焼結体、焼結体の製造方法および切削工具
【課題】高い硬度と高い靭性を有する焼結体を提供する。
【解決手段】本発明に係る焼結体は、工具用の焼結体であって、酸窒化アルミニウムと、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含む結合材と、ウィスカーと、を含み、焼結体における酸窒化アルミニウムの含有量が２０体積％以上８０体積％以下である、焼結体である。
【解決手段】本発明に係る焼結体は、工具用の焼結体であって、酸窒化アルミニウムと、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含む結合材と、ウィスカーと、を含み、焼結体における酸窒化アルミニウムの含有量が２０体積％以上８０体積％以下である、焼結体である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は焼結体、焼結体の製造方法および切削工具に関し、特に、酸窒化アルミニウムを含有する工具用の焼結体、焼結体の製造方法および切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削加工などに用いられる切削工具の材料として、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）焼結体が広く知られている。アルミナ焼結体は、鉄系被削材との反応性が低く、ｃＢＮ焼結体よりも安価に製造することができるという点で優れているが、その靭性が低い傾向にあるために、アルミナ焼結体を切削工具として使用した場合に、切削工具が破損し易い傾向がある。このため、アルミナ焼結体においては、たとえば、炭化珪素ウィスカーでその構造を強化する方法が採用されている。
【０００３】
また、近年、アルミナ焼結体と類似した特性を有し、さらに、アルミナ焼結体よりも高い硬度と低い熱膨張係数を有する、酸窒化アルミニウム焼結体の利用が検討されている。酸窒化アルミニウム焼結体は、たとえば、Ａｌ23Ｏ27Ｎ5のような組成からなるスピネル型結晶構造を有しており、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとを用いて作製することができる。たとえば、米国特許第４２４１０００号明細書（特許文献１）には、酸化アルミニウムの粉末と窒化アルミニウムの粉末とを、非酸化性雰囲気下の１８００℃を超える温度において、超高圧で焼成させることによって、酸窒化アルミニウムを作製する方法が記載されている。
【０００４】
しかしながら、酸窒化アルミニウム焼結体においても、その靭性が低い傾向にあるために、工具用とするためには、アルミナ焼結体と同様に、結合材を加える必要がある。たとえば、特表２００７−５３３５９３号公報（特許文献２）には、ホットプレスを用いた焼結方法において、酸窒化アルミニウム焼結体を炭化珪素ウィスカーで強化する技術が開示されている。また、たとえば、特開平３−１８７９９８号公報（特許文献３）には、炭素粉末と、アルミニウムまたは酸化アルミニウムを混合したものを窒素雰囲気下で加熱することにより、窒化アルミニウムウィスカーを製造する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４２４１０００号明細書
【特許文献２】特表２００７−５３３５９３号公報
【特許文献３】特開平３−１８７９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２において、炭化珪素は鉄系被削材との反応性が高いために、炭化珪素ウィスカーを酸窒化アルミニウム焼結体の結合材として用いた場合、鉄系被削材を切削するための工具の材料に適さなくなるという問題がある。また、特許文献３に開示される方法で作製された窒化アルミニウムウィスカーには、残留炭素が存在し、また、これを完全に除去することが困難であるために、やはり、鉄系被削材を切削するための工具の材料に適さなくなるという問題がある。
【０００７】
換言すれば、従来の技術では、酸窒化アルミニウム焼結体に靭性を付加する一方で、鉄系被削材との反応性が低いという酸窒化アルミニウム焼結体の優れた特性を低下させることとなっており、酸窒化アルミニウム焼結体の特性を生かした、靭性の高い酸窒化アルミニウム焼結体、すなわち、耐摩耗性および耐欠損性の高い酸窒化アルミニウムを含む焼結体を提供することは実現できていなかった。
【０００８】
上記事情を鑑み、本発明は、酸窒化アルミニウムを含み、高い耐摩耗性および耐欠損性を有する焼結体、焼結体の製造方法および切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様は、酸窒化アルミニウムと、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含む結合材と、ウィスカーと、を含み、焼結体における酸窒化アルミニウムの含有量が２０体積％以上８０体積％以下である、焼結体である。
【００１０】
上記焼結体において、遷移金属は、バナジウム、クロム、モリブデン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅または亜鉛のいずれかであることが好ましい。
【００１１】
上記焼結体において、ウィスカーは、酸窒化アルミニウムを含むことが好ましい。
上記焼結体におけるウィスカーの含有量が１体積％以上３０体積％以下であることが好ましい。
【００１２】
上記焼結体において、酸窒化アルミニウム、結合材、およびウィスカーに加えさらに窒化アルミニウムを０．１体積％以上１０体積％以下含むことが好ましい。
【００１３】
上記焼結体において、酸化アルミニウムを０．１体積％以上２０体積％以下含むことが好ましい。
【００１４】
上記焼結体において、酸窒化アルミニウムにおける酸素／窒素のモル比が３以上９以下であることが好ましい。
【００１５】
上記焼結体において、結合材は、さらに、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。
【００１６】
本発明の第２の態様は、上記焼結体を用いた切削工具である。
本発明の第３の態様は、上記焼結体の製造方法であって、酸化アルミニウムからなる第１粉末、窒化アルミニウムからなる第２粉末、ならびに、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種からなる第３粉末を混合して混合粉末を作製する工程と、混合粉末を、窒素雰囲気下において、１６００℃以上２０００℃以下、１００Ｐａ以上１０ＭＰａ以下の条件で焼成して焼成体を形成する工程と、焼成体を粉砕して粉砕物を形成する工程と、粉砕物を成形して、１１００℃以上２５００℃以下、４０ＭＰａ以上２０ＧＰａ以下の条件で焼結させる工程と、を含み、混合粉末を準備する工程において、酸化アルミニウムの粉末と窒化アルミニウムの粉末とのモル混合比が０．２５以上３以下となるように調製される、焼結体の製造方法である。
【００１７】
上記焼結体の製造方法において、第３粉末は、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種からなる第４粉末を含有するが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、工具用の焼結体であって、高い耐摩耗性と耐欠損性とを有する焼結体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１における焼成体をＳＥＭで観察した結果を示す図である。
【図２】図１に示されるＳＥＭ画像の一部を拡大した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜第１の実施形態＞
≪焼結体≫
以下、本実施形態に係る焼結体について詳細に説明する。
【００２１】
本実施形態において、焼結体は、酸窒化アルミニウムと、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、該遷移金属の炭化物、および該遷移金属のホウ化物から選択される少なくとも１種を含む結合材と、ウィスカーと、を含み、焼結体における酸窒化アルミニウムの含有量が２０体積％以上８０体積％以下の焼結体である。
【００２２】
上記酸窒化アルミニウムは、Ａｌ(8+x)/3Ｏ4-xＮx（但し、０．４≦ｘ≦１）の組成で表される酸窒化アルミニウムからなる。焼結体において、酸窒化アルミニウムの粒子同士は結合していてもよいが、焼結体の靭性を向上させる観点からは、粒子同士が結合せずに、結合材によって酸窒化アルミニウムの粒子が強固に結合される構造であることが好ましい。すなわち、結合材の連続する結晶相中に酸窒化アルミニウム粒子が分散して存在する構造であることが好ましい。
