知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ 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】2023-03-22
(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 20060101AFI20230314BHJP
C04B 35/645 20060101ALI20230314BHJP
B23B 27/14 20060101ALI20230314BHJP
B23B 27/20 20060101ALI20230314BHJP
【ＦＩ】
C04B35/5835
C04B35/645
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 2022545446
(86)(22)【出願日】2021-01-28
(85)【翻訳文提出日】2022-07-26
(86)【国際出願番号】 EP2021052018
(87)【国際公開番号】W WO2021152033
(87)【国際公開日】2021-08-05
(31)【優先権主張番号】2001174.8
(32)【優先日】2020-01-28
(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
(74)【代理人】
【識別番号】100202603
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 智史
(72)【発明者】
【氏名】キャン アンティオネット
(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】レンリック フィリップ アーンスト
(72)【発明者】
【氏名】ストール ヤン－エリック
(72)【発明者】
【氏名】ストラティチュク デニス
(72)【発明者】
【氏名】ペトルーシャ イゴール
(72)【発明者】
【氏名】トゥルケヴィッチ ウラジミール
【テーマコード（参考）】
3C046
【Ｆターム（参考）】
3C046FF35
3C046FF37
3C046FF42
(57)【要約】
本開示は、窒化物化合物を含有するバインダマトリックス材料を含む多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料に関する。窒化物化合物は、ＨｆＮ、ＶＮ及び／又はＮｂＮから選択される。
【選択図】なし
【選択図】なし
【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、４０～９５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％～６０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アルミニウム若しくはその化合物、及び／又はチタン若しくはその化合物を含み、
前記バインダマトリックス材料が酸化物化合物、窒化物化合物及び／又は酸窒化物化合物を更に含み、前記窒化物化合物はＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮから選択される、
多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料。
【請求項2】
前記酸窒化物化合物が前記ＰＣＢＮ材料の５体積％～３５体積％の量で存在する、請求項１に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項3】
前記酸窒化物化合物が前記ＰＣＢＮ材料の１０体積％～２５体積％の量で存在する、請求項２に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項4】
前記酸窒化物化合物がＡｌＯＮを含む、請求項１、２又は３に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項5】
前記酸化物化合物がＡｌ2Ｏ3を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項6】
前記Ａｌ2Ｏ3が前記ＰＣＢＮ材料の１０体積％又は２５体積％の量で存在する、請求項５に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項7】
前記ＨｆＮが前記ＰＣＢＮ材料の１０体積％又は２５体積％の量で存在する、請求項１～６のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項8】
前記バインダマトリックス材料がＨｆＢ2及び／又はＢＮを更に含む、請求項７に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項9】
前記ＶＮが前記ＰＣＢＮ材料の１０体積％又は２５体積％の量で存在する、請求項１～８のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項10】
前記バインダマトリックス材料がＡｌＮ及び／又はＢＮを更に含む、請求項９に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項11】
前記ＮｂＮが前記ＰＣＢＮ材料の１０体積％又は２５体積％の量で存在する、請求項１～１０のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項12】
