(57)【要約】  ベータ−窒化ケイ素含有量が窒化ケイ素粉末の０重量％〜約１．６重量％である窒化ケイ素粉末を含む出発粉末混合物から製造されるアルファプライム−ベータプライムサイアロンセラミック体（２０、３０）およびその作製方法。粉末混合物はさらに、アルミニウム、酸素、窒素、および２種の選択された希土類元素をサイアロンセラミック体に提供する１種以上の粉末を含む。選択された希土類元素は希土類元素の３つの特定の群のうちの少なくとも２つの群から選択される。
2008529948.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サイアロンセラミック体であって、
前記サイアロンセラミック体は、窒化ケイ素粉末と、アルミニウム、酸素、窒素、および少なくとも２種の選択された希土類元素を前記サイアロンセラミック体に提供する１種以上の粉末と、を含む出発粉末混合物から製造され、
前記選択された希土類元素は、第Ｉ群がＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕからなり、第ＩＩ群がＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏからなり、第ＩＩＩ群がＥｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素の３つの群のうちの少なくとも２つの群から選択され、
前記サイアロンセラミック体は、アルファプライムサイアロン相およびベータプライムサイアロン相を含むとともに前記アルファプライムサイアロン相がＬａおよびＣｅを除く前記選択された希土類元素の１つ以上を含む二相複合材料を含み、
前記窒化ケイ素粉末は前記出発粉末混合物の少なくとも約７０重量％を占め、前記窒化ケイ素粉末のベータ−窒化ケイ素含有量は前記窒化ケイ素粉末の０重量％〜約１．６重量％である、
サイアロンセラミック体。
【請求項２】
ヴィッカース硬度（負荷１８．５ｋｇ）が約１７ＧＰａ以上であり、破壊靱性（ＫICＥｖａｎｓ＆Ｃｈａｒｌｅｓ）が約６．８ＭＰａ・ｍ1/2以上である請求項１に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項３】
ヴィッカース硬度（負荷１８．５ｋｇ）が約１８．５ＧＰａ以上であり、破壊靱性（ＫICＥｖａｎｓ＆Ｃｈａｒｌｅｓ）が約６．８ＭＰａ・ｍ1/2以上である請求項１に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項４】
前記アルファプライムサイアロン相が前記二相複合材料の約３５重量％以上の量で存在し、ヴィッカース硬度（負荷１８．５ｋｇ）が約１８ＧＰａ以上であり、破壊靱性（ＫICＥｖａｎｓ＆Ｃｈａｒｌｅｓ）が約６．８ＭＰａ・ｍ1/2以上である請求項１に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項５】
前記アルファプライムサイアロン相が前記二相複合材料の約５０重量％以上の量で存在する請求項１に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項６】
前記窒化ケイ素出発粉末が前記出発粉末混合物の少なくとも約８０重量％を占め、前記アルファプライムサイアロン相が前記二相複合材料の約２５重量％以上の量で存在し、ヴィッカース硬度（負荷１８．５ｋｇ）が約１７ＧＰａ以上であり、破壊靱性（ＫICＥｖａｎｓ＆Ｃｈａｒｌｅｓ）が約６．８ＭＰａ・ｍ1/2以上である請求項１に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項７】
前記窒化ケイ素出発粉末が前記出発粉末混合物の少なくとも約８５重量％を占め、前記アルファプライムサイアロン相が前記二相複合材料の約３５重量％以上の量で存在し、ヴィッカース硬度（負荷１８．５ｋｇ）が約１８ＧＰａ以上であり、破壊靱性（ＫICＥｖａｎｓ＆Ｃｈａｒｌｅｓ）が約６．８ＭＰａ・ｍ1/2以上である請求項１に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項８】
前記窒化ケイ素出発粉末がベータ窒化ケイ素を約０重量％含む請求項１に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項９】
前記アルファプライムサイアロン相が前記二相複合材料の約２５重量％以上の量で存在し、ヴィッカース硬度（負荷１８．５ｋｇ）が約１６．５ＧＰａ以上であり、破壊靱性（ＫICＥｖａｎｓ＆Ｃｈａｒｌｅｓ）が約５．４ＭＰａ・ｍ1/2以上である請求項１に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項１０】
ヴィッカース硬度（負荷１８．５ｋｇ）が約１６．０ＧＰａ以上であり、破壊靱性（ＫICＥｖａｎｓ＆Ｃｈａｒｌｅｓ）が約４．４ＭＰａ・ｍ1/2以上である請求項１に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項１１】
前記出発粉末混合物中の前記選択された希土類元素はイッテルビウムおよびランタンを含み、前記アルファプライムサイアロン相はイッテルビウムを含み、前記アルファプライムサイアロン相中のランタン検出量がゼロである請求項１に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項１２】
前記サイアロンセラミック体上に１つ以上の被覆層を含む被覆構造をさらに含む請求項１に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項１３】
前記被覆構造が化学気相堆積法により付与されるアルミナ被覆層を含む請求項１７に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項１４】
前記被覆構造が物理的気相成長法により付与される窒化チタンアルミニウム被覆層を含む請求項１７に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項１５】
前記セラミック体が図７の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにより定義される台形により境界が定められた領域に位置する組成を有する請求項１に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項１６】
前記セラミック体が図７の点Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈにより定義される矩形により境界が定められた領域に位置する組成を有する請求項１に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項１７】
すくい面および逃げ面と、前記すくい面および前記逃げ面の結合部における切削エッジと、を有する切削インサートを含む請求項１に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項１８】
サイアロンセラミック体であって、
前記サイアロンセラミック体は、窒化ケイ素粉末と、アルミニウム、酸素、窒素、および少なくとも２種の選択された希土類元素を前記サイアロンセラミック体に提供する１種以上の粉末と、を含む出発粉末混合物から製造され、
前記希土類元素は、第Ｉ群がＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕからなり、第ＩＩ群がＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏからなり、第ＩＩＩ群がＥｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素の３つの群のうちの少なくとも２つの群から選択され、
前記サイアロンセラミック体は、アルファプライムサイアロン相およびベータプライムサイアロン相を含むとともに前記アルファプライムサイアロン相がＬａおよびＣｅを除く前記選択された希土類元素の１つ以上を含む二相複合材料を含み、
前記セラミック体は図７の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにより定義される台形により境界が定められた空間に位置する組成を有し、
前記窒化ケイ素粉末は前記出発粉末混合物の少なくとも約７０重量％を占め、前記窒化ケイ素粉末のベータ−窒化ケイ素含有量は前記窒化ケイ素粉末の０重量％〜約１．６重量％である、
サイアロンセラミック体。
【請求項１９】
前記出発粉末混合物中の前記窒化ケイ素粉末がベータ窒化ケイ素を実質上０重量％含有する請求項１８に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項２０】
すくい面および逃げ面と、前記すくい面および前記逃げ面の結合部における切削エッジと、を有する切削インサートを含む請求項１８に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項２１】
アルファプライムサイアロン相およびベータプライムサイアロン相を含む二相複合材料を含むサイアロンセラミック体の製造方法であって、
窒化ケイ素粉末を少なくとも約７０重量％と、アルミニウム、酸素、窒素、および少なくとも２種の選択された希土類元素を前記サイアロンセラミック体に提供する１種以上の他の粉末と、を含む出発粉末を提供する工程であって、前記希土類元素は、第Ｉ群がＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕからなり、第ＩＩ群がＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏからなり、第ＩＩＩ群がＥｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素の３つの群のうちの少なくとも２つの群から選択される工程と、
