(57)【要約】【課題】 室温及び高温下で、高強度・高靱性を有する窒化ケイ素焼結体及びその製造方法を提供する。【解決手段】窒化ケイ素粉末を主成分とし、焼結助剤として、シリカを０．１〜５．０重量％、ルテチアを１．０〜２０．０重量％含有し、かつ、種結晶として、窒化ケイ素粉末よりも大きな短径を持つアスペクト比が２以上の単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子を０．１〜１０体積％含有する混合物を、単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子が特定方向に配向した成形体に成型し、次いで、脱脂後、窒素雰囲気中で焼結して製造される窒化ケイ素焼結体及びその製造方法。【効果】得られた焼結体は、１５００℃の高温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ破壊エネルギーが７００J/m2以上を有する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合物中に、シリカを０．１〜５．０重量％、ルテチアを１．０〜２０．０重量％を焼結助剤として含有し、窒化ケイ素原料粉末よりも大きな短径を持つアスペクト比が２以上の単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子を種結晶として０．１〜１０体積％含有し、残部が窒化ケイ素からなる混合物を、単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子が特定方向に配向した成形体とした後に焼結した焼結体であって、焼結助剤が、粒界において高融点の結晶相を形成し、かつ、微細な窒化ケイ素粒子中に高アスペクト比で粗大な窒化ケイ素柱状粒子が配向して分散した組織を有することを特徴とする、高強度・高靭性を有する窒化ケイ素焼結体。
【請求項２】
焼結体が、室温及び１５００℃の高温で、高強度・高靱性を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ケイ素焼結体。
【請求項３】
焼結助剤が、結晶化することによりＬｕ2ＳｉＯ5 、Ｌｕ2Ｓｉ2Ｏ7、Ｌｕ4Ｓｉ2Ｏ7Ｎ２のうち１種以上を形成・含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化ケイ素焼結体。
【請求項４】
室温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ、破壊エネルギーが３００J/ m2 以上、また、１５００℃の高温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ、破壊エネルギーが７００J/m2以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化ケイ素焼結体。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の窒化ケイ素焼結体からなることを特徴とする高温構造用部材。
【請求項６】
焼結助剤が、粒界において高融点の結晶相を形成し、かつ、微細な窒化ケイ素粒子中に高アスペクト比で粗大な窒化ケイ素柱状粒子が配向して分散した組織を有する高強度・高靭性を両立した高耐熱性窒化ケイ素を製造する方法であって、窒化ケイ素原料と、焼結助剤として、シリカを０．１〜５．０重量％、ルテチアを１．０〜２０．０重量％、種結晶として、窒化ケイ素原料粉末よりも大きな短径を持ち、アスペクト比が２以上の単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子を０．１〜１０体積％からなる混合物を、成形して、単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子が特定方向に配向した成形体とした後、この成形体を焼結することを特徴とする、高強度・高靭性を有する窒化ケイ素焼結体の製造方法。
【請求項７】
焼結体の相対密度が９９％以上になる条件で焼結されることを特徴とする請求項６に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。
【請求項８】
成形体を、１７００〜２０００℃、１〜２００気圧の窒素中で焼結することを特徴とする請求項７に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。
【請求項９】
上記混合物を、シート成形、又は押出成形により成形して、単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子が特定方向に配向した成形体とすることを特徴とする請求項６に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。
