窒化珪素質焼結体およびこれを用いた溶湯金属用部材ならびに耐磨耗性部材
【課題】 脱粒が少なく、優れた機械的特性および耐磨耗性を有する窒化珪素質焼結体およびこれを用いた溶湯金属用部材ならびに耐磨耗性部材を提供する。
【解決手段】 窒化珪素を主成分とし、ジルコニアと、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種とを含んでなり、主結晶を構成する窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素質焼結体である。この窒化珪素質焼結体は、高い圧縮応力が主結晶にかかった状態となっており窒化珪素の粒子の脱粒が少なく、優れた機械的特性や耐磨耗性を有する。
【解決手段】 窒化珪素を主成分とし、ジルコニアと、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種とを含んでなり、主結晶を構成する窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素質焼結体である。この窒化珪素質焼結体は、高い圧縮応力が主結晶にかかった状態となっており窒化珪素の粒子の脱粒が少なく、優れた機械的特性や耐磨耗性を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化珪素質焼結体ならびにこれを用いた溶湯金属用部材および耐磨耗性部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化珪素質焼結体は、機械的特性，耐熱衝撃性および耐磨耗性に優れているため、エンジン部品，溶湯金属用部材，切削工具などの産業用部品として広い分野で使用されている。
【０００３】
そして、このような分野に用いられる窒化珪素質焼結体として、例えば、特許文献１には、Ｓｉ３Ｎ４もしくはＳｉａｌｏｎ粒子と粒界相からなる窒化珪素質焼結体において、Ｚｒ元素を酸化物換算で１〜30重量％含み、粒径１μｍ以下の粒内分散粒子が内部に少なくとも１個以上分散した窒化珪素粒子もしくはＳｉａｌｏｎ粒子を１体積％以上含有する焼結体であって、粒内分散粒子がＺｒ元素及びＯ元素を含み且つＺｒ，Ｏ，Ｓｉ及びＮのうちから選ばれる２種以上の元素からなる窒化珪素質焼結体が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−166570号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した産業用部品として窒化珪素質焼結体を用いるとき、窒化珪素質焼結体には、機械的特性や耐磨耗性に優れていることが求められるが、それぞれの用途における使用において、窒化珪素質焼結体から窒化珪素の粒子が剥がれたりもしくは落ちたり（以下、脱粒と称す。）すると、機械的強度や耐磨耗性等が低下することから、脱粒を生じにくくしなければならないという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、脱粒が少なく、優れた機械的特性および耐磨耗性を有する窒化珪素質焼結体およびこれを用いた溶湯金属用部材ならびに耐磨耗性部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素を主成分とし、ジルコニアと、イットリア、セリア、マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種とを含んでなり、主結晶を構成する窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含むことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の溶湯金属用部材および耐磨耗性部材は、上記構成の窒化珪素質焼結体を用いたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の窒化珪素質焼結体によれば、窒化珪素を主成分とし、ジルコニアと、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種とを含んでなり、主結晶を構成する窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含むことから、主結晶は高い圧縮応力がかかった状態となっており窒化珪素の粒子の脱粒が少なく、優れた機械的特性および耐磨耗性を有する窒化珪素質焼結体とすることができる。
【００１０】
また、本発明の溶湯金属用部材および耐磨耗性部材によれば、上記構成の本発明の窒化珪素質焼結体を用いたことにより、窒化珪素の粒子の脱粒が少なく、優れた機械的特性および耐磨耗性を有していることから、信頼性が高く長期間に亘って使用することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本実施形態の一例について詳細に説明する。
【００１２】
本実施形態の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素を主成分とし、ジルコニアと、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種とを含んでなる窒化珪素質焼結体である。なお、本実施形態における主成分とは、窒化珪素質焼結体を構成する全成分100質量％のうち、80質量％以上を占める成分をいう。
【００１３】
窒化珪素質焼結体の主結晶を構成する窒化珪素は、共有結合性が強く、拡散係数が小さいため、窒化珪素単体での焼結は困難であることから、種々の焼結助剤を添加することにより、粒界相を形成させて緻密化が図られる。具体的には、添加された焼結助剤が、窒化珪素と、窒化珪素の粉末に含まれるまたは窒化珪素の粉末に付着している酸素と反応して酸窒化物の液相を生成し、酸素が低減することによって、窒化珪素の粒成長が促進されて緻密化を進行させることができるのである。
【００１４】
そして、本実施形態の窒化珪素質焼結体に含まれるジルコニア，イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアは、いずれも窒化珪素の焼結を促進する焼結助剤として作用するものであり、これらの焼結助剤による焼結促進作用によって、優れた機械的特性および耐磨耗性を有する窒化珪素質焼結体とすることができる。
【００１５】
そして、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、主結晶を構成する窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含むことが重要である。このような構成とすることによって、高温に加熱し焼結させた後、室温（常温）まで冷却したときに、主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアは、立方晶や正方晶から単斜晶への結晶構造の相転移に伴って体積が膨張する。そのため、この体積膨張により窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含む主結晶は、高い圧縮応力がかかった状態となることから、窒化珪素の粒子の脱粒を少なくすることができる。
【００１６】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体において、主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアのうち、単斜晶のジルコニアの比率が80％以上であることが好適である。主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアのうち、単斜晶のジルコニアの比率が80％以上であるときには、単斜晶への相転移に伴う体積膨張により、窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含む主結晶には、さらに高い圧縮応力がかかった状態となるため、窒化珪素の粒子の脱粒をより少なくすることができる。
【００１７】
ここで、主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアの結晶構造は、マイクロＸ線回折法によって同定することができ、より具体的には、ビーム径が５μｍ以上10μｍ以下であるＸ線を主結晶に照射することで同定することができる。
【００１８】
また、主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアにおける単斜晶の比率は、以下に示す方法で求めることができる。マイクロＸ線回折法により測定した単斜晶のジルコニアの（111）回帰線および（11-1）回帰線の反射ピーク強度をそれぞれＩｍ（111）およびＩｍ（11-1）とし、正方晶および立方晶のジルコニアの（111）回帰線の反射ピーク強度
をＩｔｃ（111）として、下記式（１）より主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコ
ニアにおける単斜晶の比率Ｘｍを算出する。
Ｘｍ（％）＝｛（Ｉｍ（111）＋Ｉｍ（11-1）)／（Ｉｍ（111）＋Ｉｍ（11-1）＋Ｉｔｃ(111)）｝×100…（１）