アルファプライムサイアロン相およびベータプライムサイアロン相を含むとともに前記アルファプライムサイアロン相がＬａおよびＣｅを除く前記選択された希土類元素の１つ以上を含む二相複合材料を含むセラミック体を形成するために前記出発粉末混合物を固める工程であって、前記セラミック体が図７の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにより定義される台形により境界が定められた領域に位置する組成を有する工程と、
を含む方法。
【請求項２２】
前記固める工程は焼結工程を含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記固める工程は前記焼結工程の次に行われる熱間静水圧成形工程をさらに含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記出発粉末混合物中の前記窒化ケイ素粉末がベータ窒化ケイ素を実質上０重量％含有する請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
サイアロンセラミック体であって、
前記サイアロンセラミック体は、窒化ケイ素粉末と、アルミニウム、酸素、窒素、液相形成元素、および少なくとも１種の選択された希土類元素を前記サイアロンセラミック体に提供する１種以上の粉末と、を含む出発粉末混合物から製造され、
前記選択された希土類元素が１種である場合、前記選択された希土類元素は、第Ｉ群がＰｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕからなり、第ＩＩ群がＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏからなり、第ＩＩＩ群がＥｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる群のいずれかより選択され、
前記選択された希土類元素が複数種である場合、前記希土類元素は、第ＩＡ群がＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕからなり、第ＩＩ群がＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏからなり、第ＩＩＩ群がＥｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素の３つの群のうちの少なくとも２つの群から選択され、
前記サイアロンセラミック体は、アルファプライムサイアロン相およびベータプライムサイアロン相を含むとともに前記アルファプライムサイアロン相がＬａおよびＣｅを除く前記選択された希土類元素の１つ以上を含む二相複合材料を含み、
前記窒化ケイ素粉末は前記出発粉末混合物の少なくとも約７０重量％を占め、前記窒化ケイ素粉末のベータ−窒化ケイ素含有量は前記窒化ケイ素粉末の０重量％〜約１．６重量％である、
サイアロンセラミック体。
【請求項２６】
前記液相形成元素がＢａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｓｃのうちの１つ以上を含む群から選択される請求項２５に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項２７】
前記セラミック体が図７の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにより定義される台形により境界が定められた領域に位置する組成を有する請求項２５に記載のサイアロンセラミック体。
【請求項２８】
前記出発粉末混合物中の前記窒化ケイ素粉末がベータ窒化ケイ素を実質上０重量％含有する請求項２５に記載のサイアロンセラミック体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンアルミニウム酸窒化物（サイアロン）および希土類成分を含有するセラミック材料、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サイアロン材料の用途は広く、例えば各種金属切削用切削インサートや各種磨耗用磨耗部品（ポンプ用プランジャロッド、プランジャボールブランク、ダウンホールポンプ逆止弁ブランク、ブッシング、ブラストノズル、ならびに他の磨耗および衝撃用など）に利用されている。サイアロン材料を開示する例示的特許として、いずれもイェクレイ（Ｙｅｃｋｌｅｙ）の米国特許第４，５６３，４３３号、同第４，７１１，６４４号、同第６，６９３，０５４号が挙げられる。サイアロン材料について記載した記事に、イゼフスキ（Ｉｚｈｅｖｓｋｉｙ）らの、「サイアロンセラミックの進歩（Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｉｎ  ＳｉＡｌＯＮ  ｃｅｒａｍｉｃｓ）」（欧州セラミック協会ジャーナル（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）第２０号（２０００年）、２２７５〜２２９５ページ）がある。
【０００３】
サイアロン材料は、アルファプライム（アルファ’）相およびベータプライム（ベータ’）相、ならびにガラス相および／または結晶相などの１つ以上の他の相を含んでいてもよい。アルファプライムサイアロン相は式ＭxＳｉ12-(m+n)Ａｌm+nＯnＮ16-nで表すことができ、式中ＭはＬｉ、Ｃａ、Ｙ、Ｍｇもしくは他のランタニド類であり、ｘの理論最大値は２であり、ｎの値は０より大きく２．０以下であり、ｍの値は０．９以上３．５以下である。ベータプライムサイアロン相は式Ｓｉ6-ZＡｌZＯZＮ8-Zで表され、式中０<ｚ<４．２である。
【０００４】
上記Ｙｅｃｋｌｅｙの米国特許第６，６９３，０５４号には、アルファプライムサイアロン相とベータプライムサイアロン相とを含むサイアロン材料が開示されている。このセラミック材料には、アルファプライムサイアロン相が式ＹｂxＳｉ(m+n)ＡｌmＯnＮ16mを有するように、イッテルビウムが添加されている。いくつかの例では、ガラス相または結晶相が存在していた。さらに、Ｙｅｃｋｌｅｙの米国特許第６，６９３，０５４号には、ベータ窒化ケイ素を含有しないか少量（０重量％〜約１．６重量％）含有する窒化ケイ素出発粉末を用いた、イッテルビウムを含有するアルファ−ベータサイアロンの製造工程が開示されている。
【０００５】
サイアロン材料はアルファプライムサイアロン相およびベータプライムサイアロン相を含んでもよく、さらにサイアロン基質全体に分散された炭化ケイ素粒子を含有してもよい。このようなサイアロン材料はメーロトラ（Ｍｅｈｒｏｔｒａ）らの米国特許第４，８２６，７９１号に開示されている。
【０００６】
Ｍｅｈｒｏｔｒａらの米国特許第５，３７０，７１６号には、ベータプライムサイアロン相を含むｈｉｇｈ−Ｚ  サイアロン材料が開示されている。ベータプライムサイアロン相は式Ｓｉ6-ZＡｌZＯZＮ8-Zを有し、式中１<ｚ<３である。
【０００７】
チェン（Ｃｈｅｎ）らの米国特許第５，９０８，７９８号には、アルファプライムサイアロンを比較的高比率（存在する他の相よりも高比率）で有するサイアロンセラミックが開示されている。Ｃｈｅｎらの‘７９８特許には以下の添加物、すなわちＬｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、あるいはこれらの混合物が列挙されている。添加物はＮｄ、Ｙｂ、Ｓｍ、Ｙ、Ｌｉ、あるいはこれらの混合物であることがより望ましい。Ｃｈｅｎらの‘７９８特許の各実施例では、上記列挙された添加物のいずれか１種のみを使用しているようである。Ｃｈｅｎらの‘７９８特許は、ベータ窒化ケイ素を約９３重量％およびアルファ窒化ケイ素を約７重量％含む出発窒化ケイ素粉末を使用しているようである。Ｃｈｅｎらは、ベータ窒化ケイ素を含有しないか少量（０重量％〜約１．６重量％）含有する窒化ケイ素出発粉末を含む出発粉末混合物から製造されるサイアロンセラミックに関して何ら検討を行っていないようである。
【０００８】
ホアン（Ｈｗａｎｇ）らの米国特許第５，４１３，９７２号には、式：Ｍx（Ｓｉ，Ａｌ）12（Ｏ，Ｎ）16（式中０<ｘ<２）を有するアルファ−サイアロン相において陽イオン性元素Ｍである添加物を含む実質的にガラスフリーのアルファ−ベータサイアロンセラミック材料が開示されている。これらの添加物は、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂである。特定の実施例では、出発粉末混合物に酸化物として添加されるイットリウム（Ｙ）およびストロンチウム（Ｓｒ）を用いる。窒化ケイ素出発粉末は宇部興産製であり、「ＳＮＥ−１０」の商品名で市販されている。ティエン（Ｔｉｅｎ）らの特許には、ＳＮＥ−１０におけるβ／（α＋β）比率が５％未満であると記載されている。出願人は、宇部興産のＳＮＥ−１０窒化ケイ素粉末はベータ窒化ケイ素を約２重量％含有し、残部がアルファ窒化ケイ素と不可避不純物とを含むと考えている。Ｈｗａｎｇらの‘９７２特許は、ベータ窒化ケイ素を含有しないか少量（０重量％〜約１．６重量％）含有する窒化ケイ素出発粉末を含む出発粉末混合物から製造されるサイアロンセラミックに関して何ら検討を行っていないようである。
【０００９】
Ｔｉｅｎらの米国特許第６，１２４，２２５号には、アルファプライムサイアロンを高比率で有するサイアロンセラミック材料が開示されている。Ｔｉｅｎらは以下の添加物、すなわちＮｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙｂ、ＹおよびこれらとＧｄとの混合物を好適な添加物として列挙している。好適な一実施形態において、出発窒化ケイ素粉末はアルファ窒化ケイ素を約９５重量％有する。Ｔｉｅｎらの‘２２５特許は、ベータ窒化ケイ素を含有しないか少量（０重量％〜約１．６重量％）含有する窒化ケイ素出発粉末を含む出発粉末混合物から製造されるサイアロンセラミックに関して何ら検討を行っていないようである。
【００１０】
