JPWO2016031714A1 - 焼結体、焼結体を用いた工具、および焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

［課題］耐摩耗性および耐欠損性に優れ、かつ耐酸化性にも優れた焼結体を提供すること。［課題を解決するための手段］Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物を含む、焼結体である。

Description

本発明は、焼結体、焼結体を用いた工具、および焼結体の製造方法に関する。

従来より、焼結体からなる工具を用いて、鋼、鋳物などの切削加工が行われている。切削加工時において、工具の刃先は高温環境に曝されるため、工具は、耐摩耗性と耐欠損性といった特性はもちろん、耐酸化性も求められる。このような特性が期待される焼結体として、Ｔｉ、ＡｌおよびＮからなる焼結体が知られている。

たとえば、特開平０５−０７８１０７号公報（特許文献１）には、メカニカルアロイニング（ＭＡ）法を用いてＴｉ_0.5Ａｌ_0.5Ｎからなる粉末を作製し、これを焼結してＴｉ_{0. 5}Ａｌ_0.5Ｎからなる焼結体を製造することが開示されている。特開平１０−１８２２３３号公報（特許文献２）には、物理気相成長（ＰＶＤ）法を用いてＴｉ_1-xＡｌ_xＮ（ｘ＝０．０５〜０．７０）からなる粉末を作製し、これを焼結して窒化チタンアルミ基焼結体を製造することが開示されている。特開２００７−１３１４９３号公報（特許文献３）には、燃焼合成（ＳＨＳ）法を用いてＴｉ、ＡｌおよびＮからなる混合物を作製し、これを焼結してＡｌ添加ＴｉＮバルク体を製造することが開示されている。

特開平０５−０７８１０７号公報 特開平１０−１８２２３３号公報 特開２００７−１３１４９３号公報

しかしながら、上述のようなＴｉ、ＡｌおよびＮからなる焼結体では、耐酸化性の点で、要望される性能にまで向上させることが難しい傾向にある。

そこで、ここでは、耐摩耗性および耐欠損性に優れ、かつ耐酸化性にも優れた焼結体、焼結体を用いた工具、およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る焼結体は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物を含む、焼結体である。

本発明の一態様に係る工具は、上記のＴｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物を含む焼結体を用いた工具である。

本発明の一態様に係る焼結体の製造方法は、Ｔｉ、ＡｌおよびＳｉの各元素を含む第１粒子を準備する工程と、第１粒子を処理して、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮの各元素からなる第２粒子を作製する工程と、第２粒子を焼結して、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物を含む焼結体を作製する工程と、を備え、第２粒子を作製する工程は、第１粒子を加熱する工程と、加熱後の第１粒子を急冷する工程とを備える。

上記によれば、耐摩耗性および耐欠損性に優れ、かつ耐酸化性にも優れた焼結体、これを用いた工具、およびその製造方法を提供することが可能となる。

第３の実施形態に係る焼結体の製造方法を説明するためのフロー図である。 処理工程を説明するためのフロー図である。 第４の実施形態に係る焼結体の製造方法を説明するためのフロー図である。

[本発明の実施形態の説明]
最初に、本発明の実施形態を列挙して説明する。

〔１〕本発明の一態様に係る焼結体は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物を含む。

Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる化合物（以下、「ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物」という）を有することができ、これにより、高い耐摩耗性と高い耐欠損性のみならず、高い耐酸化性を有することができる。したがって、本発明の一態様に係る焼結体は、耐摩耗性および耐欠損性に優れ、かつ耐酸化性にも優れるという特性を有することができる。

〔２〕上記焼結体において好ましくは、第１化合物は、Ｔｉ_（1-a-b）Ａｌ_aＳｉ_bＯ_xＮ _yを含み、Ｔｉ_（1-a-b）Ａｌ_aＳｉ_bＯ_xＮ_yにおけるａ、ｂ、ｘおよびｙは、それぞれ、０．０１≦ａ≦０．７０、０．０１≦ｂ≦０．５５、０．０６≦ａ＋ｂ≦０．８８、０．００５≦ｘ≦０．６、０．４≦ｙ≦０．９９５、および０．５＜ｘ＋ｙ≦１を満たす。これにより、焼結体はさらに上記特性に優れる。

〔３〕上記焼結体において、第１化合物の含有量は、１０体積％以上１００体積％以下であることが好ましい。焼結体における第１化合物の含有量が１０体積％未満の場合、焼結体の上記特性が低下する傾向がある。

〔４〕上記焼結体は、第２化合物、第３化合物、第４化合物および第１金属からなる群より選択される１種以上をさらに含むことが好ましい。第２化合物は立方晶窒化ホウ素であり、第３化合物は、ＡｌおよびＳｉの１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、およびＯからなる群より選択される１種以上の元素との化合物であり、第４化合物は、周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素からなる群より選択される１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、およびＯからなる群より選択される１種以上の元素との化合物であり、第１金属は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、ＷおよびＰｂからなる群より選ばれる１種以上からなる金属である。この場合、第２化合物、第３化合物、第４化合物および第１金属のそれぞれの組成や焼結体中での含有割合を適宜調整することにより、焼結体の種々の特性のバランスを調整することができ、もって様々なニーズに対応した焼結体を提供することができる。

〔５〕本発明の一態様に係る工具は、上記焼結体を用いた工具である。上記焼結体は、耐摩耗性、耐欠損性および耐酸化性といった特性に優れるため、これを用いた工具もまた、これらの特性に優れることができる。したがって、本発明の一態様に係る工具は、従来と比して長寿命を有することができる。

〔６〕本発明の一態様に係る焼結体の製造方法は、Ｔｉ、ＡｌおよびＳｉの各元素を含む第１粒子を準備する工程と、第１粒子を処理して、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮの各元素からなる第２粒子を作製する工程と、第２粒子を焼結して、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物を含む焼結体を作製する工程と、を備え、第２粒子を作製する工程は、第１粒子を加熱する工程と、加熱後の第１粒子を急冷する工程とを備える。

本発明の一態様に係る焼結体の製造方法によれば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物を含む焼結体を製造することができる。このような第１化合物は耐摩耗性、耐欠損性および耐酸化性といった特性に優れ、もって第１化合物を含む焼結体は、これらの特性に優れることができる。

