(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質で優れた強度及び／又は破壊エネルギーを有する異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックスの焼結成型体を作製する方法であって、（１）窒化ケイ素系原料粉末を圧粉成形して作製した適宜の形態の圧粉成型体を１５００〜２２００℃の温度範囲で加熱条件を選択して加熱し、当該圧粉成型体の緻密化を最小限にとどめつつ内部に窒化ケイ素の棒状粒子をその量と大きさを制御して生成させる、（２）これに、１段階又は多段階の焼結・成型加工を施し１５００〜２２００℃の温度範囲で、かつみかけの歪速度１０-1／秒以下で、少なくとも一部分に塑性流動を生じさせる、（３）その際に、焼結成型体の各部分の結晶粒の配向方向を塑性流動方向に制御し、かつ、焼結成型体の密度を６０〜９５％に制御して、緻密化せず、気孔を含む異方性多孔質窒化ケイ素とする、（４）上記（１）〜（３）によって、配向方向に即して高い強度と破壊エネルギーが実現される、異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックス焼結成型体を作製する、ことを特徴とする異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法。
【請求項２】
窒化ケイ素系原料粉末が、α窒化ケイ素粉末、αサイアロン粉末、β窒化ケイ素粉末、βサイアロン粉末のいずれか１種又はこれらの組み合わせからなり、必要に応じて、焼結助剤、焼結阻害成分を含む請求項ｌ記載の窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法。
【請求項３】
圧粉成型体の相対密度が７０％以下である請求項１記載の窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法。
【請求項４】
圧粉成型体の焼結・成型加工が、熱間圧縮加工、熱間圧延加工、熱間押出し加工及び熱間引張り加工から選択される１種以上の方法を、１段階又は多段階で行う、請求項１記載の窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかの焼結・成型加工方法で製造される、多孔質で優れた強度及び／又は破壊エネルギーを有する異方性多孔質窒化ケイ素セラミックスの焼結成型体であって、（１）窒化ケイ素系原料粉末を圧粉成形して作製した適宜の形態の圧粉成型体を１５００〜２２００℃の温度範囲で加熱条件を選択して加熱し、当該圧粉成型体の緻密化を最小限にとどめつつ内部に窒化ケイ素の棒状粒子をその量と大きさを制御して生成させる、（２）これに、１段階又は多段階の焼結・成型加工を施し１５００〜２２００℃の温度範囲で、かつみかけの歪速度１０-1／秒以下で、少なくとも一部分に塑性流動を生じさせる、（３）その際に、焼結成型体の各部分の結晶粒の配向方向を塑性流動方向に制御し、かつ、焼結成型体の密度を６０〜９５％に制御して、緻密化せず、気孔を含む異方性多孔質窒化ケイ素とする、ことにより得られる、配向方向に即して高い強度と破壊エネルギーが実現されることを特徴とする異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックス焼結成型体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた強度及び／又は破壊エネルギーを有する異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックス焼結成型体を作製する方法に関するものであり、更に詳しくは、窒化ケイ素系原料粉末の圧粉成型体を加熱し、当該圧粉成型体を緻密化を最小限にとどめつつ内部に窒化ケイ素の棒状粒子を生成させた後、少なくとも一部分に塑性流動を生じさせ、焼結成型体の各部分の結晶粒の配向方向を所定の方向に制御し、かつ、焼結成型体の密度を任意に制御することによって、配向方向に即して高い強度と破壊エネルギーを実現させることを特徴とする異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化ケイ素系（サイアロン系を含む）セラミックスは、高強度、高耐熱性、低比重、高耐食性及び高耐熱衝撃性等の優れた特性を有していることから、例えば、機械部品の構造用材料等として注目を集めている。従来、窒化ケイ素系セラミックスからなる機械部品は、原料粉末を金型圧粉成型等によって成型し、更に、これを焼結する方法によって作製されている。焼結体中に残存した気孔は、通常は強度低下の原因となる欠陥となることから、得られる焼結体は残留気孔のない緻密なもの程良いとされてきた。