ヤマダ（Ｙａｍａｄａ）らの米国特許第５，２００，３７４号には、アルファ−ベータサイアロンセラミック材料が開示されている。Ｙａｍａｄａらの‘３７４特許は多数の添加物、すなわちＨｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂまたはＬｕを開示しているが、実施例では添加物を１種のみ用いているようである。出発粉末は、アルファ−サイアロン粉末と、宇部興産のＳＮＥ−１０粉末と同様の特性を有していると考えられる窒化ケイ素粉末と、を含むようである。出願人は、ＵＢＥ−１０窒化ケイ素粉末はベータ窒化ケイ素を約２重量％含有し、残部がアルファ窒化ケイ素と、不可避不純物とを含むと考えている。Ｙａｍａｄａらの‘３７４特許は、ベータ窒化ケイ素を含有しないか少量（０重量％〜約１．６重量％）含有する窒化ケイ素出発粉末を含む出発粉末混合物から製造されるサイアロンセラミックに関して何ら検討を行っていないようである。
【００１１】
宇部興産の日本特許公開第５−４３３３３号には、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕがサイアロンセラミック材料の添加物として列挙されている。実施例では添加物を１種のみ用いているようである。この日本特許公開は、少なくとも２重量％、あるいはそれより多い量のベータ窒化ケイ素を含有する窒化ケイ素出発粉末を含む出発粉末混合物から製造されるサイアロンセラミックに関して何ら検討を行っていないようである。
【００１２】
シェン（Ｓｈｅｎ）らの記事「加熱処理後のα／βサイアロンに生じる反応：α−サイアロンの熱安定性について（Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ  Ｏｃｃｕｒｒｉｎｇ  ｉｎ  Ｐｏｓｔ  Ｈｅａｔ−Ｔｒｅａｔｅｄ  α／β  Ｓｉａｌｏｎｓ：Ｏｎ  ｔｈｅ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  α−ＳｉＡｌＯＮ）」（欧州セラミック協会ジャーナル（Ｊｏｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）第１６号（１９９６年）８７３〜８８３ページ）には、単独で使用される以下の元素、すなわちＮｄ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｙｂが列挙されている。当該記事では出発窒化ケイ素粉末は宇部興産のＳＮ−Ｅ１０とされている。Ｓｈｅｎらの記事には、ベータ窒化ケイ素を含有しないか少量（０重量％〜約１．６重量％）含有する窒化ケイ素出発粉末を含む出発粉末混合物から製造されるサイアロンセラミックに関する教示はないようである。
【００１３】
ワン（Ｗａｎｇ）らの記事「常圧焼結によるＲ−α’β’−サイアロン（Ｒ＝Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙ、Ｙｂ）の調製（Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｒ−α’β’−Ｓｉａｌｏｎｓ（Ｒ＝Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙ  ａｎｄ  Ｙｂ）ｂｙ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅｌｅｓｓ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）」（Ｊｏｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）第１３号（１９９４年）４６１〜４６５ページ）には以下の元素、すなわちＳｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙ、Ｙｂが列挙されている。実施例は、これらの元素が単独で用いられ、組み合わせでは用いられないことを示しているようである。窒化ケイ素出発粉末は実験用であり酸素を１．５％含有することから、窒化ケイ素出発粉末の種類は不明であるようである。Ｗａｎｇらの記事では、ベータ窒化ケイ素を含有しないか少量（０重量％〜約１．６重量％）含有する窒化ケイ素出発粉末を含む出発粉末混合物から製造されるサイアロンセラミックに関する教示はないようである。
【００１４】
ノードバーグ（Ｎｏｒｄｂｅｒｇ）らの記事「ＲＥ−α−サイアロンセラミック（ＲＥ＝Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｙｂ）の安定性と酸化特性（Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ａｎｄ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ＲＥ−α−Ｓｉａｌｏｎ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ（ＲＥ＝Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｙｂ））」（米国セラミック協会誌（Ｊ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）８１［６］１４６１〜７０ページ（１９９８年）には、添加物を利用してアルファ−サイアロンを形成できることが開示されている。実施例では１種の希土類元素（例えばＮｄ、Ｓｍ、またはＹｂ）のみを利用しているようである。当該記事には、出発窒化ケイ素粉末が宇部興産のＳＮ−Ｅ１０として記載されている。ベータ窒化ケイ素を含有しないか少量（０重量％〜約１．６重量％）含有する窒化ケイ素出発粉末を含む出発粉末混合物から製造されるサイアロンセラミックに関する教示はないようである。
【００１５】
タナセ（Ｔａｎａｓｅ）らの米国特許第４，５４７，４７０号には、サイアロンにおける添加物として単独のイットリウムまたは単独のエルビウムが開示されており、またサイアロンとの関連でジルコニウムを炭窒化ジルコニウムの形態で用いることが開示されている。出発窒化ケイ素粉末は、アルファ窒化ケイ素を９０容量％含む。Ｔａｎａｓｅらの‘４７０特許は、ベータ窒化ケイ素を含有しないか少量（０重量％〜約１．６重量％）含有する窒化ケイ素出発粉末を含む出発粉末混合物から製造されるサイアロンセラミックに関して何ら検討を行っていないようである。
【００１６】
日立金属株式会社の日本特許第２，９８８，９６６号には、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂから選択された元素を含むアルファ−ベータサイアロンが開示されている。一実施例のみで、２つの元素（ＥｒとＹｂ）が用いられている。出発窒化ケイ素粉末のアルファ変換比率が９３%であることから、出発窒化ケイ素粉末はベータ窒化ケイ素を７重量％含有する粉末に相当する。
【００１７】
日本特許公開第４００２６６４Ａ号には、英文要約書によると、ＨｆもしくはＺｒと併用される以下の元素、すなわちＨｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂまたはＬｕを用いることのできるサイアロンセラミックが開示されている。この日本の文献では、ベータ窒化ケイ素を含有しないか少量（０重量％〜約１．６重量％）含有する窒化ケイ素出発粉末を含む出発粉末混合物から製造されるサイアロンセラミックに関して何ら検討を行っていないようである。
【００１８】
切削インサートなどの現状のサイアロンセラミック体は、許容できる特性（例えば硬度、靱性、耐熱衝撃性）を呈するものの、硬度、ヤング率、靱性、熱伝導率、耐熱衝撃性を含む改良された金属切削性能特性を呈する切削インサートとしての用途を有する改良されたサイアロン材料を供給することが望ましい。同じことがサイアロン磨耗部品にも当てはまる。現状のサイアロン磨耗部品は許容できる特性（例えば硬度、ヤング率、靱性、熱伝導率、耐熱衝撃性）を有するものの、改良された特性を呈する摩耗部品としての用途を有する改良されたサイアロン材料を供給することが望ましい。
【００１９】
この点で、サイアロン材料を製造するために粉末混合物を焼結する際、アルファプライムサイアロン粒子とベータプライムサイアロン粒子の間の粒子境界においては、結晶相が形成され得る。粒子境界における結晶相の量が増えると、サイアロン材料の破壊靱性の低下が起こり得る。よって、粒子境界に形成される結晶相の量が最小のサイアロン材料を提供することが望ましい。
【００２０】
添加物が液相を形成する温度は、サイアロン本体の緻密度に影響を与え得る。サイアロン本体の緻密度を改善するため、比較的低温で液相を形成する添加物を利用することが有利である。
【００２１】
同様に、アルファプライムサイアロン相の形成に関しては、粒間液相を形成し、焼結の際および焼結サイクルを通じて粒間液相を維持する添加物（非結合性液相形成添加物）を利用することが有利である。この場合、実質上、いずれの非結合性液相形成添加物もアルファプライムサイアロン相の一部とならない。すなわち、アルファプライムサイアロン相における非結合性液相形成添加物の検出量は、実質上ゼロである。このことは、具体的には、アルファプライムサイアロン相の粒子が十分に大きい（すなわち直径約２マイクロメートル以上程度である）場合に、エネルギー分散型分光−走査電子顕微鏡（ＥＤＳ／ＳＥＭ）技術を利用してアルファプライムサイアロン相の粒子中に非結合性液相形成添加物を検出することができないことを意味している。アルファプライムサイアロン相中に、検出可能な量の非結合性液相形成添加物が存在しない結果、焼結サイクルを通じて液相が維持される。焼結サイクルの間液相を維持することで、アルファプライムサイアロン相の形成量が増大する。出願人は、アルファプライムサイアロン相の含有量が増大したサイアロンセラミック体を提供することが望ましいことであると考えている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
高硬度サイアロンセラミック材料は、切削インサートや磨耗部品として特定の用途において利点を有する。一般的に、粒径が小さいサイアロンセラミック材料は高硬度である。したがって、粒径が小さく、それにより高硬度のサイアロンセラミック材料を提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
