烧结材料、包含烧结材料的工具以及烧结材料制造方法与流程

本发明涉及烧结材料、包含烧结材料的工具以及烧结材料制造方法。

背景技术：

常规上，通过使用由烧结材料形成的工具来进行钢、铸件等的切削加工。在切削加工期间，由于工具的刀刃暴露于高温环境，因此除了耐磨性和耐崩裂性等特性之外，还要求工具具有耐氧化性。作为预期具有这种特性的烧结体，已知由Ti、Al和N形成的烧结体。

例如，日本专利公开No.05-078107(专利文献1)披露了制造由Ti_0.5Al_0.5N形成的烧结材料的方法，该烧结材料通过以下方法制造，即，使用机械合金化(MA)法制备由Ti_0.5Al_0.5N形成的粉末，并烧结该粉末。日本专利公开No.10-182233(专利文献2)披露了制造氮化钛铝类烧结材料的方法，该烧结材料通过以下方法制造，即，采用物理气相沉积(PVD)法制备由Ti_1-xAl_xN(x＝0.05至0.70)形成的粉末，并烧结该粉末。日本专利公开No.2007-131493(专利文献3)公开了制造添加有Al的TiN块体的方法，该块体通过以下方法制造，即，采用自蔓延高温合成(SHS)法制备由Ti、Al和N形成的混合物，并烧结该混合物。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利公开No.05-078107

专利文献2：日本专利公开No.10-182233

专利文献3：日本专利公开No.2007-131493

技术实现要素：

技术问题

然而，在如上所述的由Ti、Al和N形成的烧结材料中，倾向于难以将耐氧化性方面的性能提高到所需的水平。

因此，本发明的目的在于提供耐氧化性优异、并且耐磨性和耐崩裂性也优异的烧结材料，包含该烧结材料的工具以及该烧结材料制造方法。

解决问题的方案

根据本发明的一个方面的烧结材料是包含由Ti、Al、Si、O和N形成的第一化合物的烧结材料。

根据本发明的一个方面的工具是包含上述烧结材料的工具，该烧结材料包含由Ti、Al、Si、O和N形成的第一化合物。

根据本发明的一个方面的烧结材料制造方法包括以下步骤：制备包含元素Ti、Al和Si的第一粒子；处理该第一粒子，以制备由元素Ti、Al、Si、O和N形成的第二粒子；以及烧结该第二粒子，以制备包含由Ti、Al、Si、O和N形成的第一化合物的烧结材料，并且，制备该第二粒子的步骤包括加热该第一粒子的步骤，以及快速冷却加热后的该第一粒子的步骤。

发明的有益效果

根据上述方法，可提供具有优异的耐氧化性以及耐磨性和耐崩裂性的烧结材料、包含该烧结材料的工具以及该烧结材料制造方法。

附图说明

图1为用于说明根据第三实施方案的烧结材料制造方法的流程图。

图2为用于说明处理步骤的流程图。

图3为用于说明根据第四实施方案的烧结材料制造方法的流程图。

具体实施方式

[本发明实施方案的说明]

首先，通过列出本发明的实施方案来进行说明。

[1]根据本发明的一个方面的烧结材料包含由Ti、Al、Si、O和N形成的第一化合物。

由Ti、Al、Si、O和N形成的第一化合物可以具有由Ti、Al、Si、O和N形成的化合物(以下称为“TiAlSiON化合物”)，因此其能够具有高耐氧化性、高耐磨性和高耐崩裂性。因此，根据本发明的一个方面的烧结材料能够具有优异的耐氧化性、以及优异的耐磨性和耐崩裂性的特性。

[2]在上述烧结材料中，优选的是，第一化合物包含Ti_(1-a-b)Al_aSi_bO_xN_y，并且Ti_(1-a-b)Al_aSi_bO_xN_y中的a、b、x和y分别满足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以及0.5<x+y≤1。因此，烧结材料在上述特性方面更加优异。

[3]在上述烧结材料中，优选的是，第一化合物的含量为10体积％以上100体积％以下。当烧结材料中的第一化合物的含量小于10体积％时，烧结材料的上述特性趋于劣化。

[4]上述烧结材料还优选地包含选自由第二化合物、第三化合物、第四化合物以及第一金属构成的组中的至少一者。所述第二化合物为立方氮化硼，所述第三化合物为由选自Al和Si中的至少一种元素，以及选自由B、C、N和O构成的组中的至少一种元素所形成的化合物，所述第四化合物为由选自由在日本使用的元素周期表中的第4族元素、第5族元素和第6族元素构成的组中的至少一种元素、以及选自由B、C、N和O构成的组中的至少一种元素所形成的化合物，并且所述第一金属为由选自由Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Al、Sn、Si、Zr、Nb、Mo、Ag、Hf、Ta、W和Pb构成的组中的至少一者所形成的金属。在这种情况下，通过适当地调节第二化合物、第三化合物、第四化合物和第一金属各自在烧结材料中的组成和含量比，从而可以调节烧结材料的各种特性之间的平衡，由此可以提供适合于各种需要的烧结材料。

[5]根据本发明的一个方面的工具为包含上述烧结材料的工具。由于上述烧结材料在包括耐磨性、耐崩裂性和耐氧化性的特性方面是优异的，因而包含烧结材料的工具也能够具有这些优异的特性。因此，与常规工具相比，根据本发明的一个方面的工具可以具有更长的使用寿命。

[6]根据本发明的一个方面的制造烧结材料的方法包括以下步骤：制备包含元素Ti、Al和Si的第一粒子；处理所述第一粒子，以制备由元素Ti、Al、Si、O和N形成的第二粒子；以及烧结所述第二粒子，以制备包含由Ti、Al、Si、O和N形成的第一化合物的烧结材料，并且制备所述第二粒子的步骤包括加热所述第一粒子的步骤、以及快速冷却加热后的所述第一粒子的步骤。