【０００３】
これに対して、最近、窒化ケイ素系セラミックスに対して、気孔を制御して導入しつつ焼結を行うことにより、高い強度を保ちながら密度を下げることが可能であることが報告された。このような窒化ケイ素は同一強度の部品を製造する場合に軽量化が期待できる。例えば、棒状窒化ケイ素粒子（結晶粒）を３次元的に絡み合わせた組織をもつ多孔質窒化ケイ素を製造することで、高強度を実現できることが提案されている（特開平９−１００１７９；窒化ケイ素質多孔体およびその製造方法、特開平９−２４９４５７；高強度窒化ケイ素多孔体及びその製造方法）。
また、棒状窒化ケイ素粒子を配向させた異方性多孔質窒化ケイ素を製造することで、特定方向に極めて高い強度（曲げ強度１ＧＰａ以上）を実現することができることが提案されている（特開平９−１６９５７１；高信頼性窒化ケイ素セラミックスとその製造方法、特開平９−２９５８７１；配向した柱状粒子からなる窒化ケイ素多孔体とその製造方法、特開平９−２０８３２８；多孔質高強度低熱伝導窒化ケイ素質セラミックス及びその製造方法）。
このように、上記文献には、適切に気孔を導入することで、密度を下げ、かつ、高強度を実現することが示されている。
【０００４】
また、異方性多孔質窒化ケイ素は、高い破壊エネルギーを示すことも研究されている（特願２０００−２５９３４４；高耐性粒子配向窒化ケイ素多孔体とその製造方法）。
この窒化ケイ素の破壊エネルギーは、「Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，８３〔７〕１８０７−８０９（２０００）」によれば５００Ｊ／ｍ２  であり、緻密質異方性窒化ケイ素の破壊エネルギーの約７倍ときわめて高い。このことは窒化ケイ素を異方性多孔質とすることによって、壊れにくい部品を製造することが可能であることを示している。
【０００５】
異方性窒化ケイ素を製造する手法としては、従来、主に２通りの方法が知られている。１つは窒化ケイ素の種結晶あるいはウィスカーを原料粉末に添加して、粘土あるいはスラリーを調整した後、シート成形あるいは押し出しで製造する方法である（例えば、特開平９−１６９５７１；高信頼性窒化ケイ素セラミックスとその製造方法、特開平９−２９５８７１；配向した柱状粒子からなる窒化ケイ素多孔体とその製造方法、特開平９−２０８３２８；多孔質高強度低熱伝導窒化ケイ素質セラミックス及びその製造方法、特願２０００−２５９３４４；高耐性粒子配向窒化ケイ素多孔体とその製造方法）。
もう１つは高温での塑性流動を用いる方法である（例えば、特開平８−１０４５７１；窒化ケイ素系セラミックス及びその成形法、特開平１０−２１８６７４；窒化ケイ素系セラミックスの成形方法、特開２０００−７４４６；窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法）。
これらの方法は、本発明者らが研究を進めてきたものである。塑性流動を利用する方法では、一般的な焼結工程を用いた場合に必要な焼結後の機械加工をすることなく、窒化ケイ素系セラミックスを所定の形状に精度よく成型することができるので、窒化ケイ素系セラミックスからなる機械部品の生産性を向上させることができる。また焼結・成形を多段階で行うことで各成型段階毎に焼結体の各部分の結晶粒の配向を所定の方向にコントロールすることが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の多孔質異方性窒化ケイ素を製造する方法は、前述の種結晶添加／シート成形・押し出しによるものであった。この方法はスラリーあるいは粘土を調整する際にバインダーとなる有機物を加えるため、脱脂工程が必要となる。この工程では有機物を蒸し焼きにするため、悪臭を放つガスを放出する。よってガスを浄化する設備が必要となる。また、得られる製品形状が、シート成形法では板状、押し出し成形では棒状（断面形状は丸、板、Ｈ型あるいは凸状などが可能）である。よって、得られる製品形状が限られるとともに、配向方向も限られる。
【０００７】
そこで、本発明者らは、前述の塑性流動を用いて異方性多孔質窒化ケイ素を製造することを試みた。本発明の方法における、従来の方法に比べて有利である点は以下の通りである。
