焼結体、焼結体を用いた切削工具、および焼結体の製造方法
【課題】高い耐摩耗性および高い耐欠損性を有する、酸窒化アルミニウムを含む焼結体を提供する。
【解決手段】焼結体は、酸窒化アルミニウムを含む硬質部と、第６族元素〜第１０族元素から選択される少なくとも１種の金属からなる結合部と、を含み、焼結体における前記硬質部の含有量が４０体積％以上９０体積％以下である、焼結体である。
【解決手段】焼結体は、酸窒化アルミニウムを含む硬質部と、第６族元素〜第１０族元素から選択される少なくとも１種の金属からなる結合部と、を含み、焼結体における前記硬質部の含有量が４０体積％以上９０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、該焼結体を用いた切削工具、および焼結体の製造方法に関し、特に、酸窒化アルミニウムを含有する焼結体、該焼結体を用いた切削工具、および焼結体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削加工などに用いられる切削工具には、炭化タングステン、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、立方晶窒化ホウ素焼結体（ｃＢＮ）、ダイヤモンド焼結体などの硬度の高い材料が、被削材の硬度に応じて選択されて使用されている。なかでも、アルミナは比較的安価であり、鉄系被削材に対する反応性が低いために、切削工具の材料として有用な材料とされている。
【０００３】
また、近年、アルミナと類似した特性を有し、さらに、アルミナ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の利用が検討されている。酸窒化アルミニウムは、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、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとを、非酸化性雰囲気下において１８００℃を超える温度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】
ところで、炭化タングステン、アルミナ、酸窒化アルミニウムなどの上記材料は、高い硬度を有する一方で、靭性が低い傾向にあり、このため、上記材料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った。これに対応して、上記材料に添加材を加えて焼結体を作製することによって、焼結体に靭性を付加して、焼結体の耐欠損性を向上させるための種々の技術が開発されている。
【０００５】
たとえば、特表２００１−５１４３２６号公報（特許文献２）には、炭化タングステンと、コバルト（Ｃｏ）を主成分とする結合材とからなるサーメットが開示されている。また、特表２００７−５３３５９３号公報（特許文献３）には、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した、切削工具用のセラミックが開示されている。
【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２００１−５１４３２６号公報
【特許文献３】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、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した場合、炭化珪素と鉄系被削材とが反応してしまうために、鉄系被削材を切削するための工具の材料に適さないという問題がある。すなわち、従来の技術では、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特性を生かしつつ、さらに切削工具の材料として優れた焼結体を提供することは実現されていない。
【０００８】
上記事情を鑑み、本発明は、酸窒化アルミニウムを含む、切削工具の材料として優れた焼結体、該焼結体を用いた切削工具、および焼結体の製造方法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】
本発明者らは、酸窒化アルミニウムを含む焼結体に靭性を与えるのに適した結合材を見出すべく、まず、上記特許文献３に開示される結合材を酸窒化アルミニウムと混合して検討を行った。その結果、作製された焼結体に亀裂、剥離が発生する傾向にあることが分かった。そこで、本発明者らは、この理由について考察および検討を重ね、酸窒化アルミニウムの熱膨張係数と比較して、焼結体に多く存在するコバルトの熱膨張係数がたとえば２倍程度と大きいために、高温焼結時、および切削処理中における高温発生時に焼結体に亀裂が発生したり、粒子間での剥離が発生したりすることを知見した。
【００１０】
上記知見に基づいて鋭意検討を重ねた結果、本発明者らは、酸窒化アルミニウムを含む焼結体の特性を維持しつつ靭性を付加するためには、硬質部を構成する酸窒化アルミニウムの熱膨張係数と、結合部を構成する結合材の熱膨張係数との関係だけではなく、結合部の組成、および硬質部と結合部との体積比との関係も重要であることを見出した。そして、本発明者らは、さらに、鋭意検討を重ねることによって、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明の第１の態様は、酸窒化アルミニウムを含む硬質部と、第６族元素〜第１０族元素から選択される少なくとも１種の金属からなる結合部と、を含み、焼結体における硬質部の含有量が４０体積％以上９０体積％以下である、結合部の焼結体である。
【００１２】
上記焼結体において、結合部は、クロム、鉄、コバルト、およびニッケルから選択される少なくとも１種の金属を含むことが好ましい。
【００１３】
上記焼結体において、結合部は、金属間化合物からなることが好ましい。なお、本明細書において、金属間化合物は、クロム、鉄、コバルト、およびニッケルから選択される２種以上の金属によって構成される化合物である。
【００１４】
上記焼結体において、結合部は、鉄を３９質量％以上７５質量％以下、コバルトを０質量％以上３０質量％以下、ニッケルを１８質量％以上４５質量％以下含有する金属間化合物からなることが好ましい。
【００１５】
上記焼結体において、結合部は、鉄を５５質量％以上７５質量％以下、ニッケルを２５質量％以上４５質量％以下含有する金属間化合物からなることが好ましい。
【００１６】
上記焼結体において、結合部は、インバーまたはコバールからなることが好ましい。
上記焼結体において、結合部の熱膨張係数が１×１０-6／℃以上８×１０-6／℃以上であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の第２の態様は、上記焼結体よりなる切削工具である。
