(57)【要約】【課題】  焼き上がり寸法精度が高く、焼き放し面での高い抗折強度を有する窒化珪素質セラミック製バルブを提供する。【解決手段】  傘部１２と、該傘部１２の中央に一体的に形成された柱状のステム部１３とが、窒化珪素が８０〜９２．５重量％、希土類元素が酸化物換算で２〜１０重量％、アルミニウムが酸化アルミニウム換算で２〜５重量％、過剰酸素が酸化珪素換算で０．５〜５重量％の範囲で含有されており、かつ前記希土類元素の酸化物換算量に対するアルミニウムの酸化アルミニウム換算量の比及び前記希土類元素の酸化物換算量に対する過剰酸素の酸化珪素換算量の比が０．５〜０．８である窒化珪素質セラミックスからなり、前記ステム部１３の同軸度が０．１５ｍｍ以下である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
傘部と、該傘部の中央に一体的に形成された柱状のステム部とが、窒化珪素が８０〜９２．５重量％、希土類元素が酸化物換算で２〜１０重量％、アルミニウムが酸化アルミニウム換算で２〜５重量％、過剰酸素が酸化珪素換算で０．５〜５重量％の範囲で含有されており、かつ前記希土類元素の酸化物換算量に対するアルミニウムの酸化アルミニウム換算量の比及び前記希土類元素の酸化物換算量に対する過剰酸素の酸化珪素換算量の比が０．５〜０．８である窒化珪素質セラミックスからなり、前記ステム部の同軸度が０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする窒化珪素質セラミック製バルブ。
【請求項２】
前記ステム部の表面の３０％以上が焼き放し面であり、該ステム部の抗折強度が８１０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の窒化珪素質セラミック製バルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に自動車や発電機等の内燃機関に用いられる窒化珪素質セラミック製バルブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関に用いられる吸排気用バルブ（以下、単にバルブと言う。）としては、図３に示すように、傘部３２と、この傘部３２の中央に一体的に形成された柱状のステム部３３とから構成されたものがあった。なお、傘部３２の外周に形成されたテーパ面３４はフェース部と呼ばれ、内燃機関の吸排気口のバルブシートと当接する部位である。
【０００３】
そして、これまでバルブ３１は金属製のものが一般的で、例えばＳＵＨ−３やＳＵＨ−１１等の鋼材やインコネル等の耐熱合金が使用されていた。
【０００４】
しかしながら、内燃機関の高出力化、高回転化が求められるようになり、これに伴ってバルブ３１も機械的及び熱的に過酷な環境でも耐えるもので、さらに軽量であるものが望まれるようになってきた。
【０００５】
そこで、このようなバルブ３１を、耐熱性、耐熱衝撃性、耐摩耗性及び耐酸化性に優れ、かつ高い抗折強度を有する窒化珪素質セラミックスにより形成することが提案されている。
【０００６】
このようなバルブ３１を形成する窒化珪素質セラミックスとしては、窒化珪素を主成分とし、焼結助剤としてＹ２Ｏ３などの希土類元素酸化物と酸化アルミニウムを含有させたものが一般的に用いられていた（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００７】
ところで、窒化珪素質セラミック製バルブを製造する場合、成形体の密度の不均一、焼成炉内の温度ばらつき、さらに焼成中における加熱の不均一等があると、バルブ３１のステム部３３が変形（主に曲がる）するといった課題があり、ステム部３３の同軸度で見て０．５ｍｍ以上、酷いときには１ｍｍ以上も変形することがあった。
【０００８】
このようなステム部３３の変形を少しでも抑えるため、特許文献３では、図４に示すように、成形体４１のステム部４３の端部に錘４５を付けて筒状治具４６内に挿入し、成形体４１の傘部４２を上記筒状治具４６の開口部に引っかけて保持するとともに、錘４５の引張応力によってステム部４３を直下させた状態で焼成するようにすることが提案されている。
【０００９】
ところが、特許文献３に開示されている方法にて、窒化珪素質セラミック製バルブ３１を製作すると、ステム部３３の変形を抑えることができるものの、錘４５の引張応力によってステム部３３の密度が低下し、機械的強度が低下するといった課題があった。
【００１０】
しかも、この方法では、成形体４１のステム部４３の端部に錘４５を形成しておき、焼成後に除去しなければならないため、材料の無駄や作業工程が増え、生産性が悪いといった不都合もあった。
【特許文献１】特開平７−１３３５５０号公報
【特許文献２】特開平６−２０６５２号公報
