特許 5988430 立方晶窒化ホウ素焼結体およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5988430

(24)【登録日】2016年8月19日

(45)【発行日】2016年9月7日

(54)【発明の名称】立方晶窒化ホウ素焼結体およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C04B 35/583 20060101AFI20160825BHJP

   C04B 35/626 20060101ALI20160825BHJP

   B23B 27/14 20060101ALI20160825BHJP

   C22C 29/16 20060101ALI20160825BHJP

【ＦＩ】

   C04B35/58 103J

   C04B35/58 103R

   B23B27/14 B

   C22C29/16 A

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-237019(P2012-237019)

(22)【出願日】2012年10月26日

(65)【公開番号】特開2014-84268(P2014-84268A)

(43)【公開日】2014年5月12日

【審査請求日】2015年6月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】503212652

【氏名又は名称】住友電工ハードメタル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】徂徠 義章

(72)【発明者】

【氏名】岡村 克己

(72)【発明者】

【氏名】深谷 朋弘

【審査官】 小川 武

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−１８２２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１６８５６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／０６６３８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／０５６７５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／０５３３７５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１０５７１０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開昭５８−０６１２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平１１−５０５７７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平１１−５０５４８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３５３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１４４５０２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０４Ｂ ３５／５８３

Ｂ２３Ｂ ２７／１４

Ｃ０４Ｂ ３５／６２６

Ｃ２２Ｃ ２９／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

立方晶窒化ホウ素と結合材と金属の触媒元素とを備える立方晶窒化ホウ素焼結体であって、
前記立方晶窒化ホウ素の含有率が５０体積％以上８５体積％以下であり、
前記触媒元素の含有率が０．５質量％以上５質量％以下であり、
前記結合材は、周期律表第４ａ族元素、第５ａ族元素、第６ａ族元素の窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物およびこれらの固溶体からなる群の中から選択された少なくとも１種と、アルミニウムと、の化合物を含み、
前記触媒元素は、コバルトおよびクロムを含み、
前記立方晶窒化ホウ素焼結体の組織の８μｍ×８μｍの領域を走査型透過電子顕微鏡で観察して得られた画像を４行４列の部分領域に分割する線分上で組成分析を行って、前記線分上の任意の測定点における窒素の検出ピーク値とホウ素の検出ピーク値との合計値を算出し、
前記合計値が、前記合計値の全測定点における最大値の半分以下である測定点を結合部測定点と決定し、
前記結合部測定点の総数に対する、前記結合部測定点のうち前記触媒元素が検出されなかった測定点数の比率が３０％以下である、立方晶窒化ホウ素焼結体。

【請求項2】

前記立方晶窒化ホウ素の含有率が７０体積％以上８０体積％以下であって、抗折力が１２５ｋｇｆ／ｍｍ²越えである、請求項１に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法であって、
立方晶窒化ホウ素の粉末を準備する工程と、
前記粉末の表面に前記触媒元素を付着させて、触媒付粉末を作製する工程と、
前記触媒付粉末と前記結合材とを混合する工程と、
前記触媒付粉末と前記結合材との混合物を焼結する工程とを備える、立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法。

【請求項4】

前記触媒付粉末を作製する工程は、前記粉末の表面を物理蒸着法によって前記触媒元素を含む膜で被覆する工程を含む、請求項３に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、立方晶窒化ホウ素焼結体およびその製造方法に関し、特に結合材および触媒を含む立方晶窒化ホウ素焼結体およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

立方晶窒化ホウ素（以下、「ｃＢＮ」と称する）焼結体は、ダイヤモンドに次ぐ硬度を有し、鉄系材料と反応しないという特徴があるため、従来より鉄系材料の切削工具として用いられている。（たとえば、特開２０１１−２０７６９０号公報）
ｃＢＮ粒子（粉末）を単独で直接焼結することは非常に困難であるため、一般に切削工具として用いられているｃＢＮ焼結体は、ＴｉＣやＴｉＮなどのセラミックスをバインダとして用いてｃＢＮの粉末を超高圧下で焼結して製造されている。

【0003】

さらに、従来のｃＢＮ焼結体は、耐欠損性の向上を目的として、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）およびモリブデン（Ｍｏ）からなる群から選択される少なくとも１種が触媒元素として含まれている場合がある。このとき、触媒元素は、ｃＢＮ焼結体の靭性を向上させて耐欠損性を向上させる目的で加えられるが、金属元素であるため、延性を有している。しかし、その延性によって、触媒元素をｃＢＮ粉末とともに粉砕混合するのは困難であった。