一形態において、本発明は、窒化ケイ素粉末と、アルミニウム、酸素、窒素、および少なくとも２種の選択された希土類元素をサイアロンセラミック体に提供する１種以上の粉末と、を含む出発粉末混合物から製造されるサイアロンセラミック体であって、選択された希土類元素は、第Ｉ群がＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕからなり、第ＩＩ群がＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏからなり、第ＩＩＩ群がＥｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素の３つの群のうちの少なくとも２つの群から選択される。サイアロンセラミック体は、アルファプライムサイアロン相およびベータプライムサイアロン相を含むとともにアルファプライムサイアロン相がＬａおよびＣｅを除く選択された希土類元素の１つ以上を含む二相複合材料を含む。窒化ケイ素粉末は出発粉末混合物の少なくとも約７０重量％を占め、窒化ケイ素粉末のベータ−窒化ケイ素含有量は窒化ケイ素粉末の０重量％〜約１．６重量％である。
【００２４】
別の形態において、本発明は、窒化ケイ素粉末と、アルミニウム、酸素、窒素、および少なくとも２種の選択された希土類元素をサイアロンセラミック体に提供する１種以上の粉末と、を含む出発粉末混合物から製造されるサイアロンセラミック体であって、希土類元素は、第Ｉ群がＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕからなり、第ＩＩ群がＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏからなり、第ＩＩＩ群がＥｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素の３つの群のうちの少なくとも２つの群から選択される。サイアロンセラミック体は、アルファプライムサイアロン相およびベータプライムサイアロン相を含む二相複合材料を含む。アルファプライムサイアロン相は、ＬａおよびＣｅを除く選択された希土類元素の１つ以上を含む。セラミック体は図７の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにより定義される台形により境界が定められた領域に位置する組成を有する。窒化ケイ素粉末は出発粉末混合物の少なくとも約７０重量％を占める。窒化ケイ素粉末のベータ−窒化ケイ素含有量は窒化ケイ素粉末の０重量％〜約１．６重量％である。
【００２５】
さらに別の形態において、本発明は、アルファプライムサイアロン相およびベータプライムサイアロン相を含む二相複合材料を含むサイアロンセラミック体の製造方法であって、該方法は、窒化ケイ素粉末を少なくとも約７０重量％と、アルミニウム、酸素、窒素、および少なくとも２種の選択された希土類元素をサイアロンセラミック体に提供する１種以上の他の粉末と、を含む出発粉末を提供する工程であって、希土類元素は、第Ｉ群がＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕからなり、第ＩＩ群がＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏからなり、第ＩＩＩ群がＥｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素の３つの群のうちの少なくとも２つの群から選択される工程と、アルファプライムサイアロン相およびベータプライムサイアロン相を含むとともにアルファプライムサイアロン相がＬａおよびＣｅを除く選択された希土類元素の１つ以上を含む二相複合材料を含むセラミック体を形成するために出発粉末混合物を固める工程であって、セラミック体が図７の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにより定義される台形により境界が定められた領域に位置する組成を有する工程と、を含む。
【００２６】
さらに別の形態において、本発明は、窒化ケイ素粉末と、アルミニウム、酸素、窒素、液相形成元素、および少なくとも１種の選択された希土類元素をサイアロンセラミック体に提供する１種以上の粉末と、を含む出発粉末混合物から製造されるサイアロンセラミック体である。選択された希土類元素が１種である場合、選択された希土類元素は、第Ｉ群がＰｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕからなり、第ＩＩ群がＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏからなり、第ＩＩＩ群がＥｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる群のいずれかより選択される。選択された希土類元素が複数種である場合、希土類元素は、第ＩＡ群がＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕからなり、第ＩＩ群がＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏからなり、第ＩＩＩ群がＥｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素の３つの群のうちの少なくとも２つの群から選択される。サイアロンセラミック体は、アルファプライムサイアロン相およびベータプライムサイアロン相を含むとともにアルファプライムサイアロン相がＬａおよびＣｅを除く選択された希土類元素の１つ以上を含む二相複合材料を含む。窒化ケイ素粉末は出発粉末混合物の少なくとも約７０重量％を占め、窒化ケイ素粉末のベータ−窒化ケイ素含有量は窒化ケイ素粉末の０重量％〜約１．６重量％である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
サイアロンセラミック材料は、各種金属切削用切削インサートとして利用されている。また、サイアロンセラミック材料は各種磨耗用磨耗部品として、および各種衝撃用衝撃部品として利用されている。本発明のサイアロンセラミック材料は、切削インサート、磨耗部品、衝撃部品、および、硬質・高密度（ｈａｒｄ  ｄｅｎｓｅ）セラミック材料の特性が望まれる任意の他の商品としての用途を有する。
【００２８】
本発明はセラミック材料に関し、またセラミック材料の製造方法に関する。その特定のセラミックは、シリコンアルミニウム酸窒化物（サイアロン）セラミック材料である。より具体的には、本発明は、焼結の際にアルファ−サイアロン構造内に入らない非結合性液相形成添加物（選択された希土類元素（例えばランタンもしくはセリウム）であってもよい）と、アルファ−サイアロン構造内に入る少なくとも１つの希土類元素とを出発粉末混合物中に含むサイアロン材料に関する。粉末混合物を焼結する際、非結合性液相形成添加物および１種の希土類添加物は、それぞれ液相を形成する。
【００２９】
焼結工程の間、非結合性液相形成添加物の有効部分は実質上アルファプライムサイアロン相（またはベータプライムサイアロン相）の一部を形成せず（すなわち検出量が実質上ゼロであり）、このため焼結工程を通じて液相が維持される。より詳しくは、式で表されるように、ベータプライムサイアロン相は非結合性液相形成添加物を含まない。アルファプライムサイアロン相に関しては、アルファプライムサイアロン相に存在する非結合性液相形成添加物の検出量は実質上ゼロである。これは、直径が約２マイクロメートル以上のアルファプライムサイアロン相の粒子をＥＤＳ／ＳＥＭ技術によって分析する方法では非結合性液相形成添加物の存在を検出できないという意味である。
【００３０】
液相の存在はアルファプライムサイアロン相の形成を強化する（増大させる）。アルファプライムサイアロン相は１種の希土類元素、すなわちアルファ−サイアロン構造内に入った希土類を含む。これらの添加物は後述する多数の化合物または元素（選択された希土類元素を含む）を含むことができる。アルファプライムサイアロン相の一部を占める特定の希土類元素についても後述する。
【００３１】
アルファプライム−サイアロン相およびベータプライム−サイアロン相を含むサイアロンセラミック材料に関して、本発明の態様において、出発粉末混合物は少なくとも２種の選択された希土類元素を含有する。選択される希土類元素は、第Ｉ群がＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕからなり、第ＩＩ群がＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏからなり、第ＩＩＩ群がＥｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素の３つの群のうちの少なくとも２つの群から選択される。アルファプライムサイアロン相は式（ＲＥ）xＳｉ12-(m+n)Ａｌm+nＯnＮ16-nを有し、式中ＲＥはＬａおよびＣｅを除く上記の選択された希土類元素のうちの少なくとも１つによる寄与である。本発明のこの態様において、出願人は、希土類元素のうちの一つ（例えば非結合性液相形成希土類元素とみなすことのできるランタンもしくはセリウム）が焼結工程の間、および焼結工程を通じて液相を形成することが好ましいと考える。液相形成希土類元素がアルファプライムサイアロン相の一部を形成することはなく、よってアルファプライムサイアロン相における非結合性液相形成希土類元素の検出量は実質上ゼロである。Ｘ線回折技術によると、アルファプライムサイアロン相中のｘ値は約０．１０〜約０．４５の間である。ｍ値はｘ値の３倍に等しい。アルファプライムサイアロン相は通常は等軸の粒子を含む。上記記載では２つの希土類元素に言及したが、当然ながらサイアロンセラミック体を製造するための出発粉末混合物に３つ以上の希土類元素が含まれていてもよい。
【００３２】
