(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素結晶粒子と粒界相を具備する窒化珪素焼結体の任意の断面を撮影したとき、粒界相は希土類元素を含まず、単位面積２０μｍ×２０μｍあたり粒界相の面積比が１０〜２０％であり、Ａｌを０．１〜２．５質量%、２Ａ族元素を０．１〜１．５質量％、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素のいずれか１種類以上を０．１〜３．８質量％含有し、
前記窒化珪素焼結体の任意の断面を撮影したとき、単位面積２０μｍ×２０μｍあたりにおいて、長径が２．０μｍ以上の窒化珪素粒子はアスペクト比２以上の割合が９０％以上であり、
前記窒化珪素焼結体をＸＲＤ分析したとき、４１．５〜４２．５°の範囲の最大ピークをＩ４１．５〜４２．５°、β−窒化珪素の最大ピーク強度をＩβ−Si3N4としたとき、Ｉ４１．５〜４２．５°／Ｉβ−Si3N4＝０．００５〜０．０２０であり、
３０％濃度のＨＣｌ溶液に、９０℃、１００時間浸漬した後の３点曲げ強度が９００ＭＰａ以上、ビッカース硬さＨｖが１４５０以上であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
【請求項２】
粒界相に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれる１種の４Ａ族元素を含む粒子が存在し、当該粒子の長径が２μm以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化珪素焼結体。
【請求項３】
粒界相に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれる１種の４Ａ族元素を含む粒子が存在し、当該粒子にはＳｉ元素および２Ａ族元素が固溶していないことを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の窒化珪素焼結体。
【請求項４】
粒界相に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれる１種の４Ａ族元素を含む粒子が存在し、当該粒子は４Ａ族元素の酸化物、窒化物、水素化物、炭化物のいずれかの化合物単体で存在することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の窒化珪素焼結体。
【請求項５】
窒化珪素結晶粒子と粒界相を具備する窒化珪素焼結体の任意の断面を撮影したとき、単位面積２０μｍ×２０μｍあたりに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれる１種の４Ａ族元素を含む粒子が１〜５個存在することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の窒化珪素焼結体。
【請求項６】
前記窒化珪素焼結体の任意の断面を撮影したとき、単位面積２０μｍ×２０μｍあたりにおいて、長径と短径の平均を粒径と定義したとき、粒径が２．０μｍ以下の窒化珪素粒子は窒化珪素粒子全体の合計面積に対し面積比７０％以上を占めることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の窒化珪素焼結体。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の窒化珪素焼結体を用いたことを特徴とする耐摩耗性部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、窒化珪素焼結体およびそれを用いた耐摩耗性部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化珪素を主成分とするセラミックス焼結体は、優れた耐熱性を示し、かつ熱膨張係数
が小さいため、耐熱衝撃性にも優れる等の諸特性を有することから、従来の耐熱合金に代
わる高温構造用材料として、エンジン部品、製鋼用機械部品等への応用が試みられている
