JP6064482B2 - Ceramic sintered body, method for producing the same, and tool - Google Patents

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本発明は、セラミック焼結体およびその製造方法、ならびに工具に関し、特に、酸窒化アルミニウムを含むセラミック焼結体およびその製造方法、ならびに工具に関する。   The present invention relates to a ceramic sintered body, a method for manufacturing the same, and a tool, and more particularly, to a ceramic sintered body containing aluminum oxynitride, a method for manufacturing the same, and a tool.

常圧相の酸窒化アルミニウムは、熱膨張係数が低く、鉄との反応性も低い。その特性から、常圧相の酸窒化アルミニウムは切削工具の材料としての利用が検討されてきたが、切削工具用材料としては硬さがビッカース硬度で1900Hv程度であり不十分であった。切削工具の望ましい硬度としては、被切削材の4倍程度が目安であると言われている。被切削材の一例である焼入鋼はロックウェル硬さで50HRC以上、ビッカース硬度換算で600Hv以上であるため、切削工具は2400Hv以上の硬度を所有していることが必要である。従って、常圧相の酸窒化アルミニウムは、高硬度の被切削材に対しては硬度の不足に伴う耐塑性変形性の不足により欠損が発生するため使用できなかった。なお、被切削材の4倍程度の硬度が必要であることに関して、たとえば杉田忠彰、他2名、「基礎切削加工学」、共立出版、p115に記載されている。また、常圧相の酸窒化アルミニウムの硬度と熱膨張係数に関して、たとえばコルビン(Normand D.Corbin)、「酸窒化アルミニウムスピネルに関する報告(AluminumOxynitride Spinel A Review)」、ジャーナルオブヨーロピアンセラミックソサエティ(Journal of European Ceramic Society)、英国、1989年、5、p.143−154、に記載されている。   The atmospheric pressure phase aluminum oxynitride has a low coefficient of thermal expansion and low reactivity with iron. Due to its characteristics, use of aluminum oxynitride in the atmospheric pressure phase as a cutting tool material has been studied, but the hardness of the cutting tool material is inadequate with a Vickers hardness of about 1900 Hv. It is said that the desired hardness of the cutting tool is about 4 times that of the workpiece. A hardened steel, which is an example of a workpiece, has a Rockwell hardness of 50 HRC or more and a Vickers hardness conversion of 600 Hv or more. Therefore, the cutting tool needs to possess a hardness of 2400 Hv or more. Accordingly, the normal pressure phase aluminum oxynitride cannot be used for a high-hardness workpiece due to lack of plastic deformation resistance due to insufficient hardness. For example, Tadaaki Sugita and two others, “Basic Cutting Processing Science”, Kyoritsu Shuppan, p115, describe that a hardness about 4 times that of the workpiece is required. Further, regarding hardness and thermal expansion coefficient of aluminum oxynitride in the atmospheric pressure phase, for example, Corvin (Normand D. Corbin), “Aluminum Oxynitride Spinel A Review”, Journal of European Ceramic Society (Journal of Europe). (Ceramic Society), UK, 1989, 5, p. 143-154.

また、特開2007−533593号公報には、炭化珪素ウイスカーを含むことで補強された酸窒化アルミニウムからなるセラミック体も開示されている。しかし、これは破壊靭性を改善するものであり、欠損や亀裂発生直後の進展を抑える効果しか期待できない。また鉄との反応性が高い炭化珪素を含んでいるため、例えば、クロム鋼(SCr)、クロムモリブデン鋼(SCM)、ニッケルクロム鋼(SNC)、ステンレス鋼(SUS)等の鉄を含有している鉄系材料の切削工具には不適である。   Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2007-533593 also discloses a ceramic body made of aluminum oxynitride reinforced by including silicon carbide whiskers. However, this improves the fracture toughness and can only be expected to suppress the progress immediately after the occurrence of defects and cracks. Moreover, since it contains silicon carbide having high reactivity with iron, it contains iron such as chromium steel (SCr), chromium molybdenum steel (SCM), nickel chromium steel (SNC), stainless steel (SUS), etc. It is not suitable for cutting tools made of ferrous materials.

特開2007−533593号公報JP 2007-533593 A

コルビン(Normand D.Corbin)、「酸窒化アルミニウムスピネルに関する報告(Aluminum Oxynitride Spinel:A Review)」、ジャーナルオブヨーロピアンセラミックソサエティJournal of European Ceramic Society)、英国、1989年、5、p.143−154Corbin, "Aluminum Oxynitride Spinel: A Review", Journal of European Ceramic Society, Journal of European Ceramic Society, 5 years, 1988, UK. 143-154 杉田忠彰、他2名、「基礎切削加工学」、共立出版、p115Tadaaki Sugita, two others, "Basic Cutting Processing", Kyoritsu Publishing, p115

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。この発明の主たる目的は、鉄との反応性が低い高硬度なセラミック焼結体およびその製造方法、ならびに工具を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems. A main object of the present invention is to provide a high-hardness ceramic sintered body having low reactivity with iron, a method for producing the same, and a tool.

本発明に係るセラミック焼結体は、酸窒化アルミニウムを含み、ビッカース硬度が2400Hv以上である。このようにすれば、高い硬度を有し、かつ鉄との反応性の低いセラミック焼結体とすることができるため、鉄系材料の切削工具に最適である。   The ceramic sintered body according to the present invention contains aluminum oxynitride and has a Vickers hardness of 2400 Hv or more. In this way, a ceramic sintered body having high hardness and low reactivity with iron can be obtained, which is optimal for a cutting tool made of iron-based material.

上記セラミック焼結体は、第4族、第5族、第6族の遷移元素、もしくはアルミニウム、珪素、ホウ素、または、それらの窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、酸窒化物、金属間化合物、またはそれらの複合化合物のうち、少なくとも1つをさらに含んでもよい。これにより、上述した材料によって高圧相酸窒化アルミニウムがもつ高い硬度を維持しつつ、強固に焼き固めることができる。   The ceramic sintered body is a transition element of Group 4, Group 5, Group 6, or aluminum, silicon, boron, or nitrides, carbides, carbonitrides, borides, oxides, oxynitrides thereof. Or at least one of a compound, an intermetallic compound, or a composite compound thereof. Thereby, it can be baked firmly, maintaining the high hardness which high pressure phase aluminum oxynitride has with the material mentioned above.

さらに、上記セラミック焼結体は、窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウムのうち、少なくとも一方を含んでもよい。このように酸窒化アルミニウムを構成するための出発原料である窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウムのいずれか一方がセラミック焼結体中にある程度残存していても、本発明の効果を得ることができる。   Furthermore, the ceramic sintered body may include at least one of aluminum nitride and aluminum oxide. Thus, even if any one of aluminum nitride and aluminum oxide, which are starting materials for constituting aluminum oxynitride, remains in the ceramic sintered body to some extent, the effect of the present invention can be obtained.

上記酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比は、3以上9以下とすることができる。   The composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in the aluminum oxynitride can be 3 or more and 9 or less.

本発明に係る工具は、上記セラミック焼結体よりなる。このようにすれば、高硬度で鉄系材料を切削可能な工具を実現できる。   The tool which concerns on this invention consists of the said ceramic sintered compact. In this way, a tool capable of cutting a ferrous material with high hardness can be realized.

本発明に係るセラミック焼結体の製造方法は、前駆体を準備し、常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末を作製する工程と、常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末から高圧相の酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含複合粉末を作製する工程と、高圧相の酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含複合粉末を焼結し、焼結体を作製する工程とを備える。このようにすれば、本発明に従ったセラミック焼結体を容易に得ることができる。   The method for producing a ceramic sintered body according to the present invention comprises a step of preparing a precursor and producing a normal pressure phase aluminum oxynitride powder or a first composite powder containing normal pressure phase aluminum oxynitride, and a normal pressure phase acid. A step of producing a high-pressure-phase aluminum oxynitride powder or a high-pressure-phase aluminum oxynitride-containing composite powder from the first composite powder containing aluminum nitride powder or atmospheric pressure-phase aluminum oxynitride; A step of sintering a composite powder containing aluminum oxynitride to produce a sintered body. If it does in this way, the ceramic sintered compact according to this invention can be obtained easily.

上記常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末を作製する工程は、高圧相酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比が3以上9以下となるように前駆体を作製する工程を含んでもよい。また、上記常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末を作製する工程は、前駆体を、加熱温度1600℃以上2000℃以下という条件で焼成することで常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末を作製する工程を含んでもよい。これにより、酸素原子と窒素原子との組成比が適切な常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末を作製できる。また、上記常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末を作製する工程は、前記前駆体、前記常圧相酸窒化アルミニウム粉末、または前記第1の複合粉末のいずれか少なくとも1つに、第4族、第5族、第6族の遷移金属、もしくはアルミニウム、珪素、ホウ素、または、それらの窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、酸窒化物、金属間化合物、またはそれらの複合化合物のうち、少なくとも1つを添加する工程を含んでもよい。   The step of producing the normal pressure phase aluminum oxynitride powder or the first composite powder containing the normal pressure phase aluminum oxynitride has a composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in the high pressure phase aluminum oxynitride of 3 to 9 A step of preparing the precursor may be included. In addition, the step of producing the normal pressure phase aluminum oxynitride powder or the first composite powder containing the normal pressure phase aluminum oxynitride is usually performed by firing the precursor under the condition of a heating temperature of 1600 ° C. or more and 2000 ° C. or less. A step of producing a first composite powder containing the pressure phase aluminum oxynitride powder or the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride may be included. Thereby, the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride powder or the first composite powder containing the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride having an appropriate composition ratio of oxygen atoms and nitrogen atoms can be produced. In addition, the step of preparing the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride powder or the first composite powder containing the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride includes the precursor, the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride powder, or the first composite powder. At least one of Group 4, Group 5, Group 6 transition metal, or aluminum, silicon, boron, or a nitride, carbide, carbonitride, boride, oxide, acid thereof A step of adding at least one of a nitride, an intermetallic compound, or a composite compound thereof may be included.

上記高圧相の酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含複合粉末を作製する工程は、圧力15GPa以上、加圧時間50μ秒以下の衝撃波によって瞬間的に前記常圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第1の複合粉末を加圧する工程と、超高圧発生装置を用いて圧力10GPa以上、温度1200℃以上2000℃以下で前記常圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第1の複合粉末を加圧する工程と、エアロゾルデポジション法を用いて、搬送ガスの流量を1SLMとし、粒子速度を150m/s以上で基板に衝突させる工程とからなる群から選択される1つを含んでもよい。これにより、高圧相の酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含複合粉末を作製することができる。   The step of producing the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the composite powder containing the high-pressure phase aluminum oxynitride includes the normal pressure phase aluminum oxynitride powder instantaneously by a shock wave having a pressure of 15 GPa or more and a pressurization time of 50 μsec or less, or Pressurizing the first composite powder containing normal pressure phase aluminum oxynitride and using the ultrahigh pressure generator, the normal pressure phase aluminum oxynitride powder at a pressure of 10 GPa or more and a temperature of 1200 ° C. or more and 2000 ° C. or less; From the step of pressurizing the first composite powder containing the pressure phase aluminum oxynitride and the step of causing the carrier gas flow rate to 1 SLM and colliding with the substrate at a particle velocity of 150 m / s or more using the aerosol deposition method. One selected from the group may be included. Thereby, a high-pressure phase aluminum oxynitride powder or a composite powder containing high-pressure phase aluminum oxynitride can be produced.

上記高圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第2の複合粉末を作製する工程は、前記高圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第2の複合粉末に、第4族、第5族、第6族の遷移金属、もしくはアルミニウム、珪素、ホウ素、または、それらの窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、酸窒化物、金属間化合物、またはそれらの複合化合物のうち、少なくとも1つを添加する工程をさらに含んでもよい。   The step of producing the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing high-pressure phase aluminum oxynitride includes the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing high-pressure phase aluminum oxynitride. In addition, transition metals of Group 4, Group 5, Group 6, or aluminum, silicon, boron, or nitrides, carbides, carbonitrides, borides, oxides, oxynitrides, and intermetallic compounds thereof Or a step of adding at least one of the complex compounds.

