窒化珪素質焼結体
【課題】 Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶が存在した場合でも破壊靭性を低下させることなく、強度に優れた窒化珪素質焼結体を提供する。
【解決手段】 窒化珪素の結晶を主相とし、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在する窒化珪素質焼結体である。これにより、強度に優れた窒化珪素質焼結体とすることができる。
【解決手段】 窒化珪素の結晶を主相とし、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在する窒化珪素質焼結体である。これにより、強度に優れた窒化珪素質焼結体とすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的特性に優れる窒化珪素質焼結体に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化珪素質焼結体は、優れた機械的特性を有していることから、様々な構造部材に好適に用いられている。ところで、窒化珪素は、共有結合が強く、窒化珪素粉末のみで焼結させることは困難であることから、種々の焼結助剤を添加して焼結することが行なわれている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、Ｙ２Ｏ３やＡｌ２Ｏ３を焼結助剤として用いた窒化珪素質焼結体として、サイアロン粒子および粒界相により構成されるサイアロン焼結体であって、上記粒界相の総量が20ｗｔ％以下であるとともに、粒界相の酸化物換算したＳｉ，ＡｌおよびＹがＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３三成分系において、重量比における（ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３）組成が、点Ａ(20，10，70)、点Ｂ(20，25，65)、点Ｃ(30，25
，55)、点Ｄ(30，10，60)の４点で囲まれる領域にある高靱性サイアロン焼結体が提案さ
れている。
【０００４】
また、特許文献２には、Ｙ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３とを焼結助剤として添加してなる窒化珪素焼結体であって、焼結助剤の配合量が、窒化珪素と焼結助剤の合計の15重量％以上であるとともに、窒化珪素の酸素含有量（ＳｉＯ２量換算値で表す）と、Ｙ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の量との比は、ＳｉＯ２−Ｙ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３三成分系を示す三角図（重量比で表す）において、点Ａ（０，80，20）、点Ｂ（９，73，18）、点Ｃ（９，55，36）、点Ｄ（０，60，40）の４点で囲まれる領域内にある窒化珪素焼結体が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第2820846号公報
【特許文献２】特許第2863569号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の高靱性サイアロン焼結体や特許文献２に記載の窒化珪素焼結体が提案されているように、各メーカーにおいて機械的特性を向上させるべく、焼結助剤成分や含有量等について鋭意検討されているものの、Ｙ２Ｏ３やＡｌ２Ｏ３を焼結助剤として用いた窒化珪素質焼結体において、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶が存在すると破壊靭性が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶が存在した場合でも破壊靭性を低下させることなく、強度に優れた窒化珪素質焼結体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】
【０００８】
本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素の結晶を主相とし、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の窒化珪素質焼結体によれば、窒化珪素の結晶を主相とし、粒界相にＹ２ＳｉＡ
ｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在することにより、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のみが存在している窒化珪素質焼結体のように破壊靭性を低下させることなく、窒化珪素質焼結体の強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の窒化珪素質焼結体のＸ線回折チャートの一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本実施形態の窒化珪素質焼結体について説明する。
【００１２】
本実施形態の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素の結晶を主相とし、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在することを特徴としている。なお、本実施形態において主相とは、窒化珪素質焼結体における体積比率が50体積％以上であることをいい、主相の体積比率としては、84体積％以上であることが好ましい。また、共有結合性の高い窒化珪素を焼結させるには、焼結助剤を必要とし、この焼結助剤によって形成される粒界相は、体積比率で５体積％以上有していることが好ましいので、主相の体積比率としては、84体積％以上95体積％以下であり、粒界相の体積比率は、５体積％以上16体積％以下であることがより好ましい。なお、本実施形態において、窒化珪素の結晶同士の間を粒界相という。
【００１３】
そして、主相の体積比率が84体積％以上95体積％以下であり、粒界相の体積比率が5体
積％以上16体積％以下となる窒化珪素質焼結体の組成としては、Ｙ２Ｏ３換算で５質量％以上14質量％以下、Ａｌ２Ｏ３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ２換算で0.5質量％以上２質量％未満含有し、残部が窒化珪素からなるものである。
【００１４】
ここで、体積比率の求め方の一例を記載する。まず、酸素分析装置（堀場製作所製 EMGA−650FA）を用いた赤外線吸収法により窒化珪素質焼結体中の酸素の含有量を求める。
次に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（島津製作所製 ICPS−8100）を用いてＹおよびＡｌの定量分析を行なう。次に、定量分析によって得られたＹおよびＡｌの定量値をそれぞれＹ２Ｏ３およびＡｌ２Ｏ３に換算し、この酸化物換算で必要とした酸素量を窒化珪素質焼結体中の酸素の含有量から差し引き、この差し引いた酸素量からＳｉＯ２に換算する。そして、それぞれ換算したＹ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２量を100から差し引くことにより、Ｓｉ３Ｎ４の含有量とする。
【００１５】
次に、Ｙ２Ｏ３の含有量をａ，Ａｌ２Ｏ３の含有量をｂ，ＳｉＯ２の含有量をｃ，窒化珪素の含有量をｄとしたとき、それぞれの理論密度（Ｙ２Ｏ３：5.02ｇ／ｃｍ３，Ａｌ２Ｏ３：3.98ｇ／ｃｍ３，ＳｉＯ２：2.65ｇ／ｃｍ３，Ｓｉ３Ｎ４：3.18ｇ／ｃｍ３）を用いて、次式（ｄ／3.18）／（ａ／5.02＋ｂ／3.98＋ｃ／2.65＋ｄ／3.18）×100によって
主相の体積比率を求めることができる。ａ＝9.5，ｂ＝3.5，ｃ＝1.0，ｄ＝86のとき、主
