JP4428805B2 - 酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体および被覆複合セラミックス焼結体 - Google Patents
酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体および被覆複合セラミックス焼結体 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化アルミニウム中に、炭素元素と窒素元素との原子比が最適に選定された炭窒化チタンと、Ａｌの炭化物，炭窒化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物の中から選ばれた少なくとも１種のＡｌ含有化合物とを含む酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体、ならびにこの酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体の基材表面に被膜が被覆された被覆複合セラミックス焼結体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、セラミックス焼結体は、酸化物系セラミックス焼結体と非酸化物系セラミックス焼結体に大別される。これらの酸化物系セラミックス焼結体や非酸化物系セラミックス焼結体は、一部が切削工具や耐摩耗工具などの工具として実用されている。工具として実用されるセラミックス焼結体は、高硬度性，高靱性などを要求され、特に高負荷と高温という過酷な条件で実用される切削工具の場合には、耐欠損性，耐摩耗性，靱性，強度および耐酸化性などの特性のより一層の向上が要求されている。このような要求から開発されたセラミックス焼結体の一つとして、主成分の酸化アルミニウムに炭化チタン，窒化チタン，炭窒化チタンなどの非酸化物を含有した酸化アルミニウム系セラミックス焼結体があり、その代表的なものに特開昭５１ー５２１６号公報，特開昭５３ー１２７５１４号公報，特開昭５３ー１３０２０８号公報，特開昭５４ー７２２１０号公報，特開昭５４ー３７１１４号公報，特開昭５４ー１２６２０８号公報，特開平５ー２０８３０３号公報および特開平５ー２０８３０４号公報がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
先行の引用文献として上述した酸化アルミニウム系セラミックス焼結体のうち、特開昭５１ー５２１６号公報には、酸化アルミニウムと炭化チタンー窒化チタンの固溶体とからなる切削工具用焼結部材について開示されており、特開昭５３ー１２７５１４号公報には、Ｔｉ（Ｃｘ，Ｎｙ）ｚの炭窒化チタン粉末とＡｌ2Ｏ3主成分の粉末との混合粉末を焼結した切削工具用材料について開示されており、特開平５ー２０８３０３号公報には、Ａｌ2Ｏ3−Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）系焼結体の表面から内部に向かってＣ／Ｃ＋Ｎが減少したセラミックス切削工具について開示されており、特開昭５３ー１３０２０８号公報および特開昭５４ー１２６２０８号公報には、Ａｌ2Ｏ3とＴｉＮとからなる切削用工具材料について開示されている。
【０００４】
これらの先行引用文献のうち、前者の２件に開示の焼結体は、Ａｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系焼結体が耐摩耗性および耐熱衝撃性に劣っているという問題を解決することを目的とし、特開平５ー２０８３０３号公報に開示のセラミックス切削工具は、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣＮ系焼結体が難焼結性であること、その焼結体の組織が粗大化し易いこと、靱性および耐欠損性の低下が顕著であるという問題を解決することを目的とし、後者の２件に開示の焼結体は、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系焼結体が靱性および耐欠損性に劣っているという問題を解決することを目的としているものである。
【０００５】
また、先行の引用文献のうち、特開昭５４ー３７１１４号公報には、Ａｌ2Ｏ3とＴｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）との組成を有する切削工具用セラミックスについて開示されており、特開昭５４ー７２２１０号公報には、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族の金属、炭化物、窒化物、酸化物、固溶体の１種以上と、窒化アルミニウムと、酸化アルミニウムとからなる高靱性セラミックスについて開示されており、特開平５ー２０８３０４号公報には、Ａｌ2Ｏ3とＴｉ（Ｃ，Ｎ）とＹ2Ｏ3および／またはＭｇＯとからなるセラミックスについて開示されている。これらの引用文献のうち、特開昭５４ー３７１１４号公報に開示のセラミックスは、Ａｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系焼結体やＡｌ2Ｏ3ーＴｉＣ系焼結体が靱性、強度、耐酸化性に劣り、耐クレータ摩耗性および耐逃げ面摩耗性に満足されていないという問題を解決することを目的とし、特開昭５４ー７２２１０号公報に開示のセラミックスは、Ａｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系焼結体，Ａｌ2Ｏ3ーＴｉＣ系焼結体およびＡｌ2Ｏ3ーＴｉＮ系焼結体に対し、さらに耐摩耗性、耐酸化性、、耐熱性および強度を高めることを目的し、特開平５ー２０８３０４号公報に開示のセラミックスは、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣＮ系焼結体が高速断続切削、フライス切削における耐熱衝撃性および耐欠損性に劣り、信頼性に乏しいという問題を解決することを目的としているものである。
【０００６】
上述した８件の引用文献は、それぞれ当初の目的を達成したものであるが、近年のようにエコロジー問題，省資源問題に端を発して、切削油を使用しないで切削するドライ切削用工具，被削材の材質変更などを含めた多様化に伴う最適切削工具，ならびに高速切削条件や高負荷切削条件においても、さらに長寿命となる切削工具への要望が高まっているのに対し、これら８件の公報に開示のセラミックス切削工具では満足されなく、特に耐熱衝撃性，耐溶着性，高温耐摩耗性が劣ることから、満足されないという課題がある。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決した酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体およびこの焼結体を基材とし、基材表面に硬質膜の被覆を施した被覆複合セラミックス焼結体に関するものであり、具体的には、酸化アルミニウムと炭窒化チタンに被削材などの相手材との潤滑性，耐反応性（相手材と反応し難い物質），熱伝導性にすぐれている物質、酸化アルミニウムや炭窒化チタンとの整合性のよい物質を含有させることにより、特に高温領域における耐溶着性，耐酸化性，耐熱衝撃性，硬さ，強度，靱性にすぐれた複合セラミックス焼結体および被覆複合セラミックス焼結体の提供を目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、長年に亘って研究してきた酸化アルミニウム含有セラミックス焼結体に関する研究成果の蓄積に基づいて、エコロジー問題，省資源問題という最近の市場の要望を満足させ得る課題解決について検討していたところ、第１に酸化アルミニウム含有セラミックス焼結体を切削工具や摺動部品に代表される工具として使用した場合に、実用時において、工具と切削工具における被削材に相当する相手材との反応性が非常に大きな問題となること、第２に酸化アルミニウム含有セラミックス焼結体に含有されているＴｉＣ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）またはＴｉＮでなる単一のＴｉ化合物は、靱性、強度を向上させる効果がある一方、逆に金属材料である相手材に含有されているＮｉ，ＣｏなどのＦｅ族金属のＴｉ化合物への溶解性が大きいことから、実用時における反応性が高くなること、第３に工具と相手材との反応性を抑制させるためには、実用時に発生する工具表面の熱を放熱させること、工具表面の潤滑性を高めさせること、工具表面にＦｅ族金属との親和性が低い物質を存在させることが有効であるという知見を得て、本発明を完成するに至ったものである。