上記焼結体を作製する工程は、超高圧発生装置を用いて圧力1GPa以上、温度1100℃以上2000℃以下で、もしくは放電プラズマ焼結装置を用いて圧力10MPa以上、温度800℃以上1800℃以下で、前記高圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む第2の複合粉末を焼結する工程を含んでもよい。   The step of producing the sintered body is performed at a pressure of 1 GPa or higher and a temperature of 1100 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower using an ultrahigh pressure generator, or a pressure of 10 MPa or higher and a temperature of 800 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower using a discharge plasma sintering apparatus The step of sintering the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing the high-pressure phase aluminum oxynitride may be included.

また、本発明の他の局面におけるセラミック焼結体の製造方法は、窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウムの少なくともいずれか一方を含む出発物質から、前駆体を準備する工程と、前記前駆体を高圧相へ相転移すると同時に焼結させ、焼結体を作製する工程とを備える。これにより、本発明に従ったセラミック焼結体を容易に得ることができる。   A method for producing a ceramic sintered body according to another aspect of the present invention includes a step of preparing a precursor from a starting material containing at least one of aluminum nitride and aluminum oxide, and the phase of the precursor into a high-pressure phase. And a step of sintering at the same time as the transition to produce a sintered body. Thereby, the ceramic sintered compact according to this invention can be obtained easily.

上記焼結体を作製する工程は、超高圧発生装置を用いて圧力10GPa以上、温度100℃以上2000℃以下、処理時間20分以上で、前記前駆体を高圧相へ相転移すると同時に前記焼結体を作製する工程を含んでもよい。 Process for producing the sintered body, the pressure 10GPa or more using a high-pressure apparatus, temperature 1 2 00 ° C. or higher 2000 ° C. or less, the processing time of 20 minutes or more, at the same time the precursor phase transition into the high-pressure phase the You may include the process of producing a sintered compact.

本発明のセラミック焼結体は、高圧相の酸窒化アルミニウムを有するため、鉄系材料との反応性を有さず、高硬度とすることができる。また、本発明の工具は、本発明のセラミック焼結体を用いることにより、高硬度で鉄系材料を切削可能な工具を実現できる。   Since the ceramic sintered body of the present invention has the high-pressure phase aluminum oxynitride, it has no reactivity with the iron-based material and can have high hardness. Moreover, the tool of this invention can implement | achieve the tool which can cut an iron-type material with high hardness by using the ceramic sintered compact of this invention.

本発明のセラミック焼結体の製造方法は、高圧相の酸窒化アルミニウムを作製する工程を備えるため、鉄系材料との反応性を有さない高硬度のセラミック焼結体を作製できる。   Since the method for producing a ceramic sintered body according to the present invention includes a step of producing high-pressure phase aluminum oxynitride, a high-hardness ceramic sintered body having no reactivity with iron-based materials can be produced.

本実施の形態に係るセラミック焼結体の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the ceramic sintered compact which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係るセラミック焼結体の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the ceramic sintered compact which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係るセラミック焼結体の製造方法の変形例を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the modification of the manufacturing method of the ceramic sintered compact concerning this Embodiment.

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

はじめに、実施の形態に係るセラミック焼結体を説明する。本実施の形態に係るセラミック焼結体は、切削工具(特に鉄系材料を切削する工具)の材料として用いることができ、高圧相酸窒化アルミニウムを含む。該高圧相酸窒化アルミニウムは、常圧相酸窒化アルミニウムと比較して高硬度であるため耐塑性変形性に優れており、かつ常圧相酸窒化アルミニウムが有する、鉄との反応性が低いという特性も備える。そのため、高圧相酸窒化アルミニウムを含むセラミック焼結体は、鉄系材料に対して切削可能な、高硬度の切削工具に用いることができる。   First, the ceramic sintered body according to the embodiment will be described. The ceramic sintered body according to the present embodiment can be used as a material for a cutting tool (particularly a tool for cutting an iron-based material), and includes high-pressure phase aluminum oxynitride. The high pressure phase aluminum oxynitride is superior in plastic deformation resistance because of its high hardness compared to the normal pressure phase aluminum oxynitride, and the low pressure phase aluminum oxynitride has low reactivity with iron. Also has characteristics. Therefore, the ceramic sintered body containing the high-pressure phase aluminum oxynitride can be used for a cutting tool with high hardness capable of cutting an iron-based material.

上記セラミック焼結体は、第4族、第5族、第6族の遷移元素、もしくはアルミニウム、珪素、ホウ素、または、それらの窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、酸窒化物、金属間化合物、またはそれらの複合化合物のうち、少なくとも1つをさらに含んでもよい。第4族、第5族、第6族の遷移元素とは、例えば、第4族の遷移金属として、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、第5族の遷移金属として、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、第6族の遷移金属として、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、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。   The ceramic sintered body is a transition element of Group 4, Group 5, Group 6, or aluminum, silicon, boron, or nitrides, carbides, carbonitrides, borides, oxides, oxynitrides thereof. Or at least one of a compound, an intermetallic compound, or a composite compound thereof. Group 4, Group 5 and Group 6 transition elements include, for example, Group 4 transition metal, titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), Group 5 transition metal, Vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), and at least one metal selected from chromium (Cr), molybdenum (Mo), and tungsten (W) as a Group 6 transition metal.

また、上記窒化物としては、例えば、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)、窒化タングステン(WN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化珪素(Si34)、窒化ホウ素(BN)を挙げることができる。また、上記炭化物としては、例えば、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(Cr32)、炭化モリブデン(Mo2C)、炭化タングステン(WC)を挙げることができる。また、上記ホウ化物としては、例えば、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(VB)、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)を挙げることができる。また、それらの金属の酸化物とは、酸化チタン(TiO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ハフニウム(HfO)、酸化バナジウム(V)、酸化ニオブ(Nb)、酸化タンタル(Ta)、酸化クロム(Cr)、酸化モリブデン(MoO)、および酸化タングステン(WO)などをいう。また、それらの金属の複合化合物とは、窒化チタンジルコニウム(TiZrN)、窒化チタンハフニウム(TiHfN)、窒化チタンバナジウム(TiVN)、窒化チタンニオブ(TiNbN)、窒化チタンタンタル(TiTaN)、窒化チタンクロム(TiCrN)、窒化チタンモリブデン(TiMoN)、窒化チタンタングステン(TiWN)、窒化ジルコニウムハフニウム(ZrHfN)、窒化ジルコニウムバナジウム(ZrVN)、窒化ジルコニウムニオブ(ZrNbN)、窒化ジルコニウムタンタル(ZrTaN)、窒化ジルコニウムクロム(ZrCrN)、窒化ジルコニウムモリブデン(ZrMoN)、窒化ジルコニウムタングステン(ZrWN)、窒化ハフニウムバナジウム(HfVN)、窒化ハフニウムニオブ(HfNbN)、窒化ハフニウムタンタル(HfTaN)、窒化ハフニウムクロム(HfCrN)、窒化ハフニウムモリブデン(HfMoN)、窒化ハフニウムタングステン(HfWN)、窒化バナジウムニオブ(VNbN)、窒化バナジウムタンタル(VTaN)、窒化バナジウムクロム(VCrN)、窒化バナジウムモリブデン(VMoN)、窒化バナジウムタングステン(VWN)、窒化ニオブタンタル(NbTaN)、窒化ニオブクロム(NbCrN)、窒化ニオブモリブデン(NbMoN)、窒化ニオブタングステン(NbWN)、窒化タンタルクロム(TaCrN)、窒化タンタルモリブデン(TaMoN)、窒化タンタルタングステン(TaWN)、窒化クロムモリブデン(CrMoN)、窒化クロムタングステン(CrWN)、窒化モリブデンクロム(MoWN)などをいう。酸窒化物とは、例えば、酸窒化チタン(TiON)、酸窒化ジルコニウム(ZrON)、酸窒化ハフニウム(HfON)、酸窒化バナジウム(VON)、酸窒化ニオブ(NbON)、酸窒化タンタル(TaON)、酸窒化クロム(CrON)、酸窒化モリブデン(MoON)、酸窒化タングステン(WON)、酸窒化珪素(SiON)、酸窒化ホウ素(BON)を挙げることができる。 Examples of the nitride include titanium nitride (TiN), zirconium nitride (ZrN), hafnium nitride (HfN), vanadium nitride (VN), niobium nitride (NbN), tantalum nitride (TaN), and chromium nitride (Cr). 2 N), molybdenum nitride (MoN), tungsten nitride (WN), aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), and boron nitride (BN). Examples of the carbide include titanium carbide (TiC), zirconium carbide (ZrC), hafnium carbide (HfC), vanadium carbide (VC), niobium carbide (NbC), tantalum carbide (TaC), and chromium carbide (Cr 3 ). C 2 ), molybdenum carbide (Mo 2 C), and tungsten carbide (WC). Examples of the boride include titanium boride (TiB 2 ), zirconium boride (ZrB 2 ), hafnium boride (HfB 2 ), vanadium boride (VB), niobium boride (NbB 2 ), and boron. Mention may be made of tantalum boride (TaB 2 ), chromium boride (CrB 2 ), molybdenum boride (MoB) and tungsten boride (WB). In addition, these metal oxides are titanium oxide (TiO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), vanadium oxide (V 2 O 5 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), Tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), molybdenum oxide (MoO 3 ), tungsten oxide (WO 3 ), and the like are used. The composite compounds of these metals include titanium zirconium nitride (TiZrN), titanium hafnium nitride (TiHfN), titanium vanadium nitride (TiVN), titanium niobium nitride (TiNbN), titanium tantalum nitride (TiTaN), titanium nitride chromium (TiCrN). ), Titanium molybdenum nitride (TiMoN), titanium tungsten nitride (TiWN), zirconium hafnium nitride (ZrHfN), zirconium vanadium nitride (ZrVN), zirconium niobium nitride (ZrNbN), zirconium tantalum nitride (ZrTaN), zirconium nitride chromium (ZrCrN) , Zirconium molybdenum nitride (ZrMoN), zirconium tungsten nitride (ZrWN), hafnium vanadium nitride (HfVN), hafnium niobium nitride (HfNbN) , Hafnium tantalum nitride (HfTaN), hafnium chromium nitride (HfCrN), hafnium molybdenum nitride (HfMoN), hafnium tungsten nitride (HfWN), vanadium niobium nitride (VNbN), vanadium tantalum nitride (VTaN), vanadium chromium nitride (VCrN), Vanadium molybdenum nitride (VMoN), vanadium tungsten nitride (VWN), niobium tantalum nitride (NbTaN), niobium chromium nitride (NbCrN), niobium molybdenum nitride (NbMoN), niobium tungsten nitride (NbWN), tantalum chromium nitride (TaCrN), tantalum nitride Molybdenum (TaMoN), tantalum tungsten nitride (TaWN), chromium nitride molybdenum (CrMoN), chromium tungsten nitride (CrWN), molybdenum nitride It refers to such Denkuromu (MoWN). Examples of the oxynitride include titanium oxynitride (TiON), zirconium oxynitride (ZrON), hafnium oxynitride (HfON), vanadium oxynitride (VON), niobium oxynitride (NbON), tantalum oxynitride (TaON), Examples thereof include chromium oxynitride (CrON), molybdenum oxynitride (MoON), tungsten oxynitride (WON), silicon oxynitride (SiON), and boron oxynitride (BON).

上記セラミック焼結体は、添加材として、上記第4族、第5族、第6族の遷移元素、もしくはアルミニウム、珪素、ホウ素、または、それらの窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、金属間化合物のうち、少なくとも1つ含むことにより、高圧相酸窒化アルミニウムがもつ高い硬度を維持しつつ、セラミック焼結体の強度を高めることができる。したがって、このセラミック焼結体を用いた工具は耐塑性変形性に優れるため、長寿命化することもできる。   The ceramic sintered body has, as an additive, a transition element of Group 4, Group 5, Group 6, or aluminum, silicon, boron, or a nitride, carbide, carbonitride, boride thereof, By including at least one of the intermetallic compounds, it is possible to increase the strength of the ceramic sintered body while maintaining the high hardness of the high-pressure phase aluminum oxynitride. Therefore, since the tool using this ceramic sintered body is excellent in plastic deformation resistance, the life can be extended.