【請求項１０】
窒化ケイ素焼結体が、室温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ、破壊エネルギーが３００J/ m2以上、また、１５００℃の高温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ、破壊エネルギーが７００J/ m2以上であることを特徴とする請求項６に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高耐性を有する窒化ケイ素焼結体、特に、高温の環境下でも使用可能な優れた耐熱性、かつ、特定方向において、高強度と高靱性を持つ窒化ケイ素焼結体及びその製造方法に関するものであり、更に詳しくは、シリカとルテチアを焼結助剤とし、窒化ケイ素原料粉末よりも大きな短径を持つアスペクト比が２以上の単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子を種結晶として含有し、残部が窒化ケイ素からなる混合物を、種結晶が特定の方向に配向した成形体とし、次いで、焼結することにより作製した高耐熱性窒化ケイ素焼結体及びその製造方法に関するものである。
本発明は、高耐熱性材料として注目されている窒化ケイ素セラミックスの技術分野において、従来、１５００℃の高温での高強度と高破壊エネルギーを両立できる焼結体は開発されていないことを踏まえ、１５００℃の高温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ破壊エネルギーが７００J/ m2以上の窒化ケイ素焼結体を製造し、提供することを可能とする、新しい高耐熱性窒化ケイ素焼結体及びその製造技術を提供するものとして有用である。
本発明は、窒化ケイ素焼結体が有している、高強度、高耐熱性、高耐腐食性、高耐熱衝撃性等の優れた特性を利用して、例えば、高温下で使用する機械部品の構造材料を必要としている分野等において、好適に使用できる部品等、例えば、高温ガスタービンの部品等を提供することを可能とするものであり、特に、１５００℃の高温度での、高強度と高破壊エネルギーを両立する新しい窒化ケイ素系セラミックス素材及びその製造方法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ケイ素は、酸化物セラミックスと比べて、共有結合性が強く、高温での安定性に優れているため、高温構造材料として有望である。この窒化ケイ素を、特に、高温ガスタービンの部品に使用する場合には、入口の温度を高く設定でき、熱効率の向上が期待されている。しかし、このような窒化ケイ素は、難焼結性であり、従来では、酸化物を焼結助剤として用いることが一般的である。このような焼結助剤を用いた場合、低融点の粒界相が残留することが多い。これらの粒界相の存在は、高温での強度特性の低下をもたらす要因となっている。
【０００３】
また、セラミックスの中では、靱性の高い部類に属する窒化ケイ素セラミックスにおいてさえ、金属材料と比較すると、その破壊靱性は著しく低く、信頼性に欠けるため、利用面での制約となっている。耐熱性の向上のため、添加する焼結助剤量の低減化や粒界の結晶化処理等の検討が従来なされている。また、α-サイアロン、β型サイアロン等のサイアロン基焼結体にすることにより、粒界相を減少させ、特性を向上させる試みもなされている。最近では、ルテチアとシリカを焼結助剤として添加した窒化ケイ素焼結体において、優れた耐熱性が得られるという報告がある（特許文献１）。これは、Luを含有する粒界相は高温においても高粘度であり、かつ、高融点の結晶第二相を形成しやすいことによるものとされている。しかし、このような粒界相の改善のみによる耐熱性の改善には限界がある。
【０００４】
一方、窒化ケイ素セラミックスの強度と靱性を改善するために、現在まで、種々の方法が検討されてきた。これらの方法の中でも、特に、窒化ケイ素原料粉末中に、原料粉末よりも大きな短径を持つ単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子を、種結晶として０．１〜１０体積％添加し、当該混合物をシート成形、押出し成形等の成形手法を用いて、添加した単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子を特定方向に配向させた成形体を作製し、最後に成形体を焼結して得られる窒化ケイ素焼結体が注目されている(特許文献２)。この方法においては、相対密度が９９％以上に緻密化するとともに、種結晶の配向方向に平行な方向に応力を負荷した場合、強度が１１００ＭＰａ以上、かつ破壊靱性が１１ＭＰａ・ｍ1/2以上の窒化ケイ素焼結体を得ることができる。