【０００９】
すなわち、本発明の酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体は、炭素元素（Ｃ）と窒素元素（Ｎ）との原子比がＣ：Ｎ＝０．１〜０．７：０．３〜０．９からなる炭窒化チタンを１５〜４５体積％と、Ａｌの炭化物，炭窒化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物の中から選ばれた少なくとも１種のＡｌ含有化合物を１０体積％以下と、残部が酸化アルミニウムと不可避不純物とからなるものである。
【００１０】
【発明の実施態様】
本発明の複合セラミックス焼結体は、炭窒化チタンとＡｌ含有化合物と酸化アルミニウムとの３物質を少なくとも含有しており、これらの３物質、特に炭窒化チタンが化学量論組成、または非化学量論組成のどちらの状態で存在していてもよく、この炭窒化チタンを構成している元素のうち、Ｔｉ金属元素に対する炭素元素と窒素元素との合計の原子比が０．８以上でなる場合、特に０．９以上でなる場合には、相手材との反応性が低いことから好ましいことである。この炭窒化チタンを構成している非金属元素のうち、特に炭素元素と窒素元素との原子比が炭素元素：窒素元素＝０．１〜０．５：０．５〜０．９でなる場合には、以下に詳述するＡｌ含有化合物との安定共存となるとともに、相手材との反応性も低くなることから好ましいことである。
【００１１】
この炭窒化チタンは、平均粒径が２μｍ以下でなる場合、特に平均粒径が１μｍ以下でなる場合が強度、靱性、耐欠損性、耐摩耗性を高めることになるので好ましく、さらに均一に分布されていることが好ましいことである。この炭窒化チタンの含有量は、焼結体全体に対して１５体積％未満になると、強度、靱性、耐欠損性の低下が顕著になること、逆に４５体積％を超えて多くなると、耐反応性，耐溶着性が低下し、自身への急激な損傷および相手材への損傷を生じさせる傾向が強くなる。
【００１２】
上述の３物質の一つであるＡｌ含有化合物は、炭窒化チタンと同様に、化学量論組成、または非化学量論組成のどちらの状態で存在していてもよく、特に化学量論組成または化学量論組成に近似した非化学量論組成でなる場合には、被削材材などの他物質との反応性が抑制されることから好ましいことである。このＡｌ含有化合物は、一般的な化学式で表示すると、Ａｌ4Ｃ3，Ａｌ（Ｃ，Ｎ），Ａｌ（Ｃ，Ｏ），Ａｌ（Ｎ，Ｏ），Ａｌ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）の中から選ばれた少なくとも１種からなるものである。このＡｌ含有化合物は、熱伝導性を高める効果、耐熱衝撃性，高温での強度および靱性を高める効果があり、このＡｌ含有化合物の含有量が焼結体全体に対して１０体積％を超えて多くなると、これらの効果の低下が顕著となる。
【００１３】
上述の３物質の中の主成分である酸化アルミニウムは、αー酸化アルミニウムからなる場合、このαー酸化アルミニウムにκー酸化アルミニウム，γー酸化アルミニウムなどに代表される他の結晶構造でなる酸化アルミニウムが微量に含有されている場合である。この酸化アルミニウムは、強度、靱性を高めるために、平均粒径１μｍ以下の均一な微細粒子とすることが好ましく、特に平均粒径０．５μｍ以下とすることが好ましいことである。また、不可避不純物としては、本発明の焼結体を作製するときに使用する各種の粉末からなる出発原料に含有されている不純物と、製造工程から混入してくる不純物がある。このうち、出発原料に含有している不純物は、可能な限り少なくなるようにすることが好ましく、特に焼結後に析出物として残存する場合、または他の物質と化合物を形成し、残存する場合には、その不純物量を極力減少させた出発原料を使用することが好ましいことである。
【００１４】
本発明の複合セラミックス焼結体は、上述した３物質を必須の構成比および構成物質とし、焼結体の特性を高める目的でその他の物質を添加した別の形態とすることも好ましく、具体的には、別の形態としては、上述した３物質である炭窒化チタンを１５〜４５体積％と、Ａｌ含有化合物を１０体積％以下と、残部の酸化アルミニウムとの合計含有量を９０体積％以上に、Ｔｉの窒化物，炭化物，酸化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物、ならびにＴｉとＡｌを含む複合窒化物，複合炭化物，複合酸化物、複合炭窒化物，複合炭酸化物，複合窒酸化物，複合炭窒酸化物，ＴｉとＡｌを含む金属間化合物，の中から選ばれた少なくとも１種の補強物質を１０体積％以下含有させることも好ましいことである。
【００１５】
また、同様に本発明の複合セラミックス焼結体における別の形態として、上述した３物質である炭窒化チタンを１５〜４５体積％と、Ａｌ含有化合物を１０体積％以下と、残部の酸化アルミニウムとの合計含有量を９５体積％以上に、金属間化合物，スピネル酸化物，周期律表の２ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａ族金属の酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の調整物質を５体積％以下含有させることも好ましいことである。
【００１６】
さらに、同様に本発明の複合セラミックス焼結体における別の形態として、上述した３物質である炭窒化チタンを１５〜４５体積％と、Ａｌ含有化合物を１０体積％以下と、残部の酸化アルミニウムとの合計含有量を８５体積％以上に、上述の補強物質を１０体積％以下と、上述の調整物質を５体積％以下含有させることも好ましいことである。
【００１７】
上述した別の形態を構成する物質のうち、補強物質は、主として相手材との反応性を抑制させる作用をする物質であり、直接的に反応を防止させる作用となる場合、熱伝導性を高めて表面の熱を放出させる作用となる場合、これらの併合となる場合があり、具体的には、ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＯ，Ｔｉ（Ｃ，Ｏ），Ｔｉ（Ｎ，Ｏ），Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）でなるＴｉ含有化合物、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｃ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｏ，（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｏ），（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ，（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇ）（Ｎ，Ｏ）でなるＴｉとＡｌの含有化合物、Ｔｉ3Ａｌ，ＴｉＡｌ，ＴｉＡｌ3でなる金属間化合物の中から選ばれた少なくとも１種からなるものである。
【００１８】
この補強物質は、炭窒化チタンと同様に、化学量論組成または非化学量論組成であってもよく、一般的な化学式で表示すると、特にＴｉＮ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｃ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｏ，（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ，（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇ）（Ｎ，Ｏ），Ｔｉ3Ａｌ，ＴｉＡｌ，ＴｉＡｌ3の中から選ばれた少なくとも１種からなる場合には、上述の作用効果を強く発揮させ得ることから好ましいことである。この補強物質は、平均粒径が２μｍ以下でなる場合、特に１μｍ以下で均一分布されている場合が炭窒化チタンと同様の理由から好ましく、この補強物質の含有量が焼結体全体に対して１０体積％を超えて多くなると、炭窒化チタンと共存することによる相互の効果および作用が発揮され難くなって、耐反応性，耐溶着性が低下し、工具自体への急激な損傷および相手材への損傷をも生じさせることになる。
【００１９】
別の形態を構成するもう一つの物質である調整物質は、具体的には、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｎの微量の金属，合金、微量のカーボン、Ｔｉ3Ｎｉ，ＴｉＮｉ，ＴｉＮｉ3，Ａｌ3Ｎｉ，ＡｌＮｉ，ＡｌＮｉ3，ＴｉーＮｉーＡｌの金属間化合物、スピネル酸化物，周期律表の２ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａ族金属の酸化物およびこれらの相互固溶体、炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、カーボンウイスカー、炭化珪素ウイスカーの中から選ばれた少なくとも１種からなる物質を挙げることができる。