〔７〕上記製造方法において好ましくは、焼結体を作製する工程の前に、第２粒子と第３粒子とを混合する工程を含む。第３粒子は、第５化合物、第６化合物、第７化合物および第２金属からなる群より選択される１種以上からなる粒子である。第５化合物は、立方晶窒化ホウ素である。第６化合物は、ＡｌおよびＳｉの１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、およびＯからなる群より選択される１種以上の元素との化合物である。第７化合物は、周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素からなる群より選択される１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、およびＯからなる群より選択される１種以上の元素との化合物である。第２金属は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、ＷおよびＰｂからなる群より選択される１種以上からなる金属である。この場合、焼結する工程において、第２粒子と第３粒子との混合物が焼結されることになり、製造された焼結体は、上記第１化合物に加え、所望の第２化合物を有することができる。このため、焼結体の種々の特性のバランスを所望に調整することができ、もって様々なニーズに対応した焼結体を製造することができる。

〔８〕上記製造方法において好ましくは、混合する工程は、第２粒子と第３粒子との混合粒子における第３粒子の含有量を９０体積％以上として実行する。これにより、第１化合物の有する特性を十分に維持したまま、第２化合物の有する特性が付加された焼結体を製造することができる。

[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本願発明の実施形態について詳細に説明する。

本明細書において「金属」とは、特に説明がない限り、「Ｃｏ」のような１種の金属元素からなる単体金属に限定されるものではなく、「ＣｏＳｉ₂」のような２種以上の金属元素からなる合金を含む。また、本明細書において「化合物」とは、１種以上の金属元素と１種以上の非金属元素とからなる化合物を示す。なお、非金属元素としては、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯが挙げられる。

また、本明細書において記載される化学式において特に原子比が規定されない場合は、各元素の原子比は必ずしも等比となるものではなく、従来公知の原子比が全て含まれるものとする。たとえばＴｉＮと記す場合、ＴｉとＮとの原子比は１：１が含まれる他、２：１、１：０．９５、１：０．９、１：０．３等が含まれ、ＴｉＺｒＮと記す場合、ＴｉとＺｒとＮの原子比は２５：２５：５０が含まれる他、従来公知の原子比が全て含まれるものとする。

≪第１の実施形態≫
第１の実施形態に係る焼結体は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物を含む焼結体である。ここで、焼結体とはバルクであって、塊状の形状を有するものであり、薄膜（被膜）とはその形状が異なる。また、焼結体と薄膜とはその形状が異なることによって、その特性のみならず、その使用目的、製造方法も異なる。なお、一般的に薄膜の厚みは５μｍ程度であり、また、１００μｍ以上の厚みを有する薄膜は実質的に製造できないのに対し、焼結体の厚みは１００μｍ以上とすることができる。

Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物を含む焼結体は、後述する製造方法によって製造され得る新規なものであり、従来のＴｉ、ＡｌおよびＮからなる焼結体（以下、「ＴｉＡｌＮ焼結体」ともいう）とはその構成が大きく異なる。

具体的には、従来のＴｉＡｌＮ焼結体は、Ｔｉ、ＡｌおよびＮからなる化合物（以下、「ＴｉＡｌＮ化合物」という）を含む。このようなＴｉＡｌＮ化合物は、通常、ＴｉとＮとからなる結晶構造中に、Ａｌが固溶した構造を有している。これに対し、第１の実施形態に係る焼結体が備える第１化合物は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎ、ＳｉおよびＯからなる化合物（以下、「ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物」という）を含む。このＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物は、ＴｉとＮとからなる結晶構造中に、さらにＡｌ、ＳｉおよびＯが固溶した構造を有している。なお、上記第１化合物が意図しない不可避不純物を含んでもよいことはいうまでもない。

第１の実施形態に係る焼結体は、上記第１化合物を含むことにより、高い硬度と高い耐摩耗性のみならず、高い耐酸化性を有することができる。これは、ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物からなる第１化合物が高い耐摩耗性と高い耐欠損性を有し、かつＴｉＡｌＮ化合物よりも耐酸化性に優れていることによる。

また、第１の実施形態に係る焼結体において、第１化合物は、Ｔｉ_（1-a-b）Ａｌ_aＳｉ _bＯ_xＮ_yを含み、Ｔｉ_（1-a-b）Ａｌ_aＳｉ_bＯ_xＮ_yにおけるａ、ｂ、ｘおよびｙは、それぞれ、０．０１≦ａ≦０．７０、０．０１≦ｂ≦０．５５、０．０６≦ａ＋ｂ≦０．８８、０．００５≦ｘ≦０．６、０．４≦ｙ≦０．９９５、および０．５＜ｘ＋ｙ≦１を満たすことが好ましい。第１化合物が上記組成比を満たすＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物を含むことにより、焼結体はさらに高い耐酸化性を有することができる。その理由としては、本発明者は以下のように考察する。

すなわち、第１化合物がＴｉ_（1-a-b）Ａｌ_aＳｉ_bＯ_xＮ_yを含み、Ｔｉ_（1-a-b）Ａｌ_aＳｉ_bＯ_xＮ_yにおけるａ、ｂ、ｘおよびｙがそれぞれ上記範囲を見たす場合に、第１化合物中に含まれるＡｌが熱力学的に安定なＡｌ酸化物の皮膜を形成し、ならびにＳｉがＡｌ酸化皮膜を緻密化させることにより、焼結体の上記特性がさらに向上する。

また、Ｔｉ_（1-a-b）Ａｌ_aＳｉ_bＯ_xＮ_yにおけるａ、ｂ、ｘおよびｙは、それぞれ、０．３０≦ａ≦０．７０、０．１０≦ｂ≦０．２０、０．０１≦ｘ≦０．３０、０．８０≦ｙ≦０．９９を満たすことがより好ましい。この場合、上記特性が顕著に向上する。

ただし、第１の実施形態に係る焼結体における第１化合物の含有量は１０体積％以上１００体積％以下であることが好ましく、１６体積％以上であることがより好ましく、２０体積％以上であることがさらに好ましく、４０体積％以上であることが特に好ましく、なかでも５０体積％以上であることが好ましい。焼結体における第１化合物の含有量が１０体積％未満の場合、焼結体の上記特性が低下する傾向がある。これは、焼結体におけるＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物以外の化合物、金属等の含有量が増加することによると考えられる。

