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(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】
(24)【登録日】2023-04-18
(45)【発行日】2023-04-26
(54)【発明の名称】多結晶立方晶窒化ホウ素材料
(51)【国際特許分類】
C04B 35/5835 20060101AFI20230419BHJP
B23B 27/14 20060101ALI20230419BHJP
B23B 27/20 20060101ALI20230419BHJP
【ＦＩ】
C04B35/5835
B23B27/14 B
B23B27/20
【請求項の数】
19
(21)【出願番号】P 2022545818
(86)(22)【出願日】2021-01-29
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-02-14
(86)【国際出願番号】 EP2021052072
(87)【国際公開番号】W WO2021152068
(87)【国際公開日】2021-08-05
【審査請求日】2022-07-26
(31)【優先権主張番号】2001369.4
(32)【優先日】2020-01-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】517007574
【氏名又は名称】エレメント シックス （ユーケイ） リミテッド
(73)【特許権者】
【識別番号】522298082
【氏名又は名称】セコ ツールズ アクチボラグ
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100119013
【弁理士】
【氏名又は名称】山崎 一夫
(74)【代理人】
【識別番号】100123777
【弁理士】
【氏名又は名称】市川 さつき
(74)【代理人】
【識別番号】100111796
【弁理士】
【氏名又は名称】服部 博信
(74)【代理人】
【識別番号】100123766
【弁理士】
【氏名又は名称】松田 七重
(72)【発明者】
【氏名】リンドヴァル レベッカ
(72)【発明者】
【氏名】キャン アンティオネット
(72)【発明者】
【氏名】ムサオウビ ラシド
(72)【発明者】
【氏名】レンリック フィリップ エルンスト
(72)【発明者】
【氏名】ブシュルヤ ヴォロディミール
(72)【発明者】
【氏名】ストール ヤン－エリク
【審査官】田中 永一
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１０－５１２３００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－２１４０６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００７－５２３０４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５９－０５００７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－１１７０３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１７４４９４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】欧州特許出願公開第０２７７８１４６（ＥＰ，Ａ１）
【文献】特開昭５５－１１９１５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０２０／００９１１７（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ０４Ｂ ３５／５８３５
Ｂ２３Ｂ ２７／１４
Ｂ２３Ｂ ２７／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料であって、－７０から９５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子と；
－前記ｃＢＮ微粒子が分散し、含有量が前記ＰＣＢＮ材料の５体積％から３０体積％であるバインダマトリックス材料と；
を含み、
－前記バインダマトリックス材料が少なくとも５０体積％の金属成分を含み、
－前記金属成分がクロム又はその化合物を前記バインダマトリックス材料の１９から５０質量％の量で含み、前記金属成分が前記バインダマトリックス材料の１５から５０質量％の量で存在するバナジウム（Ｖ）を更に含む、
多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料。
【請求項2】
Ｃｒが前記バインダマトリックス材料の１９から４０質量％の量で存在する、請求項１に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項3】
Ｃｒが前記バインダマトリックス材料の１５から３０質量％の量で存在する、請求項１に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項4】
Ｃｒが前記バインダマトリックス材料の２０から３０質量％の量で存在する、請求項２又は３に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項5】
Ｃｒが前記バインダマトリックス材料の３０から４０質量％の量で存在する、請求項２に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項6】
セラミックス成分を更に含み、前記セラミックス成分が二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項7】
前記ＴｉＢ2が前記バインダマトリックス材料の２から１０質量％の量で存在する、請求項６に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項8】
前記ＴｉＢ2が前記バインダマトリックス材料の２から５質量％の量で存在する、請求項７に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項9】
７５から９２体積％のｃＢＮ微粒子を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項10】
８０から９３体積％のｃＢＮ微粒子を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項11】
Ｖが前記バインダマトリックス材料の１５から２０質量％の量で存在する、請求項１から１０のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項12】
Ｖが前記バインダマトリックス材料の２０から３０質量％の量で存在する、請求項１から１０のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項13】
Ｖが前記バインダマトリックス材料の３０から４０質量％の量で存在する、請求項１から１０のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項14】
前記バインダマトリックス材料がアルミニウム又はその化合物、及び／或いはチタン又はその化合物を更に含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項15】
アルミニウム（Ａｌ）又はその化合物が前記バインダマトリックス材料の２から１５体積％、好ましくは５から１５体積％、より好ましくは５体積％の量で存在する、請求項１４に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項16】
チタン、その合金又は化合物を機械加工するときに使用するための、請求項１から１５のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料を含むツール。
【請求項17】
チタンを含む合金又は化合物の機械加工における請求項１６に記載のツールの使用。