【0004】

そこで、従来のｃＢＮ焼結体は、炭化物や窒化物といった化合物の状態の触媒元素を用いることによって、粉末状の触媒元素を準備し、該触媒元素の粉末とｃＢＮ粉末との混合物を焼結することによって作製されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１−２０７６９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来のｃＢＮ焼結体において、上述のように触媒元素は粉末としてｃＢＮ粉末と混合（以下、「粉末混合」ともいう）されるため、得られたｃＢＮ焼結体において触媒元素が均一に分散していない場合があった。また、触媒元素はｃＢＮと比べて硬度が低く、多量に用いると耐摩耗性を悪化させる原因になることが知られている。そのため、耐摩耗性等の観点から、触媒元素の添加量を低く抑える必要がある場合において、触媒元素によるｃＢＮ焼結体の耐欠損性向上効果を十分得ることができなかった。

【0007】

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、触媒元素の添加量を低く抑えながら、耐欠損性を向上することができる立方晶窒化ホウ素焼結体およびその製造法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の立方晶窒化ホウ素焼結体は、立方晶窒化ホウ素と結合材と金属の触媒元素とを備える立方晶窒化ホウ素焼結体であって、立方晶窒化ホウ素の含有率が５０体積％以上８５体積％以下であり、触媒元素の含有率が０．５質量％以上５質量％以下である。また、結合材は、周期律表第４ａ族元素、第５ａ族元素、第６ａ族元素の窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物およびこれらの固溶体からなる群の中から選択された少なくとも１種と、アルミニウムと、の化合物を含む。また、触媒元素は、コバルトおよびクロムを含む。また、上記立方晶窒化ホウ素焼結体の組織の８μｍ×８μｍの領域を走査型透過電子顕微鏡で観察して得られた画像を４行４列の部分領域に分割する線分上で組成分析を行って、線分上の任意の測定点における窒素の検出ピーク値とホウ素の検出ピーク値との合計値を算出し、該合計値が、合計値の全測定点における最大値の半分以下である測定点を結合部測定点と決定し、結合部測定点の総数に対する、結合部測定点のうち触媒元素が検出されなかった測定点数の比率が３０％以下である。

【0009】

これにより、立方晶窒化ホウ素焼結体において、結合材中に触媒元素を分散させることができるため、立方晶窒化ホウ素焼結体の耐欠損性を向上することができる。

【0012】

上記立方晶窒化ホウ素焼結体の抗折力は、立方晶窒化ホウ素の含有率が７０体積％以上８０体積％以下であるとき、１２５ｋｇｆ／ｍｍ²越えとすることができる。

【0013】

本発明に係る立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法は、立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法であって、立方晶窒化ホウ素の粉末を準備する工程と、粉末の表面に触媒元素を付着させて、触媒付粉末を作製する工程と、触媒付粉末と結合材とを混合する工程と、触媒付粉末と結合材との混合物を焼結する工程とを備える。

【0014】

これにより、結合材中に触媒元素が分散し、耐欠損性の優れた立方晶窒化ホウ素焼結体を作製できる。

【0015】

上記触媒付粉末を作製する工程は、粉末の表面を物理蒸着法によって触媒元素を含む膜で被覆する工程を含んでもよい。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、触媒元素の添加量を低く抑えながら、耐欠損性を向上することができる立方晶窒化ホウ素焼結体およびその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体において、結合材中の触媒元素の分散を評価する方法を説明するための図である。

【図2】本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体の製造方法のフローを示す図である。

【図3】本発明の実施例１における実験１の試験方法を説明するための図である。

【図4】本発明の実施例２における実施例試料の組織像である。

【図5】図４の線Ｖ上を組成分析したときの特性図である。

【図6】本発明の実施例２における比較例試料の組織像である。

【図7】図６の線ＶＩＩ上を組成分析したときの特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施の形態について説明する。
本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮと、結合材と、ＣｏおよびＣｒからなる触媒元素とを備える。ｃＢＮ焼結体におけるｃＢＮの含有率は、８０体積％である。また、結合材は、周期律表第４ａ族元素、第５ａ族元素、第６ａ族元素の窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物およびこれらの固溶体からなる群の中から選択された少なくとも１種と、アルミニウム化合物とを含む。本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体において、結合材はＴｉ、ＮおよびＡｌからなる。本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体における結合材の含有率は、２０体積％であり、ＣｏおよびＣｒからなる触媒元素の含有率は、合計で３質量％である。