相の体積比率は90体積％となる。
【００１６】
また、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在するか否かについては、Ｘ線回折装置（Bruker AXS社製 D8 ADVANCE）を用いて、窒化珪素質焼結体の表面にＣｕＫα線を照射し、ＣｕＫα線の回折方向と入射方向の角度差（２θ）と回折Ｘ線強度を検出器で走査した結果であるＸ線回折チャートを得て、２θの値よりＪＣＰＤＳカードを用いて同定して結晶の存在を確認すればよい。
【００１７】
具体的に、本実施形態の窒化珪素質焼結体のＸ線回折チャートを図１に示す。このＸ線回折チャートにおいて、窒化珪素の結晶が存在していることを示すピークは、２θ＝23.5°付近，27.2°付近，33.6°付近，36°付近に現れる。そして、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結
晶が存在しているときには、２θ＝32°〜33°付近（32.6°）にピークが現れ、Ｙ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在しているときには、２θ＝29°〜31°付近（29.4°，30.7°，31.1°）の間にピークが現れる。また、窒化珪素、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５ＮおよびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの存在を示すピークの間のブロードなピークは、窒化珪素質焼結体に非晶質（アモルファス）相が存在していることを示している。
【００１８】
そして、図１のＸ線回折チャートに示すように、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在している本実施形態の窒化珪素質焼結体は、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のみが存在している窒化珪素質焼結体のように破壊靭性を低下させることなく、窒化珪素質焼結体の強度を向上させることができる。
【００１９】
このように、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在していることにより、破壊靭性を低下させることなく窒化珪素質焼結体の強度を向上させることができる理由については明らかになっていないが、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在していることにより、焼結時に主相である窒化珪素の結晶の粒成長を抑制し、このとき窒化珪素の結晶と、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶との間にかかる応力が焼結体に残ることによって、破壊靭性の低下が抑えられ、窒化珪素の結晶の粒成長の抑制によって微細な組織構造の焼結体とすることができるので強度を向上させることができると考えられる。
【００２０】
ここで、破壊靭性については、ＪＩＳ Ｒ 1607−2010で規定される圧子圧入法（ＩＦ法）に準拠して測定した破壊靭性値で評価することができ、強度については、ＪＩＳ Ｒ
1601−2008に準拠した４点曲げ強さ試験によって得られた４点曲げ強度の値で評価することができる。
【００２１】
なお、Ｙ２Ｏ３換算で５質量％以上14質量％以下、Ａｌ２Ｏ３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ２換算で0.5質量％以上２質量％未満含有し、残部が窒化珪素から
なり、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在する窒化珪素質焼結体の具体的な機械的特性としては、破壊靭性（ＫＩＣ）が6.0ＭＰａ・ｍ１
／２以上であり、４点曲げ強度が800ＭＰａ以上となる。
【００２２】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、Ｘ線回折チャートにおける２θ＝32.6°付近のＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のピーク強度をＸとし、２θ＝29.4°付近のＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶のピーク強度をＹとしたとき、その比率Ｘ／Ｙが1.2以下（０を除く）である
ことが好ましい。この比率Ｘ／Ｙが1.2以下（０を除く）であるときには、破壊靱性およ
び強度を向上させることができる。
【００２３】
具体的には、Ｙ２Ｏ３換算で５質量％以上14質量％以下、Ａｌ２Ｏ３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ２換算で0.5質量％以上２質量％未満含有し、残部が窒化珪
素からなり、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在し、Ｘ線回折チャートにおける２θ＝32.6°付近のＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のピーク強度をＸとし、２θ＝29.4°付近のＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶のピーク強度をＹとしたとき、その比率Ｘ／Ｙが1.2以下（０を除く）であれば、破壊靭性を6.5ＭＰａ・ｍ１／２以上、４点曲げ強度を900ＭＰａ以上とすることができる。
【００２４】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、粒界相にさらにＷＳｉ２およびＦｅＳｉ２の結晶が存在していることが好ましい。ＷＳｉ２およびＦｅＳｉ２の結晶は、熱力学的に安定しており、機械的応力や熱応力がかかった場合でも粒界相が相変態を起こしにくいため、高温における強度を向上させることができる。なお、ＷおよびＦｅの含有量としては、窒化珪素質焼結体を構成するＳｉ３Ｎ４，Ｙ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２の合計100質
量％に対し、ＷがＷＯ３換算で３質量％以下（０質量％を含まず）、ＦｅがＦｅ２Ｏ３換算で２質量％以下（０質量％を含まず）であることが好ましい。
【００２５】
そして、具体的な特性としては、Ｙ２Ｏ３換算で５質量％以上14質量％以下、Ａｌ２Ｏ３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ２換算で0.5質量％以上２質量％未満含
有する窒化珪素質焼結体において、窒化珪素質焼結体100質量％に対し、ＷをＷＯ３換算
で３質量％以下（０質量％を含まず）、ＦｅをＦｅ２Ｏ３換算で２質量％以下（０質量％を含まず）含み、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶に加えて、ＷＳｉ２およびＦｅＳｉ２の結晶が存在する窒化珪素質焼結体は、高温（800℃
）における４点曲げ強度を700ＭＰａ以上とすることができる。なお、粒界相にＷＳｉ２
およびＦｅＳｉ２の結晶が存在するか否かについては、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー装置（日本電子製 ＪＸＡ−8600Ｍ型）を用いて、粒界相すなわちＳｉとＮとが共存する領域外に、ＷとＳｉとが存在する領域、ＦｅとＳｉとが存在する領域を確認し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）分析によって結晶構造を確認すればよい。また、高温（800℃）
における強度については、ＪＩＳ Ｒ 1604−2008に準拠して測定すればよい。
