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、酸窒化アルミニウムを含む焼結体を提供する。
【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、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種の金属化合物からなる結合材と、を含む。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％以下であり、金属は、第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属であり、結合材はアルミニウムを含有する。
【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、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種の金属化合物からなる結合材と、を含む。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％以下であり、金属は、第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属であり、結合材はアルミニウムを含有する。
【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、たとえば、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結体が知られている。ｃＢＮ焼結体はその硬度が高いため、焼入れ鋼、鋳鉄のような高硬度の被削材の切削に広く用いられている。一般的に、ｃＢＮ焼結体には、第４族元素〜第６族元素の金属からなる窒化物、炭窒化物などの金属化合物が結合材として含まれている。このような結合材は鉄系被削材との反応性が低く、また、ｃＢＮ結晶粒子を強固に結合することができるため、ｃＢＮ焼結体の特性を低下させることなく、その強度を向上させることができる。
【０００３】
一方、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）焼結体もまた、切削工具として広く用いられているセラミックである。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。さらに、アルミナと上記金属化合物との反応性が低いために、結合材として上記金属化合物を採用することは困難である。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。
【０００４】
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。
【０００５】
上記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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、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。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は実現できていないのが実情である。
【０００８】
また、特許文献２の焼結方法では、３０ＭＰａ程度のホットプレス焼結法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。
【０００９】
ホットプレス焼結法のかわりに数ＧＰａ程度の超高圧焼結法を行なうことによって、焼結体中のポアが消失し、もって、結合力の高い焼結体が得られることが一般的に知られているが、本発明者らが上記超高圧焼結法を検討したところ、酸窒化アルミニウムについては、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムに分解されることが分かった。本発明者は、これが酸窒化アルミニウムが準安定相であることに起因するものと推定した。酸窒化アルミニウムが分解されることによって生成される窒化アルミニウムは六方晶であってその硬度は低いため、結果的に、生成される焼結体の硬度は低くなるという問題が生じる。
【００１０】
上記事情を鑑み、本発明は、酸窒化アルミニウムを含み、高い靭性を有する焼結体、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】
【００１１】
本発明の第１の態様は、酸窒化アルミニウムと、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種の金属化合物からなる結合材と、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％以下であり、金属は、第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属であり、結合材はアルミニウムを含有する、焼結体である。なお、本明細書において、金属とは、遷移金属を意味する。
【００１２】
上記焼結体において、結合材は、該結合材の表面から少なくとも１００ｎｍの深さにおいて、アルミニウムを０．０１原子％以上５原子％以下の濃度で含有することが好ましい。
【００１３】
上記焼結体において、上記結合材の表面は、酸窒化アルミニウムと接する面であることが好ましい。
【００１４】
上記焼結体において、結合材は、２種以上の金属化合物からなる混合物または固溶体であることが好ましい。
【００１５】
上記焼結体において、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、酸化アルミニウムの粉末、窒化アルミニウムの粉末、ならびに、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種の金属化合物の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０．５以上３以下となるように調製され、金属は、第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属である、焼結体の製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、工具用の焼結体であって、高い硬度と高い靭性とを有する、酸窒化アルミニウム焼結体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１の焼結体をＸＲＤで分析した結果を示すグラフである。
【図２】実施例１の焼結体のＴＥＭ画像である。