对于根据本发明的一个方面的烧结材料制造方法，可制造包含由Ti、Al、Si、O和N形成的第一化合物的烧结材料。这样的第一化合物在包括耐磨性、耐崩裂性和耐氧化性的特性方面也是优异的，因此，包含第一化合物的烧结材料也能够具有这些优异的特性。

[7]优选的是，上述制造方法包括在制备所述烧结材料的步骤之前，将所述第二粒子与第三粒子混合的步骤。所述第三粒子由选自第五化合物、第六化合物、第七化合物、以及第二金属所构成的组中的至少一者形成。所述第五化合物为立方氮化硼。所述第六化合物为由选自Al和Si中的至少一种元素、以及选自由B、C、N和O构成的组中的至少一种元素所形成的化合物。所述第七化合物为由选自由在日本使用的元素周期表中的第4族元素、第5族元素、以及第6族元素构成的组中的至少一种元素、以及选自由B、C、N和O构成的组中的至少一种元素所形成的化合物。所述第二金属为由选自由Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Al、Sn、Si、Zr、Nb、Mo、Ag、Hf、Ta、W和Pb构成的组中的至少一者所形成的金属。在这种情况下，在烧结步骤中，烧结第二粒子和第三粒子的混合物，并且所制造的烧结材料除了具有上述第一化合物之外，还能够具有所需的第二化合物。因此，可以调节烧结材料的各种特性之间的平衡，从而可以提供适合于各种需要的烧结材料。

[8]在上述制造方法中，优选的是，混合步骤以这样的方式进行，所述第三粒子在所述第二粒子和所述第三粒子的混合粒子中的含量为90体积％以下。其结果是，可以制造这样的烧结材料，该烧结材料另外具有第二化合物所具有的特性，并且同时充分保持第一化合物所具有的特性。

[本发明的实施方案的详细说明]

以下，将对本发明的实施方案进行具体的说明。

除非另有说明，否则本文使用的术语“金属”并不限于由诸如“Co”之类的一种金属元素所形成的单质金属，而是包括诸如“CoSi₂”之类的由两种或更多种金属元素所形成的合金。本文使用的术语“化合物”表示由一种或多种金属元素、以及一种或多种非金属元素而形成的化合物。作为非金属元素，可列举出B、C、N和O。

当在本文所述的化学式中没有特别指定原子比时，元素之间的原子比不必是相等的比率，而是包括任何常规已知的原子比。例如，“TiN”涵盖了Ti与N之间的原子比为2:1、1:0.95、1:0.9、1:0.3和1:1的那些化合物，“TiZrN”涵盖了Ti、Zr和N之间的原子比为任意常规已知的原子比和25:25:50的那些化合物。

《第一实施方案》

根据第一实施方案的烧结材料为包含由Ti、Al、Si、O和N形成的第一化合物的烧结材料。在此，烧结材料为块状烧结材料，并且具有不同于薄膜(覆膜)形式的块状形式。由于烧结材料和薄膜的形式不同，因此，它们不仅在其特性方面不同，而且在其使用目的和制造方法方面也都彼此不同。通常，薄膜的厚度约为5μm，并且基本上不能制造出厚度为100μm以上的薄膜。相对地，烧结材料的厚度可以制成100μm以上。

对于包含由Ti、Al、Si、O和N形成的第一化合物的烧结材料，其为可通过如下所述的制造方法而制造的新产品，并且其构造很大地不同于由Ti、Al和N所形成的常规烧结体(以下也称为“TiAlN烧结材料”)。

具体而言，常规TiAlN烧结材料包含由Ti、Al和N形成的化合物(以下也称为“TiAlN化合物”)。这样的TiAlN化合物通常具有这样的结构，其中Al溶解在由Ti和N形成的晶体结构中。相反，根据第一实施方案的烧结材料中所包含的第一化合物包括由Ti、Al、N、Si和O形成的化合物(以下也称为“TiAlSiON化合物”)。TiAlSiON化合物具有这样的结构，其中Al、Si和O溶解在由Ti和N形成的晶体结构中。不言而喻，上述第一化合物可以包含非预期的不可避免的杂质。

当根据第一实施方案的烧结材料包含上述第一化合物时，烧结材料可以具有高耐氧化性、高硬度和高耐磨性。这是由于以下的原因，即，由TiAlSiON化合物所形成的第一化合物具有高耐磨性和高耐崩裂性，并且具有比TiAlN化合物更优异的耐氧化性。

在根据第一实施方案的烧结材料中，优选的是，第一化合物包含Ti_(1-a-b)Al_aSi_bO_xN_y，并且Ti_(1-a-b)Al_aSi_bO_xN_y中的a、b、x和y分别满足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以及0.5<x+y≤1。当第一化合物包含满足上述组成比的TiAlSiON化合物时，烧结材料可以具有更高的耐氧化性。本发明人推测其原因如下。

当第一化合物包含Ti_(1-a-b)Al_aSi_bO_xN_y，并且Ti_(1-a-b)Al_aSi_bO_xN_y中的a、b、x和y分别满足上述范围时，包含在第一化合物中的Al形成了热力学稳定的Al氧化物覆膜，并且Si使Al氧化物覆膜致密化，其结果是，进一步提高了烧结材料的上述特性。

Ti_(1-a-b)Al_aSi_bO_xN_y中的a、b、x和y优选分别满足0.30≤a≤0.70、0.10≤b≤0.20、0.01≤x≤0.30以及0.80≤y≤0.99。在这种情况下，上述特性得到显著的提高。

然而，根据第一实施方案的烧结材料中的第一化合物的含量优选为10体积％以上100体积％以下，更优选为16体积％以上，进一步优选为20体积％以上，特别优选为40体积％以上，尤其优选为50体积％以上。当烧结材料中的第一化合物的含量小于10体积％时，烧结材料的上述特性趋于劣化。劣化的原因为，烧结材料中除TiAlSiON化合物以外的化合物、金属等的含量增加。