また、本発明の第３の態様は、硬質部の原料粉末と結合部の原料粉末とを混合する工程と、混合された混合粉末を焼結する工程と、を含み、硬質部の原料粉末は、酸窒化アルミニウム粉末を含み、結合部の原料粉末は、第６族元素〜第１０族元素から選択される１種の金属からなる金属粉末または２種以上の金属からなる金属間化合物粉末を含み、混合する工程において、硬質部の原料粉末と、結合部の原料粉末との混合比を４／６以上９／１以下とする、焼結体の製造方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高い硬度と高い靭性を有する焼結体を提供することができ、もって、切削工具の材料として優れた焼結体を提供することができる。また、この焼結体よりなる切削工具は、長寿命を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１１の焼結体の表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図２】比較例１の焼結体の表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜焼結体＞
以下、本発明の焼結体の一実施形態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を含む硬質部と、第６族元素〜第１０族元素から選択される少なくとも１種の金属からなる結合部と、を含み、焼結体における硬質部の含有量が４０体積％以上９０体積％以下である。
【００２２】
焼結体を構成する硬質部は、焼結体のうち、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。
【００２３】
硬質部において、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、連続した結晶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。焼結体における硬質部の含有量が９０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することができ、７０体積％以下の場合にさらに効果的に抑制することができる。また、焼結体における硬質部の含有量が４０体積％以上の場合、硬質部による焼結体の硬度を十分に維持することができる。
【００２４】
焼結体中の酸窒化アルミニウムの含有量は、その製造に使用した各原料の量、および製造条件から導くことができ、また、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】
焼結体を構成する結合部は、周期表の第６族元素〜第１０族元素から選択される少なくとも１種の金属からなる。焼結体における結合部の含有量は、１０体積％以上６０体積％以下である。結合部の含有量を１０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、６０体積％以下とすることにより、硬質部による硬度を維持することができるとともに、硬質部の熱膨張係数と結合部の熱膨張係数との差に起因する亀裂の発生、粒子間での剥離などを抑制することができる。また、焼結体における結合部の含有量を３０体積％以下とすることにより、上記亀裂の発生、粒子間での剥離などをより効果的に抑制することができる。なお、焼結体における結合部の含有量は、硬質部と同様の方法により算出することができる。
【００２６】
上記結合部は、クロム、鉄、コバルト、およびニッケルから選択される１種の金属からなることが好ましい。あるいは、結合部は、クロム、鉄、コバルト、およびニッケルから選択される２種以上の金属からなる金属間化合物であることが好ましい。このような結合部を有する焼結体は、さらに、耐摩耗性、耐欠損性に優れ、もって、この焼結体からなる工具は、長寿命を有することができる。
【００２７】
さらに、上記金属間化合物は、鉄を３９質量％以上７５質量％以下、コバルトを０質量％以上３０質量％以下、ニッケルを１８質量％以上４５質量％以下含有することが好ましい。より具体的には、金属間化合物は、鉄およびニッケルからなり、鉄を５５質量％以上７５質量％以下、ニッケルを２５質量％以上４５質量％以下含有する、あるいは、鉄、ニッケル、およびコバルトからなり、鉄を３９質量％以上５４質量％以下、ニッケルを１８質量％以上３２質量％以下、およびコバルトを１７質量％以上３０質量％以下含有することが好ましい。この場合、焼結体をさらに長寿命化させることができる。この理由の１つとして、以下のことが考えられる。
【００２８】
すなわち、上記組成を有する結合部の熱膨張率と、硬質部を構成する酸窒化アルミニウムの熱膨張率（たとえば、５×１０-6／℃)との差が小さい。このために、硬質部の熱膨張係数と結合部の熱膨張係数との差に起因する亀裂の発生、粒子間での剥離などをより効果的に抑制することができ、これにより、焼結体の耐摩耗性、耐熱性などがさらに向上するものと考えられる。特に、本発明者は、結合部の熱膨張係数が８×１０-6／℃未満である場合に、焼結体の上記特性を向上させることができ、３×１０-6／℃以上７×１０-6／℃以下である場合に、上記特性をさらに向上させることができることを知見している。
【００２９】
また、金属間化合物は、インバーまたはコバールであることが好ましい。インバーとは、鉄およびニッケルからなり、鉄を６４質量％、ニッケルを３６質量％含有する金属間化合物である。コバールとは、鉄、ニッケルおよびコバルトからなり、鉄を５４質量％、ニッケルを２９質量％、コバルトを１７質量％含有する金属間化合物である。金属間化合物としてインバーまたはコバールを用いる場合、これらの熱膨張係数が酸窒化アルミニウムの熱膨張係数と近似しているため、熱病長係数差に起因する亀裂の発生、粒子間での剥離などを効果的に抑制することができる。したがって、結果的に、焼結体の耐摩耗性、耐熱性などを向上させることができると考えられる。
【００３０】
また、本実施形態において、硬質部を構成する酸窒化アルミニウムは、窒化アルミニウム粒子および酸化アルミニウム粒子を原料としている。このため、焼結体には、酸窒化アルミニウムの他、これらの原料由来の窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムが、不可避不純物として残存している場合がある。焼結体に窒化アルミニウムが含まれることにより、焼結体を切削工具として用いた際の被削材とのすべりを向上させることができ、これにより、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る。
【００３１】
また、焼結体に酸化アルミニウムが含まれることにより、焼結体の耐熱性を向上させることができ、これにより、焼結体を切削工具として用いた際の寿命を延ばすことができる。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】
ただし、窒化アルミニウムおよび／または酸化アルミニウムの残存量が多すぎる場合には、相対的に酸窒化アルミニウムの含有量が低下することになり、酸窒化アルミニウムの優位な特性を発揮し難くなるために好ましくない。したがって、焼結体に残存する酸化アルミニウムの含有量は２０体積％以下、窒化アルミニウムの含有量は１０体積％以下であることが好ましい。なお、酸化アルミニウムおよび窒化アルミニウムの含有量は、たとえば、ＳＥＭ−ＥＤＸ法によって算出することができる。
【００３３】
以上のように、本実施形態に係る焼結体によれば、高い硬度を有する酸窒化アルミニウムに対し、高い靭性を有する結合部が強固に結合しているため、高い硬度と高い靭性を有することができ、もって、高い耐摩耗性および高い耐欠損性を有することができる。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。
