(57)【要約】【課題】  資源的に最も豊富でありかつ極めて優れた特性を有するものの、製造コストが高価に過ぎる為に活用されていないケイ素系ファインセラミックス、βサイアロンの製造コストが低減されて、広範な社会基盤材料としての活用が嘱望されている。【解決手段】   燃焼合成により合成したβサイアロンを平均粒径５００ｎｍ以下、最大粒径５μｍ以下に粉砕分級後、ゴム型を用いた成型、マイクロウエーブ焼結を介して製品化する事により、製造コストが低減できると共に、従来材以上に優れた機能が確保できた。これによりβサイアロンが社会基盤材料として活用できる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼合成法による工程１により合成されたべータサイアロンを目的とする平均粒径５００ｎｍ以下までに粉砕する工程２、粉砕により得られたべータサイアロン粉体から粒径７μｍ以上の粒を取除く分級工程３、工程３で平均粒径と最大粒径を特定化したベータサイアロン粉体に本特許指定の焼結工程で焼結助剤効果を発揮する粒径１0μｍ以下の焼結助剤粉体を５％以下添加し均一混合する工程４、工程４の混合粉体を柔軟性を有する素材で構成され複数個の成形用キャビテイを有する型に充填、密閉する工程５、該成形型の外部から均一な静水圧力を負荷し目標とする生成形体を形成する工程６、工程６で得られた生成形体を１７００℃以下の実体温度で、２時間以下の保持時間で焼結する工程７および焼結体を正寸に研削加工する工程８を介して製造した１０％破損確率寿命が１０７サイクル以上である事を特徴とするベータサイアロン焼結体。
【請求項２】
請求項１に記載の工程１はシリコン源としてシリコン純度９５％以上を有する金属シリコンおよび／またはリサイクルシリコン、アルミニウム源として金属アルミニウム、酸素供給源であると共に、燃焼合成における発熱源として酸化シリコンおよび／またはアルミナ（アルミナドロスも可）を目標とするベータサイアロンのＺ値が得られる様秤量配合後微細粉砕した粉体を燃焼合成用容器に封入すると共に目標するベータサイアロンを得るに必要十分な窒素ガスを供給用ガス容器を介して容器内に置換充満させて後に、着火装置を用いて燃焼合成させて得た燃焼合成したベータサイアロンである事を特徴とする請求項１に記載する工程を介して製造した１０％破損確率寿命が１０７サイクル以上であるベータサイアロン焼結体。
【請求項３】
請求項１に記載の工程１はシリコン源としてシリコン純度９５％以上を有する金属シリコンおよび／またはリサイクルシリコン、アルミニウム源として金属アルミニウム、酸素供給源であると共に、燃焼合成における発熱源として酸化シリコンおよび／またはアルミナ（アルミナドロスも可）を目標とするベータサイアロンのＺ値が得られる様秤量配合後微細粉砕した粉体を目標するベータサイアロンを得るに必要十分なキャリアー機能を有する窒素ガス中に投入分散させ、燃焼用ガスバーナを介して、窒素を充満させた燃焼合成用容器内で窒化燃焼させる。得られたベータサイアロンガス体を、減圧弁を介して隣接する容器内噴射する際に、減圧膨張および／または噴霧水により冷却して得た燃焼合成ベータサイアロンである事を特徴とする請求項１に記載する工程を介して製造した１０％破損確率寿命が１０７サイクル以上であるベータサイアロン焼結体。
【請求項４】
請求項１に記載の工程４に於いて、添加する焼結助剤は誘電損率がベータサイアロンと同等か同等以上に大である事を特徴とする請求項１〜３に記載する工程を介して製造した１０％破損確率寿命が１０７サイクル以上であるベータサイアロン焼結体。
【請求項５】
請求項１に記載の工程７は、２０ＧＨｚ以上のマイクロウエーブを用いた加熱である事を特徴とする請求項１〜４に記載する工程を介して製造した１０％破損確率寿命が１０７サイクル以上であるベータサイアロン焼結体。
【請求項６】
請求項１〜５に於いて、ベリアリングのレース材と同等なヤング率となる様配合した事を特徴する１０％破損確率寿命が１０７サイクル以上であるベータサイアロン焼結体。
【請求項７】
請求項１〜６に於いて、成形体を構成する粉体が異なる平均粒径を有する２種以上の粉体で構成される事を特徴とする１０％破損確率寿命が１０７サイクル以上であるベータサイアロン焼結体。
【請求項８】
請求項１〜７に於いて構成され、主として摺動磨耗用途に使用される事を特徴とするベータサイアロン焼結体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼合成により直接合成したベータサイアロン（以下、単にサイアロンと記載）粉末から、自動車部品として適用可能な製造原価で製造可能でかつ必要な疲労寿命を具備する様設定した新規な一貫製造工程を経由して製造したサイアロン焼結材製の各種機械部材用部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球資源は、凡そ（表１）に示す成分から構成されている。
【０００３】
【表１】
2007182334.tif 000002
【０００４】
現在、社会基盤材料としてもつとも活用されているのは、鉄鋼で、年産で７億トンにも及んでいる。しかし、地殻中の埋蔵量は４.７％で、今後の枯渇が懸念されている。
【０００５】
アルミの電気的精錬法が開発され、年間生産量は１億トンに達しているものの、日本では電力コストが高価な為、アルミの一次精錬は電気コストの低廉な諸外国に専ら依存している。
【０００６】
一方、地殻中に最も大量に含有されている鉱物資源シリコン（表１）の年間の使用量は高々２０００万トン弱で、その活用が嘱望されている。
【０００７】
こうした状況下、将来の資源確保の目的で、地殻中に最も大量に存在するケイ素を社会基盤材料として活用する為の国を挙げてのプロジェクトが実施された。