【００２６】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、粒界相に、ＹＳｉＯ２Ｎ（ボラステナイト）、Ｙ５（Ｓｉ４）３Ｎ（アパタイト）、Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７（ダイシリケート）相およびＹ２ＳｉＯ５（モノシリケート）のうち少なくとも１種の結晶が存在していてもよい。これらの結晶は、非晶質相と比較して軟化しにくいため、高温（800℃）における強度の向上に
効果がある。
【００２７】
次に、本実施形態の窒化珪素質焼結体の製造方法について説明する。
【００２８】
まず、出発原料として、Ｓｉ粉末（平均粒径Ｄ50＝0.5〜100μｍ）およびＳｉ３Ｎ４粉末（α化率50％以上、平均粒径Ｄ50＝0．5〜10μｍ）と、焼結助剤であるＹ２Ｏ３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.5〜10μｍ）、Ａｌ２Ｏ３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.5〜10μｍ）およびＳｉＯ２粉末（平均粒径Ｄ50＝0.5〜10μｍ）とを準備する。その後、それぞれの粉末を所
定量秤量し、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）やポリエチレングリコール（ＰＥＧ）などの各種バインダとともに、例えば回転ミル、振動ミル、ビーズミルなどのミルに入れて湿式混合・粉砕し、スラリーを作製する。
【００２９】
そして、Ｓｉ粉末とＳｉ３Ｎ４粉末との質量比率は、80：20〜90：10となるように秤量する。そして、窒化珪素質焼結体の組成が、Ｙ２Ｏ３換算で５質量％以上14質量％以下、Ａｌ２Ｏ３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ２換算で0.5質量％以上２質量
％未満含有し、残部が窒化珪素からなるものとするには、Ｓｉ粉末とＳｉ３Ｎ４粉末との質量比率が85：15であるとき、Ｙ２Ｏ３粉末およびＡｌ２Ｏ３粉末については、それぞれ7.3質量％以上20質量％以下、2.9質量％以上7.3質量％以下となるように秤量する。なお
、各粉末の秤量時と窒化珪素質焼結体の含有量とで質量％が異なるのは、Ｓｉ粉末を窒化させて窒化珪素としているためである。
【００３０】
また、ＳｉＯ２粉末については、窒化珪素質焼結体に含まれるＳｉＯ２換算での含有量が0.5質量％以上２質量％未満となるように秤量する必要があるので、予めＳｉＯ２粉末
を添加せずに作製した窒化珪素質焼結体に含まれるＳｉＯ２量を確認して、ＳｉＯ２粉末の添加量を決めればよい。そのため、ＳｉＯ２粉末は必ずしも添加しなければならないものではなく、ＳｉＯ２粉末を添加していない窒化珪素質焼結体にＳｉＯ２が含まれることとなるのは、Ｓｉ粉末およびＳｉ３Ｎ４粉末に不可避的に含まれる酸素やＳｉ粉末の酸化によるものである。なお、Ｙ２Ｏ３：Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２の窒化珪素質焼結体の含有量は、質量比率で59〜75質量％：20〜28質量％：５〜13質量％であることが好ましい。
【００３１】
また、粒界相にＷＳｉ２およびＦｅＳｉ２の結晶を存在させるには、Ｆｅ２Ｏ３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.1〜３μｍ）、ＷＯ３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.1〜３μｍ）を準備し、上述した出発原料粉末100質量％に対し、Ｆｅ２Ｏ３粉末を３質量％以下（０質量％以下を
除く）、ＷＯ３粉末を２質量％以下（０質量％以下を除く）秤量して、出発原料に加えればよい。
【００３２】
次に、噴霧造粒乾燥装置（スプレードライヤ）を用いてスラリーを噴霧造粒して球状顆粒を得た後、この球状顆粒を用いて粉末プレス成形法や静水圧プレス（ラバープレス）成形法にて成形し、必要に応じて切削加工を施すことにより成形体を得る。
【００３３】
次に、この成形体を50ｋＰａ〜1.1ＭＰａの窒素分圧で、1000〜1400℃の温度で焼成し
、窒化珪素のα化率が90％以上の窒化体を得て、この窒化体を50〜300ｋＰａの窒素分圧
で、1750〜1900℃の最高温度で焼成する。そして、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶を存在させるには、最高温度から1200℃までの降温速度を10℃／ｍｉｎ以下とすることが重要である。最高温度から1200℃までの降温速度を10℃／ｍｉｎ以下としたのは、10℃／ｍｉｎを超える降温速度では、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶を粒界相に存在させることができないからである。また、最高温度から1200℃までの降温速度が５℃／ｍｉｎ未満では、Ｙ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶を粒界相に存在させにくくため、最高温度から1200℃までの降温速度は、５℃／ｍｉｎ以上10℃／ｍｉｎ以下であることが好ましい。
【００３４】
また、Ｘ線回折チャートにおける２θ＝32.6°付近のＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のピーク強度をＸとし、２θ＝29.4°付近のＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶のピーク強度をＹとしたときの比率Ｘ／Ｙを1.2以下（０を除く）とするには、降温速度を７〜10℃／ｍｉｎとす
ることが好ましい。
【００３５】
そして、その後、室温まで冷却することにより本実施形態の窒化珪素質焼結体を得ることができる。このようにして得られた本実施形態の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素を主相とし、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在しており、破壊靭性を低下させることなく、強度の向上した窒化珪素質焼結体とすることができる。
【００３６】
このように、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、優れた機械的特性を有していることから、これらの特性を必要とする構造部材として好適に用いることができる。また、各種金属溶湯と接する金属溶湯用部材などにも適用可能である。
【００３７】
以下、本発明の窒化珪素質焼結体の実施例を説明する。
【実施例１】
【００３８】
まず、焼成時における最高温度から1200℃までの降温速度を異ならせてＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶の有無と、破壊靭性および強度の確認とを行なった。出発原料として、Ｓｉ粉末（平均粒径Ｄ50＝10μｍ）およびＳｉ３Ｎ４粉末（α化率50％以上、平均粒径Ｄ50＝１μｍ）と、焼結助剤であるＹ２Ｏ３粉末（平均粒径Ｄ50＝１μｍ）およびＡｌ２Ｏ３粉末（平均粒径Ｄ50＝１μｍ）を準備し、Ｓｉ粉末を67質量％、Ｓｉ３Ｎ４粉末を14質量％、Ｙ２Ｏ３粉末を14質量％、Ａｌ２Ｏ３粉末を５質量％秤量した。
【００３９】
その後、秤量後の粉末とバインダと溶媒とを回転ミルに入れて、所定時間混合・粉砕し、スラリーを得た。そして、噴霧造粒乾燥装置を用いてスラリーを噴霧造粒して球状顆粒を得た後、この球状顆粒を所定の金型に充填して粉末プレス成形法により成形し成形体を
得た。次に、この成形体を120ｋＰａの窒素分圧で，1300℃の温度で焼成し窒化珪素のα
化率が90％以上の窒化体を得た後、さらに120ｋＰａの窒素分圧で、1750℃の最高温度で
５時間保持した。ここまでの条件は同じであり、最高温度から1200℃までの降温速度を、一方は15℃／ｍｉｎとし、他方は10℃／ｍｉｎで降温して、その後、室温まで冷却することにより、窒化珪素質焼結体を得た。