また、第１の実施形態に係る焼結体は、第２化合物、第３化合物、第４化合物および第１金属からなる群より選択される１種以上をさらに含むことが好ましい。

第２化合物は、立方晶窒化ホウ素である。第３化合物は、ＡｌおよびＳｉの１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、およびＯからなる群より選択される１種以上の元素との化合物である。第４化合物は、周期表の第４族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、第５族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）および第６族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）からなる群より選択される１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、およびＯからなる群より選択される１種以上の元素との化合物である。また、第１金属は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、ＷおよびＰｂからなる群より選ばれる１種以上からなる金属である。

焼結体が第２化合物、第３化合物、第４化合物および第１金属からなる群より選択される１種以上（以下、便宜的にこれらを「第１化合物以外の他の特定物質」ともいう）を含む場合、これらは、第１化合物同士の界面に存在することとなる。すなわち、第１化合物以外の他の特定物質は、焼結体中において、１つの第１化合物よりなる粒子とこれと隣り合う他の第１化合物よりなる粒子との間に存在する。

第１化合物よりなる粒子の界面に第１化合物以外の他の物質よりなる粒子が存在することにより、各第１化合物同士が強固に結合されることとなるため、焼結体はさらに耐欠損性に優れることとなる。これは、第１化合物と第２化合物とを含む焼結体が、第１化合物の原料となる第２粒子（後述）と、第１化合物以外の他の特定物質の原料となる第３粒子を混合して焼結することによって作製されるものであり、この場合に、焼結中に第２粒子と第３粒子との界面に反応生成物が生じ、これによって、結果的に第１化合物と第２化合物とが強固に結合されるためである。

また、焼結体に第１化合物以外の他の特定物質が含まれることにより、第１化合物の特性に起因する特性に加え、さらに第１化合物以外の他の特定物質に起因する特性を有することができる。したがって、第１化合物以外の他の特定物質の組成を適宜調整することにより、焼結体は、様々な切削条件に必要とされる各ニーズに柔軟に対応することができる。

たとえば、焼結体が立方晶窒化ホウ素（第２化合物）を含む場合、立方晶窒化ホウ素は極めて高い硬度を有するため、この焼結体は、第１化合物の界面に第２化合物を有することに起因する耐欠損性の向上に加え、第２化合物を有することに起因する高い硬度を有することができる。

上記第３化合物の具体例としては、ＳｉＢ₄、ホウ化アルミニウム（ＡｌＢ₁₂）などのホウ化物、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの炭化物、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）などの窒化物、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）などの酸化物が挙げられる。

上記第４化合物の具体例としては、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）などのホウ化物が挙げられる。また、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化クロム（Ｃｒ₃Ｃ₂）、炭化モリブデン（Ｍｏ₂Ｃ）、および炭化タングステン（ＷＣ）などの炭化物が挙げられる。また、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、窒化バナジウム（ＶＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化クロム（Ｃｒ₂Ｎ）、窒化モリブデン（ＭｏＮ）、および窒化タングステン（ＷＮ）などの、１種の金属元素と窒素とからなる窒化物が挙げられる。

また、上記第４化合物の他の具体例としては、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）、および窒化モリブデンクロム（ＭｏＷＮ）のような、２種の金属元素と窒素とからなる窒化物が挙げられる。また、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）、酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、Ｃｒ₂Ｏ₃）、酸化モリブデン（ＭｏＯ₃）、および酸化タングステン（ＷＯ₃）などの酸化物が挙げられる。

上記第１金属の具体例としては、Ｃｏ、Ｎｉなどの上記に列挙される単体金属の他、ＣｏＳｉ₂、Ｔｉ₃Ａｌ、ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌ₃、ＴｉＳｉ₂、Ｔｉ₅Ｓｉ₃、Ｔｉ₅Ｓｉ₄、ＴｉＳｉ、Ｔｉ₃Ｓｉなどの合金が挙げられる。

≪第２の実施形態≫
第２の実施形態に係る工具は、第１の実施形態に係る焼結体を用いた工具である。上述のように、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物を含む焼結体は、硬度、耐欠損性および耐酸化性といった特性に優れるため、これを用いた工具もまた、これらの特性に優れることとなる。

第２の実施形態に係る工具としては、たとえば、エンドミル、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップを例示することができる。また、工具は、その全体が上記焼結体により構成されていてもよく、その一部（たとえば、刃先部分）が上記焼結体により構成されていてもよい。

工具の全体が上記焼結体からなる場合、焼結体を所望の形状に加工することにより、工具を作製することができる。また、工具の一部が上記焼結体からなる場合、工具を構成する基体の所望の位置に焼結体を接合することにより、工具を作製することができる。なお、焼結体の接合方法は特に制限されないが、基体から焼結体が離脱することを抑制する観点から、基体と焼結体との間に、基体と焼結とを強固に結合させるための接合層を介在させることが好ましい。

≪第３の実施形態≫
第３の実施形態に係る焼結体の製造方法は、Ｔｉ、ＡｌおよびＳｉの各元素を含む第１粒子を準備する工程（準備工程）と、第１粒子を処理して、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮの各元素からなる第２粒子を作製する工程（処理工程）と、第２粒子を焼結して、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物を含む焼結体を作製する工程（焼結工程）と、を備える。また、上記処理工程は、第１粒子を加熱する工程（加熱工程）と、加熱後の第１粒子を急冷する工程（急冷工程）とを備える。以下、各工程について、図１および図２を用いながら説明する。

（準備工程）
図１を参照し、まず、ステップＳ１の準備工程において、Ｔｉ、ＡｌおよびＳｉの各元素を含む第１粒子を準備する。

第１粒子は、第１化合物の原料となる原料粒子である。特に、第１化合物を構成するＴｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮのうちのＴｉ、ＡｌおよびＳｉといった金属元素は、第１粒子のみから供給される。このため、第１粒子は、少なくとも、目的とする第１化合物の組成と同様のＴｉ、ＡｌおよびＳｉの組成比を具備する必要がある。一方、第１化合物を構成するＴｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮのうちのＯおよびＮといった非金属元素は、第１粒子から供給される他、後述する処理工程での雰囲気（窒素雰囲気等）からも供給され得る。このため、第１粒子は、必ずしも、第１化合物の組成と同等のＯおよびＮを有する必要はない。

第１粒子として、特定の組成を有する１種の原料粒子を用いることによっては、第１化合物におけるＴｉ、ＡｌおよびＳｉの狙いの組成比を具備することが難しい場合には、組成の異なる２種以上の原料粒子が混合された第１粒子を用いればよい。

