(57)【要約】      （修正有）【課題】溶接スラグ付着防止と除去性の向上ならびに耐酸化摩耗性に優れた溶接用部材を提供する。【解決手段】本発明の溶接用部材は、先端がテーパー形状もしくは曲面状を成した窒化珪素質焼結体からなり、上記焼結体は窒化珪素の結晶と、周期律表第３族元素（以下、ＲＥと称す）、ＡｌおよびＯを含有した粒界層からなり、上記焼結体表面の粒界層が２０面積％以下としたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端がテーパー形状もしくは曲面状を成した窒化珪素質焼結体からなる溶接用部材であって、上記焼結体は窒化珪素の結晶と、周期律表第３族元素（以下、ＲＥと称す）、ＡｌおよびＯを含有した粒界層からなり、上記焼結体表面の粒界層が２０面積％以下であることを特徴とする溶接用部材。
【請求項２】
前記粒界層に含まれるＡｌとＲＥの比率が、Ａｌ２Ｏ３／ＲＥ２Ｏ３のモル比換算で０．２〜３であることを特徴とする請求項１の溶接用部材。
【請求項３】
前記ＲＥがＹ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕのうち少なくとも１種であることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶接用部材。
【請求項４】
前記粒界層がアパタイト相、ボラストナイト相およびダイシリケート相の少なくとも１種からなる結晶質相を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の溶接用部材。
【請求項５】
前記粒界層は以下の第１〜第３金属珪化物のうち少なくとも２つが互いに接する隣接相を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の溶接用部材。
第１金属珪化物：Ｆｅ、Ｃｒ、ＭｎおよびＣｕのうち少なくとも１つの第１の金属元素からなる金属珪化物、
第２金属珪化物：Ｗ、Ｍｏのうち少なくとも１つの第２の金属元素からなる金属珪化物
第３金属珪化物：第１の金属元素と第２の金属元素を含む複数金属成分からなる金属珪化物
【請求項６】
前記第１の金属元素がＦｅ、前記第２の金属元素がＷであることを特徴とする請求項５に記載の溶接用部材。
【請求項７】
前記隣接相は第1金属珪化物が、第２金属珪化物または第３金属珪化物を取り囲むように形成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の溶接用部材。
【請求項８】
前記窒化珪素の結晶の平均粒径が１５μｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の溶接用部材。
【請求項９】
前記第１の金属元素を計０．２〜１０質量％、前記第２の金属元素を計０．１〜３質量％の範囲とし、前記第１の金属元素を第２の金属元素より多く含有したことを特徴とする請求項７または８に記載の溶接用部材。
【請求項１０】
Ｓｉ粉末、もしくはＳｉ粉末と窒化珪素粉末の混合粉末と、平均粒径が０．５〜２０μｍの前記第１の金属元素の化合物からなる粉末と、平均粒径が０．１〜５μｍの前記第２の金属元素の化合物からなる粉末とを含む粉体を成形、焼成して得られることを特徴とする請求項８または９に記載の溶接用部材。
【請求項１１】
ボイド率１％以下であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の溶接用部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接用部材、詳しくは、先端がテーパーもしくは曲面状を成した窒化珪素質焼結体からなる溶接用部材であって、例えば、自動車の溶接工程に用いられる溶接用ノズル、鋼板とボルトの位置決めを行う位置決めピンなどに使用するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶接用部材の中で、例えば自動車の車体に鋼製のナットの小物品を取り付けるのにプロジェクション溶接機によるスポット溶接が一般的に行われている。例えば、筒状の電極中央から突出した先端がテーパー形状もしくは曲面状を成す位置決めピンが熱間圧延鋼からなるワーク（車体）の貫通孔に挿入した後、位置決めピン先端にナットを嵌め込み、位置決めピンの電極と他の電極とを上下から挟み込んでナットとワークを溶接して接合されている。
【０００３】
この位置決めピンの材質としては、一般的には高価であるために機械構造用炭素工（Ｓ４５Ｃ）などの金属が使用されているが、耐摩耗性や耐電蝕性が不十分で寿命が早く、溶接作業の際に発生する溶接スラグが付着しやすいため、溶接作業後、位置決めピンの抜き出しの妨げとなりやすいものであった。
【０００４】