【００２３】
焼結体における酸窒化アルミニウムの含有量が８０体積％以下の場合、酸窒化アルミニウムの粒子同士を結合を効果的に抑制して、結合材によって粒子同士を結合することができ、７０体積％以下の場合にさらに粒子同士の結合を効果的に抑制することができる。また、焼結体における酸窒化アルミニウムの含有量が２０体積％以上の場合、酸窒化アルミニウムによる焼結体の硬度を十分に維持することができ、また酸窒化アルミニウムの鉄系被削材との反応性の低さを維持することができ、４０体積％以上の場合にさらに効果的にこれらの特性を維持することができる。焼結体中の酸窒化アルミニウムの含有量は、たとえば、ＳＥＭ−ＥＤＸ(走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光）を用いて確認することができる。
【００２４】
上記結合材は、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、該遷移金属の炭化物、および該遷移金属のホウ化物から選択される少なくとも１種を含み、酸窒化アルミニウム粒子を強固に結合させることができる。とくに、本発明者らは、鋭意検討の結果、上記遷移金属の窒化物を用いた場合に、酸窒化アルミニウム粒子を強固に結合させることができることを知見している。
【００２５】
焼結体における結合材の含有量は、２０体積％以上８０体積％以下である。焼結体における結合材の含有量を２０体積％以上とすることにより、焼結体に十分な靭性を付加することができ、８０体積％以下とすることにより、酸窒化アルミニウムによる硬度を維持することができる。なお、焼結体における結合材の含有量は、ＳＥＭ−ＥＤＸ法を用いて確認することができる。
【００２６】
上記遷移金属は、周期表の第５族元素〜第１０族元素から選択される少なくとも１種の遷移金属である。なかでも、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）または亜鉛（Ｚｎ）から選択される遷移金属が好ましい。また、窒化物、炭化物、およびホウ化物とは、たとえば、金属がＣｒの場合、窒化クロム（Ｃｒ2Ｎ）、炭化クロム（Ｃｒ3Ｃ2）、およびホウ化クロム（ＣｒＢ2）を意味する。なお、結合材が遷移金属の窒化物、遷移金属の炭化物、および遷移金属のホウ化物から選択される２種以上から構成される場合、結合材は、混合物、または固溶体となる。
【００２７】
上記ウィスカーは、窒化アルミニウムの六方晶の結晶からなり、結合材と酸窒化アルミニウムとの結合をより強固にすることができる。焼結体におけるウィスカーの含有量は、１体積％以上３０体積％以下であることが好ましい。ウィスカーの含有量が１体積％以上であることにより、結合材と酸窒化アルミニウムとの結合をさらに強固にすることができ、３０体積％以下であることにより、酸窒化アルミニウムを含む焼結体の特性が、単純な窒化アルミニウムと類似となることに起因する靭性の低下を抑制することができる。
【００２８】
なお、後述する製造工程上、ウィスカーには、ウィスカー生成の触媒として作用する遷移金属が含まれる場合があるが、ウィスカーの特性が変化しない程度にこれらの遷移金属がウィスカーに含まれていても問題ない。具体的には、ウィスカーにおける５０体積％以上が窒化アルミニウムで構成されていればよい。
【００２９】
以上のように、本実施形態における焼結体は、酸窒化アルミニウム粒子が結合材によって結合されるだけでなく、さらに、窒化アルミニウムからなるウィスカーによって、より強固に結合される。このため、本実施形態における焼結体は、高い硬度と高い靭性とを有することができ、もって、高い耐磨耗性、高い耐欠損性を有することができる。また、従来のように、炭化珪素ウィスカーなどの鉄系被削材との反応性の高い結合材を用いていないため、鉄系被削材との反応性が低いという酸窒化アルミニウム焼結体の特性を生かした上で、靭性の高い酸窒化アルミニウム焼結体を提供することができる。また、この焼結体を切削工具などの工具の材料とすることにより、長寿命の切削工具を提供することができる。
【００３０】
また、酸窒化アルミニウムにおいて、酸素と窒素とのモル比（Ｏ／Ｎ）が３以上９以下であることが好ましい。本実施形態の酸窒化アルミニウムは、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）の粉末と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の粉末とを原料とするが、本発明者らは、後述する焼結体の製造方法において、これらの粉末を焼成することによって生成される酸窒化アルミニウムにおける酸素と窒素とのモル比が上記範囲内となる場合、焼結体中に不可避不純物として、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとが適切な濃度の範囲内で存在できる傾向にあることを知見している。なお、ここでの窒化アルミニウムとは、ウィスカーに加えさらに焼結体が含有する窒化アルミニウムのことを意味するため、ウィスカー形状を有する窒化アルミニウムとは異なる。これらは、ＴＥＭ観察および／またはＳＥＭ観察により区別することができる。
【００３１】
より具体的には、本実施形態の焼結体において、０．１体積％以上２０体積％以下の酸化アルミニウムが存在することが好ましい。これにより、高い硬度と高い靭性を維持したまま、さらに、焼結体の耐熱性を向上させることができる。これは、たとえば、高速切削時に切削工具の刃先などが高温になった場合であっても、焼結体に含まれる酸化アルミニウムのさらなる酸化が起こらないために、結果的に、焼結体の酸化が抑制されるためである。
【００３２】
また、本実施形態の焼結体において、０．１体積％以上１０体積％以下の窒化アルミニウムが存在することが好ましい。これにより、高い硬度と高い靭性を維持したまま、さらに、焼結体と被削材とのすべりを向上させることができる。これにより、当該焼結体を材料とする切削工具の逃げ面、およびすくい面の耐摩耗性を向上させることができ、もって、切削工具の寿命をさらに延ばすことができる。
【００３３】
なお、酸窒化アルミニウムにおける酸素と窒素とのモル比は、たとえば、ＴＥＭ−ＥＤＸ（透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光）を用いて確認することができ、焼結体における酸化アルミニウムおよび窒化アルミニウムの各含有量は、ＳＥＭ−ＥＤＸを用いて確認することができる。
【００３４】
≪焼結体の製造方法≫
以下、本実施形態に係る焼結体の製造方法の一実施形態について詳細に説明する。
【００３５】
（混合粉末を準備する工程）
まず、酸窒化アルミニウムの原料となる酸化アルミニウムの粉末（第１粉末）および窒化アルミニウムの粉末（第２粉末）と、結合材の原料となる金属および／または金属化合物の粉末（第３粉末）を準備し、これらを混合して混合粉末を作製する。
【００３６】
各粉末の混合割合については、第１粉末と、第２粉末とのモル比（Ａｌ2Ｏ3／ＡｌＮ）が０．２５以上３以下となるように各粉末を混合する。また、第３粉末は、混合粉末における混合割合が２０体積％以上８０体積％以下となるように混合する。
【００３７】
第１粉末において、酸化アルミニウムの結晶構造はα型、γ型、およびθ型のいずれの構造であってもよいが、γ型酸化アルミニウムは酸窒化アルミニウムと同じスピネル構造であり、容易に酸窒化アルミニウムに変換されるという観点から、γ型であることが好ましい。また、第１粉末および第２粉末は、それぞれ粒径が０．００５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。この場合、各粉末をより均一に混合することができ、また焼成によって生成される酸窒化アルミニウム粒子を小さくすることができるため、結果的に、焼結体の構造を緻密にすることができる。たとえば、各粉末を混合する前に、各粉末を乳鉢、ビーズミル、遊星ボールミルなどを用いて粉砕することによって、上記粒径の範囲内に各粉末を調製することができる。なお、本明細書において粒径とは、「平均粒子径」を意味し、ＢＥＴ比表面積法、光散乱法などにより算出することができる。
【００３８】
また、第３粉末は、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種からなる粉末である。第３粉末は、その粒径が０．０１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。この場合、各粉末をより均一に混合することができ、また焼成によって生成される結合材の構造を緻密にすることができる。特に、第３粉末として窒化物を用いた場合、構造の緻密な、磨耗し難い焼結体が製造され易い傾向にある。