さらに、上記セラミック焼結体は、窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウムのうち、少なくとも一方を含んでもよい。好ましくは、セラミック焼結体における窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウムの合計の含有率は、10%以下である。このとき、セラミック焼結体における組成比は、例えば、上記酸窒化アルミニウムが60%以上、上記添加材が30%程度とすることができる。酸窒化アルミニウムの割合が50%より低いと、高圧相の酸窒化アルミニウムによる効果が低減し、セラミック焼結体の硬度は低下する。   Furthermore, the ceramic sintered body may include at least one of aluminum nitride and aluminum oxide. Preferably, the total content of aluminum nitride and aluminum oxide in the ceramic sintered body is 10% or less. At this time, the composition ratio in the ceramic sintered body can be, for example, 60% or more for the aluminum oxynitride and about 30% for the additive. When the proportion of aluminum oxynitride is lower than 50%, the effect of the high-pressure phase aluminum oxynitride is reduced, and the hardness of the ceramic sintered body is lowered.

上記高圧相酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比は、3以上9以下であるのが好ましい。当該組成比の範囲より窒素もしくは酸素の割合が 多いと、高圧相の酸窒化アルミニウムのスピネル構造が維持できないため硬度が低下し、耐欠損性に劣る酸化アルミニウムの特性に近づく。   The composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in the high-pressure phase aluminum oxynitride is preferably 3 or more and 9 or less. If the ratio of nitrogen or oxygen is higher than the composition ratio range, the spinel structure of the aluminum oxynitride in the high pressure phase cannot be maintained, the hardness is lowered, and the characteristics of aluminum oxide inferior in fracture resistance are approached.

以上のように、本実施の形態に係るセラミック焼結体は、高圧相の酸窒化アルミニウムを含むことで、高硬度とすることができる。さらに、セラミック焼結体は、炭化珪素以外の上記添加材を含むことにより、鉄との反応性を抑えながら、確実に高硬度とすることができる。その結果、本実施の形態に係るセラミック焼結体は、例えば切削用の工具に適用できる。   As described above, the ceramic sintered body according to the present embodiment can have high hardness by including aluminum oxynitride in a high-pressure phase. Furthermore, the ceramic sintered body can be surely made to have high hardness while suppressing the reactivity with iron by including the above-mentioned additive other than silicon carbide. As a result, the ceramic sintered body according to the present embodiment can be applied to a cutting tool, for example.

次に、図1〜図3を参照して、本実施の形態に係るセラミック焼結体の製造方法を説明する。   Next, with reference to FIGS. 1-3, the manufacturing method of the ceramic sintered compact concerning this Embodiment is demonstrated.

本実施の形態に係るセラミック焼結体の製造方法は、図1に示すように、前駆体を準備し、常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末を作製する工程(S10)と、常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末から高圧相の酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含複合粉末を作製する工程(S20)と、高圧相の酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含複合粉末から焼結体を作製する工程(S30)、あるいは後述するように、前駆体から、高圧相酸窒化アルミニウムの合成と焼結体の作製を同時に実施する工程とを備える。   As shown in FIG. 1, the method for manufacturing a ceramic sintered body according to the present embodiment prepares a precursor, and uses an atmospheric pressure phase aluminum oxynitride powder or an atmospheric pressure phase aluminum oxynitride powder as a first composite powder. A high-pressure phase aluminum oxynitride powder or a high-pressure phase aluminum oxynitride-containing composite powder is prepared from the manufacturing step (S10) and the first-phase composite powder containing normal-pressure phase aluminum oxynitride powder or normal-pressure phase aluminum oxynitride Step (S20) and step (S30) of producing a sintered body from a high-pressure phase aluminum oxynitride powder or a composite powder containing high-pressure phase aluminum oxynitride, or a high-pressure phase aluminum oxynitride from a precursor as described later And a step of simultaneously performing the production of the sintered body.

上記前駆体を準備し、常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む複合粉末を作製する工程(S10)では、高圧相酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比が3以上9以下となるように前駆体を作製する工程(S11)を含んでもよい。このとき、工程(S11)は、窒化アルミニウムの粉末と酸化アルミニウムの粉末とを混合する工程、または窒化アルミニウム粉末に吸着酸素量を増やす工程を採用することができる。窒化アルミニウム粉末に吸着酸素量を増やす工程は、具体的には大気中で粉末を熱処理する方法、湿度管理された場所で一定時間窒化アルミニウム粉末を暴露する方法が挙げられる。その工程を実施する際、粉末を粉砕して粉末の表面積を増やすと、短時間で吸着酸素量を増やすことができる。   In the step (S10) of preparing the precursor and producing a normal pressure phase aluminum oxynitride powder or a composite powder containing normal pressure phase aluminum oxynitride, the composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in the high pressure phase aluminum oxynitride A step of producing a precursor (S11) may be included so that becomes 3 or more and 9 or less. At this time, the step (S11) can employ a step of mixing the aluminum nitride powder and the aluminum oxide powder, or a step of increasing the amount of adsorbed oxygen in the aluminum nitride powder. Specific examples of the step of increasing the amount of adsorbed oxygen in the aluminum nitride powder include a method of heat-treating the powder in the air, and a method of exposing the aluminum nitride powder for a certain period of time in a humidity-controlled place. When the process is performed, the amount of adsorbed oxygen can be increased in a short time by pulverizing the powder to increase the surface area of the powder.

図2を参照して、このとき、上記前駆体を準備し、常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む複合粉末を作製する工程(S10)は、酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比が3以上9以下となるように、窒化アルミニウムの粉末と酸化アルミニウムの粉末を混合して前駆体を作製する工程(S11)を含んでもよい。工程(S11)は、酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比が3以上9以下とすることができる限りにおいて、上記のように窒化アルミニウムの粉末と酸化アルミニウムの粉末を混合する方法に限らない。前駆体を作製する工程(S11)は、窒化アルミニウム粉末に吸着酸素量を増やすことにより、前駆体を作製する工程であってもよい。   Referring to FIG. 2, at this time, the step of preparing the above precursor and producing a normal pressure phase aluminum oxynitride powder or a composite powder containing normal pressure phase aluminum oxynitride (S10) is included in aluminum oxynitride. A step (S11) of preparing a precursor by mixing aluminum nitride powder and aluminum oxide powder so that the composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms is 3 or more and 9 or less may be included. Step (S11) is a method of mixing aluminum nitride powder and aluminum oxide powder as described above as long as the composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in aluminum oxynitride can be 3 or more and 9 or less. Not limited to. The step of producing the precursor (S11) may be a step of producing the precursor by increasing the amount of adsorbed oxygen in the aluminum nitride powder.

上記のようにして前駆体を作製した後は、該前駆体を加熱温度1600℃以上2000℃以下という条件で焼成することで、常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末を作製する工程(S13)を含んでもよい。図2の工程(S11)、(S12)において、酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比を上記の範囲内になるよう調整することにより、スピネル型の酸窒化アルミニウムを作製できる。上記範囲外では、スピネル型の酸窒化アルミニウムが作製されず、この場合セラミック焼結体は切削工具用材料としての十分な硬度を有さない場合がある。   After the precursor is produced as described above, the precursor is fired at a heating temperature of 1600 ° C. or more and 2000 ° C. or less, so that the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride powder or the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride is added. The step (S13) of producing one composite powder may be included. In steps (S11) and (S12) in FIG. 2, a spinel type aluminum oxynitride can be manufactured by adjusting the composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in the aluminum oxynitride to be within the above range. Outside the above range, spinel-type aluminum oxynitride is not produced, and in this case, the ceramic sintered body may not have sufficient hardness as a cutting tool material.

さらに、前駆体を準備し、常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末を作製する工程(S10)は、遷移金属等を添加する工程(S12)(S14)を含んでいてもよい。具体的には、図2に示すように、前駆体を準備する工程(S11)の後であって前駆体を焼成する工程(S13)の前、前駆体を焼成する工程(S13)の後であって高圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む第2の複合粉末を作製する工程(S20)の前に、添加材として、第4族、第5族、第6族の遷移元素、もしくはアルミニウム、珪素、ホウ素、または、それらの窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、酸窒化物、金属間化合物、またはそれらの複合化合物のうち、少なくとも1つを添加してもよい。つまり、前駆体、常圧相酸窒化アルミニウム粉末、または前記第1の複合粉末のいずれか少なくとも1つに上記添加材を添加してもよい。これらの工程(S12)および工程(S14)は、それぞれ上記工程(S11)および工程(S13)に続いて実施されてもよい。また、工程(S11)において、上記添加材を窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウムの粉末と混合して前駆体を作製してもよいし、窒化アルミニウム粉末に添加材を添加した後、吸着酸素量を増やすことにより前駆体を作製してもよい。これにより、上記工程(S13)によって得られる常圧相酸窒化アルミニウムが上記添加材を含むため、図1に示した工程(S30)において得られるセラミック焼結体は、上記添加材を含有した高圧相酸窒化アルミニウムを含むものとなる。これにより、常圧相酸窒化アルミニウムと添加材との結合力が増し、硬度を維持しつつより強固に焼き固めることができるため、高圧相に転位させ焼結した当該セラミック焼結体は強度が高く、耐塑性変形性に優れた材料となる。   Furthermore, the step of preparing the precursor and producing the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride powder or the first composite powder containing the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride (S10) is a step of adding a transition metal or the like (S12) (S14). ) May be included. Specifically, as shown in FIG. 2, after the step of preparing the precursor (S11), before the step of firing the precursor (S13), after the step of firing the precursor (S13). Before the step (S20) of producing the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing the high-pressure phase aluminum oxynitride, the transition elements of Group 4, Group 5, and Group 6 are used as additives. Or adding at least one of aluminum, silicon, boron, or a nitride, carbide, carbonitride, boride, oxide, oxynitride, intermetallic compound, or composite compound thereof Also good. That is, the additive may be added to at least one of the precursor, the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride powder, and the first composite powder. These step (S12) and step (S14) may be performed subsequent to the above step (S11) and step (S13), respectively. In the step (S11), the additive may be mixed with aluminum nitride and aluminum oxide powder to produce a precursor, or after the additive is added to the aluminum nitride powder, the amount of adsorbed oxygen is increased. The precursor may be produced by Thereby, since the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride obtained by the said process (S13) contains the said additive, the ceramic sintered compact obtained in the process (S30) shown in FIG. 1 is the high pressure containing the said additive. It will contain phase aluminum oxynitride. As a result, the bonding strength between the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride and the additive is increased, and the strength can be increased by maintaining the hardness while maintaining the hardness. The material is high and has excellent plastic deformation resistance.

次に、図1に示した常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末から高圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む第2の複合粉末を作製する工程(S20)を説明する。当該工程では、工程(S10)において作製した粉末に含まれる常圧相酸窒化アルミニウムを相転移させて、高圧相の酸窒化アルミニウムを作製する。   Next, the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing high-pressure phase aluminum oxynitride from the normal-pressure phase aluminum oxynitride powder or the first composite powder containing normal-pressure phase aluminum oxynitride shown in FIG. The manufacturing step (S20) will be described. In this step, the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride contained in the powder produced in the step (S10) is phase-transduced to produce a high pressure phase aluminum oxynitride.

図1に示した、常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末から高圧相の酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む第2の複合粉末を作製する工程(S20)は、超高圧発生装置、もしくはエアロゾルデポジション法を用いた工程を含むことができる。   A high-pressure phase aluminum oxynitride powder or a high-pressure phase aluminum oxynitride powder or a second composite powder containing a high-pressure phase aluminum oxynitride is prepared from the normal pressure phase aluminum oxynitride powder or the first composite powder containing normal pressure phase aluminum oxynitride shown in FIG. The step (S20) of performing can include a step using an ultrahigh pressure generator or an aerosol deposition method.

上記超高圧発生装置としては衝撃波により加圧する方法、マルチアンビル装置、ベルト装置、ピストンシリンダ装置を挙げることができる。   Examples of the ultra-high pressure generator include a method of pressurizing with a shock wave, a multi-anvil device, a belt device, and a piston cylinder device.