また、主結晶のうち、単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素の結晶の比率が80％以上であることが好ましい。この主結晶に占める単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素の結晶の比率は、以下に示す方法で求める。窒化珪素の結晶にＸ線を照射し、ジルコニアの有無と、ジルコニアが含まれている場合の結晶構造を確認する。そして、確認した窒化珪素の結晶の全ての個数に対する単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素の結晶の個数の百分率を算出することより、単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素の結晶の比率を求めることができる。なお、窒化珪素にジルコニアが含まれている場合において、ジルコニアの複数の結晶構造が確認されたときには、最も反射ピーク強度が高い結晶構造を、その窒化珪素の結晶に含まれるジルコニアの結晶構造とする。
【００１９】
このように、主結晶のうち、単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素の結晶の比率が80％以上であることにより、窒化珪素質焼結体を構成する結晶の多くが圧縮応力のかかった状態となることから、さらに脱粒を少なくすることができる。
【００２０】
また、結晶構造が単斜晶、立方晶または正方晶であるジルコニアが、粒界に含まれていても何等差し支えなく、粒界にも単斜晶のジルコニアが含まれていることによっても、主結晶の周囲の粒界から主結晶相を圧縮することとなるため、脱粒を少なくすることができる。
【００２１】
また、窒化珪素質焼結体を構成する全成分100質量％のうち、ジルコニアの含有量が３
質量％以上９質量％以下であって、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの含有量の合計が１質量％以上３質量％以下であることが好適である。このように、ジルコニアの含有量や、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの含有量が上述した範囲内であれば、これらの焼結助剤が有する焼結促進作用によって、比較的低い温度で、優れた機械的特性を有する窒化珪素質焼結体を得ることができる。また、単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素を主結晶としやすくすることができる。
【００２２】
また、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアのうち、イットリアを含んでいることが好ましい。その理由は、イットリウム（Ｙ）がイオン半径の小さい元素であり、ＳｉやＮとの結合が強いためにフォノンの伝達がよく、熱伝導率を高くすることができるからである。併せて、イットリウム（Ｙ）は、ＳｉやＮとの結合が強いために熱エネルギーによる格子振動が小さく、温度変化による体積膨張が小さいので、線膨張係数を小さくすることができ、耐熱衝撃特性を高くすることができるからである。このように、イットリアを含むことにより、例えば、室温における線膨張係数を1.35×10−６／Ｋ以下と小さくすることができ、熱伝導率を55Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上と高くすることができる。
【００２３】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、アルミナを含むことが好適である。アルミナを含むときには、アルミナが有する焼結促進作用により、緻密化が促進されることから、機械的特性をさらに高くすることができる。特に、アルミナの含有量は３質量％以上９質量％以下であることが好適である。
【００２４】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、クロム，マンガン，鉄および銅の少なくともいずれか１種の珪化物を含むことが好適である。これらの珪化物は、線膨張係数が大きく、理由は明らかではないが、主結晶および粒界に対して残留応力を発生させると考えられ、破壊靱性を高くすることができるとともに、高温における破壊の形態である粒界滑りが発生する際に、窒化珪素の粒子の滑りを妨げる楔のような働きをしており、高温における強度および耐熱衝撃性を高くすることができる。さらに、これらの珪化物は、焼成における液相成分の一つとして作用し、焼結性を向上させることができる。
【００２５】
そして、破壊靱性，高温における強度および耐熱衝撃性を向上させることができる珪化物を構成する、クロム，マンガン，鉄および銅の金属元素の含有量は、窒化珪素質焼結体を構成する全成分100質量％のうち、0.02質量％以上３質量％以下であることが好ましい
。
【００２６】
また、珪化物は、主結晶内および粒界中の少なくともいずれかに粒径が２μｍ以上50μｍ以下、望ましくは粒径が２μｍ以上30μｍ以下の粒子として点在して、組成式がＣｒＳｉ，Ｃｒ３Ｓｉ，ＣｒＳｉ３，Ｃｒ５Ｓｉ３，ＣｒＳｉ２，ＭｎＳｉ，Ｍｎ２Ｓｉ，ＭｎＳｉ２，ＦｅＳｉ３，ＦｅＳｉ２，ＦｅＳｉ，Ｆｅ２Ｓｉ３，Ｆｅ３Ｓｉ，Ｆｅ３Ｓｉ２，Ｆｅ３Ｓｉ４，Ｆｅ３Ｓｉ７，Ｆｅ５Ｓｉ２，Ｆｅ５Ｓｉ３，Ｃｕ２Ｓｉ，ＣｕＳｉ，ＣｕＳｉ２およびＣｕＳｉ３の少なくともいずれかで表される珪化物として存在することが好ましく、特にＦｅＳｉ２（ＪＣＰＤＳ＃35−0822）であることが好ましい。
【００２７】
上述した各成分は、Ｘ線回折法で同定することができ、その含有量については蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ発光分光分析法により求めることができる。具体的には、Ｘ線回折法により同定された成分が窒化珪素であるときには、蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ発光分析法で珪素の含有量を求め、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）に換算すればよい。
【００２８】
また、具体的なＩＣＰ発光分光分析法による含有量の求め方は、まず、前処理として窒化珪素質焼結体の一部を超硬乳鉢にて粉砕した粉末にホウ酸および炭酸ナトリウムを加えて融解する。そして、放冷した後に塩酸溶液にて溶解し、溶解液をフラスコに移して水で標線まで薄めて定容とし、検量線用溶液とともにＩＣＰ発光分光分析装置で測定することにより、窒化珪素質焼結体を構成する成分の金属元素の含有量を求めることができる。
【００２９】
この値を基に、ジルコニウム（Ｚｒ），イットリウム（Ｙ），セリウム（Ｃｅ），マグネシウム（Ｍｇ）およびカルシウム（Ｃａ）については、それぞれジルコニア（ＺｒＯ２），イットリア（Ｙ２Ｏ３），セリア（ＣｅＯ２），マグネシア（ＭｇＯ）およびカルシア（ＣａＯ）にそれぞれ換算することにより含有量を求めることができる。なお、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）については、窒化珪素質焼結体を構成する窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）以外の成分量を100質量％から差し引いた算出値を含有量としてもよい。
【００３０】
また、窒化珪素質焼結体に、クロム（Ｃｒ），マンガン（Ｍｎ），鉄（Ｆｅ）および銅（Ｃｕ）の少なくともいずれか１種の珪化物を含むときには、Ｘ線回折法により同定して珪化物の組成式を確認し、ＩＣＰ発光分光分析装置で測定したクロム（Ｃｒ），マンガン（Ｍｎ），鉄（Ｆｅ）および銅（Ｃｕ）の含有量を基に、同定された珪化物の組成式に応じて換算することにより求めることができる。なお、クロム（Ｃｒ），マンガン（Ｍｎ），鉄（Ｆｅ）および銅（Ｃｕ）の金属元素の含有量を求める場合には、ＩＣＰ発光分光分析装置で測定した値を用いればよい。
【００３１】
そして、本実施形態の窒化珪素質焼結体の機械的特性は、室温における４点曲げ強度が800ＭＰａ以上であり、800℃における４点曲げ強度が600ＭＰａ以上であり、動的弾性率
が300ＧＰａ以上であり、ビッカース硬度（Ｈｖ）が13ＧＰａ以上であり、破壊靱性（Ｋ
１Ｃ）が５ＭＰａｍ１／２以上であることが好ましい。機械的特性が上記範囲であることにより、窒化珪素質焼結体と金属からなる部材とを接合した接合部材は、特に、耐クリープ性やヒートサイクルに対する耐久性を向上させることができるので、高い信頼性が得られるとともに長期間にわたって使用することができる。
【００３２】
なお、室温および800℃における４点曲げ強度については、それぞれＪＩＳ Ｒ 1601
−2008（ＩＳＯ 14704：2008（ＭＯＤ）），ＪＩＳ Ｒ 1604−2008（ＩＳＯ 17565：
2003（ＭＯＤ））に準拠して測定すればよい。ただし、窒化珪素質焼結体の厚みが薄く、窒化珪素質焼結体から切り出した試験片の厚みを３ｍｍとすることができない場合には、窒化珪素質焼結体の厚みをそのまま試験片の厚みとして評価するものとし、その結果が上記数値を満足することが好ましい。
【００３３】
また、窒化珪素質焼結体の動的弾性率については、ＪＩＳ Ｒ 1602−1995で規定される超音波パルス法に準拠して測定すればよい。ただし、窒化珪素質焼結体の厚みが薄く、窒化珪素質焼結体から切り出した試験片の厚みを10ｍｍとすることができない場合には、片持ち梁共振法を用いて評価するものとし、その結果が上記数値を満足することが好ましい。
【００３４】
さらに、ビッカース硬度（Ｈｖ）および破壊靱性（Ｋ１Ｃ）については、それぞれＪＩＳ Ｒ 1610−2003（ＩＳＯ 14705：2000（ＭＯＤ））およびＪＩＳ Ｒ 1607−1995