【０００５】
また、イッテルビア及び／又はルテチアを１〜２０重量％添加し、当該窒化ケイ素系原料粉末を成型して予備成型体を作製し、当該予備成型体にその一部を拘束した状態で塑性流動を伴う焼結・成型加工を施し、予備成型体の少なくとも一部分に塑性流動を生じさせて焼結成型体各部分の結晶粒の配向方向を、所定の方向に制御することにより、配向組織を有し、１３００℃で曲げ強度６００ＭＰａ以上の、高温強度に優れた窒化ケイ素焼結体も作製されている（特許文献３）。
【０００６】
しかしながら、従来の上記のような検討にもかかわらず、窒化ケイ素系焼結体の耐熱性や信頼性は未だ十分とはいえない。特に、１５００℃の高温での高強度と高破壊エネルギーを両立できる焼結体は報告されていない。近年、火力発電所におけるガスタービンの高効率化のため、高温で用いられる部材に対してセラミックス化への要求が高くなっているが、高い強度レベルを高温まで維持する材料が望ましい。しかし、上述したように、高温での高強度と高破壊エネルギーの両立の困難さから、ガスタービン部材としての要求性能を満たす窒化ケイ素焼結体が見当らないのが実情である。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−３０５８３９号公報
【特許文献２】特開平８−１４３４００号公報
【特許文献３】特開２００３−９５７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記要求に沿う窒化ケイ素焼結体、特に、高温の環境下での使用においても耐えられる、高強度、高破壊エネルギーの窒化ケイ素焼結体を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、高温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ、破壊エネルギーが、７００J/ m2以上の高強度と高靭性を両立する窒化ケイ素焼結体を製造することに成功し、本発明を完成するに至った。
本発明の目的は、１５００℃の高温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ、破壊エネルギーが７００J/m2以上の高強度と高靭性が得られる窒化ケイ素焼結体を提供することにある。
また、本発明の目的は、室温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ、破壊エネルギーが３００J/ m2以上の高強度と高靭性が得られる、窒化ケイ素焼結体を提供することにある。
また、本発明の目的は、窒化ケイ素系セラミックスの結晶粒の配向方向に対して高い強度と、破壊エネルギーを発現する窒化ケイ素焼結体及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、上記窒化ケイ素焼結体を、そのような優れた機械的特性を生かして、ガスタービン等の高温構造用部品へ適用することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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構成される。
（１）混合物中に、シリカを０．１〜５．０重量％、ルテチアを１．０〜２０．０重量％を焼結助剤として含有し、窒化ケイ素原料粉末よりも大きな短径を持つアスペクト比が２以上の単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子を種結晶として０．１〜１０体積％含有し、残部が窒化ケイ素からなる混合物を、単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子が特定方向に配向した成形体とした後に焼結した焼結体であって、焼結助剤が、粒界において高融点の結晶相を形成し、かつ、微細な窒化ケイ素粒子中に高アスペクト比で粗大な窒化ケイ素柱状粒子が配向して分散した組織を有することを特徴とする、高強度・高靭性を有する窒化ケイ素焼結体。
（２） 焼結体が、室温及び１５００℃の高温で、高強度・高靱性を有することを特徴とする上記（１）に記載の窒化ケイ素焼結体。
（３）焼結助剤が、結晶化することによりＬｕ2ＳｉＯ5 、Ｌｕ2Ｓｉ2Ｏ7、Ｌｕ4Ｓｉ2Ｏ7Ｎ２のうち１種以上を形成・含有することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の窒化ケイ素焼結体。