根据第一实施方案的烧结材料还优选包含选自由第二化合物、第三化合物、第四化合物以及第一金属构成的组中的至少一者。

第二化合物为立方氮化硼。第三化合物为由选自Al和Si中的至少一种元素，以及选自由B、C、N和O构成的组中的至少一种元素所形成的化合物。第四化合物为由选自由在日本使用的元素周期表中的第4族元素(Ti、Zr、Hf等)、第5族元素(V、Nb、Ta等)和第6族元素(Cr、Mo、W等)构成的组中的至少一种元素、以及选自由B、C、N和O构成的组中的至少一种元素所形成的化合物。第一金属为由选自由Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Al、Sn、Si、Zr、Nb、Mo、Ag、Hf、Ta、W和Pb构成的组中的至少一者所形成的金属。

当烧结材料包含选自由第二化合物、第三化合物、第四化合物以及第一金属构成的组中的至少一者(为了方便起见，这些也被称为“除第一化合物之外的特定物质”)时，它们存在于第一化合物的粒子之间的界面上。也就是说，除第一化合物之外的特定物质存在于由第一化合物形成的粒子和与该粒子相邻的由第一化合物形成的另一粒子之间的烧结材料中。

通过在由第一化合物形成的粒子的界面上存在有由除第一化合物以外的其他物质形成的粒子，使得第一化合物的粒子牢固地结合，因此，烧结材料还具有优异的耐崩裂性。这是因为，包含第一化合物和第二化合物的烧结材料通过烧结第二粒子和第三粒子的混合物而制备，其中该第二粒子作为第一化合物的材料(后述)，并且第三粒子作为除第一化合物之外的特定物质的材料，在这种情况下，在烧结期间，在第二粒子和第三粒子之间的界面处产生反应产物，从而使第一化合物和第二化合物之间实现了强结合。

当烧结材料包含除第一化合物之外的特定物质时，除了由第一化合物的特性所产生的特性之外，还可以提供由除第一化合物之外的特定物质所产生的特性。因此，通过适当地调节除第一化合物之外的特定物质的组成，烧结材料可以灵活地满足各种切削条件所需的各种需要。

例如，当烧结材料包含立方氮化硼(第二化合物)时，由于立方氮化硼具有非常高的硬度，因此，除了由第一化合物的界面处的第二化合物所产生的提高的耐崩裂性之外，烧结材料还能够具有由第二化合物所产生的高硬度。

上述第三化合物的具体例子包括诸如SiB₄和硼化铝(AlB₁₂)之类的硼化物、诸如碳化硅(SiC)之类的碳化物、诸如氮化铝(AlN)和氮化硅(Si₃N₄)之类的氮化物以及诸如氧化硅(SiO₂)和氧化铝(Al₂O₃)之类的氧化物。

上述第四化合物的具体例子包括硼化物，诸如硼化钛(TiB₂)、硼化锆(ZrB₂)、硼化铪(HfB₂)、硼化钒(VB)、硼化铌(NbB₂)、硼化钽(TaB₂)、硼化铬(CrB₂)、硼化钼(MoB)以及硼化钨(WB)。还包括碳化物，诸如碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)、碳化铪(HfC)、碳化钒(VC)、碳化铌(NbC)、碳化钽(TaC)、碳化铬(Cr₃C₂)、碳化钼(Mo₂C)以及碳化钨(WC)。还包括由一种金属元素和氮构成的氮化物，诸如氮化钛(TiN)、氮化锆(ZrN)、氮化铪(HfN)、氮化钒(VN)、氮化铌(NbN)、氮化钽(TaN)、氮化铬(Cr₂N)、氮化钼(MoN)以及氮化钨(WN)。

上述第四化合物的其它具体例子包括由两种金属元素和氮构成的氮化物，诸如氮化钛锆(TiZrN)、氮化钛铪(TiHfN)、氮化钛钒(TiVN)、氮化钛铌(TiNbN)、氮化钛钽(TiTaN)、氮化钛铬(TiCrN)、氮化钛钼(TiMoN)、氮化钛钨(TiWN)、氮化锆铪(ZrHfN)、氮化锆钒(ZrVN)、氮化锆铌(ZrNbN)、氮化锆钽(ZrTaN)、氮化锆铬(ZrCrN)、氮化锆钼(ZrMoN)、氮化锆钨(ZrWN)、氮化铪钒(HfVN)、氮化铪铌(HfNbN)、氮化铪钽(HfTaN)、氮化铪铬(HfCrN)、氮化铪钼(HfMoN)、氮化铪钨(HfWN)、氮化钒铌(VNbN)、氮化钒钽(VTaN)、氮化钒铬(VCrN)、氮化钒钼(VMoN)、氮化钒钨(VWN)、氮化铌钽(NbTaN)、氮化铌铬(NbCrN)、氮化铌钼(NbMoN)、氮化铌钨(NbWN)、氮化钽铬(TaCrN)、氮化钽钼(TaMoN)、氮化钽钨(TaWN)、氮化铬钼(CrMoN)、氮化铬钨(CrWN)以及氮化钼钨(MoWN)。还包括氧化物，诸如氧化钛(TiO₂)、氧化锆(ZrO₂)、氧化铪(HfO₂)、氧化钒(V₂O₅)、氧化铌(Nb₂O₅)、氧化钽(Ta₂O₅)、Cr₂O₃、氧化钼(MoO₃)以及氧化钨(WO₃)。

上述第一金属的具体例子包括诸如上述的Co和Ni之类的单质金属；以及诸如CoSi₂、Ti₃Al、TiAl、TiAl₃、TiSi₂、Ti₅Si₃、Ti₅Si₄、TiSi和Ti₃Si之类的合金。