【００４０】
そして、酸素分析装置（堀場製作所製 EMGA−650FA）を用いた赤外線吸収法により窒
化珪素質焼結体中の酸素の含有量を求めた。また、ＩＣＰ発光分光分析装置（島津製作所製 ICPS−8100）を用いてＹおよびＡｌの定量分析を行ない、それぞれＹ２Ｏ３およびＡｌ２Ｏ３に換算し、この酸化物換算で必要とした酸素量を窒化珪素質焼結体中の酸素の含有量から差し引き、この差し引いた酸素量からＳｉＯ２に換算した。そして、それぞれ換算したＹ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２量を100から差し引くことにより、窒化珪素の含
有量を求めた。その結果、窒化珪素質焼結体の組成は、窒化珪素が85.7質量％であり、Ｙ２Ｏ３換算で9.6質量％であり、Ａｌ２Ｏ３換算で3.5質量％であり、ＳｉＯ２換算で1.2
質量％であった。
【００４１】
また、Ｘ線回折装置（Bruker AXS社製 D8 ADVANCE）を用いて、窒化珪素質焼結体の表面にＣｕＫα線を照射し、ＣｕＫα線の回折方向と入射方向の角度差（２θ）と回折Ｘ線強度を検出器で走査した結果であるＸ線回折チャートを得た。その結果、最高温度から1200℃までの降温速度が15℃／ｍｉｎのものについては、２θ＝29.4°付近および32.6°付近にピークは存在していなかった。これに対し、最高温度から1200℃までの降温速度が10℃／ｍｉｎのものについては、２θ＝32.6°付近にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のピークが確認されるとともに、２θ＝29.4°付近にＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶のピークが確認された。なお、各結晶の同定は、２θの値よりＪＣＰＤＳカードを用いて行なった。
【００４２】
次に、破壊靭性および強度について、ＪＩＳ Ｒ 1607−2010およびＪＩＳ Ｒ 1601−2008に準拠した試験片となるように窒化珪素質焼結体に研磨加工や研削加工を施した。そして、ＪＩＳ Ｒ 1607−2010で規定される圧子圧入法（ＩＦ法）に準拠して破壊靱性を測定した。また、ＪＩＳ Ｒ 1601−2008に準拠した４点曲げ強さ試験で４点曲げ強度を測定した。
【００４３】
その結果、破壊靭性の値は同程度であったものの、最高温度から1200℃までの降温速度を10℃／ｍｉｎとして作製した窒化珪素質焼結体は、４点曲げ強度の値が10〜20％高く、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在していることにより、強度を向上できることがわかった。
【実施例２】
【００４４】
次に、実施例１と同様の粉末を準備して、表１に示す組成となるように秤量して実施例１と同様の方法で窒化珪素質焼結体を作製した。なお、最高温度から1200℃までの降温速度は、８℃／ｍｉｎとし、組成については、実施例１と同様の方法により求めた。
【００４５】
また、実施例１と同様の方法で破壊靭性と強度の測定を行なった。結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１に示す通り、Ｙ２Ｏ３換算で５質量％以上14質量％以下、Ａｌ２Ｏ３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ２換算で0.5質量％以上２質量％未満含有し、残部が窒
化珪素からなる試料Ｎｏ．２〜８は、破壊靭性の値が６ＭＰａ・ｍ１／２以上であり、４点曲げ強度の値が800ＭＰａ以上であり、この範囲外の組成を示す試料よりも破壊靱性お
よび強度に優れていた。また、試料Ｎｏ．５と試料Ｎｏ．６とを比較すると、試料Ｎｏ．５の方が破壊靭性および４点曲げ強度に優れており、Ｙ２Ｏ３：Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２の窒化珪素質焼結体の含有量の質量比率が59〜75質量％：20〜28質量％：５〜13質量％であった方が機械的特性に優れていることがわかった。
【実施例３】
【００４８】
次に、実施例２の試料Ｎｏ．４と同様の組成となるように各粉末を秤量して、実施例１と同様の作製方法で窒化体までを作製した。次に、120ｋＰａの窒素分圧で、1750℃の最
高温度で５時間保持し、最高温度から1200℃までの降温速度をそれぞれ表１に示す設定として、その後、室温まで冷却することにより、試料Ｎｏ．14〜17の窒化珪素質焼結体を得た。そして、実施例１と同様の方法で破壊靭性と強度の測定を行なった。結果を表２に示す。
【００４９】
【表２】
【００５０】
表２に示す結果、Ｘ線回折チャートにおける２θ＝32.6°付近のＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のピーク強度をＸとし、２θ＝29.4°付近のＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶のピーク強度をＹとしたときの比率Ｘ／Ｙが1.2以下である試料Ｎｏ．14〜16は、比率Ｘ／Ｙが1.31で
ある試料Ｎｏ．17よりも破壊靱性および４点曲げ強度に優れていることがわかった。
【実施例４】
【００５１】
次に、実施例３の試料Ｎｏ．15と同様の組成となるように各粉末を秤量した。そして、Ｆｅ２Ｏ３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.1〜３μｍ）、ＷＯ３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.1〜３μｍ）を準備し、Ｓｉ粉末、Ｓｉ３Ｎ４粉末、Ｙ２Ｏ３粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末の合計100質
量％に対し、Ｆｅ２Ｏ３粉末を２質量％以下（０質量％以下を除く）、ＷＯ３粉末を１質量％以下（０質量％以下を除く）加えて、後の工程については、実施例３の試料Ｎｏ．15と同様の作製方法で窒化珪素質焼結体を得た。
【００５２】
そして、得られた窒化珪素質焼結体について、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー装置（日本電子製 ＪＸＡ−8600Ｍ型）を用いて、粒界相すなわちＳｉとＮとが共存する領域外に、ＷとＳｉとが存在する領域、ＦｅとＳｉとが存在する領域を確認した。次に、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）分析によってＷＳｉ２およびＦｅＳｉ２であることを確認した。そして、実施例３の試料Ｎｏ．15と今回得られた窒化珪素質焼結体とを用いて、ＪＩＳ
Ｒ 1604−2008に準拠した試験片寸法となるように研削加工を施して、高温（800℃）
における４点曲げ強さ試験を行なった。
【００５３】
その結果、今回得られた窒化珪素質焼結体は、実施例３の試料Ｎｏ．15よりも高温（800℃）における４点曲げ強度の値が大きく、ＷＳｉ２およびＦｅＳｉ２の結晶が粒界相に
存在していることにより、高温における強度を向上できることがわかった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的特性に優れる窒化珪素質焼結体に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化珪素質焼結体は、優れた機械的特性を有していることから、様々な構造部材に好適に用いられている。ところで、窒化珪素は、共有結合が強く、窒化珪素粉末のみで焼結させることは困難であることから、種々の焼結助剤を添加して焼結することが行なわれている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、Ｙ２Ｏ３やＡｌ２Ｏ３を焼結助剤として用いた窒化珪素質焼結体として、サイアロン粒子および粒界相により構成されるサイアロン焼結体であって、上記粒界相の総量が20ｗｔ％以下であるとともに、粒界相の酸化物換算したＳｉ，ＡｌおよびＹがＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３三成分系において、重量比における（ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３）組成が、点Ａ(20，10，70)、点Ｂ(20，25，65)、点Ｃ(30，25