（１）従来プロセスで必須のバインダーを本発明では使用しないため、悪臭ガスの浄化装置用が必要でない。
また、従来プロセスでのシート成形などのプロセスが必要ないため、生産性を向上させ、窒化ケイ素系セラミックスの機械部品としての適用範囲を大幅に拡大することができる。
（２）一般的な製造設備であるホットプレス装置を用いて製造することができる。
（３）焼結・成形を多段階で行うことで各成型段階毎に焼結体の各部分の密度と結晶粒の配向をコントロールすることができる。
（４）上記（３）によって、焼結体の特定方向に強度及び破壊エネルギーの向上を図ることができ、よって、各部分毎に、各部分が受け持つ機能に応じた特性を付与することができる。窒化ケイ素系セラミックスの機械部品としての適用範囲を大幅に拡大することができる。
（５）従来プロセスでのシート成形や押し出し成形では実現不可能な形状への焼結・成形も可能である。
【０００８】
すなわち、本発明は、上述した５つの特徴を持つ、優れた強度及び破壊エネルギーを有する異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックス焼結成型体を作製する方法を提供することを目的とするものであり、更に詳しくは、窒化ケイ素系原料粉末の圧粉成型体を加熱し、当該圧粉成型体を緻密化を最小限にとどめつつ内部に窒化ケイ素の棒状粒子を生成させた後、少なくとも一部分に塑性流動を生じさせ、焼結成型体の各部分の結晶粒の配向方向を所定の方向に制御し、かつ、焼結成型体の密度を任意に制御することを特徴とする異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段からなる。
（１）多孔質で優れた強度及び／又は破壊エネルギーを有する異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックスの焼結成型体を作製する方法であって、（１）窒化ケイ素系原料粉末を圧粉成形して作製した適宜の形態の圧粉成型体を１５００〜２２００℃の温度範囲で加熱条件を選択して加熱し、当該圧粉成型体の緻密化を最小限にとどめつつ内部に窒化ケイ素の棒状粒子をその量と大きさを制御して生成させる、（２）これに、１段階又は多段階の焼結・成型加工を施し１５００〜２２００℃の温度範囲で、かつみかけの歪速度１０-1／秒以下で、少なくとも一部分に塑性流動を生じさせる、（３）その際に、焼結成型体の各部分の結晶粒の配向方向を塑性流動方向に制御し、かつ、焼結成型体の密度を６０〜９５％に制御して、緻密化せず、気孔を含む異方性多孔質窒化ケイ素とする、（４）上記（１）〜（３）によって、配向方向に即して高い強度と破壊エネルギーが実現される、異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックス焼結成型体を作製する、ことを特徴とする異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法。
（２）窒化ケイ素系原料粉末が、α窒化ケイ素粉末、αサイアロン粉末、β窒化ケイ素粉末、βサイアロン粉末のいずれか１種又はこれらの組み合わせからなり、必要に応じて、焼結助剤、焼結阻害成分を含む前記（ｌ）記載の窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法。
（３）圧粉成型体の相対密度が７０％以下である前記（１）記載の窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法。
（４）圧粉成型体の焼結・成型加工が、熱間圧縮加工、熱間圧延加工、熱間押出し加工及び熱間引張り加工から選択される１種以上の方法を、１段階又は多段階で行う、前記（１）記載の窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法。