前記アルミニウムＡｌ又はその化合物が前記ＰＣＢＮ材料の２～１５体積％、好ましくは５～１５体積％、より好ましくは５体積％の量で存在する、請求項１～１１のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項13】
５０～７０体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）を含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項14】
６０体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）を含む、請求項１～１３のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項15】
多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料を作製する方法であって、下記前駆体粉末を一緒に粉砕することと、
・立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粉末
・酸化物含有粉末
・ＨｆＮ、ＶＮ及び／又はＮｂＮから選択される窒化物含有粉末
・アルミニウム含有粉末及び／又はチタン含有粉末
前記粉砕した前駆体粉末を成形してグリーン体を形成することと、
前記グリーン体を１２５０℃～２２００℃の温度、４．０ＧＰａ～８．５ＧＰａの圧力で焼結して、請求項１～１４のいずれか一項に記載の焼結ＰＣＢＮ材料を形成することと、
を含む方法。
【請求項16】
前記酸化物含有粉末がＡｌ2Ｏ3を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記温度が１２５０℃～１４５０℃である、請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項18】
前記温度が１３５０℃である、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記圧力が約６．５ＧＰａである、請求項１７又は１８に記載の方法。
【請求項20】
前記温度が１８００℃～２１００℃である、請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項21】
前記圧力が約８ＧＰａである、請求項２０に記載の方法。
【請求項22】
耐熱超合金（ＨＲＳＡ）を機械加工するための請求項１～１４のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ材料の使用。
【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インコネル（商標）系超合金の機械加工に関する。
【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）などの多結晶超硬度材料は、岩石、金属、セラミックス、複合物及び木材含有材料などの硬質材料又は研磨材料を切削する、機械加工する、穿孔する、又は砕く多様なツールに使用され得る。
研磨成形体は切削、旋削、粉砕、摩砕、穿孔及び他の研磨操作で広く用いられ、一般的に第２相マトリックスに分散する超硬度研磨微粒子を含有する。マトリックスは、金属又はセラミックス又はサーメットでよい。超硬度研磨微粒子は、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、炭化ケイ素、又は窒化ケイ素等でよい。これらの微粒子は、一般的に用いられる高圧高温成形体製造プロセス中に互いに結合する場合があり、多結晶塊を形成する。又は、第２相材料のマトリックスにより結合する場合があり、焼結多結晶体を形成する。このような物体は一般的に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、超硬質研磨剤として、それぞれダイヤモンド又はｃＢＮを含有する。
米国特許第４，３３４，９２８号明細書は、２０～８０体積％の立方晶窒化ホウ素から本質的になるツールにおいて使用される焼結成形体を教示しており；残部は周期表のＩＶａ又はＶａ族遷移金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ化物及びケイ化物、これらの混合物、並びにこれらの固溶体化合物からなる群から選択される少なくとも１つのマトリックス化合物材料のマトリックスである。本発明で概要を述べる方法はいずれも例えばボールミル粉砕、粉砕機等の機械的粉砕／混合技術を使用して所望の材料を組み合わせることを含む。
研磨成形体は切削、旋削、粉砕、摩砕、穿孔及び他の研磨操作で広く用いられ、一般的に第２相マトリックスに分散する超硬度研磨微粒子を含有する。マトリックスは、金属又はセラミックス又はサーメットでよい。超硬度研磨微粒子は、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、炭化ケイ素、又は窒化ケイ素等でよい。これらの微粒子は、一般的に用いられる高圧高温成形体製造プロセス中に互いに結合する場合があり、多結晶塊を形成する。又は、第２相材料のマトリックスにより結合する場合があり、焼結多結晶体を形成する。このような物体は一般的に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、超硬質研磨剤として、それぞれダイヤモンド又はｃＢＮを含有する。