【００３９】
各粉末の混合方式には乾式と湿式の何れの方式を用いてもよく、湿式の混合方式を用いた場合には、混合物の乾燥に際し、自然乾燥やスプレードライヤなどの乾燥方法を用いることが好ましい。
【００４０】
（焼成体を形成する工程）
次に、上記工程で作製された混合粉末を所定条件下で焼成することによって、焼成体を作製する。
【００４１】
本工程において、焼成は、窒素雰囲気下において、１６００℃以上２０００℃以下、１００Ｐａ以上１０ＭＰａ以下の条件で、３０分以上行なわれる。これにより、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムが焼成されて、酸窒化アルミニウムの粒子が生成されるとともに、第３粉末が触媒となることにより、窒化アルミニウムからなるウィスカーが生成される。さらに、焼成体には、第３粉末からなる結合材の原料となる結合材粒子が含まれる。なお、酸窒化アルミニウムの組成は、Ａｌ(8+x)/3Ｏ4-xＮx（但し、０．４≦ｘ≦１）となる。
【００４２】
また、本工程により作製された焼成体は、酸窒化アルミニウム粒子、ウィスカー、結合材粒子のほかに、未反応の酸化アルミニウム粒子および／または窒化アルミニウム粒子を含む場合もある。ただし、上記条件下で作製された焼成体において、若干残留する酸化アルミニウム粒子および窒化アルミニウム粒子の含有量は、後述する焼結工程後においても、それぞれ０．１体積％以上２０体積％以下および、０．１体積％以上１０体積％以下の範囲内となるため、特に問題はない。
【００４３】
（粉砕物を形成する工程）
次に、形成された焼成体を粉砕して、粉砕物を形成する。形成された焼成体において、酸窒化アルミニウム粒子および結合材粒子は、それぞれ部分的に粒成長している場合があるため、本工程により、焼成体を均一な粉末に粉砕する。これにより、後述する焼結工程において、酸窒化アルミニウムと結合材とがより均一に混在する焼結体を作製することができる。粉砕は、乳鉢、ビーズミルなどを用いて行なうことができる。なお、各粉末の混合方式には乾式と湿式の何れの方式を用いてもよい。
【００４４】
（焼結する工程）
次に、形成された粉砕物をプレスして成形体を形成し、該成形体を１１００℃以上２５００℃以下、４０ＭＰａ以上２０ＧＰａ以下の条件下で焼結して、焼結体を作製する。たとえば、タンタル製などのカプセルに粉砕物を充填してプレス成形し、これを超高圧プレス機で焼結することによって、上述の焼結体を作製することができる。より好ましい条件は、１２００℃以上１９００℃以下、１ＧＰａ以上８ＧＰａ以下である。
【００４５】
以上の工程により、本実施形態に係る焼結体を製造することができる。本実施形態の製造方法によれば、酸窒化アルミニウム粒子を、結合材とウィスカーとで強固に結合することができるため、高い硬度と、高い靭性とを有し、耐摩耗性、耐欠損性の高い焼結体を製造することができる。また、当該焼結体からなる切削工具は、長寿命を有することができる。なお、焼結体をそのまま切削工具としてもよく、焼結体を所望の形状に仕上げ加工したものを切削工具としてもよい。
【００４６】
また、本実施形態に係る製造方法と、従来技術とを比較すると、特許文献２の焼結方法では、ホットプレスで焼結体を作製しているため、焼結体の内部にポア（空隙）が発生する傾向にある。これによって酸窒化アルミニウム粒子の結合力が不足するために、結果的に、切削工具用の材料として適切な焼結体を製造するに到っていないという問題がある。
【００４７】
これに対し、本実施形態では、超高圧プレス法で焼結体を製造するため、ポアの発生を効果的に抑制することができる。
【００４８】
＜第２の実施形態＞
≪焼結体≫
以下、本実施形態に係る焼結体について詳細に説明する。
【００４９】
本実施形態は、結合材に、さらに、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含む点で、第１の実施形態の焼結体と相違する。以下、第１の実施形態との相違点についてのみ説明し、第１の実施形態の焼結体と同一の構成については説明を繰り返さない。
【００５０】
結合材は、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、該遷移金属の炭化物、および該遷移金属のホウ化物から選択される少なくとも１種と、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含む。すなわち、本実施形態においては、結合材は混合物または固溶体である。
【００５１】
本実施形態において、焼結体に含まれる結合材が、第１の実施形態の構成に加えて、さらに、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含むことにより、さらに耐摩耗性、耐欠損性に優れた焼結体となる。特に、鉄系被削材に対する工具としてより優れた焼結体となる。この理由は、第４族元素の化合物は他の遷移金属の化合物よりも硬度および靭性が高いために、結果的に磨耗し難い焼結体を形成できるためと考えられる。
【００５２】
本発明者らは、とくに、結合材が、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属の窒化物と、第４族元素の遷移金属の窒化物とからなること、なかでも、第６族元素の遷移金属の窒化物と、第４族元素の遷移金属の窒化物とからなることが好ましいことを知見している。これは、耐摩耗性が高い第４族元素と、ウィスカーを形成し易い第６族元素との組み合わせであり、さらに各元素が互いの機能を阻害しないためと考えられる。
【００５３】
≪焼結体の製造方法≫
以下、本実施形態に係る焼結体の製造方法の一実施形態について説明する。
【００５４】
本実施形態は、準備する第３粉末が、第１の実施形態の第３粉末と異なる点で相違する。以下、第１の実施形態との相違点についてのみ説明し、第１の実施形態の製造方法と同一の工程については説明を繰り返さない。
【００５５】
（混合粉末を準備する工程）
酸窒化アルミニウムの原料となる第１粉末および第２粉末については、第１の実施形態と同様である。結合材の原料となる第３粉末としては、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種と、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種とからなる粉末である。
【００５６】
とくに、第３粉末が、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属の窒化物の粉末と、第４族元素の遷移金属の窒化物の粉末とからなること、なかでも、第６族元素の遷移金属の窒化物の粉末と、第４族元素の遷移金属の窒化物の粉末とからなることが好ましいことを知見している。これは、耐摩耗性が高い第４族元素と、ウィスカーを形成し易い第６族元素との組み合わせであり、さらに各元素が互いの機能を阻害しないためと考えられる。
【００５７】
各粉末の混合割合については、第１の実施形態と同様に、第１粉末と、第２粉末とのモル比（Ａｌ2Ｏ3／ＡｌＮ）が０．２５以上３以下となるように各粉末を混合する。また、第３粉末は、混合粉末における混合割合が２０体積％以上８０体積％以下となるように混合する。また、第３粉末の粒径が０．０１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましいことは、第１の実施形態と同様である。
【００５８】
本実施形態に係る焼結体の製造方法によれば、酸窒化アルミニウム粒子を、結合材とウィスカーとで強固に結合することができるため、高い硬度と、高い靭性とを有し、耐摩耗性、耐欠損性の高い焼結体を製造することができる。とくに、結合材が、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種と、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種とからなることにより、より耐摩耗性、耐欠損性の高い焼結体を得られることを実験より知見している。
【実施例】
【００５９】
以下に、本発明を実施例を用いて詳細に説明するが、これらの実施例は例示的なものであり、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。
【００６０】
（実施例１〜１８および比較例１〜４）