《第二实施方案》

根据第二实施方案的工具为包含根据第一实施方案的烧结材料的工具。如上所述，由于包含由Ti、Al、Si、O和N形成的第一化合物的烧结材料在包括硬度、耐崩裂性和耐氧化性在内的特性方面是优异的，因此，包含该烧结材料的工具在这些特性方面也是优异的。

根据第二实施例的工具的例子包括端铣刀、端铣刀用可转位切削刀片以及车削用可转位切削刀片。工具可以完全由上述烧结材料形成，或者部分地由烧结材料形成(例如，刃部可由烧结材料形成)。

当工具完全由上述烧结材料形成时，可以通过将烧结材料加工成所需形状来制造工具。当工具部分地由上述烧结材料形成时，可以通过将烧结材料接合到构成工具的基材的所期望的位置从而制造工具。虽然对接合烧结材料的方法没有特别的限制，但从防止烧结材料从基材上脱落的观点出发，优选在烧结材料和基材之间设置用于将基材牢固地结合到烧结材料的接合层。

《第三实施方案》

根据第三实施方案的烧结材料制造方法包括：制备包含元素Ti、Al和Si的第一粒子的步骤(制备步骤)；处理该第一粒子，以制备由元素Ti、Al、Si、O和N形成的第二粒子的步骤(处理步骤)；以及烧结该第二粒子，以制备包含由Ti、Al、Si、O和N形成的第一化合物的烧结材料的步骤(烧结步骤)。上述处理步骤包括加热第一粒子的步骤(加热步骤)，以及快速冷却加热后的第一粒子的步骤(快速冷却步骤)。以下，将参照图1和图2对每个步骤进行说明。

(制备步骤)

参照图1，在制备步骤S1中制备包含元素Ti、Al和Si的第一粒子。

第一粒子为作为第一化合物的原料的原料粒子。特别地，在构成第一化合物的Ti、Al、Si、O和N当中，诸如Ti、Al和Si之类的金属元素仅由第一粒子供给。因此，要求第一粒子至少具有与预期的第一化合物的组成类似的Ti、Al和Si的组成比。另一方面，在构成第一化合物的Ti、Al、Si、O和N当中，诸如O和N之类的非金属元素不但可以由第一粒子供给，而且还可以由后述的处理步骤的气氛(氮气气氛)供给。因此，第一粒子不一定需要具有与第一化合物的组成中的O和N类似的O和N。

当难以仅通过使用一种具有特定组成的原料粒子作为第一粒子从而使第一化合物具有期望的Ti、Al和Si的组成比时，则做使用的第一粒子可以为两种或多种具有不同组成的原料粒子的混合物的形式。

作为上述原料粒子，可以列举出由诸如Ti粒子、Al粒子或Si粒子之类的一种元素形成的粒子，以及由选自Ti、Al和Si中的两种以上的元素形成的粒子。由两种元素形成的上述粒子的例子包括由Ti和Al形成的粒子，如Ti₃Al、TiAl和TiAl₃；由Ti和Si形成的粒子，如TiSi、Ti₃Si、TiSi₂、Ti₅Si₃和Ti₅Si₄；以及由Al和Si形成的粒子，如AlSi合金。由三种元素形成的上述粒子的例子包括TiAlSi合金。

作为上述原料粒子，可以列举出由选自Ti、Al和Si的一种或多种元素的氮化物、氧化物或氮氧化物形成的粒子。具体例子包括由诸如TiN、TiO₂、TiO和TiON之类的Ti的氧化物、氧化物或氮氧化物形成的粒子；由诸如AlN、Al₂O₃和AlON之类的Al的氮化物、氧化物或氮氧化物形成的粒子；由诸如Si₃N₄、SiO₂和SiON之类的Si的氮化物、氧化物或氮氧化物形成的粒子；以及SiAlON、Si₂Al₃O₁₃等。

当使用由选自元素Ti、Al和Si中的两种或多种元素形成的原料粒子时，可以产生组成更均匀的第一粒子。当使用由选自由Ti、Al和Si构成的组中的一种或多种元素的氮化物、氧化物或氮氧化物形成的原料粒子作为第一粒子时，可易于调节将要在后述处理步骤中添加到第一粒子的N和O的量。

第一粒子的平均粒径优选为10μm以下。当使用具有这样的粒径的第一粒子时，可以进一步提高后述处理步骤中的粒子之间的反应性，并且制备大量地包含具有目标组成的第二粒子的粒子。在此使用的术语“粒子的平均粒径”是指基于通过诸如激光衍射法之类的已知的粒径分布测定方法所测定的粒子的粒径分布的中值半径。

优选对本步骤中制备的第一粒子进行加压成形以供给至后述的处理步骤。对加压成形的方法没有特别的限制，可以使用任何已知的方法。

(处理步骤)

接着，在图1中的步骤S2处理步骤中，对第一粒子进行处理，以制备由元素Ti、Al、Si、O和N形成的第二粒子。本步骤包括加热第一粒子的步骤(加热步骤)，以及快速冷却加热后的第一粒子的步骤(快速冷却步骤)。参照图2对这些步骤进行说明。

参照图2，首先，在步骤S21的加热步骤中加热第一粒子。通过加热步骤，赋予了第一粒子中短缺的N。术语“短缺的N”对应于第一粒子中氮元素的组成比与第一化合物中TiAlSiON化合物的目标组成比之差。

在该加热步骤中，将由第一粒子构成的粉末或通过第一粒子的加压成形而形成的成形体放置在真空气氛、氮气气氛或氩气气氛中。可以根据第一粒子的组成而适当地选择将第一粒子置于其中的气氛。