。また、耐摩耗性にも優れていることから、転動部材や切削工具としての実用化も図られ
ている。
【０００３】
特許第５３６２７５８号公報（特許文献１）には、焼結助剤として希土類酸化物、酸化
アルミニウム、酸化チタン等を原料粉末に所定量添加して焼結性を改善し、緻密で高強度
な窒化珪素焼結体を得ている。一方で、特許文献１に示されたような窒化珪素焼結体は希
土類酸化物を含有しているため酸やアルカリ等の薬品に対する耐腐食性が不十分と言った
問題があった。
薬品に対する耐食性を改善するために特許第２８２９２２９号公報には、希土類酸化物
を含まない窒化珪素焼結体が開発されている。特許文献２では、焼結助剤としてＭｇＯ・
Ａｌ２Ｏ３スピネル、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２を用いていた。このような焼結助剤の
組合せにより、薬品に対する耐腐食性は改善されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５３６２７５８号公報
【特許文献２】特許第２８２９２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、窒化珪素焼結体は、エンジン部品、機械部品、ベアリングボール、切削工具など様
々な耐摩耗性部材に使用されている。窒化珪素焼結体は、軸受鋼（ＳＵＪ２）などの金属
部材と比べてはるかに耐久性に優れることから、各種耐摩耗性部材において長期信頼性を
得ている。このため、長期間メンテナンスフリーをも実現している。
しかしながら、従来の窒化珪素焼結体では、酸やアルカリ等の化学薬品に対する耐腐食性
の長期信頼性に関しては必ずしも十分ではなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態にかかる窒化珪素焼結体は、このような問題を解決するためのものであり、窒化
珪素結晶粒子と粒界相を具備する窒化珪素焼結体の任意の断面を撮影したとき、粒界相は
希土類元素を含まず、単位面積２０μｍ×２０μｍあたり粒界相の面積比が１０〜２０％
であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
実施形態にかかる窒化珪素焼結体は、希土類元素を含まず、単位面積当たりの粒界相の面
積比を制御している。これにより、窒化珪素焼結体の耐久性を維持した上で、薬品に対す
る耐腐食性を長時間維持することを可能とする。そのため、実施形態の窒化珪素焼結体を
用いた耐摩耗性部材は、酸やアルカリといった薬品のある環境下でも長期間信頼性を維持
することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態にかかる窒化珪素焼結体の断面組織写真の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施形態にかかる窒化珪素焼結体は、窒化珪素結晶粒子と粒界相を具備する窒化珪素焼
結体の任意の断面を撮影したとき、粒界相は希土類元素を含まず、単位面積２０μｍ×２
０μｍあたり粒界相の面積比が１０〜２０％であることを特徴とするものである。
窒化珪素焼結体は、主相となる窒化珪素結晶粒子と副相である粒界相を具備している。粒
界相は、焼結助剤が焼結工程において焼結助剤同士または焼結助剤と窒化珪素（不純物酸
素含む）が反応した化合物から主に形成されている。燒結助剤は焼結性を制御するために
添加されており、粒界相は窒化珪素結晶粒子同士の隙間（粒界）に形成される。粒界相に
より窒化珪素結晶粒子同士の結合力を強化している。
窒化珪素結晶粒子と粒界相を比較したとき、粒界相は窒化珪素結晶粒子よりも耐薬品特
性に劣る。特に、酸化物由来のアモルファス相からなる粒界相は、酸・アルカリへの耐性
が窒化珪素結晶粒子より大きく劣ることが分かっている。粒界相の中でも、希土類元素を
含む粒界相は酸やアルカリへの耐性が低い。このため、実施形態にかかる窒化珪素焼結体
は粒界相に希土類元素を含まないことを特徴としている。なお、酸やアルカリへの耐腐食