【0019】

このとき、本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体において、ＣｏおよびＣｒは、結合材中で分散している。つまり、ｃＢＮ結晶粒同士はＴｉ、ＮおよびＡｌからなる結合材を介して結合しており、ＣｏおよびＣｒは該結合材中において、局在せずに分散して存在している。

【0020】

これについては、本実施の形態に係る立方晶窒化ホウ素焼結体の組織を走査型透過電子顕微鏡で観察して得られた画像において線分析を行うことにより確認することができる。図１を参照して、具体的には、立方晶窒化ホウ素焼結体の８μｍ×８μｍの領域を走査型透過電子顕微鏡で観察して得られた画像を４行４列の部分領域に分割する（１６等分割する）線分上でＥＤＸ等の組成分析を行う。得られたスペクトルにおいて、窒素（Ｎ）の検出ピーク値とホウ素（Ｂ）の検出ピーク値との合計値が、合計値の全測定点における最大値の半分以下である測定点を結合部測定点と決定する。つまり、Ｎの検出ピーク値とＢの検出ピーク値との合計値が、その全測定点中の最大値に対して半分より大きい領域をｃＢＮが存在するｃＢＮ測定点と決定し、その全測定点中の最大値に対して半分以下である領域をＴｉ、ＮおよびＡｌからなる結合材が配置された結合部測定点と決定する。

【0021】

このとき、本実施の形態に係る立方晶窒化ホウ素焼結体は、結合部測定点と決定された測定点の総数に対する、ＣｏおよびＣｒのいずれもが検出されなかった測定点数の比率が３０％以下である。後述する実施例において、ＣｏＣｒをＲＦスパッタリングＰＶＤ法により被覆したｃＢＮ粉末と結合材粉末（ＴｉＮとＡｌとを混合した粉末）とを混合、焼結して得られたｃＢＮ含有率８０体積％かつＣｏとＣｒの合計含有率３質量％のｃＢＮ焼結体は、上記比率が２３．６％であった。一方、後述する比較例において、ｃＢＮ粉末と結合材粉末と触媒元素の粉末とを混合し、焼結して得られたｃＢＮ含有率８０体積％かつＣｏとＣｒの合計含有率３質量％のｃＢＮ焼結体は、上記比率が３８．４％であった。このように、実施例のｃＢＮ焼結体における触媒元素は比較例と比べて、結合材中により均一に分散している。

【0022】

つまり、本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体は触媒元素であるＣｏおよびＣｒが結合材中に分散しているため、該ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮは、ＣｏおよびＣｒとより広い領域で接触することができる。一方、従来のｃＢＮ焼結体は、粉末混合により触媒元素が粉末としてｃＢＮに添加されて作製されるため、ｃＢＮ焼結体の結合材中において触媒元素が偏在する。そのため、従来のｃＢＮ焼結体では、触媒元素の含有率を増大させなければ、ｃＢＮと触媒元素とを十分に接触させることはできなかった。

【0023】

このように、本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮと触媒元素とを広い領域で均一に接触させることができるので、触媒元素の添加量を５質量％以下に抑えなから、触媒元素による効果として耐欠損性を向上することができる。

【0024】

本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体は、上述のように、触媒元素ＣｏおよびＣｒが結合材中により均一に分散しているため、後述の実施例より、触媒元素の含有率が１．５質量％および５質量％のときに抗折力が１１５ｋｇｆ／ｍｍ²以上であることが確認できた。特に、後述する実施例より、ｃＢＮの含有率が７０体積％以上８０体積％以下であるｃＢＮ焼結体は、触媒元素の含有率が０．５質量％および５質量％のときに抗折力が１２５ｋｇｆ／ｍｍ²を越えることが確認できた。