，55)、点Ｄ(30，10，60)の４点で囲まれる領域にある高靱性サイアロン焼結体が提案さ
れている。
【０００４】
また、特許文献２には、Ｙ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３とを焼結助剤として添加してなる窒化珪素焼結体であって、焼結助剤の配合量が、窒化珪素と焼結助剤の合計の15重量％以上であるとともに、窒化珪素の酸素含有量（ＳｉＯ２量換算値で表す）と、Ｙ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の量との比は、ＳｉＯ２−Ｙ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３三成分系を示す三角図（重量比で表す）において、点Ａ（０，80，20）、点Ｂ（９，73，18）、点Ｃ（９，55，36）、点Ｄ（０，60，40）の４点で囲まれる領域内にある窒化珪素焼結体が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第2820846号公報
【特許文献２】特許第2863569号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の高靱性サイアロン焼結体や特許文献２に記載の窒化珪素焼結体が提案されているように、各メーカーにおいて機械的特性を向上させるべく、焼結助剤成分や含有量等について鋭意検討されているものの、Ｙ２Ｏ３やＡｌ２Ｏ３を焼結助剤として用いた窒化珪素質焼結体において、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶が存在すると破壊靭性が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶が存在した場合でも破壊靭性を低下させることなく、強度に優れた窒化珪素質焼結体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】
【０００８】
本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素の結晶を主相とし、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の窒化珪素質焼結体によれば、窒化珪素の結晶を主相とし、粒界相にＹ２ＳｉＡ
ｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在することにより、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のみが存在している窒化珪素質焼結体のように破壊靭性を低下させることなく、窒化珪素質焼結体の強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の窒化珪素質焼結体のＸ線回折チャートの一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本実施形態の窒化珪素質焼結体について説明する。
【００１２】
本実施形態の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素の結晶を主相とし、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在することを特徴としている。なお、本実施形態において主相とは、窒化珪素質焼結体における体積比率が50体積％以上であることをいい、主相の体積比率としては、84体積％以上であることが好ましい。また、共有結合性の高い窒化珪素を焼結させるには、焼結助剤を必要とし、この焼結助剤によって形成される粒界相は、体積比率で５体積％以上有していることが好ましいので、主相の体積比率としては、84体積％以上95体積％以下であり、粒界相の体積比率は、５体積％以上16体積％以下であることがより好ましい。なお、本実施形態において、窒化珪素の結晶同士の間を粒界相という。
【００１３】
そして、主相の体積比率が84体積％以上95体積％以下であり、粒界相の体積比率が5体
積％以上16体積％以下となる窒化珪素質焼結体の組成としては、Ｙ２Ｏ３換算で５質量％以上14質量％以下、Ａｌ２Ｏ３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ２換算で0.5質量％以上２質量％未満含有し、残部が窒化珪素からなるものである。
【００１４】
ここで、体積比率の求め方の一例を記載する。まず、酸素分析装置（堀場製作所製 EMGA−650FA）を用いた赤外線吸収法により窒化珪素質焼結体中の酸素の含有量を求める。
次に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（島津製作所製 ICPS−8100）を用いてＹおよびＡｌの定量分析を行なう。次に、定量分析によって得られたＹおよびＡｌの定量値をそれぞれＹ２Ｏ３およびＡｌ２Ｏ３に換算し、この酸化物換算で必要とした酸素量を窒化珪素質焼結体中の酸素の含有量から差し引き、この差し引いた酸素量からＳｉＯ２に換算する。そして、それぞれ換算したＹ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２量を100から差し引くことにより、Ｓｉ３Ｎ４の含有量とする。
【００１５】
次に、Ｙ２Ｏ３の含有量をａ，Ａｌ２Ｏ３の含有量をｂ，ＳｉＯ２の含有量をｃ，窒化珪素の含有量をｄとしたとき、それぞれの理論密度（Ｙ２Ｏ３：5.02ｇ／ｃｍ３，Ａｌ２Ｏ３：3.98ｇ／ｃｍ３，ＳｉＯ２：2.65ｇ／ｃｍ３，Ｓｉ３Ｎ４：3.18ｇ／ｃｍ３）を用いて、次式（ｄ／3.18）／（ａ／5.02＋ｂ／3.98＋ｃ／2.65＋ｄ／3.18）×100によって
主相の体積比率を求めることができる。ａ＝9.5，ｂ＝3.5，ｃ＝1.0，ｄ＝86のとき、主
相の体積比率は90体積％となる。
【００１６】
また、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在するか否かについては、Ｘ線回折装置（Bruker AXS社製 D8 ADVANCE）を用いて、窒化珪素質焼結体の表面にＣｕＫα線を照射し、ＣｕＫα線の回折方向と入射方向の角度差（２θ）と回折Ｘ線強度を検出器で走査した結果であるＸ線回折チャートを得て、２θの値よりＪＣＰＤＳカードを用いて同定して結晶の存在を確認すればよい。
【００１７】
具体的に、本実施形態の窒化珪素質焼結体のＸ線回折チャートを図１に示す。このＸ線回折チャートにおいて、窒化珪素の結晶が存在していることを示すピークは、２θ＝23.5°付近，27.2°付近，33.6°付近，36°付近に現れる。そして、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結
晶が存在しているときには、２θ＝32°〜33°付近（32.6°）にピークが現れ、Ｙ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在しているときには、２θ＝29°〜31°付近（29.4°，30.7°，31.1°）の間にピークが現れる。また、窒化珪素、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５ＮおよびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの存在を示すピークの間のブロードなピークは、窒化珪素質焼結体に非晶質（アモルファス）相が存在していることを示している。