性のことを耐薬品性と呼ぶものとする。
また、単位面積２０μｍ×２０μｍといった微小領域において粒界相の面積比を１０〜
２０％の範囲にしている。粒界相が１０％未満では粒界相が少なすぎて窒化珪素焼結体の
耐摩耗性が低下する。また、粒界相の面積比が２０％を超えると粒界相が多すぎて耐薬品
特性が劣化する。そのため、粒界相の割合は１０〜２０％、好ましくは１０〜１５％であ
る。本発明の窒化珪素焼結体は任意の断面において単位面積２０μｍ×２０μｍの微小領
域で粒界相の面積比が１０〜２０％の範囲になっているものである。
【００１０】
なお、粒界相の面積比の測定方法は次の通りである。まず、窒化珪素焼結体の任意の断
面を得る。この断面を表面粗さＲａが１μｍ以下の鏡面加工を施す。窒化珪素結晶粒子と
粒界相の領域を明確にするために、得られた鏡面にプラズマエッチング処理を行う。プラ
ズマエッチング処理を行うと、窒化珪素結晶粒子と粒界相のエッチングレートが異なるた
め、どちらか一方が多く削除される。例えばＣＦ４を用いたプラズマエッチングでは、窒
化珪素結晶粒子の方がエッチングレートが高い（エッチングされ易い）ので、窒化珪素結
晶粒子が凹部、粒界相が凸部となる。なお、エッチング処理は酸およびアルカリを用いる
ケミカルエッチングでも可能である。エッチング処理後の鏡面をＳＥＭ画像撮影（１００
０倍以上の倍率）する。ＳＥＭ写真では、窒化珪素粒子と粒界相がコントラストの差で区
別できる。通常は、粒界相が白色に見える。エッチング処理を行うことにより、コントラ
ストの差をよりはっきりさせることができる。ＳＥＭ写真を画像解析することにより、単
位面積当たりの粒界相の面積比を測定できる。なお、画像解析は、粒界相部分をカラーマ
ッピングして画像解析する方法が有効である。図１にＳＥＭ写真（５０００倍）の一例を
示した。図１では、２が窒化珪素粒子部分、３が粒界相部分である。また、図１では粒界
相部分が凸部、窒化珪素粒子部分が凹部になった例である。画像解析すると粒界相の面積
比は１５％となる。なお、単位面積２０μｍ×２０μｍにならない場合は、複数回撮影し
、合計で単位面積２０μｍ×２０μｍにしてもよいものとする。
【００１１】
また、粒界相に、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）から選
ばれる１種の４Ａ族元素を含む粒子が存在することが好ましい。４Ａ族元素を含む粒子は
、４Ａ族元素の酸化物、窒化物、水素化物、炭化物のいずれかの化合物単体であることが
好ましい。化合物単体とは、Ｔｉの場合、ＴｉＯ２（酸化チタン）、ＴｉＮ（窒化チタン
）、ＴｉＨ２（水素化チタン）、ＴｉＣ（炭化チタン）のいずれか１種以上となる。Ｚｒ
の場合は、ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）、ＺｒＮ（窒化ジルコニウム）、ＺｒＨ２（水
素化ジルコニウム）、ＺｒＣ（炭化ジルコニウム）のいずれか１種以上となる。また、Ｈ
ｆの場合、ＨｆＯ２（酸化ハフニウム）、ＨｆＮ（窒化ハフニウム）、ＨｆＨ２（水素化
ハフニウム）、ＨｆＣ（炭化ハフニウム）のいずれか１種以上となる。これらの中では４
Ａ族元素の窒化物または炭化物が好ましい。特に、ＴｉＮまたはＴｉＣが好ましい。
また、４Ａ族元素を含む粒子は、焼結助剤として化合物単体として添加したものであっ
ても良いし、焼結工程で化合物単体に変化したものであっても良い。
また、４Ａ族元素を含む粒子が化合物単体は結晶粒子となる。粒界相に結晶粒子が存在
することにより、粒界相中のアモルファス相の割合を減らすことができる。なお、結集粒
子となっているか否かはＴＥＭなどによって定性分析できる。
また、４Ａ族元素を含む粒子は、Ｓｉ元素および２Ａ族元素と固溶していないことが好
ましい。Ｓｉ元素および２Ａ族元素と固溶すると、４Ａ族元素の化合物単体が、４Ａ族元
素とＳｉ元素または２Ａ族元素の複合化合物となる。複合化合物は化合物単体と比べて耐
薬品性が低下する。このため、Ｓｉ元素または２Ａ族元素と複合化合物を形成しない化合
物単体が好ましい。前述のＴｉＮやＴｉＣは複合化合物を形成し難いため好ましい。