【特許文献３】特開平３−１３７０６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って本発明の目的は、焼き上がり寸法精度が高く、焼き放し面での高い抗折強度を有する窒化珪素質セラミック製バルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、傘部と、該傘部の中央に一体的に形成された柱状のステム部とが、窒化珪素が８０〜９２．５重量％、希土類元素が酸化物換算で２〜１０重量％、アルミニウムが酸化アルミニウム換算で２〜５重量％、過剰酸素が酸化珪素換算で０．５〜５重量％の範囲で含有されており、かつ前記希土類元素の酸化物換算量に対するアルミニウムの酸化アルミニウム換算量の比及び前記希土類元素の酸化物換算量に対する過剰酸素の酸化珪素換算量の比が０．５〜０．８である窒化珪素質セラミックスからなり、前記ステム部の同軸度が０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
また、上記窒化珪素質セラミック製バルブは、前記ステム部の表面の３０％以上が焼き放し面であり、該ステム部の抗折強度が８１０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明の窒化珪素質セラミック製バルブよれば、傘部と、この傘部の中央に一体的に形成された柱状のステム部とを、窒化珪素が８０〜９２．５重量％、希土類元素が酸化物換算で２〜１０重量％、アルミニウムが酸化アルミニウム換算で２〜５重量％、過剰酸素が酸化珪素換算で０．５〜５重量％の範囲で含有されており、かつ前記希土類元素の酸化物換算量に対するアルミニウムの酸化アルミニウム換算量の比及び前記希土類元素の酸化物換算量に対する過剰酸素の酸化珪素換算量の比が０．５〜０．８である窒化珪素質セラミックスにより構成し、前記ステム部の同軸度を０．１５ｍｍ以下としたことによって、焼結後の研削加工を少なくでき、作業工程を減らすこともできるため、安価で精度の高いバルブとすることができるとともに、焼き放し面のままでもステム部の抗折強度が７７０ＭＰａ以上を有する破損し難いバルブを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明について詳述する。
【００１６】
本発明の窒化珪素質セラミック製バルブ（以下、バルブと言う）は、図１に示すように、傘部１２と、この傘部１２の中央に一体的に形成された柱状のステム部１３とからなり、ステム部１３の同軸度が０．１５ｍｍ以下と反りや曲がりが殆どないことを特徴とし、ステム部１３の表面の３０％以上が焼き放し面のままでも０．１５ｍｍ以下の同軸度が得られていることを特徴とする。
【００１７】
その為、本発明のバルブ１１によれば、ステム部１３に反りや曲がりが殆どないため、焼結後の研削加工を少なくでき、用途によっては焼結後の研削加工が不要となるため、安価に製造することができる。
【００１８】
ところで、このような優れた同軸度を達成するには、焼結時における窒化珪素質セラミックスの変形が少ないことが必要であり、そのための組成としては、窒化珪素を８０〜９２．５重量％に対し、Ｙ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｓｍ，Ｄｙ等の希土類元素を酸化物換算で２〜１０重量％、好ましくは５〜９重量％と、アルミニウムを酸化アルミニウム換算で２〜５重量％、好ましくは３〜４重量％の範囲で含有するとともに、過剰酸素を酸化珪素換算で０．５〜５重量％、好ましくは２〜４重量％の範囲で含み、さらに前記希土類元素の酸化物換算量に対するアルミニウムの酸化アルミニウム換算量の比が０．５〜０．８で、かつ前記希土類元素の酸化物換算量に対する過剰酸素の酸化珪素換算量の比が０．５〜０．８であることが重要である。ここで、窒化珪素、希土類元素、アルミニウム、過剰酸素の含有量及び比率が前記範囲を外れると、焼結性及び焼結時の変形を抑制する効果が小さく、ステム部１３の同軸度を０．１５ｍｍ以下とすることが難しいからである。
【００１９】
しかも、焼結助剤の各成分が前記範囲より少ないと、焼成時において液相成分が不足し、緻密化するために高温での焼成が必要となり、その結果、窒化珪素粒子の粒成長が生じて抗折強度が低下し、また、各成分が前記範囲より多いと、焼成時において液相成分が多くなり過ぎるため、窒化珪素粒子の粒成長が進行し、表層において、短軸長または長軸長の大きい結晶粒子が形成されやすくなる結果、それらの粗大粒が破壊源となり、抗折強度が低下する。
【００２０】
かくして、窒化珪素、希土類元素、アルミニウム、過剰酸素の含有量及び比率を前記範囲で含有することで、ステム部１３は、その表面が焼き放し面でも７７０ＭＰａ以上の抗折強度を実現することができ、特に、本発明においては、ステム部の表面の３０％以上が焼き放し面のままで、そのステム部の抗折強度が８１０ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００２１】