【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。なお、本実施形態では、超高圧プレス法によって焼結体を作製している。
【００３５】
（硬質部の原料粉末を準備する工程）
まず、硬質部の原料粉末となる酸窒化アルミニウム粉末を準備する。酸窒化アルミニウム粉末は、たとえば、酸化アルミニウム粉末と窒化アルミニウム粉末とを混合、焼成することによって作製することができる。
【００３６】
具体的には、まず、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。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。なお、酸化アルミニウムは、α−アルミナ、γ−アルミナ、およびθ−アルミナのいずれの構造であってもよい。
【００３７】
次に、この混合物を窒素雰囲気下で焼成することによって、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粉末が作製される。焼成温度は、未反応の粒子が残存するのを抑制する観点から、１６００℃以上であることが好ましく、焼成後に生成される粉末の粒径が過剰に大きくなるのを抑制する観点から、２０００℃以下であることが好ましい。
【００３８】
なお、焼成により生成された粉末には、未反応の酸化アルミニウム粉末および／または窒化アルミニウム粉末が不可避不純物として残存している場合がある。ただし、上記モル比の範囲内の原料粉末を用いた焼成であれば、酸化アルミニウム粉末の残存量は、焼成された粉末中の２０質量％以下となり、窒化アルミニウム粉末の残存量は、焼成された粉末中の１０体積％以下となるため、焼成された粉末を硬質部の原料として用いることができる。
【００３９】
（結合部の原料粉末を準備する工程）
結合部の原料粉末を準備する。結合部の原料粉末は、周期表の第６族元素〜第１０族元素から選択される少なくとも１種の金属の粉末であり、好ましくは、クロム、鉄、コバルト、およびニッケルから選択される少なくとも１種の金属粉末からなる。結合部の原料は、なかでも、クロム、鉄、コバルト、およびニッケルから選択される２種以上の金属からなる金属間化合物粉末であることが好ましい。
【００４０】
特に好ましい金属間化合物粉末は、鉄を３９質量％以上７５質量％以下、コバルトを０質量％以上３０質量％以下、ニッケルを１８質量％以上４５質量％以下含有する金属間化合物粉末であることが好ましい。より具体的には、金属間化合物粉末は、鉄およびニッケルからなり、鉄を５５質量％以上７５質量％以下、ニッケルを２５質量％以上４５質量％以下含有する、あるいは、鉄、ニッケル、およびコバルトからなり、鉄を３９質量％以上５４質量％以下、ニッケルを１８質量％以上３２質量％以下、およびコバルトを１７質量％以上３０質量％以下含有することが好ましい。金属間化合物粉末は、たとえば、以下の方法によって作製することができる。
【００４１】
すなわち、まず、所望の金属間化合物の組成比となるように、各金属粒子を混合する。たとえば、鉄が６４質量％、ニッケルが３６質量％の金属間化合物粉末を作製する場合には、鉄粒子とニッケル粒子との質量混合比が６４：３６となるように、各金属粒子を混合する。そして、この混合物を不活性ガス雰囲気下、好ましくはアルゴン雰囲気下で焼成することによって、所望の組成の金属間化合物の粉末を作製することができる。なお、焼成方法として、酸窒化アルミニウム粉末と同様の加熱炉を用いた焼成を行なってもよく、焼成合成法を用いてもよい。
【００４２】
（各粉末を粉砕する工程）
上記工程後に、後述する各粉末を混合する工程を行なうが、その前に、各粉末を粉砕する工程を行ってもよい。
【００４３】
より具体的には、酸窒化アルミニウム粉末（硬質部の原料粉末）は、その粒径が０．００５μｍ以上５μｍ以下、より好ましくは０．０１μｍ以上１μｍ以下となるように、結合部の原料と混合する前に、乳鉢、ビーズミル、遊星ボールミルなどを用いて粉砕しておくことが好ましい。酸窒化アルミニウム粉末の粒径を予め小さくしておくことにより、焼結性を向上させることができ、もって、高硬度、高靭性の焼結体を得ることができる。
【００４４】
また、同様の理由により、金属粉末または金属間化合物粉末（結合部の原料粉末）についても、その粒径が０．００５μｍ以上５μｍ以下、より好ましくは０．０１μｍ以上１μｍ以下となるように、結合部の原料と混合する前に、粉砕しておくことが好ましい。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。
【００４５】
（各粉末を混合する工程）
次に、硬質部の原料粉末と結合部の原料粉末とを、乳鉢やボールミルなどを用いて混合する。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。
【００４６】
本工程において、作製される焼結体における硬質部の含有量を４０体積％以上９０体積％以下、より好ましくは７０体積％以下とするために、各粉末の混合割合（硬質部の原料粉末の体積／結合部の原料粉末の体積）が４０／６０以上９０／１０以下、より好ましくは７０／３０以下となるように混合する。
【００４７】
（焼結する工程）
次に、硬質部の原料粉末および結合部の原料粉末からなる混合粉末をプレスして成形体を形成する。そして、該成形体を４０ＭＰａ以上２０ＧＰａ以下、１１００℃２５００℃以下で焼結する。また、焼結体中における空隙（ポア）の残存量を顕著に低減させて密度を向上させる観点から、１ＧＰａ以上８ＧＰａ以下、１２００℃以上１９００℃以下で焼結することがより好ましい。焼結方法としては、ＣＩＰ（冷間静水圧処理）法、加圧ガス中での焼成法、ホットプレス法、ＨＩＰ（熱間静水圧処理）法などの各種方法を用いることができるが、焼結体の緻密性を向上させる観点から、本実施形態のように、超高圧プレス法を用いることが好ましい。
【００４８】
以上の工程により、高い硬度を有する酸窒化アルミニウムに対し、高い靭性を有する結合部が強固に結合した焼結体を作製することができる。この焼結体は、高い耐磨耗性および高い耐欠損性を有するため、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。
【実施例】
【００４９】
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。
【００５０】
（実施例１〜１２）
粒径が０．１μｍ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のモル比（Ａｌ2Ｏ3／ＡｌＮ）が９／５となるように乳鉢に添加し、さらに、分散溶媒としてのエタノールを乳鉢に添加して、両粉末を均一に混合させた。これをバット内に広げて静置し、混合粉末を乾燥させた。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、０．１ＭＰａ、１８００℃の条件下で１２０分間焼成させた。
【００５１】