【図３】実施例１の焼結体のＴＥＭ−ＥＤＸによる元素分析の結果を示すグラフである。
【図４】図３の一部を拡大した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜焼結体＞
以下、本発明の工具用の焼結体の一実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
本実施形態において、焼結体は、酸窒化アルミニウムと、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種の金属化合物からなる結合材と、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％以下であり、金属は、第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属であり、結合材はアルミニウムを含有する、焼結体である。
【００２３】
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。
【００２４】
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同士が強固に結合されることによる、連続した結合相中に粒子が分散して存在する構造であることが好ましい。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）法を用いて確認することができる。
【００２５】
上記結合材は、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種の金属化合物からなる。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】
上記金属化合物を構成する金属は、周期表の第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属である。具体的には、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、およびタングステン（Ｗ）から選択される少なくとも１種の金属である。また、これらの窒化物は、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、窒化バナジウム（ＶＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化クロム（Ｃｒ2Ｎ）、窒化モリブデン（ＭｏＮ）、および窒化タングステン（ＷＮ）である。これらの炭化物は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化クロム（Ｃｒ3Ｃ2）、炭化モリブデン（Ｍｏ2Ｃ）、炭化タングステン（ＷＣ）、ホウ化チタン（ＴｉＢ2）、ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ2）、ホウ化ハフニウム（ＨｆＢ2）、ホウ化バナジウム（ＶＢ2）、ホウ化ニオブ（ＮｂＢ2）、ホウ化タンタル（ＴａＢ2）、ホウ化クロム（ＣｒＢ2）、ホウ化モリブデン（ＭｏＢ）、およびホウ化タングステン（ＷＢ）である。なお、結合材が上記列挙される金属窒化物、金属炭化物、および金属ホウ化物から選択される２種以上の金属化合物から構成される場合、結合材は、２種以上の金属化合物の混合物、または２種以上の金属化合物の固溶体となる。
【００２７】
上記のような金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種の金属化合物からなる結合材は、酸窒化アルミニウム粒子同士を強固に結合させることができる。特に、本発明において、結合材はアルミニウムを含有している。このアルミニウムは、結合材と接する酸窒化アルミニウム粒子中のアルミニウムが結合材中に拡散されたものである。本発明者らは、結合材がこのような構成を有する場合に、この焼結体の耐摩耗性が顕著に向上する、すなわち、焼結体の硬度を維持したまま、その靭性が顕著に向上することを実験により知見している。この理由は明らかではないが、結合材にアルミニウムが拡散されることにより、結合材と酸窒化アルミニウムとの結合が強固になるためと考えられる。
【００２８】
また、結合材は、該結合材の酸窒化アルミニウムと接する表面から少なくとも１００ｎｍの深さにおいて、前記アルミニウムを０．０１原子％以上５％原子％以下の濃度で含有することが好ましいことを知見している。この理由は明らかではないが、上記濃度範囲のアルミニウムが結合材の表面から１００ｎｍの深さにまで拡散される場合に、酸窒化アルミニウムと結合材との界面における結合力が特に高くになるためと考えられる。結合材におけるアルミニウムの含有量およびその拡散位置（表面からの深さ）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）法を用いて確認することができる。
【００２９】
以上のように、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、結果的に、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。高い硬度と高い靭性を有する焼結体を切削工具の材料とすることにより、たとえば、耐摩耗性、耐欠損性などの高い切削工具を得ることができ、もって、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で存在できることを知見している。
【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法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法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、本発明の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。本実施形態では、超高圧焼結法を用いて、焼結体を作製する方法について説明する。
【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粉末および窒化アルミニウム粉末と、結合材の原料となる金属化合物粉末を準備し、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、酸化アルミニウム粉末と、窒化アルミニウム粉末とのモル比（Ａｌ2Ｏ3／ＡｌＮ）が０．５以上３以下となるように各粉末を混合する。また、金属化合物粉末は、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】