（５）前記（１）から（４）のいずれかの焼結・成型加工方法で製造される、多孔質で優れた強度及び／又は破壊エネルギーを有する異方性多孔質窒化ケイ素セラミックスの焼結成型体であって、（１）窒化ケイ素系原料粉末を圧粉成形して作製した適宜の形態の圧粉成型体を１５００〜２２００℃の温度範囲で加熱条件を選択して加熱し、当該圧粉成型体の緻密化を最小限にとどめつつ内部に窒化ケイ素の棒状粒子をその量と大きさを制御して生成させる、（２）これに、１段階又は多段階の焼結・成型加工を施し１５００〜２２００℃の温度範囲で、かつみかけの歪速度１０-1／秒以下で、少なくとも一部分に塑性流動を生じさせる、（３）その際に、焼結成型体の各部分の結晶粒の配向方向を塑性流動方向に制御し、かつ、焼結成型体の密度を６０〜９５％に制御して、緻密化せず、気孔を含む異方性多孔質窒化ケイ素とする、ことにより得られる、配向方向に即して高い強度と破壊エネルギーが実現されることを特徴とする異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックス焼結成型体。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、優れた強度及び／又は破壊エネルギーを有する多孔質窒化ケイ素系セラミックスの焼結成型体を作製する方法であって、窒化ケイ素系原料粉末の圧粉成型体を加熱し、当該圧粉成型体を緻密化を最小限にとどめつつ内部に窒化ケイ素の棒状粒子を生成させた後、少なくとも一部分に塑性流動を生じさせ、焼結成型体の各部分の結晶粒の配向方向を所定の方向に制御し、かつ、焼結成型体の密度を任意に制御することを特徴とする異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法、を提供するものである。
従来プロセス（種結晶添加／シート成形・押し出し）では、前述したように、スラリーあるいは粘土を調整する際にバインダーとなる有機物を加えるため、脱脂工程が必要となる。この工程では有機物を蒸し焼きにするため、悪臭を放つガスを放出する。よって、ガスを浄化する設備が必要となる。また、得られる製品形状が、シート成形法では板状、押し出し成形では棒状（断面形状は丸、板、Ｈ型あるいは凸状などが可能）である。よって、得られる製品形状が限られるとともに、配向方向も限られる。これに対して、本発明では、前述したように、従来の方法に比べて下記のような有利である点をもつ。
（１）バインダーを使用しないプロセスであるため悪臭ガスの浄化装置用が必要でない。
（２）一般的な製造設備であるホットプレス装置を用いて製造することができる。
（３）焼結・成形を多段階で行うことで各成型段階毎に焼結体の各部分の密度と結晶粒の配向をコントロールすることができる。
（４）上記（３）によって、焼結体の特定方向に強度及び破壊エネルギーの向上を図ることができる。
（５）シート成形や押し出し成形では実現不可能な形状への焼結・成形も可能である。
【００１１】
本発明において、窒化ケイ素系原料粉末としては、α窒化ケイ素粉末、αサイアロン粉末、β窒化ケイ素粉末、βサイアロン粉末の１種以上の組み合わせが使用され、必要に応じて、焼結助剤、焼結阻害成分（粉末、粒子、ウィスカーを含む）が加えられる。窒化ケイ素系原料粉末は、複数の種類を適宜組み合わせて使用することが可能であり、窒化ケイ素系セラミックスの要求特性に応じて上記原料粉末を適宜選択して使用することができる。また、本発明では、加熱時に圧粉成型体を過度に緻密化させることなく緻密化を最小限にとどめつつ内部に窒化ケイ素の棒状粒子を生成させることが重要であるため、焼結時に緻密化が進行しやすい助剤成分を避け、あるいは、加える助剤成分を通常の緻密焼結体を製造する場合に比べて減らす等の必要がある。更には、焼結を阻害する成分（例えば、炭化ケイ素粒子やウィスカーなど）を加えることで緻密化を防ぐことも可能である。窒化ケイ素系原料粉末を圧粉成型する方法としては、例えば、圧縮成型、射出成型、鋳込み成型等が好適なものとして例示される。また、ホットプレス用カーボンダイス中に直接充填してプレスすることも可能である。更に、これらに限らず原料粉末をそのまま成型できる方法であれば適宜の方法が使用される。
【００１２】
圧粉成型体の焼結・成型加工を施す方法としては、熱間圧縮加工、熱間圧延加工、熱間押出し加工及び熱間引張り加工から選択される１種以上の方法を、１段階又は多段階で施すことによって行われる。この場合、例えば、各段階の焼結・成型加工を全て熱間圧縮加工によって行ってもよく、また、第１段階を熱間押出し加工で行い、第２段階を熱間圧延加工で行い、第３段階を熱間引張り加工で行ってもよい。このように、圧粉成型体の焼結・成型加工は、複数の加工方法の中から選択される適宜の加工方法を用いて行うことができるので、圧粉成型体を様々な形状に容易に成型加工することが可能であり、その結果、機械部品としての適用範囲を大幅に拡大することが可能となる。
【００１３】