例如，当第一粒子除了元素Ti、Al和Si以外还包含O，并且O的含量满足第一化合物中的目标量时，则将第一粒子放置在包含氮气的气氛中。当第一粒子除了元素Ti、Al和Si以外还包含N和O，并且N和O的各自的含量满足第一化合物中的目标量时，第一粒子可以放置在氩气气氛或真空气氛中。

本发明人所进行的研究表明，即使当第一粒子的组成并不满足第一化合物中的目标O含量时，也满足第二粒子中的目标O含量。这是因为，氧吸附在第一粒子的表面上，并且通过加热步骤从而将氧吸入到第一粒子中，并且氧的量达到了补充O短缺的量。

加热步骤中的加热温度、大气压力以及各气体的分压可以进行适当的调整，例如，加热温度优选为1500℃以上，大气压力优选为0.1标准大气压以上。

然后，在步骤S22的快速冷却步骤中，将第一粒子构成的粉末或第一粒子的成形体冷却，其中该粉末或成形体已经通过上述加热步骤中的加热而被付与了N和O。以下，将第一粒子构成的粉末或第一粒子的成形体称为第二粒子前体，其中该粉末或成形体已经通过上述加热步骤而被付与了N和O。

在快速冷却步骤中，第二粒子前体的冷却速度至少高于随炉冷却的冷却速度，并且优选为100℃/秒以上，更优选为200℃/秒以上。随炉冷却的冷却速度通常约为20℃/分钟。

通过上述的快速冷却步骤，可以获得由Ti、Si、Al、O和N形成的第二粒子。更具体而言，第二粒子由Ti、Si、Al、O和N形成，并且全部或大多数的第二粒子由TiAlSiON化合物形成。包含在第二粒子中的TiAlSiON化合物的组成比与用作第一化合物的TiAlSiON化合物的组成比基本一致。

当通过使用第一粒子的成形体来进行上述加热步骤和上述快速冷却步骤时，在快速冷却步骤之后获得了由Ti、Al、Si、O和N形成的结构体。由于该结构体的组成与第二粒子的组成一致，或者换言之，该结构体由第二粒子形成，因此在以这种方式获得该结构体的情况下，也获得了第二粒子。

虽然上述结构体可以直接用于后述烧结步骤，但是优选通过研磨该结构体以获得颗粒形式的第二粒子，从而提高烧结效率并进行均匀烧结。对研磨技术没有特别的限制，例如，可以采用这样的技术，即，通过已知方法粗略研磨该结构体，然后通过振动球磨机或筒式球磨机使研磨介质相互碰撞以进一步研磨该结构体。通过研磨，可以获得颗粒形式的第二粒子。

在步骤S2的处理步骤中，通过如上所述连续进行加热步骤和快速冷却步骤，可以获得第二粒子。这是由于以下原因。即，当在加热步骤后不连续进行快速冷却步骤时，倾向于形成不满足目标组成的粒子。例如，若通过使用加热炉对第一粒子进行加热，然后将加热后的第一粒子(第二粒子前体)简单地进行随炉冷却而不进行快速冷却步骤，则加热的第一粒子的温度非常缓慢地降低。在这种情况下，Si或Al变得易于从加热步骤中产生的TiAlSiON化合物上脱落，从而使得所产生的粒子的组成不能满足第一化合物中的目标组成。与之相比，当在加热步骤之后连续进行快速冷却步骤时，可以有效地防止这种元素脱落，并且可以防止所产生的粒子不具有如上所述的目标组成。

作为能够连续进行如上所述的加热步骤和快速冷却步骤的方法，可以列举出如下方法：方法(1)：在反应室中，通过使用诸如碳加热器之类的热源并在期望的气氛中加热第一粒子，随后排出气氛气体，并且引入诸如Ar之类的冷却气体；方法(2)：在反应室中，通过在期望的气氛中进行燃烧，从而合成第一粒子；方法(3)：在反应室中，在期望的气氛中使第一粒子通过高温等离子体。

当采用方法(1)时，加热步骤中的优选条件如下所示。冷却速度可以为100℃/秒以上，并且可以进一步为200℃/秒以上。

加热温度：1500℃以上2000℃以下

大气压力：0.1标准大气压以上

加热时间：1小时以上

当采用方法(2)时，加热步骤中的优选条件如下所示。冷却速度可以为100℃/分钟以上，并且可以进一步为200℃/分钟以上。

加热温度：2000℃以上3000℃以下

大气压力：1.0标准大气压以上

加热时间：3秒以上

当采用方法(3)时，加热步骤中的优选条件如下所示。冷却速度可以为500℃/秒以上，并且可以进一步为1000℃/秒以上。

加热温度：2000℃以上5000℃以下

大气压力：0.1标准大气压以上

加热时间：0.5秒以上

通过本步骤而制备第二粒子，当仅通过进行本步骤一次而难以制备具有期望组成的第二粒子时，可以重复进行本步骤。在这种情况下，不一定需要重复相同的处理方法，并且本步骤可以通过适当地组合(1)至(3)的方法来进行。

(烧结步骤)

接着，在图1中的步骤S3的烧结步骤中，将第二粒子烧结以制备包含由Ti、Al、Si、O和N形成的第一化合物的烧结材料。

优选在第二粒子的加压成形之后进行第二粒子的烧结。烧结可以与加压成形同步进行。作为同步进行加压成形和烧结的方法，可以列举出热压(HP)法、放电等离子体烧结(SPS)法和超高压烧结法。此外，可以进行这样的方法，即，在通过冷等静压加压(CIP)法成形后，再通过使用热等静压加压(HIP)法来进行烧结。可以使用常压烧结法来代替上述的压力烧结法。