（４）室温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ、破壊エネルギーが３００J/ m2 以上、また、１５００℃の高温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ、破壊エネルギーが７００J/m2以上であることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載の窒化ケイ素焼結体。
（５）上記（１）から（４）のいずれかに記載の窒化ケイ素焼結体からなることを特徴とする高温構造用部材。
（６）焼結助剤が、粒界において高融点の結晶相を形成し、かつ、微細な窒化ケイ素粒子中に高アスペクト比で粗大な窒化ケイ素柱状粒子が配向して分散した組織を有する高強度・高靭性を両立した高耐熱性窒化ケイ素を製造する方法であって、窒化ケイ素原料と、焼結助剤として、シリカを０．１〜５．０重量％、ルテチアを１．０〜２０．０重量％、種結晶として、窒化ケイ素原料粉末よりも大きな短径を持ち、アスペクト比が２以上の単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子を０．１〜１０体積％からなる混合物を、成形して、単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子が特定方向に配向した成形体とした後、この成形体を焼結することを特徴とする、高強度・高靭性を有する窒化ケイ素焼結体の製造方法。
（７）焼結体の相対密度が９９％以上になる条件で焼結されることを特徴とする上記（６）に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。
（８）成形体を、１７００〜２０００℃、１〜２００気圧の窒素中で焼結することを特徴とする上記（７）に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。
（９）上記混合物を、シート成形、又は押出成形により成形して、単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子が特定方向に配向した成形体とすることを特徴とする上記（６）に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。
（１０）窒化ケイ素焼結体が、室温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ、破壊エネルギーが３００J/ m2以上、また、１５００℃の高温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ、破壊エネルギーが７００J/ m2以上であることを特徴とする上記（６）に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。
【００１０】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、高温において優れた特性を有する窒化ケイ素焼結体及びその焼結・成型加工方法を提供するものである。高温での環境下での使用においても耐えられる窒化ケイ素焼結体を提供するためには、耐熱性の高い焼結体を得ることができる焼結助剤の選択が重要である。そこで、本発明は、好適には、ルテチウム(Ｌu)の酸化物を選択し、また、適量のシリカを加えて、高融点の酸窒化物のみを粒界相とする焼結体を製造することにより耐熱性を付与する方法が採用される。これは、Luを含有する粒界相は、高温においても高粘度であり、かつ、高融点の結晶第二相を形成しやすいことから、耐熱性を得やすいとされているからである。
【００１１】
また、本発明では、高強度・高靱性を実現させる方法として、種結晶として、窒化ケイ素原料粉末よりも大きな短径を持ち、アスペクト比が２以上の単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子を、０．１〜１０体積％混合し、当該混合物をシート成形、押出し成形等の成形手法を用いて、添加した単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子を、特定方向に配向させた成形体を作製し、脱脂後、窒素雰囲気中で焼結を行い、焼結体中に、微細な窒化ケイ素粒子中に高アスペクト比で粗大な窒化ケイ素柱状粒子が配向して分散した組織を有する焼結体とする方法が採用される。このようにして得られた窒化ケイ素焼結体の、結晶粒の配向方向での優れた耐熱性は、高融点の粒界相の形成と柱状結晶粒の配向によって実現される。
【００１２】