【請求項18】
チタンを含む前記合金又は化合物がＴｉ６Ａｌ４Ｖである、請求項１７に記載のツールの使用。
【請求項19】
前記ツールの切削速度（Ｖc）が１５０から３００ｍ／分である、請求項１７又は１８に記載のツールの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、焼結多結晶立方晶窒化ホウ素材料の分野に関し、該材料を作製する方法に関する。特に、本開示は、焼結多結晶立方晶窒化ホウ素材料を使用したチタン合金の機械加工に関する。
【背景技術】
【0002】
チタン合金は独自の組合せの材料特性を有し、一般的に航空宇宙、自動車、化学及び医療産業など、厳しい環境において使用される構成部品の第１の選択材料である。チタン合金の最も重要な６つの材料特性は、高強度重量比、耐食性、低熱膨張、低弾性係数、低熱伝導率、及び高温で高強度を維持する能力である。
しかし、このような特性はチタン合金を難削剤とし、高い製造コストに苦しむ製造業者にとっては問題である。急激なツールの摩耗、切削ツールの突発的故障又は塑性変形を回避するために、低生産率となる。
明白な例として低弾性係数は、びびりを引き起こすことが知られている。低熱伝導率及び高温で高強度を維持する能力により、切れ刃は高温となる。チタン合金の７つ目の不都合な特性は、ツール材料との強い化学反応性であり、高いツール温度と共に、切削ツールを急激に劣化させる。
チタン合金を機械加工するときに見られる主な摩耗形態は、クレータ摩耗、逃げ面／ノーズ摩耗、ノッチング、クラッキング、チッピング、塑性変形及び突発的故障である。クレータ形成は一般的に拡散又は溶出摩耗(dissolution wear)機構に起因し、これらの摩耗では滑らかな摩耗表面が観察される。更に、摩擦は高切削温度でのツール材料の軟化による逃げ面摩耗の発生と連動する。
ＰＣＢＮは高温で高硬度を維持することができるため、チタン合金を機械加工する上での評判が高まっている。しかし、ＰＣＢＮ材料は超硬合金工具と比較してコストが高い。費用効果を高くするため、これらはより高い生産性、例えば高切削速度及び高い切削率を示す必要がある。
これらの要望を満たすため、機械加工動作中のツール寿命を改善する特性を高めたＰＣＢＮ材料の必要性がある。
しかし、このような特性はチタン合金を難削剤とし、高い製造コストに苦しむ製造業者にとっては問題である。急激なツールの摩耗、切削ツールの突発的故障又は塑性変形を回避するために、低生産率となる。
明白な例として低弾性係数は、びびりを引き起こすことが知られている。低熱伝導率及び高温で高強度を維持する能力により、切れ刃は高温となる。チタン合金の７つ目の不都合な特性は、ツール材料との強い化学反応性であり、高いツール温度と共に、切削ツールを急激に劣化させる。
チタン合金を機械加工するときに見られる主な摩耗形態は、クレータ摩耗、逃げ面／ノーズ摩耗、ノッチング、クラッキング、チッピング、塑性変形及び突発的故障である。クレータ形成は一般的に拡散又は溶出摩耗(dissolution wear)機構に起因し、これらの摩耗では滑らかな摩耗表面が観察される。更に、摩擦は高切削温度でのツール材料の軟化による逃げ面摩耗の発生と連動する。
ＰＣＢＮは高温で高硬度を維持することができるため、チタン合金を機械加工する上での評判が高まっている。しかし、ＰＣＢＮ材料は超硬合金工具と比較してコストが高い。費用効果を高くするため、これらはより高い生産性、例えば高切削速度及び高い切削率を示す必要がある。
これらの要望を満たすため、機械加工動作中のツール寿命を改善する特性を高めたＰＣＢＮ材料の必要性がある。
【発明の概要】
【0003】
本発明の目的は、極端な条件下で良好に機能し、チタン合金を機械加工する実行可能な代替材料を開発することである。
【0004】
本発明の第１の態様によれば、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料であって、
－７０から９５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子と；
－ｃＢＮ微粒子が分散し、含有量がＰＣＢＮ材料の５体積％から３０体積％であるバインダマトリックス材料と；
を含み、
－バインダマトリックス材料が少なくとも５０体積％の金属成分を含み、
－金属成分がクロム又はその化合物をバインダマトリックス材料の１９から５０質量％の量で含む、
多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料を提供する。
第１の態様の好ましい及び／又は任意の特徴は、従属請求項２から１７に示す。
本発明の第２の態様によれば、チタン、その合金又は化合物を機械加工するときに使用する、本発明の第１の態様に従うＰＣＢＮ材料を含むツールを提供する。
本発明の第３の態様によれば、チタンを含む合金又は化合物を機械加工するときの、本発明の第２の態様に従うツールの使用を提供する。
第３の態様の好ましい及び／又は任意の特徴は、従属請求項２０又は２１に示す。
以下、例を通し、添付図を参照し、非限定的な実施形態を説明する。
－７０から９５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子と；
－ｃＢＮ微粒子が分散し、含有量がＰＣＢＮ材料の５体積％から３０体積％であるバインダマトリックス材料と；
を含み、
－バインダマトリックス材料が少なくとも５０体積％の金属成分を含み、
－金属成分がクロム又はその化合物をバインダマトリックス材料の１９から５０質量％の量で含む、
多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料を提供する。
第１の態様の好ましい及び／又は任意の特徴は、従属請求項２から１７に示す。
本発明の第２の態様によれば、チタン、その合金又は化合物を機械加工するときに使用する、本発明の第１の態様に従うＰＣＢＮ材料を含むツールを提供する。
本発明の第３の態様によれば、チタンを含む合金又は化合物を機械加工するときの、本発明の第２の態様に従うツールの使用を提供する。
第３の態様の好ましい及び／又は任意の特徴は、従属請求項２０又は２１に示す。
以下、例を通し、添付図を参照し、非限定的な実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【0005】
【発明を実施するための形態】
【0006】
図１を参照し、チタン合金を機械加工するためのツールモジュールを通常１０に示す。ツールモジュール１０は例えばミル又は旋盤上のツールアセンブリ（図示せず）に接続可能である。ツールモジュール１０は、細長いツールホルダ１２及び切削ツール１４の例を含み、ツール１４はツールホルダ１２の一端に取り外し可能に取り付けられる。ツール１４の上面１６は可動クランプ１８で適所に保持される。このクランプは典型的にスプリングバイアスで上面１６に作用する。
図２は切削ツール２０の第２の例を示す。典型的に機械加工ツールは、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）又は多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）などの多結晶材料で作られる。
図２は切削ツール２０の第２の例を示す。典型的に機械加工ツールは、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）又は多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）などの多結晶材料で作られる。
【0007】
図３は、本発明に従ってＰＣＢＮ材料を作製する工程例を示すフローチャートである。以下の数字は図３と一致する。
Ｓ１．マトリックス前駆体粉末を提供する。マトリックス前駆体粉末は金属成分、及び任意にセラミックス成分を含む。金属成分はチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）及び／又はクロム（Ｃｒ）を含む。チタンをチタン含有合金状で提供してよい。このような実施形態において、好ましくはチタン含有合金の５から１０質量％がチタンである。或いは、チタンを元素又は化合物状で提供してよい。マトリックス前駆体粉末に関する情報を以下に記載する。
