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

2022 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 / メカニカルアロイング法 / パルス通電焼結法

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，WC-Co系超硬合金の代替となりえる工具材料の基材の開発として，ハイエントロピーセラミックスに着目し，その開発に取り組んでいる．特に本研究では，ハイエントロピーオキシナイトライドと呼べる複酸窒化物セラミックスの研究開発を進めている．これは，一般的な材料設計指針に基づいて共有結合性を増加（≒炭化物化）させても，焼結性の悪化に伴い，結果的に硬質なバルク体材料とならないためである．これまで，複酸化物あるいは複炭化物という形でハイエントロピーセラミックスの開発は数多くなされているが，副窒化物や複炭化物としてハイエントロピーセラミックスの研究開発例はない．そのため，それらの材料開発に関する多くの知見を提供できるという点も，一つの大きな目的としている．
一昨年度までの段階において，まずはハイエントロピーナイトライドと呼べる複窒化物相が，MA（メカニカルアロイング）法とPECS（パルス通電焼結法）法によって合成可能か研究を行った．この結果，MA法のみでは固溶体化されないが，焼結時に固溶体化され単相の副窒化物焼結体が作製可能であることが明らかとなった．また，(Al,Ti,Cr,Zr,Nb)N焼結体において，HV1900以上の硬度を有する硬質焼結体が作製可能であることを明らかとした．
2022年度は，さらに酸化物粉末を原料に混入することにより酸窒化物焼結体の作製について研究を行った．この結果，酸窒化物化させた際にも，単相の焼結体を作製可能であることを明らかとした．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初の予測通り，ハイエントロピーナイトライドと呼べる酸窒化物相の合成には成功した．一方で，想定よりも大きなマクロサイズで多孔質化が生じてしまい，酸素を取り込んでの固溶体化させても機械的強度を大きく向上させることが出来なかった．また，想定以上に結晶格子内の不均一さが焼結体強度に与える影響が大きく，格子定数差という点も考慮しながら固溶元素を考える必要があるため，当初の予定よりは研究進捗が遅れている．

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究成果より，ハイエントロピー化により強度を得るためには大きな格子定数差を与えること，すなわちより不均一さを与えることが重要であることが分かっている．一方で，結合様式の異なる非金属元素を混入させても単一固溶体化するが，多孔質化してしまうことが明らかとなっている．今後は，これらの最適化を図りながら，より高強度・高靭性の焼結体の作製を試みていく．
また一方で，今年度は電子構造解析を進め、ハイエントロピー化に伴う電子構造変化について明らかにしていく．

Causes of Carryover

コロナ禍などの影響により予定通り出張が行えず，一方で物品費が高騰していることにより代わりに物品費としての予算を使用したが，わずかながら残額が生じた．翌年度は，残額をR5年度の物品費と合わせて使用する予定である．