耐電飾性を向上させるため、金属製の位置決めピンの表面にＡｌ２Ｏ３皮膜を酸化処理や、溶射により形成して絶縁したものもある。このような位置決めピンは、溶接時に作用する熱のため、表層の絶縁膜と内部の金属の熱膨張差に起因する熱応力によって、表層の絶縁膜が破壊し、その部分から、電蝕が発生する可能性が高いため、金属製から窒化珪素やサイアロンなどの高強度、高耐蝕性、高硬度、高耐摩耗性、軽量、耐熱性などの特性を有するセラミックスで位置決めピンを形成することが検討されている。しかし、セラミックス製の位置決めピンは、金属製のものと比較して、割れ、欠けなどが発生しやすい、加工性が悪く量産性が劣り、高コストなど問題があるため、種々の組立て構造や製造方法が検討されている。
【０００５】
例えば、特許文献１のように位置決めピン全体をセラミックスで構成する技術や特許文献２、３のように位置決めピンの胴体の一部をセラミックスで構成する技術が提案されている。
【特許文献１】特公平８−２２４６７号公報
【特許文献２】特開平５−２３７６９７号公報
【特許文献３】特公平６−６９６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１〜３のように窒化珪素質セラミックスを位置決めピン等の溶接部材に用いる技術は開示されているが、いずれの特許文献でもってしても溶接の際に飛び散る溶接スラグにより、位置決めピンに付着して、溶接作業後、付着した位置決めピンをナットに溶接した車体から抜き出すのが困難になり作業効率を著しく低下させるという問題点を有していた。
【０００７】
これは窒化珪素質セラミックスの表面に付着した溶接スラグの付着力が高いために、位置決めピンを車体から外そうとしても、位置決めピンを挿入している貫通孔よりも溶接スラグの付着により位置決めピンの径が大きくなり、位置決めピンが抜けなくなるというものであった。
【０００８】
この現象は、窒化珪素質セラミックスの焼成工程で焼結助剤として用いるＡｌ２Ｏ３を多くすること、即ち、窒化珪素質セラミックスの粒界層中に含まれるＡｌ酸化物が多くなるほど位置決めピンに付着する溶接スラグの付着力を増大するものであった。これは、粒界層中のＡｌ酸化物が多い場合には粒界層のガラス転移点が低くなるものと考えられ、溶接スラグが溶融した状態で窒化珪素質セラミックスに付着すると、粒界層が溶融状態となりやすく、その結果、Ａｌ酸化物と溶接スラグのＦｅやＭｎ成分と反応して結合層となりやすい為であると推測される。
【０００９】
これに対して、特許文献１〜３には粒界層中のＡｌ酸化物が含有している記載はなく、通常、窒化珪素質セラミックスの粒界層にＡｌ酸化物は低温焼成させるためにも多く含有させているものであり、位置決めピン等の溶接部材に用いることは製造効率を高くするのに不向きとされていた。
【００１０】
本発明は上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、溶接スラグが付着したとしても、剥離させやすく作業効率を高めることができる最適な窒化珪素質セラミックスを使用した溶接用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】
【００１１】
上記課題を解決するための溶接用部材は、先端がテーパー形状もしくは曲面状を成した焼結体からなる溶接用部材であって、上記焼結体は窒化珪素の結晶と、周期律表第３族元素（以下、ＲＥと称す）、ＡｌおよびＯを含有した粒界層からなり、上記焼結体表面の粒界層が２０面積％以下であることを特徴とする。
【００１２】
前記粒界層に含まれるＡｌとＲＥの比率が、Ａｌ２Ｏ３／ＲＥ２Ｏ３のモル比換算で０．２〜３であることを特徴とする。
【００１３】
前記ＲＥがＹ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕのうち少なくとも１種であることを特徴とする。
【００１４】
前記粒界層がアパタイト相、ボラストナイト相およびダイシリケート相の少なくとも１種からなる結晶質相を含有することを特徴とする。
【００１５】
前記粒界層は第１〜第３金属珪化物のうち少なくとも２つが互いに接する隣接相を有することを特徴とする。
【００１６】
第１金属珪化物：Ｆｅ、Ｃｒ、ＭｎおよびＣｕのうち少なくとも１つの第１の金属元素からなる金属珪化物
第２金属珪化物：Ｗ、Ｍｏのうち少なくとも１つの第２の金属元素からなる金属珪化物
第３金属珪化物：第１の金属元素と第２の金属元素を含む複数金属成分からなる金属珪化物
前記第１の金属元素がＦｅ、前記第２の金属元素がＷであることを特徴とする。
【００１７】
前記隣接相は第1金属珪化物が、第２金属珪化物または第３金属珪化物を取り囲むように形成されていることを特徴とする。
【００１８】
前記窒化珪素の結晶の平均粒径が１５μｍ以下であることを特徴とする。
【００１９】
前記第１の金属元素を計０．２〜１０質量％、前記第２の金属元素を計０．１〜３質量％の範囲とし、前記第１の金属元素を第２の金属元素より多く含有したことを特徴とする。
【００２０】
Ｓｉ粉末、もしくはＳｉ粉末と窒化珪素粉末の混合粉末と、平均粒径が０．５〜２０μｍの前記第１の金属元素の化合物からなる粉末と、平均粒径が０．１〜５μｍの前記第２の金属元素の化合物からなる粉末とを含む粉体を成形、焼成して得られることを特徴とする。
【００２１】