【0025】

本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体は、上記抗折力に加え、靭性も優れている。本願発明者は、靭性の評価としてｃＢＮ焼結体を用いた工具によって、ＪＩＳ Ｇ４４０４に規定する鋼種ＳＫＤ１１−６Ｖ、硬度ＨＲＣ６４、直径１００ｍｍ×長さ３００ｍｍ、表面上において軸方向にＶ溝が６本設けられた被削材を、切削速度１００ｍ／ｍｉｎ、送り量０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み０．１５ｍｍという条件で断続切削したときに、ｃＢＮ焼結体が欠損するまでの時間を評価した。後述の実施例より、本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体は、触媒元素を同程度含有した従来のｃＢＮ焼結体と比較して、欠損するまでの時間が５％以上長い。つまり、本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体は、従来のｃＢＮ焼結体と比較して、抗折力と靭性に優れており、耐欠損性に優れている。

【0026】

次に、図２を参照して、本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体の製造方法について説明する。本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体の製造方法は、ｃＢＮの粉末を準備する工程（Ｓ０１）と、ｃＢＮ粉末の表面に触媒元素を付着させて、触媒付粉末を作製する工程（Ｓ０２）と、触媒付ｃＢＮ粉末と結合材とを混合する工程（Ｓ０３）と、触媒付ｃＢＮ粉末と結合材との混合物を焼結する工程（Ｓ０４）とを備える。

【0027】

まず、工程（Ｓ０１）では、平均粒径が０．５μｍ以上５．０μｍ以下程度のｃＢＮ粉末を準備する。

【0028】

次に、工程（Ｓ０２）において、先の工程（Ｓ０１）で準備したｃＢＮ粉末の表面に、触媒元素であるＣｏおよびＣｒをＲＦスパッタリングＰＶＤ法によって付着させる。具体的には、ＣｏとＣｒが組成比１：１で合金化した固体金属材料（ターゲット）を用いて、ＣｏＣｒ（５０：５０）で被覆されたｃＢＮ粉末を作製する。スパッタリングＰＶＤによる成膜条件は、スパッタリング時間と被覆量との検量線に基づき、所定の被覆量となるように決定すればよい。本実施の形態では、ｃＢＮ焼結体においてＣｏおよびＣｒの含有率が３質量％となるような条件で、ＣｏおよびＣｒはｃＢＮ粉末の表面に成膜される。

【0029】

次に、工程（Ｓ０３）にて、先の工程（Ｓ０２）にて作製した、ＣｏＣｒ（５０：５０）で被覆されたｃＢＮ粉末と結合材とを混合する。このとき、結合材は、ＴｉＮとＡｌの混合粉末を真空中において温度１２００℃で３０分間熱処理することによって得られた化合物を、遊星ボールミルを用いて粉砕、混合した粉末として準備する。触媒付ｃＢＮ粉末と結合材粉末との配合率は、作製するｃＢＮ焼結体において所定のｃＢＮ含有率となるように決められるが、本実施の形態では、ｃＢＮ含有率が８０体積％となるように配合する。触媒付ｃＢＮ粉末および結合材粉末を配合した後、内壁がテフロン（登録商標）製のポットとＳｉ₃Ｎ₄製ボールとを用いた遊星ボールミルにより、これらを均一に混合する。さらに、混合された触媒付ｃＢＮ粉末および結合材粉末は、真空炉において、温度９００℃で２０分間保持されることにより、脱ガスされる。

【0030】

次に、工程（Ｓ０４）にて、先の工程（Ｓ０３）にて得られたＣｏＣｒ（５０：５０）で被覆されたｃＢＮ粉末および結合材粉末の混合粉末をＭｏ製カプセルに充填後、超高圧装置を用いて圧力５．８ＧＰａ、温度１４００℃で２０分間保持して、焼結する。これにより、本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体を作製することができる。

【0031】

以上のように、本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体は、表面を触媒元素で被覆したｃＢＮ粉末と結合材と混合し、焼結することにより作製される。これにより、ｃＢＮ焼結体において、触媒元素は結合材中に分散して含まれることができる。この結果、本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体は、添加された触媒元素のうちｃＢＮと接触する触媒元素の割合が高いため、触媒元素の含有率が５質量％以下と低いにも関わらず、優れた耐欠損性を有することができる。

【0032】

本実施の形態のｃＢＮ焼結体はｃＢＮの含有率が８０体積％であったが、これに限られるものではなく、５０体積％以上８５体積％以下の範囲で任意に決めることができる。後述する実施例より、ｃＢＮの含有率を６０体積％以上９０体積％以下としたｃＢＮ焼結体は、抗折力および靭性ともに従来の粉末混合により作製されたｃＢＮ焼結体よりも優れていた。しかし、ｃＢＮ含有率が５０体積％以上であっても、同様の特性を有するｃＢＮ焼結体を得ることができると考えられる。