また、４Ａ族元素を含む粒子は長径２μｍ以下であることが好ましい。長径が２μｍを超
えると、窒化珪素結晶粒子間の三重点に粒子（４Ａ族元素を含む粒子）が留まった場合、
そこが局所的に強度特性の弱い部位となり、耐摩耗性に悪影響が出る可能性がある。この
ため、４Ａ族元素を含む粒子の長径は１．５μｍ以下であることが好ましい。なお、４Ａ
族元素を含む粒子があまり小さいと粒界相の耐薬品性を向上させる効果が十分得られない
おそれがある。そのため、４Ａ族元素を含む粒子の長径は０．５μｍ以上であることが好
ましい。
また、窒化珪素焼結体の任意の断面組織を撮影したとき、単位面積２０μｍ×２０μｍ
あたり、４Ａ族元素を含む粒子が１〜５個の範囲で存在することが好ましい。単位面積あ
たりの個数がゼロの場合、４Ａ族元素を含む粒子が存在しない領域の耐薬品性が低下する
おそれがある。また、５個を超えて多いと、焼結時の緻密化を阻害し、内部欠陥を生成し
て耐摩耗性、対薬品特性に悪影響が出る可能性がある。
４Ａ族元素を含む粒子は、化合物単体であること、長径２μｍ以下であること、単位面
積２０μｍ×２０μｍあたり１〜５個であること、をすべて満たすことが最も好ましい。
【００１２】
また、さらに粒界相の耐薬品性を向上させるため、粒界相の結晶性を向上させることが
望ましい。結晶性の高い粒界相は、アモルファス相からなる粒界相に比べ耐薬品性が高い
ことが分かっている。実施形態にかかる窒化珪素焼結体では、ＸＲＤ分析したとき、４１
．５〜４２．５°の範囲に粒界相のピークが検出されることが好ましい。ＸＲＤにてピー
クが観察されるということは、粒界相に結晶性を持つ化合物が存在していることを意味し
ている。このとき、ＸＲＤ分析は窒化珪素焼結体の任意の断面を表面粗さＲａが１μｍ以
下となるまで研磨した研磨面を測定面とした。測定条件は、Ｃｕターゲット（Ｃｕ−Ｋα
）、管電圧４０ｋＶ、管電流４０ｍＡ、スキャンスピート２．０°／ｍｉｎ、スリット（
ＲＳ）０．１５ｍｍ、走査範囲（２θ）２０〜７０°にて行うものとする。
また、４１．５〜４２．５°の範囲にピークが検出される成分は、前述の４Ａ族元素を
含む粒子であってもよいし、それ以外の結晶質成分であってもよい。
【００１３】
また、実施形態にかかる窒化珪素焼結体をＸＲＤ分析したとき、４１．５〜４２．５°
の範囲の最大ピークをＩ４１．５〜４２．５°、β−窒化珪素の最大ピーク強度をＩβ-S
i3N4としたとき、Ｉ４１．５〜４２．５°／Ｉβ−Si3N4＝０．００５〜０．０２０であ
ることが好ましい。
β−窒化珪素結晶粒子の最大ピークは３６°付近に検出される。Ｉ４１．５〜４２．５°
／Ｉβ−Si3N4＝０．００５〜０．０２０となる範囲に存在することにより、粒界相を結
晶質にすることができる。ピーク比が大きい場合、結晶質が高い粒界相が過剰となり難焼
結性となる。また、ピーク比が低い場合、粒界相の耐薬品性が十分に向上しない。
【００１４】
また、前記窒化珪素焼結体は、Ａｌを０．１〜２．５質量%、２Ａ族元素を０．１〜１．
５質量％、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素のいずれか１種類以上を０．１〜３．８
質量％含むことが好ましい。Ａｌ、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素は粒界相を形成
するための焼結助剤として使用されるものである。焼結工程にて反応して粒界相成分とな
る際に、上記範囲であると粒界相の割合を制御し易い。
Ａｌ成分の添加方法としては、Ａｌを含有していれば特に限定されるものではないが、
ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３，ＭｇＡｌ２Ｏ４スピネルのいずれか１種以上であることが好ましい
。Ａｌは粒界相を形成し、焼結性を向上させる働きを持つ。含有量が０．１質量％より低
い場合は焼結性が悪く、十分な緻密体が得られない。また含有量が２．５質量％より多い
場合はアモルファス相の粒界相が過剰となり、耐薬品性が劣化する。
【００１５】