に規定される圧子圧入法（ＩＦ法）に準拠して測定すればよい。なお、窒化珪素質焼結体の厚みが薄く、窒化珪素質焼結体から切り出した試験片の厚みをそれぞれＪＩＳ Ｒ 1610−2003およびＪＩＳ Ｒ 1607−1995の圧子圧入法（ＩＦ法）で規定する0.5ｍｍおよ
び３ｍｍとすることができないときには、窒化珪素質焼結体の厚みをそのまま試験片の厚みとして評価して、その結果が上記数値を満足することが好ましい。
【００３５】
ただし、そのままの厚みで評価して上記数値を満足することができないほどに窒化珪素質焼結体の厚みが薄いとき、例えば、0.2ｍｍ以上0.5ｍｍ未満であるときには、窒化珪素質焼結体に加える試験力および押込荷重をいずれも0.245Ｎとし、試験力および押込荷重
を保持する時間をいずれも15秒としてビッカース硬度（Ｈｖ）および破壊靱性（Ｋ１Ｃ）を測定すればよい。
【００３６】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体の電気的特性は、体積抵抗率が常温で10１４Ω・ｃｍ以上であって、300℃で10１２Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。この体積抵抗率
は、ＪＩＳ Ｃ 2141−1992に準拠して測定すればよい。ただし、窒化珪素質焼結体が小さく、窒化珪素質焼結体からＪＩＳ Ｃ 2141−1992で規定する大きさとすることができない場合には、２端子法を用いて評価するものとし、その結果が上記数値を満足することが好ましい。
【００３７】
次に、本実施形態の窒化珪素質焼結体の製造方法の一例について説明する。
【００３８】
まず、β化率が40％以下であって、組成式がＳｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚで表される、固溶量ｚが0.5以下である平均粒径が１μｍ以下の窒化珪素の粉末と、平均粒径が２μ
ｍ以上６μｍ以下の珪素の粉末と、単斜晶のジルコニアの粉末と、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種の粉末を所定量秤量し、バレルミル，回転ミル，振動ミル，ビーズミルまたはアトライター等を用いて湿式にて混合および粉砕してスラリーとする。ここで、例えば、単斜晶のジルコニアの粉末の含有量は、３質量％以上９質量％以下であって、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種の粉末の含有量の合計は、１質量％以上３質量％以下であり、残部が窒化珪素の粉末および窒素の粉末になるようにすればよい。ここで、珪素の粉末は、質量比で窒化珪素の粉末の１倍以上10倍以下、特に、４倍以上5.8倍以下となるようにすること
が好適である。
【００３９】
なお、窒化珪素の粉末のβ化率を40％以下としたのは、主成分として用いる窒化珪素の粉末のβ化率が、窒化珪素質焼結体の強度や破壊靭性等の機械的特性に影響するからであり、β化率が40％を超える窒化珪素の粉末は、焼成工程で粒成長の核となって、粗大でしかもアスペクト比の小さい結晶となりやすく、機械的特性が低下するおそれがあるからで
ある。特に、窒化珪素の粉末のβ化率が10％以下であることが好ましい。
【００４０】
そして、窒化珪素の粉末のβ化率とは、Ｘ線回折法で得られたα（102）回折線とα（210）回折線との各反射ピーク強度の和をＩαとし、β（101）回折線とβ（210）回折線との各反射ピーク強度の和をＩβとしたときに、次の式によって算出される値である。
β化率＝｛Ｉβ／（Ｉα＋Ｉβ）｝×100（％）
また、固溶量ｚが0.5以下の窒化珪素の粉末を用いるのは、主成分として用いる窒化珪
素の粉末の固溶量ｚが、窒化珪素質焼結体の熱伝導率に影響するからである。固容量ｚが0.5以下であることにより、高い熱伝導率により優れた放熱特性を有する窒化珪素質焼結
体とすることができるからである。
【００４１】
また、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの粉末の含有量の合計は、１質量％以上３質量％以下とすることが好ましい。この範囲であることが好ましいのは、これらの粉末の含有量の合計が少なすぎると焼結促進作用が小さくなるからであり、これらの粉末の含有量の合計が多すぎると、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアは、ジルコニアの結晶構造を単斜晶から正方晶または立方晶に相転移させる安定化剤としても作用するものであるため、主結晶を構成する窒化珪素に含まれる単斜晶のジルコニアの比率を低下させないためである。
【００４２】
特に、主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアのうち、単斜晶の比率を80％以上とするには、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの粉末の含有量の合計を2.5質量％以下とすればよい。また、主結晶のうち、単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素
の結晶の比率を80％以上とするには、単斜晶のジルコニアの粉末の含有量と、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの粉末の含有量の合計との質量比率が、１：0.15〜0.4とすればよい。
【００４３】
そして、アルミナを含む窒化珪素質焼結体を得るには、アルミナの粉末を添加すればよく、優れた機械的特性を有しする窒化珪素質焼結体とするには、アルミナの粉末の添加量は３質量％以上９質量％以下とすることが好ましい。
【００４４】
また、クロム，マンガン，鉄および銅の少なくともいずれか１種の珪化物を含む窒化珪素質焼結体を得るには、酸化クロム，酸化マンガン，酸化第２鉄および酸化第２銅の少なくともいずれか１種の粉末を添加すればよい。また、添加量は、金属元素の合計で0.02質量％以上３質量％以下とすることが好ましい。なお、添加において、酸化物の粉末を用いるが、焼成工程において、主成分である窒化珪素と反応して、酸素を脱離し、珪化物を生成することができる。
【００４５】
また、窒化珪素の粉末および焼結助剤の粉末等を湿式で行なう混合および粉砕で用いるボールとしては、窒化珪素質，ジルコニア質およびアルミナ質等の各種焼結体からなるボールを用いることができるが、不純物が混入しにくい材質、あるいは主成分を構成する組成と同じ材料組成の窒化珪素質焼結体からなるボールが好適である。
【００４６】
また、窒化珪素の粉末および焼結助剤の粉末等を湿式で行なう粉砕は、焼結性の向上および窒化珪素の結晶組織の柱状化の点から、粒度分布曲線の累積体積の総和を100％とし
たときの累積体積が90％となる粒径（Ｄ９０）が３μｍ以下となるまで行なうことが好ましい。なお、得ようとする粒度分布とするには、ボールの外径，ボールの量，スラリーの粘度，粉砕時間等を調整すればよい。
【００４７】
また、以上の粉砕を短時間で行なうには、予め累積体積50％となる粒径（Ｄ５０）が１μｍ以下の粉末を用いることが好ましい。また、パラフィンワックス，ポリビニルアルコ
ール（ＰＶＡ），ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等の有機バインダを窒化珪素の粉末と焼結助剤の粉末との総和100質量％に対して１質量％以上10質量％以下でスラリーに混
合することが、成形性のために好ましい。さらに、分散性を高めるために分散剤を添加することが好ましい。
【００４８】
次に、粒径（Ｄ９０）が３μｍ以下となるまで粉砕したスラリーをＡＳＴＭ Ｅ11−61に記載されている粒度番号が200のメッシュまたはこのメッシュより細かいメッシュの篩
いに通した後に、噴霧乾燥装置を用いて造粒した顆粒を得る。
【００４９】
次に、得られた顆粒を用いて、一軸加圧法，冷間等方圧加圧法などによって、相対密度が45〜60％であり、角柱状，角板状，円柱状，円板状またはチューブ状の成形体を得る。成形圧力は50ＭＰａ以上100ＭＰａ以下の範囲であれば、成形体の密度の向上や顆粒の潰
れ性の観点より好適である。
【００５０】
また、鋳込み成形法，射出成形法，テープ成形法などの成形方法を用いても何ら差し支えない。また、それぞれの成形方法で成形した後に、成形体を切削したり、積層したり、接合したりすることによって所望の形状としても何ら差し支えない。
【００５１】
次に、得られた成形体を、表面が窒化珪素質の結晶粒子で覆われたカーボン製のこう鉢中に載置して、黒鉛抵抗発熱体を加熱源とする焼成炉内で、雰囲気を窒素雰囲気または真空雰囲気として脱脂する。脱脂温度は添加した有機バインダの種類によって異なるが、900℃以下が好ましい。特に好ましくは500℃以上800℃以下である。
【００５２】
次に、脱脂温度からさらに昇温して、窒素雰囲気中で焼成する。このとき、珪素の粉末は、窒素ガス（Ｎ２）と窒化反応することで窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）となり、このときの窒化反応により相対密度が55％以上70％以下まで上昇し、その後の焼成収縮率が小さくなるため、珪素の粉末を用いて窒化反応により窒化珪素とすれば、焼成変形を抑制することができる。
【００５３】