アルファプライム−サイアロン相およびベータプライム−サイアロン相を含むサイアロンセラミック材料に関して、非結合性液体形成添加物が希土類元素および少なくとも１つの希土類元素（あるいは、２種以上の希土類元素）でない本発明の態様において、アルファプライム相は式（ＲＥ）xＳｉ12-(m+n)Ａｌm+nＯnＮ16-nを有し、式中ＲＥはアルファプライムサイアロン相に対する希土類元素の寄与である。希土類元素は以下のパラメータにしたがって選択される。（ａ）選択された希土類元素が１種である場合、選択された希土類元素は、第Ｉ群がＰｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕからなり、第ＩＩ群がＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏからなり、第ＩＩＩ群がＥｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる群のいずれかから選択され、（ｂ）選択された希土類元素が複数種である場合、希土類元素は、第ＩＡ群がＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕからなり、第ＩＩ群がＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏからなり、第ＩＩＩ群がＥｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素の３つの群のうちの少なくとも２つの群から選択される。出願人は、ｘ値、ｍ値、ｎ値は上述のように実質上同一のままであると考えている。このセラミックでは、アルファプライムサイアロン相は通常は等軸の粒子を有する。
【００３３】
いずれのセラミック体についても、ベータプライムサイアロン相は式Ｓｉ6-ZＡ１ZＯZＮ8-Zを有する。好適なｚ値は０．３より大きく１．５未満であり、金属切削用途が異なると、「ｚ」値の好適な範囲も異なる。例えば、本発明が鋳鉄を機械加工するための切削工具として利用される場合、好適なｚ値は０．３より大きく０．６未満である。別の例として、本発明が高温合金（例えばインコネル７１８）を機械加工するための切削工具として利用される場合、好適なｚ値は０．７より大きく１．５未満である。ベータプライムサイアロン相は通常は細長の粒子を含む。出発粉末混合物がベータ窒化ケイ素を含有しないか少量（０重量％〜約１．６重量％）含有する窒化ケイ素出発粉末を含むことが重要である。実質上０重量％のベータ窒化ケイ素を含有する窒化ケイ素出発粉末を用いることが最も望ましい。
【００３４】
本願明細書で述べられているサイアロンセラミック材料は、粒間相などの１つ以上の追加の相を含む。粒間相はガラス相を含んでもよく、粒間結晶相が存在してもよい。一般的に、ガラス相は希土類元素、ケイ素、酸素、アルミニウム、窒素を含む非晶相である。
【００３５】
図面を参照すると、図１は、全体が参照番号２０で示されるＲＮＧ−Ｔ型の切削インサートを図示している。切削インサート２０は、通常は円筒形の逃げ面２２と、それぞれが通常は円形の一対の対向するすくい面２４とを有する。逃げ面２２はすくい面２４と交差して円形の切削エッジ２６を画定する。切削エッジ２６は面取り部を有する。切削インサート２０は本発明のサイアロンセラミック材料を含む。
【００３６】
切削インサート２０を含むサイアロンセラミック材料に関して、このサイアロンセラミック材料は本発明の主題であるセラミックの１種である。当然ながら本発明のサイアロンセラミックは別の態様を有し、セラミック材料はこれらの態様のいずれであってもよい。また、出願人は好適な用途により限定されることを意図していないが、このセラミック切削インサートの１つの好適な用途は、被加工材料としての鋳鉄グレードの高速（例えば、毎分約１５００フィート以上の速度）回転である。
【００３７】
図２は、全体が参照番号３０で示される切削インサートの第二の特定の実施形態を図示している。切削インサート３０は基材３２および被覆３４を有する。切削インサート３０は、通常は円筒形の逃げ面３６と一対の対向する通常は円形のすくい面３８とを有する。逃げ面３６はすくい面３８と交差して円形の切削エッジ４０を形成する。各切削エッジ４０は面取り部を有する。基材３２は本発明のサイアロン材料を含む。基材３２の材料は被覆を有さない切削インサート２０の材料と同一であってもよい。
【００３８】
図２のセラミック基材の製造工程は図１のセラミック材料のセラミック材料の製造工程と実質上同一である。この点において、一般的には圧縮粉末混合物がバッチ焼結されもしくはベルト焼結される。必要に応じて焼結基材に熱間静水圧成形（ＨＩＰ）処理を行ってもよい。加圧焼結工程を、セラミック材料をち密化するために用いることもできる。工程の詳細は後述する。
【００３９】
被覆は、化学気相堆積法（ＣＶＤ）および物理的気相成長法（ＰＶＤ）を含む既知の技術により付与される１つ以上の層の被覆構造を含んでもよい。被覆材料は１〜１０マイクロメートルの深さまで、より好適には３〜５マイクロメートルの深さまで付与された、ＣＶＤ法によるアルミナを含んでいてもよい。例えば、被覆材料はＰＶＤ法により付与された窒化チタンアルミニウムを含んでもよい。被覆材料は多層被覆構造を含んでいてもよく、基材に隣接する層はアルミナを含むことが望ましい。窒化チタンアルミニウム被覆はアルミニウムリッチな組成を有することが望ましい。
【００４０】
以下に、本発明のいくつかの実施例を示す。実施例はイッテルビウムおよびランタンを含有するサイアロンセラミック材料を含む。イッテルビウムは本願明細書において特徴付けられるように第ＩＩＩ群希土類元素の構成元素であり、ランタンは本願明細書において特徴付けられるように第Ｉ群希土類元素の構成元素である。これらの実施例はイッテルビウムおよびランタンを含有するが、出願人には本発明の範囲をこれらの実施例の組成に限定する意図はない。
【００４１】
アルファプライム−ベータプライムサイアロンセラミック体の製造における１つの有利な特徴は、得られるセラミック体の組成および結晶相含有量を制御することが（または少なくともある程度の制御を行うことが）できることである。例えば、出願人は、セラミック中のアルファプライムサイアロン相の含有量が、セラミックの特性、特に、被覆のないセラミック切削インサートまたは被覆セラミック切削インサートの基材としてあるいはすぐれた磨耗部品としてセラミックがすぐれた機能を果たすことを可能にする特性に影響を与えると考えている。
【００４２】
以下に、このようなサイアロンセラミック体のアルファプライムサイアロン含有量がなぜ（少なくともある程度）制御可能なのかについての出願人の理解を記述する。しかし、出願人は自らの理解に関する以下の記載によって制限される意図はない。
【００４３】
また、出願人は、焼結の際および焼結の間に珪酸塩液相を形成するがアルファプライムサイアロン相の一部を形成することのない他の添加物（非結合性添加物）はまた、ランタンの添加によって得られる結果に沿った有利な結果をもたらすはずであると考えている。この点において、例示的非結合性添加物は、ＢａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、Ｓｃ2Ｏ3（これらの非結合性添加物はすぐれた緻密化添加物であり、アルファ−サイアロン相内に入らない）を含む。これらの添加物は、出発粉末混合物の約０．１重量％〜約１．０重量％の範囲で添加される。本発明のこの態様において、出発粉末混合物は焼結の際に珪酸塩液相を形成する添加物を含み、該添加物がアルファプライムサイアロン相の一部を形成することはない（すなわち非結合性液相形成添加物）。液相が継続的に存在することでアルファプライムサイアロン相の形成が強化され、これによりアルファプライムサイアロン相の含有量が増大したサイアロンセラミックが得られる。
【００４４】
出願人は、本発明において作用すると考えられる以下の理論によって限定されることを意図していないが、（上記の如く特徴付けられた）異なる第Ｉ群、第ＩＩ群および／または第ＩＩＩ群から選択された２種以上の希土類元素が固溶体を形成しないので、上記選択パラメータを通じて利点が得られると考えている。これらの群における元素のイオン半径は希土類元素の列を通じて小さくなり、そして、希土類元素のイオン半径間の差異が大きくなるにつれ、これらの元素が同一結晶構造内に入らない傾向が高まる。このことは、第Ｉ群、第ＩＩ群および／または第ＩＩＩ群から選択された希土類元素が粒間領域において結晶化しようとするため、緻密化および焼結温度からの冷却の間、結晶化速度が低下することを意味する。
【００４５】
また、出願人は、改良された特性は、サイアロンセラミック材料がベータ窒化ケイ素を含有しないか少量（０重量％〜約１．６重量％）含有する窒化ケイ素出発粉末を含む出発粉末混合物から製造されるという事実によって高められたものであると考えている。この点において、出願人は、特定の理論によって限定されることを意図してはいないが、ベータ窒化ケイ素粒子がベータプライムサイアロン粒子の核形成および成長の種であると考えている。ベータ窒化ケイ素粒子数が増えると、より早い段階でベータプライムサイアロン粒子が相互に衝突し、それにより高アスペクト比ベータプライムサイアロン粒子の形成が制限される。さらに、ベータ窒化ケイ素粒子数が増えるとアルファプライムサイアロン粒子の含有量が減少する。出発粉末混合物中に含まれるベータ窒化ケイ素粒子数を少なくすると、焼結の際にアルファプライムサイアロン基質内でベータプライムサイアロン粒子が成長するための核形成位置の数が制限される。その結果、アルファプライムサイアロン相基質の強靭化を生ずる、高アスペクト比ベータプライムサイアロン粒子が得られる。この説明は、本特許出願の譲受人に譲渡されたＹｅｃｋｌｅｙの米国特許第６，６９３，０５４号にも記載されている。
【００４６】
以下に記載するように、これらの実施例の出発窒化ケイ素粉末はベータ窒化ケイ素を含有しない。しかし、実施例がベータ窒化ケイ素を含有しない窒化ケイ素出発粉末を利用しているという事実には、本発明の範囲を限定する意図はない。本願明細書に記載するように、窒化ケイ素粉末のベータ−窒化ケイ素含有量は窒化ケイ素粉末の０重量％〜約１．６重量％であってもよい。
【００４７】
特定の実施例を参照すると、表１はバッチ（Ｂａｔｃｈ）番号２６５１Ａ〜２６５１Ｄおよびバッチ番号２６５０Ｃ〜２６５０Ｄの出発粉末組成（全出発粉末混合物における重量％）を記載している。各出発粉末混合物は窒化ケイ素粉末を含んでいた。出発窒化ケイ素粉末の０重量％がベータ−窒化ケイ素粉末を含み、残部（不純物を除く）はアルファ−窒化ケイ素を含んでいた。
【００４８】
【表１】
2008529948.tif 000003
【００４９】