【０００８】
地殻中に大量埋蔵されているケイ素を、窒化ケイ素の形で社会基盤材料として活用する事を目的に、合成された窒化ケイ素（Ｓi３Ｎ４）粉末から製造した種々の焼結体の用途開発を目的とした機能向上と評価が各種の国家プロジェクトとして広範に実施された。その概要を（表２）に示した。
【０００９】
【表２】
2007182334.tif 000003
【００１０】
ここで扱われた窒化ケイ素に代表される人工的に合成されたセラミックスはファインセラミックスと総称され、従来からのセラミックス（陶磁器）とは区別されて、１９７８年開始のムーンライト計画以来、窒化ケイ素を中心に据えたファインセラミックス開発ブームが到来した。
【００１１】
構造用ファインセラミックスに関するプロジェクトが各種実施（表２）され、機能面では大きな成果を挙げたと評価されている。
【００１２】
しかし、平成１５年度では、窒化ケイ素の年間売り上げは１７億円程度で、同プロジェクト当初の１兆円規模の市場創設目標に対して遥かに低い規模となっている。その原因は、窒化ケイ素製品があまりにも高価な事に原因していると考えられている。
【００１３】
機能的には極めて優れていながら、高価な製造コストが原因して社会基盤材料として普及していなのが現状である。社会基盤材料として活用される為には、自動車業界が許容できるコストで製造される事が必須条件である。
【００１４】
また、国家プロジェクト推進の中で、窒化ケイ素を原料として製造されるサイアロン（SiAlON）が窒化ケイ素を凌ぐ特性を有する事も判明しているものの、サイアロンは窒化ケイ素よりさらに高価な為、年間販売金額は２０００万円止まりである。
【００１５】
資源的に最も豊富でありかつ極めて優れた特性を有するものの、製造コストが高価に過ぎる為に活用されていないケイ素系ファインセラミックス、窒化ケイ素およびサイアロンの製造コストが低減されて、広範な社会基盤材料としての活用が嘱望されている。
【００１６】
窒化ケイ素粉末とアルミナ粉末とを混合し焼結助剤として数％のイットリアを加えた構成したグリーン成型体を窒素加圧雰囲気で凡そ１８００℃で加熱してサイアロンを生成させるのが、従来のサイアロンの製造法である。この方法は反応焼結法とよばれている。
【００１７】
反応焼結法でサイアロンを合成する場合、以下の様な課題がある。
１）    
原料となる、窒化ケイ素が高価である。
２）    
反応焼結の際に、焼結助剤のイットリアが窒化ケイ素表面に形成されている酸化ケイ素と反応して、脆いガラス質を形成し易い。
３）サイアロンはＳi6-ZＡlZＯZＮ8-Z（０＜Ｚ≦４.２）の組成式で表記される全率固溶体を形成するとされている。反応焼結法で得られるサイアロンはＺ＝０.５程度の組成領域である。任意のＺ値を選定する事ができない。
【００１８】
この様な趨勢の中、燃焼合成により、サイアロンを直接合成する技術が開発された。
【００１９】
特に純度を選ばない粗製ケイ素を主要原料にアルミニウム及び酸化シリコンまたはアルミナを何れも粉末で当量重量配合して密閉容器内に配置する。容器内は、当量配合に基づき必要な内圧に調整した窒素ガスを置換充填しておく。
【００２０】
外部制御して充填材料に着火する事により、燃焼合成反応が一気の進み、目標とするサイアロンが燃焼合成できる。
【００２１】
この様にして得られたサイアロン粉末をグリーン成型・焼結して、目標とするガラス質を混在しない均一なサイアロンの焼結体を得る事ができる。
【００２２】
サイアロンはＺ＝１の場合、酸素を予め約６％程度固溶体の固溶元素として含有しているが、酸化ケイ素の形では存在しないので、焼結助剤イットリアとの反応性生物であるガラス質は生成しないのである。
【００２３】
この様にして燃焼合成で得られたサイアロン粉末は、窒化ケイ素粉末より極めて低廉で、グラム当たり１円以下と試算されている。ちなみに、窒化ケイ素粉末はグラム当たり５円以上である。窒化ケイ素では、含有される酸素が影響して前項のガラス質を生成するので、その原料としては、高価な高純度ケイ素（グラム当たり３円以上）が必須となるためである。
【００２４】
燃焼合成により合成したサイアロン粉末は、ケイ素を社会基盤材料として活用する新たな手法となる大いなる可能性を包含している。
【００２５】
社会基盤材料と活用される為には、自動車工業が許容できるコスとで、サイアロン製自動車部品が製造できる事が必須である。
【００２６】
燃焼合成により、サイアロンの原料粉末が工業的に低廉に大量生産できる可能性は大きいが、その為の燃焼合成工業用装置は未開発である。
【００２７】
また、社会基盤材料として、自動車業界に受け入れられるコストと機能とを確保できる、粉末製造の後に続く部品形状への成型、このグリーン成型体の焼結技術は未開発が現状である。
【００２８】
窒化ケイ素の国家プロジェクトで、窒化ケイ素粉末を成型・焼結する工程は確立されているものの、製造コストが高価となる製造工程であるため、サイアロン粉末の成型・焼結工程としては活用できない。サイアロンの成型・焼結の新たな開発と確立が必須である。
【００２９】
自動車部品用に工業化する際の重要な必須要件に非破壊で行う品質保証がある。窒化ケイ素が自動車部品として活用されなかった別の理由として、窒化ケイ素製部品を非破壊で品質検査する技術が確立されなかった事が挙げられる。
【００３０】
サイアロン製部品の非破壊品質保証技術の確立も、本目的の為の必須条件となる。
【００３１】
種々記述した必須要件を解消して、サイアロンを自動車部品に適用できる部品コスト（１円〜５円／グラム）と品質で、社会基盤材料として、製造できる技術を確立したので、本特許で提案する。
【非特許文献１】平成１２年度経済産業省委託調査『研究開発プロジェクトの技術  産業  社会へのインパクトに関する調査』、株式会社三菱総合研究所、平成１３年３月刊。