任意に、マトリックス前駆体粉末は、セラミックス成分である二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）を含んでよい。
Ｓ２．マトリックス前駆体粉末を摩擦粉砕する。これは密な混合物を形成し、所望の微粒子径が得られる。
Ｓ３．粉砕したマトリックス前駆体微粒子にｃＢＮ微粒子を添加する。好ましくは、ｃＢＮ微粒子はサブミクロンから５μｍ、好ましくは２μｍ未満の平均径を有する。ＩＳＯ標準４４９９－２：２０１０によれば、「サブミクロン」は０．５から０．８μｍの径を有することが理解される。
Ｓ４．その後、粉砕したマトリックス前駆体微粒子及びｃＢＮ微粒子を混合する。好ましくは、高エネルギせん断プロセスを用いる。
Ｓ５．粉砕したマトリックス前駆体粉末を成形して、高圧高温（ＨＰＨＴ）カプセルに入れる前に金属封止でグリーン体を形成する。圧縮してグリーン体の密度を増加させ、焼結後の寸法変化が小さくなるのを回避する。
Ｓ６．炭化物体を成形したグリーン体に接触させて配置し、続いて基板を形成する。炭化物体のコバルト（Ｃｏ）含有量は５から１０質量％、好ましくは７から８質量％である。
工程Ｓ５及びＳ６は、どちらの順番に行ってもよい。
Ｓ７．次に、グリーン体を高温真空熱処理に付した後、ＨＰＨＴカプセルで焼結する。
２から６ＧＰａの圧力、１３００℃から１６００℃の温度で材料を焼結した。圧力は２から５ＧＰａでよく、或いは圧力は４から５．５ＧＰａである。
焼結温度はＳ型熱電対を使用して測定した。
Ｓ８．焼結後、結果として生じる焼結品を室温まで冷却する。冷却速度は制御しない。
焼結ＰＣＢＮ材料は、上記Ｓ１で使用するマトリックス前駆体材料に応じて、Ｃｒ、Ｔｉ、ＴｉＢ2及び／又はＶの量を増加させたバインダを特徴とする。
その後、焼結ＰＣＢＮ材料の様々なサンプルを適用試験のために採取した。これらのサンプルを参考（市販）のＰＣＢＮ材料に対して評価した。
Ｓ１．マトリックス前駆体粉末を提供する。マトリックス前駆体粉末は金属成分、及び任意にセラミックス成分を含む。金属成分はチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）及び／又はクロム（Ｃｒ）を含む。チタンをチタン含有合金状で提供してよい。このような実施形態において、好ましくはチタン含有合金の５から１０質量％がチタンである。或いは、チタンを元素又は化合物状で提供してよい。マトリックス前駆体粉末に関する情報を以下に記載する。
任意に、マトリックス前駆体粉末は、セラミックス成分である二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）を含んでよい。
Ｓ２．マトリックス前駆体粉末を摩擦粉砕する。これは密な混合物を形成し、所望の微粒子径が得られる。
Ｓ３．粉砕したマトリックス前駆体微粒子にｃＢＮ微粒子を添加する。好ましくは、ｃＢＮ微粒子はサブミクロンから５μｍ、好ましくは２μｍ未満の平均径を有する。ＩＳＯ標準４４９９－２：２０１０によれば、「サブミクロン」は０．５から０．８μｍの径を有することが理解される。
Ｓ４．その後、粉砕したマトリックス前駆体微粒子及びｃＢＮ微粒子を混合する。好ましくは、高エネルギせん断プロセスを用いる。
Ｓ５．粉砕したマトリックス前駆体粉末を成形して、高圧高温（ＨＰＨＴ）カプセルに入れる前に金属封止でグリーン体を形成する。圧縮してグリーン体の密度を増加させ、焼結後の寸法変化が小さくなるのを回避する。
Ｓ６．炭化物体を成形したグリーン体に接触させて配置し、続いて基板を形成する。炭化物体のコバルト（Ｃｏ）含有量は５から１０質量％、好ましくは７から８質量％である。
工程Ｓ５及びＳ６は、どちらの順番に行ってもよい。
Ｓ７．次に、グリーン体を高温真空熱処理に付した後、ＨＰＨＴカプセルで焼結する。
２から６ＧＰａの圧力、１３００℃から１６００℃の温度で材料を焼結した。圧力は２から５ＧＰａでよく、或いは圧力は４から５．５ＧＰａである。
焼結温度はＳ型熱電対を使用して測定した。
Ｓ８．焼結後、結果として生じる焼結品を室温まで冷却する。冷却速度は制御しない。
焼結ＰＣＢＮ材料は、上記Ｓ１で使用するマトリックス前駆体材料に応じて、Ｃｒ、Ｔｉ、ＴｉＢ2及び／又はＶの量を増加させたバインダを特徴とする。
その後、焼結ＰＣＢＮ材料の様々なサンプルを適用試験のために採取した。これらのサンプルを参考（市販）のＰＣＢＮ材料に対して評価した。
【0008】
適用試験
ＳＭＴ Ｓａｊｏ ５００ Ｓｗｅｄｔｕｒｎ ＣＮＣ旋盤を使用し、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖワークピース材料に７０ｋＷのモータ力、４０００ｒｐｍまでの主軸回転速度で縦方向の旋削を実施した。
仕上げ条件下で機械加工を実施した。切削パラメータを表１に示す。
表１
高圧局部冷却(high pressure directed cooling)（ＨＰＤＣ）システムは、８％油－水エマルジョンと共に切削ツールのすくい面に向けて９０バールの圧力でクーラントを供給した。ＨＰＤＣシステムを使用してツール寿命を長くし、チップ破損の問題を低減し、チップの発火を回避する。キスラーの９１２９Ａ型圧電３成分動力計を使用し、直交する切削力成分を機械加工中に得た。この動力計は、キスラー５０７０増幅器及びナショナルインスツルメンツ９２２３ＡＤＣを介してコンピュータに連結した。
ＳＭＴ Ｓａｊｏ ５００ Ｓｗｅｄｔｕｒｎ ＣＮＣ旋盤を使用し、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖワークピース材料に７０ｋＷのモータ力、４０００ｒｐｍまでの主軸回転速度で縦方向の旋削を実施した。
仕上げ条件下で機械加工を実施した。切削パラメータを表１に示す。
【表1】
表１
高圧局部冷却(high pressure directed cooling)（ＨＰＤＣ）システムは、８％油－水エマルジョンと共に切削ツールのすくい面に向けて９０バールの圧力でクーラントを供給した。ＨＰＤＣシステムを使用してツール寿命を長くし、チップ破損の問題を低減し、チップの発火を回避する。キスラーの９１２９Ａ型圧電３成分動力計を使用し、直交する切削力成分を機械加工中に得た。この動力計は、キスラー５０７０増幅器及びナショナルインスツルメンツ９２２３ＡＤＣを介してコンピュータに連結した。
【0009】
ワークピース材料の化学組成及び機械特性を表２及び表３に示す。
表２
表３
【表2】
表２
【表3】
表３
【0010】
ワークピース材料をミル焼鈍状態（ＨＲＣ３１）で供給し、その微細構造を図４に示す。
各切削ツールをＤＣＭＷ１１Ｔ３０４Ｆ－Ｌ１インサート形状で製造し、ＳＤＪＣＬ３２２５Ｐ１１ＪＥＴツールホルダに組み立て、主切れ刃角９３°、逃げ角７°、すくい傾斜角(rake and inclination angle)０°とした。ツールは鋭く、平均切れ刃半径ｒβ＝４μｍであった。
摩耗基準ＶＢ＝３００μｍに達するまで、逃げ面摩耗及び表面粗さを機械加工中連続して測定した。オリンパスＳＺＸ７光学実体顕微鏡を用いて測定を行った。次に、表面を９５％エタノールできれいにし、クーラントの残渣を除去した。表面粗さ値ＲaをＭａｒＳｕｒｆ ＰＳ１を用いてワークピースの表面で測定した。ツール寿命の終わりにアリコナのＩｎｆｉｎｉｔｅ Ｆｏｃｕｓ３Ｄ光学顕微鏡でクレータ摩耗を調査した。更に、摩耗した切削ツールをＴｅｓｃａｎ Ｍｉｒａ３ ＳＥＭで検査した。
表４の性質を有するＨＦ系エッチャントを使用して摩耗した切削ツール及びワークピース材料のエッチングを行った。切削ツールを混合物に３．５分間浸漬して付着したチタン合金を除去した。ワークピース材料の研磨したサンプルを２００μｌで２分間エッチングし、微細構造の画像化に使用した。摩耗したツールの３Ｄ測定及びＳＥＭ検査をエッチング後に繰り返した。
表４
デュアルビームＦＩＢ－ＳＥＭ，ＦＥＩ Ｎｏｖａ Ｎａｎｏｌａｂ６００を使用してリフトアウト手順によりエッチングしていない切削ツールの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）試料を調製した後、ラメラを電子透過まで薄くした。オックスフォードのＸＥＤＳ検出器を備えた日本電子の３０００Ｆ電界放出形透過電子顕微鏡を用いて、ＴＭ、ＸＥＤＳ及び制限視野電子回折（ＳＡＥＤ）分析を行った。