出発粉末について以下に簡単に説明する。窒化ケイ素粉末は宇部興産製の、ＳＮＥ０３の商品名で市販されているものである。この窒化ケイ素粉末は、ベータ窒化ケイ素を含有しない代わりに、不純物を除いてアルファ窒化ケイ素を約１００％含む。
【００５０】
窒化アルミニウム出発粉末は、ハーマン・C・スターク（Ｈｅｒｍａｎ  Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ）社（米国ニューヨーク州、ニューヨーク）からＧｒａｄｅ  Ａの商品名で供給された。酸化アルミニウム出発粉末は、サソル・ノース・アメリカ（Ｓａｓｏｌ  Ｎｏｒｔｈ  Ａｍｅｒｉｃａ）社（米国アリゾナ州、タクソン、セラロクス地域）からＨＰＡ−０．５の商品名で供給された（意図的にマグネシアを０．５重量％添加している）。酸化イッテルビウム出発粉末および酸化ランタン出発粉末は、モリコープコーポレーションオブマウンテンパス（Ｍｏｌｙｃｏｒｐ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍｏｕｎｔａｉｎ  Ｐａｓｓ）社（米国カリフォルニア州）から供給された。
【００５１】
セラミック材料の製造方法について言及すると、上記表１に記載のバッチの各々について、出発粉末混合物を、イソプロパノールとともに約８時間から約１６時間にわたり、アルファ’サイアロン−ベータ’サイアロン媒体を用いてミルにかけ（ｍｉｌｌｅｄ）、スラリーを形成した。ミル（ｍｉｌｌｉｎｇ）完了後、スラリーを４００メッシュスクリーンを通して排出させ、真空乾燥して乾燥粉末を形成した。次いで、乾燥粉末は流動床法を用いてフィッツミル（破砕造粒機）にかけられペリタイズされた（ｐｅｌｌｉｔｉｚｅｄ）。流体化工程中にロジンおよびＣａｒｂｏｗａｘ４００がバインダとして添加された。次いで、ペリタイズされた材料（乾燥粉末およびバインダー材料）は乾燥圧縮され、密度が約２〜約２．１５グラム／立方センチメートルの生の（ｇｒｅｅｎ）成形体が形成された。次いで、最大温度が約８７５℃のエアバーンアウトサイクルによりバインダが除去された。
【００５２】
次いで、成形体はベルト焼結もしくはバッチ焼結のいずれかにより焼結された。バッチ焼結に関しては、工程は成形体をグラファイトボックス内に配置することを含んでいた。成形体は８０重量％窒化ケイ素−２０重量％窒化ホウ素粉末混合物内に埋設された。成形体は１８２５℃で６０分間、１気圧の窒素雰囲気下にて焼結された。
【００５３】
ベルト焼結工程に関しては、成形体は寸法が４インチ×８インチ×１．２５インチのＢＮ（窒化ホウ素）匣鉢（ｓａｇｇｅｒ）にロードされた。ＲＮＧ４３およびＣＮＧＡ４３３型切削インサートについては、１ボックスあたり３層の成形体が、１層あたり５５の成形体が存在した。ＢＮ匣鉢は２段に積層され、連続焼結炉のベルト上に配置された。炉は４基の個別制御される加熱域を含み、各加熱域の長さは１２インチであった。加熱用ランプ速度は毎分約１５０℃であった。加熱域の温度は、第一の加熱域が約１５５０℃、第二の加熱域が約１６５０℃、第三の加熱域が約１７６５℃、第四の加熱域が約１７６５℃となるように保持された。成形体は各加熱域に約３０分間滞在した。得られた本体はベルト焼結されたセラミック体であった。炉はミラー・ジュニア（Ｍｉｌｌｅｒ，Ｊｒ）の米国特許第５，６４８，０４２号「高温ベルト炉装置およびその使用方法（ＨＩＧＨ  ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ  ＢＥＬＴ  ＦＵＲＮＡＣＥ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＵＳＩＮＧ  ＴＨＥ  ＳＡＭＥ）」に記載された炉と同様のものである（これらの例で使用された炉が４つの加熱域を有する点は除く）。
【００５４】
一般的に、ベルト焼結に関しては、成形体焼結用にベルト炉を利用することはウィットマー（Ｗｉｔｔｍｅｒ）らの「窒化ケイ素の連続バッチ焼結の経済比較（Ｅｃｏｎｏｍｉｃ  Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ａｎｄ  Ｂａｔｃｈ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）」、米国セラミック協会会報（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｂｕｌｌｅｔｉｎ）、第７２巻、第６号（１９９３年）、１２９〜１３７ページ、Ｗｉｔｔｍｅｒらの「Ｓｉ3Ｎ4の連続焼結のバッチ焼結に対する比較（Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ  ｔｏ  Ｂａｔｃｈ  Ｓｉｎｇｅｒｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｉ3Ｎ4）」、セラミック会報（Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｂｕｌｌｅｔｉｎ）、第７０巻、第９号（１９９１年）１５１９〜１５２７ページ、およびＷｉｔｔｍｅｒらの「被制御雰囲気ベルト炉におけるＳｉ3Ｎ4の連続焼結（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｉ3Ｎ4  ｉｎ  ａ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ  Ｂｅｌｔ  Ｆｕｒｎａｃｅ）」に記載されている。公開されたＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ９９／１４２３１号（国際出願日１９９９年６月２３日）「セラミックおよびその連続焼結工程（ＣＥＲＡＭＩＣ  ＡＮＤ  ＰＲＯＣＥＳＳ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＣＯＮＴＩＮＵＯＵＳ  ＳＩＮＴＥＲＩＮＧ  ＴＨＥＲＥＯＦ）」にはセラミックのベルト炉における連続焼結について開示されており、焼結製品はアルファ’−サイアロン相およびベータ’−サイアロン相を含む。
【００５５】
下記の表において特定される特定の工程を以下に説明する。
【００５６】
工程Ｅ５７２および工程Ｅ５７３はそれぞれ上記パラメータ毎にバッチ焼結工程を含む。すなわち、成形体をグラファイトボックス内に配置し、グラファイトボックス内で成形体は８０重量％窒化ケイ素−２０重量％窒化ホウ素粉末混合物に埋設された。次いで、成形体は１気圧の窒素雰囲気下にて１８２５℃で６０分間焼結された。
【００５７】
工程ＢＳＷＫｌ００４は上記と同様のベルト焼結工程を含む。すなわち、炉が４つの温度域を有し、各温度域は、第一の加熱域が約１５５０℃、第二の加熱域が約１６５０℃、第三の加熱域が約１７６５℃、第四の加熱域が約１７６５°Ｃとなるように保持された。成形体は各加熱域に約３０分間保持された。
【００５８】
工程Ｋｚ５３３、工程Ｋｚ５３４、工程Ｋｚ５３５はそれぞれ、約１００００〜約２００００ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）の気体圧力で、１８００℃で３０分間加圧することを含む熱間静水圧成形（ＨＩＰ）サイクルを含む。これらのＨＩＰサイクルは焼結後に行われるため、焼結基材上に実行される。基材はバッチ焼結されていてもよく、あるいはベルト焼結されていてもよい。
【００５９】
実施例の特定の組成の特性に関して、下記表２は表１に示すサイアロン組成の密度を記載している。大部分の実施例において、表２は２つの密度測定値を報告している。但し、１つの密度測定値のみが報告され、第二の測定値が存在しない場合はダッシュで示されている。密度はグラム毎立方センチメートル（ｇ／ｃｍ3）の単位で報告されている。表２に列挙された実施例はそれぞれ、当該実施例に沿って特定された工程にしたがって処理された。
【００６０】
【表２】
2008529948.tif 000004
【００６１】
表３は表１に記載したサイアロン組成に存在する相を記載している。また、表３はサイアロンセラミック体の製造に利用される特定の工程を記載している。
【００６２】
表３に記載される相は以下の方法で決定された。Ｙｂ4ＳｉＡｌＯ8Ｎ結晶相およびＳｉＡｌ5Ｏ結晶相の各結晶相について記載された値は、主ピーク、すなわちベータプライムサイアロン相のピークと比較された特定の結晶層のピークの相対強度である。
【００６３】
アルファ’−サイアロン相の重量％の決定に関しては、アルファ’−サイアロン相の重量％は以下の関係式に基づいて計算される。
アルファ’−サイアロンの重量％＝（１．７２Ｉα'-SiAlON÷（１．７２Ｉα'-SiAlON+Ｉβ'-SiAlON+０．２３ＩSi+０．４８ＩSiC））×１００％
同様に、ベータ’−サイアロン相の重量％は以下の関係式に基づいて計算される。
ベータ’−サイアロンの重量％＝（Ｉβ'-SiAlON÷（１．７２Ｉα'-SiAlON+Ｉβ'-SiAlON+０．２３ＩSi+０．４８ＩSiC））×１００％
式中、
Ｉα'-SiAlON＝アルファ’−サイアロンの（２０１）反射の測定されたＸ線回折、
Ｉβ'-SiAlON＝ベータ’−サイアロンの（２００）反射の測定されたＸ線回折強度、
ＩSi＝シリコン金属の（１１１）反射の測定されたＸ線回折強度、
ＩSic＝炭化ケイ素（６ｈ）の（０１５）反射の測定されたＸ線回折強度である。
この方法は、Ｚ．メンシック，Ｍ．Ａ．ショートおよびＲ．Ｃ．ピータースの記事「Ｘ線回折による合成窒化ケイ素の量的相分析（Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ  Ｐｈａｓｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  ｂｙ  Ｘ−ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）」Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｘ−ｒａｙ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  第２３巻、１９７９年、３７５〜３７９ページに記載された方法から採用された。
【００６４】
