(57)【要約】【課題】セラミックスの曲げ強度及び接触強度を向上できる技術の提供。【解決手段】ＳｉＣ微粒子１２を１０〜３０ｗｔ％含有するセラミックス焼結体１あるいはＳｉＣ製のセラミックス焼結体にショットピーニング処理によって圧縮残留応力を導入するとともに前記セラミックス焼結体１に亀裂２を形成した後、酸素含有雰囲気下で、前記ショットピーニング処理にて導入した圧縮残留応力を全て除去できる加熱温度よりも低い温度での熱処理によってＳｉＣを酸化させＳｉＯ２を生成する熱処理工程を行うことを特徴とするセラミックス製品の製造方法、セラミックス製品５を提供する。【選択図】図１
2010042957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ微粒子を１０〜３０ｗｔ％含有するセラミックス焼結体あるいはＳｉＣ製のセラミックス焼結体にショットピーニング処理によって圧縮残留応力を導入するとともに前記セラミックス焼結体に亀裂を形成した後、前記セラミックス焼結体を酸素含有雰囲気下で、前記ショットピーニング処理にて導入した圧縮残留応力を全て除去できる加熱温度よりも低くかつ８００℃以上の温度に加熱して該セラミックス焼結体中のＳｉＣを酸化させＳｉＯ２を生成する熱処理工程を行うことを特徴とするセラミックス製品の製造方法。
【請求項２】
ＳｉＣ微粒子を１０〜３０ｗｔ％含有するセラミックス焼結体あるいはＳｉＣ製のセラミックス焼結体であり、表面に亀裂を有するセラミックス焼結体にショットピーニング処理によって圧縮残留応力を導入した後、前記セラミックス焼結体を酸素含有雰囲気下で、前記ショットピーニング処理にて導入した圧縮残留応力を全て除去できる加熱温度よりも低くかつ８００℃以上の温度に加熱して該セラミックス焼結体中のＳｉＣを酸化させＳｉＯ２を生成する熱処理工程を行うことを特徴とするセラミックス製品の製造方法。
【請求項３】
ＳｉＣ微粒子を１０〜３０ｗｔ％含有するセラミックス焼結体あるいはＳｉＣ製のセラミックス焼結体にショットピーニング処理によって圧縮残留応力を導入し、該ショットピーニング処理の完了後に前記セラミックス焼結体の表面に亀裂を形成した後、前記セラミックス焼結体を酸素含有雰囲気下で、前記ショットピーニング処理にて導入した圧縮残留応力を全て除去できる加熱温度よりも低くかつ８００℃以上の温度に加熱して該セラミックス焼結体中のＳｉＣを酸化させＳｉＯ２を生成する熱処理工程を行うことを特徴とするセラミックス製品の製造方法。
【請求項４】
前記熱処理工程の前に前記セラミックス焼結体の機械加工を行い、前記ショットピーニング処理及び前記機械加工を完了した後に前記熱処理工程を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックス製品の製造方法。
【請求項５】
前記ショットピーニング処理は、ビッカース硬度（ＨＶ）が前記セラミックス焼結体の硬度の５０〜８０％、粒径１００〜４００μｍの微粒子投射材をショット圧０．１〜０．３ＭＰａで前記セラミックス材料に投射することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックス製品の製造方法。
【請求項６】
前記ショットピーニング処理にて用いる前記微粒子投射材の粒径が１００〜２００μｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセラミックス製品の製造方法。
【請求項７】
前記ショットピーニング処理にて微粒子投射材をセラミックス焼結体に投射する前記ショット圧が０．１〜０．２ＭＰａであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のセラミックス製品の製造方法。
【請求項８】
前記熱処理工程を大気中にて行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のセラミックス製品の製造方法。
【請求項９】
前記熱処理工程を前記セラミックス焼結体に曲げ応力を与えた状態で行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のセラミックス製品の製造方法。
【請求項１０】
ＳｉＣ微粒子を含有するセラミックス焼結体あるいはＳｉＣ製のセラミックス焼結体を有し、前記セラミックス焼結体の表層部に圧縮残留応力が付与された圧縮残留応力導入層を有し、さらに、前記圧縮残留応力導入層の表面から前記セラミックス焼結体の内部に延びるように形成された亀裂状の溝内を埋めるＳｉＯ２からなり前記セラミックス焼結体の前記溝を介して両側に位置する部分同士を接合する充填接合部を有することを特徴とするセラミックス製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス製品の強度向上を図ることができるセラミックス製品の製造方法及びセラミックス製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックスは脆い材料であるために、金属材料に比べて使用中の信頼性が劣るという問題がある。この問題を解決するために、繊維強化や組織制御によってセラミックスを強靱化する方法や、例えば特許文献１のように微細粒子をセラミックス製品表面に投射するショットピーニングによってセラミックス製品表面の強靱化を図る方法（以下、ピーニング法とも言う）が知られている。
また、特許文献２のように、セラミックス原料粉末（具体的にはムライト）に微細なＳｉＣ（炭化珪素）粒子を混合した材料を焼結することで破壊靱性および強度を高めるとともに、さらに得られた焼結体を１２００℃以上の温度に加熱する熱処理によって曲げ強度を高めることができる技術も提案されている（以下、炭化物複合法とも言う）。
これらのうち、上述のピーニング法は製造後のセラミックス製品のショットピーニング処理によって表面強靱化を行う技術であり、炭化物複合法はセラミックス製品の焼結後の熱処理によって曲げ強度の向上を図るものであり、いずれも焼結後のセラミックス製品を処理する工程を有するものである。
【特許文献１】特開２００４−１３６３７２号公報
【特許文献２】特開平７−１３８０６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
セラミックスは破壊靱性値が極めて低い故に、表面欠陥（亀裂）が存在する場合、その強度が亀裂の存在に強く影響を受ける。例えば、軸受け、ガスタービン等の熱機関用の部品、ばね等の構造材として用いられるセラミックス製品にあっては機械的信頼性の確保が重要であるが、その一方、穴開け等の機械加工を行いたいという要求があり、機械加工の際にセラミックスに形成された亀裂がセラミックスの強度に与える影響をキャンセルあるいは抑制することが機械的信頼性の確保の上で重要である。また、セラミックス製品の機械的信頼性の確保のためには、構造材として使用中の亀裂発生の抑制も重要である。
しかしながら、機械加工等によって形成された亀裂の影響のキャンセル（あるいは抑制）と、使用中の亀裂発生の抑制とを両立させ、実用上、充分な効果（機械的信頼性の向上）を得ることは容易ではなく、これを実現できる適切な技術が無いことが実情であった。
【０００４】
上述のピーニング法はセラミックス（セラミックス製品）の表面（表層）の強靱化に有効である。セラミックス製品の表面の破壊靱性値の向上は亀裂発生抑制や亀裂進展の抑制に有効である。しかしながら、ショットピーニング処理によるセラミックスへの圧縮残留応力の導入深さには限界（一般的には表面から４０〜５０μｍ程度）があり、ピーニング法によって表面の強靱化を図ったとしても、セラミックスの表面以外の破壊靱性値は極めて低い状況にある。このため、セラミックス表層に例えば深さ５０〜１００μｍ程度の亀裂が存在する場合は、ショットピーニング処理を施して表面の強靱化を図ってもこれがセラミックスの強度（曲げ強度）の向上に充分に寄与せず、強度向上効果が小さいといった不満があった。