【００２０】
これらの調整物質のうち、Ａｌ2ＭｇＯ4に代表されるスピネル酸化物，周期律表の２ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａ族金属の酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の調整物質からなる場合には、酸化アルミニウムの結晶粒子成長抑制にすぐれていること、上述の３物質の粒界強化にすぐれていることから好ましく、特に，部分安定化酸化ジルコニウム，酸化マグネシウム，酸化イットリウム，酸化ハフニウムの１種または２種からなる場合が好ましいことである。このときの部分安定化酸化ジルコニウムは、具体的には、例えばＳｃ、Ｙを含めた希土類元素の中の少なくとも１種の酸化物を安定化剤として含有しているものであり、この中でも特に好ましいのは、Ｙ2Ｏ3，Ｄｙ2Ｏ3，ＣｅＯ，Ｃｅ2Ｏ3，Ｅｒ2Ｏ3，およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種を挙げることができる。
【００２１】
このような構成でなる本発明のセラミックス焼結体を基材とし、この基材の少なくとも一部の面に周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素，Ａｌ，Ｓｉの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体、もしくはダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボン、立方晶窒化硼素、硬質窒化硼素の中から選ばれた１種の単層、または２種以上の積層でなる硬質膜を被覆した被覆セラミックス焼結体にすると、耐摩耗性、耐久性および長寿命性が達成されることから好ましいことである。
【００２２】
これらの硬質膜のうち、基材表面に隣接する硬質膜がＴｉの窒化物，炭窒化物，炭化物，窒酸化物，炭酸化物，炭窒酸化物ならびにＴｉとＡｌを含む複合窒化物，複合炭化物，複合炭窒化物，複合窒酸化物，複合炭酸化物，複合炭窒酸化物の中の１種の単層または２種以上の多層でなる場合には、基材との整合性が高く、耐剥離性にすぐれることから好ましいく、特にＴｉＮおよび／または（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎを含む硬質膜からなる場合が好ましいことである。
【００２３】
このときの硬質膜を含む被膜構成は、基材に隣接して直接硬質膜を被覆させるような構成でもよく、または硬質膜と基材との間に硬質膜以外の物質でなる単層、または多層の内層を形成させること、硬質膜の表面に硬質膜とは異質な外層を形成させる被膜構成とすることも好ましいことである。硬質膜以外の膜のうち、内層は、金属，合金，金属間化合物からなる場合、具体的には、例えばチタン、タンタル、タングステンなどの周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属，珪素、これらの合金、もしくはＴｉＡｌ3，Ｔｉ3Ａｌ，ＴｉＡｌ，Ａｌ3Ｎｉ，ＡｌＮｉ3，ＡｌＮｉ，Ｔｉ−Ａｌ−Ｎｉの金属間化合物の中の１種の単層、または２種以上の多層からなる場合を挙げることができる。
【００２４】
この内層は、硬質膜と基材との付着性、密着性の向上、および硬質膜を形成させるための核生成の促進や硬質膜の結晶促進としての作用を発揮することから好ましいことである。この内層が介在した被膜構成の場合には、内層を構成する金属元素が硬質膜中に拡散した状態になることもあり、このときは、内層と硬質膜との付着性がより一層すぐれることから好ましいことである。
【００２５】
これらの内層、硬質膜の被膜構成は、具体的には、例えばＴｉＣ，ＴｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），Ｔｉ（Ｎ，Ｏ），Ｔｉ（Ｃ，Ｏ），Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｎ，Ｏ）の中の１種の単層、または２種以上の多層でなる硬質膜、ＴｉＮーＡｌ2Ｏ3，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）ーＡｌ2Ｏ3，Ｔｉ（Ｎ，Ｏ）ーＡｌ2Ｏ3，（Ｔｉ，Ａｌ）ＮーＡｌ2Ｏ3，（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｎ，Ｏ）ーＡｌ2Ｏ3の中の１種に代表される硬質膜の組み合わせの被膜構成、、ならびにＴｉ−ＴｉＮ−Ａｌ2Ｏ3ーＴｉＮ，Ｔｉ−Ａｌ2Ｏ3ーＴｉＮ，ＴｉＡｌーＴｉ（Ｃ，Ｎ）−ＴｉＣ−Ａｌ2Ｏ3，ＴｉーＴｉＮ−（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，Ｔｉ−ＴｉＮ−ＳｉＣ−ダイヤモンド，Ｔｉ−ＴｉＮ，（ＴｉＡｌ）−ＴｉＮ，Ｔｉ−（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，（ＴｉＡｌ）−（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの中の１種に代表される内層と硬質膜との組み合わせの被膜構成でなる場合を挙げることができる。
【００２６】
このときの硬質膜の膜厚さ、および内層が介在した場合の内層の膜厚さは、被膜の構成、硬質膜や内層のそれぞれの膜質、これらの被膜が被覆された被覆複合セラミックス焼結体の用途、形状などにより選定することが好ましいことである。このうち、硬質膜は、耐摩耗性、耐久性および長寿命性の効果を引き出させて、かつ硬質膜の耐剥離性を低下させないようにするために、０．５〜２０μｍ膜厚さ、好ましくは１〜１０μｍ膜厚さでなることである。また、内層を介在させる場合には、上述のような作用効果を引き出させることと、製造工程の短縮化などから、内層の膜厚さは、２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下からなる場合が好ましいことである。
【００２７】
本発明の複合セラミックス焼結体および被覆複合セラミックス焼結体は、従来の酸化アルミニウム系セラミックス焼結体よりも耐熱衝撃性、耐サーマルクラック性および高熱伝導性を必要とするような用途、具体的には、例えば切削工具、精密工具、機械工具、耐摩耗工具、摩擦摩耗工具、治具などに代表される各種の工具部品として用いると、耐久性、長寿命性が高まり、好ましいことである。これら本発明の複合セラミックス焼結体および被覆複合セラミックス焼結体は、工具の中でも切削工具として使用されることが好ましく、切削工具の中でも鋼加工用の切削工具として使用されると、特に耐溶着性、耐熱衝撃性、耐サーマルクラック性にすぐれること、工具自体の損傷および相手材である被削材の表面損傷が抑制されて長寿命となることから、好ましいことである。
【００２８】
切削工具としては、具体的には、例えば旋削工具，フライス工具、ドリル、エンドミル、スローアウエイチップに代表される切削工具として用いると、その焼結体の特性を最大に発揮させることが可能となり、好ましいことである。また、切削工具として用いる場合に、その対象となる被削材が鋼材料、鋳鉄材料、非鉄材料に大別されるが、特に鋼材料を切削する切削工具として用いると、耐溶着性，耐熱衝撃性および耐欠損性が顕著にすぐれることから好ましいことである。
【００２９】
これらの本発明の複合セラミックス焼結体および被覆複合セラミックス焼結体は、従来の粉末冶金法によるセラミックス焼結体の製法、および従来の硬質膜の被覆法により作製することができる。具体的には、例えば所定の組成成分でなる混合粉砕粉末を用いて、金型成形、押し出し成形、射出成形、鋳込み成形、および機械加工成形などにより所定形状の粉末成形体とした後、真空または非酸化性雰囲気中で加熱焼結することにより複合セラミックス焼結体を作製することができる。この複合セラミックス焼結体を基材として、焼結肌の状態、もしくは表面を機械加工または／および化学的処理（腐蝕処理）などを施した状態で、従来から行われている化学蒸着法、物理蒸着法、プラズマＣＶＤ法に代表される１種または２種以上を組み合わせた方法により、基材表面に硬質膜を被覆して被覆複合セラミックス焼結体を作製することができる。
【００３０】