また、２Ａ族元素を添加する際は、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（
カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｒａ（ラジウム）のいずれ
か、可能ならばＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒのいずれか１種類から選択するのが望ましい。
焼結助剤として２族元素成分を添加する際は、酸化物、炭化物、窒化物のいずれか１種と
して添加することが望ましい。これらの元素は、Ａｌと共存した場合、焼結を促進させる
効果だけでなく、対薬品性の高い結晶質の粒界相を形成する。含有量が０．１質量％より
少ない場合は焼結性、耐薬品性の向上が不十分となり、含有量が１．５質量％より多い場
合は逆に粒界の結晶性を低下させ、耐薬品性に悪影響を及ぼす。
【００１６】
また、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素のいずれかを添加する際は、４Ａ族元素は
、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、５Ａ族元素は、Ｖ（バ
ナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、６Ａ族元素は、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ
（モリブデン）、Ｗ（タングステン）から選択するのが望ましい。焼結助剤として４Ａ族
元素成分、５Ａ族元素成分、６Ａ族元素成分を添加する際は、酸化物、炭化物、窒化物の
いずれか１種として添加することが望ましい。含有量が０．１質量％より低いと粒界相中
の結晶成分が不足し、耐薬品性が劣化する。また、含有量が３．８質量％より多い場合、
焼結性に悪影響し、焼結体の緻密化を阻害して耐摩耗性が劣化する。
【００１７】
また、前記窒化珪素焼結体は希土類元素を含有しないことを特徴とする。希土類元素は
Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｐｒ（プラセオジム）、Ｎ
ｄ（ネオジウム）、Ｐｍ（プロメチウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｅｕ（ユーロピウム）
、Ｇｄ（ガドリウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｈｏ（ホルミウ
ム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｌｕ（ルテチ
ウム）である。
窒化珪素の焼結において、希土類元素を添加した場合、焼結性が向上し、窒化珪素結晶
粒子のアスペクト比が向上、結果として強度特性、耐摩耗性に非常に優れた焼結体を得る
ことが出来る。しかし、希土類元素の添加は、粒界相の結晶性を低下させ、耐薬品性を劣
化させるという問題点を持つ。そこで、本発明では希土類元素の添加を行わず、粒界相の
耐薬品性を向上させることとしている。
【００１８】
また、前記窒化珪素は、窒化珪素結晶粒子と粒界相を具備する窒化珪素焼結体の任意の
断面を撮影したとき、単位面積２０μｍ×２０μｍあたりにおいて、長径が２．０μｍ以
上の窒化珪素結晶粒子を観察したとき、アスペクト比２以上の窒化珪素粒子が９０％以上
であることが好ましい。なお、アスペクト比２以上の窒化珪素粒子の割合は面積比で求め
るものとする。このような組織構造とすることにより、強度特性と耐薬品性を兼ね備えた
窒化珪素焼結体を提供することが可能である。アスペクト比２以上の割合が９０％未満で
は強度、特に破壊靭性値が低下する。
また、長径と短径の平均値を粒径と定義したとき、粒径が２．０μｍ以下の窒化珪素粒
子が、窒化珪素粒子全体の合計面積に対して面積比で７０％以上であることが望ましい。
微細かつアスペクト比が大きい粒子を主構成とすることで、材料強度と耐摩耗性の向上が
可能である。粒径が２．０μｍ以下の窒化珪素粒子が、窒化珪素粒子全体の合計面積に対