各切削ツールをＤＣＭＷ１１Ｔ３０４Ｆ－Ｌ１インサート形状で製造し、ＳＤＪＣＬ３２２５Ｐ１１ＪＥＴツールホルダに組み立て、主切れ刃角９３°、逃げ角７°、すくい傾斜角(rake and inclination angle)０°とした。ツールは鋭く、平均切れ刃半径ｒβ＝４μｍであった。
摩耗基準ＶＢ＝３００μｍに達するまで、逃げ面摩耗及び表面粗さを機械加工中連続して測定した。オリンパスＳＺＸ７光学実体顕微鏡を用いて測定を行った。次に、表面を９５％エタノールできれいにし、クーラントの残渣を除去した。表面粗さ値ＲaをＭａｒＳｕｒｆ ＰＳ１を用いてワークピースの表面で測定した。ツール寿命の終わりにアリコナのＩｎｆｉｎｉｔｅ Ｆｏｃｕｓ３Ｄ光学顕微鏡でクレータ摩耗を調査した。更に、摩耗した切削ツールをＴｅｓｃａｎ Ｍｉｒａ３ ＳＥＭで検査した。
表４の性質を有するＨＦ系エッチャントを使用して摩耗した切削ツール及びワークピース材料のエッチングを行った。切削ツールを混合物に３．５分間浸漬して付着したチタン合金を除去した。ワークピース材料の研磨したサンプルを２００μｌで２分間エッチングし、微細構造の画像化に使用した。摩耗したツールの３Ｄ測定及びＳＥＭ検査をエッチング後に繰り返した。
【表4】
表４
デュアルビームＦＩＢ－ＳＥＭ，ＦＥＩ Ｎｏｖａ Ｎａｎｏｌａｂ６００を使用してリフトアウト手順によりエッチングしていない切削ツールの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）試料を調製した後、ラメラを電子透過まで薄くした。オックスフォードのＸＥＤＳ検出器を備えた日本電子の３０００Ｆ電界放出形透過電子顕微鏡を用いて、ＴＭ、ＸＥＤＳ及び制限視野電子回折（ＳＡＥＤ）分析を行った。
【0011】
参考材料
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む参考（市販）のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。バインダ相の組成は下記表５に示す。
表５
参考のＰＣＢＮ材料の微細構造を図５に示す。
下記実施例はすべてＳ１からＳ７を参照して、上記工程後に作製した。
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む参考（市販）のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。バインダ相の組成は下記表５に示す。
【表5】
表５
参考のＰＣＢＮ材料の微細構造を図５に示す。
下記実施例はすべてＳ１からＳ７を参照して、上記工程後に作製した。
【0012】
実施例１
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例１のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例１のバインダ相は、参考のＰＣＢＮ材料（１０質量％未満のＣｒを有する）と類似しているが、２から５質量％のＴｉＢ2も含有する。
実施例２
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例２のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例２のバインダ相は、参考のＰＣＢＮ材料と類似しているが、Ｃｒ量を増加させた。Ｃｒはバインダマトリックス材料の１０質量％の量で存在した。
実施例３
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例３のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例３のバインダ相は、参考のＰＣＢＮ材料と類似しているが、Ｃｒ量を著しく増加させた。Ｃｒはバインダマトリックス材料の２０質量％の量で存在した。
実施例４
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例４のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例４のバインダ相は参考のＰＣＢＮ材料と類似しているが、Ｃｒ量を著しく増加させた。Ｃｒはバインダマトリックス材料の３０質量％の量で存在した。
実施例５
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例５のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例５のバインダ相は実施例２と類似しているが、ＴｉＢ2を添加した。ＴｉＢ2はバインダマトリックス材料の５質量％の量で存在した。
実施例６
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例６のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例６のバインダ相は実施例３と類似しているが、ＴｉＢ2を添加した。ＴｉＢ2はバインダマトリックス材料の５質量％の量で存在した。
実施例７
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例７のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例７のバインダ相は実施例４と類似しているが、ＴｉＢ2を添加した。ＴｉＢ2はバインダマトリックス材料の５質量％の量で存在した。
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例１のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例１のバインダ相は、参考のＰＣＢＮ材料（１０質量％未満のＣｒを有する）と類似しているが、２から５質量％のＴｉＢ2も含有する。
実施例２
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例２のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例２のバインダ相は、参考のＰＣＢＮ材料と類似しているが、Ｃｒ量を増加させた。Ｃｒはバインダマトリックス材料の１０質量％の量で存在した。
実施例３
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例３のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例３のバインダ相は、参考のＰＣＢＮ材料と類似しているが、Ｃｒ量を著しく増加させた。Ｃｒはバインダマトリックス材料の２０質量％の量で存在した。
実施例４
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例４のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例４のバインダ相は参考のＰＣＢＮ材料と類似しているが、Ｃｒ量を著しく増加させた。Ｃｒはバインダマトリックス材料の３０質量％の量で存在した。
実施例５
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例５のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例５のバインダ相は実施例２と類似しているが、ＴｉＢ2を添加した。ＴｉＢ2はバインダマトリックス材料の５質量％の量で存在した。
実施例６
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例６のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例６のバインダ相は実施例３と類似しているが、ＴｉＢ2を添加した。ＴｉＢ2はバインダマトリックス材料の５質量％の量で存在した。
実施例７