なお、７７０ＭＰａ以上の抗折強度を維持する観点から、焼結体中における窒化珪素粒子の平均結晶粒子径は５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下の範囲にあるものが良い。
【００２２】
さらに、窒化珪素質セラミックス中には、他の成分として周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素の金属や、ＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴａＣ，ＴａＮ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＷＣ，ＷＳｉ２，Ｍｏ２など周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、珪化物の少なくとも１種以上、又はＳｉＣなどを分散粒子やウィスカ−の状態で含有させることで特性を改善することも可能である。ただし、これらの合計含有量は５重量％以下とすることが好ましい。
【００２３】
次に、本発明の窒化珪素質セラミック製バルブ１１を製造する方法について説明する。
【００２４】
まず、窒化珪素粉末を準備する。窒化珪素粉末としては、α−Ｓｉ３Ｎ４、β−Ｓｉ３Ｎ４のいずれの状態であっても良く、その粒径が０．４〜１．２μｍでかつ酸素を０．５〜１．５重量％の範囲で含有しているものを用いることが良い。
【００２５】
そして、この窒化珪素粉末を８０〜９２．５重量％に対し、焼結助剤として希土類元素酸化物を２〜１０重量％、好ましくは５〜９重量％と、酸化アルミニウムを２〜５重量％、好ましくは３〜４重量％の範囲でそれぞれ添加するとともに、酸化珪素を０．５〜５重量％、好ましくは２〜４重量％の範囲で添加し、さらに前記希土類元素酸化物の添加量に対する酸化アルミニウムの添加量の比が０．５〜０．８で、かつ前記希土類元素酸化物の添加量に対する酸化珪素量の比が０．５〜０．８となるように調合する。ただし、酸化珪素量とは、添加する酸化珪素粉末の添加量に、窒化珪素粉末中に不純物として含まれている過剰酸素を酸化珪素換算した量を加えた値で判断する。
【００２６】
これらの範囲で調合した原料粉末に対して、エタノールやイソプロピルアルコール等の有機溶剤及びバインダーを加えたあと、公知の粉砕方法、例えばボールミル、振動ミル、回転ミル、バレルミル等により原料粉末を均一に混合粉砕したものを、プレス成形、鋳込み成形、射出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知のセラミック成形手段にて、図２に示すような、柱状のステム部２３の一端に傘部２２が一体的に形成された成形体２１を製作する。
【００２７】
次に、得られた成形体２１のステム部２３の外径Ｗより０．５〜３ｍｍの範囲で広い内径Ｑを有する窒化珪素質セラミック製の円筒治具１内にステム部２３を挿入し、成形体２１の傘部２２を円筒治具１の開口端部に引っかけて保持する。ここで、円筒治具１を窒化珪素質セラミックスにより形成するのは、治具を同質の窒化珪素で形成することにより、変形の大きな要因である成形体２１からの助剤成分の分解を抑制できるからである。
【００２８】
また、円筒治具１の内径Ｑとステム部２３の外径Ｗとの内外径差を０．５〜３ｍｍとしたのは、内外径差が０．５ｍｍより小さいと、成形体２１のステム部２３を円筒治具１内に挿入する際に破損させる可能性があり、逆に内外径差が３ｍｍを越えた場合、焼結時にステム部２３が変形すると焼結後の同軸度を０．１５ｍｍ以下に抑えることが難しいからである。なお、内外径差の小さい円筒治具１を用いることにより、セット時における重心のずれが小さくなるため、さらに変形を抑制できる。
【００２９】
しかるのち、円筒治具１を用いて保持した成形体２１を焼成するのであるが、窒素雰囲気下あるいはＳｉＯを含む雰囲気下にて１７００〜１８００℃、好ましくは１７５０〜１８００℃の温度で常圧焼成すれば良い。焼成温度が１７００℃未満であると、焼結性が不十分であり緻密化させることができないからであり、逆に１８００℃を越えると、窒化珪素質セラミック製の円筒治具１を用いても、成形体２１中における助剤成分の分解が促進させ、ステム部１３の変形を抑えることが難しいからである。
【００３０】
このような条件下で製造すれば、窒化珪素を８０〜９２．５重量％に対し、Ｙ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｓｍ，Ｄｙ等の希土類元素を酸化物換算で２〜１０重量％、アルミニウムを酸化アルミニウム換算で２〜５重量％、過剰酸素を酸化珪素換算で０．５〜５重量％の範囲で含有し、さらに前記希土類元素の酸化物換算量に対するアルミニウムの酸化アルミニウム換算量の比が０．５〜０．８で、かつ前記希土類元素の酸化物換算量に対する過剰酸素の酸化珪素換算量の比が０．５〜０．８である窒化珪素質セラミックスからなり、焼き放し面のままでもステム部１３の同軸度が０．１５ｍｍ以下である窒化珪素質セラミック製バルブ１１を得ることができる。