【発明の実施形態】
【実施試験１】
平均粒径が約０．３μｍのαー酸化アルミニウム粉末と、平均粒径が約１〜２μｍで炭素元素と窒素元素との原子比の異なった炭窒化チタン粉末と、Ａｌの炭化物，窒化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物でなる平均粒径が１〜３μｍのＡｌ含有化合物粉末と、その他平均粒径約１〜２μｍの窒化チタン、酸化チタンを出発原料として使用し、表１に示した本発明品１〜１０用および比較品１〜５用の配合組成成分に秤量した。この表１に示した各種の配合組成成分の試料を、アセトン溶媒と超硬合金製ボールとともにボールミル用ポットに装入し、湿式混合粉砕を行った。こうして得たそれぞれの混合粉末に成形助剤であるパラフィンワックスを外掛けで５重量％添加混合および乾燥した後、金型を使用し、ＩＳＯ規格のＳＮＧＮ１２０４０８形状となるように成形し、粉末成形体を得た。これらの粉末成形体を予備焼結してパラフィンワックスを除去した後、アルゴン雰囲気中、２０７３Ｋで１時間保持の条件により焼結し、さらに１００ＭＰａのアルゴン雰囲気中、１９７３Ｋで１時間保持の条件により熱間静水圧処理を行い、本発明品１〜７および比較品１〜５を得た。
【００３１】
こうして得た本発明品１〜７および比較品１〜５を用いて、Ｎｉ板および鋼板（Ｓ４５Ｃ）との耐反応性試験、耐熱衝撃性試験、ならびに切削試験を行った。耐反応性試験は、Ｎｉ板による試験では、各試料の研磨面にＮｉ板を載置し、Ａｒ雰囲気中，温度１４７３Ｋ，圧力２０ＭＰａで７２時間保持し、鋼板による試験では、同様に各試料の研磨面に鋼板を載置し、真空中，温度１６２３Ｋ，圧力２．５ｋＰａで４８時間保持して行った。耐反応性試験結果は、Ｎｉまたは鋼と各試料との接触面におけるの反応層（拡散層）をＥＰＭＡ分析により確認し、反応層が小さい場合を○，反応層が大きい場合を×，その中間の反応層を△として表２に示した。熱衝撃性試験は、各試料を，大気中で温度４７３Ｋ，２分間保持した後、常温の水中にて急冷し、１０本のうち、クラックや破損が発生せずに正常な状態である本数を確認し、表２にその結果を併記した。
【００３２】
切削試験は、被削材：Ｓ４５Ｃ，切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ，切り込み：１．５ｍｍ，送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ，切削時間：３ｍｉｎ，工具形状：ＳＮＧＮ１２０４０８，ホーニング：０．１５×ー２５度，ドライ切削による連続旋削試験を行い、チッピング損傷、欠損、または平均逃げ面摩耗量が０．３ｍｍに達したときを寿命と判定し、寿命となる切削時間を求めて、比較品１に対する寿命比として、表２に併記した。
【００３３】
【表１】
【００３４】
【表２】
【００３５】
【実施試験２】
実施試験１において使用した出発原料粉末の他に、窒化チタン、ＴｉとＡｌを含む複合酸化物，複合窒化物，複合炭窒化物の各種粉末とを使用し、表３に示した本発明品８〜１３用の配合組成成分とした以外の製造条件は、実施試験１とほぼ同様として、本発明品８〜１３を得た。こうして得た本発明品８〜１３の焼結体を用いて、実施試験１における耐反応性試験，耐熱衝撃性試験および切削試験を行い、それぞれの結果を表４に示した。
【００３６】
【表３】
【００３７】
【表４】
【００３８】
【実施試験３】
実施試験１において使用した出発原料粉末の他に、平均粒径が０．５〜１．５・ｍの酸化マグネシウム，酸化イットリウム，３モル％のＹ2Ｏ3を安定化剤として含有した部分安定化酸化ジルコニウム，酸化ハフニウムの各種粉末とを使用し、表５に示した本発明品１４〜２１用の配合組成成分とした以外の製造条件は、実施試験１とほぼ同様として、本発明品１４〜２１を得た。こうして得た本発明品１４〜２１の焼結体を用いて、実施試験１における耐反応性試験，耐熱衝撃性試験および切削試験を行い、それぞれの結果を表６に示した。
【００３９】
【表５】
【００４０】
【表６】
【００４１】
【実施試験４】
実施試験１において使用した出発原料粉末の他に、平均粒径が０．５〜１．５・ｍの酸化マグネシウム、３モル％のＹ2Ｏ3を安定化剤として含有した部分安定化酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムの各種粉末とを使用し、表７に示した本発明品２２〜２９用の配合組成成分とした以外の製造条件は、実施試験１とほぼ同様として、本発明品２２〜２９を得た。こうして得た本発明品２２〜２９の焼結体を用いて、実施試験１における耐反応性試験，耐熱衝撃性試験および切削試験を行い、それぞれの結果を表８に示した。
【００４２】
【表７】
【００４３】
【表８】
【００４４】
【実施試験５】
実施試験１で得た本発明品５と、実施試験２で得た本発明品１２、１３と、実施試験３で得た本発明品１５、１８と、実施試験４で得た本発明品２４、２７を基材とし、ＳＮＧＮ１２０４０８形状の各基材を、アークイオンプレーテイング装置の反応容器内に配置し、各基材表面に硬質膜，内層と硬質膜，硬質膜と外層，または内層と硬質膜と外層を被覆し、それぞれの基材番号順に本発明品３０〜３６の被覆複合セラミックス焼結体を得た。こうして得た本発明品３０〜３６を用いて、実施試験１における切削試験を行った結果、実施試験１の比較例１に対する寿命比がほぼ４．７〜５．３と非常に長寿命であることが確認できた。
【００４５】
【表９】
【００４６】
【発明の効果】
本発明の酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体および被覆複合セラミックス焼結体は、従来の酸化アルミニウム系セラミックス焼結体に対比して、バラツキが小さく、安定した品質であること、特に鉄系材料との耐反応性、耐溶着性にすぐれていること、耐熱衝撃性にすぐれていること、切削工具として使用した場合に、耐摩耗性，耐欠損性，耐チッピング性，耐溶着性，耐熱衝撃性，耐サーマルクラック性および被膜と基材との耐剥離性にすぐれていること、被削材への損傷性が非常に少ないこと、これらがバランス良く総合されて、長寿命になるという顕著な効果を有するものである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化アルミニウム中に、炭素元素と窒素元素との原子比が最適に選定された炭窒化チタンと、Ａｌの炭化物，炭窒化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物の中から選ばれた少なくとも１種のＡｌ含有化合物とを含む酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体、ならびにこの酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体の基材表面に被膜が被覆された被覆複合セラミックス焼結体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、セラミックス焼結体は、酸化物系セラミックス焼結体と非酸化物系セラミックス焼結体に大別される。これらの酸化物系セラミックス焼結体や非酸化物系セラミックス焼結体は、一部が切削工具や耐摩耗工具などの工具として実用されている。工具として実用されるセラミックス焼結体は、高硬度性，高靱性などを要求され、特に高負荷と高温という過酷な条件で実用される切削工具の場合には、耐欠損性，耐摩耗性，靱性，強度および耐酸化性などの特性のより一層の向上が要求されている。このような要求から開発されたセラミックス焼結体の一つとして、主成分の酸化アルミニウムに炭化チタン，窒化チタン，炭窒化チタンなどの非酸化物を含有した酸化アルミニウム系セラミックス焼結体があり、その代表的なものに特開昭５１ー５２１６号公報，特開昭５３ー１２７５１４号公報，特開昭５３ー１３０２０８号公報，特開昭５４ー７２２１０号公報，特開昭５４ー３７１１４号公報，特開昭５４ー１２６２０８号公報，特開平５ー２０８３０３号公報および特開平５ー２０８３０４号公報がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
先行の引用文献として上述した酸化アルミニウム系セラミックス焼結体のうち、特開昭５１ー５２１６号公報には、酸化アルミニウムと炭化チタンー窒化チタンの固溶体とからなる切削工具用焼結部材について開示されており、特開昭５３ー１２７５１４号公報には、Ｔｉ（Ｃｘ，Ｎｙ）ｚの炭窒化チタン粉末とＡｌ2Ｏ3主成分の粉末との混合粉末を焼結した切削工具用材料について開示されており、特開平５ー２０８３０３号公報には、Ａｌ2Ｏ3−Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）系焼結体の表面から内部に向かってＣ／Ｃ＋Ｎが減少したセラミックス切削工具について開示されており、特開昭５３ー１３０２０８号公報および特開昭５４ー１２６２０８号公報には、Ａｌ2Ｏ3とＴｉＮとからなる切削用工具材料について開示されている。
