強制固溶相の不安定さを逆利用した高強度ハイエントロピーオキシナイトライドの創製

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K03761
• Research Institution: Tomakomai National College of Technology
• Principal Investigator: 浅見 廣樹 苫小牧工業高等専門学校, 創造工学科, 准教授 (00547961)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 末松 久幸 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (30222045) ; 高澤 幸治 苫小牧工業高等専門学校, 創造工学科, 准教授 (20331952)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ハイエントロピーナイトライド / 焼結体

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，鵜機械的合金(MA)法とパルス通電焼結(PECS)法を組み合わせることにより，ハイエントロピーオキシナイトライド（HEON）セラミックスを創製することにある．2021年度は，この材料を創製する基盤技術・知識の確立として，ハイエントロピーナイトライド（HEN）セラミックス創製について研究を進めた．
いくつかの構成材料を組み合わせについて検討する中で，h-AlN,TiN,CrN,ZrN,NbNという窒化物材料の組合せにより，単相HENセラミックス材料の作製が可能であることを明らかにした．これまで，薄膜材料等において合成報告例のある材料ではあるが，これを焼結体として合成した報告例はこれまでになく，これが世界初の合成報告例となるのではないかと考えられる．また，この焼結体材料においては，HV1900～2000程度の高硬度が得られている．この硬度は，各原材料単体の硬度の平均的な値よりも遥に高く，単純な固溶体強化ではなく，ハイエントロピー化による高硬度化が得られているものと考えられる．また，この高硬度化と合わせて弾性率も向上していることが確認されている．現状において，HEN焼結体を高硬度化させるには，構成元素のサイズ差を適切に与えることが必要であると考えられる．一般的に高硬度と知られる材料を単純に組合せても大きく高硬度化することはなく，それよりも格子定数差の大きい原材料を組み合わせた方が良いことが明らかとなった．
一方で，構成元素によっては単相化できず，どうしても構成元素の一部が酸化物化してしまう現象も確認された．さらにこれは，粉末のMA処理に酸素を引き込んでしまうことが原因と考えられる．特に，VN粉末がMA時に酸素を大きく引き込むのではないかと予測している．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の基礎となる単相HEN焼結体の作製に成功したほか，機械的特性の向上させるための構成元素の組み合わせという点に関して一定以上の知見を得ることができた．また，構成元素数についても，一般的な知見以上の発見はなかったものの，ある程度の成果を得ている．一方で，電子構造状態の調査と言う点において若干の遅れがあるものの，十分に挽回できるものとして考え，上記評価区分とした．

Strategy for Future Research Activity

当初の予定通り，引き続きHEN焼結体についてさらなる調査・改良研究を進める．具体的には，組成比の変化による機械的特性向上の可能性について検証する．
また，本研究の目的であるHEON焼結体の作製についても検討を始める．酸素を多量に取り込むと内部で相分離する可能性があることが分かったので，まずは微量な添加により検討を進めていく予定である．