【０００５】
特許文献２記載の技術は、ムライトに添加した炭化物粒子（ＳｉＣ）が熱処理によってＳｉＯ２を生成し、このＳｉＯ２がセラミックスに存在する亀裂を接合して治癒すると考えられるものであり、セラミックス自体が亀裂を自己修復するものと言える。この技術によれば、熱処理によってセラミックス製品の表面欠陥（亀裂）を除去できるため、曲げ強度の向上を実現できる。この技術では、炭化物粒子の添加によってセラミックスの破壊靱性を高めることができるものの、しかしながら、破壊靱性値の向上には限界があり、高い破壊靱性値を得ることは容易ではない。セラミックス表面の破壊靱性値の向上はセラミックス表面の亀裂の発生、進展の抑制に有効に寄与するが、特許文献２記載の技術では熱処理後の製品の亀裂発生、進展の抑制効果が充分に得られず、結局、機械的信頼性を満足できない。
【０００６】
本発明は、前記課題に鑑みて、セラミックス製品表面に形成された亀裂の影響のキャンセル（あるいは抑制）と、使用中の亀裂の発生抑制とを両立させることができ、セラミックス製品の機械的信頼性向上を容易に実現できるセラミックス製品の製造方法、セラミックス製品の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明では以下の構成を提供する。
第１の発明は、ＳｉＣ微粒子を１０〜３０ｗｔ％含有するセラミックス焼結体あるいはＳｉＣ製のセラミックス焼結体にショットピーニング処理によって圧縮残留応力を導入するとともに前記セラミックス焼結体に亀裂を形成した後、前記セラミックス焼結体を酸素含有雰囲気下で、前記ショットピーニング処理にて導入した圧縮残留応力を全て除去できる加熱温度よりも低くかつ８００℃以上の温度に加熱して該セラミックス焼結体中のＳｉＣを酸化させＳｉＯ２を生成する熱処理工程を行うことを特徴とするセラミックス製品の製造方法を提供する。
第２の発明は、ＳｉＣ微粒子を１０〜３０ｗｔ％含有するセラミックス焼結体あるいはＳｉＣ製のセラミックス焼結体であり、表面に亀裂を有するセラミックス焼結体にショットピーニング処理によって圧縮残留応力を導入した後、前記セラミックス焼結体を酸素含有雰囲気下で、前記ショットピーニング処理にて導入した圧縮残留応力を全て除去できる加熱温度よりも低くかつ８００℃以上の温度に加熱して該セラミックス焼結体中のＳｉＣを酸化させＳｉＯ２を生成する熱処理工程を行うことを特徴とするセラミックス製品の製造方法を提供する。
第３の発明は、ＳｉＣ微粒子を１０〜３０ｗｔ％含有するセラミックス焼結体あるいはＳｉＣ製のセラミックス焼結体にショットピーニング処理によって圧縮残留応力を導入し、該ショットピーニング処理の完了後に前記セラミックス焼結体の表面に亀裂を形成した後、前記セラミックス焼結体を酸素含有雰囲気下で、前記ショットピーニング処理にて導入した圧縮残留応力を全て除去できる加熱温度よりも低くかつ８００℃以上の温度に加熱して該セラミックス焼結体中のＳｉＣを酸化させＳｉＯ２を生成する熱処理工程を行うことを特徴とするセラミックス製品の製造方法を提供する。
第４の発明は、前記熱処理工程の前に前記セラミックス焼結体の機械加工を行い、前記ショットピーニング処理及び前記機械加工を完了した後に前記熱処理工程を行うことを特徴とする第１〜３のいずれかの発明のセラミックス製品の製造方法を提供する。
第５の発明は、前記ショットピーニング処理は、ビッカース硬度（ＨＶ）が前記セラミックス焼結体の硬度の５０〜８０％、粒径１００〜４００μｍの微粒子投射材をショット圧０．１〜０．３ＭＰａで前記セラミックス材料に投射することを特徴とする第１〜４のいずれかの発明のセラミックス製品の製造方法を提供する。
第６の発明は、前記ショットピーニング処理にて用いる前記微粒子投射材の粒径が１００〜２００μｍであることを特徴とする第１〜５のいずれかの発明のセラミックス製品の製造方法を提供する。
第７の発明は、前記ショットピーニング処理にて微粒子投射材をセラミックス焼結体に投射する前記ショット圧が０．１〜０．２ＭＰａであることを特徴とする第１〜６のいずれかの発明のセラミックス製品の製造方法を提供する。
第８の発明は、前記熱処理工程を大気中にて行うことを特徴とする第１〜７のいずれかの発明のセラミックス製品の製造方法を提供する。
第９の発明は、前記熱処理工程を前記セラミックス焼結体に曲げ応力を与えた状態で行うことを特徴とする第１〜８のいずれかの発明のセラミックス製品の製造方法を提供する。
第１０の発明は、ＳｉＣ微粒子を含有するセラミックス焼結体あるいはＳｉＣ製のセラミックス焼結体を有し、前記セラミックス焼結体の表層部に圧縮残留応力が付与された圧縮残留応力導入層を有し、さらに、前記圧縮残留応力導入層の表面から前記セラミックス焼結体の内部に延びるように形成された亀裂状の溝内を埋めるＳｉＯ２からなり前記セラミックス焼結体の前記溝を介して両側に位置する部分同士を接合する充填接合部を有することを特徴とするセラミックス製品を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係るセラミックス製品の製造方法によれば、ＳｉＣ微粒子を分散させたセラミックス材料あるいはＳｉＣ製セラミックス材料からなるセラミックス焼結体にショットピーニング処理を施して圧縮残留応力を導入した後、セラミックス焼結体を酸素含有雰囲気下で、前記ショットピーニング処理にて導入した圧縮残留応力を全て除去できる加熱温度よりも低くかつ８００℃以上の温度に加熱する熱処理工程によってＳｉＯ２を生成することで、生成したＳｉＯ２によってセラミックス焼結体の亀裂（例えば、深さ数μｍ〜十μｍ程度の微細な亀裂）を修復（治癒）でき、しかも、熱処理工程後もセラミックス焼結体に圧縮残留応力を確実に残存させることができる。このためセラミックス製品に高い強度を確保することができ、しかも、圧縮残留応力の存在によって接触強度を確保できるため亀裂の発生、進展を抑えることができる。その結果、セラミックス製品表面に形成された亀裂の影響のキャンセル（あるいは抑制）と、使用中の亀裂の発生抑制とを両立させることができ、機械的信頼性が高いセラミックス製品を得ることができる。
本発明に係るセラミックス製品は、圧縮残留応力導入層と、亀裂状の溝内を埋めるＳｉＯ２からなる充填接合部とを有する構成により、優れた強度が得られるとともに、亀裂の発生及び進展を抑制できるため、高い機械的信頼性を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の１実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
まず、本発明に係るセラミックス製品の製造方法（以下、単に製造方法とも言う）及びセラミックス製品の第１実施形態を説明する。
図１は本発明に係る製造方法の一例を説明する図であって、（ａ）はセラミックス焼結体１（本発明に係る製造方法を適用する前のセラミックス製品）を示す断面図、（ｂ）はショットピーニング処理によって前記セラミックス焼結体１に圧縮残留応力を導入してなる表層部（以下、圧縮残留応力導入層４とも言う）と亀裂２とを形成した状態を示す図、（ｃ）は前記圧縮残留応力導入層４及び亀裂２を形成した前記セラミックス焼結体１を加熱する熱処理工程を行って得たセラミックス製品５を示す図である。
【００１１】
図１に例示したセラミックス焼結体１は、セラミックスマトリクス１１中にＳｉＣ微粒子１２（粒状のものの他、ウィスカーも含む）が分散されたもの（以下、ＳｉＣ複合セラミックスとも言う）であり、ＳｉＣ微粒子１２を１０〜３０ｗｔ％含有するものである。
【００１２】
セラミックス焼結体１であるＳｉＣ複合セラミックスは、セラミックス原料粉体にＳｉＣ微粒子１２を混入させ焼結させたものである。焼結によって、セラミックス原料粉体によって形成されたセラミックスマトリクス１１中にＳｉＣ微粒子１２が分散されたＳｉＣ複合セラミックスが得られる。