具体例としては、上記常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末を、圧力10GPa以上、加圧時間50μ秒以下の衝撃波によって瞬間的に加圧する工程、マルチアンビル装置を用いて、圧力10GPa以上、温度1200℃以上2000℃以下、処理時間を20分以上とした条件にて加圧する工程、エアロゾルデポジション法を用いて搬送ガスの流量を1SLM以上、粒子速度を150m/s以上で衝突させる工程などを含むことができる。   As a specific example, a step of instantaneously pressurizing the normal pressure phase aluminum oxynitride powder or the first composite powder containing the normal pressure phase aluminum oxynitride with a shock wave having a pressure of 10 GPa or more and a pressurization time of 50 μsec or less, Using an anvil device, pressurizing under the conditions of pressure of 10 GPa or more, temperature of 1200 ° C. or more and 2000 ° C. or less, and processing time of 20 minutes or more, flow rate of carrier gas using aerosol deposition method is 1 SLM or more, particle velocity For example, a step of causing collision at 150 m / s or more.

さらに、常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末から高圧相の酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む第2の複合粉末を作製する工程(S20)は、遷移金属等を添加する工程(S22)を含んでいてもよい。具体的には、図2に示すように、上記工程(S21)に続いて実施される上記高圧相の酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む第2の複合粉末に、添加材として、第4族、第5族、第6族の遷移元素、もしくはアルミニウム、珪素、ホウ素、または、それらの窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、酸窒化物、金属間化合物、またはそれらの複合化合物のうち、少なくとも1つをさらに混合する、遷移金属等を添加する工程(S22)を含んでいてもよい。これにより、上記工程(S21)によって得られる高圧相酸窒化アルミニウムは上記添加材を含むため、図1に示した工程(S30)において得られるセラミック焼結体は、上記添加材を含有した高圧相酸窒化アルミニウムを含むものとなる。これにより、高圧相酸窒化アルミニウムと添加材との結合力が増し、硬度を維持しつつより強固に焼き固めることができるため、当該セラミック焼結体は強度が高く、耐塑性変形性に優れた材料となる。   Furthermore, the process of producing the high pressure phase aluminum oxynitride powder or the 2nd composite powder containing high pressure phase aluminum oxynitride from the 1st composite powder containing a normal pressure phase aluminum oxynitride powder or a normal pressure phase aluminum oxynitride (S20) ) May include a step (S22) of adding a transition metal or the like. Specifically, as shown in FIG. 2, the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing the high-pressure phase aluminum oxynitride, which is carried out following the step (S21), is used as an additive. Group 4, Group 5, Group 6 transition element, or aluminum, silicon, boron, or nitrides, carbides, carbonitrides, borides, oxides, oxynitrides, intermetallic compounds, or A step of adding a transition metal or the like (S22) for further mixing at least one of the composite compounds may be included. Thereby, since the high-pressure phase aluminum oxynitride obtained by the step (S21) contains the additive, the ceramic sintered body obtained in the step (S30) shown in FIG. 1 has a high-pressure phase containing the additive. It contains aluminum oxynitride. As a result, the bonding strength between the high-pressure phase aluminum oxynitride and the additive is increased, and the ceramic sintered body has high strength and excellent plastic deformation resistance because it can be baked more firmly while maintaining the hardness. Become a material.

次に、図2を参照して、高圧相の酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む第2の複合粉末を準備し焼結体を作製する工程(S30)を説明する。本工程では、高圧相の酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む第2の複合粉末を焼結して、高圧相酸窒化アルミニウムを含む焼結体を作製する。   Next, a step (S30) of preparing a sintered body by preparing a high-pressure phase aluminum oxynitride powder or a second composite powder containing high-pressure phase aluminum oxynitride will be described with reference to FIG. In this step, the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing the high-pressure phase aluminum oxynitride is sintered to produce a sintered body containing the high-pressure phase aluminum oxynitride.

図1に示した、高圧相の酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む第2の複合粉末を準備し焼結体を作製する工程(S30)は、図2に示すように、超高圧焼結装置にて圧力1GPa以上、温度1100℃以上2000℃以下で、もしくは放電プラズマ焼結装置にて圧力10MPa以上、温度800℃以上1800℃以下で上記成形体を焼結する工程(S31)を含んでもよい。   The step (S30) of preparing the sintered body by preparing the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing the high-pressure phase aluminum oxynitride shown in FIG. A step (S31) of sintering the molded body at a pressure of 1 GPa or higher and a temperature of 1100 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower using a sintering apparatus, or at a pressure of 10 MPa or higher and a temperature of 800 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower using a discharge plasma sintering apparatus. May be included.

このとき、工程(S21)において、高圧相酸窒化アルミニウムがバルク体として得られる場合には、バルク体を粉砕して粉末状としてから、上記添加材と混合すればよい。工程(S22)によって、高圧相酸窒化アルミニウムと添加材とを混合した高圧相の酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む第2の複合粉末を、上記工程(S31)によって焼結させることで、上記添加材を含有した高圧相の酸窒化アルミニウムを含むセラミック焼結体を得ることができる。   At this time, in the step (S21), when the high-pressure phase aluminum oxynitride is obtained as a bulk body, the bulk body is pulverized into a powder form and then mixed with the additive. Sintering the high pressure phase aluminum oxynitride powder mixed with the high pressure phase aluminum oxynitride and the additive or the second composite powder containing the high pressure phase aluminum oxynitride by the step (S22) in the step (S31). Thus, a ceramic sintered body containing high-pressure aluminum oxynitride containing the additive can be obtained.

次に、図3を参照にして本実施の形態に係るセラミック焼結体の製造方法の他の例を説明する。本実施の形態に係るセラミック焼結体の製造方法の他の例では、前駆体を準備し、前駆体から高圧相への相転移と焼結体の作製とを同時に行い、高圧相の酸窒化アルミニウムを有する焼結体を作製する。   Next, another example of the method for manufacturing a ceramic sintered body according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In another example of the method for producing a ceramic sintered body according to the present embodiment, a precursor is prepared, and the phase transition from the precursor to the high-pressure phase and the production of the sintered body are performed at the same time. A sintered body having aluminum is produced.

図3の前駆体を作製する工程(S11)および遷移金属等を添加する工程(S12)は、図1および図2において説明した工程(S10)に含まれる工程と同じである。高圧相の酸窒化アルミニウムへの変換と焼結を同時に行う工程は、上記前駆体を、超高圧発生装置を用いて圧力10GPa以上、温度1200℃以上2000℃以下、処理時間を20分以上とした条件にて加圧する工程(S32)であり、このようにして本発明によるセラミック焼結体を作製することができる。   The step (S11) for producing the precursor of FIG. 3 and the step (S12) for adding a transition metal and the like are the same as the steps included in the step (S10) described in FIG. 1 and FIG. In the process of simultaneously converting and sintering the high-pressure phase into aluminum oxynitride, the precursor was subjected to a pressure of 10 GPa or more, a temperature of 1200 ° C. to 2000 ° C., and a treatment time of 20 minutes or more using an ultrahigh pressure generator. This is a step of pressurizing under conditions (S32), and thus the ceramic sintered body according to the present invention can be produced.

つまり、本実施の形態に係るセラミック焼結体の製造方法によって、従来の酸窒化アルミニウムと比較して優れた特性を有し、切削工具として十分な特性を有するセラミック焼結体を作製することができる。   That is, the method for producing a ceramic sintered body according to the present embodiment can produce a ceramic sintered body having excellent characteristics as compared with conventional aluminum oxynitride and sufficient characteristics as a cutting tool. it can.

ここで、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。   Here, although there is a part which overlaps with embodiment mentioned above, the characteristic structure of this invention is enumerated.

本発明に係るセラミック焼結体は、酸窒化アルミニウムを含み、ビッカース硬度が2400Hv以上である。このようにすれば、高い硬度を有し、かつ鉄との反応性の低いセラミック焼結体とすることができるため、鉄系材料の切削工具に最適である。   The ceramic sintered body according to the present invention contains aluminum oxynitride and has a Vickers hardness of 2400 Hv or more. In this way, a ceramic sintered body having high hardness and low reactivity with iron can be obtained, which is optimal for a cutting tool made of iron-based material.

上記セラミック焼結体は、第4族、第5族、第6族の遷移元素、もしくはアルミニウム、珪素、ホウ素、または、それらの窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、酸窒化物、金属間化合物、またはそれらの複合化合物のうち、少なくとも1つをさらに含んでもよい。これにより、上述した材料によって高圧相酸窒化アルミニウムがもつ高い硬度を維持しつつ、強固に焼き固めることができる。   The ceramic sintered body is a transition element of Group 4, Group 5, Group 6, or aluminum, silicon, boron, or nitrides, carbides, carbonitrides, borides, oxides, oxynitrides thereof. Or at least one of a compound, an intermetallic compound, or a composite compound thereof. Thereby, it can be baked firmly, maintaining the high hardness which high pressure phase aluminum oxynitride has with the material mentioned above.

上記セラミック焼結体は、窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウムのうち、少なくとも一方をさらに含んでもよい。このように酸窒化アルミニウムを構成するための出発原料である窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウムのいずれか一方がセラミック焼結体中にある程度残存していても、本発明の効果を得ることができる。   The ceramic sintered body may further include at least one of aluminum nitride and aluminum oxide. Thus, even if any one of aluminum nitride and aluminum oxide, which are starting materials for constituting aluminum oxynitride, remains in the ceramic sintered body to some extent, the effect of the present invention can be obtained.

上記酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比は、3以上9以下とすることができる。これにより、当該組成比を調整することによって、セラミック焼結体の硬度を調整できる。   The composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in the aluminum oxynitride can be 3 or more and 9 or less. Thereby, the hardness of a ceramic sintered compact can be adjusted by adjusting the said composition ratio.

本発明に係る工具は、上記セラミック焼結体よりなる。このようにすれば、高硬度で鉄系材料を切削可能な工具を実現できる。   The tool which concerns on this invention consists of the said ceramic sintered compact. In this way, a tool capable of cutting a ferrous material with high hardness can be realized.

本発明に係るセラミック焼結体の製造方法は、窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウムの少なくともいずれか一方を含む出発物質から、前駆体を準備し、前記前駆体から常圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末を作製する工程(S10)と、常圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第1の複合粉末から、高圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む第2の複合粉末を作製する工程(S20)と、高圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第2の複合粉末を焼結することにより焼結体を作製する工程(S30)とを備える。このようにすれば、本発明に従ったセラミック焼結体を容易に得ることができる。   The method for producing a ceramic sintered body according to the present invention comprises preparing a precursor from a starting material containing at least one of aluminum nitride and aluminum oxide, and using the precursor to normal pressure phase aluminum oxynitride powder, or normal pressure From the step (S10) of producing a first composite powder containing phase aluminum oxynitride, and from the first composite powder containing atmospheric pressure phase aluminum oxynitride powder or atmospheric pressure phase aluminum oxynitride, high pressure phase aluminum oxynitride A step of producing a second composite powder containing powder or high-pressure phase aluminum oxynitride (S20), and sintering the second composite powder containing high-pressure phase aluminum oxynitride powder or high-pressure phase aluminum oxynitride And a step (S30) of producing a sintered body. If it does in this way, the ceramic sintered compact according to this invention can be obtained easily.

上記常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末を作製する工程(S10)は、高圧相酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比が3以上9以下となるように前駆体を作製する工程(S11)を含んでもよい。また、前駆体を、加熱温度1600℃以上2000℃以下という条件で焼成することで、常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末を作製する工程(S13)とを含んでもよい。このようにすることで、スピネル型の酸窒化アルミニウムを含むセラミック焼結体を作製することができ、該セラミック焼結体は、切削工具用材料として十分な硬度を有することができる。   In the step (S10) of producing the normal pressure phase aluminum oxynitride powder or the first composite powder containing the normal pressure phase aluminum oxynitride, the composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in the high pressure phase aluminum oxynitride is 3 or more. A step (S11) of producing a precursor so as to be 9 or less may be included. In addition, the precursor is fired at a heating temperature of 1600 ° C. or more and 2000 ° C. or less, thereby producing a normal pressure phase aluminum oxynitride powder or a first composite powder containing normal pressure phase aluminum oxynitride (S13). And may be included. By doing in this way, the ceramic sintered compact containing spinel type aluminum oxynitride can be produced, and this ceramic sintered compact can have sufficient hardness as a material for cutting tools.