上記焼成によって作製された酸窒化アルミニウムの組成をＸＲＤ法により分析したところ、強度比で酸窒化アルミニウムが９７％、窒化アルミニウムが３％、および酸化アルミニウムが０％（熱膨張率：５×１０-6／℃）であることが分かった。また、作製された酸窒化アルミニウム粉末は、部分的に粒成長している粒子が存在していたため、乳鉢を用いて、その粒径が１μｍ以下となるように粉砕した。なお、酸窒化アルミニウム粉末の各粒径は光散乱法により測定した。
【００５２】
次に、結合部の原料となる金属粉末および金属間化合物粉末を準備した。各実施例において準備した金属粉末および金属間化合物粉末の種類、組成、およびその熱膨張率（１／℃）は、表１に示す通りである。また、各実施例において準備された金属粉末および金属間化合物粉末の粒径は、それぞれ１〜３μｍであった。
【００５３】
次に、準備した酸窒化アルミニウム粉末と、準備した金属粉末または金属間化合物粉末との混合割合（硬質部の原料粉末の体積／結合部の原料粉末の体積）が７０：３０となるように、ボールミルを用いて各粉末を均一に混合させた。そして、調製された混合物をタンタル製のカプセルに充填し、プレス機を用いて焼結処理することによって、焼結体を作製した。
【００５４】
なお、上記の焼結処理に関し、実施例１、３〜１２において、真空雰囲気下で、５ＧＰａ、１７００℃の条件下で２０分間行なわれ、実施例２において、真空雰囲気下で５ＧＰａ、１７００℃の条件下で６０分間行なわれた。
【００５５】
（実施例１３および１４）
実施例１３および１４においては、酸窒化アルミニウム粉末と、金属間化合物粉末との混合割合が、それぞれ、４０：６０および９０：１０となるように各粉末を均一に混合させた以外は、実施例７と同様の方法により、焼結体を作製した。
【００５６】
（比較例１）
結合部の原料粉末として、バナジウム（Ｖ）粉末を用い、酸窒化アルミニウムの粉末と、金属粉末（バナジウム粉末）との混合割合が３０：７０となるように各粉末を均一に混合させた以外は、実施例１と同様の方法により、焼結体を作製した。
【００５７】
（比較例２）
結合部の原料として、鉄およびニッケルからなり、鉄を８０質量％、ニッケルを２０質量％含有する金属間化合物粉末を用いた以外は、実施例１と同様の方法により、焼結体を作成した。
【００５８】
（比較例３）
結合部の原料粉末として、鉄およびニッケルからなり、鉄を３０質量％、ニッケルを７０質量％含有する金属間化合物粉末を用いた以外は、実施例１と同様の方法により、焼結体を作成した。
【００５９】
（比較例４）
結合部の原料粉末として、鉄、ニッケルおよびコバルトからなり、鉄を３３質量％、ニッケルを１７質量％、コバルトを５０質量％含有する金属間化合物粉末を用いた以外は、実施例１と同様の方法により、焼結体を作成した。
【００６０】
（比較例５および６）
酸窒化アルミニウムの粉末と、金属間化合物粉末との混合割合が、それぞれ、２０：８０および９５：５となるように各粉末を均一に混合させた以外は、実施例７と同様の方法により、焼結体を作製した。
【００６１】
（特性評価）
各焼結体における酸窒化アルミニウムの含有量（体積％）は、ＳＥＭおよび蛍光Ｘ線分析により算出した。そして、実施例１〜１４および比較例１〜６の焼結体を、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、各切削工具について、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観察した。
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ．
切込み量：０．２ｍｍ
送り量：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切削油：なし
各結果を表１および表２に示す。また、比較例７および８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。その結果を表２に示す。
【００６２】
【表１】
【００６３】
【表２】
【００６４】
表１および表２を参照し、実施例１〜１４および比較例１、５、６〜８を比較すると、コバルト、ニッケル、鉄、クロムの少なくとも１種からなる結合部を含み、焼結体における酸窒化アルミニウムの含有量を４０体積％以上９０体積％以下とすることにより、逃げ面の磨耗量の少ない切削工具となることが分かった。逃げ面の磨耗量が少ないことにより、切削工具を構成する焼結体が高い硬度と高い靭性を有し、また、高い耐熱性、耐欠損性を有していることが分かる。
【００６５】
また、実施例１〜１４および比較例２〜４とを比較すると、結合部中の各金属の含有量を調製することによって、さらに、高い耐熱性と高い耐欠損性とを有する切削工具となることがわかった。なお、ＳＥＭ−ＥＤＸにより、焼結の前後で金属組成の変化はないこともわかった。
【００６６】
また、実施例１１および比較例１の各焼結体において、各表面を研磨し、該研磨面をＳＥＭを用いて観察した結果を図１および図２に示す。
【００６７】
図１を参照し、実施例１１の焼結体は、図中白く見える部分の結合部と、図中黒く見える部分の硬質部とが強固に結合しており、また、剥離や亀裂も生じていないことが観察された。一方、図２を参照し、比較例１の焼結体は、図中白く見える結合部と、図中黒く見える硬質部との間に亀裂やポアが観察された。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
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。
【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。
【技術分野】
【０００１】
本発明は焼結体、該焼結体を用いた切削工具、および焼結体の製造方法に関し、特に、酸窒化アルミニウムを含有する焼結体、該焼結体を用いた切削工具、および焼結体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削加工などに用いられる切削工具には、炭化タングステン、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、立方晶窒化ホウ素焼結体（ｃＢＮ）、ダイヤモンド焼結体などの硬度の高い材料が、被削材の硬度に応じて選択されて使用されている。なかでも、アルミナは比較的安価であり、鉄系被削材に対する反応性が低いために、切削工具の材料として有用な材料とされている。
【０００３】
また、近年、アルミナと類似した特性を有し、さらに、アルミナ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の利用が検討されている。酸窒化アルミニウムは、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、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとを、非酸化性雰囲気下において１８００℃を超える温度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】
ところで、炭化タングステン、アルミナ、酸窒化アルミニウムなどの上記材料は、高い硬度を有する一方で、靭性が低い傾向にあり、このため、上記材料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った。これに対応して、上記材料に添加材を加えて焼結体を作製することによって、焼結体に靭性を付加して、焼結体の耐欠損性を向上させるための種々の技術が開発されている。