该步骤优选在惰性气氛下进行，以防止烧结材料中的第一化合物的组成相比于第二粒子的组成发生大的变化。在烧结时，压力优选为40MPa以上20GPa以下，温度优选为1100℃以上2500℃以下。这是因为，当烧结时的温度低于1100℃时，烧结不充分，不能得到致密的烧结材料，而当温度超过2500℃时，烧结材料中的第一化合物的组成可能会与第二粒子的组成大为不同。烧结所需的时间根据第二粒子的量(体积)、温度等而改变，当烧结温度为(例如)1100℃以上2500℃以下时，烧结所需的时间为15分钟以上。

通过进行上述烧结步骤，第二粒子被烧结，从而可以获得由第一化合物形成的烧结材料，该第一化合物由Ti、Al、Si、O和N形成。

根据以上具体说明的第三实施方案的制造方法，可以制造包含由Ti、Al、Si、O和N形成的第一化合物的烧结材料，因此可以提供具有高耐磨性、高耐崩裂性和高耐氧化性的烧结材料。此外，通过用激光或线放电切割从而将所制造的烧结材料加工成所需的形状，可以提供由烧结材料形成的工具或者包含烧结材料的工具。

《第四实施方案》

根据第四实施方案的烧结材料制造方法与第三实施方案的不同之处在于，如图3所示，其包括在烧结步骤之前，将通过处理步骤而制备的第二粒子与第三粒子混合的步骤(混合步骤)。以下，将参照图3对混合步骤进行说明。由于图3中的步骤S31的制备步骤、步骤S32的处理步骤以及步骤S34的烧结步骤分别类似于第三实施例中的步骤S1至S3，因此，不再重复其说明。

(混合步骤)

参见图3，在步骤S33的混合步骤中，将在步骤S32的处理步骤中得到的第二粒子与第三粒子混合，该第三粒子的组成不同于第二粒子。

第三粒子由选自由第五化合物、第六化合物、第七化合物以及第二金属构成的组中的至少一者形成。

第五化合物为立方氮化硼。第六化合物为由选自Al和Si中的至少一种元素、以及选自由B、C、N和O构成的组中的至少一种元素所形成的化合物，具体例子包括与在第一实施方案中具体说明了的第一化合物类似的化合物。第七化合物为由选自由在日本使用的元素周期表中的第4族元素、第5族元素、以及第6族元素构成的组中的至少一种元素、以及选自由B、C、N和O构成的组中的至少一种元素所形成的化合物，具体例子包括与在第一实施方案中具体说明的第二化合物类似的化合物。第二金属为由选自由Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Al、Sn、Si、Zr、Nb、Mo、Ag、Hf、Ta、W和Pb构成的组中的至少一者所形成的金属，具体例子包括与在第一实施方案中具体说明的第一金属类似的金属。

第三粒子特别地优选包含立方氮化硼。例如，当第三粒子由立方氮化硼形成时，这种第三粒子和第二粒子的混合物的烧结将得到主要由硬度优异的立方氮化硼形成的第二化合物。此外，当第三粒子由立方氮化硼形成时，可以使得在所制造的烧结材料的第二化合物中，Si₃N₄位于第二化合物与第一化合物的界面附近。在这种情况下，可以牢固地结合两种粒子(由第一化合物形成的粒子以及由第二化合物形成的粒子)，并且可以减少由于粒子脱落而导致的磨损。

本步骤优选在这样的情况下进行，即，第三粒子在第二粒子和第三粒子的混合粒子中的含量为90体积％以下。当第三粒子的含量超过90体积％时，烧结材料中的第一化合物的比例过低，并且源自第一化合物的效果倾向于显著降低。

本步骤更优选在这样的情况下进行，即，第三粒子在第二粒子和第三粒子的混合粒子中的含量为50体积％以下。特别地，当第三粒子包含金属粒子(仅由金属元素形成的粒子)时，混合粒子中金属粒子的含量优选为20体积％以下。当混合粒子中金属粒子的含量超过20体积％时，所制造的烧结材料的硬度倾向于降低。

通过进行上述混合步骤，获得了由第二粒子和第三粒子构成的混合物，通过在步骤S34的烧结步骤中烧结该混合物，可以获得由第一化合物和第二化合物形成的烧结材料。

在本实施方案中，第三粒子包含在第二化合物中，并且大部分第三粒子保持其组成。换言之，第三粒子的组成与第二化合物中所包含的化合物和/或金属的组成几乎彼此一致。然而，也存在这样的情况，其中，第二化合物中所包含的化合物的组成不同于第三粒子的组成。这是因为，在第二粒子和第三粒子之间的界面上，构成第二粒子的元素与构成第三粒子的元素的结合产生了化合物。

根据以上具体说明的第四实施方案的制造方法，可以制造包含由Ti、Al、Si、O和N形成的第一化合物、以及与第一化合物具有不同组成的第二化合物的烧结材料。除了由第一化合物所产生的特性之外，这种烧结材料还可以表现出由第二化合物所产生的特性。因此，根据第四实施方案的制造方法，可以提供高具有耐磨性、高耐崩裂性和高耐氧化性、并且满足各种切削条件需求的工具。

实施例

将通过实施例和比较例来更具体地说明本发明。应当注意，本发明不限于这些实施例和比较例。

[研究1]

通过进行上述制备步骤和处理步骤，从而制备由Ti、Al、Si、O和N形成的第二粒子，并对它们的特性进行评价。

《实施例1至58》

(制备步骤)

作为第一粒子，制备原料粒子，其为下表1所示的原料粒子A、原料粒子B和原料粒子C的混合物。例如，在实施例1中，以80:10:10的质量混合比(原料粒子A:原料粒子B:原料粒子C)，将作为原料粒子A的Ti粒子、作为原料粒子B的Al粒子和作为原料粒子C的Si粒子混合，从而制备了第一粒子。实施例1至58中制备的各第一粒子的平均粒径示于表1中。然后，对所制备的各第一粒子进行加压成形，从而制备由各第一粒子形成的成形体。

[表1]

(处理步骤)