そして、窒化反応は、以下のように進行させるのがよい。すなわち、珪素を含む脱脂体は、窒化工程において脱脂体の表面に存在する珪素から窒化が始まり、時間の経過とともに脱脂体のより内部に存在する珪素の窒化が進行する。そのため、特に脱脂体の内部における窒化不足を生じさせないためには、低温での窒化（第１の窒化工程）の後、高温での窒化（第２の窒化工程）を行なう必要がある。
【００５４】
まず、第１の窒化工程として、窒素分圧を10〜200ｋＰａとし、1000〜1200℃の温度で15〜25時間保持することで、脱脂体中のＳｉの10〜70質量％を窒化する。次に、第２の窒
化工程として、第１の窒化工程の温度から1400℃の間の温度で５〜15時間保持することで脱脂体中のＳｉの残部を窒化させる。ここで、第２の窒化工程の温度は第１の窒化工程の温度よりも高く、第１の窒化工程と第２の窒化工程とは連続して実施した方が経済的であるため好ましい。
【００５５】
そして、窒素分圧をそのまま10〜200ｋＰａに維持して、さらに昇温を続け、最高温度
を1700℃以上1800℃未満として、４〜10時間保持することで本実施形態の窒化珪素質焼結体を得ることができる。上記製造方法によって得られた窒化珪素質焼成体は、脱粒が少なく、優れた機械的特性を有していることから、アルミニウム，マグネシウム，亜鉛，銅またはこれらの金属の合金の溶湯に浸漬される、ヒーターチューブ，熱電対保護管，ラドル，ストーク，脱ガス用ロータ等の溶湯金属用部材、ベアリング用転動体，シリンダー用プランジャー，カムフォロワー等の耐磨耗性部材および銃弾や砲弾等の飛翔体や鋭利な刃物の貫通を抑制して人体，車両，船舶，航空機等を保護するための防護部材として好適に用
いることができる。
【００５６】
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００５７】
まず、β化率が10％（即ち、α化率が90％）であって、組成式がＳｉ５．９Ａｌ０．１Ｏ０．１Ｎ７．９で表される、平均粒径が１μｍの窒化珪素の粉末と、平均粒径が４μｍの珪素の粉末と、添加成分として表１に示す種類の酸化物の粉末とを、表１に示す含有量で秤量し、回転ミルを用いて湿式混合し、粒径（Ｄ９０）が１μｍ以下となるまで粉砕した。ここで、珪素の粉末は、質量比で窒化珪素の粉末の5.5倍とした。なお、ジルコニア
の粉末として単斜晶のジルコニアを用いた試料は、表１にｍ−ジルコニアと示し、正方晶のジルコニアを用いた試料は、表１にｔ−ジルコニアと示した。そして、粉砕された粉末の総和100質量％に対して、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を５質量％添加して混合す
ることによりスラリーを得た。
【００５８】
次に、得られたスラリーをＡＳＴＭ Ｅ 11−61に記載されている粒度番号が250のメ
ッシュの篩いを通した後に噴霧乾燥機を用いて乾燥させることによって、顆粒を得た。次に、得られた顆粒を用いて、一軸加圧法を用いて円板状の成形体を得た。
【００５９】
次に、得られた成形体を、表面が窒化珪素質の結晶粒子で覆われたカーボン製のこう鉢中に載置して、黒鉛抵抗発熱体を加熱源とする焼成炉内で、窒素雰囲中で脱脂した。引き続き、脱脂温度からさらに昇温し、実質的に窒素からなる150ｋＰａの窒素分圧中にて、1050℃で20時間，1250℃で10時間順次保持して窒化した。そして、さらに昇温して、表１
に示す焼成温度を1750℃，焼成時間を５時間，窒素分圧を100ｋＰａの条件で焼成し、500℃／時間で降温することにより、直径が152.4ｍｍであり、厚みが３ｍｍの円板状の窒化
珪素質焼結体からなる試料Ｎｏ．１〜15を得た。
【００６０】
そして、主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアのうち、単斜晶の比率については、マイクロＸ線回折法を用い、ビーム径が10μｍであるＸ線を主結晶に照射することで同定し、上述した式（１）に基づいて比率を算出し、その値を表１に示した。
【００６１】
また、イットリア，セリア，マグネシア，カルシアおよびアルミナは、Ｘ線回折法を用いて同定した結果、粉末として用いた成分と同じ成分が同定された。また、ＩＣＰ発光分光分析法により、表１に示す添加量と各試料の窒化珪素質焼結体における含有量が同じであることを確認した。
【００６２】
そして、各試料における脱粒しにくさの評価として、切断加工で発生するチッピングの最大値を測定した。具体的には、試料のいずれか一方の主面をダイヤモンド砥粒を用いて研磨加工して鏡面とした後、各試料からそれぞれ10本の短冊片を切り出し、光学顕微鏡を用いて400倍の倍率で切断面におけるチッピングの最大値を測定し、その値を表１に示し
た。
【００６３】
なお、短冊片は、ダイヤモンド砥粒がSD1200であるダイヤモンドブレードが装着されたスライシングマシーンを用いて、長さ，幅および厚みをそれぞれ70ｍｍ，３ｍｍ，２ｍｍとして切り出した。なお、ダイヤモンドブレードの回転数は10000ｒｐｍ、送り速度は100ｍｍ／分、１回の切り込み量を２ｍｍとした。
【００６４】
【表１】
【００６５】
表１に示す通り、主結晶を構成する窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含まない試料Ｎｏ．15に対し、試料Ｎｏ．１〜14は、チッピングの最大値が小さくなっており、窒化珪素を主成分とし、ジルコニアと、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種とを含んでなり、主結晶を構成する窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含むことから、主結晶は高い圧縮応力がかかった状態となって脱粒を少なくできることが確認された。
【００６６】
特に、試料Ｎｏ．１〜11，14は、試料Ｎｏ．12，13よりもチッピングの最大値が小さくなっており、主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアのうち単斜晶の比率が80％以上であることにより、さらに脱粒を少なくできることがわかった。
【００６７】
また、単斜晶のジルコニアおよびマグネシアの各含有量が同じである試料Ｎｏ．５〜９を比べると、試料Ｎｏ．６〜９は、試料Ｎｏ．５よりもチッピングの最大値が小さくなっており、アルミナを含むことによって緻密化を促進し機械的特性が向上させることによっても脱粒を少なくできることがわかった。
【００６８】
（実施例２）
まず、β化率が10％（即ち、α化率が90％）であって、組成式がＳｉ５．９Ａｌ０．１Ｏ０．１Ｎ７．９で表される、平均粒径が１μｍの窒化珪素の粉末と、平均粒径が４μｍの珪素の粉末と、添加成分として表２に示す種類の酸化物の粉末とを、表２に示す含有量で秤量し、回転ミルを用いて湿式混合し、粒径（Ｄ９０）が１μｍ以下となるまで粉砕した。ここで、珪素の粉末は、質量比で窒化珪素の粉末の5.5倍とした。そして、粉砕され
た粉末の総和100質量％に対して、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を５質量％添加して
混合することによりスラリーを得た。
【００６９】
次に、得られたスラリーをＡＳＴＭ Ｅ 11−61に記載されている粒度番号が250のメ
ッシュの篩いを通した後に噴霧乾燥機を用いて乾燥させることによって、顆粒を得た。次に、得られた顆粒を用いて、冷間等方圧加圧法を用いて成形し、引き続き、切削加工を施すことにより、先端が封止されたチューブ状の成形体を得た。
【００７０】
そして、実施例１と同様の条件で焼成を行ない、外形が150ｍｍであり、内径が130ｍｍ
であり、長さが1000ｍｍの先端が封止されたチューブ状の窒化珪素質焼結体からなる試料Ｎｏ．16〜21を得た。
【００７１】
そして、クロム，マンガン，鉄および銅の珪化物については、Ｘ線回折法を用いて同定した結果、粉末として用いた酸化物の金属成分と同じ金属成分の珪化物が同定され、主成分である窒化珪素と反応して、酸素を脱離し、珪化物を生成していることがわかった。
【００７２】
また、主結晶を構成する窒化珪素に含まれる単斜晶のジルコニアの比率については、実施例１で示した方法を用いて比率を算出し、その値を表２に示した。
【００７３】
さらに、上記各試料から試験片を切り出し、800℃における４点曲げ強度をＪＩＳ Ｒ
1604−2008（ＩＳＯ 17565：2003（ＭＯＤ））に準拠して測定した。
【００７４】
【表２】
【００７５】
表２に示す通り、試料Ｎｏ．17〜21は、試料Ｎｏ16よりも800℃における４点曲げ強度
が高くなっており、クロム，マンガン，鉄および銅の少なくともいずれか１種の珪化物を含むことから、これらの珪化物は高温における破壊の形態である粒界滑りが発生する際に、窒化珪素の粒子の滑りを妨げる楔のような働きによって機械的特性を向上できることがわかった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化珪素質焼結体ならびにこれを用いた溶湯金属用部材および耐磨耗性部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化珪素質焼結体は、機械的特性，耐熱衝撃性および耐磨耗性に優れているため、エンジン部品，溶湯金属用部材，切削工具などの産業用部品として広い分野で使用されている。
【０００３】
