(57)【要約】α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相から成る二相複合体を含むＳｉＡｌＯＮ材料。α’ＳｉＡｌＯＮ相は、イッテルビウムを含有する。α’ＳｉＡｌＯＮ相は、二相複合体の約２５重量％〜約８５重量％の量で含まれる。このＳｉＡｌＯＮ材料は、粒間相をさらに含む。
2004527434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ケイ素粉末を含む出発粉末混合物から生成され、前記出発窒化ケイ素粉末がβ窒化ケイ素を約５重量％以下含有する、焼結セラミック体であって、
α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相から成る二相複合体を含み、前記α’ＳｉＡｌＯＮ相がイッテルビウムを含有し、
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、前記二相複合体の約２５重量％以上の量で含まれる、
前記焼結セラミック体。
【請求項２】
前記β’ＳｉＡｌＯＮ相が、化学式Ｓｉ６−ｚＡｌｚＯｚＮ８−ｚから構成され、前記式中、ｚが０．３より大きく１．５より小さい、請求項１に記載の焼結セラミック体。
【請求項３】
前記式中、ｚが０．７より大きく１．５より小さい、請求項２に記載の焼結セラミック体。
【請求項４】
前記式中、ｚが０．３より大きく０．６より小さい、請求項２に記載の焼結セラミック体。
【請求項５】
前記β’ＳｉＡｌＯＮ相が、前記二相複合体の約１５重量％〜約７５重量％の量で含まれる、請求項１に記載の焼結セラミック体。
【請求項６】
粒間相をさらに含む、請求項１に記載の焼結セラミック体。
【請求項７】
前記粒間相がガラス相を含む、請求項６に記載の焼結セラミック体。
【請求項８】
前記粒間相が粒間結晶相を含む、請求項６に記載の焼結セラミック体。
【請求項９】
前記粒間結晶相が、化学式Ｙｂ２ＳｉＡｌＯ５ＮのＢ相又はウォラストナイト相を含まない、請求項８に記載の焼結セラミック体。
【請求項１０】
前記粒間相が粒間結晶相及びガラス相を含む、請求項６に記載の焼結セラミック体。
【請求項１１】
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、前記二相複合体の約６０重量％〜約８０重量％の量で含まれる、請求項１に記載の焼結セラミック体。
【請求項１２】
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、前記二相複合体の約４５重量％〜約８５重量％の量で含まれる、請求項１に記載の焼結セラミック体。
【請求項１３】
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、「ａ」単位セル寸法及び「ｃ」単位セル寸法を有し、前記α’ＳｉＡｌＯＮ相の前記「ａ」単位セル寸法と前記「ｃ」単位セル寸法との比（ｃ／ａ）が、約０．７２５〜約０．７３０である、請求項１に記載の焼結セラミック体。
【請求項１４】
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相の前記比ｃ／ａが、約０．７２６〜約０．７２９の範囲である、請求項１３に記載の焼結セラミック体。
【請求項１５】
前記出発窒化ケイ素粉末が、β窒化ケイ素を約２重量％以下含有する、請求項１に記載の焼結セラミック体。
【請求項１６】
前記出発窒化ケイ素粉末が、β窒化ケイ素を本質的に０重量％含有する、請求項１に記載の焼結セラミック体。
【請求項１７】
前記出発窒化ケイ素粉末が、α窒化ケイ素を約１００重量％含む、請求項１に記載の焼結セラミック体。
【請求項１８】
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、エルビウム、ツリウム、ルテチウム、及びスカンジウムのうちの１種類以上をさらに含有する、請求項１に記載の焼結セラミック体。
【請求項１９】
α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相から成る二相複合体を含み、
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相がイッテルビウムを含有し、
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、前記二相複合体の約４５重量％〜約８５重量％の量で含まれ、
粒間相を含む、
セラミック組成物。
【請求項２０】
前記β’ＳｉＡｌＯＮ相が、化学式Ｓｉ６−ｚＡｌｚＯｚＮ８−ｚから構成され、前記式中、ｚが０．３より大きく１．５より小さい、請求項１９に記載のセラミック組成物。
【請求項２１】
前記粒間相が粒間結晶相及びガラス相を含む、請求項１９に記載のセラミック組成物。
【請求項２２】
前記粒間結晶相が、化学式Ｙｂ２ＳｉＡｌＯ５ＮのＢ相又はウォラストナイト相を含まない、請求項１９に記載のセラミック組成物。
【請求項２３】
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、前記二相複合体の約６０重量％〜約８０重量％の量で含まれる、請求項１９に記載のセラミック組成物。
【請求項２４】
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、イッテルビウムに加えて１種類以上の希土類元素をさらに含有し、原子価を＋３に且つ配位数を６にするための前記希土類元素それぞれの有効イオン半径が、０．９００オングストローム以下である、請求項１９に記載のセラミック組成物。
【請求項２５】
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、エルビウム、ツリウム、ルテチウム、及びスカンジウムの元素のうちの１種類以上をさらに含有する、請求項１９に記載のセラミック組成物。
【請求項２６】
本質的にα’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相から成り、前記α’ＳｉＡｌＯＮ相がイッテルビウムを含有し、
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、前記α’ＳｉＡｌＯＮ相及び前記β’ＳｉＡｌＯＮ相の総含有量の約４５重量％〜約８５重量％の量で含まれ、
前記β’ＳｉＡｌＯＮ相が、前記α’ＳｉＡｌＯＮ相及び前記β’ＳｉＡｌＯＮ相の総含有量の約１５重量％〜約５５重量％の量で含まれ、
粒間相を本質的に含み、前記粒間相がガラス相及び粒間結晶相のうちの１種類以上を含む、
セラミック組成物。
【請求項２７】
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、前記α’ＳｉＡｌＯＮ相及び前記β’ＳｉＡｌＯＮ相の総含有量の約６０重量％〜約７０重量％の量で含まれ、前記β’ＳｉＡｌＯＮ相が、前記α’ＳｉＡｌＯＮ相及び前記β’ＳｉＡｌＯＮ相の総含有量の約３０重量％〜約４０重量％の量で含まれる、請求項２６に記載のセラミック組成物。
【請求項２８】
前記β’ＳｉＡｌＯＮ相が、化学式Ｓｉ６−ｚＡｌｚＯｚＮ８−ｚから構成され、前記式中、ｚが０．３より大きく１．５より小さい、請求項２６に記載のセラミック組成物。
【請求項２９】
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、「ａ」単位セル寸法及び「ｃ」単位セル寸法を有し、前記α’ＳｉＡｌＯＮ相の前記「ａ」単位セル寸法と前記「ｃ」単位セル寸法との比（ｃ／ａ）が、約０．７２５〜約０．７３０である、請求項２６に記載のセラミック組成物。
【請求項３０】
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相の前記比ｃ／ａが、約０．７２６〜約０．７２９の範囲である、請求項２９に記載のセラミック組成物。