接着，通过使用所制造的成形体来进行处理步骤，制备由Ti、Al、Si、O和N形成的第二粒子。作为各实施例中的处理步骤，使用下述(1)至(3)中的任一种方法：方法(1)：在反应室中，通过使用诸如碳加热器之类的热源并在期望的气氛中加热第一粒子，随后排出气氛气体，并且引入诸如Ar之类的冷却气体(在表2中示为“气体快速冷却”)；方法(2)：在反应室中，通过在期望的气氛中进行燃烧，从而合成第一粒子(在表2中示为“自蔓延高温合成”)；方法(3)：在反应室中，在期望的气氛中使第一粒子通过高温等离子体(在表2中示为“高温等离子体”)。各实施例中的处理步骤的条件示于下表2中。

[表2]

参见上述表2，将分别参照实施例1、8和11来具体说明方法(1)至(3)。

使用了方法(1)的实施例1中的处理步骤以如下方式进行。首先，将成形体放置在具有气体入口和气体出口的坩埚中。然后，将氮气供给到坩埚中，将坩埚中的气体压力调节为3标准大气压，并且通过使用设置在坩埚周围的碳加热器，在1800℃下将坩埚的内部加热1小时。以这种方式，在氮气气氛中，将实施例1的第一粒子在1800℃下进行60分钟的加热步骤。

在加热步骤结束后，通过真空泵排出气氛气体，引入Ar至3标准大气压以进行冷却，并且将试样温度降至室温(25℃)以下。然后冷却速度约为100℃/秒。以这种方式，对第二粒子前体进行快速冷却步骤，并且获得由Ti、Al、Si、O和N形成的结构体。

在实施例2至7、16至18和36至39中，除了如表2所示改变各种条件之外，以与实施例1相同的方式进行处理步骤。

使用了方法(2)的实施例8中的处理步骤以如下方式进行。首先，将成形体放置在具有气体入口和气体出口的压力容器中。然后，将压力容器内的氮气的压力升高至10MPa(100标准大气压)，并且通过使用诸如钨丝之类的热源来加热部分成形体，从而通过燃烧合成第一粒子。然后，燃烧时间为15秒，加热温度为3000℃。以这种方式，在氮气气氛中，将实施例8的第一粒子在3000℃下进行15秒的加热步骤。

在自蔓延高温合成中，由于热源仅在点火时存在，因此，压力容器内的温度在燃烧时间过去之后立即降低，并且在自蔓延高温合成之后，第一粒子(第二粒子前体)的温度迅速降低至室温。然后，冷却速度为约200℃/秒。以这种方式，对第二粒子前体进行快速冷却步骤，并且获得由Ti、Al、Si、O和N形成的结构体。

此外，在实施例9、10、19至21以及25至35中，除了如表2所示改变各种条件之外，以与实施例8相同的方式进行处理步骤。

使用了方法(3)的实施例11中的处理步骤以如下方式进行。首先，将氮气供给到压力容器中，使得气体压力为0.1标准大气压，由设置在压力容器内部的等离子体产生电极产生4500℃的高温等离子体，并使第一粒子穿过等离子体。处理时间为1秒。以这种方式，在氮气气氛中，将实施例11的第一粒子在4500℃下进行1秒的加热步骤。

在加热步骤后的快速冷却步骤中，冷却速度为约1000℃/秒。以这种方式，对第二粒子前体进行冷却步骤，并且获得由Ti、Al、Si、O和N形成的结构体。在加热步骤结束之后，连续地进行快速冷却步骤。

此外，在实施例12至15、22至24，以及40至58中，除了如表2所示改变各种条件之外，以与实施例1相同的方式进行处理步骤。

《比较例1和2》

在比较例1中，制造了TiN的粉末，并且在比较例2中，制造了TiAlN的粉末。具体而言，在比较例1中，制备了粒径为1μm的TiN(原子比为1:0.97)粒子。在比较例2中，制备了粒径为1μm的AlTiN(原子比为0.5:0.5:1)粒子。

《各粒子的特性评价》

确认实施例1至58的各粒子的组成，以及实施例1至58及比较例1和2的各粒子的耐氧化性。

(组成)

实施例1至58中获得的第二粒子中所包含的产物(化合物)以及TiAlSiON化合物的含量比(体积％)示于表3中。在所包含的产物当中，通过XRD(X射线衍射)装置来分析粒子的截面和表面，从而确定了除了TiAlSiON化合物以外的化合物的组成，并且通过进行EDX(能量色散X射线光谱法)来计算TiAlSiON化合物的组成。此外，进行加工使得所获得的粉末的截面能够观察。通过扫描电子显微镜来观察粉末的截面，并通过粉末中的颜色的色调来鉴别TiSiAlON化合物。此时，预先通过元素分析来确定各化合物。此外，对视野进行二值化从而定量TiSiAlON化合物。

[表3]

关于表3中的“产物”这一栏，例如，“TiAlSiON”表示“TiAlSiON化合物”，“Si₃N₄”表示Si₃N₄化合物。TiAlSiON化合物的组成示于“Ti_(1-a-b)Al_aSi_bO_xN_y”这一栏中。TiAlSiON化合物的含量比示于“第一化合物的含量比”这一栏中。

参见表3，可以确认，在实施例1至58中，烧结材料由包含TiAlSiON化合物的第一化合物形成。另外还确认了，TiAlSiON化合物满足Ti_(1-a-b)Al_aSi_bO_xN_y(其中，a、b、x和y分别满足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以及0.5<x+y≤1)。

(耐氧化性)

对于实施例1至58、以及比较例1和2的各粒子，分别称取0.5mg，并制备试验品。对于各个试验品，在空气气氛中将温度从室温(25℃)逐渐升高至1400℃，并且同时进行差热分析。将能够观察到各试样品的重量变化的最低温度确定为氧化开始温度。实施例1至58的各结果示于表3中。