【非特許文献２】K.H.Jack；J.Mat.Science, 11(1971)1135-1157
【非特許文献３】M.Haviarand O.Johannsen；Adv.Ceram.Mater.,3,(1988) 405-407
【非特許文献４】LisJ.,Majorowski S.,Puszynski J.A.,Hlavacek V.;Ceram.Bull.70[10], (1991) 1658-64
【特許文献１】特開２００４−９１２７２
【特許文献２】特願２００３−３０４３２５
【特許文献３】特願２００４−４７３７８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
サイアロンを自動車部品に適用できる品質と部品コスト（１円〜５円／グラム）で、社会基盤材料として、製造する為の課題を以下に記載する。
【００３３】
１）自動車部品として適用できる品質を確保する為の基本条件の確立。
ア）サイアロン粉末平均粒径と粗大粒の上限値。
イ）許容可能な不純物元素の上限値とその最大粒径。
ウ）サイアロンの最適組成
エ）最適燒結助剤の選定と添加量。
オ）相対密度下限値。
カ）非破壊品質保証。
２）自動車部品として有効に活用できる特性
３）自動車部品として適用できるコストを確保する為の装置の確立。
３−１）燃焼合成装置
ア）連続操業ができる装置機構。
イ）微細粉が直接できる装置機構。
ウ）反応が高速化できる装置機構。
エ）成分バラツキを極小化できる装置機構。
３−２）粉末成形品（グリーン）成形装置
ア）ニアネット成形。
イ）高速成形。
ウ）高密度成形。
３−３）燒結装置。
ア）低温燒結。
イ）短持間燒結。
ウ）高密度燒結。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
１）自動車部品として適用できる品質を確保する為の基本条件の確立。
ア）サイアロン粉末平均粒径と粗大粒径の上限値の制御
セラミックスは密度１００％（真密度）が基本的に達成できないとの原則的観念が存在している。その為に、従来のセラミックス製造工程は、最終工程として、ＨＩＰ処理を行い、表面に開口する空孔の存在を極力防止減少させている。
【００３５】
しかし、この方法では、疲労破壊の起点となる、表面に開口する空孔は極小化するものの、真密度に到達したとは言い難く、暫定的手段に過ぎないといえるであろう。安定した疲労特性を製造保証したとは言えない。
【００３６】
また、ＨＩＰは典型的なバッチ処理であり、現用窒化ケイ素燒結品が高価である主な原因となっている。本発明の骨子はＨＩＰ工程の削除にある。
【００３７】
提案する本特許では以下の手段によりＨＩＰ処理なしで、自動車部品として適用できる事を明らかにできた。結果を纏めて（図１）に示した。
【００３８】
サイアロンの骨材の平均粒径を、約０.５μｍ以下とすると共に、最大粒径を約５μｍ以下とする事により得られたサイアロン焼結体（ＨＩＰ処理なし）の疲労強度は現用窒化ケイ素燒結体の疲労強度に相当する事が明らかに出来た。なお、図中、○印は窒化ケイ素燒結体に相当の疲労強度を有する条件を、●は窒化ケイ素燒結体対比して疲労強度が劣化する条件をそれぞれ示している。
【００３９】
サイアロン粉体が平均粒径約０.５μｍの際に得られる相対密度は９９.３０〜９９.５０％である事が本発明に関する実験により確認できている。
さらに相対密度向上の手段として、異なる粒度分布特性を示す２種以上の粉体を混合する事により相対密度が向上する事を掴んでいる。平均粒径２ａの粉体に対して、{(2/√3)−１｝a＝０.１６aの平均粒径粉体を５０％程度混合する事により相対密度をさらに向上できる。平均粒径２ａの際に構成される微細な空孔を０.１６ａの粒径の粉体が効率的に埋める為である。
【００４０】
イ）サイアロンに許容可能な不純物元素の上限値とその最大粒径。
窒化ケイ素に代表されるファインセラミックスの低価格を阻む別の要素として、不純物元素、酸素および金属元素の厳しい規制がある。
【００４１】
酸素はＳｉＯ２の形で、窒化ケイ素の表層に存在する。燒結時に、ＳｉＯ２は燒結助剤Ｙ２Ｏ３と反応してガラス質を形成するので、原料の珪素に含有される酸素を極力低減させる為にかかるコストが大きい。窒化ケイ素の製品価格が高価な原因の１つである。
【００４２】
併せて、窒化ケイ素燒結体の品質特性に対して、微量の金属元素が影響を及ぼすので、厳しく製造工程が管理され製品コストに対して影響が大きい。
【００４３】
サイアロン燒結体の特性に対する不純物元素の影響について明らかに出来た結果を纏めて（図２）に示した。
【００４４】
縦軸に示す原料ケイ素中の主な不純物は酸素である。その他の元素としてＰ、ホウ素、硫黄等を含有している。
【００４５】
横軸の示す金属元素はサイアロンを構成する元素以外の金属で、鉄、チタン、ジルコン等の元素である。
【００４６】
（図２）に示す様に、サイアロン燒結体では、特定量以下の不純物が許容される事が明らかである。
【００４７】
窒化ケイ素とは異なるサイアロンの不純物元素許容特性の原因を（図３）に示した。（図３）はサイアロン燒結体に存在する鉄の反射電子線像である。
【００４８】
（図３）の鉄の反射電子線像はサイアロン中に鉄の大半が固溶している事をしめしている。その他の金属元素も、サイアロン中に固溶する事が認められた。
【００４９】
サイアロン固溶体中に金属元素が固溶される事は初の発見である。この特性はサイアロンを社会基盤材料と活用する為の極めて重要でかつ価値ある発見である。
【００５０】
以上からサイアロンを自動車部品として適用できる品質を確保する為の基本条件が確立できた。
【００５１】
ウ）サイアロンの最適組成。
サイアロンは（表３）に示す組成式で表示される。Ｚは係数で０〜４.２である。