【請求項３１】
窒化ケイ素粉末を含む出発粉末混合物から生成され、前記出発窒化ケイ素粉末がβ窒化ケイ素を約２重量％以下含有する、焼結セラミック体であって、
α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相から成る二相複合体を含み、前記α’ＳｉＡｌＯＮ相がイッテルビウムを含有し、
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、前記二相複合体の約２５重量％以上の量で含まれ、
粒間相を含む、
前記焼結セラミック体。
【請求項３２】
破壊靭性が約６．０ＭＰａｍ１／２以上である、請求項３１に記載の焼結セラミック体。
【請求項３３】
破壊靭性が約７．０ＭＰａｍ１／２以上である、請求項３１に記載の焼結セラミック体。
【請求項３４】
破壊靭性が約８．０ＭＰａｍ１／２以上である、請求項３１に記載の焼結セラミック体。
【請求項３５】
前記粒間相がイッテルビウムアルミニウムガーネットを含む、請求項３１に記載の焼結セラミック体。
【請求項３６】
前記粒間相がＹｂＡＭ結晶相を含む、請求項３１に記載の焼結セラミック体。
【請求項３７】
前記粒間相がＮ−ＹｂＡＭ結晶相を含む、請求項３１に記載の焼結セラミック体。
【請求項３８】
前記粒間相が、Ｎ−ＹｂＡＭ結晶相及びＹｂＡＭ結晶相を含む、請求項３１に記載の焼結セラミック体。
【請求項３９】
前記粒間相がガラス相を含む、請求項３１に記載の焼結セラミック体。
【請求項４０】
前記β’ＳｉＡｌＯＮ相が、化学式Ｓｉ６−ｚＡｌｚＯｚＮ８−ｚから構成され、前記式中、ｚが０．３より大きく１．５より小さい、請求項３１に記載の焼結セラミック体。
【請求項４１】
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、「ａ」単位セル寸法及び「ｃ」単位セル寸法を有し、前記α’ＳｉＡｌＯＮ相の前記「ａ」単位セル寸法と前記「ｃ」単位セル寸法との比（ｃ／ａ）が、約０．７２５〜約０．７３０である、請求項３１に記載の焼結セラミック体。
【請求項４２】
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相の前記比ｃ／ａが、約０．７２６〜約０．７２９の範囲である、請求項４１に記載の焼結セラミック体。
【請求項４３】
α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相から成る二相複合体を含み、
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、イッテルビウム、エルビウム、ツリウム、及びルテチウムから成る群から選択された１種類以上を含有し、
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、前記二相複合体の約４５重量％〜約８５重量％の量で含まれ、
粒間相を含む、
セラミック組成物。
【請求項４４】
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、前記二相複合体の約５０重量％以上の量で含まれる、請求項４３に記載のセラミック組成物。
【請求項４５】
窒化ケイ素粉末を含む出発粉末混合物から生成され、前記出発窒化ケイ素粉末がβ窒化ケイ素を約２重量％以下含有する、焼結セラミック体であって、
イッテルビウムを含有するα’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相から成る二相複合体を含み、
前記セラミック体の組成物が、図５の線ｘ−ｘより上に当てはまる、
前記焼結セラミック体。
【請求項４６】
前記二相複合体が、α’ＳｉＡｌＯＮ相約３０重量％〜約４０重量％と、β’ＳｉＡｌＯＮ相約６０重量％〜約７０重量％とを含む、請求項４５に記載の焼結セラミック体。
【請求項４７】
前記出発窒化ケイ素粉末が、β窒化ケイ素を約０重量％含む、請求項４５に記載の焼結セラミック体。
【請求項４８】
窒化ケイ素粉末を含む出発粉末混合物から生成され、前記出発窒化ケイ素粉末がβ窒化ケイ素を約５重量％以下含有する、焼結セラミック体であって、
α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相から成る二相複合体を含み、前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、１種類以上の希土類元素を含有し、原子価を＋３に且つ配位数を６にするための前記希土類元素それぞれの有効イオン半径が、０．９００オングストローム以下であり、
前記α’ＳｉＡｌＯＮ相が、前記二相複合体の約２５重量％以上の量で含まれる、
前記焼結セラミック体。
【請求項４９】
前記希土類元素が、エルビウム、ツリウム、ルテチウム、スカンジウム、及びイッテルビウムから成る群から選択された１種類以上から構成される、請求項４８に記載の焼結セラミック体。
【請求項５０】
前記希土類元素がイッテルビウムから構成される、請求項４８に記載の焼結セラミック体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸窒化ケイ素アルミニウム（ＳｉＡｌＯＮ：ｓｉｌｉｃｏｎ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）及びイッテルビウムを含有するセラミック材料、並びにその生成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＡｌＯＮ材料にはいくつかの使用法があり、例えば、様々な金属切削用途における切削用インサートや、様々な摩耗用途における摩耗部品（例えば、ポンプ用プランジャーロッド、プランジャーボールブランク、ダウンホールポンプ用逆止め弁ブランク、ブッシュ、送風ノズル、並びに、その他の摩耗及び衝撃用途）が挙げられる。ＳｉＡｌＯＮ材料を開示している特許文献の例としては、米国特許第４，５６３，４３３号及び米国特許第４，７１１，６４４号がある。ＳｉＡｌＯＮ材料について論じている論文の１つには、イツェフスキー（Ｉｚｈｅｖｓｋｉｙ）他著，「ＳｉＡｌＯＮセラミックにおける進歩（Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ＳｉＡｌＯＮ ｃｅｒａｍｉｃｓ）」，欧州セラミック学会ジャーナル２０（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ ２０），２０００年，２２７５〜２２９５頁がある。
【０００３】
ＳｉＡｌＯＮ材料は、α’（アルファプライム）相及びβ’（ベータプライム）相、並びに、例えばガラス相及び／又は結晶相のような１種類以上のその他の相を含有していてもよい。α’ＳｉＡｌＯＮ相は、化学式ＭｘＳｉ１２−（ｍ＋ｎ）Ａｌｍ＋ｎＯｎＮ１６−ｎから構成されていてもよく、式中、ＭはＬｉ、Ｃａ、Ｙ、又はその他のランタニドであり、ｘの理論最大値は２であり、ｎの値は０より大きく２．０以下の範囲であり、ｍの値は０．９以上３．５以下の範囲である。β’ＳｉＡｌＯＮ相は、化学式Ｓｉ６−ｚＡｌｚＯｚＮ８−ｚから構成されていてもよく、式中、０＜ｚ≦４．２である。Ｍがイットリウムである場合、結晶相は、化学式Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２の立方相であるＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット（ｙｔｔｒｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｇａｒｎｅｔ））、化学式Ｙ４Ａｌ２Ｏ９の単斜相であるＹＡＭ、化学式Ｙ４Ｓｉ２Ｏ７Ｎ２の単斜相であるＮ−ＹＡＭ、及び化学式ＹＳｉＯ２Ｎの単斜相であるＹ−Ｎ−α−ウォラストナイトを含有してもよい。