して面積比で７０％以下であるとき、応力集中時に粒子の脱粒が起こりやすくなり、結果
として耐摩耗性が不十分となる。
【００１９】
次に製造方法について説明する。実施形態にかかる窒化珪素焼結体は上記構成を有すれ
ば特に製造方法は限定されるものではないが効率的に得るための方法として次のものが挙
げられる。
まず、窒化珪素粉末を用意する。窒化珪素粉末は酸素含有量が４質量％以下で、α相型
窒化珪素を８５質量％以上含み、平均粒子径が０．８μｍ以下であることが好ましい。 
α−Ｓｉ３Ｎ４粉末を焼結工程でβ−Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子に粒成長させることにより、耐
摩耗性の優れた窒化珪素焼結体を得ることができる。
本発明の窒化珪素焼結体では、粒界相の面積比を制御している。このような制御を行うに
は、焼結助剤の量の制御が有効である。焼結助剤の量の制御には、添加量の制御および窒
化珪素粉末との均一分散を行うことが有効である。
焼結助剤の添加量は、Ａｌを０．１〜２．５質量%、２Ａ族元素を０．１〜１．５質量％
、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素のいずれか１種類以上を０．１〜３．８質量％で
あることが好ましい。焼結助剤粉末の平均粒子径は１．８μｍ以下であることが好ましい
。
【００２０】
また、窒化珪素粉末と焼結助剤粉末の均一分散には、混合工程を長時間行うことが有効で
ある。ボールミルなどによる解砕混合工程が有効であり、５０時間以上の長時間行うこと
が好ましい。解砕混合時間はさらに８０時間以上が好ましい。解砕混合工程により、窒化
珪素粉末同士、焼結助剤粉末同士、窒化珪素粉末および焼結助剤粉末が結合した二次粒子
となることを防ぐことができる。窒化珪素粉末と焼結助剤粉末のほとんどが一次粒子とな
ることにより均一分散を行うことができる。
また、粒界相の面積比を制御するには、少ない焼結助剤量であっても十分に焼結できるよ
うにすることが有効である。このためには、窒化珪素粉末の表面を予め酸化しておくこと
が有効である。酸化膜付き窒化珪素粉末を使うことにより、窒化珪素粉末を活性化させ焼
結助剤との反応を促進することができる。窒化珪素粉末への酸化処理は、大気中での熱処
理、水処理などが挙げられる。熱処理にて酸化を行う場合、大気中にて６００〜９００℃
４時間という条件であることが望ましい。６００℃以下の温度では窒化珪素粉末表面に酸
化皮膜が十分に生成されず、焼結性向上効果が無い。また、９００℃以上の温度では窒化
珪素粉末同士の焼結が進行し、固い凝集粒子が多数生成されるため、解砕混合工程で１次
粒子とすることが困難となる。なお、窒化珪素粉末への酸化処理はやり過ぎると窒化珪素
焼結体の耐摩耗性を低下するので、膜厚としては０．５μｍ以下の酸化膜であることが好
ましい。
次に、窒化珪素粉末と焼結助剤粉末を混合した原料混合物にバインダを添加する。原料
混合物とバインダとの混合はボールミル等を使用し、必要に応じて粉砕や造粒を行いなが
ら実施する。原料混合物を所望の形状に成形する。成形工程は、金型プレスや冷間静水圧
プレス（ＣＩＰ）等により実施する。成形圧力は１００ＭＰａ以上が好ましい。成形工程
で得た成形体を脱脂する。脱脂工程は３００〜６００℃の範囲の温度で実施することが好
ましい。脱脂工程は大気中や非酸化性雰囲気中で実施され、雰囲気は特に限定されるもの
ではない。
【００２１】
次に、脱脂工程で得た脱脂体を１６００〜１９００℃の範囲の温度で焼結する。焼結温度
が１６００℃未満であると、窒化珪素結晶粒子の粒成長が不十分になるおそれがある。す
なわち、α相型窒化珪素からβ相型窒化珪素への反応が不十分であり、緻密な焼結体組織
が得られないおそれがある。この場合、窒化珪素焼結体の材料としての信頼性が低下する
。焼結温度が１９００℃を超えると窒化珪素結晶粒子が粒成長しすぎて、加工性が低下す
るおそれがある。焼結工程は、常圧焼結および加圧焼結のいずれで実施してもよい。焼結
工程は非酸化性雰囲気中で実施することが好ましい。非酸化性雰囲気としては、窒素雰囲
