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▶ エレメント シックス （ユーケイ） リミテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-11-16
(54)【発明の名称】焼結多結晶立方晶窒化ホウ素材料
(51)【国際特許分類】
C04B 35/5831 20060101AFI20221109BHJP
C22C 29/16 20060101ALI20221109BHJP
B22F 1/00 20220101ALI20221109BHJP
C22C 1/05 20060101ALI20221109BHJP
B22F 9/02 20060101ALI20221109BHJP
B22F 9/04 20060101ALI20221109BHJP
B22F 3/15 20060101ALI20221109BHJP
B24D 3/00 20060101ALI20221109BHJP
B23B 27/14 20060101ALI20221109BHJP
B23B 27/20 20060101ALI20221109BHJP
【ＦＩ】
C04B35/5831
C22C29/16 A
B22F1/00 N
B22F1/00 R
C22C1/05 M
B22F9/02 A
B22F9/04 C
B22F3/15 M
B24D3/00 320B
B23B27/14 B
B23B27/20
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022516085
(86)(22)【出願日】2020-09-10
(85)【翻訳文提出日】2022-03-11
(86)【国際出願番号】 EP2020075303
(87)【国際公開番号】W WO2021048265
(87)【国際公開日】2021-03-18
(31)【優先権主張番号】1913252.1
(32)【優先日】2019-09-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【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
(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】キャン アントワネット
(72)【発明者】
【氏名】チャン シャオシュエ
(72)【発明者】
【氏名】ブシュリャ ウォロディミル
(72)【発明者】
【氏名】スリプチェンコ カテリーナ
(72)【発明者】
【氏名】ストラティチュク デニス
(72)【発明者】
【氏名】オシポフ アレクサンダー
(72)【発明者】
【氏名】ペトルーシャ イーゴリ
(72)【発明者】
【氏名】トゥルケヴィチ ウラジーミル
【テーマコード（参考）】
3C046
3C063
4K017
4K018
【Ｆターム（参考）】
3C046FF35
3C046FF38
3C046FF40
3C046FF42
3C046FF43
3C046FF51
3C046FF57
3C046HH06
3C063AA02
3C063BB02
3C063BC02
3C063BD01
4K017AA04
4K017AA06
4K017BA10
4K017BB01
4K017BB09
4K017DA06
4K017EA03
4K018AB04
4K018AD14
4K018BA03
4K018BA08
4K018BA20
4K018CA23
4K018EA11
4K018KA14
(57)【要約】
本開示は、窒化ジルコニウム及び／又は窒化バナジウム析出物又は粒を含む金属マトリックス中にｃＢＮ粒子を含む多結晶立方晶窒化ホウ素材料に関する。
【選択図】図４
【選択図】図４
【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、３０～９０体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子、
内部に前記ｃＢＮ粒子が分散したマトリックス材料であって、前記マトリックス材料の含量が、前記ＰＣＢＮ材料の１０体積％～７０体積％である、マトリックス材料、を含み、
前記マトリックス材料が、チタン化合物及びアルミニウム化合物のいずれか、又はこれらの混合物を含み、
前記マトリックス材料が、ジルコニウム及び／又はバナジウム、及び任意選択で、タングステン及び／又はチタンを含む析出物及び／又は粒を更に含み、
前記析出物及び／又は粒が、実質的に球状、血小板様又は針状のいずれかである形状を有し、
前記析出物及び／又は粒が、１μｍ以下の平均最大長さ寸法を有する、ＰＣＢＮ材料。
【請求項2】
前記析出物及び／又は粒が、窒化物、炭化物、炭窒化物及び／又は二ホウ化物を含む、請求項１に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項3】
ジルコニウム含有析出物及び／又は粒、及び／又はバナジウム含有析出物及び／又は粒が、前記ＰＣＢＮ材料の１０体積％～２５体積％で含まれる、請求項１又は２に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項4】
ジルコニウム含有析出物及び／又は粒、及び／又はバナジウム含有析出物及び／又は粒が、前記ＰＣＢＮ材料の１０体積％、又は１７．５体積％、又は２５体積％で含まれる、請求項１、２又は３に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項5】
ジルコニウム含有析出物及び／又は粒、及び／又はバナジウム含有析出物及び／又は粒が、０．５０μｍ以下の平均最大長さ寸法を有する、請求項１～４のいずれか１項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項6】
ジルコニウム含有析出物及び／又は粒、及び／又はバナジウム含有析出物及び／又は粒が、０．２０μｍ以下の平均最大長さ寸法を有する、請求項１～５のいずれか１項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項7】
前記マトリックス材料が、炭窒化チタン、炭化チタン、窒化チタン、二ホウ化チタン、窒化アルミニウム及び酸化アルミニウムのいずれかを含む、請求項１～６のいずれ１項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項8】
１０体積％～２５体積％の炭化チタン（ＴｉＣ）又は窒化チタン（ＴｉＮ）を含む、請求項７に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項9】