【０００５】
たとえば、特表２００１−５１４３２６号公報（特許文献２）には、炭化タングステンと、コバルト（Ｃｏ）を主成分とする結合材とからなるサーメットが開示されている。また、特表２００７−５３３５９３号公報（特許文献３）には、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した、切削工具用のセラミックが開示されている。
【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２００１−５１４３２６号公報
【特許文献３】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、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した場合、炭化珪素と鉄系被削材とが反応してしまうために、鉄系被削材を切削するための工具の材料に適さないという問題がある。すなわち、従来の技術では、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特性を生かしつつ、さらに切削工具の材料として優れた焼結体を提供することは実現されていない。
【０００８】
上記事情を鑑み、本発明は、酸窒化アルミニウムを含む、切削工具の材料として優れた焼結体、該焼結体を用いた切削工具、および焼結体の製造方法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】
本発明者らは、酸窒化アルミニウムを含む焼結体に靭性を与えるのに適した結合材を見出すべく、まず、上記特許文献３に開示される結合材を酸窒化アルミニウムと混合して検討を行った。その結果、作製された焼結体に亀裂、剥離が発生する傾向にあることが分かった。そこで、本発明者らは、この理由について考察および検討を重ね、酸窒化アルミニウムの熱膨張係数と比較して、焼結体に多く存在するコバルトの熱膨張係数がたとえば２倍程度と大きいために、高温焼結時、および切削処理中における高温発生時に焼結体に亀裂が発生したり、粒子間での剥離が発生したりすることを知見した。
【００１０】
上記知見に基づいて鋭意検討を重ねた結果、本発明者らは、酸窒化アルミニウムを含む焼結体の特性を維持しつつ靭性を付加するためには、硬質部を構成する酸窒化アルミニウムの熱膨張係数と、結合部を構成する結合材の熱膨張係数との関係だけではなく、結合部の組成、および硬質部と結合部との体積比との関係も重要であることを見出した。そして、本発明者らは、さらに、鋭意検討を重ねることによって、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明の第１の態様は、酸窒化アルミニウムを含む硬質部と、第６族元素〜第１０族元素から選択される少なくとも１種の金属からなる結合部と、を含み、焼結体における硬質部の含有量が４０体積％以上９０体積％以下である、結合部の焼結体である。
【００１２】
上記焼結体において、結合部は、クロム、鉄、コバルト、およびニッケルから選択される少なくとも１種の金属を含むことが好ましい。
【００１３】
上記焼結体において、結合部は、金属間化合物からなることが好ましい。なお、本明細書において、金属間化合物は、クロム、鉄、コバルト、およびニッケルから選択される２種以上の金属によって構成される化合物である。
【００１４】
上記焼結体において、結合部は、鉄を３９質量％以上７５質量％以下、コバルトを０質量％以上３０質量％以下、ニッケルを１８質量％以上４５質量％以下含有する金属間化合物からなることが好ましい。
【００１５】
上記焼結体において、結合部は、鉄を５５質量％以上７５質量％以下、ニッケルを２５質量％以上４５質量％以下含有する金属間化合物からなることが好ましい。
【００１６】
上記焼結体において、結合部は、インバーまたはコバールからなることが好ましい。
上記焼結体において、結合部の熱膨張係数が１×１０-6／℃以上８×１０-6／℃以上であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の第２の態様は、上記焼結体よりなる切削工具である。
また、本発明の第３の態様は、硬質部の原料粉末と結合部の原料粉末とを混合する工程と、混合された混合粉末を焼結する工程と、を含み、硬質部の原料粉末は、酸窒化アルミニウム粉末を含み、結合部の原料粉末は、第６族元素〜第１０族元素から選択される１種の金属からなる金属粉末または２種以上の金属からなる金属間化合物粉末を含み、混合する工程において、硬質部の原料粉末と、結合部の原料粉末との混合比を４／６以上９／１以下とする、焼結体の製造方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高い硬度と高い靭性を有する焼結体を提供することができ、もって、切削工具の材料として優れた焼結体を提供することができる。また、この焼結体よりなる切削工具は、長寿命を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１１の焼結体の表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図２】比較例１の焼結体の表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜焼結体＞
以下、本発明の焼結体の一実施形態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を含む硬質部と、第６族元素〜第１０族元素から選択される少なくとも１種の金属からなる結合部と、を含み、焼結体における硬質部の含有量が４０体積％以上９０体積％以下である。
【００２２】
焼結体を構成する硬質部は、焼結体のうち、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。
【００２３】
硬質部において、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、連続した結晶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。焼結体における硬質部の含有量が９０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することができ、７０体積％以下の場合にさらに効果的に抑制することができる。また、焼結体における硬質部の含有量が４０体積％以上の場合、硬質部による焼結体の硬度を十分に維持することができる。
【００２４】
焼結体中の酸窒化アルミニウムの含有量は、その製造に使用した各原料の量、および製造条件から導くことができ、また、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】