セラミックスマトリクス１１としては、例えば、ＡｌＮ、ＺｒＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）から選択されるいずれか１つを好適に用いることができる。但し、セラミックスマトリクス１１としてはこれらに限定されるものではない。
【００１３】
セラミックス焼結体１におけるＳｉＣ微粒子１２の含有量は、１０ｗｔ％よりも少ないと熱処理工程による治癒効果が充分に得られず、この製造方法によって得られるセラミックス製品５（図１（ｃ）参照）の強度に影響を与える。また、３０ｗｔ％よりも多くてもセラミックス製品５の強度の低下を招く。
【００１４】
なお、本発明に係るセラミックス焼結体を形成するセラミックス材料としては、上述のＳｉＣ複合セラミックス材料からなるものに限定されず、例えば、ＳｉＣ製セラミックス材料（セラミックスマトリクスがＳｉＣで形成されているもの）も採用できる。
【００１５】
本発明に係るセラミックス製品の製造方法に用いられるセラミックス焼結体は、例えば軸受け、ガスタービン等の熱機関用の部品、ばね、歯車等の構造材として使用されるものであり、その形状には限定は無い。但し、本発明に係る製造方法におけるショットピーニング処理（後述）を行う対象となる表面（微粒子投射材を衝突させる表面）を形成する部分に数ｍｍ程度あるいはそれ以上の厚み寸法（ショットピーニング処理を行う表面からの深さ寸法）が確保されているものを使用する。
【００１６】
図１（ａ）〜（ｃ）に例示した製造方法では、まず、セラミックス焼結体１にショットピーニング処理を施して、前記セラミックス焼結体１に圧縮残留応力を導入するとともに、セラミックス焼結体１の表面３に亀裂２を形成する（図１（ｂ）参照）。
ショットピーニング処理は、例えばジルコニア（ＺｒＯ２）ビーズ等の微粒子投射材６をセラミックス焼結体１に投射して、セラミックス焼結体１への圧縮残留応力の導入とセラミックス焼結体１の表面３への亀裂２の形成とを行う。
【００１７】
ショットピーニング処理によるセラミックス焼結体１への圧縮残留応力の導入によって、セラミックス焼結体１には、その表面３付近に、圧縮残留応力が導入された領域（図１（ｂ）、（ｃ）中符号４の圧縮残留応力導入層）が形成される。圧縮残留応力導入層４は、セラミックス焼結体１の表面３から深さ方向に少なくとも１０μｍ程度形成することが好ましく、表面３から３０〜５０μｍ程度まで形成することがより好ましい。また、表面３から１００μｍ程度、あるいはそれ以上の広範囲にわたって形成しても良い。
【００１８】
ショットピーニング処理によってセラミックス焼結体１に形成する亀裂２は、例えば表面３からの深さが数μｍ〜５０μｍ程度の微細なものである。
前記亀裂は深さ５０μｍを超えるサイズのものであっても良いが、亀裂の深さはセラミックス焼結体１の表面３から１００μｍ以内であることが好ましい。
ショットピーニング処理によってセラミックス焼結体１に亀裂２が形成される結果、セラミックス焼結体１の表面３は粗面化される。
【００１９】
ショットピーニング処理の微粒子投射材のサイズ（粒径）、硬度、ショット圧等の条件は、セラミックス焼結体１の物性（例えば表面硬さ）等に応じて、セラミックス焼結体１の欠けやセラミックス焼結体１全体の割れを生じない範囲で設定する。例えば、ビッカース硬度（ＨＶ）が前記セラミックス焼結体１の硬度の５０〜８０％、粒径１００〜４００μｍの微粒子投射材６をショット圧０．１〜０．３ＭＰａで前記セラミックス焼結体１に投射してショットピーニング処理を行うことが好適である。
微粒子投射材６は、粒径を大きくするとセラミックス焼結体１に欠けが生じやすくなるため、欠けが発生しないように調整する必要がある。一方、粒径が小さいほど、圧縮残留応力を導入しにくくなる。この点、微粒子投射材６の粒径は１００〜２００μｍとすることがより好ましい。ショット圧は０．１〜０．２ＭＰａとすることがより好ましい。
微粒子投射材６の粒径を１００〜２００μｍ、ショット圧を０．１〜０．２ＭＰａとすることは、例えばＳｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ムライトをセラミックスマトクスとするセラミックス焼結体１のショットピーニング処理に特に好適である。
【００２０】
ショットピーニング処理にてセラミックス焼結体１に導入する圧縮残留応力は、後述する熱処理工程での熱処理後のセラミックス焼結体１の表面３の破壊靱性値の向上、接触強度の向上の点では出来るだけ大きいことが望ましいが、ショットピーニング処理によるセラミックス焼結体１の欠け等を防止する必要があることから上限値に限界がある。このためショットピーニング処理にてセラミックス焼結体１に導入する圧縮残留応力は、３００〜１０００ＭＰａの範囲であることが好ましい。
【００２１】
次いで、上述のショットピーニング処理を完了したセラミックス焼結体１を酸素含有雰囲気（例えば大気中）下で加熱する熱処理工程を行う。
この熱処理工程では、酸素含有雰囲気下でのセラミックス焼結体１の加熱によって、セラミックス焼結体１中のＳｉＣに、ＳｉＣ＋３／２Ｏ２→ＳｉＯ２＋ＣＯ、の酸化反応を生じさせ、ＳｉＯ２を生成させる。この熱処理工程でのセラミックス焼結体１の加熱温度は、ＳｉＣの酸化反応のために８００℃以上とするが、但し、前記ショットピーニング処理にて導入した圧縮残留応力を全て除去できる加熱温度よりも低い温度とする。
【００２２】
このとき、ＳｉＣの酸化反応によるＳｉＯ２の生成は体積膨張を伴うため、反応の進行に伴い亀裂２内にＳｉＯ２が充填されていく。亀裂２には、亀裂２内に露出するＳｉＣの酸化反応によって生成されるＳｉＯ２が充填される。
亀裂２内に充填されたＳｉＯ２は熱処理工程後の冷却により固化することで、セラミックス焼結体１の亀裂２を介して両側に位置する部分を接合する接合材（充填接合部７）として機能させることができる。したがって、図１（ｃ）に示すように、この熱処理工程によって亀裂２内にＳｉＯ２を充填することで、亀裂２を治癒（修復）することができる。
【００２３】
また、亀裂２内に形成された充填接合部７が、セラミックス焼結体１の亀裂２を介して両側に位置する部分を接合する接合材として機能する結果、セラミックス焼結体１の曲げ強度を向上させることができる。熱処理工程の完了によって得られるセラミックス製品５には、ショットピーニング処理及び熱処理工程を行う前のセラミックス焼結体１に比べて高い曲げ強度を得ることができる。
【００２４】
本発明者等による膨大な試験の結果、亀裂２を形成する前のセラミックス焼結体１に比べて、ショットピーニング処理によってセラミックス焼結体１に亀裂２を形成し、上述の熱処理工程を行ったセラミックス製品５の方がより高い曲げ強度が得られることを確認した。曲げ強度試験の結果、セラミックス製品５の充填接合部７による接合箇所以外で破断が生じることから、充填接合部７による接合箇所の存在がセラミックス製品５の強度向上に有効に寄与しているものと考えられる。
この点、例えば、ショットピーニング処理によってセラミックス焼結体１に多数の亀裂２を形成し、熱処理工程にて各亀裂２にＳｉＯ２を充填して充填接合部７を形成することで、セラミックス製品５により高い曲げ強度を得ることが可能である。
【００２５】
熱処理工程での亀裂２内へのＳｉＯ２の充填は、図示例のように亀裂２内部全体を埋めることがセラミックス製品５の曲げ強度の向上の点で有利であるが、亀裂２内へのＳｉＯ２の充填は、ＳｉＯ２からなる充填接合部７が、セラミックス焼結体１の亀裂２を介して両側に位置する部分同士を接合する接合材として機能し得るようになっていれば良く、亀裂２内にＳｉＯ２が充填されていない箇所が部分的に存在していても良い。
熱処理工程は、換言すれば、ＳｉＣの酸化反応によって生成したＳｉＯ２によって亀裂２内に充填接合部７を形成して、セラミックス焼結体１の強度を向上せしめる工程とも言える。亀裂２内に形成された充填接合部７は、亀裂２の拡張を阻止する機能を果たすものと考えられる。また、亀裂２内に充填接合部７が形成され治癒された部位が高い強度を発揮し、セラミックス焼結体１全体の強度向上に寄与するものと考えられる。