そして、このような分野に用いられる窒化珪素質焼結体として、例えば、特許文献１には、Ｓｉ３Ｎ４もしくはＳｉａｌｏｎ粒子と粒界相からなる窒化珪素質焼結体において、Ｚｒ元素を酸化物換算で１〜30重量％含み、粒径１μｍ以下の粒内分散粒子が内部に少なくとも１個以上分散した窒化珪素粒子もしくはＳｉａｌｏｎ粒子を１体積％以上含有する焼結体であって、粒内分散粒子がＺｒ元素及びＯ元素を含み且つＺｒ，Ｏ，Ｓｉ及びＮのうちから選ばれる２種以上の元素からなる窒化珪素質焼結体が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−166570号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した産業用部品として窒化珪素質焼結体を用いるとき、窒化珪素質焼結体には、機械的特性や耐磨耗性に優れていることが求められるが、それぞれの用途における使用において、窒化珪素質焼結体から窒化珪素の粒子が剥がれたりもしくは落ちたり（以下、脱粒と称す。）すると、機械的強度や耐磨耗性等が低下することから、脱粒を生じにくくしなければならないという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、脱粒が少なく、優れた機械的特性および耐磨耗性を有する窒化珪素質焼結体およびこれを用いた溶湯金属用部材ならびに耐磨耗性部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素を主成分とし、ジルコニアと、イットリア、セリア、マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種とを含んでなり、主結晶を構成する窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含むことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の溶湯金属用部材および耐磨耗性部材は、上記構成の窒化珪素質焼結体を用いたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の窒化珪素質焼結体によれば、窒化珪素を主成分とし、ジルコニアと、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種とを含んでなり、主結晶を構成する窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含むことから、主結晶は高い圧縮応力がかかった状態となっており窒化珪素の粒子の脱粒が少なく、優れた機械的特性および耐磨耗性を有する窒化珪素質焼結体とすることができる。
【００１０】
また、本発明の溶湯金属用部材および耐磨耗性部材によれば、上記構成の本発明の窒化珪素質焼結体を用いたことにより、窒化珪素の粒子の脱粒が少なく、優れた機械的特性および耐磨耗性を有していることから、信頼性が高く長期間に亘って使用することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本実施形態の一例について詳細に説明する。
【００１２】
本実施形態の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素を主成分とし、ジルコニアと、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種とを含んでなる窒化珪素質焼結体である。なお、本実施形態における主成分とは、窒化珪素質焼結体を構成する全成分100質量％のうち、80質量％以上を占める成分をいう。
【００１３】
窒化珪素質焼結体の主結晶を構成する窒化珪素は、共有結合性が強く、拡散係数が小さいため、窒化珪素単体での焼結は困難であることから、種々の焼結助剤を添加することにより、粒界相を形成させて緻密化が図られる。具体的には、添加された焼結助剤が、窒化珪素と、窒化珪素の粉末に含まれるまたは窒化珪素の粉末に付着している酸素と反応して酸窒化物の液相を生成し、酸素が低減することによって、窒化珪素の粒成長が促進されて緻密化を進行させることができるのである。
【００１４】
そして、本実施形態の窒化珪素質焼結体に含まれるジルコニア，イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアは、いずれも窒化珪素の焼結を促進する焼結助剤として作用するものであり、これらの焼結助剤による焼結促進作用によって、優れた機械的特性および耐磨耗性を有する窒化珪素質焼結体とすることができる。
【００１５】
そして、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、主結晶を構成する窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含むことが重要である。このような構成とすることによって、高温に加熱し焼結させた後、室温（常温）まで冷却したときに、主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアは、立方晶や正方晶から単斜晶への結晶構造の相転移に伴って体積が膨張する。そのため、この体積膨張により窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含む主結晶は、高い圧縮応力がかかった状態となることから、窒化珪素の粒子の脱粒を少なくすることができる。
【００１６】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体において、主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアのうち、単斜晶のジルコニアの比率が80％以上であることが好適である。主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアのうち、単斜晶のジルコニアの比率が80％以上であるときには、単斜晶への相転移に伴う体積膨張により、窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含む主結晶には、さらに高い圧縮応力がかかった状態となるため、窒化珪素の粒子の脱粒をより少なくすることができる。
【００１７】
ここで、主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアの結晶構造は、マイクロＸ線回折法によって同定することができ、より具体的には、ビーム径が５μｍ以上10μｍ以下であるＸ線を主結晶に照射することで同定することができる。
【００１８】
また、主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアにおける単斜晶の比率は、以下に示す方法で求めることができる。マイクロＸ線回折法により測定した単斜晶のジルコニアの（111）回帰線および（11-1）回帰線の反射ピーク強度をそれぞれＩｍ（111）およびＩｍ（11-1）とし、正方晶および立方晶のジルコニアの（111）回帰線の反射ピーク強度
をＩｔｃ（111）として、下記式（１）より主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコ
ニアにおける単斜晶の比率Ｘｍを算出する。
Ｘｍ（％）＝｛（Ｉｍ（111）＋Ｉｍ（11-1）)／（Ｉｍ（111）＋Ｉｍ（11-1）＋Ｉｔｃ(111)）｝×100…（１）
また、主結晶のうち、単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素の結晶の比率が80％以上であることが好ましい。この主結晶に占める単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素の結晶の比率は、以下に示す方法で求める。窒化珪素の結晶にＸ線を照射し、ジルコニアの有無と、ジルコニアが含まれている場合の結晶構造を確認する。そして、確認した窒化珪素の結晶の全ての個数に対する単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素の結晶の個数の百分率を算出することより、単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素の結晶の比率を求めることができる。なお、窒化珪素にジルコニアが含まれている場合において、ジルコニアの複数の結晶構造が確認されたときには、最も反射ピーク強度が高い結晶構造を、その窒化珪素の結晶に含まれるジルコニアの結晶構造とする。
【００１９】
このように、主結晶のうち、単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素の結晶の比率が80％以上であることにより、窒化珪素質焼結体を構成する結晶の多くが圧縮応力のかかった状態となることから、さらに脱粒を少なくすることができる。
【００２０】
また、結晶構造が単斜晶、立方晶または正方晶であるジルコニアが、粒界に含まれていても何等差し支えなく、粒界にも単斜晶のジルコニアが含まれていることによっても、主結晶の周囲の粒界から主結晶相を圧縮することとなるため、脱粒を少なくすることができる。
【００２１】
また、窒化珪素質焼結体を構成する全成分100質量％のうち、ジルコニアの含有量が３
質量％以上９質量％以下であって、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの含有量の合計が１質量％以上３質量％以下であることが好適である。このように、ジルコニアの含有量や、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの含有量が上述した範囲内であれば、これらの焼結助剤が有する焼結促進作用によって、比較的低い温度で、優れた機械的特性を有する窒化珪素質焼結体を得ることができる。また、単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素を主結晶としやすくすることができる。