【０００４】
これらの先行引用文献のうち、前者の２件に開示の焼結体は、Ａｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系焼結体が耐摩耗性および耐熱衝撃性に劣っているという問題を解決することを目的とし、特開平５ー２０８３０３号公報に開示のセラミックス切削工具は、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣＮ系焼結体が難焼結性であること、その焼結体の組織が粗大化し易いこと、靱性および耐欠損性の低下が顕著であるという問題を解決することを目的とし、後者の２件に開示の焼結体は、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系焼結体が靱性および耐欠損性に劣っているという問題を解決することを目的としているものである。
【０００５】
また、先行の引用文献のうち、特開昭５４ー３７１１４号公報には、Ａｌ2Ｏ3とＴｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）との組成を有する切削工具用セラミックスについて開示されており、特開昭５４ー７２２１０号公報には、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族の金属、炭化物、窒化物、酸化物、固溶体の１種以上と、窒化アルミニウムと、酸化アルミニウムとからなる高靱性セラミックスについて開示されており、特開平５ー２０８３０４号公報には、Ａｌ2Ｏ3とＴｉ（Ｃ，Ｎ）とＹ2Ｏ3および／またはＭｇＯとからなるセラミックスについて開示されている。これらの引用文献のうち、特開昭５４ー３７１１４号公報に開示のセラミックスは、Ａｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系焼結体やＡｌ2Ｏ3ーＴｉＣ系焼結体が靱性、強度、耐酸化性に劣り、耐クレータ摩耗性および耐逃げ面摩耗性に満足されていないという問題を解決することを目的とし、特開昭５４ー７２２１０号公報に開示のセラミックスは、Ａｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系焼結体，Ａｌ2Ｏ3ーＴｉＣ系焼結体およびＡｌ2Ｏ3ーＴｉＮ系焼結体に対し、さらに耐摩耗性、耐酸化性、、耐熱性および強度を高めることを目的し、特開平５ー２０８３０４号公報に開示のセラミックスは、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣＮ系焼結体が高速断続切削、フライス切削における耐熱衝撃性および耐欠損性に劣り、信頼性に乏しいという問題を解決することを目的としているものである。
【０００６】
上述した８件の引用文献は、それぞれ当初の目的を達成したものであるが、近年のようにエコロジー問題，省資源問題に端を発して、切削油を使用しないで切削するドライ切削用工具，被削材の材質変更などを含めた多様化に伴う最適切削工具，ならびに高速切削条件や高負荷切削条件においても、さらに長寿命となる切削工具への要望が高まっているのに対し、これら８件の公報に開示のセラミックス切削工具では満足されなく、特に耐熱衝撃性，耐溶着性，高温耐摩耗性が劣ることから、満足されないという課題がある。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決した酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体およびこの焼結体を基材とし、基材表面に硬質膜の被覆を施した被覆複合セラミックス焼結体に関するものであり、具体的には、酸化アルミニウムと炭窒化チタンに被削材などの相手材との潤滑性，耐反応性（相手材と反応し難い物質），熱伝導性にすぐれている物質、酸化アルミニウムや炭窒化チタンとの整合性のよい物質を含有させることにより、特に高温領域における耐溶着性，耐酸化性，耐熱衝撃性，硬さ，強度，靱性にすぐれた複合セラミックス焼結体および被覆複合セラミックス焼結体の提供を目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、長年に亘って研究してきた酸化アルミニウム含有セラミックス焼結体に関する研究成果の蓄積に基づいて、エコロジー問題，省資源問題という最近の市場の要望を満足させ得る課題解決について検討していたところ、第１に酸化アルミニウム含有セラミックス焼結体を切削工具や摺動部品に代表される工具として使用した場合に、実用時において、工具と切削工具における被削材に相当する相手材との反応性が非常に大きな問題となること、第２に酸化アルミニウム含有セラミックス焼結体に含有されているＴｉＣ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）またはＴｉＮでなる単一のＴｉ化合物は、靱性、強度を向上させる効果がある一方、逆に金属材料である相手材に含有されているＮｉ，ＣｏなどのＦｅ族金属のＴｉ化合物への溶解性が大きいことから、実用時における反応性が高くなること、第３に工具と相手材との反応性を抑制させるためには、実用時に発生する工具表面の熱を放熱させること、工具表面の潤滑性を高めさせること、工具表面にＦｅ族金属との親和性が低い物質を存在させることが有効であるという知見を得て、本発明を完成するに至ったものである。
【０００９】
すなわち、本発明の酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体は、炭素元素（Ｃ）と窒素元素（Ｎ）との原子比がＣ：Ｎ＝０．１〜０．７：０．３〜０．９からなる炭窒化チタンを１５〜４５体積％と、Ａｌの炭化物，炭窒化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物の中から選ばれた少なくとも１種のＡｌ含有化合物を１０体積％以下と、残部が酸化アルミニウムと不可避不純物とからなるものである。
【００１０】
【発明の実施態様】
本発明の複合セラミックス焼結体は、炭窒化チタンとＡｌ含有化合物と酸化アルミニウムとの３物質を少なくとも含有しており、これらの３物質、特に炭窒化チタンが化学量論組成、または非化学量論組成のどちらの状態で存在していてもよく、この炭窒化チタンを構成している元素のうち、Ｔｉ金属元素に対する炭素元素と窒素元素との合計の原子比が０．８以上でなる場合、特に０．９以上でなる場合には、相手材との反応性が低いことから好ましいことである。この炭窒化チタンを構成している非金属元素のうち、特に炭素元素と窒素元素との原子比が炭素元素：窒素元素＝０．１〜０．５：０．５〜０．９でなる場合には、以下に詳述するＡｌ含有化合物との安定共存となるとともに、相手材との反応性も低くなることから好ましいことである。
【００１１】
この炭窒化チタンは、平均粒径が２μｍ以下でなる場合、特に平均粒径が１μｍ以下でなる場合が強度、靱性、耐欠損性、耐摩耗性を高めることになるので好ましく、さらに均一に分布されていることが好ましいことである。この炭窒化チタンの含有量は、焼結体全体に対して１５体積％未満になると、強度、靱性、耐欠損性の低下が顕著になること、逆に４５体積％を超えて多くなると、耐反応性，耐溶着性が低下し、自身への急激な損傷および相手材への損傷を生じさせる傾向が強くなる。
【００１２】
上述の３物質の一つであるＡｌ含有化合物は、炭窒化チタンと同様に、化学量論組成、または非化学量論組成のどちらの状態で存在していてもよく、特に化学量論組成または化学量論組成に近似した非化学量論組成でなる場合には、被削材材などの他物質との反応性が抑制されることから好ましいことである。このＡｌ含有化合物は、一般的な化学式で表示すると、Ａｌ4Ｃ3，Ａｌ（Ｃ，Ｎ），Ａｌ（Ｃ，Ｏ），Ａｌ（Ｎ，Ｏ），Ａｌ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）の中から選ばれた少なくとも１種からなるものである。このＡｌ含有化合物は、熱伝導性を高める効果、耐熱衝撃性，高温での強度および靱性を高める効果があり、このＡｌ含有化合物の含有量が焼結体全体に対して１０体積％を超えて多くなると、これらの効果の低下が顕著となる。
【００１３】