【００１８】
そして、図１のＸ線回折チャートに示すように、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在している本実施形態の窒化珪素質焼結体は、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のみが存在している窒化珪素質焼結体のように破壊靭性を低下させることなく、窒化珪素質焼結体の強度を向上させることができる。
【００１９】
このように、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在していることにより、破壊靭性を低下させることなく窒化珪素質焼結体の強度を向上させることができる理由については明らかになっていないが、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在していることにより、焼結時に主相である窒化珪素の結晶の粒成長を抑制し、このとき窒化珪素の結晶と、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶との間にかかる応力が焼結体に残ることによって、破壊靭性の低下が抑えられ、窒化珪素の結晶の粒成長の抑制によって微細な組織構造の焼結体とすることができるので強度を向上させることができると考えられる。
【００２０】
ここで、破壊靭性については、ＪＩＳ Ｒ 1607−2010で規定される圧子圧入法（ＩＦ法）に準拠して測定した破壊靭性値で評価することができ、強度については、ＪＩＳ Ｒ
1601−2008に準拠した４点曲げ強さ試験によって得られた４点曲げ強度の値で評価することができる。
【００２１】
なお、Ｙ２Ｏ３換算で５質量％以上14質量％以下、Ａｌ２Ｏ３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ２換算で0.5質量％以上２質量％未満含有し、残部が窒化珪素から
なり、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在する窒化珪素質焼結体の具体的な機械的特性としては、破壊靭性（ＫＩＣ）が6.0ＭＰａ・ｍ１
／２以上であり、４点曲げ強度が800ＭＰａ以上となる。
【００２２】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、Ｘ線回折チャートにおける２θ＝32.6°付近のＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のピーク強度をＸとし、２θ＝29.4°付近のＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶のピーク強度をＹとしたとき、その比率Ｘ／Ｙが1.2以下（０を除く）である
ことが好ましい。この比率Ｘ／Ｙが1.2以下（０を除く）であるときには、破壊靱性およ
び強度を向上させることができる。
【００２３】
具体的には、Ｙ２Ｏ３換算で５質量％以上14質量％以下、Ａｌ２Ｏ３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ２換算で0.5質量％以上２質量％未満含有し、残部が窒化珪
素からなり、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在し、Ｘ線回折チャートにおける２θ＝32.6°付近のＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のピーク強度をＸとし、２θ＝29.4°付近のＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶のピーク強度をＹとしたとき、その比率Ｘ／Ｙが1.2以下（０を除く）であれば、破壊靭性を6.5ＭＰａ・ｍ１／２以上、４点曲げ強度を900ＭＰａ以上とすることができる。
【００２４】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、粒界相にさらにＷＳｉ２およびＦｅＳｉ２の結晶が存在していることが好ましい。ＷＳｉ２およびＦｅＳｉ２の結晶は、熱力学的に安定しており、機械的応力や熱応力がかかった場合でも粒界相が相変態を起こしにくいため、高温における強度を向上させることができる。なお、ＷおよびＦｅの含有量としては、窒化珪素質焼結体を構成するＳｉ３Ｎ４，Ｙ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２の合計100質
量％に対し、ＷがＷＯ３換算で３質量％以下（０質量％を含まず）、ＦｅがＦｅ２Ｏ３換算で２質量％以下（０質量％を含まず）であることが好ましい。
【００２５】
そして、具体的な特性としては、Ｙ２Ｏ３換算で５質量％以上14質量％以下、Ａｌ２Ｏ３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ２換算で0.5質量％以上２質量％未満含
有する窒化珪素質焼結体において、窒化珪素質焼結体100質量％に対し、ＷをＷＯ３換算
で３質量％以下（０質量％を含まず）、ＦｅをＦｅ２Ｏ３換算で２質量％以下（０質量％を含まず）含み、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶に加えて、ＷＳｉ２およびＦｅＳｉ２の結晶が存在する窒化珪素質焼結体は、高温（800℃
）における４点曲げ強度を700ＭＰａ以上とすることができる。なお、粒界相にＷＳｉ２
およびＦｅＳｉ２の結晶が存在するか否かについては、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー装置（日本電子製 ＪＸＡ−8600Ｍ型）を用いて、粒界相すなわちＳｉとＮとが共存する領域外に、ＷとＳｉとが存在する領域、ＦｅとＳｉとが存在する領域を確認し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）分析によって結晶構造を確認すればよい。また、高温（800℃）
における強度については、ＪＩＳ Ｒ 1604−2008に準拠して測定すればよい。
【００２６】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、粒界相に、ＹＳｉＯ２Ｎ（ボラステナイト）、Ｙ５（Ｓｉ４）３Ｎ（アパタイト）、Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７（ダイシリケート）相およびＹ２ＳｉＯ５（モノシリケート）のうち少なくとも１種の結晶が存在していてもよい。これらの結晶は、非晶質相と比較して軟化しにくいため、高温（800℃）における強度の向上に
効果がある。
【００２７】
次に、本実施形態の窒化珪素質焼結体の製造方法について説明する。
【００２８】
まず、出発原料として、Ｓｉ粉末（平均粒径Ｄ50＝0.5〜100μｍ）およびＳｉ３Ｎ４粉末（α化率50％以上、平均粒径Ｄ50＝0．5〜10μｍ）と、焼結助剤であるＹ２Ｏ３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.5〜10μｍ）、Ａｌ２Ｏ３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.5〜10μｍ）およびＳｉＯ２粉末（平均粒径Ｄ50＝0.5〜10μｍ）とを準備する。その後、それぞれの粉末を所
定量秤量し、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）やポリエチレングリコール（ＰＥＧ）などの各種バインダとともに、例えば回転ミル、振動ミル、ビーズミルなどのミルに入れて湿式混合・粉砕し、スラリーを作製する。
【００２９】