気やアルゴン雰囲気が挙げられる。
【００２２】
焼結工程の後に、非酸化性雰囲気中にて１０ＭＰａ以上の熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処
理を施すことが好ましい。非酸化性雰囲気としては、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気が挙げ
られる。ＨＩＰ処理温度は１５００〜１９００℃の範囲であることが好ましい。ＨＩＰ処
理を実施することによって、窒化珪素焼結体内の気孔を消滅させることができる。ＨＩＰ
処理圧力が１０ＭＰａ未満であると、そのような効果を十分に得ることができない。
【００２３】
このようにして製造された窒化珪素焼結体に対して、必要な箇所に研磨加工を施して耐摩
耗性部材を作製する。研磨加工は、ダイヤモンド砥粒を用いて実施することが好ましい。
【００２４】
（実施例）
（実施例１〜８、比較例１〜７）
表１、表２に示した窒化珪素粉末、焼結助剤を用意して原料粉末を調製した。なお、焼結
助剤の添加量は窒化珪素粉末と焼結助剤の合計量を１００ｗｔ％としたときの比率である
。解砕混合工程はボールミルにより行った。また、窒化珪素粉末は、表１、表２に示した
ように一部のものには酸化処理を行ったものを用いた。
【００２５】
【表１】
0006491964.tif 000002
【００２６】
【表２】
0006491964.tif 000003
【００２７】
得られた原料混合物に樹脂バインダを混合して成型圧力１５０ＭＰａにて成型工程を行っ
た。得られた成形体に５００℃で脱脂工程を行った。得られた脱脂体に対し、１８００℃
×４時間の常圧焼結、１６００℃×２０ＭＰａ×２時間のＨＩＰ処理を行った。この工程
により実施例および比較例に係る窒化珪素焼結体を作製した。
各窒化珪素焼結体に対して、任意の断面を切断加工し、単位面積２０μｍ×２０μｍの
拡大写真（ＳＥＭ写真）を撮影した。拡大写真を使って、単位面積当たりの粒界相の面積
比、長径２μｍ以上の窒化珪素結晶粒子の面積比、粒径２．０μｍ以下の窒化珪素粒子の
面積比、４Ａ族元素を含む化合物結晶の個数を求めた。その結果を表３に示す。
【００２８】
【表３】
0006491964.tif 000004
【００２９】
実施例１〜８に係る窒化珪素焼結体は、粒界相の面積比は１０〜２０％、長径２μｍ以上
の窒化珪素結晶粒子のアスペクト比が２以上の粒子の割合は９０％以上、４Ａ族元素化合
物の結晶の個数は１〜３個であった。各焼結体に関しては実質的に気孔（ポア）は確認さ
れなかった。また、ＴＥＭ観察した結果、実施例にかかる窒化珪素焼結体の４Ａ族元素化
合物結晶は化合物単体であった。
比較例１〜７に関しては粒界相の面積比が必ずしも１０〜２０％の範囲に入らず、また
長径２μｍ以上の窒化珪素結晶粒子のアスペクト比が２以上の粒子の割合が必ずしも９０
％以上とはならず、さらに４Ａ族元素化合物の結晶の個数は必ずしも１〜５個の範囲に入
らなかった。また、比較例１、２、４、６では実質的に気孔は観察されなかったが、比較
例３、５、７では内部に気孔が観察された。
次に各窒化珪素焼結体の断面をＸＲＤ分析した。その結果を表４に示す。
【００３０】
【表４】
0006491964.tif 000005
【００３１】
実施例１〜８に係る窒化珪素焼結体は、ＸＲＤ分析したとき、４１．５〜４２．５°の
囲に現れる粒界相のピークの高さＩ４１．５〜４２．５と３６°近辺に現れるβ窒化珪素
のピークの高さＩβ−Ｓｉ３Ｎ４の比Ｉ４１．５〜４２．５°／Ｉβ−Ｓｉ３Ｎ４が０．
００５〜０．０２０の範囲に収まった。比較例１、３、４、６、７においても同様の範囲
に収まったが、比較例２では該当ピークが検出されず、比較例５ではピーク比が０．０２
０より大きい値となった。比較例ではＡｌ成分が多すぎたために粒界相の結晶性が無くな
り、ピークが消滅したと考えられる。比較例５では、結晶成分のＴｉが過剰であるために
ピーク比が大きくなったと考えられる。
次に、各窒化珪素焼結体の相対密度、三点曲げ強度σｆ、ビッカース硬度Ｈｖ、破壊靭