上記原料粒子としては、たとえば、Ｔｉ粒子、Ａｌ粒子、Ｓｉ粒子などの１種の元素からなる粒子、Ｔｉ、ＡｌおよびＳｉのうちの２種または３種の元素からなる粒子が挙げられる。上記２種の元素からなる粒子としては、Ｔｉ₃Ａｌ、ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌ₃などのＴｉおよびＡｌからなる粒子、ＴｉＳｉ、Ｔｉ₃Ｓｉ、ＴｉＳｉ₂、Ｔｉ₅Ｓｉ₃、Ｔｉ₅Ｓｉ₄などのＴｉおよびＳｉからなるからなる粒子、ＡｌＳｉ合金などのＡｌおよびＳｉからなるからなる粒子が挙げられる。上記３種の元素からなる粒子としては、ＴｉＡｌＳｉ合金などが挙げられる。

また、上記原料粒子として、Ｔｉ、ＡｌおよびＳｉからなる群より選択される１種以上の窒化物、酸化物、酸窒化物からなる粒子が挙げられる。具体的には、ＴｉＮ、ＴｉＯ₂、ＴｉＯ、ＴｉＯＮなどのＴｉの窒化物、酸化物または酸窒化物からなる粒子、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＯＮなどのＡｌの窒化物、酸化物または酸窒化物からなる粒子、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、ＳｉＯＮなどのＳｉの窒化物、酸化物または酸窒化物からなる粒子、ＳｉＡｌＯＮ、Ｓｉ₂Ａｌ₃Ｏ₁₃などが挙げられる。

原料粒子として、Ｔｉ、ＡｌおよびＳｉの各元素のうち２種以上の元素からなる原料粒子を用いた場合、後述する処理工程において、より均一な組成の第１粒子を生成することができる。また、第１粒子として、Ｔｉ、ＡｌおよびＳｉからなる群より選択される１種以上の窒化物、酸化物、酸窒化物からなる原料粒子を用いた場合、後述する処理工程で第１粒子に付与すべきＮおよびＯの量を容易に調整することができる。

また、第１粒子の平均粒径は１０μｍ以下であることが好ましい。このような粒径の第１粒子を用いた場合、後述する処理工程において、粒子間の反応性をより高めることができ、目的とする組成の第２粒子を多く含む粒子を作製することができる。本明細書において、粒子の平均粒径とは、レーザー回折法などの公知の粒度分布測定法により測定された粒子の粒度分布に基づくメディアン径をいう。

本工程において準備された第１粒子は、後述する処理工程に供するために加圧成形されることが好ましい。加圧成形の方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。

（処理工程）
次に、図１のステップＳ２の処理工程において、第１粒子を処理して、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮの各元素からなる第２粒子を作製する。本工程は、第１粒子を加熱する工程（加熱工程）と、加熱後の第１粒子を急冷する工程（急冷工程）とを備える。これについて、図２を用いながら説明する。

図２を参照し、まず、ステップＳ２１の加熱工程において、第１粒子が加熱される。この加熱工程により、第１粒子における不足分のＮが付与される。なお、「不足分のＮ」とは、第１粒子における窒素元素の組成比と、第１化合物におけるＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物の狙いの組成比との差に相当する。

この加熱工程においては、第１粒子からなる粉体、または第１粒子が加圧成形されることによって形成された成形体が、真空雰囲気下、窒素雰囲気下、アルゴン雰囲気下に置かれることになる。第１粒子が置かれる雰囲気をいずれの雰囲気下とするかは、第１粒子の組成により適宜選択される。

たとえば、第１粒子がＴｉ、ＡｌおよびＳｉの各元素の他にＯを含み、Ｏの含有量が第１化合物において狙いとされる量を満たす場合、第１粒子は、窒素ガスを含む雰囲気下に置かれることになる。また、たとえば、第１粒子がＴｉ、ＡｌおよびＳｉの各元素の他にＮおよびＯを含み、ＮおよびＯの各含有量が第１化合物において狙いとされる量を満たす場合、第１粒子は、アルゴン雰囲気下または真空雰囲気下に置くことができる。

なお、第１粒子が、組成上、第１化合物において狙いとされるＯの量を満たさない場合であっても、第２粒子においては狙いとされるＯの量を満たすこととなることが、本発明者らの検討により分かっている。これは、第１粒子の表面に吸着されている酸素が存在し、加熱工程によってこの酸素が第１粒子に取り込まれ、その酸素量が不足分のＯを満たす量に達するためである。

加熱工程における加熱温度、気圧、各ガスの分圧は、適宜調整されるが、たとえば、加熱温度は１５００℃以上が好ましく、気圧は０．１気圧以上が好ましい。

次に、ステップＳ２２の急冷工程において、上記加熱工程で加熱されることによりＮおよびＯが付与された第１粒子からなる粉体、または第１粒子の成形体が冷却される。なお、以下、上記加熱工程を経ることによってＮおよびＯが付与された第１粒子からなる粉体、または第１粒子の成形体を第２粒子前駆体という。

急冷工程における第２粒子前駆体の冷却速度は、少なくとも炉冷による冷却速度よりも大きく、１００℃／ｓｅｃ以上であることが好ましく、２００℃／ｓｅｃ以上であることがより好ましい。なお、炉冷による冷却速度は通常２０℃／ｍｉｎ程度である。

上記急冷工程により、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｌ、ＯおよびＮからなる第２粒子を得ることができる。具体的には、第２粒子は、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｌ、ＯおよびＮからなり、かつその全てまたはその大部分はＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物からなる。第２粒子中に含まれるＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物の組成比は、第１化合物に狙いとされるＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物の組成比とほぼ一致する。

なお、第１粒子の成形体を用いて上記加熱工程および上記急冷工程を実行した場合、急冷工程後に得られるものは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる構造体である。この構造体の組成は第２粒子と一致する、換言すれば、構造体は第２粒子からなるため、このように構造体を得る場合についても第２粒子を得るものとする。

なお、上記構造体をこのまま後述する焼結工程に用いることもできるが、焼結効率をあげ、かつ均一に焼結を行うためには、この構造体を粉砕して粒子状の第２粒子を得ることが好ましい。この粉砕方法は特に制限されず、たとえば、公知の方法で粗粉砕し、その後、振動ミルまたは回転ミルで粉砕媒体を衝突させてさらに粉砕する方法を採用することができる。この粉砕を経ることによって、粒状の第２粒子を得ることができる。