【００２２】
また、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアのうち、イットリアを含んでいることが好ましい。その理由は、イットリウム（Ｙ）がイオン半径の小さい元素であり、ＳｉやＮとの結合が強いためにフォノンの伝達がよく、熱伝導率を高くすることができるからである。併せて、イットリウム（Ｙ）は、ＳｉやＮとの結合が強いために熱エネルギーによる格子振動が小さく、温度変化による体積膨張が小さいので、線膨張係数を小さくすることができ、耐熱衝撃特性を高くすることができるからである。このように、イットリアを含むことにより、例えば、室温における線膨張係数を1.35×10−６／Ｋ以下と小さくすることができ、熱伝導率を55Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上と高くすることができる。
【００２３】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、アルミナを含むことが好適である。アルミナを含むときには、アルミナが有する焼結促進作用により、緻密化が促進されることから、機械的特性をさらに高くすることができる。特に、アルミナの含有量は３質量％以上９質量％以下であることが好適である。
【００２４】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、クロム，マンガン，鉄および銅の少なくともいずれか１種の珪化物を含むことが好適である。これらの珪化物は、線膨張係数が大きく、理由は明らかではないが、主結晶および粒界に対して残留応力を発生させると考えられ、破壊靱性を高くすることができるとともに、高温における破壊の形態である粒界滑りが発生する際に、窒化珪素の粒子の滑りを妨げる楔のような働きをしており、高温における強度および耐熱衝撃性を高くすることができる。さらに、これらの珪化物は、焼成における液相成分の一つとして作用し、焼結性を向上させることができる。
【００２５】
そして、破壊靱性，高温における強度および耐熱衝撃性を向上させることができる珪化物を構成する、クロム，マンガン，鉄および銅の金属元素の含有量は、窒化珪素質焼結体を構成する全成分100質量％のうち、0.02質量％以上３質量％以下であることが好ましい
。
【００２６】
また、珪化物は、主結晶内および粒界中の少なくともいずれかに粒径が２μｍ以上50μｍ以下、望ましくは粒径が２μｍ以上30μｍ以下の粒子として点在して、組成式がＣｒＳｉ，Ｃｒ３Ｓｉ，ＣｒＳｉ３，Ｃｒ５Ｓｉ３，ＣｒＳｉ２，ＭｎＳｉ，Ｍｎ２Ｓｉ，ＭｎＳｉ２，ＦｅＳｉ３，ＦｅＳｉ２，ＦｅＳｉ，Ｆｅ２Ｓｉ３，Ｆｅ３Ｓｉ，Ｆｅ３Ｓｉ２，Ｆｅ３Ｓｉ４，Ｆｅ３Ｓｉ７，Ｆｅ５Ｓｉ２，Ｆｅ５Ｓｉ３，Ｃｕ２Ｓｉ，ＣｕＳｉ，ＣｕＳｉ２およびＣｕＳｉ３の少なくともいずれかで表される珪化物として存在することが好ましく、特にＦｅＳｉ２（ＪＣＰＤＳ＃35−0822）であることが好ましい。
【００２７】
上述した各成分は、Ｘ線回折法で同定することができ、その含有量については蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ発光分光分析法により求めることができる。具体的には、Ｘ線回折法により同定された成分が窒化珪素であるときには、蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ発光分析法で珪素の含有量を求め、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）に換算すればよい。
【００２８】
また、具体的なＩＣＰ発光分光分析法による含有量の求め方は、まず、前処理として窒化珪素質焼結体の一部を超硬乳鉢にて粉砕した粉末にホウ酸および炭酸ナトリウムを加えて融解する。そして、放冷した後に塩酸溶液にて溶解し、溶解液をフラスコに移して水で標線まで薄めて定容とし、検量線用溶液とともにＩＣＰ発光分光分析装置で測定することにより、窒化珪素質焼結体を構成する成分の金属元素の含有量を求めることができる。
【００２９】
この値を基に、ジルコニウム（Ｚｒ），イットリウム（Ｙ），セリウム（Ｃｅ），マグネシウム（Ｍｇ）およびカルシウム（Ｃａ）については、それぞれジルコニア（ＺｒＯ２），イットリア（Ｙ２Ｏ３），セリア（ＣｅＯ２），マグネシア（ＭｇＯ）およびカルシア（ＣａＯ）にそれぞれ換算することにより含有量を求めることができる。なお、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）については、窒化珪素質焼結体を構成する窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）以外の成分量を100質量％から差し引いた算出値を含有量としてもよい。
【００３０】
また、窒化珪素質焼結体に、クロム（Ｃｒ），マンガン（Ｍｎ），鉄（Ｆｅ）および銅（Ｃｕ）の少なくともいずれか１種の珪化物を含むときには、Ｘ線回折法により同定して珪化物の組成式を確認し、ＩＣＰ発光分光分析装置で測定したクロム（Ｃｒ），マンガン（Ｍｎ），鉄（Ｆｅ）および銅（Ｃｕ）の含有量を基に、同定された珪化物の組成式に応じて換算することにより求めることができる。なお、クロム（Ｃｒ），マンガン（Ｍｎ），鉄（Ｆｅ）および銅（Ｃｕ）の金属元素の含有量を求める場合には、ＩＣＰ発光分光分析装置で測定した値を用いればよい。
【００３１】
そして、本実施形態の窒化珪素質焼結体の機械的特性は、室温における４点曲げ強度が800ＭＰａ以上であり、800℃における４点曲げ強度が600ＭＰａ以上であり、動的弾性率
が300ＧＰａ以上であり、ビッカース硬度（Ｈｖ）が13ＧＰａ以上であり、破壊靱性（Ｋ
１Ｃ）が５ＭＰａｍ１／２以上であることが好ましい。機械的特性が上記範囲であることにより、窒化珪素質焼結体と金属からなる部材とを接合した接合部材は、特に、耐クリープ性やヒートサイクルに対する耐久性を向上させることができるので、高い信頼性が得られるとともに長期間にわたって使用することができる。
【００３２】
なお、室温および800℃における４点曲げ強度については、それぞれＪＩＳ Ｒ 1601
−2008（ＩＳＯ 14704：2008（ＭＯＤ）），ＪＩＳ Ｒ 1604−2008（ＩＳＯ 17565：
2003（ＭＯＤ））に準拠して測定すればよい。ただし、窒化珪素質焼結体の厚みが薄く、窒化珪素質焼結体から切り出した試験片の厚みを３ｍｍとすることができない場合には、窒化珪素質焼結体の厚みをそのまま試験片の厚みとして評価するものとし、その結果が上記数値を満足することが好ましい。
【００３３】
また、窒化珪素質焼結体の動的弾性率については、ＪＩＳ Ｒ 1602−1995で規定される超音波パルス法に準拠して測定すればよい。ただし、窒化珪素質焼結体の厚みが薄く、窒化珪素質焼結体から切り出した試験片の厚みを10ｍｍとすることができない場合には、片持ち梁共振法を用いて評価するものとし、その結果が上記数値を満足することが好ましい。
【００３４】
さらに、ビッカース硬度（Ｈｖ）および破壊靱性（Ｋ１Ｃ）については、それぞれＪＩＳ Ｒ 1610−2003（ＩＳＯ 14705：2000（ＭＯＤ））およびＪＩＳ Ｒ 1607−1995
に規定される圧子圧入法（ＩＦ法）に準拠して測定すればよい。なお、窒化珪素質焼結体の厚みが薄く、窒化珪素質焼結体から切り出した試験片の厚みをそれぞれＪＩＳ Ｒ 1610−2003およびＪＩＳ Ｒ 1607−1995の圧子圧入法（ＩＦ法）で規定する0.5ｍｍおよ
び３ｍｍとすることができないときには、窒化珪素質焼結体の厚みをそのまま試験片の厚みとして評価して、その結果が上記数値を満足することが好ましい。
【００３５】
ただし、そのままの厚みで評価して上記数値を満足することができないほどに窒化珪素質焼結体の厚みが薄いとき、例えば、0.2ｍｍ以上0.5ｍｍ未満であるときには、窒化珪素質焼結体に加える試験力および押込荷重をいずれも0.245Ｎとし、試験力および押込荷重
を保持する時間をいずれも15秒としてビッカース硬度（Ｈｖ）および破壊靱性（Ｋ１Ｃ）を測定すればよい。
【００３６】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体の電気的特性は、体積抵抗率が常温で10１４Ω・ｃｍ以上であって、300℃で10１２Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。この体積抵抗率
は、ＪＩＳ Ｃ 2141−1992に準拠して測定すればよい。ただし、窒化珪素質焼結体が小さく、窒化珪素質焼結体からＪＩＳ Ｃ 2141−1992で規定する大きさとすることができない場合には、２端子法を用いて評価するものとし、その結果が上記数値を満足することが好ましい。
【００３７】
次に、本実施形態の窒化珪素質焼結体の製造方法の一例について説明する。
【００３８】
まず、β化率が40％以下であって、組成式がＳｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚで表される、固溶量ｚが0.5以下である平均粒径が１μｍ以下の窒化珪素の粉末と、平均粒径が２μ