上記常圧相酸窒化アルミニウム粉末あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末を作製する工程(S10)は、窒化アルミニウムと酸化アルミニウムに、第4族、第5族、第6族の遷移金属、もしくはアルミニウム、珪素、ホウ素、または、それらの窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、酸窒化物、金属間化合物、またはそれらの複合化合物のうち、少なくとも1つを添加する工程(S12)を含んでもよい。これにより、常圧相酸窒化アルミニウムと添加材との結合力が増し、硬度を維持しつつより強固に焼き固めることができるため、高圧相に転位させ焼結した当該セラミック焼結体は強度が高く、耐塑性変形性に優れた材料となる。   The step (S10) for producing the above-mentioned atmospheric pressure phase aluminum oxynitride powder or the first composite powder containing atmospheric pressure phase aluminum oxynitride is carried out by converting the aluminum nitride and the aluminum oxide into those of Groups 4, 5, and 6. Add at least one of transition metal, aluminum, silicon, boron, or nitrides, carbides, carbonitrides, borides, oxides, oxynitrides, intermetallic compounds, or composite compounds thereof Step (S12) to include may be included. As a result, the bonding strength between the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride and the additive is increased, and the strength can be increased by maintaining the hardness while maintaining the hardness. The material is high and has excellent plastic deformation resistance.

上記高圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第2の複合粉末を作製する工程(S20)は、圧力10GPa以上、加圧時間50μ秒以下の衝撃波によって瞬間的に前記常圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第1の複合粉末を加圧する工程と、超高圧発生装置を用いて圧力10GPa以上、温度1200℃以上2000℃以下で前記常圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第1の複合粉末を加圧する工程と、エアロゾルデポジション法を用いて、搬送ガスの流量を1SLMとし、粒子速度を150m/s以上で基板に衝突させる工程とからなる群から選択される1つを含んでもよい。   In the step (S20) of producing the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing the high-pressure phase aluminum oxynitride, the normal pressure is instantaneously generated by a shock wave having a pressure of 10 GPa or more and a pressurization time of 50 μsec or less. Pressurizing the first composite powder containing phase aluminum oxynitride powder or atmospheric pressure phase aluminum oxynitride, and using the ultrahigh pressure generator, the pressure is 10 GPa or more, and the temperature is 1200 ° C. or more and 2000 ° C. or less. Using the step of pressurizing the first composite powder containing aluminum oxynitride powder or atmospheric pressure phase aluminum oxynitride and the aerosol deposition method, the flow rate of the carrier gas is 1 SLM, and the particle velocity is 150 m / s or more. One selected from the group consisting of the step of causing the substrate to collide with the substrate may be included.

上記高圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第2の複合粉末を作製する工程(S20)は、第4族、第5族、第6族の遷移金属、もしくはアルミニウム、珪素、ホウ素、または、それらの窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、酸窒化物、金属間化合物、またはそれらの複合化合物のうち、少なくとも1つを添加する工程(S22)をさらに含んでもよい。これにより、添加材を含有した高圧相の酸窒化アルミニウムを含むセラミック焼結体を得ることができる。   The step (S20) of producing the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing the high-pressure phase aluminum oxynitride includes a transition metal of Group 4, Group 5, Group 6, aluminum, silicon And adding at least one of boron, or nitrides, carbides, carbonitrides, borides, oxides, oxynitrides, intermetallic compounds, or composite compounds thereof (S22) May be included. Thereby, the ceramic sintered compact containing the high pressure phase aluminum oxynitride containing the additive can be obtained.

上記焼結体を作製する工程(S30)は、超高圧発生装置を用いて圧力1GPa以上、温度1100℃以上2000℃以下で、もしくは放電プラズマ焼結装置を用いて圧力10MPa以上、温度800℃以上1800℃以下で、前記高圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む第2の複合粉末を焼結する工程(S31)を含んでもよい。   The step of producing the sintered body (S30) is performed at a pressure of 1 GPa or higher and a temperature of 1100 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower using an ultrahigh pressure generator, or a pressure of 10 MPa or higher and a temperature of 800 ° C. or higher using a discharge plasma sintering apparatus. A step (S31) of sintering the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing the high-pressure phase aluminum oxynitride at 1800 ° C. or lower may be included.

本発明の他の局面におけるセラミック焼結体の製造方法は、窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウムの少なくともいずれか一方を含む出発物質から、前駆体を準備する工程(S11、S12)と、前記前駆体を高圧相へ相転移すると同時に焼結させ、焼結体を作製する工程(S32)とを備える。このようにしても、高圧相酸窒化アルミニウムを含む複合粉末を作製することができる。   According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a ceramic sintered body comprising: a step of preparing a precursor from a starting material containing at least one of aluminum nitride and aluminum oxide (S11, S12); And a step of sintering at the same time as the phase transition to the phase to produce a sintered body (S32). Even in this manner, a composite powder containing high-pressure phase aluminum oxynitride can be produced.

上記焼結体を作製する工程(S32)は、超高圧発生装置を用いて圧力10GPa以上、温度1100℃以上2000℃以下で、前記前駆体を高圧相へ相転移すると同時に前記焼結体を作製する工程を含んでもよい。   The step of producing the sintered body (S32) is to produce the sintered body simultaneously with the phase transition of the precursor to the high pressure phase at a pressure of 10 GPa or higher and a temperature of 1100 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower using an ultrahigh pressure generator. The process of carrying out may be included.

次に、本発明の実施例を説明する。   Next, examples of the present invention will be described.

本発明の実施の形態に係るセラミック焼結体の製造方法として、図2に示した製造方法を用いて製造した生成物(試料)について評価した。   As a method for producing a ceramic sintered body according to the embodiment of the present invention, a product (sample) produced using the production method shown in FIG. 2 was evaluated.

(評価試料)
まず、図2における工程(S11)、工程(S13)、および工程(S21)の製造条件の組み合わせを19通り用意し、それぞれの製造方法での工程(S21)後の生成物を解析した(実験1)。工程(S11)では、酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比が3以上9以下となるように酸化アルミニウム(Al23)と窒化アルミニウム(hAlN)の混合比率をAl23:hAlN=1:1〜7:3の範囲で変化させる方法、および、酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比が3以上9以下となるように窒化アルミニウムの吸着酸素量を増加させる方法の2通りで前駆体を作製した。工程(S13)では、加熱温度を、1500℃〜2100℃の範囲で4条件、工程(S21)では、高圧相の酸窒化アルミニウムを作製する方法として、超高圧発生装置を用いて加圧する方法とエアロゾルデポジション法を用いる方法と、それぞれの条件を組み合わせて19パターンの工程(S21)後に得られた高圧相の酸窒化アルミニウム粉末あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む第2の複合粉末を準備した。
(Evaluation sample)
First, 19 combinations of manufacturing conditions in step (S11), step (S13), and step (S21) in FIG. 2 were prepared, and products after step (S21) in each manufacturing method were analyzed (experiment). 1). In the step (S11), the mixing ratio of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and aluminum nitride (hAlN) is changed to Al 2 O so that the composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in the aluminum oxynitride is 3 or more and 9 or less. 3 : hAlN = 1: 1 to 7: 3 and the amount of oxygen adsorbed on the aluminum nitride so that the composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in the aluminum oxynitride is 3 or more and 9 or less Precursors were made in two ways of increasing. In the step (S13), the heating temperature is set in four conditions in the range of 1500 ° C. to 2100 ° C., and in the step (S21), as a method for producing high pressure phase aluminum oxynitride, a method of applying pressure using an ultrahigh pressure generator, A high-pressure phase aluminum oxynitride powder or a second composite powder containing a high-pressure phase aluminum oxynitride obtained after the 19-pattern step (S21) was prepared by combining the method using the aerosol deposition method and the respective conditions.

実験1の評価の後、上記した複数種類の粉末あるいは複合粉末を、さらに図2における工程(S31)を同一条件で施して、最終的に得られたセラミック焼結体を解析した(実験2)。工程(S22)では、TiNを添加材とし、上記粉末あるいは複合粉末とTiNとを3:1の比率で混合して成形体を作製した。工程(S31)では、該成形体を、圧力6GPa、温度1300℃で焼結した。   After the evaluation in Experiment 1, the plurality of types of powders or composite powders described above were further subjected to step (S31) in FIG. 2 under the same conditions, and the finally obtained ceramic sintered body was analyzed (Experiment 2). . In the step (S22), TiN was used as an additive, and the above powder or composite powder and TiN were mixed at a ratio of 3: 1 to produce a molded body. In the step (S31), the compact was sintered at a pressure of 6 GPa and a temperature of 1300 ° C.

(実験1の評価方法)
吸着酸素量は酸素分析装置により評価した。さらに、X線回折(XRD)のメインピークの強度比を用いて、混合物の組成比を評価した。また、混合物に含まれる酸窒化アルミニウムの組成比は、EDX分析により評価した。
(Evaluation method of Experiment 1)
The amount of adsorbed oxygen was evaluated by an oxygen analyzer. Furthermore, the composition ratio of the mixture was evaluated using the intensity ratio of the main peak of X-ray diffraction (XRD). The composition ratio of aluminum oxynitride contained in the mixture was evaluated by EDX analysis.

(実験1評価結果)   (Experiment 1 evaluation result)

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表1を参照して、まず、工程(S11)における、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムの混合比率によって、酸窒化アルミニウムの生成量が大きく変化することが分かった。窒化アルミニウムに対する酸化アルミニウムの混合比が、Al23:hAlN=1:1と少なくても、Al23:hAlN=7:3と多くても、工程(S21)後の混合物における酸窒化アルミニウムの比率は3割程度であり、十分に生成されなかった。一方、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムの混合比率について、Al23:hAlN=3:2以上7:3未満では、酸窒化アルミニウムの比率は6割程度に達した。また、表3を参照して、工程(S11)にとして、酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比が3以上9以下となるように窒化アルミニウムの吸着酸素量を増加させて前駆体を作製した場合において、吸着酸素量が28wt%以上33wt%以下になるように粉末を熱処理して、同様に焼成すると酸窒化アルミニウムの比率は6割程度に達した。また吸着酸素量が28wt%未満、33wt%を超える場合は、酸窒化アルミニウムの比率は3割程度に減少することがわかった。よって、酸窒化アルミニウムを十分な量作製するには、工程(S11)における酸化アルミニウムの粉末と窒化アルミニウムの粉末の混合比を、上記範囲内とするのが適当であることが分かった。 Referring to Table 1, first, it was found that the amount of aluminum oxynitride produced varies greatly depending on the mixing ratio of aluminum oxide and aluminum nitride in the step (S11). Even if the mixing ratio of aluminum oxide to aluminum nitride is as small as Al 2 O 3 : hAlN = 1: 1 or as large as Al 2 O 3 : hAlN = 7: 3, oxynitriding in the mixture after step (S21) The ratio of aluminum was about 30% and was not generated sufficiently. On the other hand, when the mixing ratio of aluminum oxide and aluminum nitride was Al 2 O 3 : hAlN = 3: 2 or more and less than 7: 3, the ratio of aluminum oxynitride reached about 60%. Further, referring to Table 3, as a step (S11), the amount of adsorbed oxygen of aluminum nitride is increased so that the composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in aluminum oxynitride is 3 or more and 9 or less. When the body was manufactured, the powder was heat-treated so that the amount of adsorbed oxygen was 28 wt% or more and 33 wt% or less, and when fired in the same manner, the ratio of aluminum oxynitride reached about 60%. Further, it was found that when the amount of adsorbed oxygen was less than 28 wt% and more than 33 wt%, the ratio of aluminum oxynitride was reduced to about 30%. Therefore, it was found that in order to produce a sufficient amount of aluminum oxynitride, it is appropriate that the mixing ratio of the aluminum oxide powder and the aluminum nitride powder in the step (S11) is within the above range.