また、ボイド率１％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明者は、鋭意検討の結果、窒化珪素質セラミックスに付着する溶接スラグに関しては、粒界層に含まれているＡｌ酸化物が、接合されるワークに含まれるＦｅやＭｎ等の金属成分と反応して溶接スラグが付着するが、本発明の溶接用部材は、溶接用部材を形成する焼結体の粒界層に周期律表第３族元素（以下、ＲＥと称す）、ＡｌおよびＯを含有し、粒界層を焼結体表面の２０面積％以下にすると、粒界層中に含まれるＡｌ酸化物の量が実質的に減少させることができ、溶接スラグが溶融状態で付着したとしてもワークの金属成分と反応しにくくなり、付着力が抑制されるか、付着した場合でも付着力を弱め、溶接スラグの除去性が向上し、作業性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に本発明について図を用いて説明する。
【００２４】
図１は本発明の溶接用部材の一例を示す位置決めピンの構造を説明する側面図であり、図２は位置決めピンを用いてワークとナットとを溶接手順を説明する断面図を示す。
【００２５】
位置決めピンＡは、図１、２に示すように、Ｓ４５Ｃ、ＳＭＣ等の合金鋼、ＳＫ、ＳＫＨ、ＳＫＤ等の工具鋼からなるナット５、ワーク６を仮止めするために、それらの貫通孔５ａ、６ａに先端を導入する導入部１、位置決め部２、後述の固定電極（図１では不図示）への固定部３からなるセラミック体２１と電極固定用ネジ４から構成されており、導入部１、位置決め部２、固定部３のセラミック体２１は窒化珪素質焼結体で一体的に形成されたものである。
【００２６】
導入部１は先端がテーパー形状もしくは曲面状を成し、図２に示すようにワーク６の貫通孔６ａ、ナット５の貫通孔５ａの双方に導入しやすい形状となっている。
【００２７】
位置決め部２は筒状に形成されてものであり、貫通孔６ａ、貫通孔５ａの径よりも僅かに小さな外径からなり、長手方向はナット５、ワーク６に挿入されたとき、双方が当接した状態で位置決め可能となる長さに調整されている。また、位置決め部２には挿入方向とは逆側の後端に外周から突出したフラップ部２ａを有し、貫通孔６ａよりも径が大きくなるように形成している。このフラップ部２ａはワーク６の下面に当接することで位置決めピンが確実に固定されるようになっている。
【００２８】
固定部３も位置決め部２と同じ形状に形成されたものであり、下面側には固定ネジ４を固定する雌ネジ孔３ａが形成されており、電極固定ネジの一方側に形成された雄ネジ４ａにより噛合可能に構成されている。なお、雄ネジ４ａと電極固定ネジ４に形成されたネジは逆方向の螺旋にすることによって、この締結力によって、電極固定ネジ４の締結トルクが作用するため緩む心配が無い。なお、取り付けの際には、高温化でも強度低下しにくい接着剤（シリコン系接着剤、無機系接着剤）をゆるみ止めの補助に塗布することが望ましい。
【００２９】
なお、固定電極７は図２に示すように位置決めピンＡの電極固定ネジ４が噛合して固定されるように構成されている。
【００３０】
次に本発明の特徴部であるセラミック体２１について説明する。
【００３１】
セラミック体２１の材質である窒化珪素質焼結体は、窒化珪素の結晶と、周期律表第３族元素（以下、ＲＥと称す）、ＡｌおよびＯを含有した粒界層からなり、その焼結体表面の粒界層が２０面積％以下であることを特徴としている。このため、粒界層中のＡｌ２Ｏ３量を減少させ、溶接スラグの付着防止と、付着した際の付着力を弱め、除去性を向上させることができるものである。
【００３２】
即ち、粒界層の含有量が２０面積％以上の場合は、粒界層中に含まれるＡｌ酸化物の量が増加し、溶接スラグが溶融状態で付着した場合、ワークの金属成分と反応し溶接スラグが焼結体表面に強く付着するため溶接スラグの除去が困難になる。
【００３３】
さらに、焼成工程中に変形が起こりやすいため、寸法精度の高い窒化珪素質セラミックスを作製することが困難となり、研削代の増加に伴うコストアップにつながるため、好ましくない。なお、粒界層が５面積％以下の場合、緻密な窒化珪素質セラミックスを得るために高温で焼成する必要があり、高温で焼成すると窒化珪素の結晶が一部粗大化するため、機械的強度や耐摩耗性を著しく向上させることができないため、特に粒界層の含有量は５〜１５面積％であることが好ましい。
【００３４】
また、粒界層に含まれるＡｌとＲＥの比率が、Ａｌ２Ｏ３／ＲＥ２Ｏ３のモル比換算で０．２〜３とするとよい。このため、粒界層に含まれるＡｌ酸化物をＡｌ酸化物の量が実質的に減少させるだけでなく、粒界層のガラス転移点を高くすることができ、溶接スラグが溶融状態で付着したとしてもワークの金属成分と反応しにくくなり、付着力が抑制されるか、付着した場合でも付着力が弱まり溶接スラグの除去性が向上し、作業性を向上させることができるからである。この場合、上述のセラミック体２１を作製するにあたって、ＲＥ、Ａｌ及びＯを成形体中に含有する焼結助剤を適宜制御すること、具体的には、Ａｌ２Ｏ３／ＲＥ２Ｏ３のモル比換算で０．２〜３．０となるようＡｌ２Ｏ３を添加することによって粒界層が２０面積％以下とするとともに、焼成後もＡｌ２Ｏ３／ＲＥ２Ｏ３のモル比換算で０．２〜３．０となる焼結体を作製することができる。