ｍ以上６μｍ以下の珪素の粉末と、単斜晶のジルコニアの粉末と、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種の粉末を所定量秤量し、バレルミル，回転ミル，振動ミル，ビーズミルまたはアトライター等を用いて湿式にて混合および粉砕してスラリーとする。ここで、例えば、単斜晶のジルコニアの粉末の含有量は、３質量％以上９質量％以下であって、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種の粉末の含有量の合計は、１質量％以上３質量％以下であり、残部が窒化珪素の粉末および窒素の粉末になるようにすればよい。ここで、珪素の粉末は、質量比で窒化珪素の粉末の１倍以上10倍以下、特に、４倍以上5.8倍以下となるようにすること
が好適である。
【００３９】
なお、窒化珪素の粉末のβ化率を40％以下としたのは、主成分として用いる窒化珪素の粉末のβ化率が、窒化珪素質焼結体の強度や破壊靭性等の機械的特性に影響するからであり、β化率が40％を超える窒化珪素の粉末は、焼成工程で粒成長の核となって、粗大でしかもアスペクト比の小さい結晶となりやすく、機械的特性が低下するおそれがあるからで
ある。特に、窒化珪素の粉末のβ化率が10％以下であることが好ましい。
【００４０】
そして、窒化珪素の粉末のβ化率とは、Ｘ線回折法で得られたα（102）回折線とα（210）回折線との各反射ピーク強度の和をＩαとし、β（101）回折線とβ（210）回折線との各反射ピーク強度の和をＩβとしたときに、次の式によって算出される値である。
β化率＝｛Ｉβ／（Ｉα＋Ｉβ）｝×100（％）
また、固溶量ｚが0.5以下の窒化珪素の粉末を用いるのは、主成分として用いる窒化珪
素の粉末の固溶量ｚが、窒化珪素質焼結体の熱伝導率に影響するからである。固容量ｚが0.5以下であることにより、高い熱伝導率により優れた放熱特性を有する窒化珪素質焼結
体とすることができるからである。
【００４１】
また、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの粉末の含有量の合計は、１質量％以上３質量％以下とすることが好ましい。この範囲であることが好ましいのは、これらの粉末の含有量の合計が少なすぎると焼結促進作用が小さくなるからであり、これらの粉末の含有量の合計が多すぎると、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアは、ジルコニアの結晶構造を単斜晶から正方晶または立方晶に相転移させる安定化剤としても作用するものであるため、主結晶を構成する窒化珪素に含まれる単斜晶のジルコニアの比率を低下させないためである。
【００４２】
特に、主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアのうち、単斜晶の比率を80％以上とするには、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの粉末の含有量の合計を2.5質量％以下とすればよい。また、主結晶のうち、単斜晶のジルコニアを含む窒化珪素
の結晶の比率を80％以上とするには、単斜晶のジルコニアの粉末の含有量と、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの粉末の含有量の合計との質量比率が、１：0.15〜0.4とすればよい。
【００４３】
そして、アルミナを含む窒化珪素質焼結体を得るには、アルミナの粉末を添加すればよく、優れた機械的特性を有しする窒化珪素質焼結体とするには、アルミナの粉末の添加量は３質量％以上９質量％以下とすることが好ましい。
【００４４】
また、クロム，マンガン，鉄および銅の少なくともいずれか１種の珪化物を含む窒化珪素質焼結体を得るには、酸化クロム，酸化マンガン，酸化第２鉄および酸化第２銅の少なくともいずれか１種の粉末を添加すればよい。また、添加量は、金属元素の合計で0.02質量％以上３質量％以下とすることが好ましい。なお、添加において、酸化物の粉末を用いるが、焼成工程において、主成分である窒化珪素と反応して、酸素を脱離し、珪化物を生成することができる。
【００４５】
また、窒化珪素の粉末および焼結助剤の粉末等を湿式で行なう混合および粉砕で用いるボールとしては、窒化珪素質，ジルコニア質およびアルミナ質等の各種焼結体からなるボールを用いることができるが、不純物が混入しにくい材質、あるいは主成分を構成する組成と同じ材料組成の窒化珪素質焼結体からなるボールが好適である。
【００４６】
また、窒化珪素の粉末および焼結助剤の粉末等を湿式で行なう粉砕は、焼結性の向上および窒化珪素の結晶組織の柱状化の点から、粒度分布曲線の累積体積の総和を100％とし
たときの累積体積が90％となる粒径（Ｄ９０）が３μｍ以下となるまで行なうことが好ましい。なお、得ようとする粒度分布とするには、ボールの外径，ボールの量，スラリーの粘度，粉砕時間等を調整すればよい。
【００４７】
また、以上の粉砕を短時間で行なうには、予め累積体積50％となる粒径（Ｄ５０）が１μｍ以下の粉末を用いることが好ましい。また、パラフィンワックス，ポリビニルアルコ
ール（ＰＶＡ），ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等の有機バインダを窒化珪素の粉末と焼結助剤の粉末との総和100質量％に対して１質量％以上10質量％以下でスラリーに混
合することが、成形性のために好ましい。さらに、分散性を高めるために分散剤を添加することが好ましい。
【００４８】
次に、粒径（Ｄ９０）が３μｍ以下となるまで粉砕したスラリーをＡＳＴＭ Ｅ11−61に記載されている粒度番号が200のメッシュまたはこのメッシュより細かいメッシュの篩
いに通した後に、噴霧乾燥装置を用いて造粒した顆粒を得る。
【００４９】
次に、得られた顆粒を用いて、一軸加圧法，冷間等方圧加圧法などによって、相対密度が45〜60％であり、角柱状，角板状，円柱状，円板状またはチューブ状の成形体を得る。成形圧力は50ＭＰａ以上100ＭＰａ以下の範囲であれば、成形体の密度の向上や顆粒の潰
れ性の観点より好適である。
【００５０】
また、鋳込み成形法，射出成形法，テープ成形法などの成形方法を用いても何ら差し支えない。また、それぞれの成形方法で成形した後に、成形体を切削したり、積層したり、接合したりすることによって所望の形状としても何ら差し支えない。
【００５１】
次に、得られた成形体を、表面が窒化珪素質の結晶粒子で覆われたカーボン製のこう鉢中に載置して、黒鉛抵抗発熱体を加熱源とする焼成炉内で、雰囲気を窒素雰囲気または真空雰囲気として脱脂する。脱脂温度は添加した有機バインダの種類によって異なるが、900℃以下が好ましい。特に好ましくは500℃以上800℃以下である。
【００５２】
次に、脱脂温度からさらに昇温して、窒素雰囲気中で焼成する。このとき、珪素の粉末は、窒素ガス（Ｎ２）と窒化反応することで窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）となり、このときの窒化反応により相対密度が55％以上70％以下まで上昇し、その後の焼成収縮率が小さくなるため、珪素の粉末を用いて窒化反応により窒化珪素とすれば、焼成変形を抑制することができる。
【００５３】
そして、窒化反応は、以下のように進行させるのがよい。すなわち、珪素を含む脱脂体は、窒化工程において脱脂体の表面に存在する珪素から窒化が始まり、時間の経過とともに脱脂体のより内部に存在する珪素の窒化が進行する。そのため、特に脱脂体の内部における窒化不足を生じさせないためには、低温での窒化（第１の窒化工程）の後、高温での窒化（第２の窒化工程）を行なう必要がある。
【００５４】
まず、第１の窒化工程として、窒素分圧を10〜200ｋＰａとし、1000〜1200℃の温度で15〜25時間保持することで、脱脂体中のＳｉの10〜70質量％を窒化する。次に、第２の窒
化工程として、第１の窒化工程の温度から1400℃の間の温度で５〜15時間保持することで脱脂体中のＳｉの残部を窒化させる。ここで、第２の窒化工程の温度は第１の窒化工程の温度よりも高く、第１の窒化工程と第２の窒化工程とは連続して実施した方が経済的であるため好ましい。
【００５５】
そして、窒素分圧をそのまま10〜200ｋＰａに維持して、さらに昇温を続け、最高温度
を1700℃以上1800℃未満として、４〜10時間保持することで本実施形態の窒化珪素質焼結体を得ることができる。上記製造方法によって得られた窒化珪素質焼成体は、脱粒が少なく、優れた機械的特性を有していることから、アルミニウム，マグネシウム，亜鉛，銅またはこれらの金属の合金の溶湯に浸漬される、ヒーターチューブ，熱電対保護管，ラドル，ストーク，脱ガス用ロータ等の溶湯金属用部材、ベアリング用転動体，シリンダー用プランジャー，カムフォロワー等の耐磨耗性部材および銃弾や砲弾等の飛翔体や鋭利な刃物の貫通を抑制して人体，車両，船舶，航空機等を保護するための防護部材として好適に用
いることができる。
【００５６】
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００５７】
まず、β化率が10％（即ち、α化率が90％）であって、組成式がＳｉ５．９Ａｌ０．１Ｏ０．１Ｎ７．９で表される、平均粒径が１μｍの窒化珪素の粉末と、平均粒径が４μｍの珪素の粉末と、添加成分として表１に示す種類の酸化物の粉末とを、表１に示す含有量で秤量し、回転ミルを用いて湿式混合し、粒径（Ｄ９０）が１μｍ以下となるまで粉砕した。ここで、珪素の粉末は、質量比で窒化珪素の粉末の5.5倍とした。なお、ジルコニア