酸化アルミニウム粉末において、その結晶構造は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ため、γ型であることが好ましい。また、酸化アルミニウム粉末および窒化アルミニウム粉末は、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。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。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。
【００３８】
また、金属化合物粉末は、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種の金属化合物の粉末であり、金属は、第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属である。その具体的な組成は、上記に列挙した通りである。金属化合物粉末は、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。
【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が生成されるとともに、金属化合物中には、アルミニウムが拡散される。金属化合物中にアルミニウムが拡散されることにより、酸窒化アルミニウムの結晶中には、十分な空孔が存在することができる。たとえば、金属化合物の粒子の表面から少なくとも１００ｎｍの深さにおいて、０．０１原子％以上５原子％以下の濃度範囲でアルミニウムが拡散されていることが好ましい。
【００４２】
本工程により作製された焼成体は、酸窒化アルミニウムと、金属化合物とを含み、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。また、未反応の酸化アルミニウムおよび／または窒化アルミニウムを含む場合もある。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および窒化アルミニウムの含有量は、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および金属化合物は、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金属化合物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、上述の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、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。本実施形態の焼結体が、高い硬度と高い靭性とを有することができる理由を以下に詳述する。
【００４６】
本発明者らは、酸窒化アルミニウム粉末と、金属化合物粉末とを混合して、上記のような超高圧焼結法で焼結体を作製した場合、酸窒化アルミニウムが酸化アルミニウムと窒化アルミニウムに分解されてしまうことを知見した。これは、酸窒化アルミニウムのスピネル型結晶構造において、２４固の陽イオンサイトのうち１個が空孔となっていることからも分かるように、酸窒化アルミニウムの結晶構造を維持するためには、結晶構造中に空孔（原子が存在していないサイト）が存在していることが必要であるが、超高圧条件下では、原子の移動により局所的に空孔が不足する領域が発生するために、酸窒化アルミニウムが、熱力学的により安定な酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとに分解されるためである。
【００４７】
これに対し、本実施形態によれば、焼成体を形成する工程において、結合材の原料となる金属化合物中にアルミニウムが拡散することによって、酸窒化アルミニウムの結晶中には十分な空孔が存在することができる。このため、上記焼結する工程において、酸窒化アルミニウムの分解が効果的に抑制されるため、高硬度のスピネル型結晶構造を維持することができる。
【００４８】
さらに、結合材中にアルミニウムが拡散されていることにより、酸窒化アルミニウムと結合材との界面の結合力がより強固になるため、焼結体は、さらに高い硬度と靭性とを有することができる。
【００４９】
特に、本発明者らは、焼結体において、金属化合物の粒子の表面から少なくとも１００ｎｍの深さにおいて、０．０１原子％以上５原子％以下の濃度範囲でアルミニウムが含有されていることにより、酸窒化アルミニウムと結合材との界面の結合力がさらに強固になることを検討により知見している。上記金属化合物の粒子の表面とは、酸窒化アルミニウムの結晶と接する面であって、上記焼結体は、換言すれば、金属化合物の酸窒化アルミニウムの結晶と接する面において、少なくとも１００ｎｍの深さにまで、アルミニウムが拡散されていることになる。
【００５０】
また、製造された焼結体において、酸窒化アルミニウムの含有量は２０体積％以上８０体積％以下となるため、酸窒化アルミニウムの存在による焼結体の硬度と、結合材の存在による焼結体の靭性とを有することができる。さらに、窒化アルミニウムが０．０１体積％以上１０体積％以下存在するように、および／または酸化アルミニウムが０．１体積％以上２０体積％以下存在するように、焼成工程を調製することにより、耐摩耗性、耐熱性をさらに高めることができる。
【実施例】
【００５１】
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。
【００５２】
（実施例１〜１２および比較例１〜８）
各実施例において、粒径が０．０１μｍの酸化アルミニウム（γ−アルミナ）粉末と、粒径が１μｍの窒化アルミニウム粉末と、粒径が０．１μｍの金属化合物粉末（ＴｉＮ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。
【００５３】
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。形成された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。
【００５４】
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、および結合材の各体積％を、ＳＥＭ−ＥＤＸ法により算出した。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）、および結合材におけるアルミニウムの拡散濃度（原子％）を算出した。なお、結合材におけるアルミニウムの拡散濃度は、結合材と酸窒化アルミニウムとの界面から深さ１００ｎｍ近傍の位置におけるアルミニウムの濃度をＴＥＭ−ＥＤＸ法により測定することによって算出した。