ステップＳ２の処理工程においては、上述のように、加熱工程と急冷工程を連続的に行うことにより、第２粒子を得ることができる。これは以下の理由による。すなわち、加熱工程後に急冷工程を連続して実行しない場合、狙いとする組成を満たさない組成からなる粒子が生成される傾向がある。たとえば、加熱炉を用いて第１粒子を加熱し、その後、加熱後の第１粒子（第２粒子前駆体）を急冷工程に供することなく単に炉冷した場合、加熱された第１粒子の温度は極めてゆっくりと低下することとなる。この場合、加熱工程で生成されたＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物からＳｉまたはＡｌが脱落し易くなり、結果的に、第１化合物において狙いとする組成比を満たさない粒子が生成されてしまう。これに対し、加熱工程後に連続して急冷工程を実行した場合、このような元素の抜けを効果的に抑制することができ、上記のような意図しない組成の粒子の生成を抑制することができる。

上述のような加熱工程および急冷工程を連続して実行できる方法としては、（１）カーボンヒータ等の熱源を用いて所望の雰囲気下の反応室内で第１粒子を加熱し、続いて雰囲気ガスを排気した後、Ａｒなどの冷却ガスを導入する方法、（２）第１粒子を所望の雰囲気下の反応室内で燃焼合成させる方法、（３）第１粒子を所望の雰囲気下の反応室内で高温プラズマ中に通過させる方法、などを挙げることができる。

上記（１）の方法を用いた場合の加熱工程における好ましい条件を以下に示す。また、冷却速度も１００℃／ｓｅｃ以上とすることができ、さらには２００℃／ｓｅｃ以上とすることができる。
加熱温度：１５００℃以上２０００℃以下
気圧：０．１気圧以上
加熱時間：１時間以上。

上記（２）の方法を用いた場合の加熱工程における好ましい条件を以下に示す。また、冷却速度も１００℃／ｍｉｎ以上とすることができ、さらには２００℃／ｍｉｎ以上とすることができる。
加熱温度：２０００℃以上３０００℃以下
気圧：１．０気圧以上
加熱時間：３秒以上。

上記（３）の方法を用いた場合の加熱工程における好ましい条件を以下に示す。また、冷却速度も５００℃／ｓｅｃ以上とすることができ、さらには１０００℃／ｓｅｃ以上とすることができる。
加熱温度：２０００℃以上５０００℃以下
気圧：０．１気圧以上
加熱時間：０．５秒以上。

なお、本工程により第２粒子が作製されるが、本工程の一回の実行で所望の組成を有する第２粒子の作製が困難な場合には本工程を繰り返し行ってもよい。また、その場合に、必ずしも同じ処理方法を繰り返す必要はなく、たとえば、上記（１）〜（３）の方法を適宜組み合わせて、本工程を実行してもよい。

（焼結工程）
次に図１のステップＳ３の焼結工程において、第２粒子を焼結して、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物を含む焼結体を作製する。

第２粒子の焼結は、第２粒子を加圧成形した後に行うことが好ましい。また、加圧成形と同時に行ってもよい。加圧成形と焼結とを同時に行う方法としては、ホットプレス（ＨＰ）法、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）法、超高圧焼結法が挙げられる。また、冷間静水圧加圧（ＣＩＰ）法で成形した後、さらに熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）法を用いて焼結することもできる。なお、上記のような加圧焼結法の代わりに常圧焼結法を用いてもよい。

本工程は、焼結体における第１化合物の組成が第２粒子の組成から大きく変化することを抑制するために、不活性雰囲気下で実行されることが好ましい。また、焼結時の圧力は４０ＭＰａ以上２０ＧＰａ以下であることが好ましく、温度は１１００℃以上２５００℃以下であることが好ましい。焼結時の温度が１１００℃未満の場合には、焼結が不十分となり、緻密な焼結体が得られない傾向があり、２５００℃を超える場合には、焼結体における第１化合物の組成が第２粒子の組成から大きく変化する懸念があるためである。また、焼結に要する時間は第２粒子の量（体積）、温度等によって異なるが、たとえば、１１００℃以上２５００℃以下の焼結温度の際には、１５分以上とすることができる。

上記焼結工程が行われることにより、第２粒子が焼結され、これにより、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物からなる焼結体を得ることができる。

以上詳述した第３の実施形態に係る製造方法によれば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物を含む焼結体を製造することができるため、高い耐摩耗性、高い耐欠損性および高い耐酸化性を有する焼結体を提供することができる。また、製造された焼結体をレーザー、ワイヤー放電などによって切断して所望の形状に加工することにより、この焼結体からなる工具、またはこの焼結体を用いた工具を提供することができる。

≪第４の実施形態≫
第４の実施形態に係る焼結体の製造方法は、図３に示すように、焼結工程の前に、処理工程により作製された第２粒子と第３粒子とを混合する工程（混合工程）を備える点で、第３の実施形態と異なる。以下、図３を用いながらこの混合工程について説明する。なお、図３におけるステップＳ３１の準備工程、ステップＳ３２の処理工程、およびステップＳ３４の焼結工程は、第３の実施形態のステップＳ１〜Ｓ３のそれぞれと同様であるため、その説明は繰り返さない。

（混合工程）
図３を参照し、ステップＳ３３の混合工程において、ステップＳ３２の処理工程により得られた第２粒子と、第２粒子と組成の異なる第３粒子とが混合される。

第３粒子は、第５化合物、第６化合物、第７化合物および第２金属からなる群より選択される１種以上からなる粒子である。

第５化合物は、立方晶窒化ホウ素である。第６化合物は、ＡｌおよびＳｉの１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、およびＯからなる群より選択される１種以上の元素との化合物であり、具体的には、第１の実施形態にて詳述した第１化合物と同様の化合物が挙げられる。第７化合物は、周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素からなる群より選択される１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、およびＯからなる群より選択される１種以上の元素との化合物であり、具体的には、第１の実施形態にて詳述した第２化合物と同様の化合物が挙げられる。第２金属は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、ＷおよびＰｂからなる群より選択される１種以上からなる金属であり、具体的には、第１の実施形態にて詳述した第１金属と同様の金属が挙げられる。