５体積％のアルミニウム（Ａｌ）、又はその化合物を更に含む、請求項１～８のいずれ１項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項10】
６０体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）を含む、請求項１～９のいずれ１項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項11】
前記ｃＢＮ粒子が、０．５μｍ～１５μｍの平均サイズを有する、請求項１～１０のいずれ１項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項12】
前記ＰＣＢＮ材料が、２６ＧＰａ～３４ＧＰａのビッカース微小硬度を有する、請求項１～１１のいずれ１項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項13】
多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料の製造方法であって、下記の前駆粉末を一緒に粉砕するステップ：
立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、
バナジウム含有粉末及び／又はジルコニウム含有粉末、及び
アルミニウム及びチタンのいずれかを含む粉末；
前記粉砕した前駆粉末を圧縮して、圧粉体を形成するステップ；
１８００℃～２３００℃の温度と７．０ＧＰａ～８．５ＧＰａの圧力で前記圧粉体を焼結し、焼結ＰＣＢＮ材料を形成するステップ、を含み、
前記ＰＣＢＮ材料が、ジルコニウム及び／又はバナジウム、及び任意選択でタングステン及び／又はチタン含有析出物及び／又は粒を含むマトリックス材料中に分散した立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の粒子を含み、前記析出物及び／又は粒が１μｍ以下の平均最大長さ寸法を有する、方法。
【請求項14】
前記温度が、１８００℃～１９００℃である、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記前駆粉末を一緒に粉砕するステップが、下記の２つのサブステップを含む、請求項１３又は１４に記載のＰＣＢＮ材料の製造方法：前記バナジウム含有粉末及び／又は前記ジルコニウム含有粉末を一定期間にわたり粉砕するステップ、
前記立方晶窒化ホウ素の粉末及びアルミニウム及び／又はチタン含有粉末を添加するステップ、
全ての前記前駆粉末をさらなる一定の期間にわたり一緒に粉砕するステップ。
【請求項16】
前記焼結ステップの前に、前記圧粉体をいくつかの部分に分割するステップを更に含む、請求項１３、１４又は１５に記載のＰＣＢＮ材料の製造方法。
【請求項17】
請求項１～１２のいずれか１項に記載のＰＣＢＮ材料を含む、工具。
【請求項18】
切削、旋削、粉砕、磨砕、穿孔、又は他の研磨用途のための工具である、請求項１７に記載の工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、焼結多結晶立方晶窒化ホウ素材料、及びこのような材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）及び多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）などの多結晶超硬材料は、岩石、金属、セラミック、複合材及び木材含有材料などの硬質材又は研磨材を切削、旋削、穿孔又は粉砕するための多種多様な工具として使用され得る。
研磨材成形体は、切削、旋削、粉砕、磨砕、穿孔及び他の研磨作業に広く使用される。それらは通常、第２相マトリックス中に分散された超硬研磨材粒子を含む。マトリックスは、金属又はセラミック又はサーメットであり得る。超硬研磨材粒子は、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、炭化ケイ素又は窒化ケイ素などであり得る。これらの粒子は、高圧及び高温成形体製造工程中に相互に結合して多結晶塊を形成し、又は第２相材料（複数可）のマトリックスを介して結合し、焼結多結晶体を形成し得る。このような物質は通常、多結晶ダイヤモンド又は多結晶立方晶窒化ホウ素として知られ、この場合、それらは、それぞれ、ダイヤモンド又はｃＢＮを超硬研磨材として含む。
米国特許第４，３３４，９２８号は、２０～８０体積％の立方晶窒化ホウ素と、周期表ＩＶａ又はＶａ遷移金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ化物及び珪化物、これらの混合物及びそれらの固溶体化合物からなる群より選択される少なくとも１種のマトリックス複合材のマトリックスである残部から基本的になる、工具として使用するための焼結体を教示している。マトリックスは、焼結体中で、連続マトリックス内に散在した、高圧窒化ホウ素との連続結合構造を形成する。この特許中で概要を述べた方法は、全て、ボールミル粉砕、乳鉢などの機械的粉砕／混合技術を用いて所望の材料を組み合わせることを必要とする。
焼結多結晶体は、基材上にそれらを成形することにより、「裏加工」され得る。超硬合金は、好適な基材を形成するために使用でき、例えば、タングステンカーバイド粒子／粒とコバルトを一緒に混合した後、加熱して固化することによる、コバルトマトリックス中の分散炭化物粒子から形成される。ＰＣＤ又はＰＣＢＮなどの超硬材料層を有する切削要素を形成するために、ダイヤモンド粒子もしくは粒又はＣＢＮ粒は、ニオビウム筐体などの耐熱金属筐体中で超硬合金体に隣接して配置され、ダイヤモンド粒又はＣＢＮ粒間で粒間結合が起こるように高圧及び高温に晒され、多結晶超硬ダイヤモンド又は多結晶ＣＢＮ層が形成される。
研磨材成形体は、切削、旋削、粉砕、磨砕、穿孔及び他の研磨作業に広く使用される。それらは通常、第２相マトリックス中に分散された超硬研磨材粒子を含む。マトリックスは、金属又はセラミック又はサーメットであり得る。超硬研磨材粒子は、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、炭化ケイ素又は窒化ケイ素などであり得る。これらの粒子は、高圧及び高温成形体製造工程中に相互に結合して多結晶塊を形成し、又は第２相材料（複数可）のマトリックスを介して結合し、焼結多結晶体を形成し得る。このような物質は通常、多結晶ダイヤモンド又は多結晶立方晶窒化ホウ素として知られ、この場合、それらは、それぞれ、ダイヤモンド又はｃＢＮを超硬研磨材として含む。