米国特許第４，３３４，９２８号明細書は、２０～８０体積％の立方晶窒化ホウ素から本質的になるツールにおいて使用される焼結成形体を教示しており；残部は周期表のＩＶａ又はＶａ族遷移金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ化物及びケイ化物、これらの混合物、並びにこれらの固溶体化合物からなる群から選択される少なくとも１つのマトリックス化合物材料のマトリックスである。本発明で概要を述べる方法はいずれも例えばボールミル粉砕、粉砕機等の機械的粉砕／混合技術を使用して所望の材料を組み合わせることを含む。
【0003】
焼結多結晶体は基板上に形成することにより「裏打ち」される場合がある。超硬炭化タングステンは好適な基板を形成するのに使用される場合があり、例えば炭化タングステン微粒子／粒子及びコバルトを混合した後、加熱して固体化することにより、コバルトマトリックスに分散した炭化物微粒子から形成される。ＰＣＤ又はＰＣＢＮなど、超硬質材料層を有する切削要素を形成するため、ニオブ筐体などの耐火金属筐体においてダイヤモンド微粒子又は粒子、或いはＣＢＮ粒子を超硬炭化タングステン物体に隣接させて配置し、ダイヤモンド粒子又はＣＢＮ粒子間に粒子間結合が起こるように高圧高温に付し、多結晶超硬質ダイヤモンド又は多結晶ＣＢＮ層を形成する。
超硬質材料層に接着する前に基板を完全に焼結する場合もあり、基板が未焼結（完全に焼結しない）の場合もある。後者の場合、ＨＰＨＴ焼結プロセス中に基板を完全に焼結してよい。基板は粉末状でよく、超硬質材料層を焼結するのに使用する焼結プロセス中に固体化してよい。
或いは、固体の焼結多結晶体は裏打ちされず、基板がなくても自立するように形成される場合がある。
超硬質材料層に接着する前に基板を完全に焼結する場合もあり、基板が未焼結（完全に焼結しない）の場合もある。後者の場合、ＨＰＨＴ焼結プロセス中に基板を完全に焼結してよい。基板は粉末状でよく、超硬質材料層を焼結するのに使用する焼結プロセス中に固体化してよい。
或いは、固体の焼結多結晶体は裏打ちされず、基板がなくても自立するように形成される場合がある。
【0004】
図１は焼結ＰＣＢＮ材料を作製する例示的な方法を示す。以下の数字は図１の数字と一致する。
Ｓ１．マトリックス前駆体粉末を予め混合する。マトリックス前駆体粉末の例としては、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。マトリックス前駆体粉末の典型的な平均粒子径は１μｍ～１０μｍである。
Ｓ２．マトリックス前駆体粉末を１０００℃超で少なくとも１時間加熱処理して、マトリックス前駆体微粒子間の予反応を開始し、「ケーキ」を形成する。
Ｓ３．ケーキを破砕及び篩分けし、所望の粒子径画分を得る。
Ｓ４．篩分けしたマトリックス前駆体粉末に、平均粒子径が０．５μｍ～１５μｍである立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子を添加する。
Ｓ５．結果として生じる混合粉末をボールミル粉砕してマトリックス前駆体粉末を所望の径（典型的に５０ｎｍ～７００ｎｍ）まで小さくし、マトリックス前駆体粉末をｃＢＮ微粒子と密に混合する。このプロセスは数時間かかる場合があり、炭化タングステンボールなどの粉砕媒体を使用することを含む。
Ｓ６．結果として生じる粉砕粉末を真空下又は低圧下６０℃超で乾燥させて溶媒を除去し、続いて酸素をこの系にゆっくりと入れることにより調整して、アルミニウムなどの金属表面を不動態化する。
Ｓ７．乾燥した粉末を篩分けし、プレコンポジットアセンブリ(pre-composite assembly)を調製する。
Ｓ８．プレコンポジットアセンブリを７００℃超で加熱処理して任意の吸着水又は気体を除去する。
Ｓ９．ガス放出したプレコンポジットアセンブリを焼結に好適なカプセルに組み立てる。
Ｓ１０．カプセルを少なくとも１２５０℃、少なくとも４ＧＰａの高圧高温（ＨＰＨＴ）プロセスで焼結して焼結ＰＣＢＮ材料を形成する。
Ｓ１．マトリックス前駆体粉末を予め混合する。マトリックス前駆体粉末の例としては、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。マトリックス前駆体粉末の典型的な平均粒子径は１μｍ～１０μｍである。
Ｓ２．マトリックス前駆体粉末を１０００℃超で少なくとも１時間加熱処理して、マトリックス前駆体微粒子間の予反応を開始し、「ケーキ」を形成する。
Ｓ３．ケーキを破砕及び篩分けし、所望の粒子径画分を得る。
Ｓ４．篩分けしたマトリックス前駆体粉末に、平均粒子径が０．５μｍ～１５μｍである立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）微粒子を添加する。
Ｓ５．結果として生じる混合粉末をボールミル粉砕してマトリックス前駆体粉末を所望の径（典型的に５０ｎｍ～７００ｎｍ）まで小さくし、マトリックス前駆体粉末をｃＢＮ微粒子と密に混合する。このプロセスは数時間かかる場合があり、炭化タングステンボールなどの粉砕媒体を使用することを含む。
Ｓ６．結果として生じる粉砕粉末を真空下又は低圧下６０℃超で乾燥させて溶媒を除去し、続いて酸素をこの系にゆっくりと入れることにより調整して、アルミニウムなどの金属表面を不動態化する。
Ｓ７．乾燥した粉末を篩分けし、プレコンポジットアセンブリ(pre-composite assembly)を調製する。
Ｓ８．プレコンポジットアセンブリを７００℃超で加熱処理して任意の吸着水又は気体を除去する。
Ｓ９．ガス放出したプレコンポジットアセンブリを焼結に好適なカプセルに組み立てる。
Ｓ１０．カプセルを少なくとも１２５０℃、少なくとも４ＧＰａの高圧高温（ＨＰＨＴ）プロセスで焼結して焼結ＰＣＢＮ材料を形成する。
【0005】