焼結体を構成する結合部は、周期表の第６族元素〜第１０族元素から選択される少なくとも１種の金属からなる。焼結体における結合部の含有量は、１０体積％以上６０体積％以下である。結合部の含有量を１０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、６０体積％以下とすることにより、硬質部による硬度を維持することができるとともに、硬質部の熱膨張係数と結合部の熱膨張係数との差に起因する亀裂の発生、粒子間での剥離などを抑制することができる。また、焼結体における結合部の含有量を３０体積％以下とすることにより、上記亀裂の発生、粒子間での剥離などをより効果的に抑制することができる。なお、焼結体における結合部の含有量は、硬質部と同様の方法により算出することができる。
【００２６】
上記結合部は、クロム、鉄、コバルト、およびニッケルから選択される１種の金属からなることが好ましい。あるいは、結合部は、クロム、鉄、コバルト、およびニッケルから選択される２種以上の金属からなる金属間化合物であることが好ましい。このような結合部を有する焼結体は、さらに、耐摩耗性、耐欠損性に優れ、もって、この焼結体からなる工具は、長寿命を有することができる。
【００２７】
さらに、上記金属間化合物は、鉄を３９質量％以上７５質量％以下、コバルトを０質量％以上３０質量％以下、ニッケルを１８質量％以上４５質量％以下含有することが好ましい。より具体的には、金属間化合物は、鉄およびニッケルからなり、鉄を５５質量％以上７５質量％以下、ニッケルを２５質量％以上４５質量％以下含有する、あるいは、鉄、ニッケル、およびコバルトからなり、鉄を３９質量％以上５４質量％以下、ニッケルを１８質量％以上３２質量％以下、およびコバルトを１７質量％以上３０質量％以下含有することが好ましい。この場合、焼結体をさらに長寿命化させることができる。この理由の１つとして、以下のことが考えられる。
【００２８】
すなわち、上記組成を有する結合部の熱膨張率と、硬質部を構成する酸窒化アルミニウムの熱膨張率（たとえば、５×１０-6／℃)との差が小さい。このために、硬質部の熱膨張係数と結合部の熱膨張係数との差に起因する亀裂の発生、粒子間での剥離などをより効果的に抑制することができ、これにより、焼結体の耐摩耗性、耐熱性などがさらに向上するものと考えられる。特に、本発明者は、結合部の熱膨張係数が８×１０-6／℃未満である場合に、焼結体の上記特性を向上させることができ、３×１０-6／℃以上７×１０-6／℃以下である場合に、上記特性をさらに向上させることができることを知見している。
【００２９】
また、金属間化合物は、インバーまたはコバールであることが好ましい。インバーとは、鉄およびニッケルからなり、鉄を６４質量％、ニッケルを３６質量％含有する金属間化合物である。コバールとは、鉄、ニッケルおよびコバルトからなり、鉄を５４質量％、ニッケルを２９質量％、コバルトを１７質量％含有する金属間化合物である。金属間化合物としてインバーまたはコバールを用いる場合、これらの熱膨張係数が酸窒化アルミニウムの熱膨張係数と近似しているため、熱病長係数差に起因する亀裂の発生、粒子間での剥離などを効果的に抑制することができる。したがって、結果的に、焼結体の耐摩耗性、耐熱性などを向上させることができると考えられる。
【００３０】
また、本実施形態において、硬質部を構成する酸窒化アルミニウムは、窒化アルミニウム粒子および酸化アルミニウム粒子を原料としている。このため、焼結体には、酸窒化アルミニウムの他、これらの原料由来の窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムが、不可避不純物として残存している場合がある。焼結体に窒化アルミニウムが含まれることにより、焼結体を切削工具として用いた際の被削材とのすべりを向上させることができ、これにより、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る。
【００３１】
また、焼結体に酸化アルミニウムが含まれることにより、焼結体の耐熱性を向上させることができ、これにより、焼結体を切削工具として用いた際の寿命を延ばすことができる。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】
ただし、窒化アルミニウムおよび／または酸化アルミニウムの残存量が多すぎる場合には、相対的に酸窒化アルミニウムの含有量が低下することになり、酸窒化アルミニウムの優位な特性を発揮し難くなるために好ましくない。したがって、焼結体に残存する酸化アルミニウムの含有量は２０体積％以下、窒化アルミニウムの含有量は１０体積％以下であることが好ましい。なお、酸化アルミニウムおよび窒化アルミニウムの含有量は、たとえば、ＳＥＭ−ＥＤＸ法によって算出することができる。
【００３３】
以上のように、本実施形態に係る焼結体によれば、高い硬度を有する酸窒化アルミニウムに対し、高い靭性を有する結合部が強固に結合しているため、高い硬度と高い靭性を有することができ、もって、高い耐摩耗性および高い耐欠損性を有することができる。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。
【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。なお、本実施形態では、超高圧プレス法によって焼結体を作製している。
【００３５】
（硬質部の原料粉末を準備する工程）
まず、硬質部の原料粉末となる酸窒化アルミニウム粉末を準備する。酸窒化アルミニウム粉末は、たとえば、酸化アルミニウム粉末と窒化アルミニウム粉末とを混合、焼成することによって作製することができる。
【００３６】
具体的には、まず、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。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。なお、酸化アルミニウムは、α−アルミナ、γ−アルミナ、およびθ−アルミナのいずれの構造であってもよい。
【００３７】
次に、この混合物を窒素雰囲気下で焼成することによって、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粉末が作製される。焼成温度は、未反応の粒子が残存するのを抑制する観点から、１６００℃以上であることが好ましく、焼成後に生成される粉末の粒径が過剰に大きくなるのを抑制する観点から、２０００℃以下であることが好ましい。
【００３８】
なお、焼成により生成された粉末には、未反応の酸化アルミニウム粉末および／または窒化アルミニウム粉末が不可避不純物として残存している場合がある。ただし、上記モル比の範囲内の原料粉末を用いた焼成であれば、酸化アルミニウム粉末の残存量は、焼成された粉末中の２０質量％以下となり、窒化アルミニウム粉末の残存量は、焼成された粉末中の１０体積％以下となるため、焼成された粉末を硬質部の原料として用いることができる。
【００３９】
（結合部の原料粉末を準備する工程）
結合部の原料粉末を準備する。結合部の原料粉末は、周期表の第６族元素〜第１０族元素から選択される少なくとも１種の金属の粉末であり、好ましくは、クロム、鉄、コバルト、およびニッケルから選択される少なくとも１種の金属粉末からなる。結合部の原料は、なかでも、クロム、鉄、コバルト、およびニッケルから選択される２種以上の金属からなる金属間化合物粉末であることが好ましい。
【００４０】