【００５５】
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
各実施例および各比較例における、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、結合材におけるアルミニウムの拡散濃度（原子％）、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９および１０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。
【００５６】
【表１】
【００５７】
【表２】
【００５８】
実施例１〜５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、酸窒化アルミニウムの含有量が２０体積％以上８０体積％以下であり、結合材であるＴｉＮにおけるアルミニウムの拡散量が深さ１００ｎｍの位置において０．０１原子％以上５原子％以下の場合に、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。
【００５９】
実施例１の焼結体をＸ線回折（ＸＲＤ）で分析した結果を図１に示す。すなわち、図１には、実施例１の焼結体の組成であって、ＸＲＤで観察された酸窒化アルミニウムと窒化チタンの結晶性が示されている。図１のグラフの縦軸は強度（ａ．ｕ．）を示しており、横軸は２θ（度）を示している。また、実施例１の焼結体のＴＥＭ画像を図２に示す。図２において、黒く見える部分が酸窒化アルミニウム結晶相であり、白く見える部分がＴｉＮ結晶相である。
【００６０】
図１および図２に示されるように、焼結体において、酸窒化アルミニウムと、ＴｉＮとが均一に混在していることがわかった。特に、図２より、酸窒化アルミニウムの粒子の間に、ＴｉＮの粒子が存在していることがわかった。これらの結果から、実施例１の焼結体において、酸窒化アルミニウムの粒子同士を結合材によって結合することにより、酸窒化アルミニウムの粒子同士の結合を効果的に抑制できており、もって、靭性の高い焼結体となることができるものと考えられる。
【００６１】
また、実施例１の焼結体のＴＥＭ−ＥＤＸによる元素分析の結果を図３および図４に示す。図３のグラフの縦軸は元素濃度（原子％）を示しており、横軸は焼結体の表面からの距離（ｎｍ）を示している。図４は、図３の一部を拡大した結果を示すグラフである。
【００６２】
図３および図４において、アルミニウムが高濃度で連続して存在している箇所は、酸窒化アルミニウム粒子が存在している箇所に相当し、チタンが高濃度で連続して存在している箇所は、ＴｉＮが存在している箇所に相当する。図３および図４に示されるように、酸窒化アルミニウムとＴｉＮの界面部分において、アルミニウムとチタンが混在している領域があることが分かる。すなわち、ＴｉＮ粒子の表面からある程度の深さ（図４を参照すれば、３００ｎｍ程度）までアルミニウムが拡散されていることが分かった。
【００６３】
また、たとえば、実施例６〜１０および比較例５，６を参照し、上記焼結体において、酸化アルミニウムが含有されており、該酸化アルミニウムの含有量が２０体積％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。また、上記焼結体において、窒化アルミニウムが含有されており、該窒化アルミニウムの含有量が１０体積％以下である場合に、より切削工具の磨耗量が低いことも分かった。
【００６４】
また、たとえば、実施例１１，１２および比較例７，８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。
【００６５】
（実施例１３〜３８）
実施例１３〜３８において、金属化合物として、表３に示す金属化合物を用いた以外は、実施例１と同様の方法により、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。各実施例における原料組成（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、結合材におけるアルミニウムの拡散濃度（原子％）、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。
【００６６】
【表３】
【００６７】
【表４】
【００６８】
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１〜１２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。
【００６９】
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】
【００７０】
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、たとえば、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結体が知られている。ｃＢＮ焼結体はその硬度が高いため、焼入れ鋼、鋳鉄のような高硬度の被削材の切削に広く用いられている。一般的に、ｃＢＮ焼結体には、第４族元素〜第６族元素の金属からなる窒化物、炭窒化物などの金属化合物が結合材として含まれている。このような結合材は鉄系被削材との反応性が低く、また、ｃＢＮ結晶粒子を強固に結合することができるため、ｃＢＮ焼結体の特性を低下させることなく、その強度を向上させることができる。
【０００３】
一方、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）焼結体もまた、切削工具として広く用いられているセラミックである。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。さらに、アルミナと上記金属化合物との反応性が低いために、結合材として上記金属化合物を採用することは困難である。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。
【０００４】
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。
【０００５】
上記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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、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。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は実現できていないのが実情である。