次に、工程(S13)における、加熱温度についても適当な範囲が存在することが分かった。工程(S11)において上記範囲内の混合比で混合した前駆体においても、工程(S13)における加熱温度を1500℃としたときには、工程(S21)後の複合粉末における酸窒化アルミニウムの比率は、2割程度であり、十分に生成されなかった。一方、工程(S13)における加熱温度を2100℃としたときには、酸窒化アルミニウムは十分な量を生成できたが、酸窒化アルミニウムの組成は窒素が過剰であった。つまり、窒素過剰となり、酸窒化アルミニウムのスピネル構造が維持できず、窒化アルミニウムの量が増えたため、硬度の低下が見込まれる。実際、下記実験2において、当該条件で作製したセラミック焼結体は、硬度の低下が確認された。一方、工程(S11)において上記範囲内の混合比とし、かつ上記加熱温度を1750℃としたときには、酸窒化アルミニウムを十分に生成でき、かつ該酸窒化アルミニウムは窒素過剰とならなかった。   Next, it was found that there is an appropriate range for the heating temperature in the step (S13). Even in the precursor mixed at the mixing ratio in the above range in the step (S11), when the heating temperature in the step (S13) is 1500 ° C., the ratio of aluminum oxynitride in the composite powder after the step (S21) is 2 However, it was not enough. On the other hand, when the heating temperature in the step (S13) was 2100 ° C., a sufficient amount of aluminum oxynitride was generated, but the composition of aluminum oxynitride was excessive nitrogen. That is, nitrogen is excessive, the spinel structure of aluminum oxynitride cannot be maintained, and the amount of aluminum nitride increases, so that a decrease in hardness is expected. In fact, in Experiment 2 below, it was confirmed that the ceramic sintered body produced under the conditions had a decrease in hardness. On the other hand, when the mixing ratio was within the above range in the step (S11) and the heating temperature was 1750 ° C., sufficient aluminum oxynitride could be produced, and the aluminum oxynitride did not become excessive in nitrogen.

次に、工程(S21)では、上記前駆体を圧力10GPa以上の衝撃波により加圧する方法を採用することで、十分な量の酸窒化アルミニウムが生成されることが分かった。一方、マルチアンビル装置を用いて、上記前駆体を焼結する方法を採用した場合には、焼結温度によって酸窒化アルミニウムの生成量は大きく変化した。   Next, in the step (S21), it was found that a sufficient amount of aluminum oxynitride was generated by adopting a method in which the precursor was pressurized with a shock wave having a pressure of 10 GPa or more. On the other hand, when the method of sintering the precursor using a multi-anvil apparatus was employed, the amount of aluminum oxynitride produced varied greatly depending on the sintering temperature.

焼結温度1100℃では、酸窒化アルミニウムは十分な量生成できず、混合物中は酸化アルミニウムと窒化アルミニウムが、工程(S11)における混合比を略維持したまま存在している。一方、焼結温度2100℃では、酸窒化アルミニウムは十分な量生成されず、さらに、混合物全体から窒素が脱離していた。つまり、酸窒化アルミニウムの組成は窒素が不足し、かつ混合物中の窒化アルミニウムの量も極端に少なく、酸化アルミニウムへの変換が起きたと考えられた。   When the sintering temperature is 1100 ° C., a sufficient amount of aluminum oxynitride cannot be generated, and aluminum oxide and aluminum nitride exist in the mixture while maintaining the mixing ratio in the step (S11). On the other hand, at a sintering temperature of 2100 ° C., a sufficient amount of aluminum oxynitride was not generated, and nitrogen was desorbed from the entire mixture. In other words, it was considered that the composition of aluminum oxynitride was insufficient in nitrogen, and the amount of aluminum nitride in the mixture was extremely small, and conversion to aluminum oxide occurred.

焼結温度を1750℃とし、かつ圧力を10GPa以上とすれば、酸窒化アルミニウムを十分な量生成できた。なお、焼結温度を1750℃で、かつ圧力を9GPaとしたときには、酸窒化アルミニウムは十分に生成でき、酸窒化アルミニウムの組成比も適切であった。   When the sintering temperature was 1750 ° C. and the pressure was 10 GPa or more, a sufficient amount of aluminum oxynitride could be generated. When the sintering temperature was 1750 ° C. and the pressure was 9 GPa, sufficient aluminum oxynitride was generated, and the composition ratio of aluminum oxynitride was appropriate.

なお、酸窒化アルミニウムが十分に作製できた条件において、該酸窒化アルミニウムの組成は、酸素原子:窒素原子=3:2以上9:1以下であった。   Note that the composition of the aluminum oxynitride was oxygen atom: nitrogen atom = 3: 2 to 9: 1 under the condition that the aluminum oxynitride was sufficiently manufactured.

(実験2の評価方法)
セラミック焼結体のビッカース硬度を、試験荷重10kgfでダイヤモンド圧子を押し込み、その圧痕から算出した。さらに、セラミック焼結体をレーザーにより切断し、その先端のノーズRが0.8mmの切削工具を作製し、切削試験を行った。切削試験は、S45Cの鋼を被切削物とし、当該S45Cからなる被切削物を1km切削後の、上記切削工具の逃げ面の摩耗量を測定した。なお、切削条件は、切削速度400m/分、切り込み量0.2mm、1回転あたりの送り量0.1mm/rev、切削油は使用せず、とした。
(Evaluation method of Experiment 2)
The Vickers hardness of the ceramic sintered body was calculated from the indentation obtained by indenting a diamond indenter with a test load of 10 kgf. Furthermore, the ceramic sintered body was cut with a laser to produce a cutting tool having a nose R of 0.8 mm at the tip, and a cutting test was performed. In the cutting test, S45C steel was used as a workpiece, and the amount of wear on the flank of the cutting tool after cutting the workpiece made of S45C for 1 km was measured. The cutting conditions were a cutting speed of 400 m / min, a cutting amount of 0.2 mm, a feed amount per rotation of 0.1 mm / rev, and no cutting oil.

なお、一般的な酸化アルミニウムAl23、および工程(S21)を施さない酸窒化アルミニウム(常圧相酸窒化アルミニウム)からなる切削工具を上記評価方法にて評価したところ、Al23からなる切削工具はビッカース硬度2200Hv、切削試験では欠損が発生した。一方、上記工程(S21)を施さない酸窒化アルミニウムからなる切削工具は、ビッカース硬度1600Hv、切削試験では欠損が発生した。 When a cutting tool made of general aluminum oxide Al 2 O 3 and aluminum oxynitride (atmospheric pressure phase aluminum oxynitride) not subjected to the step (S21) was evaluated by the above evaluation method, Al 2 O 3 The resulting cutting tool had a Vickers hardness of 2200 Hv, and the chipping occurred in the cutting test. On the other hand, the cutting tool made of aluminum oxynitride that was not subjected to the above step (S21) had Vickers hardness of 1600 Hv and a defect occurred in the cutting test.

(実験2の評価結果)   (Evaluation result of Experiment 2)

Figure 0006064482
Figure 0006064482

表4を参照して、実験2の評価結果を説明する。実験1にて酸窒化アルミニウムが十分に生成されていなかった混合物から得られたセラミック焼結体は、ビッカース硬度が2200Hv以下となり、十分な硬度が得られなかった。また、酸窒化アルミニウムは十分に作製できたものの、該酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子が過剰(酸素原子:窒素原子=3:2)であった混合物から得られたセラミック焼結体も、ピッカース硬度は2200Hvと十分な硬度が得られなかった。さらに、これらの硬度不足のセラミック焼結体は、切削試験においては、逃げ面の摩耗量は100μm以上と大きく、欠損も発生したため切削工具用材料として適当でないことが示された。特に酸窒化アルミニウムの組成が窒素不足であった混合物から得られたセラミック焼結体を用いた切削工具は、切削試験中に欠損した。この結果から、酸窒化アルミニウムに含まれる、窒素原子に対する酸素原子の組成比は、3以上9以下とするのが好ましいことが示された。   The evaluation result of Experiment 2 will be described with reference to Table 4. The ceramic sintered body obtained from the mixture in which aluminum oxynitride was not sufficiently generated in Experiment 1 had a Vickers hardness of 2200 Hv or less, and sufficient hardness was not obtained. Also, a ceramic sintered body obtained from a mixture in which aluminum oxynitride has been sufficiently produced but the nitrogen atoms contained in the aluminum oxynitride is excessive (oxygen atoms: nitrogen atoms = 3: 2) is also pickers. A hardness of 2200 Hv was not sufficient. Furthermore, it was shown that these ceramic sintered bodies having insufficient hardness have a large flank wear amount of 100 μm or more in the cutting test, and are not suitable as materials for cutting tools because of the occurrence of defects. In particular, a cutting tool using a ceramic sintered body obtained from a mixture in which the composition of aluminum oxynitride was insufficient in nitrogen was lost during the cutting test. From this result, it was shown that the composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in aluminum oxynitride is preferably 3 or more and 9 or less.

また、工程(S21)において、マルチアンビル装置を用いて、前駆体を圧力9GPa、温度1750℃で焼結する条件を採用して得られたセラミック焼結体は、酸窒化アルミニウムの生成量は十分であったにもかかわらず、ビッカース硬度が1980Hvと低硬度であった。つまり、焼結時の圧力不足により、高圧相酸窒化アルミニウムへの相転移が十分進行しなかったか、常圧相酸窒化アルミニウムへ相変態が起きたと推定される。よって工程(S21)でマルチアンビル装置を用いて焼結する方法では、圧力は10GPa以上とすることが好ましいことが示された。   In the step (S21), the ceramic sinter obtained by using the multi-anvil apparatus and sintering the precursor at a pressure of 9 GPa and a temperature of 1750 ° C. has a sufficient amount of aluminum oxynitride generated. Despite this, the Vickers hardness was as low as 1980 Hv. That is, it is presumed that the phase transition to the high-pressure phase aluminum oxynitride did not proceed sufficiently due to insufficient pressure during sintering, or that the phase transformation to the normal pressure phase aluminum oxynitride occurred. Therefore, in the method of sintering using a multi-anvil apparatus at a process (S21), it was shown that it is preferable that a pressure shall be 10 GPa or more.

以上実施例1から、窒化アルミニウムに対する酸化アルミニウムのモル比が、3/2以上7/3以下である前駆体を生成し、該前駆体を、加熱温度1600℃以上2000℃以下で焼成し、これを圧力10GPa以上、温度1100℃以上2000℃以下で焼結又は圧力10GPa以上の衝撃波で瞬間加圧することによって、従来の酸化アルミニウムあるいは酸窒化アルミニウムより高硬度で長寿命の切削工具用材料を作製できることが示された。また、このとき、酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比は、好ましくは3以上9以下であることが確認できた。   From Example 1 above, a precursor having a molar ratio of aluminum oxide to aluminum nitride of 3/2 or more and 7/3 or less is generated, and the precursor is fired at a heating temperature of 1600 ° C. or more and 2000 ° C. or less. Can be produced at a pressure of 10 GPa or more, at a temperature of 1100 ° C. or more and 2000 ° C. or less, or by instantaneous pressurization with a shock wave of 10 GPa or more of pressure, and a material for a cutting tool having a higher hardness and longer life than conventional aluminum oxide or aluminum oxynitride It has been shown. At this time, it was confirmed that the composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in the aluminum oxynitride was preferably 3 or more and 9 or less.

次に、実施例2を説明する。
本実施例では、図2の工程(S22)において、工程(S21)で得られた酸窒化アルミニウムを含む複合粉末に加えられる、添加材の効果を評価した。すなわち、第4族、第5族、第6族の遷移金属、もしくはアルミニウム、珪素、ホウ素、または、それらの窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、金属間化合物のうち、少なくとも1つを混合して焼結体を作製し、これを評価した。また、図2に示す本発明の製造方法において、工程(S22)を含まず、添加材を添加せずに作成した焼結体についても評価を行った。
Next, Example 2 will be described.
In this example, the effect of the additive added to the composite powder containing aluminum oxynitride obtained in step (S21) in step (S22) of FIG. 2 was evaluated. That is, at least one of Group 4, Group 5, Group 6 transition metal, or aluminum, silicon, boron, or a nitride, carbide, carbonitride, boride, or intermetallic compound thereof. A sintered body was prepared by mixing and evaluated. Moreover, in the manufacturing method of this invention shown in FIG. 2, the process (S22) was not included but the sintered compact produced without adding an additive was also evaluated.