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例７のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例７のバインダ相は実施例４と類似しているが、ＴｉＢ2を添加した。ＴｉＢ2はバインダマトリックス材料の５質量％の量で存在した。
【0013】
実施例８
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例８のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例８のバインダ相は実施例２と類似しているが、Ｖを添加した。Ｖはバインダマトリックス材料の１７質量％の量で存在した。
実施例９
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例９のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例９のバインダ相は実施例２と類似しているが、Ｖを添加した。Ｖはバインダマトリックス材料の２５質量％の量で存在した。
実施例１０
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例１０のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例１０のバインダ相は実施例２と類似しているが、Ｖを添加した。Ｖはバインダマトリックス材料の３５質量％の量で存在した。
実施例１１
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例１１のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例１１のバインダ相は実施例５と類似しているが、Ｖを添加した。Ｖはバインダマトリックス材料の１７質量％の量で存在した。
実施例１２
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例１２のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例１２のバインダ相は実施例５と類似しているが、Ｖを添加した。Ｖはバインダマトリックス材料の２５質量％の量で存在した。
実施例１３
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例１３のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例１３のバインダ相は実施例５と類似しているが、Ｖを添加した。Ｖはバインダマトリックス材料の３５質量％の量で存在した。
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例８のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例８のバインダ相は実施例２と類似しているが、Ｖを添加した。Ｖはバインダマトリックス材料の１７質量％の量で存在した。
実施例９
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例９のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例９のバインダ相は実施例２と類似しているが、Ｖを添加した。Ｖはバインダマトリックス材料の２５質量％の量で存在した。
実施例１０
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例１０のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例１０のバインダ相は実施例２と類似しているが、Ｖを添加した。Ｖはバインダマトリックス材料の３５質量％の量で存在した。
実施例１１
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例１１のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例１１のバインダ相は実施例５と類似しているが、Ｖを添加した。Ｖはバインダマトリックス材料の１７質量％の量で存在した。
実施例１２
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例１２のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例１２のバインダ相は実施例５と類似しているが、Ｖを添加した。Ｖはバインダマトリックス材料の２５質量％の量で存在した。
実施例１３
８５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子及び１５体積％のバインダを含む実施例１３のＰＣＢＮ材料を使用して適用試験を実施した。実施例１３のバインダ相は実施例５と類似しているが、Ｖを添加した。Ｖはバインダマトリックス材料の３５質量％の量で存在した。
【0014】
更なる実施例
追加の実施例の組成を以下の表６に示す。各サンプルには＜５質量％のＡｌ、＜５質量％のＦｅ、＜１質量％のＴｉ、＜２０質量％のＣｏ、＜６０質量％のＮｉ、＜１質量のＣｕ、＜５質量％のＮｂ、＜２０質量％のＭｏ、＜２０質量％のＷが含まれた。表６に挙げる成分に加えてこれらの成分が含まれる。
表６
追加の実施例の組成を以下の表６に示す。各サンプルには＜５質量％のＡｌ、＜５質量％のＦｅ、＜１質量％のＴｉ、＜２０質量％のＣｏ、＜６０質量％のＮｉ、＜１質量のＣｕ、＜５質量％のＮｂ、＜２０質量％のＭｏ、＜２０質量％のＷが含まれた。表６に挙げる成分に加えてこれらの成分が含まれる。
【表6】
表６
【0015】
結果
性能及び挙動
表７は参考のＰＣＢＮ材料を機械加工する間に到達するツール寿命、連結距離、材料除去率（ＭＭＲ）及び最大表面粗さ（Ｒａ）を示す。異なる２つの切削速度で試験を行ったため、ｃ及びｄの２つのケースを実施した。
表７
切削速度３００ｍ／分（ケースｃ）で機械加工すると、３５０ｍ／分（ケースｄ）と比較して、ＰＣＢＮツール寿命はほぼ２倍であった。同様に、生じた表面粗さをツール寿命基準として用いると、やはり切削速度が低い（ケースｃ）ほど好ましい。
図６及び７（同じスケール）は、摩耗基準に達したか、超えた場合のケースｃ）及びｄ）の逃げ面摩耗の光学画像を示す。参考のＰＣＢＮ材料を用いてＶｃ＝３５０ｍ／分で機械加工すると、エッジのチッピング及び摩耗ランド(wear land)に沿った破壊によるツールの破損が起こった。
性能及び挙動
表７は参考のＰＣＢＮ材料を機械加工する間に到達するツール寿命、連結距離、材料除去率（ＭＭＲ）及び最大表面粗さ（Ｒａ）を示す。異なる２つの切削速度で試験を行ったため、ｃ及びｄの２つのケースを実施した。
【表7】
表７
切削速度３００ｍ／分（ケースｃ）で機械加工すると、３５０ｍ／分（ケースｄ）と比較して、ＰＣＢＮツール寿命はほぼ２倍であった。同様に、生じた表面粗さをツール寿命基準として用いると、やはり切削速度が低い（ケースｃ）ほど好ましい。
図６及び７（同じスケール）は、摩耗基準に達したか、超えた場合のケースｃ）及びｄ）の逃げ面摩耗の光学画像を示す。参考のＰＣＢＮ材料を用いてＶｃ＝３５０ｍ／分で機械加工すると、エッジのチッピング及び摩耗ランド(wear land)に沿った破壊によるツールの破損が起こった。
【0016】
摩耗形態
図８は、未摩耗状態である参考のＰＣＢＮツールを機械加工するときの切削力の値を示す。切削速度はどちらのケースでも切削力への影響がごくわずかであることがわかる。プロセス温度及び材料軟化が漸近値にほぼ等しく、すでに高いレベルにあることによる可能性が最も高い。
図９は、エッジのチッピングが起こり、クレータ摩耗が開始した後、ＰＣＢＮの逃げ面摩耗がより速く増加することを示す。
図１０は、機械加工中の平均切削力の展開を示す。送り力及びパッシブ力は、特にクレータ摩耗の開始後に増加して主切削力より大きくなる。これは、ツールの面取りによる負のすくい角の形成に関する可能性が最も高いと考えられる。従って、パッシブ切削力が他の力に対して、最も増加する。参考のＰＣＢＮ材料を用いると、平均パッシブ力は初期値から９倍増加した。