【0033】

また、本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体は、触媒元素として、ＣｏおよびＣｒを含んでいるが、これに限られるものではない。触媒元素として、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏからなる群から選択される少なくとも１つの元素からなってもよい。このようにしても、該触媒元素が添加されたｃＢＮ焼結体は、優れた耐欠損性を有することができる。

【0034】

さらに、本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体において、触媒元素は３質量％添加されているが、これに限られるものではない。ｃＢＮ焼結体中に含まれる触媒元素は、０．５質量％以上５質量％以下であれば任意の添加量としてもよい。後述する実施例より、ＣｏおよびＣｒが合計で１．５質量％添加されたｃＢＮ焼結体、および５質量％添加されたｃＢＮ焼結体は、靭性および抗折力が従来のｃＢＮ焼結体よりも優れていることを確認できた。触媒元素の添加量が０．５質量％以上５質量％以下であれば、同様の特性を有する立方晶窒化ホウ素複合多結晶体を得ることができると考えられる。

【0035】

また、本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体において、結合材はＴｉＮとＡｌとの混合粉末から準備されたが、これに限られるものでない。上述のように、結合材は、周期律表第４ａ族元素、第５ａ族元素、第６ａ族元素の窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物およびこれらの固溶体からなる群の中から選択された少なくとも１種と、アルミニウム化合物とを含むセラミックス系結合材であれば、任意の組成とすることができる。例えば、Ｔｉ（ＣＮ）とＡｌとの混合粉末から準備されてもよい。

【0036】

また、本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体の製造方法において、工程（Ｓ０２）で触媒元素をｃＢＮ粉末の表面に被覆する方法は、スパッタリングＰＶＤ法を用いたが、これに限られるものではない。例えば、めっき法等を用いてもよい。このようにしても、ｃＢＮ粉末の表面に触媒元素を被覆することができる。

【0037】

また、本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体の製造方法において、工程（Ｓ０４）での超高圧装置を用いた焼結条件は、上述した条件に限られるものではない。ｃＢＮが焼結可能な条件であれば、任意の条件を選択することができる。

【0038】

以下、本発明の実施例を説明する。

【実施例1】

【0039】

本発明の実施の形態に係るｃＢＮ焼結体として、ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ含有率が６０体積％〜９０体積％であって、触媒元素（ＣｒＣｏ）の含有率が１．５質量％および５質量％である１４種のｃＢＮ焼結体を作製し、その抗折力および靭性を評価した。

【0040】

（実施例試料）
まず、本実施の形態に係るｃＢＮ焼結体の製造方法に従って、工程（Ｓ０１）で平均粒径が１．２μｍ程度のｃＢＮ粉末を準備し、工程（Ｓ０２）において該ｃＢＮ粉末の表面をスパッタリングＰＶＤ法によりＣｏＣｒ（５０：５０）で被覆した。このとき、ｃＢＮ焼結体においてＣｏＣｒが合計で１．５質量％および５質量％となるように２通りのスパッタリング条件で成膜を行い、２通りの触媒付ｃＢＮ粉末を作製した。工程（Ｓ０３）において、上述のようにＴｉＮとＡｌとの混合物を熱処理して得られた化合物を粉砕混合し結合材粉末を作製し、該結合材粉末と２通りの触媒付ｃＢＮ粉末とを混合し、混合物を作製した。このとき、ｃＢＮ焼結体においてｃＢＮ含有率が６０体積％、６５体積％、７０体積％、７５体積％、８０体積％、８５体積％、９０体積％となるように配合した。つまり、工程（Ｓ０３）では１４通りの混合物を作製した。該１４通りの混合物を工程（Ｓ０４）において、圧力５．８ＧＰａ、温度１４００℃で２０分間保持して焼結し、１４通りのｃＢＮ焼結体を作製した。