更に詳しくは、適切な焼結助剤として、ルテチアとシリカ、及び種結晶を混合した窒化ケイ素系原料粉末から混合したスラリーを調製し、かつ、添加した種結晶を、シート成形、あるいは押出成形等の成形手法により配向させることにより、窒化ケイ素の種結晶粒子が一方向に配向して結合した成形体を作製する。得られた成形体を、脱脂後、窒素雰囲気中で、気孔率が１％以下になる焼成条件で焼結する。なお、窒化ケイ素焼結体中の柱状粒子は、短径０．５〜１０μｍ、アスペクト比２〜１００の大きさを持ち、気孔率は１％以下になるようにそれぞれ制御することが、高強度と高靭性を発現させるために必要である。本発明による焼結体では、粒界において高融点の結晶第二相が形成され、かつ、焼結体中に、微細な窒化ケイ素粒子中に高アスペクト比で粗大な窒化ケイ素柱状粒子が配向して分散した組織が形成されていることで、高温においても高強度と高靭性を実現できる。
【００１３】
本発明により高強度窒化ケイ素焼結体を作製するには、まず、窒化ケイ素原料粉末に、所定量の種結晶柱状粒子及び焼結助剤を添加する。窒化ケイ素原料は、α型、β型、あるいは非晶質の、いずれの結晶系のものを用いてもよい。種結晶は、短径０．５〜１０μｍ、アスペクト比２〜１００のものを用いる。焼結助剤としては、焼結後、粒界で高融点の結晶相として残留し、耐熱性の高い焼結体が得られる、ルテチウム酸化物が助剤として用いられる。焼結助剤は、焼結後、粒界において、Ｌｕ2ＳｉＯ5 、Ｌｕ2Ｓｉ2Ｏ7 、Ｌｕ4Ｓｉ2Ｏ7Ｎ２のうち１種以上を有する結晶を形成する。これらの焼結助剤の組み合わせ、添加量は、焼成温度、時間、あるいは焼成時の窒素ガス圧などの焼成条件により異なるが、それぞれの焼成条件において、（１）焼結体の気孔率１％以下である、また、（２）窒化ケイ素柱状粒子が一方向に配向した組織が得られる、ように、選択される。焼結助剤が少ない場合は、成型体の緻密化が実現できず、多孔質の窒化ケイ素となる。焼結助剤が多い場合は、粒界相が増加し、耐熱性が大幅に減少する。
混合物中には、焼結助剤として、シリカを、０．１〜５．０重量％、好ましくは、０．１〜２．０重量％、ルテチアを１．０〜２０．０重量％、好ましくは、２〜１０重量％含有することが必要であるが、これは、上記より少量では緻密化できない。また、上記より多量では高温での耐熱性が低下する理由による。
【００１４】
また、これらの原料の混合に当たっては、粉体の混合、あるいは混練に用いられる通常の機械を使用することができる。この場合は、湿式、乾式のどちらでもよいが、望ましくは湿式において混合される。湿式混合においては、水、メタノール、エタノール、トルエン等の溶剤が用いられるが、窒化ケイ素の酸化を抑えるために有機溶媒を用いることが望ましい。有機溶媒を用いた場合は、カチオン性セルロース等の分散剤を用いることにより効果的に混合を行うことができる。
【００１５】
次に、この様にして得られた混合粉末に、種結晶として単結晶β型窒化ケイ素柱状粒子を０．１〜１０体積％、望ましくは１〜５体積％添加する。添加量が０．１体積％以下では、結晶体中に十分な柱状粒子群を導入することができない。一方、１０体積％以上においては、添加した種結晶が焼結を阻害し、緻密な焼結体が得られないばかりでなく、ホットプレス等の加圧焼結により緻密体を作製しても、種結晶から成長した柱状粒子群が互いに合体し、潜在欠陥サイズを増大させるため高強度の焼結体を得ることはできない。従って、種結晶の添加量は０．１〜１０体積％である。また、種結晶の形状は短径については、用いた窒化ケイ素原料粉末の平均粒径より大きく、アスペクト比が２以上であることが望ましい。種結晶の短径が原料の平均粒径より小さいと焼成中に助剤中に溶解するため、種結晶としての役目を果たさない。一方、アスペクト比が２以下の場合は、シート成形等において、種結晶を十分に配向させることができず、無秩序に成長した柱状粒子間の合体が生じ、得られた焼結体の特性は低下する。
【００１６】
次に、上述のようにして得られた混合スラリーは、適量の有機バインダーを添加混合した後、種結晶を配向させるために、ドクターブレード法等によるシート成形、あるいは押出し成形を用いて生成形体に成形される。特に、シート成形を行った場合は、所定の厚みを得るために成形後に、加熱圧着あるいは室温での圧着が行なわれる。
【００１７】
次に、前記成形体は、通常の焼成方法、すなわち、まず、３００〜１０００℃程度の温度で仮焼を行い、成形バインダーを加熱除去した後、１７００〜２０００℃の温度、１〜２００気圧の窒素中で焼成することにより緻密化される。この際、高強度・高靱性を発現するために、相対密度９９％以上に緻密化し、更に、種結晶からβ型窒化ケイ素柱状粒子を十分に発達させることが重要である。本発明の窒化ケイ素焼結体は、好適には、通常の常圧焼成、あるいはガス圧焼成において緻密化されることを特徴とするが、例えば、ホットプレス、ＨＩＰにより緻密化を行うこともできる。
【００１８】