各実施例および比較例において、粒径が０．０１μｍの酸化アルミニウム（γ−アルミナ）粉末（第１粉末）と、粒径が０．１μｍの窒化アルミニウム粉末（第２粉末）と、粒径が４μｍのＣｒ2Ｎ粉末（第３粉末）とが、それぞれ下記表１に示す混合比となるように、ボールミルに添加した。そして、分散溶媒としてのエタノールをボールミルに添加して、これらを均一に混合した。なお、各粒子の粒径は、光散乱法により測定し、各粉末の体積は、各粉末の重量を測定し、各粉末の密度から換算した。そして、各粉末が均一に混合されて形成されたスラリーをバット内に均一に広げ、これを乾燥させることによって、混合粉末を準備した。
【００６１】
そして、乾燥させた混合粉末を窒化ホウ素製の容器に入れ、当該容器を加熱炉に入れて窒素雰囲気下において、表１に示す焼成条件に従って、焼成体を形成した。ここで、構造解析用に作製した焼成体の一部を採取し、ＳＥＭ−ＥＤＸによりその構造を解析した。その結果を図１および図２に示す。なお、図２は、図１の一部を拡大したものである。
【００６２】
図１および図２を参照し、焼成体中にはウィスカーが生成されており、また、そのウィスカーが六方晶の窒化アルミニウム結晶であることがわかった。
【００６３】
引き続き、各実施例および各比較例における焼成体をビーズミルを用いて粉砕し、形成された粉砕物をタンタル製のカプセルに充填し、超高圧プレス機を用いて、表１に示す焼結条件に従って焼結体を作製した。
【００６４】
作製された焼結体における酸窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ウィスカーおよび結合材の各体積％を、ＳＥＭ−ＥＤＸにより算出した。また、酸窒化アルミニウムにおける酸素と窒素のモル比（Ｏ／Ｎ）をＴＥＭ−ＥＤＸにより算出した。
【００６５】
さらに、各焼結体を、レーザにより切断して仕上げ加工し、先端ノーズＲ０．８ｍｍの切削工具を作製した。そして、以下の条件で、各切削工具における鋼（Ｓ４５Ｃ）の切削試験を行い、１ｋｍ切削後の各切削工具の逃げ面の磨耗量を測定した。
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ．
切込み量：０．２ｍｍ
送り量：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切削油：なし。
【００６６】
各実施例および各比較例における、原料組成（各粉末の体積％）、焼成条件および焼結条件を表１に示す。また、各実施例および各比較例において作製された焼結体の組成、および各焼結体を材料とする切削工具の上記切削試験後の逃げ面の磨耗量（μｍ）を表２に示す。また、比較例３および４として、超硬合金工具（組成：ＷＣ／Ｃｏ＝５０体積％／５０体積％）およびセラミック工具（組成：Ａｌ2Ｏ3／Ｙ2Ｏ3＝９５体積％／５体積％）を用いて、上記と同様の切削試験を行い、各工具の逃げ面の磨耗量を観察した結果も表２に示す。なお、表２において、酸窒化アルミニウムを「ＡｌＯＮ」と表記している。
【００６７】
【表１】
【００６８】
【表２】
【００６９】
実施例１〜１８および比較例１〜４を参照し、酸窒化アルミニウムを含む焼結体であって、結合材としてのＣｒ2Ｎおよび窒化アルミニウムのウィスカーを含み、さらに、酸窒化アルミニウムの含有量が２０体積％以上８０体積％以下である場合に、切削工具の磨耗量が低いことが分かった。切削工具の磨耗量が低い場合、切削工具の材料である焼結体が高い耐磨耗性、耐欠損性を有する、高硬度で高靭性であることが分かる。
【００７０】
また、実施例１〜１２および実施例１３、１４を比較し、焼結体におけるウィスカーの含有量が、１体積％以上３０体積％以下の場合に、切削工具の磨耗量がより低く、焼成体の上記特性が向上していることが分かった。また、実施例１〜１４および実施例１５、１６を比較し、焼結体における酸化アルミニウムの含有量が２０体積％以下であることが好ましく、窒化アルミニウム（ただし、ウィスカー形状のものを除く）の含有量が１５体積％以下が好ましく、１０体積％以下がより好ましいことが分かった。また、たとえば、実施例１〜１２および実施例１７、１８を参照し、上記焼結体において、酸窒化アルミニウムにおける酸素／窒素のモル比が３以上９以下である場合に、より切削工具の磨耗量が低いことが分かった。
【００７１】
（実施例１９〜３８）
実施例１９において、第３粉末として、表３に示すＣｒ2Ｎ、ＴｉＮを用いた以外は、実施例１と同様の方法によって焼結体を作製し、また、該焼結体を用いて切削工具を作製し、上記切削試験を行った。Ｃｒ2Ｎの粉末とＴｉＮの粉末とは、体積比が１：１となるように混合した。
【００７２】
実施例２０〜３８において、第３粉末として表３に示す各金属または各金属化合物を用いた以外は、実施例１と同様の方法によって焼結体を作製し、また、該焼結体を用いて切削工具を作製し、上記切削試験を行った。
【００７３】
各実施例１９〜３８における原料組成（各原料の体積％）、焼成条件および焼結条件を表３に示す。また、各実施例において作製された焼結体の組成、および各焼結体を材料とする切削工具の上記切削試験後の逃げ面の磨耗量（μｍ）を表４に示す。
【００７４】
【表３】
【００７５】
【表４】
【００７６】
表３および表４を参照し、表３に示す金属化合物を結合材の原料として用いた場合にも、実施例１〜１８と同様に、切削工具の上記切削試験後の逃げ面の磨耗量が低下することが分かった。なかでも、実施例１９において、磨耗量が顕著に低かった。
【００７７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明による焼結体は、切削工具に広く利用することができ、長距離に亘って、被削材の表面に平滑な切削表面を形成することができる。特に、硬度の高い被削材、耐熱合金からなる被削材、鉄系材料を含む被削材を切削するための切削工具に好適に利用することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は焼結体、焼結体の製造方法および切削工具に関し、特に、酸窒化アルミニウムを含有する工具用の焼結体、焼結体の製造方法および切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削加工などに用いられる切削工具の材料として、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）焼結体が広く知られている。アルミナ焼結体は、鉄系被削材との反応性が低く、ｃＢＮ焼結体よりも安価に製造することができるという点で優れているが、その靭性が低い傾向にあるために、アルミナ焼結体を切削工具として使用した場合に、切削工具が破損し易い傾向がある。このため、アルミナ焼結体においては、たとえば、炭化珪素ウィスカーでその構造を強化する方法が採用されている。
【０００３】
また、近年、アルミナ焼結体と類似した特性を有し、さらに、アルミナ焼結体よりも高い硬度と低い熱膨張係数を有する、酸窒化アルミニウム焼結体の利用が検討されている。酸窒化アルミニウム焼結体は、たとえば、Ａｌ23Ｏ27Ｎ5のような組成からなるスピネル型結晶構造を有しており、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとを用いて作製することができる。たとえば、米国特許第４２４１０００号明細書（特許文献１）には、酸化アルミニウムの粉末と窒化アルミニウムの粉末とを、非酸化性雰囲気下の１８００℃を超える温度において、超高圧で焼成させることによって、酸窒化アルミニウムを作製する方法が記載されている。
【０００４】
しかしながら、酸窒化アルミニウム焼結体においても、その靭性が低い傾向にあるために、工具用とするためには、アルミナ焼結体と同様に、結合材を加える必要がある。たとえば、特表２００７−５３３５９３号公報（特許文献２）には、ホットプレスを用いた焼結方法において、酸窒化アルミニウム焼結体を炭化珪素ウィスカーで強化する技術が開示されている。また、たとえば、特開平３−１８７９９８号公報（特許文献３）には、炭素粉末と、アルミニウムまたは酸化アルミニウムを混合したものを窒素雰囲気下で加熱することにより、窒化アルミニウムウィスカーを製造する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４２４１０００号明細書
【特許文献２】特表２００７−５３３５９３号公報