本発明において、圧粉成型とは、上記方法又はそれらと同効の方法で成型することを意味する。圧粉成型体の相対密度は、後のプロセスで塑性流動を加えることから、また、塑性流動によって緻密化が進行する場合もあるため、７０％以下であるものを意味し、また、多孔質窒化ケイ素系セラミックスの焼結成型体とは、圧粉成型体に熱と圧力を加えて焼結・成型加工を施したものであり、相対密度９５％以下で（焼結体中に気孔を含む）あるもの、を意味する。
【００１４】
本発明の窒化ケイ素系セラミックスの焼結・成型加工方法は、上記のように、基本的には、原料粉末の調製、圧粉成型、及び１段又は多段の熱間加工の各工程からなることを特徴とするものであり、以下に、その各工程の内容を更に詳細に説明する。
まず、原料粉末の調製について説明すると、窒化ケイ素系原料粉末としては、前記のように、α窒化ケイ素粉末、αサイアロン粉末、β窒化ケイ素粉末、βサイアロン粉末の１種以上及び必要に応じて、焼結助剤、焼結阻害成分を加えたものが使用される。α窒化ケイ素の組成はＳｉ３  Ｎ４  で表されるが、通常、微量の酸素を含有している。α窒化ケイ素の結晶粒は、一般に等軸であり、高温、例えば、１５００℃以上ではβ窒化ケイ素に相転移する。β窒化ケイ素は、高温及び低酸素分圧下で安定であり、その組成はＳｉ３  Ｎ４  で表される。β窒化ケイ素の結晶粒は、一般に棒状又は柱状である。また、β窒化ケイ素は１６００℃を超える高温域では大気圧窒素雰囲気中では昇華分解するので、分解を防ぐためには窒素ガスを加圧する必要がある。例えば、１０気圧窒素雰囲気であれば１８５０℃程度まで分解を防ぐことができる。なお、α窒化ケイ素とβ窒化ケイ素は、粉末合成時に混在して合成され、通常市販される粉末中のα窒化ケイ素の含有率は９０％以上である。サイアロンは、Ｓｉ３  Ｎ４  のＳｉとＮの一部をＡｌとＯで置換した材料であり、α型とβ型との２種類の結晶型がある。焼結助剤は、焼結促進剤であり、例えば、Ｍｇ，Ａ１，Ｙ，Ｓｃ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｂｅ，Ｚｒの酸化物又は窒化物の１種以上を組み合わせたものが好適なものとして使用される。本発明では、加熱時に圧粉成型体を緻密化させることなく内部に窒化ケイ素の棒状粒子を生成させることが重要であるため、焼結時に緻密化が進行しやすい助剤成分を避け、あるいは、加える助剤成分を通常の緻密焼結体を製造する場合に比べて減らす等の必要がある。焼結阻害成分とは、助剤の制御のみでは圧粉成型体の焼結を防ぎきれない場合に加える成分で、例えば、炭化ケイ素粒子やウィスカーなどがあげられる。このように、本発明においては、複数の種類の窒化ケイ素系原料粉末を使用することが可能であり、窒化ケイ素系セラミックスの要求特性に応じて上記原料粉末を適宜選択して使用することができる。
【００１５】
次に、粉末の調製工程について説明する。前述した原料粉末の内、１種類又は多種類を、必要に応じて選定し、混合する。混合方法は通常のボールミルを使用する方法があげられるが、他にも、遊星ボールミル、アトライターミル、等の様々な方法がある。混合時に液体を加える湿式混合と加えない乾式混合がある。湿式混合を用いた場合、乾燥工程が必要であるが、これにはエバポレータを用いる方法、スプレードライヤーを用いる方法などがある。また調製した粉末の凝集を除くために、更に、乾式ミルを行う場合やふるいがけを行う場合もある。更に、これらに限らず原料粉末を調製できる方法であれば適宜の方法を必要に応じて選択すればよい。また、この粉末調製時に、必要に応じて、ウィスカ、種結晶、パーティクル等を適宜添加することができる。すなわち、圧粉成型体を作製する際に、原料粉末に、種結晶、ウィスカ、パーティクル等を添加して圧粉成型体を形成し、後述の焼結・成型加工過程で当該圧粉成型体に結晶粒の成長を促進又は抑制しながら焼結・成型加工を施すことができる。この場合、種結晶としては、粗大な窒化ケイ素粉末を用いることが可能であり、ウィスカとしては、窒化ケイ素ウィスカ、炭化ケイ素ウィスカなどを用いることが可能であり、パーティクルとしては、炭化ケイ素の微小結晶粒子などを用いることが可能である。一般に、窒化ケイ素は粒成長を促進する効果、炭化ケイ素はそれを抑制する効果を有する。この際に加える種結晶、ウィスカ、パーティクル等によって、最終的に得られる多孔質配向窒化ケイ素系セラミックスの組織形成を制御し、希望する機械的性質を得ることができる。
【００１６】