【００３１】
なお、本発明によれば、出発原料である窒化珪素粉末のうち、１０〜７０重量％を珪素粉末に置き換えることもでき、この場合、成形体２１を焼成する前に、窒素雰囲気下にて１０００〜１４００℃の温度で熱処理を施してＳｉ粉末を窒化処理して窒化珪素を生成させ、成形体２１の密度を高めたうえで、前記焼成条件で焼成すれば良い。この製法によれば、焼成時の収縮を抑え、緻密で寸法精度の高い窒化珪素質セラミック製バルブ１１を得ることができる。
【実施例】
【００３２】
（実施例１）窒化珪素粉末（ＢＥＴ比表面積９ｍ２／ｇ、α率９８％、酸素量１．２重量％）に対し、焼結助剤として希土類元素酸化物の粉末（平均粒径１．５μｍ）と酸化アルミニウムの粉末（純度９９．９％、平均粒径２μｍ）、さらに酸化珪素の粉末（純度９９．９％、平均粒径２μｍ）を、焼成後の組成が表１となるように調合し、バインダー及び溶媒を添加して混練乾燥したあと、冷間静水圧成形法により、傘部２２とステム部２３とからなり、ステム部２３の外径が１０ｍｍ、長さが１００ｍｍである図１に示すような成形体２１を形成した。
【００３３】
次に、窒化珪素質セラミック製の円筒治具１を用意し、この円筒治具１内に成形体２１のステム部２３を挿入し、円筒治具１の開口端部に傘部２２を引っかけて保持した状態で、炭化珪素質セラミックスからなる匣鉢に入れ、窒素雰囲気下にて１７００℃〜１８００℃の温度で焼成することにより、図１に示す窒化珪素質セラミック製バルブ１１を製作した。
【００３４】
そして、得られた窒化珪素質セラミック製バルブ１１について、ＩＣＰ発光分光分析にて表１に示す組成であることを確認したあと、ステム部１３の焼き放し面上を、その長手方向に沿って接触式の測長器を走査させ、ステム部１３の同軸度を計測したあと、４点曲げ試験機により焼き放し面の抗折強度を測定した。
【００３５】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【表１】
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【００３６】
この結果、まず、焼結時に円筒治具１の内径Ｑとステム部２３の外径Ｗとの内外径差が０．５ｍｍよりも小さい試料Ｎｏ．５では、円筒治具１内に成形体２１のステム部２３を挿入する際に折れてしまい、内外径差が３ｍｍよりも大きい試料Ｎｏ．４、６では、焼結後のステム部１３の変形量が０．２５ｍｍ、０．４２ｍｍと大きく、抗折強度も７５０ＭＰａ以下と低かった。
【００３７】
また、試料Ｎｏ．１４〜３３のように、希土類元素の酸化物換算量が２〜１０重量％、アルミニウムの酸化アルミニウム換算量が２〜５重量％、過剰酸素の酸化珪素換算量が０．５〜５重量％、希土類元素の酸化物換算量に対するアルミニウムの酸化アルミニウム換算量の比が０．５〜０．８、希土類元素の酸化物換算量に対する過剰酸素の酸化珪素換算量の比が０．５〜０．８のいずれかの範囲がはずれたものはいずれも、ステム部１３の同軸度を０．１５ｍｍ以下とすることができず、また、抗折強度も７７０ＭＰａ以下と低かった。
【００３８】
これに対し、試料Ｎｏ．１〜３、７〜１３は、窒化珪素質セラミックスの組成が、窒化珪素を８０〜９２．５重量％、希土類元素を酸化物換算で２〜１０重量％、アルミニウムを酸化アルミニウム換算で２〜５重量％、過剰酸素を酸化珪素換算で０．５〜５重量％であり、前記希土類元素の酸化物換算量に対するアルミニウムの酸化アルミニウム換算量の比が０．５〜０．８でかつ前記希土類元素の酸化物換算量に対する過剰酸素の酸化珪素換算量の比が０．５〜０．８であるとともに、バルブ１１の焼成時に、成形体２１のステム部２３の外径より０．５〜３ｍｍの範囲で広い内径を有する窒化珪素質セラミック製の円筒治具１内に挿入、保持して焼結させるようにしたことから、焼成後のステム部１３の変形を抑え、焼き放し面のままでもステム部１３の同軸度を０．１５ｍｍ以下とでき、また焼き放し面における抗折強度を７７０ＭＰａ以上の高強度を達成することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の窒化珪素質セラミック製バルブを示す側面図である。
【図２】本発明の窒化珪素質セラミック製バルブの焼成方法を説明するための断面図である。
【図３】従来の窒化珪素質セラミック製バルブを示す側面図である。
【図４】従来の窒化珪素質セラミック製バルブの焼成方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１：円筒治具
１１：窒化珪素質セラミック製バルブ
１２：傘部
１３：ステム部
２１：成形体
２２：成形体の傘部
２３：成形体のステム部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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