第３粒子は、特に、立方晶窒化ホウ素を含むことが好ましい。たとえば、第３粒子が立方晶窒化ホウ素からなる場合、このような第３粒子と第２粒子との混合物を焼結すると、第２化合物の大部分は硬度に優れた立方晶窒化ホウ素となる。また、第３粒子が立方晶窒化ホウ素からなる場合、製造された焼結体の第２化合物において、第１化合物との界面近傍に、Ｓｉ₃Ｎ₄を存在させることができる。この場合、両粒子（第１化合物からなる粒子と第２化合物からなる粒子）を強固に結合させることができ、粒子の脱落による摩耗を軽減させることができる。

本工程において、第２粒子と第３粒子との混合粒子における第３粒子の含有量を９０体積％以下として実行することが好ましい。第３粒子の含有量が９０体積％を超える場合、焼結体中の第１化合物の割合が低くなり過ぎるために、第１化合物に由来する効果が顕著に低下する傾向にある。

また、第２粒子と第３粒子との混合粒子における第３粒子の含有量を５０体積％以下として実行することがより好ましい。特に、第３粒子が金属粒子（金属元素のみからなる粒子）を含む場合、混合粒子における金属粒子の含有量を２０体積％以下とすることが好ましい。混合粒子における金属粒子の含有量が２０体積％を超える場合、製造される焼結体の硬度が低下する傾向にある。

上記混合工程が行われることにより、第２粒子および第３粒子からなる混合物が得られ、これをステップＳ３４の焼結工程において焼結することにより、第１化合物と第２化合物とからなる焼結体を得ることができる。

ここで、本実施形態において、第３粒子のほとんどはその組成を維持したまま、第２化合物に含まれることになる。すなわち、第３粒子の組成と、第２化合物に含まれる化合物および／または金属の組成とは概ね一致する。しかし、第２化合物中には、第３粒子の組成と異なる組成の化合物も含まれる場合がある。これは、第２粒子と第３粒子との界面において、第２粒子を構成する元素と第３粒子を構成する元素とが結びつくことによって化合物が生成されるためである。

以上詳述した第４の実施形態に係る製造方法によれば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物と、第１化合物と組成の異なる第２化合物とを含む焼結体を製造することができる。このような焼結体は、第１化合物に起因する特性に加え、第２化合物に起因する特性を発揮することができる。したがって、第４の実施形態に係る製造方法によれば、高い耐摩耗性、高い耐欠損性および高い耐酸化性を有し、かつ切削条件の各種ニーズに対応した工具を提供することができる。

本発明を実施例および比較例によりさらに具体的に説明する。ただし、これらの実施例および比較例により本発明が限定されるものではない。

[検討１]
上述の準備工程、および処理工程を実行することにより、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第２粒子を作製し、その特性について評価した。

≪実施例１〜５８≫
（準備工程）
第１粒子として、下記表１に示す原料粒子Ａ、原料粒子Ｂおよび原料粒子Ｃとが混合された原料粒子を準備した。たとえば、実施例１においては、原料粒子ＡとしてのＴｉ粒子、原料粒子ＢとしてのＡｌ粒子、および原料粒子ＣとしてのＳｉ粒子を、混合割合（原料粒子Ａ：原料粒子Ｂ：原料粒子Ｃ）が質量比で８０：１０：１０となるように混合させることにより、第１粒子を準備した。なお、実施例１〜５８において準備された各第１粒子の平均粒径は、表１に示す通りであった。そして、準備した各第１粒子を加圧成形することにより、第１粒子からなる成形体を作製した。

（処理工程）
次に、作製された成形体を用いて処理工程を実行することにより、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第２粒子を作製した。各実施例における処理工程としては、（１）カーボンヒータ等の熱源を用いて所望の雰囲気下の反応室内で第１粒子を加熱し、続いて雰囲気ガスを排気した後、Ａｒなどの冷却ガスを導入する方法（表２において「ガス急冷」と示す）、（２）第１粒子を所望の雰囲気下の反応室内で燃焼合成させる方法（表２において「燃焼合成」と示す）、（３）第１粒子を所望の雰囲気下の反応室内で高温プラズマ中に通過させる方法（表２において「高温プラズマ」と示す）のいずれかの方法を用いた。各実施例における処理工程の条件を下記表２に示す。

上記表２を参照しながら、上記（１）〜（３）の各方法について、それぞれ実施例１、８、１１を用いながら具体的に説明する。

上記（１）の方法による実施例１の処理工程は、以下のように実行された。まず、ガス供給部およびガス排出部を有する坩堝内に成形体を配置した。そして、坩堝内に窒素ガスを流入して、坩堝内のガス圧を３気圧とし、坩堝の周囲に配置されたカーボンヒータにより坩堝内を１８００℃で１時間加熱した。これにより、実施例１の第１粒子は、窒素雰囲気下、１８００℃で６０分間加熱工程に供された。

加熱工程終了後、真空ポンプにより雰囲気ガスを排気した後、Ａｒを３気圧まで導入することにより冷却し、試料温度を室温（２５℃）以下にまで冷却させた。このときの冷却速度は１００℃／ｓｅｃ程度であった。これにより、第２粒子前駆体が急冷工程に供され、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる構造体が得られた。

実施例２〜７、１６〜１８および３６〜３９においても、各種条件を表２に示すように変更した以外は、実施例１と同様の方法により処理工程を実行した。

上記（２）の方法による実施例８の処理工程は、以下のように実行された。まず、ガス供給部およびガス排出部を有する圧力容器内に成形体を配置した。そして、圧力容器内の窒素ガスの圧力を１０ＭＰａ（１００気圧）にまで昇圧し、タングステンフィラメント等の熱源を用いて成形体の一部を加熱させることにより、第１粒子を燃焼合成させた。このときの燃焼時間は１５秒であり、加熱温度は３０００℃であった。これにより、実施例８の第１粒子は、窒素雰囲気下、３０００℃で１５秒間加熱工程に供された。

また、燃焼合成において、熱源は着火時に存在するのみであるため、燃焼時間経過後、圧力容器内の温度は直ちに低下し、これに伴い燃焼合成後の第１粒子（第２粒子前駆体）の温度は早急に室温にまで低下した。このときの冷却速度は２００℃／ｓｅｃ程度であった。これにより、第２粒子前駆体が急冷工程に供され、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる構造体が得られた。