特に好ましい金属間化合物粉末は、鉄を３９質量％以上７５質量％以下、コバルトを０質量％以上３０質量％以下、ニッケルを１８質量％以上４５質量％以下含有する金属間化合物粉末であることが好ましい。より具体的には、金属間化合物粉末は、鉄およびニッケルからなり、鉄を５５質量％以上７５質量％以下、ニッケルを２５質量％以上４５質量％以下含有する、あるいは、鉄、ニッケル、およびコバルトからなり、鉄を３９質量％以上５４質量％以下、ニッケルを１８質量％以上３２質量％以下、およびコバルトを１７質量％以上３０質量％以下含有することが好ましい。金属間化合物粉末は、たとえば、以下の方法によって作製することができる。
【００４１】
すなわち、まず、所望の金属間化合物の組成比となるように、各金属粒子を混合する。たとえば、鉄が６４質量％、ニッケルが３６質量％の金属間化合物粉末を作製する場合には、鉄粒子とニッケル粒子との質量混合比が６４：３６となるように、各金属粒子を混合する。そして、この混合物を不活性ガス雰囲気下、好ましくはアルゴン雰囲気下で焼成することによって、所望の組成の金属間化合物の粉末を作製することができる。なお、焼成方法として、酸窒化アルミニウム粉末と同様の加熱炉を用いた焼成を行なってもよく、焼成合成法を用いてもよい。
【００４２】
（各粉末を粉砕する工程）
上記工程後に、後述する各粉末を混合する工程を行なうが、その前に、各粉末を粉砕する工程を行ってもよい。
【００４３】
より具体的には、酸窒化アルミニウム粉末（硬質部の原料粉末）は、その粒径が０．００５μｍ以上５μｍ以下、より好ましくは０．０１μｍ以上１μｍ以下となるように、結合部の原料と混合する前に、乳鉢、ビーズミル、遊星ボールミルなどを用いて粉砕しておくことが好ましい。酸窒化アルミニウム粉末の粒径を予め小さくしておくことにより、焼結性を向上させることができ、もって、高硬度、高靭性の焼結体を得ることができる。
【００４４】
また、同様の理由により、金属粉末または金属間化合物粉末（結合部の原料粉末）についても、その粒径が０．００５μｍ以上５μｍ以下、より好ましくは０．０１μｍ以上１μｍ以下となるように、結合部の原料と混合する前に、粉砕しておくことが好ましい。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。
【００４５】
（各粉末を混合する工程）
次に、硬質部の原料粉末と結合部の原料粉末とを、乳鉢やボールミルなどを用いて混合する。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。
【００４６】
本工程において、作製される焼結体における硬質部の含有量を４０体積％以上９０体積％以下、より好ましくは７０体積％以下とするために、各粉末の混合割合（硬質部の原料粉末の体積／結合部の原料粉末の体積）が４０／６０以上９０／１０以下、より好ましくは７０／３０以下となるように混合する。
【００４７】
（焼結する工程）
次に、硬質部の原料粉末および結合部の原料粉末からなる混合粉末をプレスして成形体を形成する。そして、該成形体を４０ＭＰａ以上２０ＧＰａ以下、１１００℃２５００℃以下で焼結する。また、焼結体中における空隙（ポア）の残存量を顕著に低減させて密度を向上させる観点から、１ＧＰａ以上８ＧＰａ以下、１２００℃以上１９００℃以下で焼結することがより好ましい。焼結方法としては、ＣＩＰ（冷間静水圧処理）法、加圧ガス中での焼成法、ホットプレス法、ＨＩＰ（熱間静水圧処理）法などの各種方法を用いることができるが、焼結体の緻密性を向上させる観点から、本実施形態のように、超高圧プレス法を用いることが好ましい。
【００４８】
以上の工程により、高い硬度を有する酸窒化アルミニウムに対し、高い靭性を有する結合部が強固に結合した焼結体を作製することができる。この焼結体は、高い耐磨耗性および高い耐欠損性を有するため、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。
【実施例】
【００４９】
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。
【００５０】
（実施例１〜１２）
粒径が０．１μｍ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のモル比（Ａｌ2Ｏ3／ＡｌＮ）が９／５となるように乳鉢に添加し、さらに、分散溶媒としてのエタノールを乳鉢に添加して、両粉末を均一に混合させた。これをバット内に広げて静置し、混合粉末を乾燥させた。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、０．１ＭＰａ、１８００℃の条件下で１２０分間焼成させた。
【００５１】
上記焼成によって作製された酸窒化アルミニウムの組成をＸＲＤ法により分析したところ、強度比で酸窒化アルミニウムが９７％、窒化アルミニウムが３％、および酸化アルミニウムが０％（熱膨張率：５×１０-6／℃）であることが分かった。また、作製された酸窒化アルミニウム粉末は、部分的に粒成長している粒子が存在していたため、乳鉢を用いて、その粒径が１μｍ以下となるように粉砕した。なお、酸窒化アルミニウム粉末の各粒径は光散乱法により測定した。
【００５２】
次に、結合部の原料となる金属粉末および金属間化合物粉末を準備した。各実施例において準備した金属粉末および金属間化合物粉末の種類、組成、およびその熱膨張率（１／℃）は、表１に示す通りである。また、各実施例において準備された金属粉末および金属間化合物粉末の粒径は、それぞれ１〜３μｍであった。
【００５３】
次に、準備した酸窒化アルミニウム粉末と、準備した金属粉末または金属間化合物粉末との混合割合（硬質部の原料粉末の体積／結合部の原料粉末の体積）が７０：３０となるように、ボールミルを用いて各粉末を均一に混合させた。そして、調製された混合物をタンタル製のカプセルに充填し、プレス機を用いて焼結処理することによって、焼結体を作製した。
【００５４】
なお、上記の焼結処理に関し、実施例１、３〜１２において、真空雰囲気下で、５ＧＰａ、１７００℃の条件下で２０分間行なわれ、実施例２において、真空雰囲気下で５ＧＰａ、１７００℃の条件下で６０分間行なわれた。
【００５５】
（実施例１３および１４）
実施例１３および１４においては、酸窒化アルミニウム粉末と、金属間化合物粉末との混合割合が、それぞれ、４０：６０および９０：１０となるように各粉末を均一に混合させた以外は、実施例７と同様の方法により、焼結体を作製した。
【００５６】
（比較例１）
結合部の原料粉末として、バナジウム（Ｖ）粉末を用い、酸窒化アルミニウムの粉末と、金属粉末（バナジウム粉末）との混合割合が３０：７０となるように各粉末を均一に混合させた以外は、実施例１と同様の方法により、焼結体を作製した。
【００５７】
（比較例２）
結合部の原料として、鉄およびニッケルからなり、鉄を８０質量％、ニッケルを２０質量％含有する金属間化合物粉末を用いた以外は、実施例１と同様の方法により、焼結体を作成した。
【００５８】
（比較例３）
結合部の原料粉末として、鉄およびニッケルからなり、鉄を３０質量％、ニッケルを７０質量％含有する金属間化合物粉末を用いた以外は、実施例１と同様の方法により、焼結体を作成した。
【００５９】
（比較例４）