参见表3，在实施例1至58的所有第二粒子中，其氧化开始温度均为460℃以上。同时，对于比较例1和2的各粒子，其氧化开始温度分别为400℃和450℃。在表3中，“氧化开始温度”越高，则表示耐氧化性越优异。

[研究2]

将实施例1、11和27的各粒子以及比较例1和2的各粒子作为第二粒子，通过进行将第二粒子与第三粒子混合的混合步骤、以及烧结步骤来制造烧结材料，并且评价烧结体的特性。

《实施例61至125和比较例3至6》

(混合步骤)

在实施例61至125和比较例3至6中，通过使用表4和5所示的第二粒子和第三粒子来进行混合步骤。参见表5，例如，在实施例61中，通过以50:50的体积混合比(第二粒子:第三粒子)将实施例1中制造的第二粒子与由立方氮化硼(cBN)形成的第三粒子混合，从而制备混合粒子。

(烧结步骤)

接着，将所获得的混合粒子填充到钽制微囊中，并且在下表4和5所示压力、温度以及烧结时间下，通过使用压力机进行烧结处理。

在如上所述的方式中，在实施例61至125中，获得了包含第一化合物和第二化合物的烧结体，该第一化合物包含TiAlSiON化合物。另外，在比较例3至6中，获得了包含源自第二粒子的化合物、以及源自第三粒子的化合物的烧结体。各烧结材料均具有直径为20mm、高度为1mm的圆盘形状。

[表4]

[表5]

《各烧结材料的特性评价》

对于实施例61至125和比较例3至6的各烧结材料，确认其组成、耐磨性以及耐崩裂性。

(组成)

在实施例61至125和比较例3至6中获得的烧结体中所包含的产物(化合物，金属)以及TiAlSiON化合物的含量(体积％)示于表6中，并且TiN或TiAlN的含量比(体积％)示于表7中。在所包含的产物当中，通过XRD(X射线衍射)装置分析烧结材料的截面和表面，从而确定除了TiAlSiON化合物以外的化合物的组成，并且通过进行EDX(能量色散X射线光谱法)计算TiAlSiON化合物的组成。此外，进行加工使得所获得的烧结材料的截面能够观察，通过扫描电子显微镜来观察烧结材料的截面，并通过烧结材料中的颜色的色调来鉴别TiSiAlON化合物。此时，预先通过元素分析来确定各化合物。此外，对视野进行二值化从而定量TiSiAlON化合物。

[表6]

[表7]

关于表6和7中的“产物”这一栏，例如，“TiAlSiON”表示“TiAlSiON化合物”，“Si₃N₄”表示Si₃N₄化合物。TiAlSiON化合物的组成示于“Ti_(1-a-b)Al_aSi_bO_xN_y”这一栏中。TiAlSiON化合物的含量比示于“第一化合物的含量比”这一栏中。

参见表6，可以确认，在实施例61至125中，各烧结材料均包含TiAlSiON化合物，并且TiAlSiON化合物满足Ti_(1-a-b)Al_aSi_bO_xN_y(其中，a、b、x和y分别满足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以及0.5<x+y≤1)。另一方面，关于TiAlSiON化合物的含量，由于是通过第二粒子和第三粒子之间的混合比换算来的，使得在许多情况下都观察到轻微的减少。

这些数据表明，尽管第二粒子的组成在烧结步骤之前和之后均没有发生变化，但是由于与第三粒子的反应，从而在界面上产生反应产物，因此在烧结步骤之前和之后观察到了混合比的轻微变化。由于在烧结之前和之后第二粒子的组成均没有发生变化，还发现包含在第二粒子中的TiAlSiON化合物与构成第一化合物的TiAlSiON化合物是相同的化合物，因此，第一化合物的耐氧化性依赖于第二粒子的耐氧化性。

除TiAlSiON化合物以外，实施例61至125的烧结体还包含其他产物(化合物或金属)。可以确认，在TiAlSiON化合物的界面上存在有除TiAlSiON化合物以外的产物。

(耐磨性和耐崩裂性)

对于实施例61至125和比较例3至6的烧结体，通过以下方式来评价耐磨性和耐崩裂性。

首先，使用激光来加工各烧结材料，从而制造刀片形状为ISO型号CNGA120408，并且具有以-25°的角度和0.15mm的宽度而加工的刀刃的倒角形状(chamfer form)的切削工具。使用所制造的各切削工具，在以下的切削条件下进行切削试验，从而测定切削工具的平均后刀面磨损(μm)和崩裂量(μm)。术语“崩裂”是指在切削刃中出现的微细缺损，术语“崩裂量”是指在切削工具的刀刃的厚度方向上的缺损宽度。

工件材料：带槽的SCM415淬火钢(HRc58-62)

(形状：具有宽度为2mm的槽的圆棒，槽的间隔为1cm)

切削速度：100m/分钟。

进给速度：0.1mm/转

切削深度：0.1mm

冷却液：无

切削距离：4km

评价结果示于表6和7中。在表6和7中，“后刀面磨损”越小，耐磨性越好。此外，较小的“崩裂量”表示更好的耐崩裂性。

表6和7表明与比较例3至6的烧结体相比，实施例61至125的烧结体的诸如耐磨性和耐崩裂性之类的特性更加优异。将实施例110与实施例118进行比较，实施例110的烧结材料具有更加优异的特性。这归因于实施例118中的混合Co粒子的含量(体积％)更高。

应当理解，本文公开的实施方案和实施例都是说明性的，并且在每个方面都不是限制性的。本发明的范围由权利要求书限定，而不是由上述实施方案限定，并且本发明旨在包括在权利要求书的等同意义和范围内的任何修改。

工业应用性

根据本发明的烧结材料可以广泛地用于切削工具。特别地，其可以适用于在高温下具有高硬度的加工材料、以及由耐热合金形成的加工材料的切削工具。