実施例９、１０、１９〜２１、および２５〜３５においても、各種条件を表２に示すように変更した以外は、実施例８と同様の方法により処理工程を実行した。

上記（３）の方法による実施例１１の処理工程は、以下のように実行された。まず、ガス圧が０．１気圧となるように圧力容器内に窒素ガスを供給しながら、圧力容器内に設けられたプラズマ発生用電極から４５００℃の高温プラズマを発生させ、プラズマ中に第１粒子を通過させた。このときの処理時間は１秒であった。これにより、実施例１１の第１粒子は、窒素雰囲気下、４５００℃で１秒間加熱工程に供された。

また、加熱工程後の急冷工程における冷却速度は１０００℃／ｓｅｃ程度であった。これにより、第２粒子前駆体が冷却工程に供され、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる構造体が得られた。なお、急冷工程は、加熱工程が終了することによって連続的に実施された。

実施例１２〜１５、２２〜２４、４０〜５８においても、各種条件を表２に示すように変更した以外は、実施例１と同様の方法により処理工程を実行した。

≪比較例１および２≫
比較例１においては、ＴｉＮからなる粉末を作製し、比較例２においては、ＴｉＡｌＮからなる粉末を作製した。具体的には、比較例１において、粒径が１μｍのＴｉＮ（原子比は１：０．９７）粒子を準備した。また、比較例２において、粒径が１μｍのＡｌＴｉＮ（原子比は０．５：０．５：１）粒子を準備した。

≪各粒子の特性評価≫
実施例１〜５８の各粒子の組成、ならびに、実施例１〜５８、比較例１および２の各粒子の耐酸化性について確認した。

（組成）
実施例１〜５８で得られた第２粒子に含まれる生成物（化合物）およびＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物の含有率（体積％）を表３に示す。含有される各生成物のうち、ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物以外の化合物の組成は、粒子の断面および表面をＸＲＤ（X‐ray diffraction）装置で分析することにより同定し、ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物の組成は、ＥＤＸ(エネルギー分散型X線分光法)を行うことにより算出した。また得られた粉末の断面が観察できるように加工を行い、走査型電子顕微鏡で粉末の断面を観察し、粉末中の色の濃淡でＴｉＳｉＡｌＯＮ化合物を判別した。その際、予め元素分析により、各化合物を特定した。さらにその視野に対し、二値化処理を行い、ＴｉＳｉＡｌＯＮ化合物を定量化した。

表３の「生成物」の欄に関し、たとえば、「ＴｉＡｌＳｉＯＮ」はＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物を示し、「Ｓｉ₃Ｎ₄」はＳｉ₃Ｎ₄化合物を示す。ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物の組成は、「Ｔｉ_（1-a-b）Ａｌ_aＳｉ_bＯ_xＮ_y」の欄に記す。また、ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物の含有率は、「第１化合物含有率」の欄に記す。

表３を参照し、実施例１〜５８において、焼結体がＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物を含む第１化合物からなることが確認された。また、ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物が、Ｔｉ_（1-a-b）Ａｌ_aＳｉ_bＯ_xＮ_y（ただし、ａ、ｂ、ｘおよびｙは、それぞれ、０．０１≦ａ≦０．７０、０．０１≦ｂ≦０．５５、０．０６≦ａ＋ｂ≦０．８８、０．００５≦ｘ≦０．６、０．４≦ｙ≦０．９９５、および０．５＜ｘ＋ｙ≦１を満たすことも確認された。

（耐酸化性）
各実施例１〜５８、比較例１および２の各粒子を、それぞれ０．５ｍｇずつ秤量した各試験体を準備した。この各試験体を大気雰囲気下で室温（２５℃）から１４００℃まで徐々に昇温しながら示差熱分析を行った。そして、各試験体の重量変化が確認された最も低い温度を酸化開始温度とした。各実施例１〜５８の結果を表３に示す。

表３を参照し、実施例１〜５８の各第２粒子の酸化開始温度は、すべて４６０℃以上であった。一方、比較例１および２の各粒子の酸化開始温度は４００℃および４５０℃であった。なお表３において、「酸化開始温度」が高いほど、耐酸化性に優れることとなる。

［検討２］
上述の実施例１、１１、２７の各粒子および比較例１、２の各粒子をそれぞれ第２粒子とし、第２粒子と第３粒子とを混合する混合工程と、焼結工程を実行することにより、焼結体を作製し、その特性について評価した。

≪実施例６１〜１２５および比較例３〜６≫
（混合工程）
実施例６１〜１２５および比較例３〜６では、表４および表５に示す第２粒子と第３粒子とを用いて混合工程を実行した。表５を参照し、たとえば、実施例６１では、実施例１において作製された第２粒子と立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）からなる第３粒子とを、混合割合（第２粒子：第３粒子）が体積比で５０：５０となるように混合させることにより、混合粒子を準備した。

（焼結工程）
次に、得られた混合粒子をタンタル製のカプセルに充填し、プレス機を用いて、下記表４および表５に示す圧力、温度および焼結時間で、焼結処理を行った。

以上により、実施例６１〜１２５において、ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物を含む第１化合物と第２化合物とを含む焼結体が得られた。また、比較例３〜６において、第２粒子由来の化合物と、第３粒子由来の化合物とを含む焼結体が得られた。なお、各焼結体は、直径２０ｍｍ、高さ１ｍｍの円板形状を有していた。

≪各焼結体の特性評価≫
実施例６１〜１２５および比較例３〜６の各焼結体の組成、耐摩耗性、耐欠損性について確認した。

（組成）
実施例６１〜１２５および比較例３〜６で得られた焼結体に含まれる生成物（化合物、金属）およびＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物の含有率（体積％）を表６に、ＴｉＮまたはＴｉＡｌＮの含有率（体積％）を表７に示す。含有される各生成物のうち、ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物以外の化合物の組成は、焼結体の断面および表面をＸＲＤ（X‐ray diffraction）装置で分析することにより同定し、ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物の組成は、ＥＤＸ(エネルギー分散型Ｘ線分光法)を行うことにより算出した。また得られた焼結体の断面が観察できるように加工を行い、走査型電子顕微鏡で焼結体の断面を観察し、焼結体中の色の濃淡でＴｉＳｉＡｌＯＮ化合物を判別した。その際、予め元素分析により、各化合物を特定した。さらにその視野に対し、二値化処理を行い、ＴｉＳｉＡｌＯＮ化合物を定量化した。