次に、原料粉末を圧粉成型する方法としては、上記混合粉末を金型に充填した後、圧縮成型し圧粉成型体とする方法が例示される。他にも、射出成型、鋳込み成型等が好適なものとして例示される。また、ホットプレス用カーボンダイス中に直接充填してプレスすることも可能である。更に、これらに限らず原料粉末をそのまま成型できる方法であれば適宜の方法が使用される。当該圧粉成型体の形状は、焼結成型加工後の最終製品の形状とそれに適した配向組織の形成を考慮した形状で決定されるが、具体的には、例えば、立方体等、適宜の機械部品の形態に形成することが可能であり、その形態は、特に限定されるものではない。また、圧粉成型体の相対密度は、好ましくは７０％以下である。その理由は、事後のプロセスで塑性流動をおこさせる場合に多孔質であるほど塑性流動をおこさせ易いこと、密度が低ければ後の密度調整を行いやすいこと、事後のプロセス中で緻密化が進行する場合があること、などによる。
【００１７】
次に、当該圧粉成型体を加熱し、緻密化を最小限にとどめつつ内部に窒化ケイ素の棒状粒子を生成させる。本発明では、加熱時に圧粉成型体を緻密化を最小限にとどめつつ内部に窒化ケイ素の棒状粒子を生成させることが重要であるため、適切な温度と時間での加熱条件を選択することが必要となる。ここで、緻密化とは、相対密度が増加する方向に変化することを示す。更に、この段階で生成する棒状粒子の量と大きさを、後の焼結・成型プロセスにおいて適切なものとなるよう、加熱条件によって制御する必要がある。生成する棒状粒子の割合は数％〜１００％、サイズはサブミクロンから数十ミクロンで、後のプロセス中で棒状粒子を核として粒成長を促したい場合や焼結を進めて密度を向上させたい場合、あるいは一部だけ緻密化させたい場合は、生成する棒状粒子が少量あるいはサイズが小さく、加工時に棒状粒子を塑性流れ方向に強配向させたい場合や密度の向上を避けたい場合は、棒状粒子が多量あるいはサイズが大きく制御されることが望ましい。（この工程でも当然焼結が進行する場合がある。）通常の窒化ケイ素ではα相からβ相への相変態とそれに伴う棒状粒子の生成が１４００℃付近からおこりはじめ、１６００℃以上で顕著になる。また、日本の法規制の関係上１０気圧以下での熱処理が望ましいため、１０気圧の窒素ガス雰囲気中では１８５０℃が多孔質窒化ケイ素の分解を防止できる限界であるので、選択できる温度範囲は１６００℃〜１８５０℃が実用的であるが、温度範囲は組成や気圧条件により、例えば、１５００〜２２００℃くらいに設定することも可能である。
【００１８】
次に、当該圧粉成型体の少なくとも一部分に塑性流動を生じさせ、焼結成型体の各部分の結晶粒の配向方向を所定の方向に制御し、かつ、焼結成型体の密度を任意に、好適には６０〜９５％に制御する。この工程では、熱間圧縮加工、熱間圧延加工、熱間押出し加工及び熱間引張り加工から選択される１種以上の方法を、１段階又は多段階で行う。この場合、例えば、各段階の焼結・成型加工を全て熱間圧縮加工によって行ってもよく、また、第１段階を熱間押出し加工で行い、第２段階を熱間圧延加工で行い、第３段階を熱間引張り加工で行ってもよい。このように、圧粉成型体の焼結・成型加工は、複数の加工方法の中から選択される適宜の加工方法を用いて行うことができるので、圧粉成型体を様々な形状に容易に成型加工することが可能である。焼結・  成型加工を行う温度は前述したように、好適には、１６００℃〜１８５０℃が実用的である。適切な加工量（例えば、型治具間の隙間量の制御）によって密度を６０〜９５％に制御することも可能である。前述の熱処理で十分に棒状粒子が成長している場合、一定以上の密度以上には棒状粒子がさらなる焼結（密度向上）を妨げるので、多孔質は保たれる。逆に棒状粒子の生成を最小限にしておけば一部分を緻密化させることも可能である。みかけの歪速度はｌ０−１／秒以下、好適には、ｌ０−３／秒以下であることが好ましい。これは歪速度がｌ０−１／秒を超えると焼結・成型中に圧粉成型体表面や内部に割れが発生し、強度低下をもたらすためである。
【００１９】
焼結・成型加工の工程において、成型圧力は、成型温度に応じてｌ０−１／秒以下、好ましくは１０−３／秒以下の歪速度となるように２〜１００ＭＰａの範囲内で適宜調整される。成型加工の雰囲気は、窒素ガス雰囲気が良い。酸化性雰囲気は、窒化ケイ素が酸化されるので好ましくない。型治具の材質は、例えば、セラミックス、黒鉛等が好適なものとして例示される。なお、本発明の方法の好適な一例をあげると、例えば、焼結・成型加工条件としては、雰囲気：大気圧窒素、成型温度：１８００℃、歪量：３０％、加工時間：２．５ｈｒが例示され、型治具としては黒鉛製が例示される。