【０００８】
また、特許文献２の焼結方法では、３０ＭＰａ程度のホットプレス焼結法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。
【０００９】
ホットプレス焼結法のかわりに数ＧＰａ程度の超高圧焼結法を行なうことによって、焼結体中のポアが消失し、もって、結合力の高い焼結体が得られることが一般的に知られているが、本発明者らが上記超高圧焼結法を検討したところ、酸窒化アルミニウムについては、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムに分解されることが分かった。本発明者は、これが酸窒化アルミニウムが準安定相であることに起因するものと推定した。酸窒化アルミニウムが分解されることによって生成される窒化アルミニウムは六方晶であってその硬度は低いため、結果的に、生成される焼結体の硬度は低くなるという問題が生じる。
【００１０】
上記事情を鑑み、本発明は、酸窒化アルミニウムを含み、高い靭性を有する焼結体、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】
【００１１】
本発明の第１の態様は、酸窒化アルミニウムと、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種の金属化合物からなる結合材と、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％以下であり、金属は、第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属であり、結合材はアルミニウムを含有する、焼結体である。なお、本明細書において、金属とは、遷移金属を意味する。
【００１２】
上記焼結体において、結合材は、該結合材の表面から少なくとも１００ｎｍの深さにおいて、アルミニウムを０．０１原子％以上５原子％以下の濃度で含有することが好ましい。
【００１３】
上記焼結体において、上記結合材の表面は、酸窒化アルミニウムと接する面であることが好ましい。
【００１４】
上記焼結体において、結合材は、２種以上の金属化合物からなる混合物または固溶体であることが好ましい。
【００１５】
上記焼結体において、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、酸化アルミニウムの粉末、窒化アルミニウムの粉末、ならびに、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種の金属化合物の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０．５以上３以下となるように調製され、金属は、第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属である、焼結体の製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、工具用の焼結体であって、高い硬度と高い靭性とを有する、酸窒化アルミニウム焼結体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１の焼結体をＸＲＤで分析した結果を示すグラフである。
【図２】実施例１の焼結体のＴＥＭ画像である。
【図３】実施例１の焼結体のＴＥＭ−ＥＤＸによる元素分析の結果を示すグラフである。
【図４】図３の一部を拡大した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜焼結体＞
以下、本発明の工具用の焼結体の一実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
本実施形態において、焼結体は、酸窒化アルミニウムと、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種の金属化合物からなる結合材と、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％以下であり、金属は、第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属であり、結合材はアルミニウムを含有する、焼結体である。
【００２３】
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。
【００２４】
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同士が強固に結合されることによる、連続した結合相中に粒子が分散して存在する構造であることが好ましい。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）法を用いて確認することができる。
【００２５】
上記結合材は、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種の金属化合物からなる。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】
上記金属化合物を構成する金属は、周期表の第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属である。具体的には、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、およびタングステン（Ｗ）から選択される少なくとも１種の金属である。また、これらの窒化物は、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、窒化バナジウム（ＶＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化クロム（Ｃｒ2Ｎ）、窒化モリブデン（ＭｏＮ）、および窒化タングステン（ＷＮ）である。これらの炭化物は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化クロム（Ｃｒ3Ｃ2）、炭化モリブデン（Ｍｏ2Ｃ）、炭化タングステン（ＷＣ）、ホウ化チタン（ＴｉＢ2）、ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ2）、ホウ化ハフニウム（ＨｆＢ2）、ホウ化バナジウム（ＶＢ2）、ホウ化ニオブ（ＮｂＢ2）、ホウ化タンタル（ＴａＢ2）、ホウ化クロム（ＣｒＢ2）、ホウ化モリブデン（ＭｏＢ）、およびホウ化タングステン（ＷＢ）である。なお、結合材が上記列挙される金属窒化物、金属炭化物、および金属ホウ化物から選択される２種以上の金属化合物から構成される場合、結合材は、２種以上の金属化合物の混合物、または２種以上の金属化合物の固溶体となる。