図１１は、摩耗した参考のＰＣＢＮ材料のＳＥＭ画像を示し、チップフローには矢印で印を付ける。付着したワークピース材料は接触領域のほぼ全体を覆い、エッジのチッピング又は破壊(facture)等の他の種類のツール損傷を隠す場合がある。付着した層の厚みをクレータ内で測定することはできないが、図１２は、逃げ面側の最大厚みが約２０μｍであることを示す。
図１３に見られる過剰な付着のため、摩耗したＰＣＢＮの逃げ面の分析から得られる情報は限られる。周囲圧力条件下、露出したＰＣＢＮのほんのわずかな小さな点がエッジ線付近に見える。
ツールのエッジにおいてＴｉ６Ａｌ４Ｖの程度が多いため、参考のＰＣＢＮツールのエッチングを行い、図１４に示す実際のツールの摩耗形態を明らかにした。明らかなエッジのチッピング（図１４ａ）及び逃げ面摩耗ランドにおける亀裂が起こった（図１４ｂ）。摩耗したツールの更なる分析は、エッジ線付近のすくい面上にマイクロクラックの存在を明らかにしており（図１４ｃ）、エッジのチッピングを引き起こす可能性が高い。摩耗表面のクローズアップ分析では、高いバインダ含有量にも関わらず、バインダ位置においてマイクロクレータの形成が観察されないことも示され、従って機械加工条件下でＰＣＢＮバインダが液化しないことを示唆する。
図８は、未摩耗状態である参考のＰＣＢＮツールを機械加工するときの切削力の値を示す。切削速度はどちらのケースでも切削力への影響がごくわずかであることがわかる。プロセス温度及び材料軟化が漸近値にほぼ等しく、すでに高いレベルにあることによる可能性が最も高い。
図９は、エッジのチッピングが起こり、クレータ摩耗が開始した後、ＰＣＢＮの逃げ面摩耗がより速く増加することを示す。
図１０は、機械加工中の平均切削力の展開を示す。送り力及びパッシブ力は、特にクレータ摩耗の開始後に増加して主切削力より大きくなる。これは、ツールの面取りによる負のすくい角の形成に関する可能性が最も高いと考えられる。従って、パッシブ切削力が他の力に対して、最も増加する。参考のＰＣＢＮ材料を用いると、平均パッシブ力は初期値から９倍増加した。
図１１は、摩耗した参考のＰＣＢＮ材料のＳＥＭ画像を示し、チップフローには矢印で印を付ける。付着したワークピース材料は接触領域のほぼ全体を覆い、エッジのチッピング又は破壊(facture)等の他の種類のツール損傷を隠す場合がある。付着した層の厚みをクレータ内で測定することはできないが、図１２は、逃げ面側の最大厚みが約２０μｍであることを示す。
図１３に見られる過剰な付着のため、摩耗したＰＣＢＮの逃げ面の分析から得られる情報は限られる。周囲圧力条件下、露出したＰＣＢＮのほんのわずかな小さな点がエッジ線付近に見える。
ツールのエッジにおいてＴｉ６Ａｌ４Ｖの程度が多いため、参考のＰＣＢＮツールのエッチングを行い、図１４に示す実際のツールの摩耗形態を明らかにした。明らかなエッジのチッピング（図１４ａ）及び逃げ面摩耗ランドにおける亀裂が起こった（図１４ｂ）。摩耗したツールの更なる分析は、エッジ線付近のすくい面上にマイクロクラックの存在を明らかにしており（図１４ｃ）、エッジのチッピングを引き起こす可能性が高い。摩耗表面のクローズアップ分析では、高いバインダ含有量にも関わらず、バインダ位置においてマイクロクレータの形成が観察されないことも示され、従って機械加工条件下でＰＣＢＮバインダが液化しないことを示唆する。
【0017】
摩耗機構
クレータ形成、逃げ面摩耗、亀裂及びエッジのチッピングは、ＰＣＢＮツールにおける主な摩耗形態である。クレータ形成に関する摩耗機構は拡散であることが示唆され、ＳＴＥＭ、ＸＥＤＳ及び電子線回折研究を実施した。ＦＩＢライフアウト(FIB-life out)手順により、クレータからＴＥＭラメラを抽出した。その位置を図１３ａ）に示す。なお、ラメラはツールのエッチング前に抽出した。ラメラを電子透過まで薄くし図１５に示す。図１５は付着したワークピース材料、多数のｃＢＮ粒子及びバインダ相を示している。強調したｃＢＮ－Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ界面を含む１つのゾーン（ゾーン１）、及びバインダ－Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ界面を含む別のゾーン（ゾーン２）の２つの詳細な分析を行った。
ゾーン１のＸＥＤＳ分析を図１６に示す。チタン及びバナジウム信号はホウ素信号とわずかに重なっていることが分かり（図１６ａ－１６ｂ）、化学反応生成物の形成又はホウ素の外方拡散を潜在的に示す。チタン（バナジウムも）及び窒素信号（図１６ｃ）は重ならないが、実質的に界面に直接接触している。この状況はアルミニウム（図１６ｄ）の場合では異なり、４０から５０ｎｍのギャップがアルミニウム及び窒素信号間に形成される。このようなギャップは、アルミニウムを含まない反応生成物の形成、又はバナジウムにより安定化され、アルミニウムを含まないβチタンの存在を示す場合がある。αチタンがホウ素及び窒素により安定化されるため、後者は除外することができる。
ゾーン１における界面を横断するＸＥＤＳラインスキャン（図１７）は、各すべての信号の直線的減少を示し、ＴＥＭサンプルにおける界面の傾きを示す。しかし、窒素信号は明確な段階を有し（図１７の矩形破線を参照）、反応生成物の存在を潜在的に示す。
アルミニウム信号が他の元素を基準としてシフトしていることがデータでも確認され、相互作用に参加していないことを示す。界面領域における強いホウ素信号がより一層明確であり、ホウ化物の適当な形成が示唆される。ホウ素は界面を出て、約１００ｎｍ離れたワークピース材料まで及ぶことも見られるため、ｃＢＮの実際の摩耗機構としてホウ素及び窒素の拡散溶解が確認される。
クレータ形成、逃げ面摩耗、亀裂及びエッジのチッピングは、ＰＣＢＮツールにおける主な摩耗形態である。クレータ形成に関する摩耗機構は拡散であることが示唆され、ＳＴＥＭ、ＸＥＤＳ及び電子線回折研究を実施した。ＦＩＢライフアウト(FIB-life out)手順により、クレータからＴＥＭラメラを抽出した。その位置を図１３ａ）に示す。なお、ラメラはツールのエッチング前に抽出した。ラメラを電子透過まで薄くし図１５に示す。図１５は付着したワークピース材料、多数のｃＢＮ粒子及びバインダ相を示している。強調したｃＢＮ－Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ界面を含む１つのゾーン（ゾーン１）、及びバインダ－Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ界面を含む別のゾーン（ゾーン２）の２つの詳細な分析を行った。
ゾーン１のＸＥＤＳ分析を図１６に示す。チタン及びバナジウム信号はホウ素信号とわずかに重なっていることが分かり（図１６ａ－１６ｂ）、化学反応生成物の形成又はホウ素の外方拡散を潜在的に示す。チタン（バナジウムも）及び窒素信号（図１６ｃ）は重ならないが、実質的に界面に直接接触している。この状況はアルミニウム（図１６ｄ）の場合では異なり、４０から５０ｎｍのギャップがアルミニウム及び窒素信号間に形成される。このようなギャップは、アルミニウムを含まない反応生成物の形成、又はバナジウムにより安定化され、アルミニウムを含まないβチタンの存在を示す場合がある。αチタンがホウ素及び窒素により安定化されるため、後者は除外することができる。
ゾーン１における界面を横断するＸＥＤＳラインスキャン（図１７）は、各すべての信号の直線的減少を示し、ＴＥＭサンプルにおける界面の傾きを示す。しかし、窒素信号は明確な段階を有し（図１７の矩形破線を参照）、反応生成物の存在を潜在的に示す。
アルミニウム信号が他の元素を基準としてシフトしていることがデータでも確認され、相互作用に参加していないことを示す。界面領域における強いホウ素信号がより一層明確であり、ホウ化物の適当な形成が示唆される。ホウ素は界面を出て、約１００ｎｍ離れたワークピース材料まで及ぶことも見られるため、ｃＢＮの実際の摩耗機構としてホウ素及び窒素の拡散溶解が確認される。
【0018】