米国特許第４，３３４，９２８号は、２０～８０体積％の立方晶窒化ホウ素と、周期表ＩＶａ又はＶａ遷移金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ化物及び珪化物、これらの混合物及びそれらの固溶体化合物からなる群より選択される少なくとも１種のマトリックス複合材のマトリックスである残部から基本的になる、工具として使用するための焼結体を教示している。マトリックスは、焼結体中で、連続マトリックス内に散在した、高圧窒化ホウ素との連続結合構造を形成する。この特許中で概要を述べた方法は、全て、ボールミル粉砕、乳鉢などの機械的粉砕／混合技術を用いて所望の材料を組み合わせることを必要とする。
焼結多結晶体は、基材上にそれらを成形することにより、「裏加工」され得る。超硬合金は、好適な基材を形成するために使用でき、例えば、タングステンカーバイド粒子／粒とコバルトを一緒に混合した後、加熱して固化することによる、コバルトマトリックス中の分散炭化物粒子から形成される。ＰＣＤ又はＰＣＢＮなどの超硬材料層を有する切削要素を形成するために、ダイヤモンド粒子もしくは粒又はＣＢＮ粒は、ニオビウム筐体などの耐熱金属筐体中で超硬合金体に隣接して配置され、ダイヤモンド粒又はＣＢＮ粒間で粒間結合が起こるように高圧及び高温に晒され、多結晶超硬ダイヤモンド又は多結晶ＣＢＮ層が形成される。
【0003】
いくつかの事例では、基材は、超硬材料層に結合させる前に完全に硬化され、一方、他の事例では、基材は生（完全に硬化されていない材料）であり得る。後者の場合、基材はＨＴＨＰ焼結工程中に完全に硬化され得る。基材は、粉末形態であってもよく、また、超硬材料層を焼結するために使用される焼結工程中に固化してもよい。
図１は、焼結ＰＣＢＮ材料を製造する例示的方法を示す。次のナンバリングは、図１のものに対応する：
Ｓ１．マトリックス前駆粉末が予混合される。マトリックス前駆粉末の例には、チタン及びアルミニウムの炭化物及び／又は窒化物が挙げられる。マトリックス前駆粉末の典型的な平均粒径は、１μｍ～１０μｍである。
Ｓ２．マトリックス前駆粉末は１０００℃超で少なくとも１時間熱処理され、マトリックス前駆物質粒子間の予備反応が開始され、「ケーキ」が形成される。
Ｓ３．ケーキは粉砕及び篩別され、所望の粒子サイズ画分が得られる。
Ｓ４．０．５μｍ～１５μｍの平均粒径の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子が篩別マトリックス前駆粉末に添加される。
Ｓ５．得られた混合粉末は、マトリックス前駆粉末が所望のサイズ（通常、５０ｎｍ～７００ｎｍ）になるまでボールミル粉砕により粉砕され、前駆粉末とｃＢＮ粒子が均質混合される。この工程は、数時間を要する場合があり、また、タングステンカーバイトボールなどの粉砕媒体を必要とする。
Ｓ６．得られた粉砕粉末は、真空下又は減圧下、６０℃超で乾燥されて、溶媒が除去され、その後、系中に酸素をゆっくり導入してアルミニウムなどの金属表面を不動態化することにより、適切な状態にされる。
Ｓ７．乾燥粉末は篩別され、プレコンポジット構築物が作製される。
Ｓ８．プレコンポジット構築物は、７００℃超で熱処理され、吸着された水又はガスが除去される。
Ｓ９．ガス放出プレコンポジット構築物は、焼結に好適なカプセル中に組み込まれる。
Ｓ１０．カプセルは、少なくとも１２５０℃及び少なくとも４ＧＰａの高圧高温（ＨＰＨＴ）工程で焼結されて焼結ＰＣＢＮ材料が形成される。
図１は、焼結ＰＣＢＮ材料を製造する例示的方法を示す。次のナンバリングは、図１のものに対応する：
Ｓ１．マトリックス前駆粉末が予混合される。マトリックス前駆粉末の例には、チタン及びアルミニウムの炭化物及び／又は窒化物が挙げられる。マトリックス前駆粉末の典型的な平均粒径は、１μｍ～１０μｍである。
Ｓ２．マトリックス前駆粉末は１０００℃超で少なくとも１時間熱処理され、マトリックス前駆物質粒子間の予備反応が開始され、「ケーキ」が形成される。
Ｓ３．ケーキは粉砕及び篩別され、所望の粒子サイズ画分が得られる。
Ｓ４．０．５μｍ～１５μｍの平均粒径の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子が篩別マトリックス前駆粉末に添加される。
Ｓ５．得られた混合粉末は、マトリックス前駆粉末が所望のサイズ（通常、５０ｎｍ～７００ｎｍ）になるまでボールミル粉砕により粉砕され、前駆粉末とｃＢＮ粒子が均質混合される。この工程は、数時間を要する場合があり、また、タングステンカーバイトボールなどの粉砕媒体を必要とする。
Ｓ６．得られた粉砕粉末は、真空下又は減圧下、６０℃超で乾燥されて、溶媒が除去され、その後、系中に酸素をゆっくり導入してアルミニウムなどの金属表面を不動態化することにより、適切な状態にされる。
Ｓ７．乾燥粉末は篩別され、プレコンポジット構築物が作製される。
Ｓ８．プレコンポジット構築物は、７００℃超で熱処理され、吸着された水又はガスが除去される。
Ｓ９．ガス放出プレコンポジット構築物は、焼結に好適なカプセル中に組み込まれる。
Ｓ１０．カプセルは、少なくとも１２５０℃及び少なくとも４ＧＰａの高圧高温（ＨＰＨＴ）工程で焼結されて焼結ＰＣＢＮ材料が形成される。
【0004】
タングステン（Ｗ）及びコバルト（Ｃｏ）両方は、欧州の重要な原材料（ＣＲＭ）として分類されている。ＣＲＭは、欧州経済にとって、経済的及び戦略的に重要であると見なされる原材料である。原則として、それらは、それらの供給に関連する高いリスクがあり、家庭用電化製品、環境技術、自動車、航空宇宙、防衛、健康及び鉄鋼などの欧州経済の主要部門にとって極めて重要であり、更に、それらは、（実現性のある）代用品が存在しない。タングステン及びコバルトの両方は、２つの重要なクラスの硬質材料、焼結炭化物／ＷＣ－Ｃｏ、及びＰＣＤ／ダイヤモンド－Ｃｏの主要な成分である。
【発明の概要】
【0005】
極限条件下で良好に機能する工具作業のための実現可能な代替材料を開発することが本発明の１つの目的である。
本発明の一態様では、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料が提供され、該材料は、３０～９０体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子；ｃＢＮ粒子が内部に分散した、ＰＣＢＮ材料の１０体積％～７０体積％の含量のマトリックス材料を含み；マトリックス材料はチタン化合物及びアルミニウム化合物、又はこれらの混合物のいずれかを含み；マトリックス材料は、ジルコニウム及び／又はバナジウムを含む析出物及び／又は粒、及び任意選択で、タングステン及び／又はチタンを更に含み；前記析出物及び／又は粒は、実質的に球状、血小板様又は針状のいずれかであり、前記析出物及び／又は粒は、１μｍ以下の平均最大長さ寸法を有する。