結合部の原料粉末として、鉄、ニッケルおよびコバルトからなり、鉄を３３質量％、ニッケルを１７質量％、コバルトを５０質量％含有する金属間化合物粉末を用いた以外は、実施例１と同様の方法により、焼結体を作成した。
【００６０】
（比較例５および６）
酸窒化アルミニウムの粉末と、金属間化合物粉末との混合割合が、それぞれ、２０：８０および９５：５となるように各粉末を均一に混合させた以外は、実施例７と同様の方法により、焼結体を作製した。
【００６１】
（特性評価）
各焼結体における酸窒化アルミニウムの含有量（体積％）は、ＳＥＭおよび蛍光Ｘ線分析により算出した。そして、実施例１〜１４および比較例１〜６の焼結体を、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、各切削工具について、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観察した。
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ．
切込み量：０．２ｍｍ
送り量：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切削油：なし
各結果を表１および表２に示す。また、比較例７および８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。その結果を表２に示す。
【００６２】
【表１】
【００６３】
【表２】
【００６４】
表１および表２を参照し、実施例１〜１４および比較例１、５、６〜８を比較すると、コバルト、ニッケル、鉄、クロムの少なくとも１種からなる結合部を含み、焼結体における酸窒化アルミニウムの含有量を４０体積％以上９０体積％以下とすることにより、逃げ面の磨耗量の少ない切削工具となることが分かった。逃げ面の磨耗量が少ないことにより、切削工具を構成する焼結体が高い硬度と高い靭性を有し、また、高い耐熱性、耐欠損性を有していることが分かる。
【００６５】
また、実施例１〜１４および比較例２〜４とを比較すると、結合部中の各金属の含有量を調製することによって、さらに、高い耐熱性と高い耐欠損性とを有する切削工具となることがわかった。なお、ＳＥＭ−ＥＤＸにより、焼結の前後で金属組成の変化はないこともわかった。
【００６６】
また、実施例１１および比較例１の各焼結体において、各表面を研磨し、該研磨面をＳＥＭを用いて観察した結果を図１および図２に示す。
【００６７】
図１を参照し、実施例１１の焼結体は、図中白く見える部分の結合部と、図中黒く見える部分の硬質部とが強固に結合しており、また、剥離や亀裂も生じていないことが観察された。一方、図２を参照し、比較例１の焼結体は、図中白く見える結合部と、図中黒く見える硬質部との間に亀裂やポアが観察された。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
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。
【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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸窒化アルミニウムを含む硬質部と、
第６族元素〜第１０族元素から選択される少なくとも１種の金属からなる結合部と、を含み、
焼結体における前記硬質部の含有量が４０体積％以上９０体積％以下である、焼結体。
【請求項２】
前記結合部は、クロム、鉄、コバルト、およびニッケルから選択される少なくとも１種の金属を含む、請求項１に記載の焼結体。
【請求項３】
前記結合部は、金属間化合物からなる、請求項１または２に記載の焼結体。
【請求項４】
前記結合部は、鉄を３９質量％以上７５質量％以下、コバルトを０質量％以上３０質量％以下、ニッケルを１８質量％以上４５質量％以下含有する金属間化合物からなる、請求項１から３のいずれかに記載の焼結体。
【請求項５】
前記結合部は、鉄を５５質量％以上７５質量％以下、ニッケルを２５質量％以上４５質量％以下含有する金属間化合物からなる、請求項１から４のいずれかに記載の焼結体。
【請求項６】
前記結合部は、インバーまたはコバールからなる、請求項１から５のいずれかに記載の焼結体。
【請求項７】
前記結合部の熱膨張係数が１×１０-6／℃以上８×１０-6／℃以上である、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よりなる切削工具。
【請求項９】
硬質部の原料粉末と結合部の原料粉末とを混合する工程と、
前記混合された混合粉末を焼結する工程と、を含み、
前記硬質部の原料粉末は、酸窒化アルミニウム粉末を含み、
前記結合部の原料粉末は、第６族元素〜第１０族元素から選択される１種の金属からなる金属粉末または２種以上の金属からなる金属間化合物粉末を含み、
前記混合する工程において、前記硬質部の原料粉末と、前記結合部の原料粉末との混合比を４／６以上９／１以下とする、焼結体の製造方法。
【請求項１】
酸窒化アルミニウムを含む硬質部と、
第６族元素〜第１０族元素から選択される少なくとも１種の金属からなる結合部と、を含み、
焼結体における前記硬質部の含有量が４０体積％以上９０体積％以下である、焼結体。
【請求項２】
前記結合部は、クロム、鉄、コバルト、およびニッケルから選択される少なくとも１種の金属を含む、請求項１に記載の焼結体。
【請求項３】
前記結合部は、金属間化合物からなる、請求項１または２に記載の焼結体。
【請求項４】
前記結合部は、鉄を３９質量％以上７５質量％以下、コバルトを０質量％以上３０質量％以下、ニッケルを１８質量％以上４５質量％以下含有する金属間化合物からなる、請求項１から３のいずれかに記載の焼結体。
【請求項５】
前記結合部は、鉄を５５質量％以上７５質量％以下、ニッケルを２５質量％以上４５質量％以下含有する金属間化合物からなる、請求項１から４のいずれかに記載の焼結体。
【請求項６】
前記結合部は、インバーまたはコバールからなる、請求項１から５のいずれかに記載の焼結体。
【請求項７】
前記結合部の熱膨張係数が１×１０-6／℃以上８×１０-6／℃以上である、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よりなる切削工具。
【請求項９】
硬質部の原料粉末と結合部の原料粉末とを混合する工程と、
前記混合された混合粉末を焼結する工程と、を含み、
前記硬質部の原料粉末は、酸窒化アルミニウム粉末を含み、
前記結合部の原料粉末は、第６族元素〜第１０族元素から選択される１種の金属からなる金属粉末または２種以上の金属からなる金属間化合物粉末を含み、
前記混合する工程において、前記硬質部の原料粉末と、前記結合部の原料粉末との混合比を４／６以上９／１以下とする、焼結体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−６０３１２（Ｐ２０１３−６０３１２Ａ）
【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２０１１−１９７９５４（Ｐ２０１１−１９７９５４）
【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）】
[ Back to top ]