最小絞り１２０ｎｍを用いて実施した制限視野回折（ＳＡＥＤ）は、ＨＣＰαチタン、立方晶窒化ホウ素の存在を示す（図１８ａ）が、二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）に相当する空間群１９１を有する（囲まれた）相の弱い反射信号も示す。ＸＥＤＳ及びＳＡＥＤデータを組み合わせると、チタン及びバナジウムのホウ化物の固溶体である（Ｔｉ，Ｖ）Ｂ2の形成を結論づけることができる。図１８ｂは、（Ｔｉ，Ｖ）Ｂ2、ｃＢＮ及びα－Ｔｉの各相からの複数の反射を含む手段として、最小回折面（対物）絞りで撮影した５枚の暗視野ＴＥＭ画像を重ねた画像を示す。ホウ化物反応生成物はナノメータサイズであり（３０～５０ｎｍ）、界面上に直接位置し、ｃＢＮ表面に連続膜を作製することがわかる。従って、機械加工プロセス中に原位置で形成されるこれらの反応生成物は、付着したＴｉ６Ａｌ４ＶへのｃＢＮの拡散溶解を妨害する拡散障壁として作用する。更なるＴＥＭラメラのＦＩＢによる薄層化により、図１７の矩形破線として示される界面の傾きの影響を回避した。ナノビーム回折データにより窒化物の反応生成物がないことを確認したため、（Ｔｉ，Ｖ）Ｂ2が化学相互作用の唯一の生成物であることを示している。
バインダも存在する相互作用域を調査するため、ゾーン２のＸＥＤＳも図１９に示すように実施した。Ｔｉ及びＶの侵入は、ｃＢＮ界面レベルよりも深いバインダ領域で起こることがわかる。これは、バインダの溶出率がｃＢＮよりも高いことを示す。特に、約１００ｎｍのバインダプールはニッケルを欠いており、一方クロムは安定しており、ＸＥＤＳデータはＴｉ及びＶとの重なりを示す。この重なり領域内にアルミニウム信号が無ければ、図１６に示すような類似の機構を示し、Ｔｉ、Ｖ及びＣｒの混合ホウ化物が形成されることを意味する。
更に薄層化されたラメラのゾーン２の一側で実施したＸＥＤＳマッピング及びラインスキャン（図２０）は、Ｃｒが元々のバインダプール内に留まるだけでなく、隣接するｃＢＮ－Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ界面に沿って広がり、Ｔｉ及びＶとの固溶体を作製することを示す。従って、（Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ）Ｂ2の形成が確認される。
これは、クロム系バインダが拡散侵食に良好に耐えることができ、ＰＣＢＮツールに対する保護の作製及び安定化に寄与することを示す。ゾーン１及びゾーン２のデータ（図１５）は、反応生成物の連続保護層がｃＢＮ及びバインダ界面を含むｐｃＢＮツール表面に形成されることを示す。
バインダも存在する相互作用域を調査するため、ゾーン２のＸＥＤＳも図１９に示すように実施した。Ｔｉ及びＶの侵入は、ｃＢＮ界面レベルよりも深いバインダ領域で起こることがわかる。これは、バインダの溶出率がｃＢＮよりも高いことを示す。特に、約１００ｎｍのバインダプールはニッケルを欠いており、一方クロムは安定しており、ＸＥＤＳデータはＴｉ及びＶとの重なりを示す。この重なり領域内にアルミニウム信号が無ければ、図１６に示すような類似の機構を示し、Ｔｉ、Ｖ及びＣｒの混合ホウ化物が形成されることを意味する。
更に薄層化されたラメラのゾーン２の一側で実施したＸＥＤＳマッピング及びラインスキャン（図２０）は、Ｃｒが元々のバインダプール内に留まるだけでなく、隣接するｃＢＮ－Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ界面に沿って広がり、Ｔｉ及びＶとの固溶体を作製することを示す。従って、（Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ）Ｂ2の形成が確認される。
これは、クロム系バインダが拡散侵食に良好に耐えることができ、ＰＣＢＮツールに対する保護の作製及び安定化に寄与することを示す。ゾーン１及びゾーン２のデータ（図１５）は、反応生成物の連続保護層がｃＢＮ及びバインダ界面を含むｐｃＢＮツール表面に形成されることを示す。
【0019】
実施例１－３３
参考のＰＣＢＮ製品を分析して得た知識を利用するため、連続保護層を制御、強化するように、実施例１から３３の材料を調製した。
反応生成物から形成される連続保護層の効果を増強するために、表６に示す添加剤は焼結前にマトリックス前駆体粉末に含まれた。
ＴＥＭ、ＺＥＤＳ及びナノビーム回折研究は、（Ｔｉ，Ｖ）Ｂ2保護層がｃＢＮ－Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ界面上に形成されること、（Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ）Ｂ2保護層がバインダ領域に形成されることを示している。実施例１～３３はすべて、試験で摩耗性能の改善を示した。
実施形態を参照して本発明を具体的に示し、説明してきたが、当業者は添付の特許請求の範囲で定められる本発明の範囲を逸脱することなく、形状や細部の様々な変更を行うことができることを理解するであろう。
参考のＰＣＢＮ製品を分析して得た知識を利用するため、連続保護層を制御、強化するように、実施例１から３３の材料を調製した。
反応生成物から形成される連続保護層の効果を増強するために、表６に示す添加剤は焼結前にマトリックス前駆体粉末に含まれた。
ＴＥＭ、ＺＥＤＳ及びナノビーム回折研究は、（Ｔｉ，Ｖ）Ｂ2保護層がｃＢＮ－Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ界面上に形成されること、（Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ）Ｂ2保護層がバインダ領域に形成されることを示している。実施例１～３３はすべて、試験で摩耗性能の改善を示した。
実施形態を参照して本発明を具体的に示し、説明してきたが、当業者は添付の特許請求の範囲で定められる本発明の範囲を逸脱することなく、形状や細部の様々な変更を行うことができることを理解するであろう。
【0020】
定義
本明細書で使用するとき、「ＰＣＢＮ」材料はある種の超硬度材料を指し、ｃＢＮ粒子が金属又はセラミックスを含むマトリックス内に分散している。ＰＣＢＮは超硬度材料の一例である。
本明細書で使用するとき、「マトリックス材料」は、多結晶構造内の孔、隙間又は格子間領域を全体的に又は部分的に満たすマトリックス材料を意味することが理解される。
「マトリックス前駆体粉末」という用語は、高圧高温焼結プロセスに付されると、マトリックス材料となる粉末を指すのに使用される。
特許請求の範囲は平均微粒子径を参照する。これは円相当径（ＥＣＤ）技術を用いて測定される。複数の遊離、未結合、及び非凝集粒子のＥＣＤ分布は、レーザー回折により測定することができ、粒子は入射光路に不規則に配置され、粒子による光の回折から生じる回折パターンが測定される。複数の球状粒子により生成されているかのように、回折パターンを数学的に解釈してよい。球状粒子の径分布はＥＣＤ換算で計算、報告される。粒径分布の態様は、様々な統計的特性の観点から、様々な用語及び記号を用いて表してよい。このような用語の特定の例としては、平均、中央及び並数が挙げられる。径分布は、一連の各径のチャネルに相当する一組の値Ｄｉであると考えることができる。各Ｄｉはそれぞれのチャネルｉに相当する幾何学的平均ＥＣＤ値であり、ｉは１から使用するチャネル数ｎの整数である。
次に、本発明の好ましい態様を示す。
１． 多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料であって、
－７０から９５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子と；
－前記ｃＢＮ微粒子が分散し、含有量が前記ＰＣＢＮ材料の５体積％から３０体積％であるバインダマトリックス材料と；
を含み、
－前記バインダマトリックス材料が少なくとも５０体積％の金属成分を含み、
－前記金属成分がクロム又はその化合物を前記バインダマトリックス材料の１９から５０質量％の量で含む、
多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料。
２． Ｃｒが前記バインダマトリックス材料の１５から４０質量％又は１５から３０質量％の量で存在する、上記１に記載のＰＣＢＮ材料。
３． Ｃｒが前記バインダマトリックス材料の１５から２０質量％の量で存在する、上記２又は３に記載のＰＣＢＮ材料。