【特許文献３】特開平３−１８７９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２において、炭化珪素は鉄系被削材との反応性が高いために、炭化珪素ウィスカーを酸窒化アルミニウム焼結体の結合材として用いた場合、鉄系被削材を切削するための工具の材料に適さなくなるという問題がある。また、特許文献３に開示される方法で作製された窒化アルミニウムウィスカーには、残留炭素が存在し、また、これを完全に除去することが困難であるために、やはり、鉄系被削材を切削するための工具の材料に適さなくなるという問題がある。
【０００７】
換言すれば、従来の技術では、酸窒化アルミニウム焼結体に靭性を付加する一方で、鉄系被削材との反応性が低いという酸窒化アルミニウム焼結体の優れた特性を低下させることとなっており、酸窒化アルミニウム焼結体の特性を生かした、靭性の高い酸窒化アルミニウム焼結体、すなわち、耐摩耗性および耐欠損性の高い酸窒化アルミニウムを含む焼結体を提供することは実現できていなかった。
【０００８】
上記事情を鑑み、本発明は、酸窒化アルミニウムを含み、高い耐摩耗性および耐欠損性を有する焼結体、焼結体の製造方法および切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様は、酸窒化アルミニウムと、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含む結合材と、ウィスカーと、を含み、焼結体における酸窒化アルミニウムの含有量が２０体積％以上８０体積％以下である、焼結体である。
【００１０】
上記焼結体において、遷移金属は、バナジウム、クロム、モリブデン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅または亜鉛のいずれかであることが好ましい。
【００１１】
上記焼結体において、ウィスカーは、酸窒化アルミニウムを含むことが好ましい。
上記焼結体におけるウィスカーの含有量が１体積％以上３０体積％以下であることが好ましい。
【００１２】
上記焼結体において、酸窒化アルミニウム、結合材、およびウィスカーに加えさらに窒化アルミニウムを０．１体積％以上１０体積％以下含むことが好ましい。
【００１３】
上記焼結体において、酸化アルミニウムを０．１体積％以上２０体積％以下含むことが好ましい。
【００１４】
上記焼結体において、酸窒化アルミニウムにおける酸素／窒素のモル比が３以上９以下であることが好ましい。
【００１５】
上記焼結体において、結合材は、さらに、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。
【００１６】
本発明の第２の態様は、上記焼結体を用いた切削工具である。
本発明の第３の態様は、上記焼結体の製造方法であって、酸化アルミニウムからなる第１粉末、窒化アルミニウムからなる第２粉末、ならびに、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種からなる第３粉末を混合して混合粉末を作製する工程と、混合粉末を、窒素雰囲気下において、１６００℃以上２０００℃以下、１００Ｐａ以上１０ＭＰａ以下の条件で焼成して焼成体を形成する工程と、焼成体を粉砕して粉砕物を形成する工程と、粉砕物を成形して、１１００℃以上２５００℃以下、４０ＭＰａ以上２０ＧＰａ以下の条件で焼結させる工程と、を含み、混合粉末を準備する工程において、酸化アルミニウムの粉末と窒化アルミニウムの粉末とのモル混合比が０．２５以上３以下となるように調製される、焼結体の製造方法である。
【００１７】
上記焼結体の製造方法において、第３粉末は、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種からなる第４粉末を含有するが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、工具用の焼結体であって、高い耐摩耗性と耐欠損性とを有する焼結体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１における焼成体をＳＥＭで観察した結果を示す図である。
【図２】図１に示されるＳＥＭ画像の一部を拡大した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜第１の実施形態＞
≪焼結体≫
以下、本実施形態に係る焼結体について詳細に説明する。
【００２１】
本実施形態において、焼結体は、酸窒化アルミニウムと、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、該遷移金属の炭化物、および該遷移金属のホウ化物から選択される少なくとも１種を含む結合材と、ウィスカーと、を含み、焼結体における酸窒化アルミニウムの含有量が２０体積％以上８０体積％以下の焼結体である。
【００２２】
上記酸窒化アルミニウムは、Ａｌ(8+x)/3Ｏ4-xＮx（但し、０．４≦ｘ≦１）の組成で表される酸窒化アルミニウムからなる。焼結体において、酸窒化アルミニウムの粒子同士は結合していてもよいが、焼結体の靭性を向上させる観点からは、粒子同士が結合せずに、結合材によって酸窒化アルミニウムの粒子が強固に結合される構造であることが好ましい。すなわち、結合材の連続する結晶相中に酸窒化アルミニウム粒子が分散して存在する構造であることが好ましい。
【００２３】
焼結体における酸窒化アルミニウムの含有量が８０体積％以下の場合、酸窒化アルミニウムの粒子同士を結合を効果的に抑制して、結合材によって粒子同士を結合することができ、７０体積％以下の場合にさらに粒子同士の結合を効果的に抑制することができる。また、焼結体における酸窒化アルミニウムの含有量が２０体積％以上の場合、酸窒化アルミニウムによる焼結体の硬度を十分に維持することができ、また酸窒化アルミニウムの鉄系被削材との反応性の低さを維持することができ、４０体積％以上の場合にさらに効果的にこれらの特性を維持することができる。焼結体中の酸窒化アルミニウムの含有量は、たとえば、ＳＥＭ−ＥＤＸ(走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光）を用いて確認することができる。
【００２４】
上記結合材は、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、該遷移金属の炭化物、および該遷移金属のホウ化物から選択される少なくとも１種を含み、酸窒化アルミニウム粒子を強固に結合させることができる。とくに、本発明者らは、鋭意検討の結果、上記遷移金属の窒化物を用いた場合に、酸窒化アルミニウム粒子を強固に結合させることができることを知見している。
【００２５】
焼結体における結合材の含有量は、２０体積％以上８０体積％以下である。焼結体における結合材の含有量を２０体積％以上とすることにより、焼結体に十分な靭性を付加することができ、８０体積％以下とすることにより、酸窒化アルミニウムによる硬度を維持することができる。なお、焼結体における結合材の含有量は、ＳＥＭ−ＥＤＸ法を用いて確認することができる。
【００２６】
上記遷移金属は、周期表の第５族元素〜第１０族元素から選択される少なくとも１種の遷移金属である。なかでも、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）または亜鉛（Ｚｎ）から選択される遷移金属が好ましい。また、窒化物、炭化物、およびホウ化物とは、たとえば、金属がＣｒの場合、窒化クロム（Ｃｒ2Ｎ）、炭化クロム（Ｃｒ3Ｃ2）、およびホウ化クロム（ＣｒＢ2）を意味する。なお、結合材が遷移金属の窒化物、遷移金属の炭化物、および遷移金属のホウ化物から選択される２種以上から構成される場合、結合材は、混合物、または固溶体となる。
【００２７】
上記ウィスカーは、窒化アルミニウムの六方晶の結晶からなり、結合材と酸窒化アルミニウムとの結合をより強固にすることができる。焼結体におけるウィスカーの含有量は、１体積％以上３０体積％以下であることが好ましい。ウィスカーの含有量が１体積％以上であることにより、結合材と酸窒化アルミニウムとの結合をさらに強固にすることができ、３０体積％以下であることにより、酸窒化アルミニウムを含む焼結体の特性が、単純な窒化アルミニウムと類似となることに起因する靭性の低下を抑制することができる。
【００２８】
なお、後述する製造工程上、ウィスカーには、ウィスカー生成の触媒として作用する遷移金属が含まれる場合があるが、ウィスカーの特性が変化しない程度にこれらの遷移金属がウィスカーに含まれていても問題ない。具体的には、ウィスカーにおける５０体積％以上が窒化アルミニウムで構成されていればよい。
【００２９】