【００２６】
熱処理工程におけるセラミックス焼結体１の加熱温度を、前記ショットピーニング処理にて導入した圧縮残留応力を全て除去できる加熱温度よりも低い温度とすることは、ショットピーニング処理にてセラミックス焼結体１に導入した圧縮残留応力を熱処理工程の完了後も残存させることを目的とする。熱処理工程の完了後も圧縮残留応力を残存させることで、セラミックス焼結体１の表面３の破壊靭性値を高めることができる。これにより、セラミックス焼結体１の接触強度を高めることができ、セラミックス製品５の表面への新たな亀裂の発生、進展を抑える効果が得られる。
【００２７】
ショットピーニング処理にてセラミックス焼結体１に導入した圧縮残留応力は、熱処理工程でのセラミックス焼結体１の加熱によって解放されて低下する（例えば図３参照）。圧縮残留応力は、熱処理工程での加熱温度が高いほど大きく低下する。
セラミックス製品５の接触強度を高め表面の亀裂の発生、進展を抑える点では、熱処理工程の完了後に、出来るだけ大きい圧縮残留応力が確保される（残存する）ことが好ましい。
【００２８】
なお、図３は、Ｓｉ３Ｎ４粉末に平均粒径０．２７μｍのＳｉＣ粒子を２０ｗｔ％複合（混入）し、焼結助剤としてＹ２Ｏ３を８ｗｔ％用いたものを、窒素ガス中にて、３５ＭＰａの圧縮応力を作用させたまま、１８５０℃、２時間の加圧焼結を行って得たセラミックス焼結体にショットピーニング処理を施し、次いで熱処理（熱処理工程）を行い、熱処理温度（加熱温度）が互いに異なる複数の試験片を作製した後、各試験片について、Ｘ線回折によってセラミックス焼結体表面（ショットピーニング処理を行った面）の圧縮残留応力を計測したデータ（図３中、ＳＰ）を記載している。熱処理は大気中にて１時間加熱で行った。
ショットピーニング処理は、平均粒径３００μｍのＺｒＯ２ビーズ（ビッカース硬度（ＨＶ）１２５０）をショット圧０．２ＭＰａ、ガバレージ３００％、ショット時間３０〜４０secで投射して行い、セラミックス焼結体に圧縮残留応力導入層と亀裂（表面欠陥）とを形成した。また、図３では、ショットピーニング処理を行う前のセラミックス焼結体の圧縮残留応力（図３中、未ＳＰ）も併記している。
【００２９】
また、図４に示すように、上述の試験片について、熱処理工程における加熱時間（熱処理時間ｈ）に対する圧縮残留応力の低下傾向を確認したが、加熱温度（熱処理温度）が８００℃、１１００℃、１０００℃のいずれの場合でも、熱処理開始から１０時間の熱処理後も圧縮残留応力を保持できることを確認できた。
図４では、上述のショットピーニング処理後、熱処理を行っていないセラミックス焼結体の圧縮残留応力（図４中、ＳＰ材）も併記している。
【００３０】
熱処理工程では、セラミックス焼結体１の加熱温度を、ショットピーニング処理にて導入した圧縮残留応力を全て除去できる加熱温度よりも低く抑えれば、ショットピーニング処理にて導入した圧縮残留応力を多く残存させることができる。一方、熱処理工程におけるセラミックス焼結体１の加熱温度が８００℃よりも低いと、ＳｉＣ粒子１２の酸化反応が充分に進行せず、充填接合部７の形成が不充分となり、曲げ強度の向上が難しくなってくる。このため、熱処理工程におけるセラミックス焼結体１の加熱温度は、８００℃以上で、ショットピーニング処理にて導入した圧縮残留応力を全て除去できる加熱温度よりも低く設定する。
【００３１】
例えば、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）をセラミックスマトリクスとするセラミックス焼結体１の場合は、熱処理工程におけるセラミックス焼結体１の加熱温度は、８００℃以上かつ１２００℃よりも低くすることが好ましい。このセラミックス焼結体１の場合、ショットピーニング処理にてセラミックス焼結体１に導入した圧縮残留応力は、熱処理工程におけるセラミックス焼結体１の加熱温度が１３００℃前後でほぼ完全に除去されてしまい（１３００℃がショットピーニング処理にて導入した圧縮残留応力を全て除去できる加熱温度）、ショットピーニング処理による導入前の状態に近似する（例えば、図３参照）。
また、図３を参照して判るように、熱処理工程における加熱温度（熱処理温度）が１０００℃の場合に比べて１２５０℃の場合は残留応力の減衰幅がやや大きいことが判った。このため、熱処理温度の上限値は１１００℃あるいは１０００℃とすることが好ましい。
【００３２】
Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＣ複合材であるセラミックス焼結体１の場合、熱処理工程におけるセラミックス焼結体１の加熱温度を１１００℃とすると、ショットピーニング処理にてセラミックス焼結体１に導入した圧縮残留応力の３分の１程度（セラミックス焼結体１の表面３の圧縮残留応力）を確実に維持できる。このため、例えばショットピーニング処理にて８００〜１０００ＭＰａの圧縮残留応力（セラミックス焼結体１の表面３の圧縮残留応力）を導入することで、熱処理後のセラミックス焼結体１に２５０ＭＰａ以上の圧縮残留応力（セラミックス焼結体１の表面３の圧縮残留応力）を確実に確保することができ、新たな亀裂の発生、進展を抑える効果を確実に得ることができる。
【００３３】
なお、熱処理工程を行うとセラミックス焼結体１の表面３に露出するＳｉＣ微粒子の酸化反応によるＳｉＯ２の生成も生じるため、セラミックス焼結体１の表面３に存在する極めて微細な疵や微細なボイド状の表面欠陥も治癒されることとなる。
【００３４】
上述した製造方法では、ショットピーニング処理によってセラミックス焼結体１に圧縮残留応力導入層４と亀裂２とを形成した後、熱処理工程によってセラミックス焼結体１の亀裂２内に充填接合部７を形成する構成を例示したが、本発明はこれに限定されない。
本発明に係る製造方法にあっては、セラミックス焼結体の表面の亀裂の形成は、熱処理工程の前であればいつでも良く、また、亀裂の形成をショットピーニング処理によって行う構成に限定されない。亀裂の形成を、ショットピーニング処理の前あるいは後に行う構成も採用可能である。また、焼結後の運搬中や、構造材としての使用等によって表面に亀裂が形成されたセラミックス焼結体の使用も可能である。いずれの場合も、ショットピーニング処理の後に熱処理工程を行うことで、セラミックス焼結体の接触強度及び曲げ強度を向上することができる。
この点、以下の（Ａ）、（Ｂ）の製造方法も採用可能である。但し、熱処理工程は、ショットピーニング処理にて導入した圧縮残留応力を全て除去できる加熱温度よりも低い温度で行い、熱処理後のセラミックス焼結体に圧縮残留応力を残存させる。
【００３５】
（Ａ）第２実施形態
図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、構造材としての使用や機械加工等によって表面に亀裂２２が形成されたセラミックス焼結体２１（図２（ａ）参照）に上述の第１実施形態と同様のショットピーニング処理を施して、このセラミックス焼結体２１に圧縮残留応力導入層４を形成（図２（ｂ）参照）した後、上述の第１実施形態と同様の熱処理工程を行ってセラミックス製品２３を得る。
この実施形態の製造方法にて用いるセラミックス焼結体２１の材質は、第１実施形態にて説明したセラミックス焼結体１と同様である。
この場合も、ショットピーニング処理にて、上述の第１実施形態と同様に、セラミックス焼結体２１に圧縮残留応力導入層４が形成されるとともにセラミックス焼結体２１の表面に亀裂２が形成されるため、熱処理工程を行うことでセラミックス焼結体２１の曲げ強度を向上できる。
【００３６】
（Ｂ）第３実施形態
第１実施形態にて説明したセラミックス焼結体１と同様の材質で形成されたセラミックス焼結体にショットピーニング処理を施して、このセラミックス焼結体に圧縮残留応力導入層を形成した後、例えばビッカース圧子の押し込み試験や機械加工等によってセラミックス焼結体の表面に亀裂を形成し、次いで、上述と同様の熱処理工程を行ってセラミックス製品を得る。この場合、ビッカース硬さ試験等の強度試験を行ってから、熱処理工程を行うといったことが可能である。