上述の３物質の中の主成分である酸化アルミニウムは、αー酸化アルミニウムからなる場合、このαー酸化アルミニウムにκー酸化アルミニウム，γー酸化アルミニウムなどに代表される他の結晶構造でなる酸化アルミニウムが微量に含有されている場合である。この酸化アルミニウムは、強度、靱性を高めるために、平均粒径１μｍ以下の均一な微細粒子とすることが好ましく、特に平均粒径０．５μｍ以下とすることが好ましいことである。また、不可避不純物としては、本発明の焼結体を作製するときに使用する各種の粉末からなる出発原料に含有されている不純物と、製造工程から混入してくる不純物がある。このうち、出発原料に含有している不純物は、可能な限り少なくなるようにすることが好ましく、特に焼結後に析出物として残存する場合、または他の物質と化合物を形成し、残存する場合には、その不純物量を極力減少させた出発原料を使用することが好ましいことである。
【００１４】
本発明の複合セラミックス焼結体は、上述した３物質を必須の構成比および構成物質とし、焼結体の特性を高める目的でその他の物質を添加した別の形態とすることも好ましく、具体的には、別の形態としては、上述した３物質である炭窒化チタンを１５〜４５体積％と、Ａｌ含有化合物を１０体積％以下と、残部の酸化アルミニウムとの合計含有量を９０体積％以上に、Ｔｉの窒化物，炭化物，酸化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物、ならびにＴｉとＡｌを含む複合窒化物，複合炭化物，複合酸化物、複合炭窒化物，複合炭酸化物，複合窒酸化物，複合炭窒酸化物，ＴｉとＡｌを含む金属間化合物，の中から選ばれた少なくとも１種の補強物質を１０体積％以下含有させることも好ましいことである。
【００１５】
また、同様に本発明の複合セラミックス焼結体における別の形態として、上述した３物質である炭窒化チタンを１５〜４５体積％と、Ａｌ含有化合物を１０体積％以下と、残部の酸化アルミニウムとの合計含有量を９５体積％以上に、金属間化合物，スピネル酸化物，周期律表の２ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａ族金属の酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の調整物質を５体積％以下含有させることも好ましいことである。
【００１６】
さらに、同様に本発明の複合セラミックス焼結体における別の形態として、上述した３物質である炭窒化チタンを１５〜４５体積％と、Ａｌ含有化合物を１０体積％以下と、残部の酸化アルミニウムとの合計含有量を８５体積％以上に、上述の補強物質を１０体積％以下と、上述の調整物質を５体積％以下含有させることも好ましいことである。
【００１７】
上述した別の形態を構成する物質のうち、補強物質は、主として相手材との反応性を抑制させる作用をする物質であり、直接的に反応を防止させる作用となる場合、熱伝導性を高めて表面の熱を放出させる作用となる場合、これらの併合となる場合があり、具体的には、ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＯ，Ｔｉ（Ｃ，Ｏ），Ｔｉ（Ｎ，Ｏ），Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）でなるＴｉ含有化合物、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｃ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｏ，（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｏ），（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ，（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇ）（Ｎ，Ｏ）でなるＴｉとＡｌの含有化合物、Ｔｉ3Ａｌ，ＴｉＡｌ，ＴｉＡｌ3でなる金属間化合物の中から選ばれた少なくとも１種からなるものである。
【００１８】
この補強物質は、炭窒化チタンと同様に、化学量論組成または非化学量論組成であってもよく、一般的な化学式で表示すると、特にＴｉＮ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｃ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｏ，（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ，（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇ）（Ｎ，Ｏ），Ｔｉ3Ａｌ，ＴｉＡｌ，ＴｉＡｌ3の中から選ばれた少なくとも１種からなる場合には、上述の作用効果を強く発揮させ得ることから好ましいことである。この補強物質は、平均粒径が２μｍ以下でなる場合、特に１μｍ以下で均一分布されている場合が炭窒化チタンと同様の理由から好ましく、この補強物質の含有量が焼結体全体に対して１０体積％を超えて多くなると、炭窒化チタンと共存することによる相互の効果および作用が発揮され難くなって、耐反応性，耐溶着性が低下し、工具自体への急激な損傷および相手材への損傷をも生じさせることになる。
【００１９】
別の形態を構成するもう一つの物質である調整物質は、具体的には、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｎの微量の金属，合金、微量のカーボン、Ｔｉ3Ｎｉ，ＴｉＮｉ，ＴｉＮｉ3，Ａｌ3Ｎｉ，ＡｌＮｉ，ＡｌＮｉ3，ＴｉーＮｉーＡｌの金属間化合物、スピネル酸化物，周期律表の２ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａ族金属の酸化物およびこれらの相互固溶体、炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、カーボンウイスカー、炭化珪素ウイスカーの中から選ばれた少なくとも１種からなる物質を挙げることができる。
【００２０】
これらの調整物質のうち、Ａｌ2ＭｇＯ4に代表されるスピネル酸化物，周期律表の２ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａ族金属の酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の調整物質からなる場合には、酸化アルミニウムの結晶粒子成長抑制にすぐれていること、上述の３物質の粒界強化にすぐれていることから好ましく、特に，部分安定化酸化ジルコニウム，酸化マグネシウム，酸化イットリウム，酸化ハフニウムの１種または２種からなる場合が好ましいことである。このときの部分安定化酸化ジルコニウムは、具体的には、例えばＳｃ、Ｙを含めた希土類元素の中の少なくとも１種の酸化物を安定化剤として含有しているものであり、この中でも特に好ましいのは、Ｙ2Ｏ3，Ｄｙ2Ｏ3，ＣｅＯ，Ｃｅ2Ｏ3，Ｅｒ2Ｏ3，およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種を挙げることができる。
【００２１】
このような構成でなる本発明のセラミックス焼結体を基材とし、この基材の少なくとも一部の面に周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素，Ａｌ，Ｓｉの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体、もしくはダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボン、立方晶窒化硼素、硬質窒化硼素の中から選ばれた１種の単層、または２種以上の積層でなる硬質膜を被覆した被覆セラミックス焼結体にすると、耐摩耗性、耐久性および長寿命性が達成されることから好ましいことである。
【００２２】
これらの硬質膜のうち、基材表面に隣接する硬質膜がＴｉの窒化物，炭窒化物，炭化物，窒酸化物，炭酸化物，炭窒酸化物ならびにＴｉとＡｌを含む複合窒化物，複合炭化物，複合炭窒化物，複合窒酸化物，複合炭酸化物，複合炭窒酸化物の中の１種の単層または２種以上の多層でなる場合には、基材との整合性が高く、耐剥離性にすぐれることから好ましいく、特にＴｉＮおよび／または（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎを含む硬質膜からなる場合が好ましいことである。
【００２３】