【００３５】
なお、好ましくは、Ａｌ２Ｏ３／ＲＥ２Ｏ３のモル比換算で０．２〜１．５、更に好ましくは０．８〜１である。なお、ＲＥで定義する第３族元素とは、Ｓｃ、Ｙ、ランタノイド元素、アクチノイド元素から選ばれる元素であり、より好ましくはＲＥがＹ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕのうち少なくとも１種から選ばれるとよい。
【００３６】
また、ＲＥがＹ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕのうち少なくとも１種とした場合、高温酸化雰囲気中での耐酸化性を向上させることができる。このように、位置決めピンなどの溶接用部材おいては、位置決め部表面の酸化による摩耗を抑制し、位置決め部の精度維持、長寿命化を果たすことができる。更に、ＲＥがＹとすると、ＲＥがＹ以外の場合よりも焼成中にＲＥの蒸発を抑制できるため窒化珪素質セラミックスの材料組成を高精度に制御できるため特に好ましい。
【００３７】
なお、粒界層が焼結体に占める割合は、得られた焼結体を鏡面研磨し、画像処理装置を用いて、この鏡面の任意の２００μｍ×２００μｍ（面積４００００μｍ２）の領域内から窒化珪素の結晶を除外して粒界層部分の面積を測定し、この粒界層部分の面積を４００００μｍ２で割ることにより粒界層の面積比率を求め、この面積比率を１００倍して粒界層の含有量（面積％）とした。
【００３８】
また、粒界層はアパタイト相、ボラストナイト相およびダイシリケート相の少なくとも１種が含有することになり耐酸化摩耗性と溶接スラグの付着を抑制するとともに、溶接スラグが付着したとしても除去性に優れた溶接部材とすることできるため好ましい。なお、アパタイト相はＲＥ５（Ｓｉ４）３Ｎ、ボラストナイト相はＲＥＳｉＯ２Ｎ、ダイシリケート相はＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７で表される化合物である。特に、粒界層がアパタイト相またはボラストナイト相を含有する場合は、高温強度、耐高温クリープ特性、耐熱衝撃性が向上するため好ましい。また、ダイシリケート相を含有する場合は、高温での耐酸化特性が向上するため、位置決めピン等の溶接部材で使用した場合、酸化による摩耗を抑制し、長寿命化をはかることができる。
【００３９】
さらに、粒界層は上述のように第１〜第３金属珪化物のうち少なくとも２つが互いに接する隣接相を有することを特徴とする溶接用部材とすることができる。
【００４０】
ここで、本発明では、第１の金属元素は、Ｆｅ、Ｃｒ、ＭｎおよびＣｕの群のうち少なくとも１つから選ばれるものを示し、その第１の金属元素からなる金属珪化物を第１金属珪化物としている。また、第２の金属元素は、Ｗ、Ｍｏのうち少なくとも１つを示し、その第２の金属元素からなる金属珪化物を第２金属珪化物としている。さらに、第３の金属元素は、第１の金属元素と第２の金属元素からなる複数金属成分、例えば、ＷとＦｅを含む金属成分であり、その第３の金属元素からなる金属珪化物を第３金属珪化物としている。
【００４１】
窒化珪素の結晶としては、主に針状に形成されたものであり、β型窒化珪素結晶、又はβ型窒化珪素と同じ結晶構造を有するβ’−サイアロン結晶があり、その平均粒径は３０μｍ以下であることが好ましい。この場合の平均粒径は、針状に形成された結晶の長径の平均粒径で示している。これにより、機械的強度等の機械的特性、耐熱衝撃性等の熱的特性を向上させることができる。なお、平均粒径の測定には次のような種々の方法がある。
【００４２】
即ち、窒化珪素質セラミックスの断面を鏡面研磨し、この鏡面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真に撮り、ＳＥＭ写真に写っている窒化珪素の結晶の長径を測定する方法、Ｘ線マイクロアナライザーを併用して窒化珪素の結晶を特定し、その結晶の長径を測定する方法、又は鏡面加工した窒化珪素質セラミックスの面にある粒界層を熱処理によるエッチングや化学的エッチング処理により表面から除去後に長径を測定する方法があり、いずれにしても、測定された複数の長径データを平均化して算出される。
【００４３】
隣接相は、第１〜第３金属珪化物のいずれかが少なくとも隣接している状態で形成しているものであればよく、第１〜第３金属珪化物の少なくとも２つのうち、一方が他方の一部又は全部を取り囲んでいる状態であるのがよい。以下、詳細を図４を用いて説明する。
【００４４】
図３は本発明の窒化珪素質セラミックスの断面１０の一例であり、断面１０を鏡面研磨し、この鏡面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察した写真の模式図を示している。窒化珪素質セラミックスの鏡面１０は窒化珪素の結晶１２間に粒界層２０を有し、粒界層２０中に第１金属珪化物１６、第２金属珪化物１８、第３金属珪化物２２を含有しており、更に、隣接相１４を具備している。この隣接相１４は、第１金属珪化物１６ａと第２金属珪化物１８ａとが隣接して存在するもの、第１金属珪化物１６ｂが第２金属珪化物１８ｂを取り囲むもの、第１金属珪化物１６ｃから第２金属珪化物１８ｃの一部が露出しているものがある。