そして、Ｓｉ粉末とＳｉ３Ｎ４粉末との質量比率は、80：20〜90：10となるように秤量する。そして、窒化珪素質焼結体の組成が、Ｙ２Ｏ３換算で５質量％以上14質量％以下、Ａｌ２Ｏ３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ２換算で0.5質量％以上２質量
％未満含有し、残部が窒化珪素からなるものとするには、Ｓｉ粉末とＳｉ３Ｎ４粉末との質量比率が85：15であるとき、Ｙ２Ｏ３粉末およびＡｌ２Ｏ３粉末については、それぞれ7.3質量％以上20質量％以下、2.9質量％以上7.3質量％以下となるように秤量する。なお
、各粉末の秤量時と窒化珪素質焼結体の含有量とで質量％が異なるのは、Ｓｉ粉末を窒化させて窒化珪素としているためである。
【００３０】
また、ＳｉＯ２粉末については、窒化珪素質焼結体に含まれるＳｉＯ２換算での含有量が0.5質量％以上２質量％未満となるように秤量する必要があるので、予めＳｉＯ２粉末
を添加せずに作製した窒化珪素質焼結体に含まれるＳｉＯ２量を確認して、ＳｉＯ２粉末の添加量を決めればよい。そのため、ＳｉＯ２粉末は必ずしも添加しなければならないものではなく、ＳｉＯ２粉末を添加していない窒化珪素質焼結体にＳｉＯ２が含まれることとなるのは、Ｓｉ粉末およびＳｉ３Ｎ４粉末に不可避的に含まれる酸素やＳｉ粉末の酸化によるものである。なお、Ｙ２Ｏ３：Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２の窒化珪素質焼結体の含有量は、質量比率で59〜75質量％：20〜28質量％：５〜13質量％であることが好ましい。
【００３１】
また、粒界相にＷＳｉ２およびＦｅＳｉ２の結晶を存在させるには、Ｆｅ２Ｏ３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.1〜３μｍ）、ＷＯ３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.1〜３μｍ）を準備し、上述した出発原料粉末100質量％に対し、Ｆｅ２Ｏ３粉末を３質量％以下（０質量％以下を
除く）、ＷＯ３粉末を２質量％以下（０質量％以下を除く）秤量して、出発原料に加えればよい。
【００３２】
次に、噴霧造粒乾燥装置（スプレードライヤ）を用いてスラリーを噴霧造粒して球状顆粒を得た後、この球状顆粒を用いて粉末プレス成形法や静水圧プレス（ラバープレス）成形法にて成形し、必要に応じて切削加工を施すことにより成形体を得る。
【００３３】
次に、この成形体を50ｋＰａ〜1.1ＭＰａの窒素分圧で、1000〜1400℃の温度で焼成し
、窒化珪素のα化率が90％以上の窒化体を得て、この窒化体を50〜300ｋＰａの窒素分圧
で、1750〜1900℃の最高温度で焼成する。そして、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶を存在させるには、最高温度から1200℃までの降温速度を10℃／ｍｉｎ以下とすることが重要である。最高温度から1200℃までの降温速度を10℃／ｍｉｎ以下としたのは、10℃／ｍｉｎを超える降温速度では、Ｙ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶を粒界相に存在させることができないからである。また、最高温度から1200℃までの降温速度が５℃／ｍｉｎ未満では、Ｙ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶を粒界相に存在させにくくため、最高温度から1200℃までの降温速度は、５℃／ｍｉｎ以上10℃／ｍｉｎ以下であることが好ましい。
【００３４】
また、Ｘ線回折チャートにおける２θ＝32.6°付近のＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のピーク強度をＸとし、２θ＝29.4°付近のＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶のピーク強度をＹとしたときの比率Ｘ／Ｙを1.2以下（０を除く）とするには、降温速度を７〜10℃／ｍｉｎとす
ることが好ましい。
【００３５】
そして、その後、室温まで冷却することにより本実施形態の窒化珪素質焼結体を得ることができる。このようにして得られた本実施形態の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素を主相とし、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在しており、破壊靭性を低下させることなく、強度の向上した窒化珪素質焼結体とすることができる。
【００３６】
このように、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、優れた機械的特性を有していることから、これらの特性を必要とする構造部材として好適に用いることができる。また、各種金属溶湯と接する金属溶湯用部材などにも適用可能である。
【００３７】
以下、本発明の窒化珪素質焼結体の実施例を説明する。
【実施例１】
【００３８】
まず、焼成時における最高温度から1200℃までの降温速度を異ならせてＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶の有無と、破壊靭性および強度の確認とを行なった。出発原料として、Ｓｉ粉末（平均粒径Ｄ50＝10μｍ）およびＳｉ３Ｎ４粉末（α化率50％以上、平均粒径Ｄ50＝１μｍ）と、焼結助剤であるＹ２Ｏ３粉末（平均粒径Ｄ50＝１μｍ）およびＡｌ２Ｏ３粉末（平均粒径Ｄ50＝１μｍ）を準備し、Ｓｉ粉末を67質量％、Ｓｉ３Ｎ４粉末を14質量％、Ｙ２Ｏ３粉末を14質量％、Ａｌ２Ｏ３粉末を５質量％秤量した。
【００３９】
その後、秤量後の粉末とバインダと溶媒とを回転ミルに入れて、所定時間混合・粉砕し、スラリーを得た。そして、噴霧造粒乾燥装置を用いてスラリーを噴霧造粒して球状顆粒を得た後、この球状顆粒を所定の金型に充填して粉末プレス成形法により成形し成形体を
得た。次に、この成形体を120ｋＰａの窒素分圧で，1300℃の温度で焼成し窒化珪素のα
化率が90％以上の窒化体を得た後、さらに120ｋＰａの窒素分圧で、1750℃の最高温度で
５時間保持した。ここまでの条件は同じであり、最高温度から1200℃までの降温速度を、一方は15℃／ｍｉｎとし、他方は10℃／ｍｉｎで降温して、その後、室温まで冷却することにより、窒化珪素質焼結体を得た。
【００４０】
そして、酸素分析装置（堀場製作所製 EMGA−650FA）を用いた赤外線吸収法により窒
化珪素質焼結体中の酸素の含有量を求めた。また、ＩＣＰ発光分光分析装置（島津製作所製 ICPS−8100）を用いてＹおよびＡｌの定量分析を行ない、それぞれＹ２Ｏ３およびＡｌ２Ｏ３に換算し、この酸化物換算で必要とした酸素量を窒化珪素質焼結体中の酸素の含有量から差し引き、この差し引いた酸素量からＳｉＯ２に換算した。そして、それぞれ換算したＹ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２量を100から差し引くことにより、窒化珪素の含
有量を求めた。その結果、窒化珪素質焼結体の組成は、窒化珪素が85.7質量％であり、Ｙ２Ｏ３換算で9.6質量％であり、Ａｌ２Ｏ３換算で3.5質量％であり、ＳｉＯ２換算で1.2
質量％であった。
【００４１】
また、Ｘ線回折装置（Bruker AXS社製 D8 ADVANCE）を用いて、窒化珪素質焼結体の表面にＣｕＫα線を照射し、ＣｕＫα線の回折方向と入射方向の角度差（２θ）と回折Ｘ線強度を検出器で走査した結果であるＸ線回折チャートを得た。その結果、最高温度から1200℃までの降温速度が15℃／ｍｉｎのものについては、２θ＝29.4°付近および32.6°付近にピークは存在していなかった。これに対し、最高温度から1200℃までの降温速度が10℃／ｍｉｎのものについては、２θ＝32.6°付近にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のピークが確認されるとともに、２θ＝29.4°付近にＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶のピークが確認された。なお、各結晶の同定は、２θの値よりＪＣＰＤＳカードを用いて行なった。