析出物及び／又は粒は、窒化物、炭化物、炭窒化物及び／又は二ホウ化物を含み得る。
任意選択で、ジルコニウム含有析出物及び／又は粒、及び／又はバナジウム含有析出物及び／又は粒は、ＰＣＢＮ材料の１０体積％～２５体積％を含む。
任意選択で、ジルコニウム含有析出物及び／又は粒、及び／又はバナジウム含有析出物及び／又は粒は、ＰＣＢＮ材料の１０体積％、又は１７．５体積％、又は２５体積％を含む。
ジルコニウム含有析出物及び／又は粒、及び／又はバナジウム含有析出物及び／又は粒は、０．５０μｍ以下の平均最大長さ寸法を有し得る。
あるいは、ジルコニウム含有析出物及び／又は粒、及び／又はバナジウム含有析出物及び／又は粒は、０．２０μｍ以下の平均最大長さ寸法を有し得る。
マトリックス材料は、炭窒化チタン、炭化チタン、窒化チタン、二ホウ化チタン、窒化アルミニウム及び酸化アルミニウムのいずれかを含み得る。
ＰＣＢＮ材料は、１０体積％～２５体積％の炭化チタン、ＴｉＣ又は窒化チタン、ＴｉＮを含み得る。
ＰＣＢＮ材料はまた、５体積％のアルミニウム、Ａｌ、又はその化合物を更に含む。
好ましくは、ＰＣＢＮ材料は、６０体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）を含む。
１つの選択肢として、ｃＢＮ粒子は、０．５μｍ～１５μｍの平均サイズを有する。
好ましくは、ＰＣＢＮ材料は、２６ＧＰａ～３４ＧＰａのビッカース微小硬度を有する。
本発明の一態様では、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料が提供され、該材料は、３０～９０体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子；ｃＢＮ粒子が内部に分散した、ＰＣＢＮ材料の１０体積％～７０体積％の含量のマトリックス材料を含み；マトリックス材料はチタン化合物及びアルミニウム化合物、又はこれらの混合物のいずれかを含み；マトリックス材料は、ジルコニウム及び／又はバナジウムを含む析出物及び／又は粒、及び任意選択で、タングステン及び／又はチタンを更に含み；前記析出物及び／又は粒は、実質的に球状、血小板様又は針状のいずれかであり、前記析出物及び／又は粒は、１μｍ以下の平均最大長さ寸法を有する。
析出物及び／又は粒は、窒化物、炭化物、炭窒化物及び／又は二ホウ化物を含み得る。
任意選択で、ジルコニウム含有析出物及び／又は粒、及び／又はバナジウム含有析出物及び／又は粒は、ＰＣＢＮ材料の１０体積％～２５体積％を含む。
任意選択で、ジルコニウム含有析出物及び／又は粒、及び／又はバナジウム含有析出物及び／又は粒は、ＰＣＢＮ材料の１０体積％、又は１７．５体積％、又は２５体積％を含む。
ジルコニウム含有析出物及び／又は粒、及び／又はバナジウム含有析出物及び／又は粒は、０．５０μｍ以下の平均最大長さ寸法を有し得る。
あるいは、ジルコニウム含有析出物及び／又は粒、及び／又はバナジウム含有析出物及び／又は粒は、０．２０μｍ以下の平均最大長さ寸法を有し得る。
マトリックス材料は、炭窒化チタン、炭化チタン、窒化チタン、二ホウ化チタン、窒化アルミニウム及び酸化アルミニウムのいずれかを含み得る。
ＰＣＢＮ材料は、１０体積％～２５体積％の炭化チタン、ＴｉＣ又は窒化チタン、ＴｉＮを含み得る。
ＰＣＢＮ材料はまた、５体積％のアルミニウム、Ａｌ、又はその化合物を更に含む。
好ましくは、ＰＣＢＮ材料は、６０体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）を含む。
１つの選択肢として、ｃＢＮ粒子は、０．５μｍ～１５μｍの平均サイズを有する。
好ましくは、ＰＣＢＮ材料は、２６ＧＰａ～３４ＧＰａのビッカース微小硬度を有する。
【0006】
本発明の第２の態様では、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）、材料の製造方法が提供され、該方法は、
以下の前駆粉末を一緒に粉砕するステップ：
立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、
バナジウム含有粉末及び／又はジルコニウム含有粉末、及び
アルミニウム及びチタンのいずれかを含む粉末、
粉砕した前駆粉末を圧縮して、圧粉体を形成するステップ、
１８００℃～２３００℃の温度と７．０ＧＰａ～８．５ＧＰａの圧力で圧粉体を焼結し、焼結ＰＣＢＮ材料を形成するステップ、を含み、
焼結ＰＣＢＮ材料は、ジルコニウム含有析出物及び／又はバナジウム含有析出物、及び任意選択でタングステン含有析出物及び／又はチタン含有析出物を含むか、又はそれからなるマトリックス材料中に分散された立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、粒子を含み、前記析出物は、１μｍ以下の平均最大長さ寸法を有する。
１つの選択肢として、温度は１８００℃～１９００℃である。
任意選択で、前駆粉末を一緒に粉砕するステップは、下記の２つのサブステップを含む：
バナジウム含有粉末及び／又はジルコニウム含有粉末を一定期間にわたり粉砕するステップ、
立方晶窒化ホウ素の粉末及びアルミニウム及び／又はチタン含有粉末を添加するステップ、
全ての前駆粉末をさらなる一定の期間にわたり一緒に粉砕するステップ。
方法は、焼結ステップの前に、圧粉体をいくつかの部分に分割することを更に含み得る。
以下の前駆粉末を一緒に粉砕するステップ：
立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、
バナジウム含有粉末及び／又はジルコニウム含有粉末、及び
アルミニウム及びチタンのいずれかを含む粉末、
粉砕した前駆粉末を圧縮して、圧粉体を形成するステップ、
１８００℃～２３００℃の温度と７．０ＧＰａ～８．５ＧＰａの圧力で圧粉体を焼結し、焼結ＰＣＢＮ材料を形成するステップ、を含み、
焼結ＰＣＢＮ材料は、ジルコニウム含有析出物及び／又はバナジウム含有析出物、及び任意選択でタングステン含有析出物及び／又はチタン含有析出物を含むか、又はそれからなるマトリックス材料中に分散された立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、粒子を含み、前記析出物は、１μｍ以下の平均最大長さ寸法を有する。
１つの選択肢として、温度は１８００℃～１９００℃である。
任意選択で、前駆粉末を一緒に粉砕するステップは、下記の２つのサブステップを含む：
バナジウム含有粉末及び／又はジルコニウム含有粉末を一定期間にわたり粉砕するステップ、
立方晶窒化ホウ素の粉末及びアルミニウム及び／又はチタン含有粉末を添加するステップ、