【００２０】
多段階の焼結・成型加工の場合、１段目の焼結・成型加工によって、焼結成型体には棒状結晶粒の長手方向を所定の方向に配向させた結晶粒配向組織が既に形成されているので、多段階成型部分には新たな配向組織が、また、多段成型部分と１段成型部分との境界部分には、例えば、曲線状の所定の方向の結晶粒配向組織が形成される。このように、各成型段階毎に圧粉成型体又は焼結成型体の各部分の塑性流動方向を所定の方向、例えば、部品として使用する場合に応力が付加される方向に制御すれば、焼結成型体の各部分の結晶粒を所定の方向に配向させた結晶粒配向組織が形成される。
本発明において、異方性多孔質とは結晶粒の配向があり（例えば、Ｘ線回折での結果（図２参照）でピーク高さの比が等方性材料と異なる）、かつ、相対密度が９５％以下、であることを意味する。
【００２１】
そのため、結晶粒の配向方向又は配向面に平行な方向の力に対する引張り強度、曲げ強度及び破壊エネルギーは、他の方向の力に対する引張り強度、曲げ強度及び破壊エネルギーよりも高強度及び／又は高破壊エネルギーであり、結晶粒配向組織を焼結成型体の所定部分に形成することによって、予め定めた複数の方向における焼結成型体の強度及び／又は破壊エネルギーを向上させることができる。また、結晶粒配向組織が形成されることによって、結晶粒の配向方向に対して垂直方向に進行するクラックが発生しても、クラックの進行方向が結晶粒配向方向に沿う方向に変化するので、クラックの直進が妨げられ、クラックの侵入深さが小さくなる。
本発明により得られる異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックスは、低密度で、かつ配向方向に即して高い強度と破壊エネルギーを示し、その特性は後記する実施例に示す通りである。
【００２２】
以上説明したように、本発明においては、窒化ケイ素系原料粉末の圧粉成型体を加熱し、当該圧粉成型体を緻密化を最小限にとどめつつ内部に窒化ケイ素の棒状粒子を生成させた後、少なくとも一部分に塑性流動を生じさせ、焼結成型体の各部分の結晶粒の配向方向を所定の方向に制御し、かつ、焼結成型体の密度を任意に制御することができるので、部品製造の際、各部分が受け持つ機能に応じた特性を各部分毎に付与することが可能であり、その結果、本発明の異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックスの焼結成型体は、機械部品等として広範囲の用途に適用することができる。
【００２３】
また、本発明の他の態様として、既に、結晶粒配向組織の形成された圧粉成型体を用いて焼結・成型加工を行うことも適宜可能である。この場合、配向組織を有する圧粉成型体に焼結・成型加工が施され、異方性多孔質窒化ケイ素系セラミックスの焼結成型体が形成される。これによって、窒化ケイ素系セラミックスの結晶粒配向組織が更に多様に形成されるので、窒化ケイ素系セラミックスの各部分が受け持つ機能に応じた特性を、各部分毎に更にきめ細かく付与することができ、これにより、窒化ケイ素系セラミックスの用途を更に拡大することができる。また、焼結・成型加工を仕上げ加工として施すことができるので、これにより、窒化ケイ素系セラミックスの結晶粒配向組織を所望の配向組織と一致するように精度よく制御し、かつ最終製品の形状に近い焼結成型体とすることができる。
【００２４】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は当該実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
（１）フロー図
本発明の方法のフローを図１に示す。また、本発明による異方性組織作製の原理図を図２に示す。
（２）焼結成型体の製造
α窒化ケイ素粉末（宇部製Ｅ−１０）に焼結助剤としてイットリア粉末（信越製サブミクロングレード）５ｗｔ％を加え、メタノール中でボールミルを用いて５０時間混合した。粉末を乾燥、篩がけの後、所定量をカーボンダイス中に充填した。カーボンダイスを１８００℃に加熱し、３０分保持した。雰囲気は９気圧窒素ガスである。その後１８００℃にて２時間３０分（よって１８００℃での保持時間は総計３時間）、一方向の圧力３０ＭＰａを付与し、圧縮方向への塑性流動を起こさせつつ焼結を行った。