これらの回折Ｘ線強度は４５ＫＶ、４０ＭＡで操作したＢｒａｇｇ‐Ｂｒｅｎｔａｎｏ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｏｐｔｉｃｓ  ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒを用いて測定された。入射Ｘ線光学系は、１／２度の発散スリットと１度の散乱線除去スリットとを含む。受光光学系は０．１５ｍｍの受光スリット、曲線グラファイトモノクロメータ、および密閉検出器を含んでいた。回折データはステップモードで１０〜９０度２θで集められ、電子化された方法により分析された。
【００６５】
まず多項式バックグラウンド関数のフィッティングにより、集められた回折データを補正した。バックグラウンド補正データはプロファイル−フィッティング技術を用いて分析され、上記回折反射のピーク位置および強度が決定された。
【００６６】
Ｙｂ4ＳｉＡｌＯ8Ｎ結晶相とＳｉＡｌ5Ｏ結晶相の相対強度の決定に関しては、Ｙｂ4ＳｉＡｌＯ8Ｎ結晶相とＳｉＡｌ5Ｏ結晶相の相対強度は以下のように計算される。
Ｙｂ4ＳｉＡｌＯ8Ｎ相の相対強度＝ＩYb4SiAlO8N÷ＩHighest
ＳｉＡｌ5Ｏ相の相対強度＝ＩSiAl5O÷ＩHighest
式中、
ＩYb4SiAlO8N＝Ｙｂ4ＳｉＡｌＯ8Ｎの（２１１）反射の測定されたＸ線回折強度、
ＩSiAl5O＝ＳｉＡ5Ｏの（２０１）反射の測定されたＸ線回折強度、
ＩHighest＝検出された最高ピーク（一般的にベータ’−サイアロン）の測定されたＸ線強度、である。
回折設定はアルファ’−サイアロンおよびベータ’−サイアロンの重量％を決定するための回折設定と同一である。
【００６７】
ランタンを含有する組成において、ランタンは非晶相に含有される。セリウムを含有する組成において、セリウムは非晶相に含有される。
【００６８】
【表３】
2008529948.tif 000005
【００６９】
表４は表１のサイアロン組成の存在する相と物性を記載している。表４はアルファプライムサイアロン相（アルファプライムサイアロン相およびベータプライムサイアロン相の二相複合材料の重量％）、結晶間相Ｙｂ4ＳｉＡｌＯ8Ｎ相の相対強度（ＲＩ）、および結晶間相ＳｉＡｌ5Ｏ2Ｎ5の相対強度（ＲＩ）を示す。アルファプライムサイアロン含有量は上述した技術に基づいて決定された。各結晶相の相対強度（ＲＩ）は上述した技術に基づいて決定された。
【００７０】
また、表４では「焼結ＨＩＰ」の項目の下にサイアロンセラミック体の製造に利用された工程が示されている。物性の測定に関しては、１８．５キログラムの負荷を用いてヴィッカース（Ｖｉｃｋｅｒｓ）硬度（Ｈｖｎ）が測定され、ギガパスカル単位で示された。破壊靱性（ＫIC）は、研磨面上でＰａｌｍｑｖｉｓｔインデンテーション（ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ）技術を利用して、１８．５キログラムの負荷を用いてヴィッカースインデンタ上で、エヴァンス（Ｅｖａｎｓ）とチャールズ（Ｃｈａｒｌｅｓ）の記事「インデンテーションによる破壊靱性の決定（Ｆｒａｃｔｕｒｅ  Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ  Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ）」（Ｊ．アメリカンセラミック協会（Ｊ．Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）、５９巻、７〜８号、３７１〜３７２ページ）に基づいて測定された。
【００７１】
【表４】
2008529948.tif 000006
【００７２】
図３はイッテルビウムのみを添加物として含有する従来技術のサイアロンセラミック材料（ａｂ８３７８）の微細構造を示す顕微鏡写真である。出発粉末混合物の組成は、窒化ケイ素が８８．２５重量％（窒化ケイ素粉末の０重量％がベータ窒化ケイ素を含む）、窒化アルミニウムが４．０重量％、酸化アルミニウムが２．６重量％、酸化イッテルビウムが５．１５である。出発粉末混合物はミルにかけられ圧縮され、生の成形体を形成した。成形体は以下のパラメータにしたがってベルト焼結され、熱間等静圧圧縮された。ベルト焼結に関して、第一の加熱域が約１５５０℃、第二の加熱域が約１６５０℃、第三の加熱域が約１７６５℃、第四の加熱域が約１７６５°Ｃにそれぞれ保持された４つの加熱域が存在した。成形体は各加熱域に約３０分間保持された。熱間静水圧成形工程に関して、ベルト焼結セラミック体は１８００℃で３０分間、約１００００〜約２００００ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）の気体圧力下で熱間等静圧圧縮される。
【００７３】
図３に示されるセラミック体の微細構造について、暗い粒子はベータプライムサイアロン相の粒子であり、中間グレイ粒子はアルファプライムサイアロン相の粒子であり、明るい相は粒間相である。なお、暗い粒子はアスペクト比を有する。
【００７４】
図４は上述の実施例２６５０Ｃ（組成ＩＤ：ａｂ７（３７）９）を含む本発明のサイアロンセラミック材料の微細構造を示す顕微鏡写真である。図４において、暗い粒子はベータプライムサイアロン相の粒子、中間グレイ粒子はアルファプライムサイアロン相の粒子、明るい相は粒間相である。セラミック体は上述のベルト焼結工程および上述の熱間静水圧成形工程により製造された。図４に示される微細構造より、アルファプライムサイアロン相の粒径が、図３のセラミック体におけるアルファプライムサイアロン相の粒径よりも小さいことがわかる。
【００７５】
図５は上述の実施例２６５０Ｃを含む本発明のサイアロンセラミック材料の微細構造を示す顕微鏡写真である。図５において、暗い粒子はベータプライムサイアロン相の粒子、中間グレイ粒子はアルファプライムサイアロン相の粒子、明るい相は粒間相である。セラミック体は上述のバッチ焼結工程および上述の熱間静水圧成形工程により作製された。図５に示された微細構造から、アルファプライムサイアロン相の粒径が、図４のセラミック体におけるアルファプライムサイアロン相の粒径よりも小さいことがわかる。
【００７６】
全体として、これらの顕微鏡写真を見ると、より細かい粒子のミクロ構造は磨耗用途に適し、細かい粒子の微細構造を有さない材料よりも高い強度を示すことが期待できることがわかる。
【００７７】
出願人は、出発窒化ケイ素粉末中のベータ窒化ケイ素の量は焼結された微細構造中に存在するアルファプライムサイアロン相の量に影響を与えると考えている。この点は上述したＹｅｃｋｌｅｙの米国特許第６，６９３，０５４号に詳しい記載がある。具体的には、出発窒化ケイ素粉末中のベータ窒化ケイ素の量が増えると、焼結微細構造中に存在するアルファプライムサイアロン相の量が減少する。さらに、出願人は、窒化ケイ素出発粉末が含むベータ窒化ケイ素がゼロであるか少量（すなわち下限は０重量％であり、上限は約１．６重量％である量）である場合、サイアロンセラミック体のより高い靱性が得られると考えている。バッチ番号２５６１Ａ〜２６５１Ｄ、２６５０Ｃ〜２６５０Ｄの各々について、出発窒化ケイ素粉末混合物中におけるベータ−窒化ケイ素含有量は０重量％であり、出発窒化ケイ素粉末中におけるアルファ−窒化ケイ素含有量は約１００重量％（なお、いくらかの不純物は存在する）である。
【００７８】
出発粉末混合物中におけるベータ−窒化ケイ素量は２つの方法のいずれかによって制御できる。第一の方法は所定量の２種以上の窒化ケイ素粉末を混合する方法であり、既知のベータ含有量の窒化ケイ素粉末が得られるような各粉末のアルファおよびベータ含有量が知られている。第二の方法は、１００％アルファ窒化ケイ素粉末に対して、選択された量の１００％ベータ窒化ケイ素粉末を添加することによって、既知のベータ含有量の窒化ケイ素粉末を得る方法である。後者の方法によればベータ窒化ケイ素成分の粒径制御が容易となる。
【００７９】
上述したように、出願人は、出発窒化ケイ素粉末のベータ窒化ケイ素含有量の影響に関して、特定の理論によって制限されることを意図してはいないが、ベータ窒化ケイ素粒子はベータプライムサイアロン粒子の核形成および成長の種であると考えている。ベータ窒化ケイ素粒子の数が増えると、より早い段階でベータプライムサイアロン粒子が相互に衝突し、それにより高アスペクト比ベータプライムサイアロン粒子の形成が制限される。また、ベータ窒化ケイ素粒子の数が増えると、アルファプライムサイアロン粒子の含有量が減る。出発粉末混合物中のベータ窒化ケイ素粒子数を減らすと、焼結の際にアルファプライムサイアロン基質内でベータプライムサイアロン粒子が成長するための核形成位置の数が制限される。その結果、ベータプライムサイアロン粒子のアスペクト比がより高くなり、それによりアルファプライムサイアロン相基質の強靭化が起こる。
【００８０】
出願人は、ランタン（酸化ランタンの形態で添加されることが望ましい）は液相を形成し、アルファプライムサイアロン相の一部にはならないと考えている。換言すれば、式ＲＥxＳｉ12-(m+n)Ａｌm+nＯnＮ16-n（式中、ＲＥは希土類の寄与（ＬａおよびＣｅを除く１つ以上の希土類の寄与とすることができる））を有するアルファプライムサイアロンのランタン検出量は実質上ゼロであり、したがって式中のＲＥは実質上ランタンを含み得ない。ランタンはアルファプライムサイアロン相を形成しない（またはアルファプライムサイアロン相においては、ランタン検出量が少なくとも実質上ゼロである）ことから、焼結温度において焼結工程を通じて液相が存在する。これは、アルファプライムサイアロン相（またはベータプライムサイアロン相）が液相中に存在するランタンを消費しないためである。出願人は、焼結工程の早い段階で液相が存在することがアルファプライムサイアロン相の形成を強化し、他の希土類元素（好適にはそれぞれ酸化物の形態で出発粉末混合物に添加される）はアルファプライムサイアロン相の一部となる（１つ以上の他の希土類元素が上記式のＲＥを占める）と考えている。出願人は、セリウムを用いると液相形成が生し、セリウムはアルファプライムサイアロン相の一部とはならないと考えている。
【００８１】