この実施形態の場合、例えば、ショットピーニング処理を行う対象のセラミックス焼結体として表面に亀裂が存在していないものを用い、ショットピーニング処理を行って圧縮残留応力導入層及び亀裂を形成した後、さらにセラミックス焼結体の表面に亀裂を形成し、次いで、上述の第１実施形態と同様の熱処理工程を行うといったことが可能である。また、ショットピーニング処理を行う対象のセラミックス焼結体として表面に亀裂が存在するものを使用することを排除するものではない。
【００３７】
なお、セラミックス焼結体の強度向上の点では、セラミックス焼結体の表面に亀裂を形成できる条件のショットピーニング処理を行うことがより有効であるが、上述の第２、第３実施形態では、硬度が低い微粒子投射材の使用や、ショット圧を低く抑えること等によって、亀裂を形成しない条件でのショットピーニング処理を採用することを排除しない。
【００３８】
（機械加工）
本発明に係る製造方法では、熱処理工程の前に、セラミックス焼結体に穴開け、切断、研削等の機械加工を施すことが可能である。
例えば、上述の第２実施形態では、機械加工によって表面に亀裂２２が形成されたセラミックス焼結体２１の使用を説明したが、これとは別に、ショットピーニング処理後にセラミックス焼結体の機械加工を行っても良い。また、機械加工はショットピーニング処理中に行っても良い。
セラミックス焼結体の機械加工は熱処理工程の前であればいつでも良く、このことは、既述の第１〜３実施形態に共通する。また、ここで説明する機械加工は、セラミックス焼結体の表面への亀裂の形成を必須としない。亀裂を形成しないものであっても良い。
【００３９】
熱処理工程の前にセラミックス焼結体の機械加工を行った場合でも、機械加工及びショットピーニング処理を完了した後に熱処理工程を行うことで、セラミックス焼結体の接触強度及び曲げ強度を向上することができる。
また、機械加工によってセラミックス焼結体に形成された亀裂が治癒されることで、この治癒部分もセラミックス焼結体の曲げ強度の向上に寄与することとなる。
【００４０】
（曲げ応力下での熱処理工程）
熱処理工程は、前記セラミックス焼結体に負荷応力として曲げ応力を与えた状態で行っても良い。
例えば、装置に取り付けられたセラミックス焼結体を、装置から取り外すこと無く、取り付け状態のまま（曲げ応力が作用した状態のまま）で、このセラミックス焼結体に対してショットピーニング処理、熱処理工程を行うといったことも可能である。
【００４１】
（検証１：強度特性の検証）
以下の実施例１−９、比較例１−１８の供試材（セラミックス焼結体）を用意して曲げ試験を行い、強度特性を検証した。
【００４２】
（実施例１、２、３：図６、図９の「ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材」）
Ｓｉ３Ｎ４粉末に平均粒径０．２７μｍのＳｉＣ粒子を２０ｗｔ％複合（混入）し、焼結助剤としてＹ２Ｏ３を８ｗｔ％用いたものを、窒素ガス中にて、３５ＭＰａの圧縮応力を作用させたまま、１８５０℃で２時間加熱して加圧焼結した。その焼結体から３ｍｍ×４ｍｍ×２２ｍｍサイズに切り出した試験片（セラミックス焼結体）を作製した。
次いで、平均粒径３００μｍのＺｒＯ２ビーズ（ビッカース硬度（ＨＶ）１２５０）を試験片の４ｍｍ×２２ｍｍサイズの面（以下、表面とも言う）に投射して、ショットピーニング処理を行った。このショットピーニング処理は、直圧式ショットピーニング装置を用いて、ショット圧０．２ＭＰａ、ガバレージ３００％、ショット時間３０〜４０secで行った。図５に示すように、Ｘ線回折により試験片の表面から４０μｍ程度まで圧縮残留応力を導入できたことを確認した。また、導入した圧縮残留応力は試験片の表面で最も大きく、表面からの距離（表面からの深さ方向の距離）が大きくなるに従い低くなる分布を示すことを確認した。試験片の表面での圧縮残留応力の計測値は８７６ＭＰａであった。なお、図５においては縦軸の圧縮残留応力の値を負の値で表示したが、導入できた圧縮残留応力の大きさは絶対値で捉え得るものであることは言うまでも無い。
また、ショットピーニング処理後の試験片を調べたところ、その表面に深さ数μｍの微細な亀裂が多数形成されていることを確認した。
【００４３】
次に、ショットピーニング処理後の試験片の表面にビッカース硬さ試験機を用い圧子の押込み荷重を作用させて予亀裂（以下、ビッカース亀裂と略記する場合がある）を導入した後、この試験片を大気中にて１１００℃で１時間熱処理した。
但し、ビッカース圧子の押込み荷重（以下、ビッカース押込み荷重とも言う）と曲げ強度との関係を把握するために、ビッカース亀裂の導入は、ビッカース押込み荷重を１９．６Ｎ（実施例１）、２９．４Ｎ（実施例２）、４９Ｎ（実施例３）、９８Ｎ（実施例４）の４通りに設定し、４種類の供試材を得た。そして、これら供試材（ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材）について三点曲げ試験を行い、その結果を図６に示した。また、試験片３０表面におけるビッカース亀裂３０ａの長さ（表面亀裂長さ。図１２に示す符号２Ｃ）を測定して、ビッカース亀裂の表面亀裂長さと曲げ強度との関係を図９に纏めて示した。
なお、図１２において符号３０ｂはビッカース圧子の押し込みによって形成された圧痕である。
【００４４】
（実施例５、６、７、８：図７、図１０の「ＶＣ＋ＳＰ＋熱処理材」）
試験片の表面にビッカース亀裂を導入してから、ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材の作製と同じ条件でショットピーニング処理を行い、その後、ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材の作製と同様の熱処理を行った。試験片へのビッカース亀裂の導入をショットピーニング処理の前とすること以外は、ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材と同じである。ビッカース亀裂の導入においてビッカース押込み荷重を１９．６Ｎ（実施例５）、２９．４Ｎ（実施例６）、４９Ｎ（実施例７）、９８Ｎ（実施例８）の４通りに設定して４種類の供試材を得た。そして、これらの供試材（ＶＣ＋ＳＰ＋熱処理材）について三点曲げ試験を行った。ビッカース押込み荷重と曲げ強度との関係を図７、ビッカース亀裂の表面亀裂長さと曲げ強度との関係を図１０に纏めて示した。
【００４５】
（実施例９：図６、図９の「ＳＰ＋熱処理材」）
ビッカース亀裂の導入を省略したこと以外は、ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材の作製と同じにして供試材（実施例９）を得た。この供試材（ＳＰ＋熱処理材）について三点曲げ試験を行った結果を図６、図９の「予亀裂無」欄に示した。
【００４６】
（比較例１、２、３、４：図６、図９の「ＳＰ＋ＶＣ材」）
熱処理を省略したこと以外は、ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材（実施例１、２、３、４）の作製と同じにして供試材を作製した。この供試材は、原料の焼結によって得た３ｍｍ×４ｍｍ×２２ｍｍサイズの三点曲げ試験片に、ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材と同様のショットピーニング処理を行ってから、ビッカース亀裂を導入したものである。ビッカース亀裂の導入は、ビッカース押込み荷重を１９．６Ｎ（比較例１）、２９．４Ｎ（比較例２）、４９Ｎ（比較例３）、９８Ｎ（比較例４）の４通りに設定して行い、４種の供試材を得た。これらの供試材（ＳＰ＋ＶＣ材）について三点曲げ試験を行った。ビッカース押込み荷重と曲げ強度との関係を図６、ビッカース亀裂の表面亀裂長さと曲げ強度との関係を図９に纏めて示した。
