    末のいずれか少なくとも１種の焼結助剤系粉末２〜２０
    重量％とを混合し；得られた原料粉末を成形した成形体
    を窒素加圧雰囲気中で焼結した後；得られた焼結体を非
    酸化性雰囲気中において、１０５０℃から１５５０℃ま
    での温度域内で核形成と結晶成長のための熱処理を行う
    ことを特徴とする窒化ケイ素系焼結体の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記熱処理工程は、１０５０〜１４００
    ℃で０.５〜１２時間の核形成を行った後、引き続き昇
    温して該核形成処理温度＋１５０℃から１５５０℃まで
    の温度域内で結晶成長を行うことを特徴とする、請求項
    ３に記載の窒化ケイ素系焼結体の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記核形成処理と結晶成長処理からなる
    熱処理工程を複数回連続して繰り返すことを特徴とす
    る、請求項４に記載の窒化ケイ素系焼結体の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記熱処理工程は、前記焼結工程の冷却
    過程の中で行われることを特徴とする、請求項３〜５の
    いずれかに記載の窒化ケイ素系焼結体の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記熱処理工程は、前記焼結工程で得ら
    れた焼結体に機械加工又はコーティング処理を施した後
    行われることを特徴とする、請求項３〜５のいずれかに
    記載の窒化ケイ素系焼結体の製造方法。
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