【０００４】
ＳｉＡｌＯＮ材料は、α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相を含んでいてもよく、さらに、ＳｉＡｌＯＮマトリックス中に分散した炭化ケイ素粒子を含有していてもよい。このようなＳｉＡｌＯＮ材料については、メーロトラ（Ｍｅｈｒｏｔｒａ）他による米国特許第４，８２６，７９１号に開示されている。
【０００５】
別のセラミック材料は、α’ＳｉＡｌＯＮ相、β’ＳｉＡｌＯＮ相、及び粒間相を含み、任意に耐熱相を含有する。このセラミック材料は、酸素及びアルミニウム含有率の高い合金面を有する。メーロトラ他による米国特許第４，８８０，７５５号は、このようなセラミック材料を開示している。
【０００６】
メーロトラ他による米国特許第５，３７０，７１６号は、β’ＳｉＡｌＯＮ相から成るＺ値の高いＳｉＡｌＯＮ材料を開示している。このβ’ＳｉＡｌＯＮ相は、化学式Ｓｉ６−ｚＡｌｚＯｚＮ８−ｚから構成されており、式中、１＜ｚ＜３である。
【０００７】
チェン（Ｃｈｅｎ）他による米国特許第５，９０８，７９８号は、ＳｉＡｌＯＮ材料を開示しており、ここでは、α’ＳｉＡｌＯＮの長形粒子によってα’ＳｉＡｌＯＮを強化することに焦点を当てている。イッテルビウムを含む実施例では、β’ＳｉＡｌＯＮ相を全く含有しない、α’ＳｉＡｌＯＮ相のみの材料が生成される。
【０００８】
ティエン（Ｔｉｅｎ）他による米国特許第６，１２４，２２５号は、α’ＳｉＡｌＯＮの長形粒子によって強化されるα’ＳｉＡｌＯＮ材料を生成するために、ＳｉＡｌＯＮ材料にガドリニウム（Ｇｄ）を用いることに焦点を当てている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
現在のＳｉＡｌＯＮ切削用インサートの特性（例えば、硬度、靭性、耐熱衝撃性）は許容可能なものであるが、硬度、ヤング率、靭性、熱伝導性、及び耐熱衝撃性を含む金属切削性能特性が改良された切削用インサートとしての用途を有する、改良されたＳｉＡｌＯＮ材料を提供することが望ましいであろう。同じことがＳｉＡｌＯＮ摩耗部品にも当てはまり、現在のＳｉＡｌＯＮ摩耗部品の特性（例えば、硬度、ヤング率、靭性、熱伝導性、及び耐熱衝撃性）は許容可能なものであるが、これらの特性が改良された摩耗部品としての用途を有する、改良されたＳｉＡｌＯＮ材料を提供することが望ましいであろう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの態様は、窒化ケイ素粉末を含む出発粉末混合物から生成される焼結セラミック体である。出発窒化ケイ素粉末の約５重量％以下は、β窒化ケイ素から構成される。このセラミック体は、α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相から成る二相複合体を含む。α’ＳｉＡｌＯＮ相は、イッテルビウムを含有する。α’ＳｉＡｌＯＮ相は、二相複合体の約２５重量％〜約８５重量％の量で含まれる。
【００１１】
本発明のさらに別の態様は、α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相から成る二相複合体を含むセラミック組成物である。α’ＳｉＡｌＯＮ相は、イッテルビウムを含有する。α’ＳｉＡｌＯＮ相は、二相複合体の約４５重量％〜約８５重量％の量で含まれる。この組成物は、粒間相をさらに含む。
【００１２】
本発明の別の態様は、本質的にα’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相から成るセラミック組成物である。α’ＳｉＡｌＯＮ相は、イッテルビウムを含有する。α’ＳｉＡｌＯＮ相は、α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相の総含有量の約４５重量％〜約８５重量％の量で含まれる。β’ＳｉＡｌＯＮ相は、α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相の総含有量の約１５重量％〜約５５重量％の量で含まれる。この組成物は、粒間相をさらに含み、粒間相は、ガラス相及び粒間結晶相のうちの１種類以上を含む。
【００１３】
本発明のさらに別の態様は、窒化ケイ素粉末を含む出発粉末混合物から生成される焼結セラミック体である。出発窒化ケイ素粉末の約２重量％以下は、β窒化ケイ素から構成される。この焼結セラミック体は、α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相から成る二相複合体を含む。α’ＳｉＡｌＯＮ相は、イッテルビウムを含有する。α’ＳｉＡｌＯＮ相は、二相複合体の約２５重量％以上の量で含まれる。この組成物は、粒間相をさらに含む。
【００１４】
本発明のさらに別の態様は、α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相から成る二相複合体を含むセラミック組成物である。α’ＳｉＡｌＯＮ相は、イッテルビウム、エルビウム、ツリウム、スカンジウム、及びルテチウムから成る群から選択された１種類以上を含有する。α’ＳｉＡｌＯＮ相は、二相複合体の約４５重量％〜約８５重量％の量で含まれる。このセラミック組成物は、粒間相をさらに含む。
【００１５】
本発明のさらに別の態様は、窒化ケイ素粉末を含む出発粉末混合物から生成される焼結セラミック体であり、出発窒化ケイ素粉末は、β窒化ケイ素を約２重量％以下含む。この焼結セラミック体は、イッテルビウムを含有するα’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相から成る二相複合体を含む。このセラミック体の組成物は、図５の線ｘ−ｘより上に当てはまる。
【００１６】
本発明のさらに別の態様は、窒化ケイ素粉末を含む出発粉末混合物から生成される焼結セラミック体であり、出発窒化ケイ素粉末は、β窒化ケイ素を約５重量％以下含む。このセラミック体は、α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相から成る二相複合体を含む。α’ＳｉＡｌＯＮ相は、１種類以上の希土類元素を含有し、原子価を＋３に且つ配位数を６にするための希土類元素それぞれの有効イオン半径は、０．９００オングストローム以下である。α’ＳｉＡｌＯＮ相は、二相複合体の約２５重量％以上の量で含まれる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は、セラミック材料に関し、より詳細には、イッテルビウムを含有する酸窒化ケイ素アルミニウム（ＳｉＡｌＯＮ）材料に関する。このＳｉＡｌＯＮ材料は、エルビウム、ツリウム、スカンジウム、及び／又はルテチウムのうちの１種類以上を含んでいてもよく、さらにイッテルビウムを含んでいてもいなくてもよい、ということを出願人は意図している。
【００１８】
ＳｉＡｌＯＮ材料は、様々な金属切削用途における切削用インサートとして用いられてきた。また、ＳｉＡｌＯＮ材料は、様々な摩耗用途における摩耗部品、及び様々な衝撃用途における衝撃部品としても用いられてきた。本発明のＳｉＡｌＯＮ材料は、切削用インサート、摩耗部品、衝撃部品、及び、硬質で高密度であるセラミック材料の特性が望まれるその他のあらゆる製品としての用途を有する。
【００１９】
本発明では、このＳｉＡｌＯＮ材料は、化学式ＹｂｘＳｉ１２−（ｍ＋ｎ）Ａｌｍ＋ｎＯｎＮ１６−ｎのα’相を含有する。出願人は、本発明のこの材料に対するｘ、ｍ、及びｎの値を限定していない。しかしながら、出願人は、ｘの値が理論最大値２を有することは想定しているであろう。また、出願人は、ｎの値が０より大きく２．０以下の範囲であり、ｍの値が０．９以上３．５以下の範囲であることも想定しているであろう。
【００２０】