【００５２】
【表３】
2007182334.tif 000004
【００５３】
Ｚの値によりサイアロンの組成は任意に変化させる事ができる。燃焼合成の際に、原料配合を制御して目標とする組成のサイアロンを得る事ができる。その１例を（図４）に示した。
【００５４】
用途に適したサイアロンの最適組成を明確にしておく事が必要である。自動車用部品の設計に当り、最も重要な特性は疲労強度である。既に実用に供されている窒化ケイ素は、
鋼製の部品と組み合わせてユニットとして使用されるのが普通である。この典型的な例がベアリングである。この場合、ベアリングボールとして使用する窒化ケイ素のヤング率は３００ＧＰａ、
レース材として使用する鋼のそれは２１０ＧＰａである。この様な組み合わせのベアリングでは、高負荷使用時に、鋼製であるレースが弾性変形し、窒化ケイ素の優れた特性である高速回転機能が発揮できないと言う欠点が存在する。
【００５５】
（図５）はＺ値が大きくなるにつれて、サイアロンのヤング率低下する様子を示している。Ｚ＝２に制御したサイアロンは鋼と同等のヤング率を有する。この様に、用途に応じた特性を確保する目的で、Ｚ値を予め制御して燃焼合成できる事も、本特許の大きな特徴である。
【００５６】
併せて、Ｚ値の変化により、特に高温における耐熱強度、耐酸化性、耐食性が変化するとともに、透磁率も変化する事も把握しており、用途に応じてこれら特性を制御して使用する事も本特許に包含されている。
【００５７】
エ）最適燒結助剤の選定と添加量。
本特許で申請する燃焼合成したサイアロンは（図４）に示す領域に存在し、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＡｌＮが特定比率で元素配分され、全ての元素が全率固溶して構成された六方晶の結晶構造を有する全率固溶体で、それぞれの元素はイオン結合されている。共有結合である他のファインセラミックスと大きく異なる所以である。
【００５８】
したがって、その結晶的特長からサイアロンの燒結助剤の種類と添加量の選定は、窒化ケイ素の場合に比べて、極めて明快である事を把握した。
（１）燒結を電気炉等の輻射・対流加熱で行う場合。
サイアロン結晶よりも融点の低い元素もしくは化合物を数％以下で添加。
（２）燒結をマイクロウエーブ加熱で行う場合。
（１）の条件に適合し、さらにサイアロンよりも誘電損率の大きい金属酸化物が適している。
【００５９】
サイアロンにＹ２Ｏ３を５％添加して、１７００℃でホットプレス燒結した際のＸＲＤ結果を（図６）に示した。サイアロン以外に、Ｙ２Ｏ３化合物はもとより、何らの新しい回折パターンは認められない。２８ＧＨｚのマイクロウエーブ燒結を行った際も同様な結果を得ている。サイアロンは固溶体として種々の元素を固溶できる事に起因している。
【００６０】
燃焼合成で製造したサイアロンのこの特性は、安定した品質を確保する点で極めて有利と言える。
【００６１】
オ）相対密度下限値。
ア）〜エ）の条件で製造したサイアロン燒結体の相対密度はいずれも９９.３％以上を示している。この相対密度は、サイアロン燒結体の特性が窒化ケイ素および鋼製品自動車部品の特性と同等である為の必要十分条件である。
【００６２】
カ）非破壊品質保証。
ムーンライト計画が自動車用途に活用できなかった別の理由に、窒化ケイ素燒結製品が非破壊で品質保証できなかった事がある。極めて幅の狭い帯状に絞ったレーザビームの反射光の反射光量の減衰から表面疵を２５ミクロンの大きさまで検出技術を開発している。本件は別に特許出願している。
【００６３】
２）自動車部品として有効に活用できる特性。
ア）軽量化である。
鉄鋼に対してサイアロンの比重は４０％である。自動車の軽量化効果が大きい。特に高速状態で使用されるタボチャージャー部品、ジーゼルエンジンのコモンレールに有効に活用できる。
イ）低摩擦係数である。
自動車部品で、高付加で摺動稼動する動力伝達部品に対して、潤滑油切れ懸念なしに適用できる。
ウ）非磁性である。
磁場環境使用するユニット、例えば、電動モータ部品に適用して、鉄損値が皆無となる。消費電力の極小化が最大テーマである、電動自動車用のモータ部材用に適している。
エ）部品加工が特殊鋼並みにできる。
サイアロンは全率固溶体組織構造を有し、不定比組成が容易に構成できるので以下の特性を金属材料と同等に付与できる。本特性を有する事は本特許に包含している。
（１）切削加工
（２）接合加工
（３）放電加工
【００６４】
３）自動車部品として適用できるコストを確保する為の量産製造装置の確立。
サイアロン燃焼合成は（表４）のいずれかにより行う。
【００６５】
【表４】
2007182334.tif 000005
【００６６】
この様にして燃焼合成したサイアロンを品質、価格ともに自動車部品に適用できる製造工程として（表５）および（表６）を本特許で提案する。いずれの工程も、従来の全てファインセラミックスの製造工程とは全く異なっている。
【００６７】
【表５】
2007182334.tif 000006
【００６８】
【表６】
2007182334.tif 000007
【００６９】
３−１）燃焼合成装置
燃焼合成に伴う反応熱による超高温環境では、配合した物質を構成する元素のすべてが気化する。これらの気化した元素は、その後の冷却で、エピタキシャル成長して結晶を構成する。このようにして得られたベータサイアロンは、ＸＲＤ分析では結晶構造はベータサイアロン構造を有する。化学分析によって求めた構成成分解析の結果は、既に提示されている構造式（表３）のＡｌとＯの係数はかならずしも一致しない。燃焼合成で得られたベータサの組成式を（表７）に示す。
【００７０】
【表７】
2007182334.tif 000008
【００７１】