以上のように、本実施形態における焼結体は、酸窒化アルミニウム粒子が結合材によって結合されるだけでなく、さらに、窒化アルミニウムからなるウィスカーによって、より強固に結合される。このため、本実施形態における焼結体は、高い硬度と高い靭性とを有することができ、もって、高い耐磨耗性、高い耐欠損性を有することができる。また、従来のように、炭化珪素ウィスカーなどの鉄系被削材との反応性の高い結合材を用いていないため、鉄系被削材との反応性が低いという酸窒化アルミニウム焼結体の特性を生かした上で、靭性の高い酸窒化アルミニウム焼結体を提供することができる。また、この焼結体を切削工具などの工具の材料とすることにより、長寿命の切削工具を提供することができる。
【００３０】
また、酸窒化アルミニウムにおいて、酸素と窒素とのモル比（Ｏ／Ｎ）が３以上９以下であることが好ましい。本実施形態の酸窒化アルミニウムは、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）の粉末と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の粉末とを原料とするが、本発明者らは、後述する焼結体の製造方法において、これらの粉末を焼成することによって生成される酸窒化アルミニウムにおける酸素と窒素とのモル比が上記範囲内となる場合、焼結体中に不可避不純物として、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとが適切な濃度の範囲内で存在できる傾向にあることを知見している。なお、ここでの窒化アルミニウムとは、ウィスカーに加えさらに焼結体が含有する窒化アルミニウムのことを意味するため、ウィスカー形状を有する窒化アルミニウムとは異なる。これらは、ＴＥＭ観察および／またはＳＥＭ観察により区別することができる。
【００３１】
より具体的には、本実施形態の焼結体において、０．１体積％以上２０体積％以下の酸化アルミニウムが存在することが好ましい。これにより、高い硬度と高い靭性を維持したまま、さらに、焼結体の耐熱性を向上させることができる。これは、たとえば、高速切削時に切削工具の刃先などが高温になった場合であっても、焼結体に含まれる酸化アルミニウムのさらなる酸化が起こらないために、結果的に、焼結体の酸化が抑制されるためである。
【００３２】
また、本実施形態の焼結体において、０．１体積％以上１０体積％以下の窒化アルミニウムが存在することが好ましい。これにより、高い硬度と高い靭性を維持したまま、さらに、焼結体と被削材とのすべりを向上させることができる。これにより、当該焼結体を材料とする切削工具の逃げ面、およびすくい面の耐摩耗性を向上させることができ、もって、切削工具の寿命をさらに延ばすことができる。
【００３３】
なお、酸窒化アルミニウムにおける酸素と窒素とのモル比は、たとえば、ＴＥＭ−ＥＤＸ（透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光）を用いて確認することができ、焼結体における酸化アルミニウムおよび窒化アルミニウムの各含有量は、ＳＥＭ−ＥＤＸを用いて確認することができる。
【００３４】
≪焼結体の製造方法≫
以下、本実施形態に係る焼結体の製造方法の一実施形態について詳細に説明する。
【００３５】
（混合粉末を準備する工程）
まず、酸窒化アルミニウムの原料となる酸化アルミニウムの粉末（第１粉末）および窒化アルミニウムの粉末（第２粉末）と、結合材の原料となる金属および／または金属化合物の粉末（第３粉末）を準備し、これらを混合して混合粉末を作製する。
【００３６】
各粉末の混合割合については、第１粉末と、第２粉末とのモル比（Ａｌ2Ｏ3／ＡｌＮ）が０．２５以上３以下となるように各粉末を混合する。また、第３粉末は、混合粉末における混合割合が２０体積％以上８０体積％以下となるように混合する。
【００３７】
第１粉末において、酸化アルミニウムの結晶構造はα型、γ型、およびθ型のいずれの構造であってもよいが、γ型酸化アルミニウムは酸窒化アルミニウムと同じスピネル構造であり、容易に酸窒化アルミニウムに変換されるという観点から、γ型であることが好ましい。また、第１粉末および第２粉末は、それぞれ粒径が０．００５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。この場合、各粉末をより均一に混合することができ、また焼成によって生成される酸窒化アルミニウム粒子を小さくすることができるため、結果的に、焼結体の構造を緻密にすることができる。たとえば、各粉末を混合する前に、各粉末を乳鉢、ビーズミル、遊星ボールミルなどを用いて粉砕することによって、上記粒径の範囲内に各粉末を調製することができる。なお、本明細書において粒径とは、「平均粒子径」を意味し、ＢＥＴ比表面積法、光散乱法などにより算出することができる。
【００３８】
また、第３粉末は、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種からなる粉末である。第３粉末は、その粒径が０．０１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。この場合、各粉末をより均一に混合することができ、また焼成によって生成される結合材の構造を緻密にすることができる。特に、第３粉末として窒化物を用いた場合、構造の緻密な、磨耗し難い焼結体が製造され易い傾向にある。
【００３９】
各粉末の混合方式には乾式と湿式の何れの方式を用いてもよく、湿式の混合方式を用いた場合には、混合物の乾燥に際し、自然乾燥やスプレードライヤなどの乾燥方法を用いることが好ましい。
【００４０】
（焼成体を形成する工程）
次に、上記工程で作製された混合粉末を所定条件下で焼成することによって、焼成体を作製する。
【００４１】
本工程において、焼成は、窒素雰囲気下において、１６００℃以上２０００℃以下、１００Ｐａ以上１０ＭＰａ以下の条件で、３０分以上行なわれる。これにより、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムが焼成されて、酸窒化アルミニウムの粒子が生成されるとともに、第３粉末が触媒となることにより、窒化アルミニウムからなるウィスカーが生成される。さらに、焼成体には、第３粉末からなる結合材の原料となる結合材粒子が含まれる。なお、酸窒化アルミニウムの組成は、Ａｌ(8+x)/3Ｏ4-xＮx（但し、０．４≦ｘ≦１）となる。
【００４２】
また、本工程により作製された焼成体は、酸窒化アルミニウム粒子、ウィスカー、結合材粒子のほかに、未反応の酸化アルミニウム粒子および／または窒化アルミニウム粒子を含む場合もある。ただし、上記条件下で作製された焼成体において、若干残留する酸化アルミニウム粒子および窒化アルミニウム粒子の含有量は、後述する焼結工程後においても、それぞれ０．１体積％以上２０体積％以下および、０．１体積％以上１０体積％以下の範囲内となるため、特に問題はない。
【００４３】
（粉砕物を形成する工程）
次に、形成された焼成体を粉砕して、粉砕物を形成する。形成された焼成体において、酸窒化アルミニウム粒子および結合材粒子は、それぞれ部分的に粒成長している場合があるため、本工程により、焼成体を均一な粉末に粉砕する。これにより、後述する焼結工程において、酸窒化アルミニウムと結合材とがより均一に混在する焼結体を作製することができる。粉砕は、乳鉢、ビーズミルなどを用いて行なうことができる。なお、各粉末の混合方式には乾式と湿式の何れの方式を用いてもよい。
【００４４】
（焼結する工程）
次に、形成された粉砕物をプレスして成形体を形成し、該成形体を１１００℃以上２５００℃以下、４０ＭＰａ以上２０ＧＰａ以下の条件下で焼結して、焼結体を作製する。たとえば、タンタル製などのカプセルに粉砕物を充填してプレス成形し、これを超高圧プレス機で焼結することによって、上述の焼結体を作製することができる。より好ましい条件は、１２００℃以上１９００℃以下、１ＧＰａ以上８ＧＰａ以下である。
【００４５】
以上の工程により、本実施形態に係る焼結体を製造することができる。本実施形態の製造方法によれば、酸窒化アルミニウム粒子を、結合材とウィスカーとで強固に結合することができるため、高い硬度と、高い靭性とを有し、耐摩耗性、耐欠損性の高い焼結体を製造することができる。また、当該焼結体からなる切削工具は、長寿命を有することができる。なお、焼結体をそのまま切削工具としてもよく、焼結体を所望の形状に仕上げ加工したものを切削工具としてもよい。
【００４６】
また、本実施形態に係る製造方法と、従来技術とを比較すると、特許文献２の焼結方法では、ホットプレスで焼結体を作製しているため、焼結体の内部にポア（空隙）が発生する傾向にある。これによって酸窒化アルミニウム粒子の結合力が不足するために、結果的に、切削工具用の材料として適切な焼結体を製造するに到っていないという問題がある。