このα’ＳｉＡｌＯＮ相は、ほぼ等軸状の粒子から構成される。また、このＳｉＡｌＯＮ材料は、化学式Ｓｉ６−ｚＡｌｚＯｚＮ８−ｚのβ’相も含有する。ｚの値は０．３より大きく１．５より小さい範囲であるのが好ましく、用途によって、この「ｚ」値の好適な範囲は異なる。例えば、鋳鉄を機械加工するための切削工具として本発明が用いられる用途では、ｚの値は０．３より大きく０．６より小さい範囲であるのが好ましい。また、別の例として、耐熱合金（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本発明が用いられる用途では、ｚの値は０．７より大きく１．５より小さい範囲であるのが好ましい。このβ’ＳｉＡｌＯＮ相は、ほぼ長形をした粒子から構成される。
【００２１】
α’ＳｉＡｌＯＮ相の含有率範囲の一例としては、特に、セラミックが、窒化ケイ素粉末を含む出発粉末混合物から構成されており、この出発窒化ケイ素粉末の約２重量％以下がβ窒化ケイ素から成り、約９８重量％以上がα窒化ケイ素から成る場合、α’相は、ＳｉＡｌＯＮ材料におけるα’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相の総含有量の約２５重量％〜約８５重量％の量で含まれる。別の範囲の例としては、α’ＳｉＡｌＯＮ相は、ＳｉＡｌＯＮ材料におけるα’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相の総含有量の約４５重量％〜約８５重量％の量で含まれる。さらに別の範囲の例としては、α’ＳｉＡｌＯＮ相は、ＳｉＡｌＯＮ材料におけるα’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相の総含有量の約６０重量％〜約８０重量％の量で含まれる。このα’ＳｉＡｌＯＮ相の含有量は、一般的には、Ｘ線回析法によって測定される。
【００２２】
範囲の一例としては、特に、セラミックが、窒化ケイ素粉末を含む出発粉末混合物から構成されており、この出発窒化ケイ素粉末の約５重量％以下がβ窒化ケイ素から成り、約９５重量％以上がα窒化ケイ素から成る場合、β’ＳｉＡｌＯＮ相は、ＳｉＡｌＯＮ材料におけるα’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相の総含有量の約１５重量％〜約７５重量％の量で含まれる。別の範囲の例としては、β’ＳｉＡｌＯＮ相は、ＳｉＡｌＯＮ材料におけるα’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相の総含有量の約１５重量％〜約５５重量％の量で含まれる。さらに別の範囲の例としては、β’ＳｉＡｌＯＮ相は、ＳｉＡｌＯＮ材料におけるα’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相の総含有量の約２０重量％〜約４０重量％の量で含まれる。このβ’ＳｉＡｌＯＮ相の含有量は、一般的には、Ｘ線回析法によって測定される。
【００２３】
また、このＳｉＡｌＯＮ材料は、粒間相を含む１つ以上のさらなる相も含有する。この粒間相は、ガラス相を含んでいてもよく、時にはさらに粒間結晶相を含んでいてもよい。現時点において、出願人は、一般的にＳｉＡｌＯＮ材料に含まれるさらなる相の具体的な量を限定していない。しかしながら、出願人は、一般的にはガラス相を含み、さらに粒間結晶相を含み得る、粒間相を含むことは推定している。このガラス相は、一般的には非晶相である。
【００２４】
含まれ得るこの粒間結晶相としては、化学式Ｙｂ３Ａｌ５Ｏ１２の立方相であるＹｂＡＧ（イッテルビウムアルミニウムガーネット（ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｇａｒｎｅｔ））、化学式Ｙｂ４Ａｌ２Ｏ９の単斜相であるＹｂＡＭ、化学式Ｙｂ４Ｓｉ２Ｏ７Ｎ２の単斜相であるＮ−ＹｂＡＭがある。このＳｉＡｌＯＮ材料は、化学式Ｙｂ２ＳｉＡｌＯ５ＮのＢ相又はウォラストナイト相を含む粒間結晶相はいずれも含有しない。
【００２５】
図面を参照すると、図１は、概略的に参照番号２０で示された、ＲＮＧ−Ｔ型の切削用インサートを示している。この切削用インサート２０は、ほぼ円筒形をした逃げ面２２と、それぞれがほぼ円形をした１組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、円形切刃２６を画定している。この切刃２６は、ベベルを有する。切削用インサート２０は、本発明のＳｉＡｌＯＮ材料から構成されている。
【００２６】
図２は、概略的に参照番号３０で示された、切削用インサートの第２の特定の実施形態を示している。この切削用インサート３０は、基体３２及びコーティング３４を有する。切削用インサート３０は、ほぼ円筒形をした逃げ面３６と、ほぼ円形をした１組の対向するすくい面３８とを有する。逃げ面３６はすくい面３８と交差して、円形切刃４０を形成している。これらの切刃４０はそれぞれ、ベベルを有する。基体３２は、本発明のＳｉＡｌＯＮ材料から構成されている。コーティングは、化学的蒸着法（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）及び物理的蒸着法（ＰＶＤ：ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を含む既知の方法で塗布された、１つ以上の層から成るコーティング構造を含んでいてもよい。このコーティング材料は、１〜１０マイクロメートルの厚さに、より好ましくは３〜５マイクロメートルの厚さに塗布された、ＣＶＤ蒸着アルミナを含んでいてもよい。また、このコーティング材料は、ＰＶＤ蒸着窒化チタンアルミニウムを含んでいてもよい。さらに、このコーティング材料は、多層コーティング構造を含んでいてもよく、この構造においては、基体に隣接した層がアルミナから構成されているのが好ましい。
【００２７】
以下の実施例では、イットリウム含有ＳｉＡｌＯＮ材料の物理的特性を、イッテルビウム含有ＳｉＡｌＯＮ材料の物理的特性と比較した。表１は、イッテルビウム含有材料であるバッチ番号９８２及び１０３０、並びに、イットリウム含有材料であるバッチ番号９４１Ａの、出発粉末組成物（単位：重量％）を示している。これらの組成物（即ち、バッチ番号９８２、１０３０、及び９４１Ａ）は、バッチ番号９８２及び１０３０におけるイッテルビアのモル含有率が、バッチ番号９４１Ａにおけるイットリアのモル含有率と同じになるように生成された。バッチ番号９８２、１０３０、及び９４１Ａそれぞれの出発粉末混合物は、窒化ケイ素粉末を含有し、この出発窒化ケイ素粉末の約１．６重量％はβ窒化ケイ素粉末から構成され、約９８．４重量％はα窒化ケイ素粉末から構成された。
【００２８】
【表１】
2004527434.tif 000003
【００２９】
これらの出発粉末について、以下に簡単に説明する。窒化ケイ素粉末のうちの一方は、アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ニューヨークの、ハーマン  Ｃ．スタアーク（Ｈｅｒｍａｎ Ｃ． Ｓｔａｒｃｋ）から入手可能な、品番Ｍ１１の窒化ケイ素であった。窒化ケイ素粉末のうちのもう一方は、日本国、東京都の、宇部興産株式会社（Ｕｂｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ， Ｌｔｄ．）から入手可能な、品番ＳＮＥ−０３の窒化ケイ素であった。窒化アルミニウムは、ハーマン  Ｃ．スタアークから入手可能な、品番グレード（Ｇｒａｄｅ）Ａの窒化アルミニウムであった。酸化アルミニウムは、アメリカ合衆国、アリゾナ州、トゥーソンの、セラロックス  コーポレイション（Ｃｅｒａｌｏｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から入手可能な、品番ＨＰＡ−０．５の酸化アルミニウム（意図的に添加されたマグネシア０．５重量％を含有）であった。イッテルビアは、モリコープ（Ｍｏｌｙｃｏｒｐ．）から入手可能なものであった。イットリアは、ハーマン  Ｃ．スタアークから入手可能な、ファイン・グレード・イットリアであった。