すなわち、燃焼合成で合成したベータサイアロンの組成式は従来から提唱されているベータサイアロン組成式（表３）とは異なっている事を発見した。
【００７２】
従来の組成式は長時間の反応燒結によって得られたベータサの組成を表わしており結晶の電気的中性が維持された結果の組成式である。
【００７３】
燃焼合成で得られたベータサイアロンは、一旦気化した後で、エピタキシャル的に結晶成長した為に組成式は不定比化合物（非化学量論的化合物）として得られる事も発見した。また併せて、結晶構造が同一ならば、焼結体としての機械的特性は同一である事を確認している。
【００７４】
以上のことから、燃焼合成で得られ、ＸＲＤでの結晶構造がベータサイアロンとなる本発明の燃焼合成ベータサイアロンの生成領域は、既発表の反応焼結でベータサイアロンの生成する領域（図４）よりもさらに広い領域であり、燃焼合成の際には、規発表のベータサイアロン組成領域(図４)で燃焼合成反応が生成する様に原料配合すればいい事を掴んだ。
【００７５】
また、燃焼合成で得られたベータサイアロン粉体に、焼結の際に、任意元素を添加する事により、ベータサイアロンの化学的組成を任意に変化させられることも確認した。これは前出の全率固溶体効果であり、いいかえると、焼結の際に、主要成分の添加により目標とする組成に成分調整ができる事も掴んだ。
【００７６】
燃焼合成反応で生ずる高熱で、一旦気化した元素を、同一容器内で、固体化する方法が（表５）に示す燃焼合成１である。この場合は、生成する結晶は数十μｍの大きさとなる。
【００７７】
サイアロン燒結体に自動車部品として品質を確保するに必要な平均粒径５００ｎｍへの粉砕が必要となる。燃焼合成１の場合には、サイアロンの燃焼合成工程と粉砕工程はそれぞれ個別のバッチタイプとなり、燃焼合成と粉砕工程とが連続した工程にはなり難しい。
【００７８】
燃焼合成工程と粉砕工程とが連続化する事は、製造原価低減の為に最も好ましい事は云うまでもない。その為には以下の機能を有する燃焼合成装置の開発が必要である。特に、イ）が重要であり、この方法によれば、粉砕工程は基本的に不要となる。
ア）連続操業ができる装置機構。
イ）微細粉が直接できる装置機構。
ウ）反応が高速化できる装置機構。
エ）成分バラツキを極小化できる装置機構。
これらの基本条件を満足する燃焼合成装置２を用いた製造工程（表６）により、さらに効率よくサイアロンの焼結体を製造する事が可能となる。
【００７９】
この目的で、燃焼合成反応で気化した元素を、燃焼合成工程用チャンバー(合成チャンバー)と別に設けた冷却凝固工程用チャンバー（回収チャンバー）内に減圧弁を介して小径孔から直接噴霧して、粉体形状で製品が得られる方法を開発した。
【００８０】
この方法により、回収チャンバー内で微細なサイアロン粉体が得られる事掴んだ。減圧弁の圧力条件、噴霧量、噴霧温度等の噴霧条件により粉体の粒径を制御する事が可能である。
【００８１】
燃焼合成を行う方法は従来の窒素環境中での着火方式で行う事も可能であるが、本特許ではマイクロウエーブによる方式を提案する。しかしこの方法によると、予め原料粉体を充填したトレーを、その都度、合成チャンバー内に装着する必要があると言う欠点がある。それで、本特許では、以下の方法を考案した。
【００８２】
燃焼用の微粉炭バーナーを用いて、上記の目的を達成する事ができた。即ち予め目的とする組成に調合後に１μｍ以下の粒径に粉砕した原料粉体を、窒素をキャリアーガスとして、微粉炭バーナーを介してチャンバー内で旋回的に循環している窒素ガスを充填した合成チャンバー内に噴霧する。噴霧の際にバーナー口に配置した高電圧アーク発生装置により着火する。着火により燃焼合成反応が急激に進む。挿入する原料粉体の量により反応は任意に制御できる。
【００８３】
合成チャンバー内で生成したサイアロンガス体はチャンバー内で渦状旋回させた窒素ガスに導かれて定圧減圧弁を介して、回収チャンバー内に噴霧し凝固して微粉末として回収できる。
【００８４】
この方法により、上記ア）〜エ）を満足する量産用燃焼合成装置を製造する事ができる。この装置により、燃焼合成後の粉砕工程を割愛する事が可能となる。本発明では、品質保証の目的で、特定粒径以上の粗大粒が許容できないので、燃焼合成２に得られた粉末は、燃焼合成後に、乾式分級装置により、特定径以上の粗大粉末を除去する事は必須工程となる。
【００８５】
３−２）粉末成形品（グリーン）成形装置。
ア）ニアネット成形。
イ）高速成形。
ウ）高密度成形。
を満たす成形装置が必要である。
【００８６】
これらの必要条件を以下の方式を用いたゴム型成形法により解決する事ができた。
（１）ゴム型を用いた成形。
（２）何らのバインダーも用いない成形。
（３）何らの造粒も行わずに平均粒径５００ｎｍの微粉末をそのままゴム型で成形する。
（４）目的とする形状を複数個同時成形できるゴム型とする。
（５）粉末は気送管を介して、フィードシューに気送する。
（６）粉末はフィードシュー底部に配置したチャージ孔から、ゴム型に充填する構造とする。
（７）チャージ孔には特定寸法の複数のスリットで構成したグリットを形成しておく。
（８）フィードシューを介して、ゴム型に粉末を充填する際に、特定の振動数の振動を粉末に付与できる構造とする。
（９）フィードシューを介しての粉末充填が終了し、ゴム上型（３）を成型体（１）上部に設置した状態での模式図を（図７）に示す。実際には、複数個の成型体を同時に成型する構成であるが、図には単数個の例を示した。
（１０）下型（２）と上型（３）の間に複数個の成型体（１）を（図７）の様に挟み込んだ状態で、（図８）の様にプレスによる圧縮加工を行う。
（１１）側面金型（６）と下金型（７）で形成された成形部にゴム型セット品（２）（３）を挿入し、可動上金型（８）をストローク方向（９）移動させて強固な成形体を製造できる。
【００８７】