【００４７】
これに対し、本実施形態では、超高圧プレス法で焼結体を製造するため、ポアの発生を効果的に抑制することができる。
【００４８】
＜第２の実施形態＞
≪焼結体≫
以下、本実施形態に係る焼結体について詳細に説明する。
【００４９】
本実施形態は、結合材に、さらに、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含む点で、第１の実施形態の焼結体と相違する。以下、第１の実施形態との相違点についてのみ説明し、第１の実施形態の焼結体と同一の構成については説明を繰り返さない。
【００５０】
結合材は、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、該遷移金属の炭化物、および該遷移金属のホウ化物から選択される少なくとも１種と、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含む。すなわち、本実施形態においては、結合材は混合物または固溶体である。
【００５１】
本実施形態において、焼結体に含まれる結合材が、第１の実施形態の構成に加えて、さらに、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含むことにより、さらに耐摩耗性、耐欠損性に優れた焼結体となる。特に、鉄系被削材に対する工具としてより優れた焼結体となる。この理由は、第４族元素の化合物は他の遷移金属の化合物よりも硬度および靭性が高いために、結果的に磨耗し難い焼結体を形成できるためと考えられる。
【００５２】
本発明者らは、とくに、結合材が、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属の窒化物と、第４族元素の遷移金属の窒化物とからなること、なかでも、第６族元素の遷移金属の窒化物と、第４族元素の遷移金属の窒化物とからなることが好ましいことを知見している。これは、耐摩耗性が高い第４族元素と、ウィスカーを形成し易い第６族元素との組み合わせであり、さらに各元素が互いの機能を阻害しないためと考えられる。
【００５３】
≪焼結体の製造方法≫
以下、本実施形態に係る焼結体の製造方法の一実施形態について説明する。
【００５４】
本実施形態は、準備する第３粉末が、第１の実施形態の第３粉末と異なる点で相違する。以下、第１の実施形態との相違点についてのみ説明し、第１の実施形態の製造方法と同一の工程については説明を繰り返さない。
【００５５】
（混合粉末を準備する工程）
酸窒化アルミニウムの原料となる第１粉末および第２粉末については、第１の実施形態と同様である。結合材の原料となる第３粉末としては、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種と、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種とからなる粉末である。
【００５６】
とくに、第３粉末が、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属の窒化物の粉末と、第４族元素の遷移金属の窒化物の粉末とからなること、なかでも、第６族元素の遷移金属の窒化物の粉末と、第４族元素の遷移金属の窒化物の粉末とからなることが好ましいことを知見している。これは、耐摩耗性が高い第４族元素と、ウィスカーを形成し易い第６族元素との組み合わせであり、さらに各元素が互いの機能を阻害しないためと考えられる。
【００５７】
各粉末の混合割合については、第１の実施形態と同様に、第１粉末と、第２粉末とのモル比（Ａｌ2Ｏ3／ＡｌＮ）が０．２５以上３以下となるように各粉末を混合する。また、第３粉末は、混合粉末における混合割合が２０体積％以上８０体積％以下となるように混合する。また、第３粉末の粒径が０．０１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましいことは、第１の実施形態と同様である。
【００５８】
本実施形態に係る焼結体の製造方法によれば、酸窒化アルミニウム粒子を、結合材とウィスカーとで強固に結合することができるため、高い硬度と、高い靭性とを有し、耐摩耗性、耐欠損性の高い焼結体を製造することができる。とくに、結合材が、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種と、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種とからなることにより、より耐摩耗性、耐欠損性の高い焼結体を得られることを実験より知見している。
【実施例】
【００５９】
以下に、本発明を実施例を用いて詳細に説明するが、これらの実施例は例示的なものであり、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。
【００６０】
（実施例１〜１８および比較例１〜４）
各実施例および比較例において、粒径が０．０１μｍの酸化アルミニウム（γ−アルミナ）粉末（第１粉末）と、粒径が０．１μｍの窒化アルミニウム粉末（第２粉末）と、粒径が４μｍのＣｒ2Ｎ粉末（第３粉末）とが、それぞれ下記表１に示す混合比となるように、ボールミルに添加した。そして、分散溶媒としてのエタノールをボールミルに添加して、これらを均一に混合した。なお、各粒子の粒径は、光散乱法により測定し、各粉末の体積は、各粉末の重量を測定し、各粉末の密度から換算した。そして、各粉末が均一に混合されて形成されたスラリーをバット内に均一に広げ、これを乾燥させることによって、混合粉末を準備した。
【００６１】
そして、乾燥させた混合粉末を窒化ホウ素製の容器に入れ、当該容器を加熱炉に入れて窒素雰囲気下において、表１に示す焼成条件に従って、焼成体を形成した。ここで、構造解析用に作製した焼成体の一部を採取し、ＳＥＭ−ＥＤＸによりその構造を解析した。その結果を図１および図２に示す。なお、図２は、図１の一部を拡大したものである。
【００６２】
図１および図２を参照し、焼成体中にはウィスカーが生成されており、また、そのウィスカーが六方晶の窒化アルミニウム結晶であることがわかった。
【００６３】
引き続き、各実施例および各比較例における焼成体をビーズミルを用いて粉砕し、形成された粉砕物をタンタル製のカプセルに充填し、超高圧プレス機を用いて、表１に示す焼結条件に従って焼結体を作製した。
【００６４】
作製された焼結体における酸窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ウィスカーおよび結合材の各体積％を、ＳＥＭ−ＥＤＸにより算出した。また、酸窒化アルミニウムにおける酸素と窒素のモル比（Ｏ／Ｎ）をＴＥＭ−ＥＤＸにより算出した。
【００６５】
さらに、各焼結体を、レーザにより切断して仕上げ加工し、先端ノーズＲ０．８ｍｍの切削工具を作製した。そして、以下の条件で、各切削工具における鋼（Ｓ４５Ｃ）の切削試験を行い、１ｋｍ切削後の各切削工具の逃げ面の磨耗量を測定した。
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ．
切込み量：０．２ｍｍ
送り量：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切削油：なし。
【００６６】
各実施例および各比較例における、原料組成（各粉末の体積％）、焼成条件および焼結条件を表１に示す。また、各実施例および各比較例において作製された焼結体の組成、および各焼結体を材料とする切削工具の上記切削試験後の逃げ面の磨耗量（μｍ）を表２に示す。また、比較例３および４として、超硬合金工具（組成：ＷＣ／Ｃｏ＝５０体積％／５０体積％）およびセラミック工具（組成：Ａｌ2Ｏ3／Ｙ2Ｏ3＝９５体積％／５体積％）を用いて、上記と同様の切削試験を行い、各工具の逃げ面の磨耗量を観察した結果も表２に示す。なお、表２において、酸窒化アルミニウムを「ＡｌＯＮ」と表記している。
【００６７】
【表１】
【００６８】
【表２】
【００６９】
実施例１〜１８および比較例１〜４を参照し、酸窒化アルミニウムを含む焼結体であって、結合材としてのＣｒ2Ｎおよび窒化アルミニウムのウィスカーを含み、さらに、酸窒化アルミニウムの含有量が２０体積％以上８０体積％以下である場合に、切削工具の磨耗量が低いことが分かった。切削工具の磨耗量が低い場合、切削工具の材料である焼結体が高い耐磨耗性、耐欠損性を有する、高硬度で高靭性であることが分かる。
【００７０】