【００３０】
表１に示した上記バッチ番号のそれぞれに関し、出発組成物を、イソプロパノールと共にα’ＳｉＡｌＯＮ−β’ＳｉＡｌＯＮ媒体を用いて、約８時間〜約１６時間粉砕することによって、スラリーを生成した。粉砕完了後、このスラリーを、４００メッシュのふるいにかけてから真空乾燥させることによって、乾燥粉末を生成した。次に、この乾燥粉末を、流動層法を用いてフィッツ粉砕（ｆｉｔｚｍｉｌｌ）してペレット化した。この流動化処理中に、ロジン及びカーボワックス（Ｃａｒｂｏｗａｘ）４００を結合剤として添加した。次に、このペレット化した材料（乾燥粉末及び結合剤材料）を乾式成形して、密度が約２〜約２．１５ｇ／ｃｍ３である圧粉成形体とした。次に、この結合剤を、最高温度が約８７５℃である空気燃焼サイクルによって除去した。
【００３１】
次に、これらの成形体を、寸法が４インチ×８インチ×１．２５インチであるＢＮ（窒化ホウ素）製のさや（ｓａｇｇｅｒ）に充填した。ＲＮＧ４３及びＣＮＧＡ４３３型の切削用インサートには、それぞれ５５個の成形体から成る層が、１箱につき３つあった。このＢＮ製さやを２つ上に積み重ねて、連続焼結炉のベルト上に載置した。この炉には個別に制御される４つの加熱帯があり、各加熱帯の長さは１２インチであった。加熱速度は、約１５０℃／分であった。これらの実施例において用いた炉は、４つの加熱帯を有していることを除けば、ミラー、ジュニア．（Ｍｉｌｌｅｒ， Ｊｒ．）による「高温ベルト炉装置及びその使用方法（ＨＩＧＨ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＢＥＬＴ ＦＵＲＮＡＣＥ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＵＳＩＮＧ ＴＨＥ ＳＡＭＥ）」という発明の名称である、米国特許第５，６４８，０４２号に記載された炉の様式に沿っている。
【００３２】
成形体を焼結するのにベルト炉を使用する方法が、ウィットマー（Ｗｉｔｔｍｅｒ）他著，「窒化ケイ素の連続焼結とバッチ焼結との経済的比較（Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ａｎｄ Ｂａｔｃｈ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）」，米国セラミック学会会報（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ），第７２巻，Ｎｏ．６，１９９３年，ｐｐ．１２９−１３７と、ウィットマー他著，「Ｓｉ３Ｎ４の連続焼結とバッチ焼結との比較（Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｔｏ Ｂａｔｃｈ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｓｉ３Ｎ４）」，セラミック学会会報（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ），第７０巻，Ｎｏ．９，１９９１年，ｐｐ．１５１９−１５２７と、ウィットマー他著，「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）」とに開示されている。国際出願日が１９９９年６月２３日であり、発明の名称が「セラミック及びその連続焼結処理（ＣＥＲＡＭＩＣ ＡＮＤ ＰＲＯＣＥＳＳ ＦＯＲ ＴＨＥ ＣＯＮＴＩＮＵＯＵＳ ＳＩＮＴＥＲＩＮＧ ＴＨＥＲＥＯＦ）」である、公開されたＰＣＴ特許出願番号第ＰＣＴ／ＵＳ９９／１４２３１号は、セラミックのベルト炉における連続焼結について開示しており、この焼結物にはα’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相が含まれている。
【００３３】
表２に示すように、バッチ番号９８２、１０３０、及び９４１Ａのそれぞれを、２つの異なる方法で連続的に焼結した。これに関し、下の表２は、実施例１〜４（イッテルビウムを含有する）並びに実施例Ａ及びＢ（イッテルビウムを含有しない）の焼結パラメータを示している。各加熱帯に関して、表２は、連続焼結処理中に成形体が晒される温度（℃）を示している。成形体は、各加熱帯において約３０分間を費やした。
【００３４】
【表２】
2004527434.tif 000004
【００３５】
下の表３は、各実施例の存在する相及び物理的特性を示している。ビッカース硬度（Ｈｖｎ）は、１８．５ｋｇの荷重を用いて測定し、ギガパスカルで示した。破壊靭性（ＫＩＣ）は、エヴァンズ  アンド  チャールズ（Ｅｖａｎｓ ａｎｄ Ｃｈａｒｌｅｓ）による論説，「押込みによる破壊靭性の測定（Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｂｙ Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ）」，米国セラミック学会会報（Ｊ． Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ），第５９巻，Ｎｏｓ．７−８，３７１−３７２頁に従って、研磨面上において、パルムクヴィスト（Ｐａｌｍｑｖｉｓｔ）押込み法により、ビッカース圧子上に１８．５ｋｇの荷重を用いて測定した。表３に示すように、α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相の重量％は、α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相の合計に対するものである。
【００３６】
【表３】
2004527434.tif 000005
【００３７】
上の表３のデータは、イッテルビウム含有ＳｉＡｌＯＮ材料（実施例１〜４）の方が、イットリア含有ＳｉＡｌＯＮ材料（実施例Ａ及びＢ）よりも、硬度が高く、靭性が高かったことを示している。イッテルビウム含有ＳｉＡｌＯＮ材料にはＢ相又はウォラストナイト結晶相のいずれも存在しないことが、恐らく靭性を高める一因となったと思われる。また、イットリアに比べてイッテルビアの方がイオン半径が小さいため、焼結中におけるＢ相及び／又はウォラストナイト相の生成に対する抵抗が大きくなるようにも思われる。イットリア含有例（実施例Ａ及びＢ）はそれぞれ、表３に示したように、Ｂ相（Ｙｂ２ＳｉＡｌＯ５Ｎ）を含有した。
【００３８】
図３は、実施例Ｃ［１２０分間１７６５℃で連続焼結したバッチ番号９４１Ａ］の微細構造を示す顕微鏡写真であり、図４は、実施例２［１２０分間１７６５℃で連続焼結したバッチ番号９８２］の微細構造を示す顕微鏡写真である。図４において、黒っぽいプリズム状の粒子はβ’ＳｉＡｌＯＮ相であり、薄灰色の粒子はα’ＳｉＡｌＯＮ相である。最も明るい領域は、イッテルビア−アルミナ−シリカから成るガラス相である。
【００３９】
実施例１〜４によって示されているように、本発明によれば、α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相を有するセラミックであって、破壊靭性が高く（例えば、ＫＩＣが６．０ＭＰａｍ１／２以上、より好ましくは６．５ＭＰａｍ１／２以上）、且つ、α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相の合計に対するα’ＳｉＡｌＯＮ相の含有率が約４５重量％以上であるセラミックが生成される、ということを出願人は見出した。
【００４０】