【００２７】
上記のような金属の窒化物、炭化物およびホウ化物から選択される少なくとも１種の金属化合物からなる結合材は、酸窒化アルミニウム粒子同士を強固に結合させることができる。特に、本発明において、結合材はアルミニウムを含有している。このアルミニウムは、結合材と接する酸窒化アルミニウム粒子中のアルミニウムが結合材中に拡散されたものである。本発明者らは、結合材がこのような構成を有する場合に、この焼結体の耐摩耗性が顕著に向上する、すなわち、焼結体の硬度を維持したまま、その靭性が顕著に向上することを実験により知見している。この理由は明らかではないが、結合材にアルミニウムが拡散されることにより、結合材と酸窒化アルミニウムとの結合が強固になるためと考えられる。
【００２８】
また、結合材は、該結合材の酸窒化アルミニウムと接する表面から少なくとも１００ｎｍの深さにおいて、前記アルミニウムを０．０１原子％以上５％原子％以下の濃度で含有することが好ましいことを知見している。この理由は明らかではないが、上記濃度範囲のアルミニウムが結合材の表面から１００ｎｍの深さにまで拡散される場合に、酸窒化アルミニウムと結合材との界面における結合力が特に高くになるためと考えられる。結合材におけるアルミニウムの含有量およびその拡散位置（表面からの深さ）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）法を用いて確認することができる。
【００２９】
以上のように、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、結果的に、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。高い硬度と高い靭性を有する焼結体を切削工具の材料とすることにより、たとえば、耐摩耗性、耐欠損性などの高い切削工具を得ることができ、もって、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で存在できることを知見している。
【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法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法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、本発明の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。本実施形態では、超高圧焼結法を用いて、焼結体を作製する方法について説明する。
【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粉末および窒化アルミニウム粉末と、結合材の原料となる金属化合物粉末を準備し、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、酸化アルミニウム粉末と、窒化アルミニウム粉末とのモル比（Ａｌ2Ｏ3／ＡｌＮ）が０．５以上３以下となるように各粉末を混合する。また、金属化合物粉末は、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】
酸化アルミニウム粉末において、その結晶構造は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ため、γ型であることが好ましい。また、酸化アルミニウム粉末および窒化アルミニウム粉末は、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。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。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。
【００３８】
また、金属化合物粉末は、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種の金属化合物の粉末であり、金属は、第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属である。その具体的な組成は、上記に列挙した通りである。金属化合物粉末は、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。
【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が生成されるとともに、金属化合物中には、アルミニウムが拡散される。金属化合物中にアルミニウムが拡散されることにより、酸窒化アルミニウムの結晶中には、十分な空孔が存在することができる。たとえば、金属化合物の粒子の表面から少なくとも１００ｎｍの深さにおいて、０．０１原子％以上５原子％以下の濃度範囲でアルミニウムが拡散されていることが好ましい。
【００４２】
本工程により作製された焼成体は、酸窒化アルミニウムと、金属化合物とを含み、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。また、未反応の酸化アルミニウムおよび／または窒化アルミニウムを含む場合もある。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および窒化アルミニウムの含有量は、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および金属化合物は、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金属化合物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、上述の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、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。本実施形態の焼結体が、高い硬度と高い靭性とを有することができる理由を以下に詳述する。
【００４６】