【００４７】
（比較例５、６、７、８：図７、図１０の「ＶＣ＋ＳＰ材」）
熱処理を省略したこと以外は、既述のＶＣ＋ＳＰ＋熱処理材（実施例５、６、７、８）の作製と同じにして供試材を作製した。この供試材は、原料の焼結によって得た３ｍｍ×４ｍｍ×２２ｍｍサイズの三点曲げ試験片にビッカース亀裂を導入してから、ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材と同様のショットピーニング処理を行ったものである。ビッカース亀裂の導入は、ビッカース押込み荷重を１９．６Ｎ（比較例５）、２９．４Ｎ（比較例６）、４９Ｎ（比較例７）、９８Ｎ（比較例８）の４通りに設定して行い、４種の供試材を得た。これらの供試材（ＶＣ＋ＳＰ材）について三点曲げ試験を行った。ビッカース押込み荷重と曲げ強度との関係を図７、ビッカース亀裂の表面亀裂長さと曲げ強度との関係を図１０に纏めて示した。
【００４８】
（比較例９：図６、図９の「ＳＰ材」）
熱処理を省略したこと以外は、既述のＳＰ＋熱処理材（実施例９）の作製と同じにして供試材を作製した（比較例９）。この供試材（ＳＰ材）は、原料の焼結によって得た３ｍｍ×４ｍｍ×２２ｍｍサイズの三点曲げ試験片に、ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材と同様のショットピーニング処理を行ったものである。ビッカース亀裂は導入しない。
この供試材について三点曲げ試験を行った結果を図６、図９の「予亀裂無」欄に示した。
【００４９】
（比較例１０：図８、図１１の「未ＳＰ材」）
原料の焼結によって得た３ｍｍ×４ｍｍ×２２ｍｍサイズの三点曲げ試験片に、ショットピーニング処理、ビッカース亀裂の導入、熱処理を行っていない供試材を比較例１０とした。
この供試材（未ＳＰ材）について三点曲げ試験を行った結果を図８、図１１の「予亀裂無」欄に示した。
【００５０】
（比較例１１、１２、１３、１４：図８、図１１の「未ＳＰ＋ＶＣ材」）
ショットピーニング処理及び熱処理を省略したこと以外は、ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材の作製と同じにして供試材を作製した。この供試材は、原料の焼結によって得た３ｍｍ×４ｍｍ×２２ｍｍサイズの三点曲げ試験片にビッカース亀裂を導入したものである。ショットピーニング処理及び熱処理は行っていない。ビッカース亀裂の導入は、ビッカース押込み荷重を１９．６Ｎ（比較例１１）、２９．４Ｎ（比較例１２）、４９Ｎ（比較例１３）、９８Ｎ（比較例１４）の４通りに設定して行い、４種の供試材を得た。これらの供試材（未ＳＰ＋ＶＣ材）について三点曲げ試験を行った。ビッカース押込み荷重と曲げ強度との関係を図８、ビッカース亀裂の表面亀裂長さと曲げ強度との関係を図１１に纏めて示した。
【００５１】
（比較例１５、１６、１７、１８：図８、図１１の「未ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材」）
ショットピーニング処理を省略したこと以外は、ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材の作製と同じにして供試材を作製した。この供試材は、原料の焼結によって得た３ｍｍ×４ｍｍ×２２ｍｍサイズの三点曲げ試験片にビッカース亀裂を導入した後、熱処理を行ったものである。ビッカース亀裂の導入は、ビッカース押込み荷重を１９．６Ｎ（比較例１５）、２９．４Ｎ（比較例１６）、４９Ｎ（比較例１７）、９８Ｎ（比較例１８）の４通りに設定して行い、４種の供試材を得た。これらの供試材（未ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材）について三点曲げ試験を行った。ビッカース押込み荷重と曲げ強度との関係を図８、ビッカース亀裂の表面亀裂長さと曲げ強度との関係を図１１に纏めて示した。
【００５２】
既述の通り、ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材は、その作製にあたりショットピーニング処理直後の表面に深さ数μｍの微細な亀裂が形成された。
このことは、ショットピーニング処理を行った他の供試材についても同様であり、ＶＣ＋ＳＰ＋熱処理材、ＳＰ＋熱処理材、ＳＰ＋ＶＣ材、ＶＣ＋ＳＰ材、ＳＰ材についても、その作製にあたりショットピーニング処理直後の試験片表面に深さ数μｍの微細な亀裂が形成されたことを確認できた。
【００５３】
ビッカース亀裂を導入して作製した供試材は、その作製にあたりショットピーニング処理後にビッカース亀裂を導入（ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材、ＳＰ＋ＶＣ材が該当する。）したときのビッカース押込み荷重に対するビッカース亀裂の深さが、ビッカース亀裂を導入して作製した他の供試材に比べて浅く、長さ（図１２に示す符号２Ｃ）も短かかった。
図１３に示すように、試験片３０（セラミックス焼結体）に導入したビッカース亀裂３０ａは、試験片３０表面から深さ方向に、圧痕３０ｂを中心にほぼ半円状に形成される。このため、ビッカース亀裂の深さは圧痕３０ｂ付近が最も深く、その寸法（深さ寸法）は表面亀裂長さ２Ｃのほぼ半分とみなすことができる。図９、図１０、図１１を参照して明らかなように、ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材（図９）、ＳＰ＋ＶＣ材（図９）のビッカース亀裂の表面亀裂長さ２Ｃが、ＶＣ＋ＳＰ材（図１０）、ＶＣ＋ＳＰ＋熱処理材（図１０）、未ＳＰ＋ＶＣ材（図１１）、未ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材（図１１）のビッカース亀裂の表面亀裂長さ２Ｃに比べて短くなる傾向を把握できた。
図１４（ａ）は未ＳＰ＋ＶＣ材に形成したビッカース亀裂３１、（ｂ）は図１４（ａ）と同じビッカース押込み荷重でＳＰ＋ＶＣ材に形成したビッカース亀裂３２を示す。
図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、ＳＰ＋ＶＣ材のビッカース亀裂３２の長さは、未ＳＰ＋ＶＣ材に形成したビッカース亀裂３１の長さに比べてかなり短い。
【００５４】
これは、ショットピーニング処理によって圧縮残留応力を導入した圧縮残留応力の作用によって試験片表面の破壊靱性が高められ、破壊靱性の向上により亀裂の発生、進展が抑えられて、ビッカース亀裂の長さが短くなるものと考えられる。
表１に示すように、未ＳＰ材、ＳＰ材についてＩＦ法（Indentation  Fracture法：ＪＩＳ  Ｒ１６０７）により表面の破壊靱性値を測定した所、ＳＰ材の破壊靱性値は未ＳＰ材に比べて１３０〜１５０％向上していた。なお、測定は、ビッカース押込み荷重２９．４Ｎ、４９Ｎ、９８Ｎの３通りについて行った。
【００５５】
【表１】
2010042957.tif 000003
【００５６】
（試験結果の考察）
図６〜図１１を参照して判るように、本発明に係るＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材、ＶＣ＋ＳＰ＋熱処理材は、ショットピーニング処理及び熱処理を行っていない未ＳＰ＋ＶＣ材に比べて曲げ強度を向上できた。本発明に係るＳＰ＋熱処理材は、ショットピーニング処理及び熱処理を行っていない未ＳＰ材に比べて曲げ強度を向上できた。
また、ショットピーニング処理及び熱処理のうちショットピーニング処理のみを行ったＳＰ＋ＶＣ材、ＶＣ＋ＳＰ材、熱処理のみを行った未ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材も未ＳＰ＋ＶＣ材に比べて曲げ強度を向上できた。
【００５７】