全ての前駆粉末をさらなる一定の期間にわたり一緒に粉砕するステップ。
方法は、焼結ステップの前に、圧粉体をいくつかの部分に分割することを更に含み得る。
【0007】
本発明の第３の態様では、工具は、本発明の第１の態様によるＰＣＢＮ材料を含む。
好ましくは、工具は、切削、旋削、粉砕、磨砕、穿孔、又は他の研磨用途のための工具である。
非限定的実施形態が、例示の目的で、添付の図面を参照しながら以降で記載される。
好ましくは、工具は、切削、旋削、粉砕、磨砕、穿孔、又は他の研磨用途のための工具である。
非限定的実施形態が、例示の目的で、添付の図面を参照しながら以降で記載される。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】既知の焼結ＰＣＢＮ材料の例示的製造方法のフローダイヤグラムである。
【図2】本発明によるＰＣＢＮ材料の例示的製造ステップを示すフローダイヤグラムである。
【図3】１８００℃で焼結したＰＣＢＮ ＴｉＣ基準材料の異なる倍率による走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図4】１８００℃で焼結したＰＣＢＮ ＺｒＮ １０体積％系の異なる倍率によるＳＥＭ写真である。
【図5】１８００℃で焼結したＰＣＢＮ ＺｒＮ １７．５体積％の異なる倍率によるＳＥＭ写真である。
【図6】１８００℃で焼結したＰＣＢＮ ＺｒＮ ２５体積％の異なる倍率によるＳＥＭ写真である。
【図7】１８００℃で焼結したＰＣＢＮ ＶＮ ２５体積％の異なる倍率によるＳＥＭ写真である。
【図8】微細構造の特徴の例、ａ）Ａ１、ｂ）Ａ２、ｃ）Ｎ１、ｄ）Ｎ２、及びｅ）Ｎ３を示す。
【図9】温度１７５０℃で焼結したｃＢＮ－ＴｉＣ－ＶＮ－Ａｌ（６０－２５－１０－５体積％）のＳＥＭ写真を示す。
【図10】温度１８５０℃で焼結したｃＢＮ－ＴｉＣ－ＶＮ－Ａｌ（６０－２５－１０－５体積％）のＳＥＭ写真を示す。
【図11】温度１７５０℃で焼結したｃＢＮ－ＴｉＣ－ＶＮ－Ａｌ（６０－１７．５－１７．５－５体積％）のＳＥＭ写真を示す。
【図12】温度１８５０℃で焼結したｃＢＮ－ＴｉＣ－ＶＮ－Ａｌ（６０－１７．５－１７．５－５体積％）の高倍率ＳＥＭ写真を示す。
【図13】温度１７５０℃で焼結したｃＢＮ－ＴｉＣ－ＺｒＮ－Ａｌ（６０－２５－１０－５体積％）のＳＥＭ写真を示す。
【図14】温度１８５０℃で焼結したｃＢＮ－ＴｉＣ－ＺｒＮ－Ａｌ（６０－２５－１０－５体積％）の高倍率ＳＥＭ写真を示す。
【図15】温度１７５０℃で焼結したｃＢＮ－ＴｉＣ－ＺｒＮ－Ａｌ（６０－１７．５－１７．５－５体積％）のＳＥＭ写真を示す。
【図16】温度１８５０℃で焼結したｃＢＮ－ＴｉＣ－ＺｒＮ－Ａｌ（６０－１７．５－１７．５－５体積％）のＳＥＭ写真を示す。
【図17】温度１７５０℃で焼結したｃＢＮ－ＴｉＮ－ＺｒＮ－Ａｌ（６０－２５－１０－５体積％）の高倍率ＳＥＭ写真を示す。
【図18】温度１７５０℃で焼結したｃＢＮ－ＴｉＮ－ＺｒＮ－Ａｌ（６０－２５－１０－５体積％）の低倍率ＳＥＭ写真を示す。
【図19】温度１７５０℃で焼結したｃＢＮ－ＴｉＮ－ＺｒＮ－Ａｌ（６０－１７．５－１７．５－５体積％）の低倍率ＳＥＭ写真を示す。
【図20】温度１８５０℃で焼結したｃＢＮ－ＴｉＮ－ＺｒＮ－Ａｌ（６０－１７．５－１７．５－５体積％）の高倍率ＳＥＭ写真を示す。
【図21】温度１７５０℃で焼結したｃＢＮ－ＴｉＮ－ＶＮ－Ａｌ（６０－１７．５－１７．５－５体積％）のＳＥＭ写真を示す。
【図22】温度１８５０℃で焼結したｃＢＮ－ＴｉＮ－ＶＮ－Ａｌ（６０－１７．５－１７．５－５体積％）のＳＥＭ写真を示す。
【図23】温度１７５０℃で焼結したｃＢＮ－ＺｒＮ－ＶＮ－Ａｌ（６０－１７．５－１７．５－５体積％）のＳＥＭ写真を示す。
【図24】温度１８５０℃で焼結したｃＢＮ－ＺｒＮ－ＶＮ－Ａｌ（６０－１７．５－１７．５－５体積％）のＳＥＭ写真を示す。
【図25】第１セットのＰＣＢＮ種に対するＣａｌｄｉｅ硬化鋼加工の切削時間による工具摩耗（ＶＢの寿命判定基準＝０．３ｍｍ）の変化を示すグラフである。
【図26】第２セットのＰＣＢＮ種に対するＣａｌｄｉｅ硬化鋼加工の切削時間による工具摩耗（ＶＢの寿命判定基準＝０．３ｍｍ）の変化を示すグラフである。
【図27】第１セットのＰＣＢＮ種に対するインコネル７１８加工の切削時間による工具摩耗（ＶＢの寿命判定基準＝０．３ｍｍ）の変化を示すグラフである。
【図28】第２セットのＰＣＢＮ種に対するインコネル７１８加工の切削時間による工具摩耗（ＶＢの寿命判定基準＝０．３ｍｍ）の変化を示すグラフである。
【図29】Ｏｖａｋｏ６７７の加工時の被加工物通過数の関数としてのＲａを示すグラフである。
【図30】Ｏｖａｋｏ６７７の加工時の被加工物通過数の関数としてのＲａを示すグラフである。
【図31】第１回～第９回の被加工物通過数による、試験グレードの全エッジの工具劣化を示す一連のＳＥＭ写真である。
【図32】工具寿命の終わりでの異なるグレードの摩耗を示す一連のＳＥＭ写真である。
【図33】試料Ｖ２のＳＴＥＭ像である。
【図34】さらなる試料Ｖ２のＳＴＥＭ像である。
【図35】またさらなる試料Ｖ２のＳＴＥＭ像である。
【図36】追加の試料Ｖ２のＳＴＥＭ像である。
【図37】試料Ｚ１のＳＴＥＭ像である。
【図38】試料Ｚ１１のＳＴＥＭ像である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
上記図のＳＥＭ写真に示した材料の組成は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）分析を用いて確認した。
図２は、例示的ステップを示すフローダイヤグラムである。次のナンバリングは、図２のものに対応する。
Ｓ１．ジルコニウム含有粉末及び／又はバナジウム含有粉末の前駆粉末、及びチタン及びアルミニウムの炭化物及び／又は窒化物を含む粉末は、一緒に粉砕され、均質混合物を形成し、所望の粒径が得られる。前駆粉末混合は、有機溶剤中でのボールミル粉砕技術及びロータリーエバポレーターによる乾燥を用いて実施された。
Ｓ２．粉砕粉末は、一緒に乾式加圧され、処理中の取り扱いに適切な強度を有する圧粉体が形成される。具体的には、乾燥後、粉末は柔らかい型中に充填され、冷間静水圧プレスを用いて加圧し、粉末を圧縮して圧粉体が形成される。
成形体はその後、高圧高温（ＨＰＨＴ）カプセル中に収容されるように異なる高さに切断される。
Ｓ３．乾式加圧された圧粉体はその後、高温真空熱処理及びＨＰＨＴカプセルに入れて少なくとも１８００℃（例えば、１８００℃、１９００℃、２０００℃、及び２２００℃）の温度、及び約８ＧＰａの圧力で少なくとも３０秒の一定期間にわたり焼結される。
