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

2023 Fiscal Year Annual Research 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: ハイエントロピーセラミックス / 機械的合金法 / パルス通電焼結法 / 超硬合金代替材料

Outline of Annual Research Achievements

「希少資源使用量の削減」および「加工能率向上・高品質化」という2つの観点より，WC-Co系超硬合金の代替となりえる工具材料の基材開発は重要な研究課題と言える．本研究では，『メカニカルアロイング（MA）法による硬質酸窒化物強制固溶相合成技術』シーズに金属元素で知られた『高エントロピー効果』を適用し，2つの異なる非金属元素との化学結合状態の不安定さを機械的特性の向上に逆利用することを新たな材料強化機構としたハイエントロピーオキシナイトライド(HEON)高硬度・高靭性セラミックス材料の創成に取り組んだ．
この研究において，MA法による固溶体粉末合成技術と，パルス通電焼結(PECS)法によるバルク体作製技術を組み合わせることで，単相(Al,Ti,Cr,Zr,Nb)N焼結体の合成に成功した．また，この焼結体材料が，ハイエントロピー化により高硬度化しHV1900という硬さ示すことを明らかとした．一方，原料粉末中にB1結晶構造を有する酸化物粉末を加えることで，本研究で目的としたHEON焼結体の作製を試みたが，これについては実現不可能であった．これは，焼結時に酸素がより標準自由生成エネルギーの低い酸化物を形成できる金属元素と化合してしまい，別相として析出してしまうためでである．
上記のことは，標準自由生成エネルギーの高い化合物を生成する元素は，ハイエントロピー化により窒化物内に固溶し得ることを示していると言える．この考えのもと，原料粉末中にTiCやZrCなどの炭化物を加えた結果，単相(Al,Ti,Cr,Zr,Nb)(C,N)焼結体の作製に成功した．また，この焼結体がHV2100という高硬度と，Kic=5以上という破壊靭性値を有することを明らかとした．
以上より，当初の材料系とは異なるものとなったが，本研究の目的であったWCの代替材料となりえる材料の開発に成功したと考える．