また、出発窒化ケイ素粉末中のβ窒化ケイ素の量が、焼結時微細構造に含まれるα’ＳｉＡｌＯＮ相の量に影響を与える、ということも出願人は見出した。より具体的には、出発窒化ケイ素粉末中のβ窒化ケイ素の量が多いほど、焼結時微細構造に含まれるα’ＳｉＡｌＯＮ相の量は少なくなる。さらに、出発窒化ケイ素粉末中のβ窒化ケイ素含有率が、出発窒化ケイ素粉末の約５重量％以下、より好ましくは約２重量％以下である場合、より高い靭性が得られる、と出願人は考えている。実施例１〜４のそれぞれに関し、出発窒化ケイ素粉末混合物中のβ窒化ケイ素含有率は約１．６重量％であり、α窒化ケイ素含有率は約９８．４重量％であった。
【００４１】
出発粉末混合物中のβ窒化ケイ素の量は、２つの方法のうちのいずれで制御してもよい。１つの方法は、２種類以上の窒化ケイ素粉末を所定量混合する方法であり、各粉末のα窒化ケイ素含有率及びβ窒化ケイ素含有率が既知数であることによって、β窒化ケイ素含有率が既知数の窒化ケイ素粉末を生成することができる。もう１つの方法は、α窒化ケイ素１００％の粉末を用い、これにβ窒化ケイ素１００％の粉末を選定した量だけ加える方法であり、β窒化ケイ素含有率が既知数の窒化ケイ素粉末を生成することができる。この後者の方法の方が、β窒化ケイ素成分の粒度を容易に制御することができる。
【００４２】
出願人は、いずれの特定の理論にも制限されることを意図していないが、β窒化ケイ素粒子はβ’ＳｉＡｌＯＮ粒子の核生成及び成長のための種であると考えている。β窒化ケイ素粒子の数が多いほど、β’ＳｉＡｌＯＮ粒子同士がすぐに衝突するため、アスペクト比の高いβ’ＳｉＡｌＯＮ粒子の生成が制限される。さらに、β窒化ケイ素粒子の数が多いほど、α’ＳｉＡｌＯＮ粒子の含有率が低くなる。出発粉末混合物中に用いるβ窒化ケイ素粒子の数が少ないほど、焼結中において、β’ＳｉＡｌＯＮ粒子が成長してα’ＳｉＡｌＯＮマトリックスとなる核生成部位の数が制限されることになる。これにより、β’ＳｉＡｌＯＮ粒子のアスペクト比が高くなり、α’ＳｉＡｌＯＮ相マトリックスが強靭化する。
【００４３】
実施例５〜１３を生成して、出発粉末中のβ窒化ケイ素含有率がＳｉＡｌＯＮ材料の特性に与える影響を示した。下の表４は、出発粉末混合物の組成を重量％で表している。
【００４４】
【表４】
2004527434.tif 000006
【００４５】
上の出発粉末を、バッチ番号９８２の出発粉末の処理のような方式で処理した。粉砕した粉末混合物の特性が、下の表５に示されている。
【００４６】
【表５】
2004527434.tif 000007
【００４７】
下の表６は、炉における４つの加熱帯それぞれの温度を℃で示している。成形体は、各加熱帯において約３０分間を費やした。また、この表６は、焼結時材料における、α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相の合計に対するα’ＳｉＡｌＯＮ相の重量％も示しており、β’ＳｉＡｌＯＮ相は、結晶相の残部から構成される。硬度はビッカース硬度（Ｈｖｎ）で示されており、破壊靭性（ＫＩＣ）はＭＰａｍ１／２で示されている。
【００４８】
【表６】
2004527434.tif 000008
【００４９】
表６の結果によれば、実施例５〜７、１２、及び１３の破壊靭性（ＫＩＣ）は、出発窒化ケイ素粉末中のβ窒化ケイ素含有率が１．６重量％であるときに最も高くなった、ということが示されている。これに関し、実施例６の破壊靭性（ＫＩＣ）は、７．２８ＭＰａｍ１／２である。実施例９〜１１に関しても同様であり、出発窒化ケイ素粉末中のβ窒化ケイ素含有率が１．６重量％である実施例（即ち、実施例９）の破壊靭性が最も高かった。
【００５０】
表４〜６の結果によれば、出発窒化ケイ素粉末中のβ窒化ケイ素含有率を制御することによって、出発粉末の全体組成（即ち、窒化ケイ素［α窒化ケイ素及びβ窒化ケイ素］、窒化アルミニウム、アルミナ、並びにイッテルビアの含有率）が同じままであっても、焼結時セラミックＳｉＡｌＯＮ材料におけるα’ＳｉＡｌＯＮ相の含有率を制御することができる、ということが示されている。
【００５１】
より具体的には、実施例５と実施例６の出発粉末の全体組成は同じであり、窒化ケイ素（α窒化ケイ素及びβ窒化ケイ素）８４．３重量％と、窒化アルミニウム６．００重量％と、アルミナ１．５０重量％と、イッテルビア８．２０重量％とから構成された。実施例５と実施例６は、同じように処理された。
【００５２】
実施例５と実施例６の相違点は、β窒化ケイ素から成る出発窒化ケイ素粉末の重量％であった。これに関し、実施例５及び６はそれぞれ、β窒化ケイ素を０重量％、１．６重量％含有し、この出発窒化ケイ素粉末の残部は、α窒化ケイ素から構成された。
【００５３】
表６によれば、実施例５及び６の焼結時セラミック材料の結晶相はそれぞれ、α’ＳｉＡｌＯＮ相を８３．９重量％、５７．２重量％含有していたことが示されており、残部はβ’ＳｉＡｌＯＮ相から構成された。実施例５及び６は、全体組成及び処理が同じであっても、出発窒化ケイ素粉末中のβ窒化ケイ素の量を制御することによって、焼結時セラミック材料におけるα’ＳｉＡｌＯＮ相の含有率を制御することができる、ということを示している。
【００５４】
実施例８、９、１０、及び１１に関しても同様の関係であり、これらの実施例はそれぞれ、窒化ケイ素（α窒化ケイ素及びβ窒化ケイ素）８２．２７重量％と、窒化アルミニウム５．９７重量％と、アルミナ３．５６重量％と、イッテルビア８．２重量％という、同じ全体組成を有していた。さらに、実施例８、９、１０、及び１１の出発窒化ケイ素粉末はそれぞれ、β窒化ケイ素を０重量％、１．６重量％、２重量％、８重量％含有していた。
【００５５】
表６によれば、実施例８、９、１０、及び１１の結晶相はそれぞれ、α’ＳｉＡｌＯＮ相を６５．５重量％、４９．７重量％、４５重量％、３７．７重量％含んでいたことが示されており、残部はβ’ＳｉＡｌＯＮ相から構成された。上記の実施例５及び６と同様に、これらの実施例は、出発粉末全体組成及び処理が同じであっても、出発窒化ケイ素粉末中のβ窒化ケイ素の量を制御することによって、焼結時セラミック材料におけるα’ＳｉＡｌＯＮ相の含有率を制御することができる、ということを示している。
【００５６】
実施例１２及び１３に関しても同様の関係であり、これらの実施例はそれぞれ、窒化ケイ素（α窒化ケイ素及びβ窒化ケイ素）８４．３重量％と、窒化アルミニウム６．００重量％と、アルミナ１．５０重量％と、イッテルビア８．２０重量％という、同じ全体組成を有していた。さらに、実施例１２及び１３の出発窒化ケイ素粉末はそれぞれ、β窒化ケイ素を１．６重量％、０重量％含有していた。
【００５７】
表６によれば、実施例１２及び１３の結晶相はそれぞれ、α’ＳｉＡｌＯＮ相を６１．６重量％、７８重量％含んでいたことが示されており、残部はβ’ＳｉＡｌＯＮ相から構成された。これらの実施例は、出発粉末全体組成及び処理が同じであっても、出発窒化ケイ素粉末中のβ窒化ケイ素の量を制御することによって、焼結時セラミック材料におけるα’ＳｉＡｌＯＮ相の含有率を制御することができる、ということを示している。
【００５８】
摩耗用途においては、出発窒化ケイ素粉末中のβ窒化ケイ素含有量が０重量％以上２重量％以下の量であり、α窒化ケイ素含有量が９８重量％以上１００重量％以下の量であるのが好ましい。切削工具用途においては、出発窒化ケイ素粉末中のβ窒化ケイ素含有量が０重量％より多く２重量％より少ない量であり、α窒化ケイ素含有量が９８重量％より多く１００重量％より少ない量であるのが好ましい。
【００５９】
また、これらの実施例は、出発窒化ケイ素粉末中のβ窒化ケイ素含有率が０重量％である例において、α’ＳｉＡｌＯＮ相含有率が最も高い、ということも示している。より具体的には、実施例５、８、及び１３のα’ＳｉＡｌＯＮ相含有率はそれぞれ、８３．９重量％、６５．５重量％、７８重量％であった。α’ＳｉＡｌＯＮ相含有率が高い組成物の方が、出発窒化ケイ素粉末がβ窒化ケイ素を８重量％とα窒化ケイ素を９２重量％含有する実施例よりも、高い破壊靭性を有していた。実施例５は、最も高いα’ＳｉＡｌＯＮ相含有率（８３．９重量％）を有する組成物であると共に、最も高い硬度（２０．３１Ｈｖｎ）を有していた。