【0041】

（比較例試料）
まず、平均粒径が１．２μｍ程度のｃＢＮ粉末と、触媒元素として、平均粒径が０．５μｍのＣｏとＣｒの炭化物粉末を１：１の重量比で準備した。結合材はＴｉＮとＡｌとの混合物を熱処理して得られた化合物を粉砕混合して得られた粉末として準備し、ｃＢＮ粉末と触媒元素粉末と結合材粉末との混合物を、実施例試料と同様の配合率で１４通り作製し、これらを圧力５．８ＧＰａ、温度１４００℃で２０分間保持して焼結し、１４通りのｃＢＮ焼結体を作製した。金属元素は、延性や展性を有するため、現在の技術ではナノレベルに粉砕することは非常に困難である。そのため、炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物などの化合物にすることで延性や展性をなくし、微粉砕することによって、結合材中に添加する方法が用いられている。しかし、化合物では触媒機能を有しない。そのため、本発明は、上述のようなｃＢＮ粉末を金属の触媒元素で被覆する被覆法を用いている。金属元素を微粉砕することができれば、得られた微粒金属をｃＢＮ粉末に添加し、混合することで本発明と同等の効果を得ることができる。

【0042】

なお、実施例試料および比較例試料のｃＢＮ焼結体における触媒元素の含有率は、ＩＣＰ法により測定した。

【0043】

（実験１）
図３を参照して、実験１として、実施例評価試料と比較例評価試料の抗折力を評価した。具体的には、ｃＢＮ焼結体を長さ６ｍｍ、幅３ｍｍ、厚み０．５ｍｍの四角形状の試験片１０とし、該試験片１０を、間隔Ｌを４ｍｍとして配置された２支柱１１上に配置した。この支柱１１間の中央の一点に負荷Ｎを加え、ｃＢＮ焼結体の試験片１０が折損したときの負荷Ｎを抗折力として測定した。なお、支柱１１は直径２ｍｍとした。測定結果を表１に示す。

【0044】

（実験１結果）

【0045】

【表1】

【0046】

表１を参照して、実施例試料は、ｃＢＮ含有率が６０体積％〜９０体積％の範囲において、抗折力が１１５ｋｇｆ／ｍｍ²以上であった。また、実施例試料は、ｃＢＮ含有率が同程度であって、触媒元素を同程度添加した比較例試料と比べて、高い抗折力を示すことが確認できた。さらに、触媒元素を１．５質量％添加した実施例試料は、ｃＢＮ含有率が同程度であって触媒元素を５質量％添加した比較例試料と比べても、抗折力が高かった。また、ｃＢＮ含有率が７０体積％以上８０体積％以下であれば、抗折力は１２５ｋｇｆ／ｍｍ²を越えており、比較例試料と比較して、特に高い抗折力を有することが確認できた。

【0047】

（実験２）
実験２として、実施例評価試料と比較例評価試料の靭性を評価した。具体的には、ｃＢＮ焼結体を用いた工具を用いて、鋼種ＳＫＤ１１−６Ｖ、硬度ＨＲＣ６４、直径１００ｍｍ×長さ３００ｍｍ、表面上において軸方向にＶ溝が６本設けられた被削材を、切削速度１００ｍ／ｍｉｎ、送り量０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み０．１５ｍｍという条件で断続切削し、ｃＢＮ焼結体が欠損するまでの時間を評価した。測定結果を表２に示す。

【0048】

（実験２結果）

【0049】

【表2】

【0050】

表２を参照して、実施例試料は、欠損するまでの時間が１．５分以上であった。また、実施例試料は、ｃＢＮ含有率が同程度であって、触媒元素を同程度添加した比較例試料と比べて、欠損に至るまでの時間が５％以上長く、靭性が優れていることが確認できた。さらに、触媒元素を１．５質量％添加した実施例試料は、ｃＢＮ含有率が同程度であって触媒元素を５質量％添加した比較例試料と比べても、欠損に至るまでの時間が長く、靭性が優れていることが確認できた。

【0051】

以上実験１および実験２の結果から、本発明に係る実施例試料は、ｃＢＮ含有率が同程度である比較例試料と比べて、触媒元素の含有率が５質量％以下と低い場合でも、優れた抗折力および靭性を有することを確認できた。

【実施例2】

【0052】

走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を用いて、本発明の実施の形態に係るｃＢＮ焼結体における結合材および触媒元素のばらつきの程度を観察した。さらに、ｃＢＮ焼結体の８μｍ×８μｍの領域の画像を取得し、当該画像を４行４列の部分領域に分割する線分上で組成分析を行い、結合材中における触媒元素の分散の程度を評価した。