焼結温度は、Ｓ型熱電対を用いて１８００℃まで較正された。
Ｓ４．焼結後、得られた焼結品は、室温まで冷却される。冷却速度は無制御である。冷却は、ＶＮ含有析出物及び／又はＺｒＮ含有析出物及び任意選択のＷ及び／又はＴｉ含有析出物の所望の析出をもたらす。
図２は、例示的ステップを示すフローダイヤグラムである。次のナンバリングは、図２のものに対応する。
Ｓ１．ジルコニウム含有粉末及び／又はバナジウム含有粉末の前駆粉末、及びチタン及びアルミニウムの炭化物及び／又は窒化物を含む粉末は、一緒に粉砕され、均質混合物を形成し、所望の粒径が得られる。前駆粉末混合は、有機溶剤中でのボールミル粉砕技術及びロータリーエバポレーターによる乾燥を用いて実施された。
Ｓ２．粉砕粉末は、一緒に乾式加圧され、処理中の取り扱いに適切な強度を有する圧粉体が形成される。具体的には、乾燥後、粉末は柔らかい型中に充填され、冷間静水圧プレスを用いて加圧し、粉末を圧縮して圧粉体が形成される。
成形体はその後、高圧高温（ＨＰＨＴ）カプセル中に収容されるように異なる高さに切断される。
Ｓ３．乾式加圧された圧粉体はその後、高温真空熱処理及びＨＰＨＴカプセルに入れて少なくとも１８００℃（例えば、１８００℃、１９００℃、２０００℃、及び２２００℃）の温度、及び約８ＧＰａの圧力で少なくとも３０秒の一定期間にわたり焼結される。
焼結温度は、Ｓ型熱電対を用いて１８００℃まで較正された。
Ｓ４．焼結後、得られた焼結品は、室温まで冷却される。冷却速度は無制御である。冷却は、ＶＮ含有析出物及び／又はＺｒＮ含有析出物及び任意選択のＷ及び／又はＴｉ含有析出物の所望の析出をもたらす。
【実施例】
【0010】
表１は、この研究に含まれる全てのＰＣＢＮ組成を、ＴｉＣ基準試料（すなわち、結合剤中にＺｒＮ又はＶＮを使用しない試料）と一緒に、収載している。
【表1】
【0011】
焼結後の目視検査
図３、４、５、６及び７は、１８００℃で焼結した異なるＰＣＢＮ種のＳＥＭ写真を示す。それらは全て均質である。これらの画像では、色のコントラストは、原子量の差異に起因する。ｃＢＮ成分は、最も軽く、これらの画像中で極めて暗い色／黒い色として浮かび上がる。セラミック成分（ＶＮ又はＺｒＮなど）は、ＳＥＭ画像中で、灰色相として見え、最も重い金属成分（ボールミル粉砕からのＷＣ混入など）は、明るい／白色の粒子として浮かび上がる。結果は、粉末混合方法がｃＢＮ及びセラミック成分の均質な分布をもたらすことを明らかにした。
図３、４、５、６及び７は、１８００℃で焼結した異なるＰＣＢＮ種のＳＥＭ写真を示す。それらは全て均質である。これらの画像では、色のコントラストは、原子量の差異に起因する。ｃＢＮ成分は、最も軽く、これらの画像中で極めて暗い色／黒い色として浮かび上がる。セラミック成分（ＶＮ又はＺｒＮなど）は、ＳＥＭ画像中で、灰色相として見え、最も重い金属成分（ボールミル粉砕からのＷＣ混入など）は、明るい／白色の粒子として浮かび上がる。結果は、粉末混合方法がｃＢＮ及びセラミック成分の均質な分布をもたらすことを明らかにした。
【0012】
焼結後の硬度検査
次のステップは、材料の特性に対する焼結条件の影響を理解することであった。これらの材料は、１Ｋｇビッカースインデンテーション法を用いてインデンテーションにより試験し、硬度結果を計算し、表２にまとめた。インデンテーションは、Ｗｏｌｐｅｒｔ５７２圧子で作成し、インデンテーションをＳＥＭ中で測定し、精度を向上させた（インデンテーションは２０ミクロンサイズのオーダーであったので）。
全ての焼結片は、良好な硬度で、２８ＧＰａのオーダーの微小硬度を有し、このレベルのｃＢＮ含量としては良好であると考えられた。非常に低い硬度は、不十分な材料相の焼結／結合の現れと考えられるであろう。同様の理由で、より高い硬度値は、良好な焼結の現れと見なされた。従って、硬度は最適化された焼結条件の第１の指標として使用された。
次のステップは、材料の特性に対する焼結条件の影響を理解することであった。これらの材料は、１Ｋｇビッカースインデンテーション法を用いてインデンテーションにより試験し、硬度結果を計算し、表２にまとめた。インデンテーションは、Ｗｏｌｐｅｒｔ５７２圧子で作成し、インデンテーションをＳＥＭ中で測定し、精度を向上させた（インデンテーションは２０ミクロンサイズのオーダーであったので）。
【表2】
全ての焼結片は、良好な硬度で、２８ＧＰａのオーダーの微小硬度を有し、このレベルのｃＢＮ含量としては良好であると考えられた。非常に低い硬度は、不十分な材料相の焼結／結合の現れと考えられるであろう。同様の理由で、より高い硬度値は、良好な焼結の現れと見なされた。従って、硬度は最適化された焼結条件の第１の指標として使用された。
【0013】
用途プレスクリーニング試験
次に、用途プレスクリーニング試験のための試料の選択を行った。
これらの試料を表３に示す。
用途プレスクリーニング試験のために選択された試料の組成に関するさらなる情報は、下表４で提供される。
選択された種は、４種の材料：（１）硬化（ＨＲＣ６２．１）工具鋼Ｃａｌｄｉｅ（Ｕｄｄｅｈｏｌｍによる）；（２）時効（ＨＲＣ４４．７）超合金インコネル７１８（商標）；（３）析出硬化（ＨＲＣ４２．７）マルテンサイト系ステンレス鋼１７－４ＰＨ；（４）Ｏｖａｋｏ６７７（Ｏｖａｔｅｃ６７７）、の加工により試験された。
（１）Ｃａｌｄｉｅ硬化鋼の加工による試験
選択ＰＣＢＮ種を用いて、Ｃａｌｄｉｅ硬化鋼の加工によりプレスクリーニング試験を次の切削条件下で実施した：表面切削速度Ｖｃ＝１２０ｍ／分、送り速度ｆ＝０．１ｍｍ／回転、切込み深さａp＝０．３ｍｍ、及びドライ加工条件。
結果を図２５及び２６に示す。
最初に図２５を参照すると、５分の基準試料Ｒ１種は、最大ＢＶ＝２６３μｍを有したが、しかし、ＶＢ＝４２１μｍで微小破壊も生じた。試験結果は、この高硬度旋削用途に対しては、試料Ｖ２、ＴｉＣ－ＶＮ系ＰＣＢＮ種の性能が基準材料よりも８０～９０％良好（１．９倍）であった。
図２６を参照すると、結果は、ＴｉＣ－ＺｒＮ系種Ｚ１１が、基準試料に比べて、ほぼ９０％良好な性能を有するが、他のＴｉＣ－ＺｒＮ系種もＲ１及びＲ２より性能が優れていることを示す。
これは、Ｃａｌｄｉｅ高硬度旋削用途に対しては、Ｖ２及びＺ１１種が高圧ＴｉＣ基準材料より最大９０％（１．９倍）だけ性能が優れていることを意味する。
この工具形状（ＲＮＧＮ０９０３００）のために、逃げ面摩耗（ＶＢ）が、主要な摩耗判定基準であり、クレーター形成は無視できるほど小さいが、より小さいノーズ半径を有する工具では、クレーター摩耗（ＫＴ）がより支配的になる可能性がある。
（２）インコネル７１８の加工による試験