【００６０】
実施例１４〜１９を作製して、特定の組成物の物理的特性を測定した。実施例１４〜１８は、出発窒化ケイ素粉末中のβ窒化ケイ素含有率を０重量％にして作製する（つまり、出発窒化ケイ素粉末がα窒化ケイ素約１００重量％から構成される）ことによって、各組成物の焼結体におけるα’ＳｉＡｌＯＮ相の含有率を最大にした。実施例１９は、β窒化ケイ素約２重量％とα窒化ケイ素約９８重量％とから構成される窒化ケイ素粉末を含有する粉末混合物から生成した。下の表７は、実施例１４〜１９の出発粉末混合物の組成を示している。バッチ番号１１４５Ｄ（実施例１９）は比較例であって、それに含まれる窒化ケイ素全てが宇部興産株式会社から入手可能なＳＮＥ−１０の窒化ケイ素であることを除いては、バッチ番号１１９７Ｇ（実施例１８）と同じ組成である。
【００６１】
表８には、実施例１４〜１９に対する連続焼結パラメータ、硬度、及び破壊靭性が示されている。希土類含有率の低い実施例１５及び１６は、連続焼結処理が完了した後、ＨＩＰ処理（熱間等静圧圧縮成形（ｈｏｔ ｉｓｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｉｎｇ））を行った。１５０ｐｓｉが窒素で残りがアルゴンである全圧２０，０００ｐｓｉにおいて、３０分間ＨＩＰ処理を行った場合の最高温度は、１８３０℃であった。
【００６２】
【表７】
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【００６３】
【表８】
2004527434.tif 000010
【００６４】
上の表８は、４つの加熱帯それぞれにおける焼結温度（℃）と、成形体が各加熱帯に存在する時間（分）とを示している。また、表８は、ビッカース硬度（Ｈｖｎ）をギガパスカル（ＧＰａ）で、破壊靭性（ＫＩＣ）をＭＰａｍ１／２で示している。また、表８は、α’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相の合計に対するα’ＳｉＡｌＯＮ相の含有率も重量％で示しており、結晶相の残部はβ’ＳｉＡｌＯＮ相から構成された。
【００６５】
表７及び８に示されているように、実施例１４及び１５それぞれの、出発窒化ケイ素粉末中のβ窒化ケイ素含有率は、０重量％であった。他の実施例は作製及び分析していないが、実施例１４（α窒化ケイ素及びβ窒化ケイ素８０．８重量％、窒化アルミニウム５．２重量％、アルミナ５．８重量％、イッテルビア８．２０重量％）並びに実施例１５（α窒化ケイ素及びβ窒化ケイ素８５．３重量％、窒化アルミニウム４．８重量％、アルミナ３．７重量％、イッテルビア６．２重量％）と同じ出発粉末全体組成であるが、出発窒化ケイ素粉末がβ窒化ケイ素を約５重量％よりも多く（即ち、約６重量％〜約７重量％）含有する試料からは、結晶相としてβ’ＳｉＡｌＯＮ相を約１００重量％含有する焼結時セラミック材料が生成される、と出願人は予想するであろう。このような予想を考慮すれば、驚くことに、実施例１４及び１５は、出発窒化ケイ素粉末中のβ窒化ケイ素含有率を制御することによって、焼結時ＳｉＡｌＯＮセラミック材料におけるα’ＳｉＡｌＯＮ相の含有率を制御して、これまで普通の当業者がβ’ＳｉＡｌＯＮ相のみから成る組成物を生成することを想定してきたのに対し、α’ＳｉＡｌＯＮ相組成物を生成することが可能である、ということも示しているように思われる。
【００６６】
図５を参照すると、後に説明するように、この図は、ＳｉＡｌＯＮの３次元状態図の底面の窒化ケイ素角部を示すグラフである。これまで、普通の当業者は、β窒化ケイ素を２重量％よりも多く含有する従来の出発窒化ケイ素粉末を用いた場合、線ｘ−ｘより上の領域に当てはまる組成物は、β’ＳｉＡｌＯＮ相約１００重量％及び粒間相から構成され、線ｘ−ｘより下の領域に当てはまる組成物は、α’ＳｉＡｌＯＮ相、β’ＳｉＡｌＯＮ相、及び粒間相から構成される、と想定してきたであろう。驚くことに、図５に示されているように、実施例１４及び１５は、図５の線ｘ−ｘより上の領域（即ち、酸素を豊富に含む領域）にあり、この領域では、β窒化ケイ素を２重量％よりも多く含有する従来の出発窒化ケイ素粉末を用いた場合、β’ＳｉＡｌＯＮ相のみが生成される、と普通の当業者は想定してきた。これに対し、図５の線ｘ−ｘより下の領域では、従来の方法を用いた場合、α’ＳｉＡｌＯＮ相とβ’ＳｉＡｌＯＮ相の両方が生成される、と普通の当業者は想定してきた。
【００６７】
本発明のセラミックの特定の実施例、即ち、実施例２０〜２５と、特定の比較例、即ち、実施例Ｄ−１〜Ｄ−３とに関し、浸食試験を行った。この浸食試験は、「ガスジェットを用いて固体粒子を衝突させることによって浸食試験を行うための標準作業方法（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｅｒｏｓｉｏｎ Ｔｅｓｔｓ ｂｙ Ｓｏｌｉｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ Ｕｓｉｎｇ Ｇａｓ Ｊｅｔｓ）」というタイトルの米国材料試験協会手順（ＡＳＴＭ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）Ｇ７６−８３（１９８９年：再承認）に示された指針に沿って行われた。この浸食試験は、ペンワルト／Ｓ．Ｓ．白色研削材エアジェット切削装置−モデルＨ（Ｐｅｎｎｗａｌｔ／Ｓ．Ｓ． Ｗｈｉｔｅ Ａｉｒａｂｒａｓｉｖｅ Ｊｅｔ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｎｉｔ−Ｍｏｄｅｌ Ｈ）を次のようなパラメータと共に用いて行われた。（ａ）研削材は、５０メッシュの炭化ケイ素粒子であるＳ．Ｓ．白色アキュカット研削材（Ｓ．Ｓ． Ｗｈｉｔｅ Ａｃｃｕｃｕｔ Ａｂｒａｓｉｖｅ）であり、（ｂ）流量は、４０ポンド／平方インチの圧力下において６ｇ／分であり、（ｃ）（ＲＯＣＴＥＣ  １００（細粒炭化タングステン及び炭化ジモリブデン）で作られた）ノズルは、長さ２インチ、外径０．１７５インチ、内径０．０５５インチであり、（ｄ）ノズルの位置は、粒度３２０のダイヤモンド砥石を用いて平行に研磨することによって作製した試料表面に対し９０°の角度であった。
【００６８】
実施例２０〜２２は、前の表２に示した実施例３のように処理されたバッチ番号１０３０から構成することによって、実施例３のような物理的特性及び微細構造を呈した。実施例２３〜２５は、前の表２に示した実施例４のように処理されたバッチ番号９８２から構成することによって、実施例４のような物理的特性及び微細構造を呈した。実施例Ｄ−１〜Ｄ−３は、アメリカ合衆国、ペンシルヴァニア州、ラトローブの、ケンナメタル  インコーポレイテッドにより、品番ＫＹＯＮ  ２０００として販売されている、セラミック材料から構成した。このＫＹＯＮ  ２０００とは、イットリウムを含有するα’ＳｉＡｌＯＮ−β’ＳｉＡｌＯＮ材料である。実施例Ｄ−１〜Ｄ−３はそれぞれ、バッチ番号９４１Ａと同じ組成であり、バッチ焼結法により処理された。
【００６９】
表９は、材料の密度（ｇ／ｃｃ）及び浸食試験の結果を示している。「浸食」とされた列は、材料の損失量（ｃｍ３）を、試験片に衝突した研削材粒子の総量（ｇ）で割った値を示している。浸食数が小さいほど、浸食に対する耐性が高いことを表している。
【００７０】
【表９】
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【００７１】
これらの浸食試験結果によれば、本発明の実施例である実施例２０〜２５の方が、比較例Ｄ−１〜Ｄ−３よりも、浸食耐性が優れていることが示されている。
【００７２】