サイアロン粉体の粒径が５００nｍと微細な事による量子効果により、何らのバインダーを使わずに強固な強度を有するグリ−ン成形体を得る事ができる。高い生産でグリーン成形体が製造できる本成形方法は本特許の重要要素を構成している。
【００８８】
３−３）燒結装置。
ア）低温燒結。
イ）短持間燒結。
ウ）高密度燒結。
を満たす焼結装置が必要である。
【００８９】
窒化ケイ素等のセラミックスは主に加熱用のヒータを用い、高圧窒素ガス雰囲気で燒結されるのが一般的である。窒化ケイ素は熱伝導度が低く、加熱には長時間を要する。１８００℃前後の温度で５時間以上の保持を行なうのが普通に行なわれている。
【００９０】
従来行なわれている、輻射・対流による加熱方式による燒結の為の加熱は本発明の方法としては不適切である。燒結処理費が高価となり自動車部品製造には適さない為である。
【００９１】
セラミックスは一般的に誘電損率が小さく、特にケイ素系の窒化ケイ素、サイアロンはその典型である。この様な誘電損失の小の材料に対しては、マイクロウエーブによる加熱が適している。
【００９２】
発振周波数は１１〜３０００ＧＨｚの得られるジャイロトロン発振管は発振効率、発振管寿命ともに工業的実用に十分に耐えうるレベルに達している。また、波長１０ｍｍ前後が安定して得られるので、均一な温度分布が得られ易い利点がある。
【００９３】
本発明のサイアロンについてジャロトロン発振管により発振させたマイクロウエーブを用い、窒素雰囲気下で、良好な燒結特性の得られる種々の燒結条件を検討した。結果を（図９）に示した。
【００９４】
周波数１５〜３０ＧＨｚ域で、燒結保持時間は１時間である。燒結助剤なし（図中１２）、燒結助剤としてイットリア（Ｙ２Ｏ３）を用いた場合（図中１１）、イットリアより比誘電率の高いジルコニア（ＺｒＯ２）を用いた場合（図中１０）についての焼結温度条件について（図９）は示している。生地となるサイアロンより比誘電率が高く、誘電損失の大きい金属酸化物を焼結助剤として用いるのが適切であり、焼結助剤の添加量は可能な範囲で、少量が好ましい事を掴んだ。これは、ベータサイアロンが各種の金属および金属酸化物を固溶できる事に起因している事は本発明の発見である。窒化ケイ素に関するマイクロウエーブ焼結も既に試みられてはいるが、窒化ケイ素が金属酸化物の固溶化機能を有しない事から、添加した焼結助剤と窒化ケイ素との反応により、焼結後に、複数の金属酸化物が新たに生成し、マイクロウエーブ焼結は、窒化ケイ素の焼結には必ずしも最適とはされていない。
【００９５】
周波数１５〜３０ＧＨｚ域で、従来の燒結温度１８００℃に比べて極めて低温度域での燒結が出来るとともに、燒結温度も短時間化できる事が明らかとなった。また、燒結助剤として、比誘電率の高く誘電損失の大きい材料は燒結温度を低下させる効果が大きい事も明らかにできた。これらの燒結手法は、サイアロンの工業生産において、従来のセラミックスの燒結方式に比べて、生産コストの極めて低廉な燒結方法を提案するものであり。また、サイアロンの有する金属酸化物の固溶体化特性を最大限に生かす事の出きる焼結方法であり、サイアロンに最適な焼結方法である事も本発明に於ける新たな提案である。
【００９６】
この方法により、自動車部品をはじめとする工業用の各種部品が極めて低廉に燒結処理できる様になり、サイアロンが汎用素材として幅広く活用される極めて重要な価値ある提案である。
【発明の効果】
【００９７】
本発明により地殻に最も大量に含有されるケイ素を汎用の工業製品用途に活用できる道が開けた。これにより、汎用素材として、最も活用されている鉄の資源枯渇問題を解消できる。また、鉄鋼生産の主力が中国にシフトし素材産業立国としての優位性が急激に低下しつつあるわが国にとって、またケイ素の埋蔵量の豊富なわが国にとって、本発明の提案は、新規な素材立国として、わが国が飛躍する可能性を提示するものである。
【００９８】
本提案を構成する技術は、全て基礎技術ばかりである。これらの技術がサイアロンセラミックス量産用の生産技術として活用される事により、個々の技術の限りない発展が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９９】
１）原料入手。
原料は酸素数％を含有する粗製ケイ素を使用する。中国、ブラジル等で大量に生産され価格はトン十数万円で容易に入手できる現状にある。これにより原料の安定確保ができる。また近年生産量が増加の一途を辿るシリコンウエハーの加工残渣を原料として活用する事もできる。
２）燃焼合成によるサイアロンの合成。
微粉砕した原料を、窒素ガスをキャリアーとしてノズルを介して燃焼合成装置に投入する。ノズル先端で着火して燃焼合成反応を行なう。燃焼合成で生成した反応ガスを急冷して微細サイアロン粉体を得る。
３）分級。
合成したサイアロン粉体中に含まれる直径５μｍ以上の粗大粒を分級装置により分級する。
４）流体移送。
５μｍ未満の微細粉を、気体移送パイプを介して高速成形装置に装填する。
６）高速成形。
フィードシューを介してサイアロン微細粉体を高速成形機のゴム型に供給し、目標とするグリーン成形体を成形する。連続する次ステージ縦型プレスにより更に加圧成形する。この時点で強固なグーン成形体が製造されている。なおバインダーおよび造粒工程は不要である。
７）前切削加工
マイクロウエーブ焼結で収縮量はばらつきが小で安定している。収縮量を見込んだ寸法に予め切削により加工する。これにより、焼結後に目標とする寸法に近似し製品を得る事ができる。製品形状が球形体等で切削加工が適さない場合には研削加工により前加工を実施する。
また特に本工程を必要としない場合には、省略する事ができる。
８）高速燒結。