このときの硬質膜を含む被膜構成は、基材に隣接して直接硬質膜を被覆させるような構成でもよく、または硬質膜と基材との間に硬質膜以外の物質でなる単層、または多層の内層を形成させること、硬質膜の表面に硬質膜とは異質な外層を形成させる被膜構成とすることも好ましいことである。硬質膜以外の膜のうち、内層は、金属，合金，金属間化合物からなる場合、具体的には、例えばチタン、タンタル、タングステンなどの周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属，珪素、これらの合金、もしくはＴｉＡｌ3，Ｔｉ3Ａｌ，ＴｉＡｌ，Ａｌ3Ｎｉ，ＡｌＮｉ3，ＡｌＮｉ，Ｔｉ−Ａｌ−Ｎｉの金属間化合物の中の１種の単層、または２種以上の多層からなる場合を挙げることができる。
【００２４】
この内層は、硬質膜と基材との付着性、密着性の向上、および硬質膜を形成させるための核生成の促進や硬質膜の結晶促進としての作用を発揮することから好ましいことである。この内層が介在した被膜構成の場合には、内層を構成する金属元素が硬質膜中に拡散した状態になることもあり、このときは、内層と硬質膜との付着性がより一層すぐれることから好ましいことである。
【００２５】
これらの内層、硬質膜の被膜構成は、具体的には、例えばＴｉＣ，ＴｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），Ｔｉ（Ｎ，Ｏ），Ｔｉ（Ｃ，Ｏ），Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｎ，Ｏ）の中の１種の単層、または２種以上の多層でなる硬質膜、ＴｉＮーＡｌ2Ｏ3，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）ーＡｌ2Ｏ3，Ｔｉ（Ｎ，Ｏ）ーＡｌ2Ｏ3，（Ｔｉ，Ａｌ）ＮーＡｌ2Ｏ3，（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｎ，Ｏ）ーＡｌ2Ｏ3の中の１種に代表される硬質膜の組み合わせの被膜構成、、ならびにＴｉ−ＴｉＮ−Ａｌ2Ｏ3ーＴｉＮ，Ｔｉ−Ａｌ2Ｏ3ーＴｉＮ，ＴｉＡｌーＴｉ（Ｃ，Ｎ）−ＴｉＣ−Ａｌ2Ｏ3，ＴｉーＴｉＮ−（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，Ｔｉ−ＴｉＮ−ＳｉＣ−ダイヤモンド，Ｔｉ−ＴｉＮ，（ＴｉＡｌ）−ＴｉＮ，Ｔｉ−（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，（ＴｉＡｌ）−（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの中の１種に代表される内層と硬質膜との組み合わせの被膜構成でなる場合を挙げることができる。
【００２６】
このときの硬質膜の膜厚さ、および内層が介在した場合の内層の膜厚さは、被膜の構成、硬質膜や内層のそれぞれの膜質、これらの被膜が被覆された被覆複合セラミックス焼結体の用途、形状などにより選定することが好ましいことである。このうち、硬質膜は、耐摩耗性、耐久性および長寿命性の効果を引き出させて、かつ硬質膜の耐剥離性を低下させないようにするために、０．５〜２０μｍ膜厚さ、好ましくは１〜１０μｍ膜厚さでなることである。また、内層を介在させる場合には、上述のような作用効果を引き出させることと、製造工程の短縮化などから、内層の膜厚さは、２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下からなる場合が好ましいことである。
【００２７】
本発明の複合セラミックス焼結体および被覆複合セラミックス焼結体は、従来の酸化アルミニウム系セラミックス焼結体よりも耐熱衝撃性、耐サーマルクラック性および高熱伝導性を必要とするような用途、具体的には、例えば切削工具、精密工具、機械工具、耐摩耗工具、摩擦摩耗工具、治具などに代表される各種の工具部品として用いると、耐久性、長寿命性が高まり、好ましいことである。これら本発明の複合セラミックス焼結体および被覆複合セラミックス焼結体は、工具の中でも切削工具として使用されることが好ましく、切削工具の中でも鋼加工用の切削工具として使用されると、特に耐溶着性、耐熱衝撃性、耐サーマルクラック性にすぐれること、工具自体の損傷および相手材である被削材の表面損傷が抑制されて長寿命となることから、好ましいことである。
【００２８】
切削工具としては、具体的には、例えば旋削工具，フライス工具、ドリル、エンドミル、スローアウエイチップに代表される切削工具として用いると、その焼結体の特性を最大に発揮させることが可能となり、好ましいことである。また、切削工具として用いる場合に、その対象となる被削材が鋼材料、鋳鉄材料、非鉄材料に大別されるが、特に鋼材料を切削する切削工具として用いると、耐溶着性，耐熱衝撃性および耐欠損性が顕著にすぐれることから好ましいことである。
【００２９】
これらの本発明の複合セラミックス焼結体および被覆複合セラミックス焼結体は、従来の粉末冶金法によるセラミックス焼結体の製法、および従来の硬質膜の被覆法により作製することができる。具体的には、例えば所定の組成成分でなる混合粉砕粉末を用いて、金型成形、押し出し成形、射出成形、鋳込み成形、および機械加工成形などにより所定形状の粉末成形体とした後、真空または非酸化性雰囲気中で加熱焼結することにより複合セラミックス焼結体を作製することができる。この複合セラミックス焼結体を基材として、焼結肌の状態、もしくは表面を機械加工または／および化学的処理（腐蝕処理）などを施した状態で、従来から行われている化学蒸着法、物理蒸着法、プラズマＣＶＤ法に代表される１種または２種以上を組み合わせた方法により、基材表面に硬質膜を被覆して被覆複合セラミックス焼結体を作製することができる。
【００３０】
【発明の実施形態】
【実施試験１】
平均粒径が約０．３μｍのαー酸化アルミニウム粉末と、平均粒径が約１〜２μｍで炭素元素と窒素元素との原子比の異なった炭窒化チタン粉末と、Ａｌの炭化物，窒化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物でなる平均粒径が１〜３μｍのＡｌ含有化合物粉末と、その他平均粒径約１〜２μｍの窒化チタン、酸化チタンを出発原料として使用し、表１に示した本発明品１〜１０用および比較品１〜５用の配合組成成分に秤量した。この表１に示した各種の配合組成成分の試料を、アセトン溶媒と超硬合金製ボールとともにボールミル用ポットに装入し、湿式混合粉砕を行った。こうして得たそれぞれの混合粉末に成形助剤であるパラフィンワックスを外掛けで５重量％添加混合および乾燥した後、金型を使用し、ＩＳＯ規格のＳＮＧＮ１２０４０８形状となるように成形し、粉末成形体を得た。これらの粉末成形体を予備焼結してパラフィンワックスを除去した後、アルゴン雰囲気中、２０７３Ｋで１時間保持の条件により焼結し、さらに１００ＭＰａのアルゴン雰囲気中、１９７３Ｋで１時間保持の条件により熱間静水圧処理を行い、本発明品１〜７および比較品１〜５を得た。
【００３１】
こうして得た本発明品１〜７および比較品１〜５を用いて、Ｎｉ板および鋼板（Ｓ４５Ｃ）との耐反応性試験、耐熱衝撃性試験、ならびに切削試験を行った。耐反応性試験は、Ｎｉ板による試験では、各試料の研磨面にＮｉ板を載置し、Ａｒ雰囲気中，温度１４７３Ｋ，圧力２０ＭＰａで７２時間保持し、鋼板による試験では、同様に各試料の研磨面に鋼板を載置し、真空中，温度１６２３Ｋ，圧力２．５ｋＰａで４８時間保持して行った。耐反応性試験結果は、Ｎｉまたは鋼と各試料との接触面におけるの反応層（拡散層）をＥＰＭＡ分析により確認し、反応層が小さい場合を○，反応層が大きい場合を×，その中間の反応層を△として表２に示した。熱衝撃性試験は、各試料を，大気中で温度４７３Ｋ，２分間保持した後、常温の水中にて急冷し、１０本のうち、クラックや破損が発生せずに正常な状態である本数を確認し、表２にその結果を併記した。
【００３２】
切削試験は、被削材：Ｓ４５Ｃ，切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ，切り込み：１．５ｍｍ，送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ，切削時間：３ｍｉｎ，工具形状：ＳＮＧＮ１２０４０８，ホーニング：０．１５×ー２５度，ドライ切削による連続旋削試験を行い、チッピング損傷、欠損、または平均逃げ面摩耗量が０．３ｍｍに達したときを寿命と判定し、寿命となる切削時間を求めて、比較品１に対する寿命比として、表２に併記した。
【００３３】
【表１】
【表２】
【実施試験２】