また、実施例１〜１２および実施例１３、１４を比較し、焼結体におけるウィスカーの含有量が、１体積％以上３０体積％以下の場合に、切削工具の磨耗量がより低く、焼成体の上記特性が向上していることが分かった。また、実施例１〜１４および実施例１５、１６を比較し、焼結体における酸化アルミニウムの含有量が２０体積％以下であることが好ましく、窒化アルミニウム（ただし、ウィスカー形状のものを除く）の含有量が１５体積％以下が好ましく、１０体積％以下がより好ましいことが分かった。また、たとえば、実施例１〜１２および実施例１７、１８を参照し、上記焼結体において、酸窒化アルミニウムにおける酸素／窒素のモル比が３以上９以下である場合に、より切削工具の磨耗量が低いことが分かった。
【００７１】
（実施例１９〜３８）
実施例１９において、第３粉末として、表３に示すＣｒ2Ｎ、ＴｉＮを用いた以外は、実施例１と同様の方法によって焼結体を作製し、また、該焼結体を用いて切削工具を作製し、上記切削試験を行った。Ｃｒ2Ｎの粉末とＴｉＮの粉末とは、体積比が１：１となるように混合した。
【００７２】
実施例２０〜３８において、第３粉末として表３に示す各金属または各金属化合物を用いた以外は、実施例１と同様の方法によって焼結体を作製し、また、該焼結体を用いて切削工具を作製し、上記切削試験を行った。
【００７３】
各実施例１９〜３８における原料組成（各原料の体積％）、焼成条件および焼結条件を表３に示す。また、各実施例において作製された焼結体の組成、および各焼結体を材料とする切削工具の上記切削試験後の逃げ面の磨耗量（μｍ）を表４に示す。
【００７４】
【表３】
【００７５】
【表４】
【００７６】
表３および表４を参照し、表３に示す金属化合物を結合材の原料として用いた場合にも、実施例１〜１８と同様に、切削工具の上記切削試験後の逃げ面の磨耗量が低下することが分かった。なかでも、実施例１９において、磨耗量が顕著に低かった。
【００７７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明による焼結体は、切削工具に広く利用することができ、長距離に亘って、被削材の表面に平滑な切削表面を形成することができる。特に、硬度の高い被削材、耐熱合金からなる被削材、鉄系材料を含む被削材を切削するための切削工具に好適に利用することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸窒化アルミニウムと、
第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含む結合材と、
ウィスカーと、を含み、
前記焼結体における前記酸窒化アルミニウムの含有量が２０体積％以上８０体積％以下である、焼結体。
【請求項２】
前記遷移金属は、バナジウム、クロム、モリブデン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅または亜鉛のいずれかである、請求項１に記載の焼結体。
【請求項３】
前記ウィスカーは、窒化アルミニウムを含む、請求項１または２に記載の焼結体。
【請求項４】
前記焼結体における前記ウィスカーの含有量が１体積％以上３０体積％以下である、請求項１または２に記載の焼結体。
【請求項５】
前記酸窒化アルミニウム、前記結合材、および前記ウィスカーに加えさらに窒化アルミニウムを０．１体積％以上１０体積％以下含む、請求項１または２に記載の焼結体。
【請求項６】
酸化アルミニウムを０．１体積％以上２０体積％以下含む、請求項１から３のいずれかに記載の焼結体。
【請求項７】
前記酸窒化アルミニウムにおける酸素／窒素のモル比が３以上９以下である、請求項１から４のいずれかに記載の焼結体。
【請求項８】
前記結合材は、さらに、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含む、請求項１から７のいずれかに記載の焼結体。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の焼結体を用いた切削工具。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれかに記載の焼結体の製造方法であって、
酸化アルミニウムからなる第１粉末、窒化アルミニウムからなる第２粉末、ならびに、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種からなる第３粉末を混合して混合粉末を作製する工程と、
前記混合粉末を、窒素雰囲気下において、１６００℃以上２０００℃以下、１００Ｐａ以上１０ＭＰａ以下の条件で３０分以上焼成して焼成体を形成する工程と、
前記焼成体を粉砕して粉砕物を形成する工程と、
前記粉砕物を成形して、１１００℃以上２５００℃以下、４０ＭＰａ以上２０ＧＰａ以下の条件で焼結させる工程と、を含み、
前記混合粉末を準備する工程において、前記酸化アルミニウムの粉末と前記窒化アルミニウムの粉末とのモル混合比が０．２５以上３以下となるように調製される、焼結体の製造方法。
【請求項１１】
前記第３粉末は、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種からなる第４粉末を含有する、請求項１０に記載の焼結体の製造方法。
【請求項１】
酸窒化アルミニウムと、
第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含む結合材と、
ウィスカーと、を含み、
前記焼結体における前記酸窒化アルミニウムの含有量が２０体積％以上８０体積％以下である、焼結体。
【請求項２】
前記遷移金属は、バナジウム、クロム、モリブデン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅または亜鉛のいずれかである、請求項１に記載の焼結体。
【請求項３】
前記ウィスカーは、窒化アルミニウムを含む、請求項１または２に記載の焼結体。
【請求項４】
前記焼結体における前記ウィスカーの含有量が１体積％以上３０体積％以下である、請求項１または２に記載の焼結体。
【請求項５】
前記酸窒化アルミニウム、前記結合材、および前記ウィスカーに加えさらに窒化アルミニウムを０．１体積％以上１０体積％以下含む、請求項１または２に記載の焼結体。
【請求項６】
酸化アルミニウムを０．１体積％以上２０体積％以下含む、請求項１から３のいずれかに記載の焼結体。
【請求項７】
前記酸窒化アルミニウムにおける酸素／窒素のモル比が３以上９以下である、請求項１から４のいずれかに記載の焼結体。
【請求項８】
前記結合材は、さらに、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物、およびホウ化物から選択される少なくとも１種を含む、請求項１から７のいずれかに記載の焼結体。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の焼結体を用いた切削工具。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれかに記載の焼結体の製造方法であって、
酸化アルミニウムからなる第１粉末、窒化アルミニウムからなる第２粉末、ならびに、第５族元素〜第１０族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種からなる第３粉末を混合して混合粉末を作製する工程と、
前記混合粉末を、窒素雰囲気下において、１６００℃以上２０００℃以下、１００Ｐａ以上１０ＭＰａ以下の条件で３０分以上焼成して焼成体を形成する工程と、
前記焼成体を粉砕して粉砕物を形成する工程と、
前記粉砕物を成形して、１１００℃以上２５００℃以下、４０ＭＰａ以上２０ＧＰａ以下の条件で焼結させる工程と、を含み、
前記混合粉末を準備する工程において、前記酸化アルミニウムの粉末と前記窒化アルミニウムの粉末とのモル混合比が０．２５以上３以下となるように調製される、焼結体の製造方法。
【請求項１１】
前記第３粉末は、第４族元素の遷移金属、該遷移金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種からなる第４粉末を含有する、請求項１０に記載の焼結体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−６０３１６（Ｐ２０１３−６０３１６Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９８２３３（Ｐ２０１１−１９８２３３）
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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