図７、図１０に示すように、ビッカース亀裂を導入してからショットピーニング処理及び熱処理を行うＶＣ＋ＳＰ＋熱処理材は、ビッカース亀裂の導入後にショットピーニング処理を行い熱処理を行わないＶＣ＋ＳＰ材に比べて高い曲げ強度が得られた。
特許文献１のようにショットピーニング処理によってセラミックス製品表面の破壊靱性値を向上させる技術（既述のピーニング法。本発明のような熱処理による亀裂治癒は行わない）は、すでに表面に亀裂が存在するセラミックス製品に適用する場合、亀裂の深さが、ショットピーニング処理によってセラミックス焼結体に導入する圧縮残留応力の導入深さよりも浅い微小なものであれば、圧縮残留応力による表面破壊靱性値の向上が曲げ強度の向上に有効に寄与するものと考えられる。このため、亀裂の深さが、ショットピーニング処理による圧縮残留応力の導入深さを超える場合、圧縮残留応力による表面破壊靱性値の向上が曲げ強度の向上に充分に寄与せず、強度向上効果が小さくなってしまうものと考えられる。
これに対して、本発明に係るＶＣ＋ＳＰ＋熱処理材は、図１０を参照して判るように、ビッカース亀裂の深さが５０μｍ（表面亀裂長さ２Ｃが１００μｍ）以上において、ＶＣ＋ＳＰ材に比べて曲げ強度を向上できることが明らかである。これは、ＶＣ＋ＳＰ＋熱処理材にあっては、熱処理によってビッカース亀裂が治癒されたために、ビッカース亀裂が供試材の曲げ強度に与える影響が抑制されたことが原因と考えられる。
【００５８】
既述の通り、ＶＣ＋ＳＰ＋熱処理材及びＶＣ＋ＳＰ材の、ショットピーニング処理による圧縮残留応力の導入深さは４０μｍ程度であることから、ＶＣ＋ＳＰ＋熱処理材は、ＶＣ＋ＳＰ材に比べて、圧縮残留応力の導入深さを超える深さの亀裂が形成されているセラミックス焼結体の曲げ強度の向上に有効に寄与する。
また、ＶＣ＋ＳＰ＋熱処理材について、ショットピーニング処理によって導入した残留圧縮応力がショットピーニング処理後の熱処理によって減衰するものの、熱処理によって亀裂が治癒されることにより、ＶＣ＋ＳＰ材を上回る曲げ強度を確保できることを確認できた。
【００５９】
図６に示すように、ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材は、熱処理を行っていないＳＰ＋ＶＣ材に比べて曲げ強度を大幅に向上できた。ショットピーニング処理済みの供試材に亀裂が形成された場合であっても、熱処理によって亀裂を治癒することで、曲げ強度を向上できることを確認できた。
また、このＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材については、ビッカース押込み荷重が４９Ｎ以下（図６参照）、表面亀裂長さ２Ｃが１３０μｍ以下（図９参照）で亀裂外破断が生じた。つまり、ビッカース亀裂が無害化されていることを確認できた。このことから、このＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材については、ビッカース押込み荷重が４９Ｎ以下（図６参照）、表面亀裂長さ２Ｃが１３０μｍ以下（図９参照）で、ビッカース亀裂が曲げ強度に与える影響をキャンセルできると言える。
【００６０】
また、本発明に係るＳＰ＋熱処理材も、熱処理を行っていないＳＰ材に比べて曲げ強度を向上できた。ＳＰ＋熱処理材は、ショットピーニング処理によって供試材表面（表層）に形成される微小な亀裂が熱処理によって治癒されることが、曲げ強度の向上に寄与するものと考えられる。
【００６１】
（熱処理温度が破壊靱性値に与える影響の検証１）
ＳＰ＋熱処理材を作製するための熱処理を１０００℃、１時間に変更して作製した供試材と、熱処理を１３００℃、１時間に変更して作製した供試材とを作製し、ＩＦ法により表面の破壊靱性値を測定した。測定は、ビッカース押込み荷重２９．４Ｎ、４９Ｎ、９８Ｎの３通りについて行った。
その結果、表１に示すように、１０００℃、１時間の熱処理を行った供試材については、未ＳＰ材よりも高い破壊靱性値を確保できていることを確認した。一方、１３００℃、１時間の熱処理を行った供試材の破壊靱性値は、１０００℃、１時間の熱処理を行った供試材に比べて大きく低下していた。
【００６２】
（熱処理温度が破壊靱性値に与える影響の検証２）
さらに、図１５に示すように、ショットピーニング処理済みの試験片（既述のＳＰ材）について、熱処理温度を８００〜１３００℃まで１００℃刻みで設定し、それぞれ１時間の熱処理を行って作製した供試材を用意し、各供試材についてＩＦ法により破壊靱性値を測定した。但し、ビッカース押込み荷重は４９Ｎとした。また、既述の未ＳＰ材、ＳＰ材についても測定を行った。
図１５に示すように、破壊靱性値は、供試材を作製するための熱処理温度が高くなるほど低下する傾向であった。また、熱処理温度１３００℃では、熱処理温度１２００℃に比べて破壊靱性値が大きく低下した。
【００６３】
本発明にかかるＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材、ＶＣ＋ＳＰ＋熱処理材、ＳＰ＋熱処理材は、熱処理（熱処理工程）によってビッカース亀裂が治癒されビッカース亀裂が曲げ強度に与える影響をキャンセル（無害化）あるいは抑制できる上、熱処理後も供試材に残存する圧縮残留応力が供試材（セラミックス焼結体）表面の破壊靱性値の向上に寄与する。熱処理後の供試材に残存する圧縮残留応力は、既述のように、供試材（セラミックス焼結体）表面の破壊靱性値を高めて、ビッカース亀裂の進展や新たな亀裂の発生を抑制する機能を果たす。その結果、高い機械的信頼性が得られる。
【００６４】
（評価２：接触強度の評価）
図１６に示すように、ショットピーニング処理済みの試験片（既述のＳＰ材）に熱処理温度９００℃、１１００℃、１３００℃で熱処理を行った３種の供試材を用意し、この熱処理済みの３種の供試材と、既述の未ＳＰ材、ＳＰ材について、φ４．０ｍｍのＷＣ（炭化タングステン）球の球圧子の押し込み試験を行った。
押込み荷重Ｐ（図１６の球圧子押込み荷重）は０．５〜４．５ｋＮまで０．５ｋＮ刻みで設定し、押し込み負荷速度２．０ｋＮ／ｍｉｎで押し込みを行い、所期の試験荷重に達したところで除荷して、供試材表面を光学顕微鏡で観察し、押し込みによるリングクラック（図１９（ａ）、（ｂ）の符号４１参照）の発生の有無を確認した。
なお、図１９（ａ）、（ｂ）において符号４２は供試材、４３は球圧子（ＷＣ球）である。図１９（ａ）は、供試材４２への球圧子４３の押し込み状態を示す図、図１９（ｂ）は球圧子４３の押し込みによって供試材４２に形成されたリングクラック４１を示す平面図である。
【００６５】
供試材の３点に同じ押込み荷重Ｐで球圧子を押し込み、３点のすべてについてリングクラックが発生しない限界の負荷荷重（押込み荷重Ｐ）を亀裂発生限界荷重Ｐｃと定義し、各供試材について亀裂発生限界荷重Ｐｃを求めた。亀裂発生限界荷重Ｐｃは、図１６中符号Ｐｃで示した。
押し込み試験の結果、未ＳＰ材の亀裂発生限界荷重Ｐｃは０．５ｋＮであった。ＳＰ材は、試験可能な最大荷重４．５ｋＮにおいてもリングクラックが発生せず、未ＳＰ材に比べて亀裂発生限界荷重Ｐｃが大幅に向上したことを確認できた。また、ＳＰ材に熱処理を行って得た３種の供試材（図１６中、ＳＰ＋９００℃×１ｈ熱処理（実施例１０）、ＳＰ＋１１００℃×１ｈ熱処理（実施例１１）、ＳＰ＋１３００℃×１ｈ熱処理（比較例１９））についても、未ＳＰ材に比べて亀裂発生限界荷重Ｐｃが大幅に向上したことを確認できた。また、ＳＰ材に熱処理を行って得た３種の供試材については、熱処理温度が上昇するに伴い、亀裂発生限界荷重Ｐｃが低下した。
【００６６】
次に、各供試材について、ヘルツの弾性接触理論式（下記式１。日本トライボロジー学会，セラミックスのトライボロジー，51-57，養賢堂（2003））より亀裂発生限界応力σｃを算出し、その結果を図１７に示した。
なお、式１において、Ｗは押込み荷重、ν１は供試材のポアソン比、ａは接触円半径である。接触円半径ａは、以下の式２で与えられる。式２において、Ｒは球圧子半径、Ｗは押込み荷重、ν１は供試材のポアソン比、ν２は球圧子のポアソン比、Ｅ１は供試材のヤング率、Ｅ２は球圧子のヤング率である。