４． Ｃｒが前記バインダマトリックス材料の２０から３０質量％の量で存在する、上記２又は３に記載のＰＣＢＮ材料。
５． Ｃｒが前記バインダマトリックス材料の３０から４０質量％の量で存在する、上記２又は３に記載のＰＣＢＮ材料。
６． セラミックス成分を更に含み、前記セラミックス成分が二ホウ化チタン（ＴｉＢ 2 ）を含む、上記１から５のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
７． 前記ＴｉＢ 2 が前記バインダマトリックス材料の２から１０質量％の量で存在する、上記６に記載のＰＣＢＮ材料。
８． 前記ＴｉＢ 2 が前記バインダマトリックス材料の２から５質量％の量で存在する、上記７に記載のＰＣＢＮ材料。
９． ７５から９２体積％のｃＢＮ微粒子を含む、上記１から８のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
１０． ８０から９３体積％のｃＢＮ微粒子を含む、上記１から８のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
１１． 前記金属成分がバナジウム（Ｖ）を更に含む、上記１から１０のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
１２． Ｖが前記バインダマトリックス材料の１５から５０質量％の量で存在する、上記１１に記載のＰＣＢＮ材料。
１３． Ｖが前記バインダマトリックス材料の１５から２０質量％の量で存在する、上記１２に記載のＰＣＢＮ材料。
１４． Ｖが前記バインダマトリックス材料の２０から３０質量％の量で存在する、上記１２に記載のＰＣＢＮ材料。
１５． Ｖが前記バインダマトリックス材料の３０から４０質量％の量で存在する、上記１２に記載のＰＣＢＮ材料。
１６． 前記バインダマトリックス材料がアルミニウム又はその化合物、及び／或いはチタン又はその化合物を更に含む、上記１から１５のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
１７． アルミニウム（Ａｌ）又はその化合物が前記バインダマトリックス材料の２から１５体積％、好ましくは５から１５体積％、より好ましくは５体積％の量で存在する、上記１６に記載のＰＣＢＮ材料。
１８． チタン、その合金又は化合物を機械加工するときに使用するための、上記１から１７のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料を含むツール。
１９． チタンを含む合金又は化合物の機械加工における上記１８に記載のツールの使用。
２０． チタンを含む前記合金又は化合物がＴｉ６Ａｌ４Ｖである、上記１９に記載のツールの使用。
２１． 前記ツールの切削速度（Ｖ c ）が１５０から３００ｍ／分である、上記１９又は２０に記載のツールの使用。
本明細書で使用するとき、「ＰＣＢＮ」材料はある種の超硬度材料を指し、ｃＢＮ粒子が金属又はセラミックスを含むマトリックス内に分散している。ＰＣＢＮは超硬度材料の一例である。
本明細書で使用するとき、「マトリックス材料」は、多結晶構造内の孔、隙間又は格子間領域を全体的に又は部分的に満たすマトリックス材料を意味することが理解される。
「マトリックス前駆体粉末」という用語は、高圧高温焼結プロセスに付されると、マトリックス材料となる粉末を指すのに使用される。
特許請求の範囲は平均微粒子径を参照する。これは円相当径（ＥＣＤ）技術を用いて測定される。複数の遊離、未結合、及び非凝集粒子のＥＣＤ分布は、レーザー回折により測定することができ、粒子は入射光路に不規則に配置され、粒子による光の回折から生じる回折パターンが測定される。複数の球状粒子により生成されているかのように、回折パターンを数学的に解釈してよい。球状粒子の径分布はＥＣＤ換算で計算、報告される。粒径分布の態様は、様々な統計的特性の観点から、様々な用語及び記号を用いて表してよい。このような用語の特定の例としては、平均、中央及び並数が挙げられる。径分布は、一連の各径のチャネルに相当する一組の値Ｄｉであると考えることができる。各Ｄｉはそれぞれのチャネルｉに相当する幾何学的平均ＥＣＤ値であり、ｉは１から使用するチャネル数ｎの整数である。
次に、本発明の好ましい態様を示す。
１． 多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料であって、
－７０から９５体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子と；
－前記ｃＢＮ微粒子が分散し、含有量が前記ＰＣＢＮ材料の５体積％から３０体積％であるバインダマトリックス材料と；
を含み、
－前記バインダマトリックス材料が少なくとも５０体積％の金属成分を含み、
－前記金属成分がクロム又はその化合物を前記バインダマトリックス材料の１９から５０質量％の量で含む、
多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料。
２． Ｃｒが前記バインダマトリックス材料の１５から４０質量％又は１５から３０質量％の量で存在する、上記１に記載のＰＣＢＮ材料。
３． Ｃｒが前記バインダマトリックス材料の１５から２０質量％の量で存在する、上記２又は３に記載のＰＣＢＮ材料。
４． Ｃｒが前記バインダマトリックス材料の２０から３０質量％の量で存在する、上記２又は３に記載のＰＣＢＮ材料。
５． Ｃｒが前記バインダマトリックス材料の３０から４０質量％の量で存在する、上記２又は３に記載のＰＣＢＮ材料。
６． セラミックス成分を更に含み、前記セラミックス成分が二ホウ化チタン（ＴｉＢ 2 ）を含む、上記１から５のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
７． 前記ＴｉＢ 2 が前記バインダマトリックス材料の２から１０質量％の量で存在する、上記６に記載のＰＣＢＮ材料。
８． 前記ＴｉＢ 2 が前記バインダマトリックス材料の２から５質量％の量で存在する、上記７に記載のＰＣＢＮ材料。
９． ７５から９２体積％のｃＢＮ微粒子を含む、上記１から８のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
１０． ８０から９３体積％のｃＢＮ微粒子を含む、上記１から８のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
１１． 前記金属成分がバナジウム（Ｖ）を更に含む、上記１から１０のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
１２． Ｖが前記バインダマトリックス材料の１５から５０質量％の量で存在する、上記１１に記載のＰＣＢＮ材料。
１３． Ｖが前記バインダマトリックス材料の１５から２０質量％の量で存在する、上記１２に記載のＰＣＢＮ材料。
１４． Ｖが前記バインダマトリックス材料の２０から３０質量％の量で存在する、上記１２に記載のＰＣＢＮ材料。
１５． Ｖが前記バインダマトリックス材料の３０から４０質量％の量で存在する、上記１２に記載のＰＣＢＮ材料。
１６． 前記バインダマトリックス材料がアルミニウム又はその化合物、及び／或いはチタン又はその化合物を更に含む、上記１から１５のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
１７． アルミニウム（Ａｌ）又はその化合物が前記バインダマトリックス材料の２から１５体積％、好ましくは５から１５体積％、より好ましくは５体積％の量で存在する、上記１６に記載のＰＣＢＮ材料。
１８． チタン、その合金又は化合物を機械加工するときに使用するための、上記１から１７のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料を含むツール。
１９． チタンを含む合金又は化合物の機械加工における上記１８に記載のツールの使用。
２０． チタンを含む前記合金又は化合物がＴｉ６Ａｌ４Ｖである、上記１９に記載のツールの使用。
２１． 前記ツールの切削速度（Ｖ c ）が１５０から３００ｍ／分である、上記１９又は２０に記載のツールの使用。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