２０ＧＨｚ以上のマイクロウエーブを用いて燒結を行なう。燒結処理は窒素雰囲気で、１６００℃×１時間である。内部加熱によるので、燒結時の体積収縮は極小である。７）工程との組み合わせにより製品寸法に近い燒結体がえられる。
９）燒結後にＨＩＰ処理は不要である。
本発明のサイアロン燒結体は、高燒結密度が得られ、しかもボイドは皆無の為ＨＩＰ処理は不要である。この為の製造原価低減効果は極めて大きい。
１０）燒結後の加工。
サイアロンは全率固溶体の為、他のセラミックスに認められる金属酸化物が含有されていない。その為、研削作業は容易である。さらにサイアロンは不定比化合物であるので弱導電性を有する。従って、放電加工が可能である。この様に、燒結後の加工が出来るのも本発明の大きな特徴である。
１１）非破壊品質保証。
レーザビームを用いた方法で、非破壊で品質保証できる技術を確立している。
【０１００】
以上の形態で本発明を実施する事により、自動車用部品を中心とするあらゆる機械構造用途に適用できる社会基盤材料が実現化できる。
【実施例】
【０１０１】
化学組成
実施例に用いたサイアロンはすべて燃焼により合成した。化学組成を（表８）に示した。
【０１０２】
【表８】
2007182334.tif 000009
【０１０３】
製造工程 
（表５）に示した本特許で提案する製造工程でサイアロン製のベアリングボールを製造した。研削加工により最終仕上げを行なった。仕上げ精度を（表９）に示した。極めて良好な仕上げ精度に仕上がっている。
【０１０４】
【表９】
2007182334.tif 000010
【０１０５】
研磨代（ＮＮＳ燒結）
マイクロウエーブ燒結により、燒結温度の低温化と燒結時間の極端な短縮ができたとともに、燒結後の直径寸法を製品の寸法に近似（ＮＮＳ）できた。これはマイクロウエーブ燒結による単独効果以外に、前工程で（１）サイアロン粒径を超微細化した事（２）燒結助剤の添加量を極小化した事（３）ゴム型成形で残留応力を極小化出来た事との相乗効果による。
【０１０６】
本発明で得られた研磨代の低減の状況を、現用の窒化ケイ素で採用されている研磨代と比較して（表１０）に示した。本発明の提案する方法で製造する事により、現用の窒化ケイ素焼結材でコストアップの大きな要因となっている研削時間が極端に短縮できる。
【０１０７】
【表１０】
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【０１０８】
焼結研削加工後で仕上げた供試材の諸特性を纏めて、（表１１）に示した。
【０１０９】
【表１１】
2007182334.tif 000012
【０１１０】
Ｚ値が大きくなるに伴い、硬さには殆ど変化しないが、ヤング率が低下する。この様に同一材料で、ヤング率が大幅に変化する特徴は極めて興味深く、機械部品の設計に有効に活用できる。このようなヤング率の大幅な変化は燃焼合成によってサイアロンの組成が任意に変化できる事に起因しており本発明に於ける大きな発見である。
【０１１１】
転動疲労寿命
本発明の方法で製造した直径５／３２インチのサイアロン製ベアリングボールを用いて構成した１対の実体ベアリングに偏芯加重を加え（図１０）に記載する条件でベアリングボールとしての疲労寿命を評価した。その結果をワイブルチャート解析した結果を（図１０）に示した。
【０１１２】
最大粒径を５μｍ以下に、平均粒径を５００ｎｍに調整してマイクロウエーブ焼結した発明材１（記号１３）の転動疲労寿命は市販の窒化ケイ素ベアリングボール（ＨＩＰ処理材）に対して同等以上を示している。ＨＩＰ処理なしで、この様な良好な転動疲労寿命の得られた実績は報告されていない。
【０１１３】
さらに、発明材１の平均粒径５００ｎｍの粉末に、同発明材の平均粒径１００ｎｍの粉末を５０％混合して本発明の工程で形成したベアリングボールでは相対密度９９.７％が得られると共に、転動疲労寿命が１０％向上する事を掴んだ。
【０１１４】
セラミックスの疲労強度を確保する為の必須条件はＨＩＰを実施する事であると云う従来の技術的常識が本発明で完全に覆され、ファインセラミックスの新しい製造技術体制構築の端緒を提案する意味でも本発明の意義は大きい。
【０１１５】
この成果は、１）最大粒径と平均粒径を制御した原料粉末、２）極小の焼結助剤の添加、３）マイクロウエーブ加熱による短時間・低温焼結、さらには４）微小の金属元素を固溶するサイアロンの材質的機能の相乗効果によるものである。
【０１１６】
（図１０）に、ヤング率が２１０ＧＰａと鋼のヤング率とほぼ同等な発明材２（Ｚ＝２）について、最大粒径を１μｍ以下に、平均粒径を３００ｎｍに調整してマイクロウエーブ焼結したサンプル（記号１４）のワイブルチャートを示した。寿命サイクル数が１０８に達しても破壊しないと云う脅威的な結果を得た。
【０１１７】
ベアリングは、ベアリングボールとそれを、支えるアウターレースとインナーレスとにより構成されている。両レースは鋼製である。鋼のヤング率は２１０ＧＰａで、セラミックス製のベアリングボールは窒化ケイ素の場合、３１０ＧＰａである。この組み合わせで構成したベアリングに負荷を与えた場合には、ヤング率の低いレースが弾性的に変形する。この為、レースがボールよりも先に疲労破壊する。これにより、ベアリングが疲労寿命に達したと判断される。
【０１１８】
Ｚ＝２の組成を有するサイアロンのヤング率は２１０ＧＰａで、鋼のヤング率と同等であり、ベアリング負荷の際に、鋼製のレースに過剰な負荷がかからない。この為に（図１０）の（記号１４）に示す脅威的に優れた寿命が得られたのである。
【０１１９】
鋼製のベアリングボールでは、破壊の起点となる主としてアルミナ系の介在物の極低減を精錬過程での酸素低減化技術により達成している。酸素含有量を１０ｐｐｍ未満に低減させた超高清浄度鋼が量産されている。超高清浄度鋼の疲労寿命は（図１０）の累積破損確率が１０％となる寿命値（Ｌ１０寿命）として１０８でも破損しないと云う多くの量産技術としての実績が報告されている。鋼のＬ１０寿命値＞１０８を確保する技術は膨大な研究投資と設備投資の上で確立されたわが国の誇るべき特殊鋼製造技術である。