なお、ここでは焼結体の密度を７５％となるようカーボンダイス中に隙間をもうけ、付与した圧力によって焼結が進行しないようにしてある。
【００２５】
（３）結果
得られた焼結体４５×４５×５ｍｍの板状の焼結体を得た。焼結体の密度は７６．０％であった。予定した密度（７５％）とほぼ同じ焼結体が得られたことがわかる。
この焼結体から組織観察試験片、強度試験片及び破壊エネルギー試験片等を切り出した。尚、強度試験規格はＪＩＳ−Ｒ１６０１に、破壊エネルギー試験は日本セラミックス協会推奨の方法に適合させた。開気孔と閉気孔の割合はアルキメデス法で測定し、弾性率はパルスエコー法で測定した。
得られた焼結体の組織を図３に示す。側面側の組織と上面（圧縮面）側の組織を観察した。上面では側面に比べて、窒化ケイ素の六角柱状の棒状粒子の側面が多く観察できる。また、図４にＸ線回折の結果を示す。Ｘ線回折においても側面と上面からのピークを測定した。Ｘ線回折の結果で（１０１）と（２１０）のピーク高さに注目すると、等方的な窒化ケイ素ではそのピーク高さがほぼ同じであるのに対し、上記工程により得られた焼結体では上面で特に（２１０）のピークが高くなっており、これは棒状粒子の側面からの反射が強い、すなわち棒状粒子が上面に対して平行になっていることを示している。これらの結果から、この焼結体は、棒状の結晶粒が圧縮面内に配向した２次元配向的な組織をもっていることが分かる。
他に得られた結果を表１にまとめて示す。特に強度は７７８ＭＰａと、多孔質にもかかわらず高い値を示している。破壊エネルギーも等方性緻密体が５０Ｊ／ｍ２  以下（日本セラミックス協会２０００年年会予稿集ｐ１４０）に比べて高い値を示した。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
実施例２
次に、実施例１の方法と同様の条件下で、カーボンダイス中に隙間を与えず一方向の圧力３０ＭＰａを付与した場合、どのようになるかを調べた結果を示す。この場合、緻密化はやや進行し、密度が８１％の焼結体を得ることができた。つまり、棒状粒子がある程度生成した後に圧力を加えても、緻密化せず、異方性多孔質窒化ケイ素となることが示された。
【００２８】
実施例３
次に、実施例１の方法と同様の条件下で、焼結（加熱・加圧）時間を７時間３０分とした（よって１８００℃での保持時間は総計８時間）場合、どのようになるかを調べた結果を示す。この場合、密度が７６％の焼結体を得ることができた。この試験片の強度と破壊エネルギーを調べたところ、それぞれ５６０ＭＰａと２６６Ｊ／ｍ２  であった。実施例１の焼結時間を変化させることによって強度と破壊エネルギーを制御できることが示された。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が奏される。
（１）従来プロセスで必須のバインダーを本発明では使用しないため、悪臭ガスの浄化装置用が必要でない。
また、従来プロセスでのシート成形などのプロセスが必要ないため、生産性を向上させ、窒化ケイ素系セラミックスの機械部品としての適用範囲を大幅に拡大することができる。
（２）一般的な製造設備であるホットプレス装置を用いて製造することができる。
（３）焼結・成形を多段階で行うことで各成型段階毎に焼結体の各部分の密度と結晶粒の配向をコントロールすることができる。
（４）上記（３）によって、焼結体の特定方向に強度及び破壊エネルギーの向上を図ることができ、よって、各部分毎に、各部分が受け持つ機能に応じた特性を付与することができる。窒化ケイ素系セラミックスの機械部品としての適用範囲を大幅に拡大することができる。
（５）従来プロセスでのシート成形や押し出し成形では実現不可能な形状への焼結・成形も可能である。
（６）本発明の多孔質異方性窒化ケイ素質セラミックスは、高強度を要求される高温部材、例えば、エンジン部品、ディーゼルエンジン部品などの材料として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法のフロー図である。
【図２】本発明による異方性組織作製の原理図である。
【図３】本発明の実施例で作製した焼結成型体の組織（写真）を示す説明図である。
【図４】本発明の実施例で作製した焼結成型体のＸ線回折結果を示す説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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