【００４５】
本発明では、特に隣接相として粒界層に存在させた場合に、第１〜第３金属珪化物が隣接相として存在しない場合に比べて、第１〜第３金属珪化物に機械的応力や熱応力が集中するのが抑制され、これにより、窒化珪素質セラミックスの機械的特性、耐熱衝撃性を向上させることができるものである。即ち、隣接して存在すると粒界層に対して占める割合が高くなるために、隣接相に機械的、熱的応力が加わった場合、その応力が集中し、単独の第１〜第３金属珪化物に対して機械的応力や熱応力がかかりにくくなるが、隣接相に熱応力が集中したとしても、第１〜第３の金属珪化物は、窒化珪素に対してそれぞれヤング率が大きく、温度に対する熱膨張係数の変化率が小さいので、溶接スラグが大量に付着したとしても隣接相は窒化珪素の結晶が機械的、熱的応力に抗して弾性変形することを促進するものと考えられる。従って、焼結体中に粒界層から微細な亀裂が発生しやすいが、仮に微小な亀裂が発生したとしても隣接相が窒化珪素の結晶の亀裂の進展を抑制したりでき、窒化珪素質セラミックスの割れやクラックの発生を抑制できるものである。なお、従来のような隣接相がなく、第１〜第３金属珪化物が個々に存在すると、機械的、熱的応力が単独の第１〜第３金属珪化物に集中し、その結果、第１〜第３金属珪化物が破壊源となったり亀裂の進展を促進させたりするので、窒化珪素質セラミックスに割れやクラックが発生する。
【００４６】
また、第１の金属元素がＦｅ、前記第２の金属元素がＷである組み合わせが溶接用部材に用いることが特に好ましい。
【００４７】
この理由は、第１の金属元素からなる第１金属珪化物のうちＦｅ珪化物と、第２の金属元素からなる第２金属珪化物のうち、Ｗ珪化物は結晶構造が近似しているので互いに隣接相を著しく形成しやすく、粒界層に対する隣接相の含有割合が増加し、その結果、機械的特性と熱的特性、特に機械的強度と耐熱衝撃性がさらに向上するからである。
【００４８】
なお、第１金属珪化物の好ましい形態としては、ＦｅＳｉ２、ＦｅＳｉ、Ｆｅ３Ｓｉ、Ｆｅ５Ｓｉ３、Ｃｒ３Ｓｉ２、ＭｎＳｉおよびＣｕ２Ｓｉのうち少なくとも１つから選ばれたものである。また、第２金属珪化物の好ましい形態としては、ＷＳｉ２、Ｗ５Ｓｉ３、ＷＳｉ３、Ｗ２Ｓｉ３およびＭｏＳｉ２のうち少なくとも１つから選ばれたものである。さらに、第３金属珪化物の好ましい形態としては、ＦｅとＷを含む複数金属成分（化合物）、例えば、固溶体からなるものである。これらの金属珪化物が選ばれる理由は、第１〜第３金属珪化物のうちでもこれらの金属珪化物が熱力学的な安定相であるため、機械的応力や熱応力がかかった場合でも相変態を起こしにくいので、相変態に伴う更なる機械的応力や熱応力の増大の恐れがないからである。
【００４９】
また、第１金属珪化物のＦｅ珪化物としては、ＦｅＳｉ、ＦｅＳｉ２のうち少なくとも１つから選ばれたものが好ましく、より好ましくは、ＦｅＳｉ２とするのがよい。また、第２金属珪化物のＷ珪化物はＷＳｉ２を含有することが好ましい。
【００５０】
最も好ましい組み合わせは、第１金属珪化物としてＦｅＳｉ２と第２金属珪化物としてＷＳｉ２がよい。この理由としては、ＷＳｉ２とＦｅＳｉ２は共に環境温度が変化したとしても特に安定する相であり、また、両者の結晶構造が特に近似しているために、W珪化物の中でも特に隣接相を形成し易く、かつ、ＦｅＳｉ２を含む隣接相を窒化珪素質セラミックス中に均一に分散させることができるので、窒化珪素質セラミックスの機械的特性と熱的特性をさらに向上させることができるからである。
【００５１】
また、隣接相に第３金属珪化物が含まれる場合、第３金属珪化物はＦｅとＷを含むことが好ましい。この理由は、ＦｅとＷを含む第３金属珪化物は第１、第２の金属珪化物と強固に結合し、その結果隣接相の破壊靱性が向上するので、特に高い破壊靱性を有するため、機械的応力や熱応力などの応力がかかることによって窒化珪素質セラミックスに微細な亀裂が生じた場合でも、この亀裂の進展を特に抑制することができ、その結果、焼結体の機械的強度や耐熱衝撃性が向上するからである。
【００５２】
隣接相の平均粒径は３０μｍ以下が好ましく、特に好ましくは１〜５μｍである。平均粒径が３０μｍより大きいと、機械的、熱的応力を隣接相が十分緩和することができないため、機械的特性や耐熱衝撃性を著しく向上させることができないからである。この場合、隣接相の平均粒径は、焼結体を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等で拡大して観察し、複数の隣接相の粒径を測定し平均した値であり、上述の窒化珪素の結晶の平均粒径を測定したのと同じように測定することができる。
【００５３】
また、隣接相の含有量は０．０１〜１０体積％であることが耐熱衝撃性および機械的強度を特に向上させることができるので好ましく、特に好ましくは、０．１〜５体積％、最適は、０．１〜１体積％である。
【００５４】