【０１２０】
（図１０）の（記号１４）が示すデータは、サイアロンがベアリングボールとして、超高清浄度鋼に匹敵するＬ１０寿命値＞１０８の疲労寿命を確保できる事を示している。本発明で提案するサイアロンは将来の社会基盤材料としての無限の可能性を有すると断言できよう。
【０１２１】
摺動磨耗特性
結果を（表１２）に示した。比較的低荷重条件での大越式迅速磨耗試験により評価した。
【０１２２】
【表１２】
2007182334.tif 000013
【０１２３】
発明材１〜３共に類似した磨耗特性を示し、いずれも比較材の窒化ケイ素よりも優れている。磨耗試験片の観察の結果により、摩擦時間が進むにつれて、窒化ケイ素の表面に開口したマイクロポアーに相手材である特殊鋼（ＳＵＪ２）が進入し、窒化ケイ素のマイクロポアーに進入した特殊鋼と摩擦輪とが凝着して磨耗輪がアブレッシブ磨耗に進展する様子が認められた。
【０１２４】
本発明材では、表面に開口したマイクロポアーは皆無であるので、窒化ケイ素よりも優れた特性が得られたものである。併せて本発明材の摩擦係数は０.1以下である事を認めている。
【０１２５】
摺動磨耗特性が良好である事から、摺動磨耗特性が必要とされるメタルと直接接触して回転する各種シャフトや直線軸受けの摺動部品等に有効活用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明の提案は次世代の社会基盤材料として自動車用を始めとするあらゆる産業部門で採用される大きな可能性を有し、環境アセスメント材料であるとともに、従来にない全く新しい理想的な素材産業が構築できる。その理由を以下に列挙する。
１）地殻中に最も多量に埋蔵され現在は殆ど活用されていないシリコン原料を高機能化且つ低廉な製造コストで製品化する技術である。
２）資源の枯渇懸念が全くないばかりでなく、製品は最終的には酸化シリコンの形でリサクルできる。環境アセスメント材料を提供する技術である。
３）製品機能を確保する為の手法は抑えるべきポイントは明確であり、量産技術化が容易である。
４）製造設備は小型で且つ低廉であり、従来の素材産業でみられる「重厚長大」を脱皮した「軽薄短小」型の素材産業が新しく構築できる。
５）併せて、品質保証に関する技術も確立されている。
６）製品の特性は
ａ）軽く強く高機能である。
ｂ）あらゆる機械部品の設計基準を高機能化でき、結果として、機械ユニットが小型軽量化できる。
ｃ）製造コストは極めて低廉で、特殊鋼に匹敵する。
ｄ）製品の廃却には何らの公害懸念がない。
である。
これらの事から、将来、１０兆円を超す規模の産業に展開する可能性を秘めている。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】サイアロン製ベアリングボールの強度とサイアロン粒子の平均径と粗大粒最大径との関係。
【図２】サイアロン製ベアリングボールの強度と不純物含有量との関係。
【図３】Ｘ線マイクロアナライザーによるサイアロン中に含まれる鉄元素の分布状況を示す画像。
【図４】窒化ケイ素-窒化アルニウム-アルミナ-酸化ケイ素平衡状態図中に存在するサイアロン固溶体の存在領域を示す図。Ｚ＝１、２、３および４のサイアロンの領域を図中に表示。
【図５】サイアロンのヤング率とＺとの関係を示す図。
【図６】サイアロン燒結体のＸＲＤ測定結果を示す図。
【図７】サイアロン粉末のゴム型成型を示す図。
【図８】サイアロン成型体の圧縮加工を示す図。
【図９】ジャイロトロン発振管を用いたマイクロウエーブにより、サイアロン燒結体を得る燒結条件を示す図。
【図１０】本発明材および市販窒化ケイ素製ベアリングボールの転動疲労データのワイブルチャート。
【符号の説明】
【０１２８】
１．サイアロン製ベアリングボールが汎用の窒化ケイ素製ベアリングボールと同等な強度を示す条件。
２．サイアロン製ベアリングボール強度が汎用の窒化ケイ素製ベアリングボール強度より劣る条件。
３．サイアロン成型体。
４．ゴム型１。
５．ゴム型２。
６．側面金型。
７．下金型。
８．可動上型。
９．圧縮の際の加圧の方向。
１０．燒結助剤として１％ジルコニアを用いた場合の燒結特性。
１１．燒結助剤として１％イットリアを用いた場合の燒結特性。
１２．燒結助剤を用いない場合の燒結特性。
１３．最大粒径５μｍ以下、平均粒径５００ｎｍで製造したサイアロン（発明材１）製ベアリングボールのワイブルチャート。
１４．最大粒径１μｍ以下、平均粒径３００ｎｍで製造したサイアロン（発明材２）製ベアリングボールのワイブルチャート。
１５．市販窒化ケイ素（１）のワイブルチャート。
１６．市販窒化ケイ素（２）のワイブルチャート。
１７．汎用軸受鋼のワイブルチャート。多数のデータを幅で示している。
１８．超高清浄度処理した軸受鋼のワイブルチャート。多数のデータを幅で示している。なお図中矢印はすべての試料は１０８では破壊していない事を表現している。
【図１】
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【図２】
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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】
2007182334.tif 000020
【図８】
2007182334.tif 000021
【図９】
2007182334.tif 000022
【図１０】
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