本発明者らは、酸窒化アルミニウム粉末と、金属化合物粉末とを混合して、上記のような超高圧焼結法で焼結体を作製した場合、酸窒化アルミニウムが酸化アルミニウムと窒化アルミニウムに分解されてしまうことを知見した。これは、酸窒化アルミニウムのスピネル型結晶構造において、２４固の陽イオンサイトのうち１個が空孔となっていることからも分かるように、酸窒化アルミニウムの結晶構造を維持するためには、結晶構造中に空孔（原子が存在していないサイト）が存在していることが必要であるが、超高圧条件下では、原子の移動により局所的に空孔が不足する領域が発生するために、酸窒化アルミニウムが、熱力学的により安定な酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとに分解されるためである。
【００４７】
これに対し、本実施形態によれば、焼成体を形成する工程において、結合材の原料となる金属化合物中にアルミニウムが拡散することによって、酸窒化アルミニウムの結晶中には十分な空孔が存在することができる。このため、上記焼結する工程において、酸窒化アルミニウムの分解が効果的に抑制されるため、高硬度のスピネル型結晶構造を維持することができる。
【００４８】
さらに、結合材中にアルミニウムが拡散されていることにより、酸窒化アルミニウムと結合材との界面の結合力がより強固になるため、焼結体は、さらに高い硬度と靭性とを有することができる。
【００４９】
特に、本発明者らは、焼結体において、金属化合物の粒子の表面から少なくとも１００ｎｍの深さにおいて、０．０１原子％以上５原子％以下の濃度範囲でアルミニウムが含有されていることにより、酸窒化アルミニウムと結合材との界面の結合力がさらに強固になることを検討により知見している。上記金属化合物の粒子の表面とは、酸窒化アルミニウムの結晶と接する面であって、上記焼結体は、換言すれば、金属化合物の酸窒化アルミニウムの結晶と接する面において、少なくとも１００ｎｍの深さにまで、アルミニウムが拡散されていることになる。
【００５０】
また、製造された焼結体において、酸窒化アルミニウムの含有量は２０体積％以上８０体積％以下となるため、酸窒化アルミニウムの存在による焼結体の硬度と、結合材の存在による焼結体の靭性とを有することができる。さらに、窒化アルミニウムが０．０１体積％以上１０体積％以下存在するように、および／または酸化アルミニウムが０．１体積％以上２０体積％以下存在するように、焼成工程を調製することにより、耐摩耗性、耐熱性をさらに高めることができる。
【実施例】
【００５１】
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。
【００５２】
（実施例１〜１２および比較例１〜８）
各実施例において、粒径が０．０１μｍの酸化アルミニウム（γ−アルミナ）粉末と、粒径が１μｍの窒化アルミニウム粉末と、粒径が０．１μｍの金属化合物粉末（ＴｉＮ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。
【００５３】
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。形成された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。
【００５４】
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、および結合材の各体積％を、ＳＥＭ−ＥＤＸ法により算出した。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）、および結合材におけるアルミニウムの拡散濃度（原子％）を算出した。なお、結合材におけるアルミニウムの拡散濃度は、結合材と酸窒化アルミニウムとの界面から深さ１００ｎｍ近傍の位置におけるアルミニウムの濃度をＴＥＭ−ＥＤＸ法により測定することによって算出した。
【００５５】
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
各実施例および各比較例における、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、結合材におけるアルミニウムの拡散濃度（原子％）、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９および１０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。
【００５６】
【表１】
【００５７】
【表２】
【００５８】
実施例１〜５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、酸窒化アルミニウムの含有量が２０体積％以上８０体積％以下であり、結合材であるＴｉＮにおけるアルミニウムの拡散量が深さ１００ｎｍの位置において０．０１原子％以上５原子％以下の場合に、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。
【００５９】
実施例１の焼結体をＸ線回折（ＸＲＤ）で分析した結果を図１に示す。すなわち、図１には、実施例１の焼結体の組成であって、ＸＲＤで観察された酸窒化アルミニウムと窒化チタンの結晶性が示されている。図１のグラフの縦軸は強度（ａ．ｕ．）を示しており、横軸は２θ（度）を示している。また、実施例１の焼結体のＴＥＭ画像を図２に示す。図２において、黒く見える部分が酸窒化アルミニウム結晶相であり、白く見える部分がＴｉＮ結晶相である。
【００６０】
図１および図２に示されるように、焼結体において、酸窒化アルミニウムと、ＴｉＮとが均一に混在していることがわかった。特に、図２より、酸窒化アルミニウムの粒子の間に、ＴｉＮの粒子が存在していることがわかった。これらの結果から、実施例１の焼結体において、酸窒化アルミニウムの粒子同士を結合材によって結合することにより、酸窒化アルミニウムの粒子同士の結合を効果的に抑制できており、もって、靭性の高い焼結体となることができるものと考えられる。
【００６１】
また、実施例１の焼結体のＴＥＭ−ＥＤＸによる元素分析の結果を図３および図４に示す。図３のグラフの縦軸は元素濃度（原子％）を示しており、横軸は焼結体の表面からの距離（ｎｍ）を示している。図４は、図３の一部を拡大した結果を示すグラフである。
【００６２】
図３および図４において、アルミニウムが高濃度で連続して存在している箇所は、酸窒化アルミニウム粒子が存在している箇所に相当し、チタンが高濃度で連続して存在している箇所は、ＴｉＮが存在している箇所に相当する。図３および図４に示されるように、酸窒化アルミニウムとＴｉＮの界面部分において、アルミニウムとチタンが混在している領域があることが分かる。すなわち、ＴｉＮ粒子の表面からある程度の深さ（図４を参照すれば、３００ｎｍ程度）までアルミニウムが拡散されていることが分かった。
【００６３】