第１〜第３金属珪化物、隣接相の存在およびそれらの含有量については以下のように測定する。図１に示す第１金属珪化物１６、第２金属珪化物１８、第３金属珪化物２２、隣接相１４の存在は、Ｘ線回折法、微小部Ｘ線回折法、Ｘ線マイクロアナライザー（例：波長分散型ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ−Ａｎａｌｙｚｅｒ））、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）等により確認することができる。Ｘ線回折法を用いる場合は、Ｘ線マイクロアナライザーまたはＴＥＭを併用して測定することが好ましい。ＴＥＭによる分析する場合は、試料を薄片に加工後に測定する。
【００５５】
隣接相１４の含有量は、例えば次の様に測定する。焼結体断面を鏡面研磨し、この鏡面の５００μｍ×５００μｍ程度の部分（以下、この部分の面積を「面積Ａ」という）にＸ線マイクロアナライザーを用いて電子ビームを照射し、焼結体から発生する特性Ｘ線の種類と強度を測定することによって、Ｓｉ、第１、第２の金属元素（Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ）の各元素の強度をマッピングし、（１）Ｓｉを含有し、かつ、第２の金属元素のうち少なくとも１つがリッチな第１の部分（第２金属珪化物１８）の面積、（２）Ｓｉを含有し、かつ、第１の金属元素のうち少なくとも１つがリッチな第２の部分（第１金属珪化物１６）の面積、（３）Ｓｉと第１および第２の金属元素とを含有する部分（第３珪化物２２）の面積をそれぞれ求め、（１）〜（３）の第１〜第３の部分のうち少なくとも２つが互いに接する部分の面積Ｂを測定し、面積Ａに対する面積Ｂの割合を計算し、この割合を隣接相１４の含有量（体積％）とする。面積Ａは、第１〜第３珪化物、隣接相１４が識別できる程度に測定の際の倍率を適宜変更しても良い。なお、Ｘ線マイクロアナライザーとＴＥＭを併用して隣接相１４に含まれる結晶相を確認することが好ましい。（請求項６）
前記隣接相は第1金属珪化物が、第２金属珪化物または第３金属珪化物を取り囲むように形成されていることを特徴とすることが溶接用部材できる。これにより、第２金属珪化物または第３金属珪化物よりも第１の金属珪化物の破壊靱性が高い傾向があるので、大きな機械的応力がかかった場合、窒化珪素質セラミックスに割れが生じたり、クラックが入ったりすることが抑制され、機械的特性を向上させることができる。特に、先端がテーパーもしくは曲面状（ドーム状もしくは釣り鐘状の）を有する位置決めピンに代表される溶接用部材においては、その導入部１に、板金の装入・抜き出し時に機械的衝撃が作用した場合でも、破損しにくいため長寿命化できる。
【００５６】
また、窒化珪素の結晶の平均粒径が１５μｍ以下とすることが好ましい。これによって、機械的強度をさらに向上させることができる。窒化珪素の結晶の平均粒径が１５μｍを超えた場合には破壊靭性が低下し、機械的強度が低下する傾向となるからである。この平均粒径は、上述と同様に針状の結晶における長径の平均粒径を示し、好ましくは、粒界層の偏在を抑制し、これにより隣接相を焼結体中に均一に分散させることができるので長径の平均粒径が１５μｍ以下で、短径の平均粒径が２μｍ以下とする。
【００５７】
さらに、第１の金属元素を計０．２〜１０質量％、前記第２の金属元素を計０．１〜３質量％の範囲とし、第１の金属元素を第２の金属元素より多く含有してもよい。このように、含有量に差をつけることによって、第1金属珪化物が、第２金属珪化物または第３金属珪化物を取り囲むように形成することができ、機械的特性を向上させることができる。この第１、第２の金属元素は、窒化珪素質セラミックスの出発原料、あるいは製造過程で不純物としても混入する場合があるが、焼結体中に含まれる第１〜第３金属元素は、不純物であったとしても、そのほとんどが金属珪化物となって窒化珪素質セラミックス中に存在するので、最終的に本発明の窒化珪素質セラミックス中に含有される金属元素の量が上述の範囲であれば良い。
【００５８】
なお、上述したように、窒化珪素の結晶の平均粒径を１５μｍ以下とすると、第1金属珪化物と第２金属珪化物／第３金属珪化物の隣接相の存在割合を増加し、粒界層に隣接相が分散するために機械的特性をさらに向上させることができる。 
なお、窒化珪素の結晶の平均粒径を１５μｍ以下とすることだけでなく、Ｓｉ粉末、もしくはＳｉ粉末と窒化珪素粉末の混合粉末と、平均粒径が０．５〜２０μｍの第１の金属元素の化合物からなる粉末と、平均粒径が０．１〜５μｍの第２の金属元素の化合物からなる粉末とを含む粉体を成形、焼成することによっても、隣接相の存在割合を増加させ、粒界層に隣接相を分散させることができるために機械的特性をさらに向上させることができるが、窒化珪素の結晶の平均粒径を１５μｍ以下とするのを組み合わせてもよい。
【００５９】
なお、隣接相は、Ｓｉ粉末、もしくはＳｉ粉末と窒化珪素粉末の混合粉末と、平均粒径が０．１〜５μｍの第１の金属元素の化合物からなる粉末と、平均粒径が１〜３０μｍの第２の金属元素の化合物からなる粉末とを含む粉体を成形、焼成することによって、隣接相の存在割合を増加させ、粒界層に上述の隣接相を分散させることができるために高い耐熱衝撃性が特に向上した溶接用部材を得ることができる。