(評価試料)
まず、工程(S11)、工程(S13)において単一の条件で生成された混合物を、工程(S21)において衝撃波により加圧する方法で高圧相酸窒化アルミニウムを含む複合粉末を作製した。これに、添加材として、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、CrN、MoN、WN、TiC、TiB2を上記酸窒化アルミニウム:添加材=7:3の比率で加えて作製した第2の複合粉末と、添加材を加えずに作製した複合粉末とを用意した。これを工程(S31)で焼結してセラミック焼結体を作製した。なお、TiNを添加した第2の複合粉末に対しては、工程(S31)において使用設備、圧力条件および焼結温度条件を変更した10通りのセラミック焼結体を作製し、比較した。
(Evaluation sample)
First, a composite powder containing high-pressure phase aluminum oxynitride was produced by a method in which the mixture produced under a single condition in step (S11) and step (S13) was pressurized with a shock wave in step (S21). A second material prepared by adding TiN, ZrN, HfN, VN, NbN, TaN, CrN, MoN, WN, TiC, and TiB 2 as an additive to the aluminum oxynitride: additive = 7: 3 ratio. And a composite powder prepared without adding an additive were prepared. This was sintered in step (S31) to produce a ceramic sintered body. In addition, with respect to the 2nd composite powder which added TiN, 10 types of ceramic sintered compacts which changed the use equipment, pressure conditions, and sintering temperature conditions in the process (S31) were produced, and compared.

(評価方法)
実施例1と同手法で、同一項目を評価した。すなわち、工程(S21)後で得られた複合粉末の組成比および、複合粉末に含まれる酸窒化アルミニウムの組成比を評価した。さらに、セラミック焼結体のビッカース硬度と、切削工具としたときの切削試験における逃げ面の摩耗量を評価した。
(Evaluation method)
The same items were evaluated by the same method as in Example 1. That is, the composition ratio of the composite powder obtained after the step (S21) and the composition ratio of aluminum oxynitride contained in the composite powder were evaluated. Further, the Vickers hardness of the ceramic sintered body and the wear amount of the flank in the cutting test when the cutting tool was used were evaluated.

(評価結果)   (Evaluation results)

Figure 0006064482
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Figure 0006064482
Figure 0006064482

表5に、工程(S21)において、衝撃波により加圧する方法を採用したときの評価結果を、表6にマルチアンビル装置を用いて焼結する方法を採用したときの評価結果を示す。いずれの方法においても、上記のいずれかの添加材を加えた場合、ビッカース硬度は2400Hv以上と高硬度であり、切削試験における逃げ面の摩耗量も100μm以下と切削用材料として好適であることが示された。さらに、添加材を加えない場合にも、ビッカース硬度および摩耗量も同等の性能を有することが確認できた。   Table 5 shows the evaluation results when the method of applying pressure by shock waves in the step (S21) is adopted, and Table 6 shows the evaluation results when the method of sintering using the multi-anvil apparatus is adopted. In any method, when any one of the above additives is added, the Vickers hardness is as high as 2400 Hv or higher, and the wear amount of the flank in the cutting test is 100 μm or less, which is suitable as a cutting material. Indicated. Furthermore, it was confirmed that the Vickers hardness and the wear amount had the same performance even when no additive was added.

しかし、工程(S31)において、ベルト装置を用いて焼結する方法を採用し、焼結条件を900℃の低温、あるいは2200℃の高温としたときには、得られたセラミック焼結体のビッカース硬度は、いずれも2200Hv以下であり、切削試験で欠損が発生した。これは、焼結条件として温度が十分高温でないと焼結が不十分で硬度不足となり、一方焼結温度が高すぎると窒素が脱離し、酸化アルミニウムに変換されたと考えられる。   However, in the step (S31), when a method of sintering using a belt device is adopted and the sintering conditions are set to a low temperature of 900 ° C. or a high temperature of 2200 ° C., the Vickers hardness of the obtained ceramic sintered body is , Both were 2200 Hv or less, and defects occurred in the cutting test. If the temperature is not sufficiently high as a sintering condition, the sintering is insufficient and the hardness is insufficient. On the other hand, if the sintering temperature is too high, nitrogen is desorbed and converted to aluminum oxide.

よって、工程(S31)において超高圧発生装置を用いて焼結する方法を採用した時の焼結条件は、圧力1GPa以上、温度1100℃以上2000℃以下が好ましいことが示された。   Therefore, it was shown that the sintering conditions when the method of sintering using an ultra-high pressure generator in the step (S31) is adopted are preferably a pressure of 1 GPa or more and a temperature of 1100 ° C. or more and 2000 ° C. or less.

一方、放電プラズマ焼結装置を用いて焼結する方法を採用し、焼結条件を700℃の低温、あるいは1900℃の高温、あるいは5MPaの低圧としたとき、得られたセラミック焼結体のビッカース硬度は、いずれも2000Hv以下であり、切削試験の摩耗量も100μm以上であった。これは、焼結条件として温度が十分高温でないと焼結が不十分で硬度不足となり、一方焼結温度が高すぎると窒素が脱離し、酸化アルミニウムに変換されたと考えられる。   On the other hand, when a method of sintering using a discharge plasma sintering apparatus is adopted and the sintering conditions are a low temperature of 700 ° C., a high temperature of 1900 ° C., or a low pressure of 5 MPa, the Vickers of the obtained ceramic sintered body is used. The hardness was 2000 Hv or less in all cases, and the wear amount in the cutting test was 100 μm or more. If the temperature is not sufficiently high as a sintering condition, the sintering is insufficient and the hardness is insufficient. On the other hand, if the sintering temperature is too high, nitrogen is desorbed and converted to aluminum oxide.

本実施例では、図2に示した製造方法を用いて製造したセラミック焼結体、および、図3に示した製造方法を用いて製造したセラミック焼結体を評価した。   In this example, a ceramic sintered body manufactured using the manufacturing method shown in FIG. 2 and a ceramic sintered body manufactured using the manufacturing method shown in FIG. 3 were evaluated.

(評価試料)
図2を参照して、工程(S11)で準備した酸化アルミニウムの粉末と窒化アルミニウムの粉末に、工程(S11)において添加材を混合して前駆体を作製した。酸化アルミニウムと窒化アルミニウムの混合比率は実施例1と同様に、Al23:hAlN=1:1〜7:3の範囲で4条件、添加材は実施例2と同様に、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、CrN、MoN、WN、TiC、TiB2の11種用意し、工程(S11)で準備した酸化アルミニウムの粉末と窒化アルミニウムの粉末と添加材の比率を7:3の割合として前駆体を作製した。以降、工程(S13)、工程(S21)、工程(S31)はいずれも単一条件としてセラミック焼結体を作製した。工程(S13)では、加熱温度1750℃で前駆体を焼成し、工程(S21)では圧力15GPa、加圧時間50μ秒の衝撃波により前駆体を加圧し、工程(S31)では圧力6GPa、加熱温度1300℃で高圧相酸窒化アルミニウムを含む複合粉末を焼結した。このようにして、図2に示す製造方法用いて製造したセラミック焼結体を準備した。
(Evaluation sample)
Referring to FIG. 2, the precursor was prepared by mixing the aluminum oxide powder and the aluminum nitride powder prepared in step (S11) with additives in step (S11). As in Example 1, the mixing ratio of aluminum oxide and aluminum nitride was Al 2 O 3 : hAlN = 1: 1 to 7: 3 in four conditions, and the additives were TiN, ZrN, 11 types of HfN, VN, NbN, TaN, CrN, MoN, WN, TiC, TiB 2 were prepared, and the ratio of the aluminum oxide powder, the aluminum nitride powder, and the additive prepared in the step (S11) was 7: 3. Precursors were made as proportions. Thereafter, the ceramic sintered body was produced under a single condition in each of the step (S13), the step (S21), and the step (S31). In the step (S13), the precursor is fired at a heating temperature of 1750 ° C., in the step (S21), the precursor is pressurized by a shock wave having a pressure of 15 GPa and a pressurization time of 50 μs, and in the step (S31), the pressure is 6 GPa and the heating temperature is 1300. The composite powder containing the high pressure phase aluminum oxynitride was sintered at ° C. Thus, the ceramic sintered compact manufactured using the manufacturing method shown in FIG. 2 was prepared.

また、図3を参照にして、前駆体を作製した後、マルチアンビル装置を用いて圧力10GPa、温度1750℃で焼結をし、高圧相酸窒化アルミニウムへの相転移と、焼結を同時に行った。このようにして、図3に示す製造方法用いて製造したセラミック焼結体を準備した。   In addition, referring to FIG. 3, after preparing the precursor, sintering was performed using a multi-anvil apparatus at a pressure of 10 GPa and a temperature of 1750 ° C., and the phase transition to high-pressure phase aluminum oxynitride and the sintering were performed simultaneously. It was. Thus, the ceramic sintered compact manufactured using the manufacturing method shown in FIG. 3 was prepared.

(評価方法)
図2に示す製造方法用いて製造したセラミック焼結体に対しては、実施例1および実施例2と同手法で、同一項目を評価した。すなわち、工程(S21)後で得られた複合粉末の組成比および、複合粉末に含まれる酸窒化アルミニウムの組成比を評価した。さらに、セラミック焼結体のビッカース硬度と、切削工具としたときの切削試験における逃げ面の摩耗量を評価した。
(Evaluation method)
For the ceramic sintered body manufactured using the manufacturing method shown in FIG. 2, the same items were evaluated in the same manner as in Example 1 and Example 2. That is, the composition ratio of the composite powder obtained after the step (S21) and the composition ratio of aluminum oxynitride contained in the composite powder were evaluated. Further, the Vickers hardness of the ceramic sintered body and the wear amount of the flank in the cutting test when the cutting tool was used were evaluated.

また、図3に示す製造方法用いて製造したセラミック焼結体に対しては、工程(S32)後に得られたセラミック焼結体の組成比および、セラミック焼結体に含まれる酸窒化アルミニウムの組成比を評価した。さらに、セラミック焼結体のビッカース硬度と、切削工具としたときの切削試験における逃げ面の摩耗量を評価した。   For the ceramic sintered body manufactured using the manufacturing method shown in FIG. 3, the composition ratio of the ceramic sintered body obtained after the step (S32) and the composition of the aluminum oxynitride contained in the ceramic sintered body The ratio was evaluated. Further, the Vickers hardness of the ceramic sintered body and the wear amount of the flank in the cutting test when the cutting tool was used were evaluated.

(評価結果)   (Evaluation results)

Figure 0006064482
Figure 0006064482

表7を参照して、本実施例の評価結果を説明する。まず、工程(S11)における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混合比率は、実施例1と同様に、Al23:hAlN=3:2以上7:3未満が好ましいことが分かった。すなわち、上記範囲内では、十分な量の酸窒化アルミニウムを作製でき、最終的に得られたセラミック焼結体はビッカース硬度2400Hv以上と高硬度であり、切削工具としたときの切削試験における逃げ面の摩耗量も100μm以下と良好な結果であった。一方、上記範囲外では、十分な量の酸窒化アルミニウムが作製されず、最終的に得られたセラミック焼結体は、ビッカース硬度2400Hv以下であり、切削工具としたときの切削試験ではチップが欠損したため、切削工具用材料として適当ではないことが示された。 With reference to Table 7, the evaluation results of this example will be described. First, it was found that the mixing ratio of the aluminum oxide powder and the aluminum nitride powder in the step (S11) was preferably Al 2 O 3 : hAlN = 3: 2 or more and less than 7: 3, as in Example 1. . That is, within the above range, a sufficient amount of aluminum oxynitride can be produced, and the finally obtained ceramic sintered body has a high hardness of Vickers hardness of 2400 Hv or more, and a flank in a cutting test when used as a cutting tool. The amount of wear was 100 μm or less, which was a good result. On the other hand, outside the above range, a sufficient amount of aluminum oxynitride was not produced, and the finally obtained ceramic sintered body had a Vickers hardness of 2400 Hv or less, and the chip was missing in the cutting test when it was used as a cutting tool. Therefore, it was shown that it is not suitable as a material for cutting tools.