性値Ｋ１Ｃを測定した結果を表４に示す。なお、三点曲げ強度はＪＩＳ−Ｒ−１６３２に
記載の規格に則って測定し、ビッカース硬度と破壊靭性値はＪＩＳ−Ｒ−１６０７に記載
のＩＦ法を用いて測定し、破壊靭性値の算出には新原の式を使用した。また、耐薬品性の
評価を評価するため、各焼結体をそれぞれ３０％濃度のＨＣｌ溶液に浸漬し、９０℃で１
００時間加熱処理し、処理後における重量減および曲げ強度、ビッカース硬度、破壊靭性
値を測定した。その結果も合わせて表５に示す。
【００３２】
【表５】
0006491964.tif 000006
【００３３】
実施例１〜８に係る窒化珪素焼結体は、いずれも相対密度が９９．５％以上であり、十分
な緻密化が進んでいる。また、三点曲げ強度も９９０ＭＰａ以上と高い値であり、ビッカ
ース硬度、破壊靭性値も十分に高い値となっている。これらを所定の条件で酸浸漬を実施
した結果、重量減少はいずれも０．０１％となった。また、浸漬後の三点曲げ強度も９０
０ＭＰａ以上の値となり、ビッカース硬度、靭性値の劣化もほぼ見られない。このように
実施例にかかる窒化珪素焼結体は酸浸漬時間１００時間後であっても優れた耐薬品性を示
した。
対して比較例１〜７では、浸漬前の三点曲げ強度が低いものが多く、また緻密化が十分に
進んでいないものが多い。浸漬後の重量減少も０．０２〜０．１１％と実施例に比較して
多く、それによって浸漬後の三点曲げ強度の値も９００ＭＰａを超えるものは現れなかっ
た。
これらのサンプルに対し、浸漬前後にて耐摩耗性信頼性試験を実施した結果を表６に示す
。試験内容は以下の通りである。試験片は直径６０ｍｍ以上、厚み３ｍｍ以上の円板試験
片を該当焼結体にて作製し、表面粗さＲａ０．０１μｍとなるまでダイヤモンド砥石を使
って研磨加工を施して作製した。その表面上に、材質がＳＵＳ４２０Ｊである１０ｍｍ前
後のボールを５．５〜６．５ＧＰａの圧力で押し当て、潤滑油の環境下で１．５ｍ／ｓ以
上の速度で回転.動負荷を与える。この試験にて、セラミックスベアリングボールの耐摩
耗性、信頼性の評価を実施できる。基準の時間を超えて試験片表面に剥離が発生しなかっ
た場合、セラミックスベアリングボールとしての信頼性が十分であると言える。表６では
、基準の時間を超えて剥離しなかったものは剥離無し、剥離したものは基準時間を１００
％と置いたときの剥離時間の割合で表記を行っている。
【００３４】
【表６】
0006491964.tif 000007
【００３５】
実施例に係る窒化珪素焼結体は、浸漬の有無に関わらず、いずれも基準となる試験時間を
越えて剥離が発生しなかった。対して比較例１、２、６では、浸漬前で剥離が発生しなか
ったが、浸漬後では基準の時間の前に剥離が発生している。比較例３、４、５、７では、
浸漬前から剥離が発生しているが、浸漬後ではより剥離が発生する時間が短くなっていた
。特に、浸漬後の重量減が大きい比較例２、５にて、浸漬前後の信頼性が大きく劣化して
いた。
表５、６に示したように、実施例にかかる窒化珪素焼結体は、酸浸漬後の強度特性の劣化
が小さく、耐摩耗信頼性も劣化しないことが分かった。これにより、本実施例に係る窒化
珪素焼結体は、耐薬品性および耐摩耗性に非常に優れることが分かった。
【００３６】
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示し
たものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、
その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種
々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発
明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲
に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１…窒化珪素結晶粒子
２…粒界相
【図１】
0006491964.tif 000008