【００６０】
また、溶接スラグの付着に関して表面に存在するボイドによるアンカー効果により、溶接スラグの付着力が増加し、溶接スラグの除去が非常に困難になる可能性もあるため、本窒化珪素質焼成体は、見掛密度３．０以上の緻密体とすることが好ましく、特に好ましくはボイド率を１％以下とするのがよい。これにより表面のボイドによるアンカー効果を確実に減少させることができ溶接スラグの付着の抑制と除去性を向上させることができる。さらに、ボイド率を下げることで、同時に機械的強度を向上させることができるのでより好ましく、ボイド率０．５％以下とするのがよい。処理方法に関しては、窒化珪素質焼結体の成形体をHIP処理により作製するのが好ましいが、ホットプレス法を用いても良い。
【００６１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態だけに限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、他の溶接用部材、例えば、溶接用ノズルにも適用できる。
【実施例１】
【００６２】
本発明の実施例について説明する。
【００６３】
まず、図１に示す位置決めピンを作製した。
【００６４】
窒化珪素質焼結体からなるセラミック体を以下の方法で作製した。
【００６５】
Ｆｅ２Ｏ３粉末とＷＯ３粉末を水を用いて湿式混合し、得られたスラリーを１００℃で乾燥し予備混合粉末を製作した。その後、予備混合粉末と窒化珪素粉末とＳｉ粉末からなる原料粉末と焼結助剤粉末を混合した。その際、粒界層の含有量を変化させるため、原料粉末と焼結助剤粉末の含有量の含有量が１００質量％となるように、焼結助剤であるＡｌ２Ｏ３の添加量を、粒界層の含有量（面積％）が２０面積％以下なるようにしたものと、２０面積％を超えるようにしたものを作製した。次いで、混合した粉末と、エタノールと、窒化珪素質粉砕用メディアとをバレルミルに投入して混合した。その後、得られたスラリーに、有機結合材としてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を添加混合し、さらにスプレードライヤーで造粒後した。
【００６６】
次に、得られた造粒体を用いて、成形圧力８０ＭＰａにて成形体を作製後、切削作業にて、所定の形状に仕上げた後、成形体中に含まれる有機結合材（ＰＶＡ）を６００℃で３時間保持することにより脱脂、焼成し、得られたβ型窒化珪素質焼結体を図１のように研削加工し、本発明のセラミック体を作製した。そして、金属製の電極固定ネジを取り付けて溶接用部材である位置決めピンを製作した。
【００６７】
その後、粒界層の含有率を求める試料を製作するため、得られた焼結体を切断し試料形状にした後、鏡面研磨し、この鏡面の任意の２００μｍ×２００μｍ（面積４００００μｍ２）の領域内から窒化珪素の結晶を除外して粒界層部分の面積を測定し、この粒界層部分の面積を４００００μｍ２で割ることにより粒界層の面積比率を求め、この面積比率を１００倍して粒界層の含有量（面積％）とした。
【００６８】
位置決めピンを溶接工程に用いた結果を表１に示す。
【表１】
2006095535.tif 000003
【００６９】
表１に示すように、ＲＥ、ＡｌおよびＯを含有した粒界層を２０面積％以下とした位置決めピンＮｏ．１〜４は、溶接スラグの付着が少なく、ワイヤブラシなどで、付着した溶接スラグを容易に除去されるのが確認できた。
【００７０】
また、粒界層の含有量が５〜１５面積％のものは、特に溶接スラグの付着が少なく、除去性に関して優れていた。しかし、粒界層の含有量が２０面積％を超えるＮｏ．５については、２０面積％以下のものと比較して、溶接スラグの付着量が多く、位置決めピンの抜き出しを妨げる結果となった。また、溶接スラグの除去に関しても、付着力が強く、除去が困難であった。
【００７１】
また、別途、得られた焼結体の焼成変形を測定した結果、表1に示すように、粒界層の含有量が２０面積％を超える試料Ｎｏ．５は変形率が極端に大きくなる傾向があったが、粒界層の含有量が２０面積％以下の試料Ｎｏ．１〜４は変形率が小さくなることが確認され、研削代の削減することができた。
【実施例２】
【００７２】
平均粒径０．３μｍの酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）粉末と平均粒径０．４μｍのＷＯ３粉末をＦｅとＷの質量換算比で１：１となるよう混合し、実施例１と同様に予備混合粉末を作製した。この予備混合粉末に、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末とＳｉ粉末を混合し、酸化鉄粉末、ＷＯ３粉末、窒化珪素粉末、Ｓｉ粉末（Ｓｉ３Ｎ４換算）を、それぞれ１質量％、１質量％、１０質量％、７０質量％（小計８２質量％）秤量してベース組成とした。
【００７３】