添加材については、本実施例で用いた11種のいずれを用いても、上記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混合比率を上記範囲内として前駆体とし、かつ該前駆体と添加材とを上記混合比率としたときには、最終的に得られたセラミック焼結体は、ビッカース硬度2400Hv以上と高硬度であり、切削工具としたときの切削試験における逃げ面の摩耗量が100μm以下であった。   As for the additive, any of the 11 types used in this example was used as a precursor with the mixing ratio of the aluminum oxide powder and the aluminum nitride powder within the above range, and the precursor and additive When the above mixture ratio is used, the finally obtained ceramic sintered body has a high hardness of Vickers hardness of 2400 Hv or more, and the wear amount of the flank in the cutting test when used as a cutting tool is 100 μm or less. It was.

なお、本実施例で作製された酸窒化アルミニウムは、実施例1および実施例2で評価した酸窒化アルミニウムと比較して、窒素原子の組成比が高くなっている。これは、図2に示す製造方法においては、添加材として窒化物を使用してこれを工程(S13)および工程(S21)の工程前の前駆体に混合することによって、添加材が分散性良く取り込まれた高圧相の酸窒化アルミニウムを得ることができたためと考えられる。一方、図3に示す製造方法においては、添加材として窒化物を使用してこれを工程(S32)の工程前の前駆体に混合することによって、添加材が分散性良く取り込まれた高圧相の酸窒化アルミニウムを得ることができたためと考えられる。   Note that the aluminum oxynitride manufactured in this example has a higher composition ratio of nitrogen atoms than the aluminum oxynitride evaluated in Example 1 and Example 2. In the manufacturing method shown in FIG. 2, nitride is used as an additive, and this is mixed with the precursor before the step (S13) and step (S21), so that the additive has good dispersibility. This is probably because the taken-in high-pressure phase aluminum oxynitride could be obtained. On the other hand, in the manufacturing method shown in FIG. 3, by using a nitride as an additive and mixing it with the precursor before the step (S32), the high-pressure phase in which the additive is incorporated with good dispersibility is used. This is probably because aluminum oxynitride could be obtained.

また、前駆体を作製した後、マルチアンビル装置を用いて圧力10GPa、温度1750℃で焼結をし、高圧相酸窒化アルミニウムへの相転移と、焼結を同時に行った、図3に示す製造方法を用いて製造したセラミック焼結体は、図2に示す製造方法を用いて製造したセラミック焼結体と、ビッカース硬度および摩耗量ともに同等の性能を有することが確認できた。   Moreover, after producing the precursor, sintering was performed at a pressure of 10 GPa and a temperature of 1750 ° C. using a multi-anvil apparatus, and the phase transition to high-pressure phase aluminum oxynitride and the sintering were simultaneously performed. It was confirmed that the ceramic sintered body manufactured using the method had the same performance as the ceramic sintered body manufactured using the manufacturing method shown in FIG. 2 in terms of Vickers hardness and wear amount.

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、今回開示された実施の形態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のすべての変更が含まれることが意図される。   As described above, the embodiments and examples of the present invention have been described. However, it should be understood that the embodiments disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明のセラミック焼結体は、切削工具用材料として、特に有利に適用される。   The ceramic sintered body of the present invention is particularly advantageously applied as a cutting tool material.

Claims (8)

酸窒化アルミニウムを含み、
ビッカース硬度が2400Hv以上3800Hv以下であり、
前記酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比は、3以上9以下であり、
前記酸窒化アルミニウムのX線回折のメインピークの強度比が50%以上であり、
炭化珪素を含まない、セラミック焼結体。
Including aluminum oxynitride,
Vickers hardness is Ri Der more 3800Hv following 2400Hv,
The composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in the aluminum oxynitride is 3 or more and 9 or less,
The intensity ratio of the main peak of X-ray diffraction of the aluminum oxynitride is 50% or more,
Ceramic sintered body that does not contain silicon carbide .
第4族、第5族、第6族の遷移元素、もしくはアルミニウム、珪素、ホウ素、または、それらの窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、酸窒化物、金属間化合物、またはそれらの複合化合物のうち、少なくとも1つをさらに含む、請求項1に記載のセラミック焼結体。   Group 4, Group 5, Group 6 transition element, or aluminum, silicon, boron, or nitrides, carbides, carbonitrides, borides, oxides, oxynitrides, intermetallic compounds, or The ceramic sintered body according to claim 1, further comprising at least one of the composite compounds. 窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウムのうち、少なくとも一方をさらに含む、請求項1または2に記載のセラミック焼結体。   The ceramic sintered body according to claim 1 or 2, further comprising at least one of aluminum nitride and aluminum oxide. 請求項1に記載のセラミック焼結体を用いた工具。   A tool using the ceramic sintered body according to claim 1. 窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウムの少なくともいずれか一方を含む出発物質から、前駆体を準備し、前記前駆体から常圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む第1の複合粉末を作製する工程と、
前記常圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第1の複合粉末から、高圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む第2の複合粉末を作製する工程と、
前記高圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第2の複合粉末を焼結することにより焼結体を作製する工程とを備え
前記出発物質が、前記窒化アルミニウムと前記酸化アルミニウムとを含む場合、前記出発物質中における前記酸化アルミニウムと前記窒化アルミニウムの混合比率は3:2以上7:3未満であり、前記出発物質が前記窒化アルミニウムのみを含む場合は、前記窒化アルミニウムの吸着酸素量が28重量%以上33重量%以下であり、
前記常圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第1の複合粉末を作製する工程は、前記高圧相酸窒化アルミニウムに含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比が3以上9以下となるように前記前駆体を作製する工程と、前記前駆体を、加熱温度1600℃以上2000℃以下という条件で焼成することで、前記常圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第1の複合粉末を作製する工程とを含み、
前記高圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第2の複合粉末を作製する工程は、圧力15GPa以上、加圧時間50μ秒以下の衝撃波によって瞬間的に前記常圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第1の複合粉末を加圧する工程と、超高圧発生装置を用いて圧力10GPa以上、温度1200℃以上2000℃以下で前記常圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第1の複合粉末を加圧する工程と、エアロゾルデポジション法を用いて、搬送ガスの流量を1SLMとし、粒子速度を150m/s以上で基板に衝突させる工程とからなる群から選択される1つを含み、
前記焼結体を作製する工程は、超高圧発生装置を用いて圧力1GPa以上、温度1100℃以上2000℃以下で、もしくは放電プラズマ焼結装置を用いて圧力10MPa以上、温度800℃以上1800℃以下で、前記高圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第2の複合粉末を焼結する工程を含む、セラミック焼結体の製造方法。
A precursor is prepared from a starting material containing at least one of aluminum nitride and aluminum oxide, and an atmospheric pressure phase aluminum oxynitride powder or a first composite powder containing atmospheric pressure phase aluminum oxynitride is produced from the precursor. And a process of
A step of producing a high pressure phase aluminum oxynitride powder or a second composite powder containing high pressure phase aluminum oxynitride from the normal pressure phase aluminum oxynitride powder or the first composite powder containing normal pressure phase aluminum oxynitride. When,
A step of producing a sintered body by sintering the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing the high-pressure phase aluminum oxynitride ,
When the starting material includes the aluminum nitride and the aluminum oxide, the mixing ratio of the aluminum oxide and the aluminum nitride in the starting material is 3: 2 or more and less than 7: 3, and the starting material is the nitriding When only aluminum is included, the adsorbed oxygen amount of the aluminum nitride is 28 wt% or more and 33 wt% or less,
In the step of producing the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride powder or the first composite powder containing the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride, the composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in the high pressure phase aluminum oxynitride is 3 or more. The step of producing the precursor so as to be 9 or less, and the precursor is fired under the conditions of a heating temperature of 1600 ° C. or more and 2000 ° C. or less, whereby the normal pressure phase aluminum oxynitride powder or the normal pressure phase acid Producing the first composite powder containing aluminum nitride,
The step of producing the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing the high-pressure phase aluminum oxynitride instantaneously generates the atmospheric pressure phase oxynitride by a shock wave having a pressure of 15 GPa or more and a pressurization time of 50 μsec or less. Pressurizing the first composite powder containing aluminum powder or atmospheric pressure phase aluminum oxynitride, and using the ultrahigh pressure generator, the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride at a pressure of 10 GPa or more and a temperature of 1200 ° C to 2000 ° C Using the step of pressurizing the first composite powder containing powder or atmospheric pressure phase aluminum oxynitride and the aerosol deposition method, the carrier gas flow rate is 1 SLM and the particle velocity collides with the substrate at 150 m / s or more. Including one selected from the group consisting of:
The step of producing the sintered body is performed at a pressure of 1 GPa or more and a temperature of 1100 ° C. or more and 2000 ° C. or less using an ultrahigh pressure generator, or a pressure of 10 MPa or more and a temperature of 800 ° C. or more and 1800 ° C. or less using a discharge plasma sintering apparatus. A method for producing a ceramic sintered body, comprising the step of sintering the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing the high-pressure phase aluminum oxynitride .
前記常圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは常圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第1の複合粉末を作製する工程では、
前記前駆体、前記常圧相酸窒化アルミニウム粉末、または前記第1の複合粉末のいずれか少なくとも1つに、第4族、第5族、もしくは第6族の遷移金属、もしくはアルミニウム、珪素、ホウ素、もしくはそれらの窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、酸窒化物、金属間化合物、またはそれらの複合化合物のうち、少なくとも1つを添加する工程を含む、請求項5に記載のセラミック焼結体の製造方法。
In the step of producing the normal pressure phase aluminum oxynitride powder or the first composite powder containing the normal pressure phase aluminum oxynitride,
At least one of the precursor, the atmospheric pressure phase aluminum oxynitride powder, and the first composite powder includes a transition metal of Group 4, Group 5, or Group 6, or aluminum, silicon, boron or nitrides thereof, carbides, carbonitrides, borides, oxides, oxynitrides, intermetallic compounds, or of their complex compounds, including the step of adding at least one, according to claim 5 Of manufacturing a ceramic sintered body.
前記高圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第2の複合粉末を作製する工程は、
前記高圧相酸窒化アルミニウム粉末、あるいは高圧相酸窒化アルミニウムを含む前記第2の複合粉末に、第4族、第5族、第6族の遷移金属、もしくはアルミニウム、珪素、ホウ素、または、それらの窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、酸窒化物、金属間化合物、またはそれらの複合化合物のうち、少なくとも1つを添加する工程をさらに含む、請求項5に記載のセラミック焼結体の製造方法。
The step of preparing the high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing the high-pressure phase aluminum oxynitride includes
The high-pressure phase aluminum oxynitride powder or the second composite powder containing the high-pressure phase aluminum oxynitride includes a Group 4, Group 5, Group 6 transition metal, or aluminum, silicon, boron, or their The ceramic firing according to claim 5, further comprising adding at least one of nitride, carbide, carbonitride, boride, oxide, oxynitride, intermetallic compound, or a composite compound thereof. A method for producing a knot.
窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウムの少なくともいずれか一方を含む出発物質から、前駆体を準備する工程と、
前記前駆体を高圧相へ相転移すると同時に焼結させ、焼結体を作製する工程とを備え、
前記焼結体を作製する工程は、超高圧発生装置を用いて圧力10GPa以上、温度100℃以上2000℃以下、処理時間20分以上で、前記前駆体を高圧相へ相転移すると同時に前記焼結体を作製する工程を含
前記前駆体を準備する工程において、前記前駆体は、前記高圧相に含まれる窒素原子に対する酸素原子の組成比が3以上9以下となるように作製される、セラミック焼結体の製造方法。
Preparing a precursor from a starting material containing at least one of aluminum nitride and aluminum oxide;
A step of sintering the precursor simultaneously with the phase transition to a high-pressure phase, and preparing a sintered body,
The step of producing the sintered body, the pressure 10GPa or more using a high-pressure apparatus, temperature 1 2 00 ° C. or higher 2000 ° C. or less, the processing time of 20 minutes or more, at the same time the precursor phase transition into the high-pressure phase the viewing including the step of producing a sintered body,
In the step of preparing the precursor, the precursor is produced such that the composition ratio of oxygen atoms to nitrogen atoms contained in the high-pressure phase is 3 or more and 9 or less .
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