また、たとえば、実施例６〜１０および比較例５，６を参照し、上記焼結体において、酸化アルミニウムが含有されており、該酸化アルミニウムの含有量が２０体積％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。また、上記焼結体において、窒化アルミニウムが含有されており、該窒化アルミニウムの含有量が１０体積％以下である場合に、より切削工具の磨耗量が低いことも分かった。
【００６４】
また、たとえば、実施例１１，１２および比較例７，８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。
【００６５】
（実施例１３〜３８）
実施例１３〜３８において、金属化合物として、表３に示す金属化合物を用いた以外は、実施例１と同様の方法により、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。各実施例における原料組成（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、結合材におけるアルミニウムの拡散濃度（原子％）、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。
【００６６】
【表３】
【００６７】
【表４】
【００６８】
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１〜１２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。
【００６９】
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】
【００７０】
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、
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種の金属化合物からなる結合材と、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％以下であり、
前記金属は、第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属であり、
前記結合材はアルミニウムを含有する、焼結体。
【請求項２】
前記結合材は、該結合材の表面から少なくとも１００ｎｍの深さにおいて、前記アルミニウムを０．０１原子％以上５％原子％以下の濃度で含有する、請求項１に記載の焼結体。
【請求項３】
前記結合材の表面は、前記酸窒化アルミニウムと接する面である、請求項１または２に記載の焼結体。
【請求項４】
前記結合材は、２種以上の前記金属化合物からなる混合物または固溶体である、請求項１から３のいずれかに記載の焼結体。
【請求項５】
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から４のいずれかに記載の焼結体。
【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５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６のいずれかに記載の焼結体。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の焼結体を用いた切削工具。
【請求項９】
請求項１から７のいずれかに記載の焼結体の製造方法であって、
酸化アルミニウムの粉末、窒化アルミニウムの粉末、ならびに、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種の金属化合物の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０．５以上３以下となるように調製され、
前記金属は、第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属である、焼結体の製造方法。
【請求項１】
酸窒化アルミニウムと、
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種の金属化合物からなる結合材と、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％以下であり、
前記金属は、第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属であり、
前記結合材はアルミニウムを含有する、焼結体。
【請求項２】
前記結合材は、該結合材の表面から少なくとも１００ｎｍの深さにおいて、前記アルミニウムを０．０１原子％以上５％原子％以下の濃度で含有する、請求項１に記載の焼結体。
【請求項３】
前記結合材の表面は、前記酸窒化アルミニウムと接する面である、請求項１または２に記載の焼結体。
【請求項４】
前記結合材は、２種以上の前記金属化合物からなる混合物または固溶体である、請求項１から３のいずれかに記載の焼結体。
【請求項５】
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から４のいずれかに記載の焼結体。
【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５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６のいずれかに記載の焼結体。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の焼結体を用いた切削工具。
【請求項９】
請求項１から７のいずれかに記載の焼結体の製造方法であって、
酸化アルミニウムの粉末、窒化アルミニウムの粉末、ならびに、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種の金属化合物の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０．５以上３以下となるように調製され、
前記金属は、第４族元素〜第６族元素から選択される少なくとも１種の金属である、焼結体の製造方法。
【図１】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−６０３１５（Ｐ２０１３−６０３１５Ａ）
【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２０１１−１９８２３２（Ｐ２０１１−１９８２３２）
【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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