の粉末として単斜晶のジルコニアを用いた試料は、表１にｍ−ジルコニアと示し、正方晶のジルコニアを用いた試料は、表１にｔ−ジルコニアと示した。そして、粉砕された粉末の総和100質量％に対して、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を５質量％添加して混合す
ることによりスラリーを得た。
【００５８】
次に、得られたスラリーをＡＳＴＭ Ｅ 11−61に記載されている粒度番号が250のメ
ッシュの篩いを通した後に噴霧乾燥機を用いて乾燥させることによって、顆粒を得た。次に、得られた顆粒を用いて、一軸加圧法を用いて円板状の成形体を得た。
【００５９】
次に、得られた成形体を、表面が窒化珪素質の結晶粒子で覆われたカーボン製のこう鉢中に載置して、黒鉛抵抗発熱体を加熱源とする焼成炉内で、窒素雰囲中で脱脂した。引き続き、脱脂温度からさらに昇温し、実質的に窒素からなる150ｋＰａの窒素分圧中にて、1050℃で20時間，1250℃で10時間順次保持して窒化した。そして、さらに昇温して、表１
に示す焼成温度を1750℃，焼成時間を５時間，窒素分圧を100ｋＰａの条件で焼成し、500℃／時間で降温することにより、直径が152.4ｍｍであり、厚みが３ｍｍの円板状の窒化
珪素質焼結体からなる試料Ｎｏ．１〜15を得た。
【００６０】
そして、主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアのうち、単斜晶の比率については、マイクロＸ線回折法を用い、ビーム径が10μｍであるＸ線を主結晶に照射することで同定し、上述した式（１）に基づいて比率を算出し、その値を表１に示した。
【００６１】
また、イットリア，セリア，マグネシア，カルシアおよびアルミナは、Ｘ線回折法を用いて同定した結果、粉末として用いた成分と同じ成分が同定された。また、ＩＣＰ発光分光分析法により、表１に示す添加量と各試料の窒化珪素質焼結体における含有量が同じであることを確認した。
【００６２】
そして、各試料における脱粒しにくさの評価として、切断加工で発生するチッピングの最大値を測定した。具体的には、試料のいずれか一方の主面をダイヤモンド砥粒を用いて研磨加工して鏡面とした後、各試料からそれぞれ10本の短冊片を切り出し、光学顕微鏡を用いて400倍の倍率で切断面におけるチッピングの最大値を測定し、その値を表１に示し
た。
【００６３】
なお、短冊片は、ダイヤモンド砥粒がSD1200であるダイヤモンドブレードが装着されたスライシングマシーンを用いて、長さ，幅および厚みをそれぞれ70ｍｍ，３ｍｍ，２ｍｍとして切り出した。なお、ダイヤモンドブレードの回転数は10000ｒｐｍ、送り速度は100ｍｍ／分、１回の切り込み量を２ｍｍとした。
【００６４】
【表１】
【００６５】
表１に示す通り、主結晶を構成する窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含まない試料Ｎｏ．15に対し、試料Ｎｏ．１〜14は、チッピングの最大値が小さくなっており、窒化珪素を主成分とし、ジルコニアと、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種とを含んでなり、主結晶を構成する窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含むことから、主結晶は高い圧縮応力がかかった状態となって脱粒を少なくできることが確認された。
【００６６】
特に、試料Ｎｏ．１〜11，14は、試料Ｎｏ．12，13よりもチッピングの最大値が小さくなっており、主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアのうち単斜晶の比率が80％以上であることにより、さらに脱粒を少なくできることがわかった。
【００６７】
また、単斜晶のジルコニアおよびマグネシアの各含有量が同じである試料Ｎｏ．５〜９を比べると、試料Ｎｏ．６〜９は、試料Ｎｏ．５よりもチッピングの最大値が小さくなっており、アルミナを含むことによって緻密化を促進し機械的特性が向上させることによっても脱粒を少なくできることがわかった。
【００６８】
（実施例２）
まず、β化率が10％（即ち、α化率が90％）であって、組成式がＳｉ５．９Ａｌ０．１Ｏ０．１Ｎ７．９で表される、平均粒径が１μｍの窒化珪素の粉末と、平均粒径が４μｍの珪素の粉末と、添加成分として表２に示す種類の酸化物の粉末とを、表２に示す含有量で秤量し、回転ミルを用いて湿式混合し、粒径（Ｄ９０）が１μｍ以下となるまで粉砕した。ここで、珪素の粉末は、質量比で窒化珪素の粉末の5.5倍とした。そして、粉砕され
た粉末の総和100質量％に対して、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を５質量％添加して
混合することによりスラリーを得た。
【００６９】
次に、得られたスラリーをＡＳＴＭ Ｅ 11−61に記載されている粒度番号が250のメ
ッシュの篩いを通した後に噴霧乾燥機を用いて乾燥させることによって、顆粒を得た。次に、得られた顆粒を用いて、冷間等方圧加圧法を用いて成形し、引き続き、切削加工を施すことにより、先端が封止されたチューブ状の成形体を得た。
【００７０】
そして、実施例１と同様の条件で焼成を行ない、外形が150ｍｍであり、内径が130ｍｍ
であり、長さが1000ｍｍの先端が封止されたチューブ状の窒化珪素質焼結体からなる試料Ｎｏ．16〜21を得た。
【００７１】
そして、クロム，マンガン，鉄および銅の珪化物については、Ｘ線回折法を用いて同定した結果、粉末として用いた酸化物の金属成分と同じ金属成分の珪化物が同定され、主成分である窒化珪素と反応して、酸素を脱離し、珪化物を生成していることがわかった。
【００７２】
また、主結晶を構成する窒化珪素に含まれる単斜晶のジルコニアの比率については、実施例１で示した方法を用いて比率を算出し、その値を表２に示した。
【００７３】
さらに、上記各試料から試験片を切り出し、800℃における４点曲げ強度をＪＩＳ Ｒ
1604−2008（ＩＳＯ 17565：2003（ＭＯＤ））に準拠して測定した。
【００７４】
【表２】
【００７５】
表２に示す通り、試料Ｎｏ．17〜21は、試料Ｎｏ16よりも800℃における４点曲げ強度
が高くなっており、クロム，マンガン，鉄および銅の少なくともいずれか１種の珪化物を含むことから、これらの珪化物は高温における破壊の形態である粒界滑りが発生する際に、窒化珪素の粒子の滑りを妨げる楔のような働きによって機械的特性を向上できることがわかった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素を主成分とし、ジルコニアと、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種とを含んでなり、主結晶を構成する窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含むことを特徴とする窒化珪素質焼結体。
【請求項２】
前記主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアのうち単斜晶の比率が８０％以上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】
アルミナを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項４】
クロム，マンガン，鉄および銅の少なくともいずれか１種の珪化物を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の窒化珪素質焼結体を用いたことを特徴とする溶湯金属用部材。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の窒化珪素質焼結体を用いたことを特徴とする耐磨耗性部材。
【請求項１】
窒化珪素を主成分とし、ジルコニアと、イットリア，セリア，マグネシアおよびカルシアの少なくともいずれか１種とを含んでなり、主結晶を構成する窒化珪素に単斜晶のジルコニアを含むことを特徴とする窒化珪素質焼結体。
【請求項２】
前記主結晶を構成する窒化珪素に含まれるジルコニアのうち単斜晶の比率が８０％以上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】
アルミナを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項４】
クロム，マンガン，鉄および銅の少なくともいずれか１種の珪化物を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の窒化珪素質焼結体を用いたことを特徴とする溶湯金属用部材。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の窒化珪素質焼結体を用いたことを特徴とする耐磨耗性部材。
【公開番号】特開２０１３−７５７９６（Ｐ２０１３−７５７９６Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１７４０６（Ｐ２０１１−２１７４０６）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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