選択ＰＣＢＮ種を用いて、インコネル７１８の加工によりプレスクリーニング試験を次の切削条件下で同様に実施した：Ｖｃ＝２５０ｍ／分、ｆ＝０．１ｍｍ／回転、切込み深さａp＝０．３ｍｍ、及び７０００ｋＰａ（７０バール）の高圧冷却剤。
図２７に示す試験の結果は、ＴｉＣ－ＺｒＮ系種Ｚ１が両方の基準試料よりわずかに良好な性能（最大１５％）を示したが、ＶＮ系種は、２５％悪い性能を示したことを示す。
図２８から解るように、ＴｉＣ－ＺｒＮ系種Ｚ２及びＺ１１は、両方の基準試料より良好な性能（最大２０％）を示したが、Ｚ８は、同等の性能であった。
（３）マルテンサイト系ステンレス鋼の加工による試験
マルテンサイト系ステンレス鋼用途では、いずれのＰＣＢＮ種も基準材料より優れた性能を示さなかった。
（４）Ｏｖａｋｏ６７７硬化鋼の加工による試験
試験は、Ｍｏｎｆｏｒｔｓ ＲＮＣ７００のシングルターン横型旋盤及び標準的並行シャンクバイトホルダー（ＣＣＬＮＬ３２２５）で実施した。表面粗さの測定は、面測定ゲージＭａｈｒ ＭａｒＳｕｒｆ Ｍ３００で実施した。試験中の摩耗形態画像をＡｌｉｃｏｎａ全焦点光学式粗さ計により生成した。業界基準の５０体積％ｃＢＮを含むＰＣＢＮ材料、ＤＳＣ５００も標準性能評価基準として同様に試験した。
試験は、連続加工による外径旋削及び１０８ｍｍの開始直径を用いて、Ｏｖａｋｏ６７７（Ｏｖａｔｅｃ６７７）の予備成型及び硬化された選抜品に対し実施した。被加工物は、円錐形側面を有し、これは、被加工物通過毎に直径が減少する場合でも、一定時間の加工をもたらす。硬化は加熱後９００℃で２０分間実施した。冷却は大気中で実施した。１５０℃で９０分の焼戻しは、硬化後２０時間以内に実施した。
硬度は、試験部分中で６０～６１ＨＲｃの均一分布を有する。
次に、用途プレスクリーニング試験のための試料の選択を行った。
これらの試料を表３に示す。
【表3】
用途プレスクリーニング試験のために選択された試料の組成に関するさらなる情報は、下表４で提供される。
【表4】
（１）Ｃａｌｄｉｅ硬化鋼の加工による試験
選択ＰＣＢＮ種を用いて、Ｃａｌｄｉｅ硬化鋼の加工によりプレスクリーニング試験を次の切削条件下で実施した：表面切削速度Ｖｃ＝１２０ｍ／分、送り速度ｆ＝０．１ｍｍ／回転、切込み深さａp＝０．３ｍｍ、及びドライ加工条件。
結果を図２５及び２６に示す。
最初に図２５を参照すると、５分の基準試料Ｒ１種は、最大ＢＶ＝２６３μｍを有したが、しかし、ＶＢ＝４２１μｍで微小破壊も生じた。試験結果は、この高硬度旋削用途に対しては、試料Ｖ２、ＴｉＣ－ＶＮ系ＰＣＢＮ種の性能が基準材料よりも８０～９０％良好（１．９倍）であった。
図２６を参照すると、結果は、ＴｉＣ－ＺｒＮ系種Ｚ１１が、基準試料に比べて、ほぼ９０％良好な性能を有するが、他のＴｉＣ－ＺｒＮ系種もＲ１及びＲ２より性能が優れていることを示す。
これは、Ｃａｌｄｉｅ高硬度旋削用途に対しては、Ｖ２及びＺ１１種が高圧ＴｉＣ基準材料より最大９０％（１．９倍）だけ性能が優れていることを意味する。
この工具形状（ＲＮＧＮ０９０３００）のために、逃げ面摩耗（ＶＢ）が、主要な摩耗判定基準であり、クレーター形成は無視できるほど小さいが、より小さいノーズ半径を有する工具では、クレーター摩耗（ＫＴ）がより支配的になる可能性がある。
（２）インコネル７１８の加工による試験
選択ＰＣＢＮ種を用いて、インコネル７１８の加工によりプレスクリーニング試験を次の切削条件下で同様に実施した：Ｖｃ＝２５０ｍ／分、ｆ＝０．１ｍｍ／回転、切込み深さａp＝０．３ｍｍ、及び７０００ｋＰａ（７０バール）の高圧冷却剤。
図２７に示す試験の結果は、ＴｉＣ－ＺｒＮ系種Ｚ１が両方の基準試料よりわずかに良好な性能（最大１５％）を示したが、ＶＮ系種は、２５％悪い性能を示したことを示す。
図２８から解るように、ＴｉＣ－ＺｒＮ系種Ｚ２及びＺ１１は、両方の基準試料より良好な性能（最大２０％）を示したが、Ｚ８は、同等の性能であった。
（３）マルテンサイト系ステンレス鋼の加工による試験
マルテンサイト系ステンレス鋼用途では、いずれのＰＣＢＮ種も基準材料より優れた性能を示さなかった。
（４）Ｏｖａｋｏ６７７硬化鋼の加工による試験
試験は、Ｍｏｎｆｏｒｔｓ ＲＮＣ７００のシングルターン横型旋盤及び標準的並行シャンクバイトホルダー（ＣＣＬＮＬ３２２５）で実施した。表面粗さの測定は、面測定ゲージＭａｈｒ ＭａｒＳｕｒｆ Ｍ３００で実施した。試験中の摩耗形態画像をＡｌｉｃｏｎａ全焦点光学式粗さ計により生成した。業界基準の５０体積％ｃＢＮを含むＰＣＢＮ材料、ＤＳＣ５００も標準性能評価基準として同様に試験した。
試験は、連続加工による外径旋削及び１０８ｍｍの開始直径を用いて、Ｏｖａｋｏ６７７（Ｏｖａｔｅｃ６７７）の予備成型及び硬化された選抜品に対し実施した。被加工物は、円錐形側面を有し、これは、被加工物通過毎に直径が減少する場合でも、一定時間の加工をもたらす。硬化は加熱後９００℃で２０分間実施した。冷却は大気中で実施した。１５０℃で９０分の焼戻しは、硬化後２０時間以内に実施した。
硬度は、試験部分中で６０～６１ＨＲｃの均一分布を有する。
【0014】
製造業者による材料Ｏｖａｋｏ６７７の化学的組成を表５に示す。残部は鉄である。簡単に言えば、それは、６７ＣｒＳｉ４である。
切削パラメーターは、１７０ｍ／分、０．１５ｍｍ／回転、０．１５ｍｍ、ドライ加工であった。加工時間は被加工物通過１回当り３２秒であった。表面仕上げ測定値は、第１、第３、第７及び第１５回目の被加工物通過後に採取した。Ａｌｉｃｏｎａによる画像は、第１回目及びその後２回目毎の被加工物通過後に生成した。最大１５回の被加工物通過があった。工具寿命診断基準は、チッピング又は破壊であった。試験マトリックスは、表６で認めることができる。
図２９及び３０の両方の表面特徴データは、図３１の画像の摩耗分析と合わせて、工具寿命の観点から、Ｚ１１が最良の結果をもたらすことを示した。純粋に表面仕上げの観点からは、エッジ損傷が大きくなり試験が９回の被加工物通過で中止されるまで（加工時間２８８秒まで）、Ｖ２及びＤＳＣ５００の両方が、Ｚ１１より良好な表面仕上げを示した。
図３２ａ～ｃでは、各グレードのエッジ１とエッジ２の間で、工具寿命の終わりに極めて類似した摩耗パターンを示した。Ｚ１１のエッジ１と２との間の最も大きい差異は、エッジ１が９回の被加工物通過、及びエッジ２が１５回の被加工物通過がなされ、それにより、後者が最初のものより大きな同じタイプの摩耗を示していることであった。
【表5】
【表6】
図３２ａ～ｃでは、各グレードのエッジ１とエッジ２の間で、工具寿命の終わりに極めて類似した摩耗パターンを示した。Ｚ１１のエッジ１と２との間の最も大きい差異は、エッジ１が９回の被加工物通過、及びエッジ２が１５回の被加工物通過がなされ、それにより、後者が最初のものより大きな同じタイプの摩耗を示していることであった。
【0015】
微細構造解析