【００６７】
【数１】
2010042957.tif 000004
【００６８】
【数２】
2010042957.tif 000005
【００６９】
また、各供試材について見かけの破壊靱性値ＫＩＣを算出し、その結果を図１７に纏めて示した。破壊靱性値ＫＩＣはＩＦ法における破壊靱性値ＫＩＣの算出方法に従って算出した。
【００７０】
ＳＰ材のσｃは３．４ＧＰａ以上であり、未ＳＰ材の１．６ＧＰａと比較して１００％以上の大幅な向上を示した。
また、ＳＰ材に熱処理を行って得た３種の供試材についても、未ＳＰ材に比べて亀裂発生限界応力σｃが向上したものの、向上率はＳＰ材に比べて低かった。
ＳＰ材表面の見かけの破壊靭性値ＫＩＣは９．６  ＭＰａ・ｍ１／２であり，未ＳＰ材の４．２  ＭＰａ・ｍ１／２と比較して１３４％向上した。ＳＰ材に熱処理を行って得た３種の供試材では，温度の上昇に伴い向上率は減少した。亀裂発生限界応力σｃおよび見かけの破壊靭性値ＫＩＣの測定結果は、圧縮残留応力の測定結果の傾向と一致している。よって，亀裂発生限界応力σｃの大幅な向上および、見かけの破壊靭性値ＫＩＣの大幅な向上は、表面に導入された圧縮残留応力に起因するものであると考えられる。
【００７１】
（評価３：亀裂治癒可能な限界応力の評価）
既述のＳＰ材にビッカース押込み荷重４９Ｎで予亀裂（表面長さ２ｃ＝１００μｍ）を導入し、負荷応力（曲げ応力）３００〜４５０ＭＰａの一定応力下において，応力下における熱処理（熱処理工程）を行った。熱処理条件は、１１００℃、５時間、大気中とした（以下、ＳＰ＋応力下熱処理材とも言う。実施例１２）。
比較材として，既述の未ＳＰ材に、（１）ビッカース押込み荷重１９．６Ｎで表面長さ１００ｍｍの予亀裂を導入した１００μｍ予亀裂材に、ＳＰ＋ＶＣ＋応力下熱処理材と同様の熱処理を行ったもの（以下、未ＳＰ＋応力下熱処理材１。比較例２０）、および、ビッカース押込み荷重４９Ｎで表面長さ２００μｍの予亀裂を導入した２００μｍ予亀裂材に（ＳＰ＋ＶＣ＋応力下熱処理材と同様の熱処理を行ったもの（以下、未ＳＰ＋応力下熱処理材２。比較例２１）を準備した。
【００７２】
図１８に熱処理中の負荷応力と熱処理後の室温曲げ強度を示した。ＳＰ＋応力下熱処理材の１１００℃における亀裂治癒可能な限界応力は４００ＭＰａであった．この限界応力は，同じ１００μｍ程度の大きさの亀裂を有する未ＳＰ＋応力下熱処理材１の３００ＭＰａ、同じ荷重で導入された亀裂を有する未ＳＰ＋応力下熱処理材２の２００ＭＰａを大きく上回っていた。すなわち、ＳＰ＋応力下熱処理材は，同程度の大きさの亀裂を有する場合、または同程度の衝撃でき裂が発生した場合ともに亀裂治癒可能な限界応力を大幅に向上できた。
【００７３】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、適宜変更が可能である。
本発明は、例えば構造材等として使用中の製品（セラミックス焼結体）についても適用可能である。使用中の製品にショットピーニング処理及び熱処理（熱処理工程）を行うことで、本発明に係るセラミックス製品を得ることができる。
本発明に係るセラミックス製品は、セラミックス焼結体の表面に、別途、コーティング等によって保護層を設けたものも含む。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係るセラミックス製品の製造方法の第１実施形態を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係るセラミックス製品の製造方法の第２実施形態を示す図である。
【図３】ショットピーニング処理によってセラミックス焼結体に導入した圧縮残留応力の深さ方向分布を示す図である。
【図４】ショットピーニング処理後のセラミックス焼結体の熱処理時間が圧縮残留応力に与える影響を示す図である。
【図５】ショットピーニング処理後のセラミックス焼結体の熱処理による圧縮残留応力の減少を示す図である。
【図６】ショットピーニング処理、熱処理がセラミックス焼結体の曲げ強度に与える影響を示す図であり、ＳＰ＋ＶＣ材、ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材についてビッカース亀裂の導入のためのビッカース押し込み荷重と曲げ強度との関係、及び、ＳＰ材、ＳＰ＋熱処理材の曲げ強度を纏めて示す。
【図７】ショットピーニング処理、熱処理がセラミックス焼結体の曲げ強度に与える影響を示す図であり、ＶＣ＋ＳＰ材、ＶＣ＋ＳＰ＋熱処理材についてビッカース亀裂の導入のためのビッカース押し込み荷重と曲げ強度との関係、及び、ＳＰ材、ＳＰ＋熱処理材の曲げ強度を纏めて示す。
【図８】ショットピーニング処理、熱処理がセラミックス焼結体の曲げ強度に与える影響を示す図であり、未ＳＰ＋ＶＣ材、未ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材についてビッカース亀裂の導入のためのビッカース押し込み荷重と曲げ強度との関係、及び、未ＳＰ材、未ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材の曲げ強度を纏めて示す。
【図９】ショットピーニング処理、熱処理がセラミックス焼結体の曲げ強度に与える影響を示す図であり、ＳＰ＋ＶＣ材、ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材に導入したビッカース亀裂の表面亀裂長さと曲げ強度との関係、及び、ＳＰ材、ＳＰ＋熱処理材の曲げ強度を纏めて示す。
【図１０】ショットピーニング処理、熱処理がセラミックス焼結体の曲げ強度に与える影響を示す図であり、ＶＣ＋ＳＰ材、ＶＣ＋ＳＰ＋熱処理材に導入したビッカース亀裂の表面亀裂長さと曲げ強度との関係、及び、ＳＰ材、ＳＰ＋熱処理材の曲げ強度を纏めて示す。
【図１１】ショットピーニング処理、熱処理がセラミックス焼結体の曲げ強度に与える影響を示す図であり、未ＳＰ＋ＶＣ材、未ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材に導入したビッカース亀裂の表面亀裂長さと曲げ強度との関係、及び、未ＳＰ材、未ＳＰ＋ＶＣ＋熱処理材の曲げ強度を纏めて示す。
【図１２】セラミックス焼結体に形成したビッカース亀裂の一例を示す図である。
【図１３】セラミックス焼結体に形成したビッカース亀裂のセラミックス焼結体表面からの深さ方向における形成範囲を示す図である。
【図１４】（ａ）はショットピーニング処理を行っていないセラミックス焼結体に形成したビッカース亀裂、（ｂ）はショットピーニング処理後のセラミックス焼結体に形成したビッカース亀裂を示す図である。
【図１５】セラミックス焼結体の熱処理温度と破壊靱性値との関係を示す図である。
【図１６】セラミックス焼結体の熱処理温度と球圧子押込み荷重との関係を示す図である。
【図１７】セラミックス焼結体の熱処理温度と、亀裂発生限界応力及び破壊靱性値との関係を示す図である。
【図１８】セラミックス焼結体の熱処理時に作用させる負荷応力が亀裂治癒可能な限界応力に与える影響を示す図である。
【図１９】（ａ）、（ｂ）は球圧子押込み試験におけるリングクラックの発生状況を説明する図である。
【符号の説明】
【００７５】
１…セラミックス焼結体、１１…セラミックスマトリクス、１２…ＳｉＣ微粒子、２…亀裂、３…表面、４…圧縮残留応力導入層、５…セラミックス製品、６…微粒子投射材、７…充填接合部、２１…セラミックス焼結体、２２…亀裂、２３…セラミックス製品、３０ａ…ビッカース亀裂、３０ｂ…圧痕、３１、３２…ビッカース亀裂、４１…リングクラック、４２…供試材、４３…球圧子（ＷＣ球）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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