【0053】

（実施例試料）
上述した実施例１における実施例試料のうち、ｃＢＮ含有率８０体積％、触媒元素（Ｃｏ、Ｃｒ）１．５質量％のｃＢＮ焼結体を、実施例２の実施例試料とした。

【0054】

（比較例試料）
まず、平均粒径が１．２μｍ程度のｃＢＮ粉末と、触媒元素として、平均粒径が０．５μｍのＮｉとＭｏの炭化物粉末を１：１の重量比で準備した。結合材はＴｉＮとＡｌとの混合物を熱処理して得られた化合物を粉砕混合して得られた粉末として準備した。ｃＢＮ焼結体におけるｃＢＮ含有率が８０体積％、ＮｉおよびＭｏの含有率が１．５質量％となるように、ｃＢＮ粉末と触媒元素粉末と結合材粉末との混合物を作製した。該混合物を圧力５．８ＧＰａ、温度１４００℃で２０分間保持して焼結し、ｃＢＮ焼結体を作製した。

【0055】

（実験３）
まず、上述のように、ＳＴＥＭによりｃＢＮ焼結体中の結合材および触媒元素のばらつきの程度を観察した。さらに、ＳＴＥＭにより、ｃＢＮ焼結体の８μｍ×８μｍの領域の画像を取得し、当該画像を４行４列の部分領域に分割する各線分上でＥＤＸによる組成分析を行い、結合材中における触媒元素の分散の程度を評価した。なお、組成分析は、日本電子製 ＪＥＭ−２１００Ｆを用いて、ビームスポットサイズを０．４ｎｍとして行った。組成分析の結果に基づいた結合材中における触媒元素の分散評価は、以下の方法で行った。

【0056】

まず、全測定点中におけるＢの検出ピーク値（ピーク強度）とＮの検出ピーク値の合計値の最大値を求め、Ｂの検出ピークとＮの検出ピークの合計値が当該最大値の半分以下である測定点を結合部測定点と決定し、その測定点の総数を求めた。

【0057】

次に、結合部測定点において、触媒元素の検出ピーク値が０であり、触媒元素が検出されなかった測定点の総数を求め、結合部測定点の総数に対する比率を算出した。つまり、当該比率が小さいほど、結合材中に触媒元素が分散している。本実施例において、実施例試料および比較例試料には、触媒元素としてＣｏとＣｒがそれぞれ２種添加されているが、触媒元素が２種同時には検出されなかった測定点を、触媒元素が検出されなかった測定点としてその総数を求めた。これは、ＣｏとＣｒ（またはＮｉとＭｏ）はｃＢＮに対して異なる作用効果を奏するため、ＣｏとＣｒ（またはＮｉとＭｏ）がそれぞれ同時に作用することで優れた耐欠損性を得ることができるためである。具体的には、ＣｏはｃＢＮにおけるＢに作用し、ＣｒはｃＢＮにおけるＮに作用すると考えられる。

【0058】

なお、ＳＴＥＭ観察および組成分析は日本電子製 ＪＥＭ−２１００Ｆを用いて行った。

【0059】

（実験３結果）
図４と図６に、それぞれ実施例試料と比較例試料の８μｍ×８μｍの領域をＳＴＥＭ高角度散乱暗視野（ＨＡＡＤＦ）法で観察したときの像を示す。また、図４と図６中に示す一の線分上で組成分析して得られたスペクトルを、それぞれ図５と図７に示す。図４および図６はＨＡＡＤＦ像のため、ｃＢＮを構成するＢやＣは暗く、触媒元素や結合材を構成するＣｏ、Ｃｒ、Ｔｉ等は明るく観察されている。これは図５と図７に示すスペクトルとも一致していた。これにより、実施例試料は、比較例試料と比べて結合材および触媒元素がｃＢＮの周囲により均一に分散していることが確認できた。

【0060】

さらに、図４と図６に示す像を４行４列の部分領域に分割する各線分上でＥＤＸによる組成分析を行い算出した上記比率は、実施例試料が２３．６％であったのに対し、比較例試料は３８．４％であった。

【0061】

以上実験３の結果から、本発明に係る実施例試料は、触媒元素が同程度添加された比較例試料と比べて、触媒元素が結合材中に分散していることが確認できた。

【0062】

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、今回開示された実施の形態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。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲のすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0063】

１０ 試験片、１１ 支柱。

【図2】

【図3】

【図5】

【図7】

【図1】

【図4】

【図6】