このようにして得られた、本発明の窒化ケイ素焼結体は、柱状粒子が一方向に配向し、かつ、その粒界相は耐熱性が優れる結晶第二相からなる微構造を有する。そのため、これら二つの要素の組み合わせの結果、粒子の配向方向に対して高い強度と破壊エネルギーを発現することだけではなく、１５００℃の高温でもその強度はほとんど低下せず、かつ、破壊エネルギーが飛躍的に増大することが判明した。本発明によれば、柱状粒子の配向方向に応力を負荷した場合、室温において強度が７００ＭＰａ以上、かつ、破壊エネルギーが３００J/ m2 以上、また、１５００℃の高温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ、破壊エネルギーが７００J/ m2以上の特性を持つ焼結体が得られ、高温構造用部品としての使用に好適である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、（１）高強度と高破壊エネルギーを両立する窒化ケイ素焼結体を製造することができる、（２）室温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ破壊エネルギーが３００J/ m2 以上の高強度と高靭性を持つ窒化ケイ素焼結体が得られる、（３）１５００℃の高温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ破壊エネルギーが７００J/m2以上の高強度と高靭性を持つ窒化ケイ素焼結体が得られる、（４）窒化ケイ素セラミックスの結晶粒の配向方向に対して、高い強度と、破壊エネルギーを発現することができる、（５）この窒化ケイ素焼結体は、そのような優れた機械的特性を生かして、ガスタービン等の高温構造用部品への適用に好適である、という効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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】
【００２１】
（１）焼結体の作製
α型窒化ケイ素粉末（宇部ＳＮ−Ｅ１０、α含有量９５ｗｔ％以上）に、３ｗｔ％のβ型窒化ケイ素柱状粒子（短径１μｍ、アスペクト比３０）を添加し、更に、焼結助剤として９ｗｔ％のルテチアと１ｗｔ％のシリカを添加し、トルエン／ブタノール混合液（４／１）をバインダーとともに混合してスラリーにした。このスラリーを用いて、シート成形により、厚さ１００μｍの緻密層用のテープを製造した。このテープ成型法の概略を図1に示す。
【００２２】
（２）積層体の作製と焼結
作製したテープを計１００枚積層し、圧着して、積層体を作製した。この成形体をＣＩＰ処理後、脱脂し、更に、窒素雰囲気１０気圧中で、１９５０℃、６時間焼結を行った。
【００２３】
（３）特性の評価
得られた窒化ケイ素焼結体の強度を、幅３ｍｍ、厚み２ｍｍ、長さ２０ｍｍの試験片で、スパン長さ１６ｍｍの３点曲げ試験により調べた。また、破壊エネルギーの測定のために、図２に示したような、シェブロン型ノッチを導入した試験片を用い評価した。この試験法は、試験片のノッチの形状により、き裂進展が、巨視的にみれば、モードＩのき裂に拘束されるため、き裂が途中で柱状粒子の配向方向に偏向することがなく、再現性のある正確な評価ができる特徴がある。曲げ試験片は、引張り応力方向がキャスティング方向に平行で、かつ、応力面が積層面になるように切り出し、０．１ｍｍ幅のノッチを導入し、スパンの長さを３０ｍｍとし、０．０１ｍｍ/分の変位速度で３点曲げ試験を行った。
【００２４】
（４）焼結体の構造
得られた窒化ケイ素焼結体について、図１の観察方向（ａ）及び（ｂ）から観察した組織写真を、図３及び４に、示す。それによると、高アスペクト比の柱状粒子が成長しており、それらの粒子は、成型時のキャスティング方向に配向していた。
【００２５】
比較例１
（１）焼結体の作製
実施例１と同じα型窒化ケイ素粉末に、焼結助剤として、９ｗｔ％のルテチアと１ｗｔ％のシリカを加え、実施例１と同様にテープを作製した。作製したテープを計１００枚積層し、圧着して、積層体を作製した。この成形体を、ＣＩＰ処理後、脱脂し、更に、窒素雰囲気１０気圧中で、１９５０℃、６時間焼結を行った。
【００２６】
（２）焼結体の構造
図５に、得られた窒化ケイ素焼結体断面の研磨エッチング写真を示す。それによると、α型窒化ケイ素を原料とした場合には、粒子の配向は存在せず、従来の窒化ケイ素焼結体と同様であった。
【００２７】
〔実施例及び比較例の窒化ケイ素焼結体の特性データ〕