実施試験１において使用した出発原料粉末の他に、窒化チタン、ＴｉとＡｌを含む複合酸化物，複合窒化物，複合炭窒化物の各種粉末とを使用し、表３に示した本発明品８〜１３用の配合組成成分とした以外の製造条件は、実施試験１とほぼ同様として、本発明品８〜１３を得た。こうして得た本発明品８〜１３の焼結体を用いて、実施試験１における耐反応性試験，耐熱衝撃性試験および切削試験を行い、それぞれの結果を表４に示した。
【００３６】
【表３】
【表４】
【実施試験３】
実施試験１において使用した出発原料粉末の他に、平均粒径が０．５〜１．５・ｍの酸化マグネシウム，酸化イットリウム，３モル％のＹ2Ｏ3を安定化剤として含有した部分安定化酸化ジルコニウム，酸化ハフニウムの各種粉末とを使用し、表５に示した本発明品１４〜２１用の配合組成成分とした以外の製造条件は、実施試験１とほぼ同様として、本発明品１４〜２１を得た。こうして得た本発明品１４〜２１の焼結体を用いて、実施試験１における耐反応性試験，耐熱衝撃性試験および切削試験を行い、それぞれの結果を表６に示した。
【００３９】
【表５】
【表６】
【実施試験４】
実施試験１において使用した出発原料粉末の他に、平均粒径が０．５〜１．５・ｍの酸化マグネシウム、３モル％のＹ2Ｏ3を安定化剤として含有した部分安定化酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムの各種粉末とを使用し、表７に示した本発明品２２〜２９用の配合組成成分とした以外の製造条件は、実施試験１とほぼ同様として、本発明品２２〜２９を得た。こうして得た本発明品２２〜２９の焼結体を用いて、実施試験１における耐反応性試験，耐熱衝撃性試験および切削試験を行い、それぞれの結果を表８に示した。
【００４２】
【表７】
【表８】
【実施試験５】
実施試験１で得た本発明品５と、実施試験２で得た本発明品１２、１３と、実施試験３で得た本発明品１５、１８と、実施試験４で得た本発明品２４、２７を基材とし、ＳＮＧＮ１２０４０８形状の各基材を、アークイオンプレーテイング装置の反応容器内に配置し、各基材表面に硬質膜，内層と硬質膜，硬質膜と外層，または内層と硬質膜と外層を被覆し、それぞれの基材番号順に本発明品３０〜３６の被覆複合セラミックス焼結体を得た。こうして得た本発明品３０〜３６を用いて、実施試験１における切削試験を行った結果、実施試験１の比較例１に対する寿命比がほぼ４．７〜５．３と非常に長寿命であることが確認できた。
【００４５】
【表９】
【発明の効果】
本発明の酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体および被覆複合セラミックス焼結体は、従来の酸化アルミニウム系セラミックス焼結体に対比して、バラツキが小さく、安定した品質であること、特に鉄系材料との耐反応性、耐溶着性にすぐれていること、耐熱衝撃性にすぐれていること、切削工具として使用した場合に、耐摩耗性，耐欠損性，耐チッピング性，耐溶着性，耐熱衝撃性，耐サーマルクラック性および被膜と基材との耐剥離性にすぐれていること、被削材への損傷性が非常に少ないこと、これらがバランス良く総合されて、長寿命になるという顕著な効果を有するものである。
Claims (10)
- 炭素元素（Ｃ）と窒素元素（Ｎ）との原子比がＣ：Ｎ＝０．１〜０．７：０．３〜０．９からなる炭窒化チタンを１５〜４５体積％と、Ａｌの炭化物，炭窒化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物、の中から選ばれた少なくとも１種のＡｌ含有化合物を１０体積％以下と、残部が酸化アルミニウムと不可避不純物とからなる酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体。
- 炭素元素（Ｃ）と窒素元素（Ｎ）との原子比がＣ：Ｎ＝０．１〜０．７：０．３〜０．９からなる炭窒化チタンを１５〜４５体積％と、Ａｌの炭化物，炭窒化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物の中から選ばれた少なくとも１種のＡｌ含有化合物を１０体積％以下と、残部の酸化アルミニウムとの合計含有量が９０体積％以上に、Ｔｉの窒化物，炭化物，酸化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物、ならびにＴｉとＡｌを含む複合窒化物，複合炭化物，複合酸化物、複合炭窒化物，複合炭酸化物，複合窒酸化物，複合炭窒酸化物，ＴｉとＡｌを含む金属間化合物，の中から選ばれた少なくとも１種の補強物質を１０体積％以下含有した酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体。
- 炭素元素（Ｃ）と窒素元素（Ｎ）との原子比がＣ：Ｎ＝０．１〜０．７：０．３〜０．９からなる炭窒化チタンを１５〜４５体積％と、Ａｌの炭化物，炭窒化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物の中から選ばれた少なくとも１種のＡｌ含有化合物を１０体積％以下と、残部の酸化アルミニウムとの合計含有量が９５体積％以上に、金属間化合物，スピネル酸化物，周期律表の２ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａ族金属の酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の調整物質を５体積％以下含有した酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体。
- 炭素元素（Ｃ）と窒素元素（Ｎ）との原子比がＣ：Ｎ＝０．１〜０．７：０．３〜０．９からなる炭窒化チタンを１５〜４５体積％と、Ａｌの炭化物，炭窒化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物の中から選ばれた少なくとも１種のＡｌ含有化合物を１０体積％以下と、残部の酸化アルミニウムとの合計含有量が８５体積％以上に、Ｔｉの窒化物，炭化物，酸化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物、ならびにＴｉとＡｌを含む複合窒化物，複合炭化物，複合酸化物、複合炭窒化物，複合炭酸化物，複合窒酸化物，複合炭窒酸化物，ＴｉとＡｌを含む金属間化合物，の中から選ばれた少なくとも１種の補強物質を１０体積％以下と金属間化合物，スピネル酸化物，周期律表の２ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａ族金属の酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の調整物質を５体積％以下とを含有した酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体。
- 上記補強物質は、Ｔｉの窒化物，ＴｉとＡｌを含む複合窒化物，複合炭化物，複合酸化物，複合炭窒化物，ＴｉとＡｌを含む金属間化合物の中から選ばれた少なくとも１種からなる請求項２または４に記載の酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体。
- 上記調整物質は、部分安定化酸化ジルコニウム，酸化マグネシウム，酸化イットリウム，酸化ハフミウムの中の少なくとも１種からなる請求項３または４に記載の酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体が切削工具として用いられる酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体。
- 請求項１〜７のいずれか１項に記載の酸化アルミニウム含有複合セラミックス焼結体を基材とし、該基材表面に、マイクロビッカース硬さで２０００ｋｇ／ｍｍ2以上の高硬度な物質からなる単層または多層でなる硬質膜が被覆されている被覆複合セラミックス焼結体。
- 上記硬質膜は、Ｔｉの炭化物，窒化物，炭窒化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物、酸化アルミニウム、ＴｉとＡｌを含有の窒化物の中の１種の単層または２種以上の多層である請求項８に記載の被覆複合セラミックス焼結体。
- 上記基材と上記硬質膜との間に基材および／または硬質膜を構成する金属，金属間化合物もしくは金属化合物から選ばれた少なくとも１種の単層または２種以上の多層でなる内層が被覆されている請求項８または９に記載の被覆複合セラミックス焼結体。
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