微細構造のより詳細な検査は、結合剤微細構造中の特定の析出物の存在を明らかにし、これは、実質的に球状、血小板様又は針状であるとして特徴付けることができる。これらは表７にまとめている。
表７に対する凡例は、図８を基準にして提供されている。図８ａは、典型的なＡ１の特徴を示す；図８ｂは典型的Ａ２の特徴を示す；図８ｃは典型的Ｎ１の特徴を示す；図８ｄは典型的Ｎ２の特徴を示す；及び図８ｅは典型的Ｎ３の特徴を示す。
追加の試験試料は、類似の高圧温度条件下、特に約１８００℃及び８ＧＰａで生成された。図３３から３６は、通常Ｖ２で認められる丸い固溶体析出物を示し、また、同様に、図３８は、通常Ｚ１１で認められる丸い固溶体析出物を示す。図３７は、Ｚ１で認められる針状及び血小板様析出物を示す。
Ｗ／Ｔｉ析出物の証拠もいくつかの試料で認められた。ＷＣ粉砕媒体に起因する混入が結合剤化学に同程度に影響を与えると考えられる。結合剤は、粉砕工程に起因する不純物不含ではなかった。
実施例によるＰＣＢＮ材料は、析出物の存在に起因する改善された破壊靭性と、固溶体形成に起因し、延長された工具寿命をもたらす、基準材料に比べて有意により良好な耐摩耗性との両方を特徴とする。
本明細書で記載のＰＣＢＮ材料は、切削、粉砕、磨砕、穿孔、又は他の研磨材用途などの用途で用いるための工具の一部として使用し得る。
まとめると、本発明者らは、極端な工具の用途での使用に好適し、有効で魅力のあるＣＲＭの代替品となるいくつかの材料を成功裏に特定した。特に、ＰＣＢＮ材料は、加工困難な合金、及び超合金の旋削に好適し、焼結炭化物による解決策を超える多くの利点を提供する。
微細構造のより詳細な検査は、結合剤微細構造中の特定の析出物の存在を明らかにし、これは、実質的に球状、血小板様又は針状であるとして特徴付けることができる。これらは表７にまとめている。
【表7】
表７に対する凡例は、図８を基準にして提供されている。図８ａは、典型的なＡ１の特徴を示す；図８ｂは典型的Ａ２の特徴を示す；図８ｃは典型的Ｎ１の特徴を示す；図８ｄは典型的Ｎ２の特徴を示す；及び図８ｅは典型的Ｎ３の特徴を示す。
追加の試験試料は、類似の高圧温度条件下、特に約１８００℃及び８ＧＰａで生成された。図３３から３６は、通常Ｖ２で認められる丸い固溶体析出物を示し、また、同様に、図３８は、通常Ｚ１１で認められる丸い固溶体析出物を示す。図３７は、Ｚ１で認められる針状及び血小板様析出物を示す。
Ｗ／Ｔｉ析出物の証拠もいくつかの試料で認められた。ＷＣ粉砕媒体に起因する混入が結合剤化学に同程度に影響を与えると考えられる。結合剤は、粉砕工程に起因する不純物不含ではなかった。
実施例によるＰＣＢＮ材料は、析出物の存在に起因する改善された破壊靭性と、固溶体形成に起因し、延長された工具寿命をもたらす、基準材料に比べて有意により良好な耐摩耗性との両方を特徴とする。
本明細書で記載のＰＣＢＮ材料は、切削、粉砕、磨砕、穿孔、又は他の研磨材用途などの用途で用いるための工具の一部として使用し得る。
まとめると、本発明者らは、極端な工具の用途での使用に好適し、有効で魅力のあるＣＲＭの代替品となるいくつかの材料を成功裏に特定した。特に、ＰＣＢＮ材料は、加工困難な合金、及び超合金の旋削に好適し、焼結炭化物による解決策を超える多くの利点を提供する。
【0016】
定義
本明細書で使用される場合、「ＰＣＢＮ」は、金属又はセラミックを含むマトリックス内に分散したｃＢＮの粒を含む１種の超硬材料を意味する。ＰＣＢＮは、超硬材料の１例である。
本明細書で使用される場合、「マトリックス材料」は、多結晶構造体中の気孔、割れ目又は隙間領域を完全に又は部分的に満たすマトリックス材料を意味すると理解される。
用語「マトリックス前駆粉末」は、高圧高温焼結工程に供せられる場合、マトリックス材料になる粉末を意味するように使用される。
多量の粒のマルチモード粒度分布は、粒が２つ以上のピークを有し、各ピークがそれぞれの「モード」に対応する、粒度分布を有する粒を意味すると理解される。マルチモード多結晶体は、２種以上の起源の複数の粒を提供し、各起源が実質的に異なる平均粒度を有する粒を含み、その起源由来の粒又は粒子を一緒に混合することにより、作製し得る。一実施形態では、ＰＣＢＮ材料は、マルチモード分布を有するｃＢＮ粒を含み得る。
本明細書で使用される場合、「ＰＣＢＮ」は、金属又はセラミックを含むマトリックス内に分散したｃＢＮの粒を含む１種の超硬材料を意味する。ＰＣＢＮは、超硬材料の１例である。
本明細書で使用される場合、「マトリックス材料」は、多結晶構造体中の気孔、割れ目又は隙間領域を完全に又は部分的に満たすマトリックス材料を意味すると理解される。
用語「マトリックス前駆粉末」は、高圧高温焼結工程に供せられる場合、マトリックス材料になる粉末を意味するように使用される。
多量の粒のマルチモード粒度分布は、粒が２つ以上のピークを有し、各ピークがそれぞれの「モード」に対応する、粒度分布を有する粒を意味すると理解される。マルチモード多結晶体は、２種以上の起源の複数の粒を提供し、各起源が実質的に異なる平均粒度を有する粒を含み、その起源由来の粒又は粒子を一緒に混合することにより、作製し得る。一実施形態では、ＰＣＢＮ材料は、マルチモード分布を有するｃＢＮ粒を含み得る。
【0017】
特許請求の範囲は、平均粒径を言及する。これは、円相当径（ＥＣＤ）技術を用いて測定される。複数のルーズな、非結合で非凝集粒のＥＣＤ分布は、レーザー回折により測定でき、この場合、粒は、入射光の経路中にランダムに配置され、粒による光りの回折にから生じた回折パターンが測定される。その回折パターンは、あたかもそれが複数の球状粒により生成されているかのように、数学的に解釈され、その直径分布が計算され、ＥＣＤに換算して報告される。粒度分布の解釈は、種々の用語と記号を用いて、種々の統計の特性に換算して表現され得る。このような用語の特定の例には、平均、中央値及びモードが挙げられる。粒度分布は、一連の各サイズチャネルに対応する一連の値Ｄｉと考えることができ、各Ｄｉは、それぞれのチャネルｉに対応する幾何平均ＥＣＤ値であり、ｉは、１から使用するチャネルの数ｎまでの範囲の整数である。
【0018】
本発明を実施形態を基準にして詳細に示し説明してきたが、当業者であれば、添付された特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱することなく、形式及び細部の種々の変更を行い得ることを理解するであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8a】
【図8b】
【図8c】
【図8d】
【図8e】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【国際調査報告】