図６は、アルファプライムサイアロン相の含有量（単位：重量％）を、異なる組成の出発粉末混合物へのイッテルビア（酸化イッテルビウム）添加量の関数として示したグラフである。これらの組成は文字Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚで表される。下の表５は出発粉末混合物の組成、組成ＩＤ、ならびにアルファプライムサイアロン相における含有量（単位：重量％）を示す。
【００８２】
【表５】
2008529948.tif 000007
【００８３】
上の表５より明らかであるように、例ＹおよびＺ（三角形の印で示される）はイッテルビウムのみを（出発粉末混合物中にイッテルビアの形態で）希土類元素として含む。例ＷおよびＸ（丸印で示される）はイッテルビウムおよびランタンを（出発粉末混合物中にイッテルビアおよび酸化ランタンの形態で）含む。
【００８４】
引き続き図６に示されたセラミック体を参照すると、イッテルビウムに加えてランタンが希土類元素として存在することは、セラミック体におけるアルファプライムサイアロン相含有量に影響を与えていることがわかる。図６において点Ｗ、点Ｘ、点Ｚにより表示された組成の比較により示されるように、組成ＩＤ（すなわち、ａｂｘ（ｙ）ｚ）のｘ値、ｙ値、ｚ値が同じであっても、ランタンが存在することで、アルファプライムサイアロン含有量が大きいセラミックが得られる。さらに、図６に点Ｗから点Ｚで示されるセラミックのイッテルビウム含有量を比較することで、イッテルビウム含有量が少ない（すなわち５．７４重量％における点Ｗを６．２０重量％における点Ｙと比較する）場合でも、ランタンが存在する場合にはアルファプライムサイアロン相含有量は依然として多いことが分かる。イッテルビウム含有量が多い（すなわち６．９７重量％における点Ｘを６．２０重量％における点Ｙと比較する）場合でも、ランタンが存在する場合にはアルファプライムサイアロン相含有量は依然として多い。
【００８５】
図７を参照すると、窒化ケイ素、アルミナ、酸化アルミニウム、シリカの間に形成されうるあらゆる縮合相はレシプロカルソルト（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ  ｓａｌｔ）図（Ｌ．Ｊ．ガウクラー（Ｌ．Ｊ．Ｇａｕｃｋｌｅｒ）およびＧ．ペトゾー（Ｇ．Ｐｅｔｚｏｗ）著、「多成分窒化ケイ素ベースのシステムの表示、窒素セラミック（Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍｕｌｔｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｂａｓｅｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｎｉｔｒｏｇｅｎ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ）」（ノードフインターナショナル（Ｎｏｒｄｏｆｆ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）、１９７７年、４１〜６０ページ参照））上で表示できる。希土類が緻密化添加物として含まれる場合、四元状態図（ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ  ｄｉａｇｒａｍ）は形成される相を示す。このような四元状態図における単位は当量である。
【００８６】
当量は次の式を用いてグラム原子から計算される。
４・Ｓｉ／（４・Ｓｉ+３・Ａｌ+３・ＲＥ）＝Ｓｉ当量（Ｓｉｅｑ）
ＡｌおよびＲＥに対しても、次のように同様に計算が行われる。
３・Ａｌ／（４・Ｓｉ+３・Ａｌ+３・ＲＥ）＝Ａｌ当量（Ａｌｅｑ）
３・ＲＥ／（４・Ｓｉ+３・Ａｌ+３・ＲＥ）＝ＲＥ当量（ＲＥｅｑ）
窒素当量は次のように計算される。
３・Ｎ／（２・Ｏ+３・Ｎ）
同様の計算が次のように酸素について行われる。
２・Ｏ／（２・Ｏ+３・Ｎ）
【００８７】
本願明細書に記載した実施例の出発粉末組成は重量％で示されている。グラム原子は出発粉末混合物の構成要素の重量％から計算される。計算では、窒化ケイ素は表面酸素の存在によりシリカを２．２重量％含み、窒化アルミニウムは表面酸素の存在によりアルミナを２．５５重量％含むと仮定する。本特許における組成の命名（ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅ）は当量から計算される。
【００８８】
組成ＩＤはａｂｘ（ｙ）ｚからなる。「ａｂ」はアルファプライムサイアロン相およびベータプライムサイアロン相を含むセラミック材料を指す。組成ＩＤにおいて、ｘは窒化ケイ素角からベース平面上の組成点までの距離である。全ての組成が希土類を含有するため、組成はベース平面より上にある。ベース平面上の点位置の第一の座標は１−（ＲＥｅｑ・ＣＯＳ（６０）+Ｓｉｅｑ）から決定される。ベース平面上の点位置の第二の座標はＯｅｑである。距離「ｘ」はピタゴラスの定理を用いて決定される。得られた値に１００を掛け、四捨五入して最も近い値とする。点Ｄの場合、Ｌとして示された線は点Ｄの距離「ｘ」を示す（組成ＩＤ：ａｂｘ（ｙ）ｚ）。
【００８９】
記号「ｙ」は逆正弦（Ｏｅｑ／ｘ）として決定される窒化ケイ素−ＡｌＮ軸に最も近い角度である。点Ｄの場合、角度Ｍは窒化ケイ素−ＡｌＮ軸に対する角度である。
【００９０】
最後の記号、ｚはベース平面からの高さであり、希土類含有量を表す。高さはＲＥｅｑ・ＳＩＮ（６０）・１０００から計算される。
【００９１】
ベータサイアロン相線の窒化ケイ素−ＡｌＮ軸に対する角度は３３度（角度Ｐ参照）である。このことは、「ｙ」値が３３度よりも大きい組成はベータサイアロン相線の酸素側にあり、「ｙ」値が３３度よりも小さい組成はベータプライムサイアロン相とアルファプライムサイアロン相の間の窒素側にあることを意味している。
【００９２】
組成を表すために組成ＩＤ（ａｂｘ（ｙ）ｚ）を用いることで、固定したｘおよびｙの値において希土類含有量が増加すると、セラミック体のアルファプライムサイアロン相の含有量（単位：重量％）が変化することがわかる。
【００９３】
組成ＩＤは、本発明に関連する組成領域を定義するために利用できる方法の１つである。組成領域は四元状態図の内側の容積である。最初の２つの数字がベース平面上の領域を定義する。ベクトル上の線分は組成領域のそれぞれの境界を定める。上部境界（線Ｑ）は、窒化ケイ素−ＡｌＮ軸に対し３７度の角度（Ｒ）でベクトル上に位置する。下部コーナー（点Ａ）の長さは７、上部コーナー（点Ｂ）の長さは２３である。下部境界（線Ｓ）の角度（Ｔ）は窒化ケイ素−ＡｌＮ軸に対し２５度であり、長さは上部境界（線Ｑ）と等しい。サイアロンが希土類を含有することから、組成はベース平面より上に位置する。このベース平面からの高さは７〜１６である。点Ｂおよび点Ｃは境界（線Ｖ）によって接続されている。対象となる組成空間は、境界（Ｑ、Ｓ、Ｕ、Ｖ）によりその境界が定められ、図７の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにより画定された領域によって示される。この領域はベース平面上に突出しており、したがって、実際の組成は希土類成分を含有するためこの平面より上に位置する。
【００９４】
当然ながら、本発明は改良された特性を示すセラミック材料、特にサイアロン材料を提供する。したがってこの材料は金属切削用切削インサート、ならびに磨耗部品（例えばポンプ用プランジャロッド、プランジャボールブランク、ダウンホールポンプ逆止弁ブランク、ブッシング、ブラストノズル、他の磨耗および衝撃用途）としての使用に適する。
【００９５】
本願明細書中に示した特許、特許出願、および他の文献は参照によって本願明細書に組み込まれる。
【００９６】
本発明の別の実施形態は、本願明細書に開示された本発明の実施についての明細書を考慮することで当業者には明らかになる。なお、明細書および実施例はあくまで例であり、本発明の精神および範囲は特許請求の範囲により示される。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】被覆を有さないセラミック切削インサートの第一の特定の実施形態の等角図。
【図２】切削インサートが被覆を有し、該被覆の一部が取り除かれて基材が露出している、セラミック切削インサートの第二の特定の実施形態の等角図。
【図３】工程がベルト焼結−熱間静水圧成形（ＨＩＰ）技術を含み、顕微鏡写真の目盛が３０マイクロメートルである、イッテルビウムのみを希土類添加物として含有するサイアロン材料（上記比較例ａｂ７（３９）７）の微細構造を示す顕微鏡写真。
【図４】セラミックを製造する工程が前述のベルト焼結−熱間静水圧成形技術を含み、顕微鏡写真の目盛が３０マイクロメートルである、イッテルビウムおよびランタンを希土類添加物として含有するサイアロン材料（上記組成２６５０Ｃ（組成ＩＤ：ａｂ７（３７）７））の微細構造を示す顕微鏡写真。
【図５】セラミックの製造工程が前述のバッチ焼結−熱間静水圧成形技術を含み、顕微鏡写真の目盛が３０マイクロメートルである、イッテルビウムおよびランタンを含有するサイアロン材料（上記組成２６５０Ｃ（組成ＩＤ：ａｂ７（３７）７））の微細構造を示す顕微鏡写真。
【図６】文字Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚで示した４つの組成について、出発粉末混合物中のイッテルビウム含有量（単位：重量％）を二相複合材料（すなわちアルファプライムサイアロン相およびベータプライムサイアロン相）中のアルファプライムサイアロン相の含有量（単位：重量％）に対しプロットしたグラフ。
【図７】対象となる組成領域が点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにより画定される領域で示されている、セラミック体のアルミニウム当量（単位：％）を酸素当量（単位：％）に対しプロットしたグラフ。
【図１】
2008529948.tif 000008
【図２】
2008529948.tif 000009
【図３】
2008529948.tif 000010
【図４】
2008529948.tif 000011
【図５】
2008529948.tif 000012
【図６】
2008529948.tif 000013
【図７】
2008529948.tif 000014
【国際調査報告】
2008529948.tif 000015