実施例１の窒化ケイ素焼結体と、比較例１の窒化ケイ素焼結体の、強度及び破壊エネルギーの平均値と標準偏差を表１に示す。一条件下での試験片本数は、強度測定が４本、破壊エネルギー測定が３本であり、実施例１では、配向方向に平行に応力を負荷した。表１の記載から明らかなように、室温では、実施例１の窒化ケイ素は、強度が７００ＭＰａ以上で、比較例１の窒化ケイ素の強度と同程度であるが、破壊エネルギーは約３００J/ m2 であり、比較例１の窒化ケイ素の約３倍程度と非常に大きくなっていた。また、１５００℃の高温では、比較例１の窒化ケイ素は強度が低下するのに対して、実施例１では強度の低下は見られず、また、破壊エネルギーは、比較例１の約４５０J/m2に対して、実施例１では約７８０J/ m2となり、比較例１のほぼ２倍と非常に大きくなっていた。これは、本発明により、高温で、高い強度と、高い靱性がともに発現していることを示すものである。
【００２８】
図６及び図７に、室温と１５００℃での破壊試験後の破断面の写真を示す。引き抜けた柱状粒子の突出と柱状粒子が引き抜けた孔が観察され、これらの柱状粒子の架橋及び引き抜き効果により、高強度と高靭性が発現した。特に、実施例１の窒化ケイ素では、配向している柱状粒子が粗大であるため、架橋及び引き抜け時に柱状粒子の破壊が起こらないため、大きな架橋及び引き抜き効果が発現し、高強度と高靭性が得られた。更に、柱状粒子が、配向した方向に直角に応力を負荷した場合でも、室温で５５６ＭＰａ（標準偏差６４ＭＰａ）、１５００℃の高温において４６３ＭＰａ（標準偏差２７ＭＰａ）の比較的優れた強度を示した。尚、表１は、実施例と比較例の窒化ケイ素焼結体の強度及び破壊エネルギー（  ）内は標準偏差を示す。
【００２９】
【表１】
2005194116.tif 000003
【００３０】
比較例２
実施例１と同じα型粉末に、焼結剤として、９ｗｔ％のイッテルビア（Ｙｂ２Ｏ３）と、１ｗｔ％のシリカ（Ｓｉ０２）を加え、種結晶として、３ｗｔ％のβ型窒化ケイ素柱状粒子を加え、実施例１と同様にテープを作製した。作製したテープを、計１００枚積層し、圧着して、積層体を作製した。この成形体を、ＣＩＰ処理後、脱脂し、更に、窒素雰囲気１０気圧中で、１９５０℃、６時間焼結を行った。
実施例１の窒化ケイ素焼結体と、比較例２の窒化ケイ素焼結体の、強度及び破壊エネルギーの平均値と標準偏差を表２に示す。
一条件下での試験本数は、強度測定が４本、破壊エネルギー測定が３本であり、実施例１及び比較例２では、配向方向に平行に応力を負荷した。表２より、比較例２の窒化ケイ素は、室温強度は実施例１の窒化ケイ素より優れるが、１５００℃においては、大きく強度低下していることが分かる。また、破壊エネルギーは、室温、１５００℃ともに実施例１に劣っていた。これは、本発明により、高温で、高い強度と、高い靭性がともに発現していることを示すものである。
【００３１】
【表２】
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【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上詳述したように、本発明は、高耐熱性窒化ケイ素焼結体及びその製造方法に係るものであり、本発明により、特に、高温の環境下でも使用可能な優れた耐熱性、かつ、特定方向において高強度と高靭性を持つ窒化ケイ素焼結体及びその製造方法を提供できる。本発明の窒化ケイ素焼結体は、柱状粒子が一方向に配向し、かつ、その粒界相は耐熱性が優れる結晶第二相からなる微構造を有する。そのため、これら二つの要素の組み合わせの結果、粒子の配向方向に対して高い強度と破壊エネルギーを発現することだけではなく、１５００℃の高温でもその強度はほとんど低下せず、かつ、破壊エネルギーが飛躍的に増大する。本発明によれば、柱状粒子の配向方向に応力を負荷した場合、室温において強度が７００ＭＰａ以上、かつ、破壊エネルギーが３００J/ m2 以上、また、１５００℃の高温において、強度が７００ＭＰａ以上、かつ、破壊エネルギーが７００J/ m2以上の特性を持つ焼結体が得られ、この材料は、高温構造用部品、例えば、高温ガスタービン部品等としての使用に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】テープ成型法の概略を示す。
【図２】シェブロンノッチ試験片と試験法を示す。
【図３】実施例１の窒化ケイ素の組織写真（図１  観察方向（ａ））を示す。
【図４】実施例１の窒化ケイ素の組織写真（図１  観察方向（ｂ））を示す。
【図５】比較例１の窒化ケイ素の組織写真を示す。
【図６】実施例１の窒化ケイ素の室温での破断面写真を示す。
【図７】実施例１の窒化ケイ素の１５００℃での破断面写真を示す。
【図２】
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【図１】
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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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