実施例２７〜３０をＸ線回析によって分析して、格子パラメータを測定した。表１０は、実施例２７〜３０のα’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相に関し、実施例番号、バッチ番号、「ａ」単位セル寸法及び「ｃ」単位セル寸法の値、並びに、かっこ付きでその誤差限界を示している。単位セル寸法の値は、後述する方法によって得た。
【００７３】
【表１０】
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【００７４】
試料は、粉末状であり、少量のＮＩＳＴ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ：国立標準試験研究所）シリコン金属粉末を添加することによって分析するために作製された。このＮＩＳＴシリコン金属粉末とは、計測器の調整における誤差に合わせてピーク位置計算を修正するのに用いられる、認定標準材料である。この粉末ブレンド体、即ち、試料粉末とＮＩＳＴシリコン金属粉末との粉末ブレンド体を、有機結合剤及びアセトンと混合することによって、スラリーを生成した。この得られたスラリーを、スライドガラスに付着させてから乾燥させた。
【００７５】
回析データを、ピーク分解度に合わせて最小化された標準ブラッグス光学を用いて収集した。データは、最小値として０．００８°ステップを用いて、７５°〜１３５°の範囲内で収集した。これらのステップ位置は、ピーク位置測定の精度が最大になるように選択した。データは、各ステップにおいて４秒間収集した。収集した回析データは、まず、ＮＩＳＴシリコン基準パターンを用いて、計測器の誤差を修正した。正確な回析ピーク位置は、擬似ボイト関数を収集データに当てはめることによって決定した。各ＳｉＡｌＯＮ相の格子パラメータを、「最小二乗」法を用いることによって、これらのピーク位置から測定した。結果として生じたパラメータ誤差は、各実施例のα’ＳｉＡｌＯＮ相及びβ’ＳｉＡｌＯＮ相に関し、かっこ付きで示されている。
【００７６】
表１０に示した値を再度参照すると、α’ＳｉＡｌＯＮ相に関し、ｃ／ａ比、即ち、「ｃ」単位セル寸法と「ａ」単位セル寸法との比は、約０．７２６〜約０．７２９、より広く言えば約０．７２５〜約０．７３０の範囲である。より具体的には、「ａ」及び「ｃ」単位セル寸法の最小値並びに最大値を考慮することによって、下の表１１は、実施例２７〜３０のα’ＳｉＡｌＯＮ相のｃ／ａ比の最大値及び最小値を示している。
【００７７】
【表１１】
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【００７８】
実施例２７〜３０に関し、表１２は、β’ＳｉＡｌＯＮ相のｚ値を示している。このｚ値は、以下の式を用いて算出された。
ｚａ＝ａ−７．６０４４２／０．０３
ｚｃ＝ｃ−２．９０７５１／０．０２７
ｚｃ／ａ＝（ｃ／ａ−０．３８２２６）／０．００２
【００７９】
【表１２】
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【００８０】
このセラミック材料は、約１０容量％〜約４０容量％の量で、硬質相粒子を任意に含んでいてもよい、ということを出願人は意図している。典型的な硬質粒子としては、窒化チタン、炭窒化チタン、炭化チタン、ホウ化チタン、窒化ハフニウム、炭窒化ハフニウム、炭化ハフニウム、ホウ化ハフニウム、窒化ジルコニウム、炭窒化ジルコニウム、炭化ジルコニウム、及びホウ化ジルコニウムがある。この硬質相粒子には、炭窒化チタンが好ましい。
【００８１】
本明細書中で示した実施例ではイッテルビウムを用いているが、このセラミック材料には他の希土類成分を使用してもよい、ということを出願人は意図している。より具体的には、セラミック材料において、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、スカンジウム（Ｓｃ）、又はルテチウム（Ｌｕ）のうちのいずれをイッテルビウムと置換してもよい、ということを出願人は意図しており、その理由は、これらの成分の有効イオン半径は小さいからである。イッテルビウムを用いた場合と同様に、これらの元素（即ち、エルビウム、ツリウム、スカンジウム、又はルテチウム）を用いた場合にも、脆い粒間相が生成されることは恐らく回避される。原子価を＋３に且つ配位数を６にするための、これらのイオンの有効イオン半径は、エルビウム＝０．８９０オングストローム、ツリウム＝０．８８０オングストローム、イッテルビウム＝０．８６８オングストローム、ルテチウム＝０．８６１オングストローム、スカンジウム＝０．７４５オングストロームである。これに対して、イットリウムのイオン半径は、０．９００オングストロームである（参照：化学及び物理学のＣＲＣハンドブック（ＣＲＣ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ），第７９版，１９９８年，４〜１２１頁の表１４）。一般的には、エルビウム、ツリウム、スカンジウム、又はルテチウムは、出発粉末混合物中の酸化物として添加されるであろう。さらに、このセラミックは、イッテルビウム、エルビウム、ツリウム、スカンジウム、及び／又はルテチウムのうちの２種類以上を組み合わせて含有していてもよい、ということを出願人は意図している。
【００８２】
本発明は、セラミック材料、特にＳｉＡｌＯＮ材料を提供し、この材料は、改良された特性を示すので、金属切削用途における切削用インサートとして、また、摩耗部品（例えば、ポンプ用プランジャーロッド、プランジャーボールブランク、ダウンホールポンプ用逆止め弁ブランク、ブッシュ、送風ノズル、並びに、その他の摩耗及び衝撃用途）として用いるのに適している、ということは明らかである。
【００８３】
本明細書中で特定した特許文献、特許出願、及びその他の文献は、参照により本明細書中に組み込まれる。
【００８４】
本明細書中に開示した本発明の実施方法の細目を考慮すれば、本発明の他の実施形態が当業者には明らかであろう。この細目及び実施例は単なる例とみなされ、本発明の真の趣旨及び範囲は上記特許請求の範囲により示される、ということが意図されている。
【００８５】
以下は、本特許出願に付随しその一部を形成する図面の簡単な説明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
コーティングされていない切削用インサートの第１の特定の実施形態を示す等角図である。
【図２】
コーティングされており、その一部を除去することによって基体が露出している、切削用インサートの第２の特定の実施形態を示す等角図である。
【図３】
イットリウム含有ＳｉＡｌＯＮ材料（上記実施例Ｃ）の微細構造を示す顕微鏡写真の図であり、この顕微鏡写真の縮尺は、３５ミクロン四方を表す大きさである。
【図４】
等軸形のα’ＳｉＡｌＯＮ粒子及び長形のβ’ＳｉＡｌＯＮ粒子を含有する、イッテルビウム含有ＳｉＡｌＯＮ材料（上記実施例２）の微細構造を示す顕微鏡写真の図であり、この顕微鏡写真の縮尺は、３５ミクロン四方を表す大きさである。
【図５】
図５に示したような選択された実施例（即ち、実施例５〜２５及び２７〜２９）の投影を、ＳｉＡｌＯＮの３次元状態図の底面の窒化ケイ素角部上に示すグラフであり、この底面の４つの角部は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、及び窒化ケイ素から構成され、６つの角部を有する状態図の残りの２つの角部は、一方は、底面の窒化ケイ素角部及び窒化アルミニウム角部の反対側且つ上部にある窒化イッテルビウムから構成され、もう一方は、底面の酸化アルミニウム角部及び酸化ケイ素角部の反対側且つ上部にある酸化イッテルビウムから構成されている。
【図５】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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