表６および表７の「生成物」の欄に関し、たとえば、「ＴｉＡｌＳｉＯＮ」はＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物を示し、「Ｓｉ₃Ｎ₄」はＳｉ₃Ｎ₄化合物を示す。ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物の組成は、「Ｔｉ_（1-a-b）Ａｌ_aＳｉ_bＯ_xＮ_y」の欄に記す。また、ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物の含有率は、「第１化合物含有率」の欄に記す。

表６を参照し、実施例６１〜１２５において、焼結体がＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物を含むこと、ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物が、Ｔｉ_（1-a-b）Ａｌ_aＳｉ_bＯ_xＮ_y（ただし、ａ、ｂ、ｘおよびｙは、それぞれ、０．０１≦ａ≦０．７０、０．０１≦ｂ≦０．５５、０．０６≦ａ＋ｂ≦０．８８、０．００５≦ｘ≦０．６、０．４≦ｙ≦０．９９５、および０．５＜ｘ＋ｙ≦１を満たすことが確認された。一方、ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物の含有量は、第２粒子および第３粒子の混合割合から換算するに、わずかに減少がみられる場合が多くみられた。

このことから、第２粒子の組成は、焼結工程の前後でかわらないものの、その界面では第３粒子との反応による反応生成物の発生が起こっており、故にその混合割合は、焼結工程前後でわずかな変動が見られたと考えられた。また、第２粒子の組成が焼成前後でかわらないことから、第２粒子に含まれるＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物と、第１化合物を構成するＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物は同一の化合物であり、故に、第１化合物の耐酸化性は、第２粒子の耐酸化性に依拠することが分かった。

また、実施例６１〜１２５の焼結体において、ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物以外の生成物（化合物または金属）が含まれていた。また、ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物以外の生成物は、ＴｉＡｌＳｉＯＮ化合物の界面に存在していることが確認された。

（耐摩耗性および耐欠損性）
実施例６１〜１２５および比較例３〜６の焼結体のそれぞれの耐摩耗性および耐欠損性について以下の方法により評価した。

まず、各焼結体をレーザーを用いて加工してその形状をＩＳＯ型番ＣＮＧＡ１２０４０８のチップ形状、刃先処理が−２５°の角度で、幅０．１５ｍｍのチャンファー形状の切削工具を作製した。作製した各切削工具を用いて、以下の切削条件で切削試験を行い、切削工具の平均逃げ面摩耗量（μｍ）およびチッピング量（μｍ）を測定した。なお、「チッピング」とは切れ刃に生じた微細な欠けを意味し、「チッピング量」とは、切削工具の刃の厚み方向に関する欠けの幅を意味する。

被削材：ＳＣＭ４１５焼入溝付き鋼（ＨＲｃ５８〜６２）
（形状：丸棒に１ｃｍ間隔に幅２ｍｍの溝をつけたもの）
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ．
送り速度：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切込み量：０．１ｍｍ
切削油：なし
切削距離：４ｋｍ。

各評価結果を表６および表７に示す。表６および表７において、「逃げ面摩耗量」が小さいほど、耐摩耗性に優れることとなる。また、「チッピング量」が小さいほど、耐欠損性に優れることとなる。

表６および表７より、実施例６１〜１２５の焼結体は、比較例３〜６の焼結体と比して、耐摩耗性および耐欠損性といった特性に優れることが分かった。また、実施例１１０と実施例１１８とを比較すると、実施例１１０の焼結体のほうが特性に優れていた。これは、実施例１１８において、混合されたＣｏ粒子の含有量（体積％）が多かったためと考えられる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明に係る焼結体は、切削工具に広く利用することができる。特に、高温での硬度の高い被削材、耐熱合金からなる被削材を切削するための切削工具に好適に利用することができる。

Claims (8)

1. Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物を含む、焼結体。
2. 前記第１化合物は、Ｔｉ_（1-a-b）Ａｌ_aＳｉ_bＯ_xＮ_yを含み、
   前記Ｔｉ_（1-a-b）Ａｌ_aＳｉ_bＯ_xＮ_yにおけるａ、ｂ、ｘおよびｙは、それぞれ、０．０１≦ａ≦０．７０、０．０１≦ｂ≦０．５５、０．０６≦ａ＋ｂ≦０．８８、０．００５≦ｘ≦０．６、０．４≦ｙ≦０．９９５、および０．５＜ｘ＋ｙ≦１を満たす、請求項１に記載の焼結体。
3. 前記焼結体における第１化合物の含有量は、１０体積％以上１００体積％以下である、請求項１または請求項２に記載の焼結体。
4. 前記焼結体は、第２化合物、第３化合物、第４化合物および第１金属からなる群より選択される１種以上をさらに含み、
   前記第２化合物は立方晶窒化ホウ素であり、
   前記第３化合物は、ＡｌおよびＳｉの１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、およびＯからなる群より選択される１種以上の元素との化合物であり、
   前記第４化合物は、周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素からなる群より選択される１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、およびＯからなる群より選択される１種以上の元素との化合物であり、
   前記第１金属は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、ＷおよびＰｂからなる群より選ばれる１種以上からなる金属である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の焼結体。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の焼結体を用いた工具。
6. Ｔｉ、ＡｌおよびＳｉの各元素を含む第１粒子を準備する工程と、
   前記第１粒子を処理して、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮの各元素からなる第２粒子を作製する工程と、
   前記第２粒子を焼結して、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＯおよびＮからなる第１化合物を含む焼結体を作製する工程と、を備え、
   前記第２粒子を作製する工程は、
   前記第１粒子を加熱する工程と、加熱後の前記第１粒子を急冷する工程と、を備える、焼結体の製造方法。
7. 前記焼結体を作製する工程の前に、前記第２粒子と第３粒子とを混合する工程を含み、
   前記第３粒子は、第５化合物、第６化合物、第７化合物および第２金属からなる群より選択される１種以上からなる粒子であり、
   前記第５化合物は、立方晶窒化ホウ素であり、
   前記第６化合物は、ＡｌおよびＳｉの１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、およびＯからなる群より選択される１種以上の元素との化合物であり、
   前記第７化合物は、周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素からなる群より選択される１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、およびＯからなる群より選択される１種以上の元素との化合物であり、
   前記第２金属は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、ＷおよびＰｂからなる群より選択される１種以上からなる金属である、請求項６に記載の焼結体の製造方法。
8. 前記混合する工程は、前記第２粒子と前記第３粒子との混合粒子における前記第３粒子の含有量を９０体積％以下として実行する、請求項７に記載の焼結体の製造方法。

Images