【００４２】
次に、破壊靭性および強度について、ＪＩＳ Ｒ 1607−2010およびＪＩＳ Ｒ 1601−2008に準拠した試験片となるように窒化珪素質焼結体に研磨加工や研削加工を施した。そして、ＪＩＳ Ｒ 1607−2010で規定される圧子圧入法（ＩＦ法）に準拠して破壊靱性を測定した。また、ＪＩＳ Ｒ 1601−2008に準拠した４点曲げ強さ試験で４点曲げ強度を測定した。
【００４３】
その結果、破壊靭性の値は同程度であったものの、最高温度から1200℃までの降温速度を10℃／ｍｉｎとして作製した窒化珪素質焼結体は、４点曲げ強度の値が10〜20％高く、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在していることにより、強度を向上できることがわかった。
【実施例２】
【００４４】
次に、実施例１と同様の粉末を準備して、表１に示す組成となるように秤量して実施例１と同様の方法で窒化珪素質焼結体を作製した。なお、最高温度から1200℃までの降温速度は、８℃／ｍｉｎとし、組成については、実施例１と同様の方法により求めた。
【００４５】
また、実施例１と同様の方法で破壊靭性と強度の測定を行なった。結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１に示す通り、Ｙ２Ｏ３換算で５質量％以上14質量％以下、Ａｌ２Ｏ３換算で２質量％以上５質量％以下およびＳｉＯ２換算で0.5質量％以上２質量％未満含有し、残部が窒
化珪素からなる試料Ｎｏ．２〜８は、破壊靭性の値が６ＭＰａ・ｍ１／２以上であり、４点曲げ強度の値が800ＭＰａ以上であり、この範囲外の組成を示す試料よりも破壊靱性お
よび強度に優れていた。また、試料Ｎｏ．５と試料Ｎｏ．６とを比較すると、試料Ｎｏ．５の方が破壊靭性および４点曲げ強度に優れており、Ｙ２Ｏ３：Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２の窒化珪素質焼結体の含有量の質量比率が59〜75質量％：20〜28質量％：５〜13質量％であった方が機械的特性に優れていることがわかった。
【実施例３】
【００４８】
次に、実施例２の試料Ｎｏ．４と同様の組成となるように各粉末を秤量して、実施例１と同様の作製方法で窒化体までを作製した。次に、120ｋＰａの窒素分圧で、1750℃の最
高温度で５時間保持し、最高温度から1200℃までの降温速度をそれぞれ表１に示す設定として、その後、室温まで冷却することにより、試料Ｎｏ．14〜17の窒化珪素質焼結体を得た。そして、実施例１と同様の方法で破壊靭性と強度の測定を行なった。結果を表２に示す。
【００４９】
【表２】
【００５０】
表２に示す結果、Ｘ線回折チャートにおける２θ＝32.6°付近のＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のピーク強度をＸとし、２θ＝29.4°付近のＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶のピーク強度をＹとしたときの比率Ｘ／Ｙが1.2以下である試料Ｎｏ．14〜16は、比率Ｘ／Ｙが1.31で
ある試料Ｎｏ．17よりも破壊靱性および４点曲げ強度に優れていることがわかった。
【実施例４】
【００５１】
次に、実施例３の試料Ｎｏ．15と同様の組成となるように各粉末を秤量した。そして、Ｆｅ２Ｏ３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.1〜３μｍ）、ＷＯ３粉末（平均粒径Ｄ50＝0.1〜３μｍ）を準備し、Ｓｉ粉末、Ｓｉ３Ｎ４粉末、Ｙ２Ｏ３粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末の合計100質
量％に対し、Ｆｅ２Ｏ３粉末を２質量％以下（０質量％以下を除く）、ＷＯ３粉末を１質量％以下（０質量％以下を除く）加えて、後の工程については、実施例３の試料Ｎｏ．15と同様の作製方法で窒化珪素質焼結体を得た。
【００５２】
そして、得られた窒化珪素質焼結体について、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー装置（日本電子製 ＪＸＡ−8600Ｍ型）を用いて、粒界相すなわちＳｉとＮとが共存する領域外に、ＷとＳｉとが存在する領域、ＦｅとＳｉとが存在する領域を確認した。次に、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）分析によってＷＳｉ２およびＦｅＳｉ２であることを確認した。そして、実施例３の試料Ｎｏ．15と今回得られた窒化珪素質焼結体とを用いて、ＪＩＳ
Ｒ 1604−2008に準拠した試験片寸法となるように研削加工を施して、高温（800℃）
における４点曲げ強さ試験を行なった。
【００５３】
その結果、今回得られた窒化珪素質焼結体は、実施例３の試料Ｎｏ．15よりも高温（800℃）における４点曲げ強度の値が大きく、ＷＳｉ２およびＦｅＳｉ２の結晶が粒界相に
存在していることにより、高温における強度を向上できることがわかった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素の結晶を主相とし、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在することを特徴とする窒化珪素質焼結体。
【請求項２】
Ｘ線回折チャートにおける２θ＝３２．６°付近のＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のピーク強度をＸとし、２θ＝２９．４°付近のＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶のＸ線回折におけるピーク強度をＹとしたとき、その比率Ｘ／Ｙが１．２以下（０を除く）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】
前記粒界相に、さらにＷＳｉ２およびＦｅＳｉ２の結晶が存在する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１】
窒化珪素の結晶を主相とし、粒界相にＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶およびＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶が存在することを特徴とする窒化珪素質焼結体。
【請求項２】
Ｘ線回折チャートにおける２θ＝３２．６°付近のＹ２ＳｉＡｌＯ５Ｎの結晶のピーク強度をＸとし、２θ＝２９．４°付近のＹ４ＳｉＡｌＯ８Ｎの結晶のＸ線回折におけるピーク強度をＹとしたとき、その比率Ｘ／Ｙが１．２以下（０を除く）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】
前記粒界相に、さらにＷＳｉ２およびＦｅＳｉ２の結晶が存在する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。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−１７６８６３（Ｐ２０１２−１７６８６３Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４００８９（Ｐ２０１１−４００８９）
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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