次に、平均粒径０．５μｍのＹ２Ｏ３粉末、平均粒径３μｍのＡｌ２Ｏ３粉末、平均粒径２μｍのＳｉＯ２粉末を小計１８質量％となるように量を変更して添加し、全粉末（合計１００質量％）を実施例１と同様の方法で混合、造粒後、成形し、得られた成形体を窒素雰囲気中６００℃で３時間保持することにより脱脂し、脱脂体を作製した。得られ脱脂体を窒化珪素質のこう鉢中に載置し、実質的に窒素からなる１５０ｋＰａの窒素分圧中、１０５０℃で２０時間、１１２０℃で１０時間、１１７０℃で時間、１３００℃で３時間の各ステップ（各ステップ間は昇温速度２５℃／時間で昇温）で順次保持して、Ｓｉをα化率９０％以上のＳｉ３Ｎ４に窒化後、さらに昇温して１２０ｋＰａの窒素分圧中１５００℃で３時間、１７７０℃で１０時間、２００ｋＰａの窒素分圧中１８００℃で３時間、順次保持して焼成し、粒界層中のＡｌの比率を変化させたセラミック体を形成し、上述と同様に位置決めピンを作製した。
【００７４】
実施例１と同様に、得られた位置決めピンから試験片を切り出し、曲げ強度、破壊靱性を測定した。Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３の含有量は、Ｙ含有量、Ａｌ含有量をＩＣＰ発光分光分析にて定量分析した結果を表２に示す。
【表２】
2006095535.tif 000004
【００７５】
その結果、表２に示すように、試料Ｎｏ．６〜１３について、Ｎｏ．６〜９，Ｎｏ．１１，１２は溶接スラグの付着性、除去性については良好であり、強度、破壊靭性値ともに高いものとなった。一方、Ｎｏ．１０は、Ａｌ２Ｏ３／ＲＥ２Ｏ３比が０．１２と低かったため、溶接スラグの付着と除去性に関しては優れたものとなったが、強度、破壊靭性値が低いものとなった。また、Ｎｏ．１３は、Ａｌ２Ｏ３／ＲＥ２Ｏ３比が６．３と高いため、溶接スラグの付着量が多く、その除去も困難であったため、Ｎｏ．６〜９，Ｎｏ．１１，１２と比較して、作業効率が低い結果となった。
【実施例３】
【００７６】
焼成工程で最高温度から８００℃までの降温速度を２００℃／時間とした以外は実施例２と同様の方法で製造した位置決めピンの焼結体を作製した。本実施例では使用するセラミックスの耐酸化特性を調査するため、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準じた抗折試験片を製作し、大気中１０００℃で１０時間の酸化処理を行った後、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準じて４点曲げ強度を測定した。
【００７７】
また、酸化処理をしなかった試料片と酸化処理をした試料片の表面をＸ線回折により試料片表面の結晶相を測定し、粒界層がＮｏ．１４〜１８である試験片を得た。
【００７８】
測定の結果、いずれの試験片においても酸化処理前は高強度であったが、粒界層がメリライト相（ＲＥ２Ｓｉ３Ｏ３Ｎ４）のＮｏ．１４は、酸化処理によって試験片表面が激しく変色し、微細なクラックが発生し、酸化処理後の試料の強度が極端に低下していたが、粒界層がアパタイト相、ボラステナイト相、ダイシリケート相のうち少なくとも１種を含有するＮｏ．１５〜１８は、酸化処理後においても高強度であり、粒界層の酸化の影響が少なく、耐酸化摩耗特性も高いと推測した。
【００７９】
次に、これらの位置決めピンにおいて、粒界層がアパタイト相、ボラステナイト相、ダイシリケート相のうち少なくとも１種を含有するものとメリライト相を含有するもので、実際のナット溶接に使用し、溶接回数１５万回における位置決め部の寸法変化を比較した。その結果を表３に示す。
【表３】
2006095535.tif 000005
【００８０】
その結果、粒界層がアパタイト相、ボラステナイト相、ダイシリケート相のうち少なくとも１種を含有するＮｏ．１５〜１８は位置決めピンの摩耗が見られなかったのに対し、メリライト相を有するＮｏ．１４の位置決めピンは元の直径の５％程度、摩耗しており、さらに変色、微細クラックが確認された。
【００８１】
なお、粒界層がアパタイト相、ボラステナイト相、ダイシリケート相のうち少なくとも１種を含有するものは、スパッタの付着が少なく、付着したスパッタの除去性も良好であった。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明に係る位置決めピンの側面図である。
【図２】位置決めピンを用いてワークとナットとを溶接手順を説明する断面図である。
【図３】本発明の窒化珪素質焼結体のＳＥＭ写真の模式図である。
【符号の説明】
【００８３】
１：導入部
２：位置決め部
３：電極固定部
４：固定部のネジ部
５：ナット
６：板金
１０：窒化珪素質セラミックスの断面
１２：窒化珪素の結晶
１４：隣接相
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ：第１金属珪化物
１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ：第２金属珪化物
２０：粒界層
２２：第３金属珪化物
【図１】
2006095535.tif 000006
【図２】
2006095535.tif 000007
【図３】
2006095535.tif 000008