欧州では、タングステン（Ｗ）及びコバルト（Ｃｏ）のどちらも重要原材料（ＣＲＭ）として分類されている。ＣＲＭはヨーロッパ経済に経済的、戦略的に重要であるとみなされる原材料である。原則として、供給に伴うリスクが高く、家電製品、環境技術、自動車、航空宇宙、防衛、保健及び鋼など、ヨーロッパ経済における主要部門に著しく重要であり、（実行可能な）代替品を欠いている。タングステン及びコバルトのどちらも、２つの重要な硬質材料である超硬炭化物／ＷＣ－Ｃｏ及びＰＣＤ／ダイヤモンド－Ｃｏの主要な構成要素である。
【発明の概要】
【0006】
本発明の目的は、ツール操作用の実行可能な代替材料を開発することであり、代替材料は極端な条件下で良好に機能し、ＷＣ－Ｃｏ裏張りを使用する必要がないものである。
【0007】
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、
－４０～９５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％～６０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アルミニウム若しくはその化合物、及び／又ははチタン若しくはその化合物を含み、
－バインダマトリックス材料が酸化物化合物、窒化物化合物及び／又は酸窒化物化合物を更に含み、窒化物化合物が以下のＨｆＮ、ＶＮ及び／又はＮｂＮのいずれか１つ又は複数から選択される、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料を提供する。
任意に、酸窒化物化合物はＰＣＢＮ材料の５体積％～３５体積％の量で存在する。
任意に、酸窒化物化合物はＰＣＢＮ材料の１０体積％～２５体積％の量で存在する。
任意に、酸窒化物化合物はＡｌＯＮを含む。
任意に、酸化物化合物はＡｌ2Ｏ3を含む。Ａｌ2Ｏ3はＰＣＢＮ材料の１０体積％又は２５体積％の量で存在してよい。
任意に、ＨｆＮはＰＣＢＮ材料の１０体積％又は２５体積％の量で存在する。バインダマトリックス材料はＨｆＢ2及び／又はＢＮを更に含んでよい。
任意に、ＶＮはＰＣＢＮ材料の１０体積％又は２５体積％の量で存在する。バインダマトリックス材料はＡｌＮ及び／又はＢＮを更に含んでよい。
任意に、ＮｂＮはＰＣＢＮ材料の１０体積％又は２５体積％の量で存在する。
任意に、アルミニウム（Ａｌ）又はその化合物は、ＰＣＢＮ材料の２～１５体積％、好ましくは５～１５体積％、より好ましくは５体積％の量で存在する。
ＰＣＢＮ材料は５０～７０体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）を含んでよい。任意に、ＰＣＢＮ材料は６０体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）を含む。
－４０～９５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％～６０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アルミニウム若しくはその化合物、及び／又ははチタン若しくはその化合物を含み、
－バインダマトリックス材料が酸化物化合物、窒化物化合物及び／又は酸窒化物化合物を更に含み、窒化物化合物が以下のＨｆＮ、ＶＮ及び／又はＮｂＮのいずれか１つ又は複数から選択される、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料を提供する。
任意に、酸窒化物化合物はＰＣＢＮ材料の５体積％～３５体積％の量で存在する。
任意に、酸窒化物化合物はＰＣＢＮ材料の１０体積％～２５体積％の量で存在する。
任意に、酸窒化物化合物はＡｌＯＮを含む。
任意に、酸化物化合物はＡｌ2Ｏ3を含む。Ａｌ2Ｏ3はＰＣＢＮ材料の１０体積％又は２５体積％の量で存在してよい。
任意に、ＨｆＮはＰＣＢＮ材料の１０体積％又は２５体積％の量で存在する。バインダマトリックス材料はＨｆＢ2及び／又はＢＮを更に含んでよい。
任意に、ＶＮはＰＣＢＮ材料の１０体積％又は２５体積％の量で存在する。バインダマトリックス材料はＡｌＮ及び／又はＢＮを更に含んでよい。
任意に、ＮｂＮはＰＣＢＮ材料の１０体積％又は２５体積％の量で存在する。
任意に、アルミニウム（Ａｌ）又はその化合物は、ＰＣＢＮ材料の２～１５体積％、好ましくは５～１５体積％、より好ましくは５体積％の量で存在する。
ＰＣＢＮ材料は５０～７０体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）を含んでよい。任意に、ＰＣＢＮ材料は６０体積％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）を含む。
【0008】
本発明の第２の態様によれば、
－・立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粉末
・酸化物含有粉末
・ＨｆＮ、ＶＮ及び／又はＮｂＮから選択される窒化物含有粉末
・アルミニウム含有粉末及び／又はチタン含有粉末
の前駆体粉末を粉砕することと、
－粉砕した前駆体粉末を成形してグリーン体を形成することと；
－１２５０℃～２２００℃の温度、４．０ＧＰａ～８．５ＧＰａの圧力でグリーン体を焼結して本発明の第１の態様に従って焼結ＰＣＢＮ材料を形成することと、
を含む、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料の作製方法を提供する。
任意に、酸化物含有粉末はＡｌ2Ｏ3を含む。
任意に、温度は１２５０℃～１４５０℃である。
任意に、温度は１３５０℃である。
任意に、圧力は約６．５ＧＰａである。
任意に、温度は１８００℃～２１００℃である。
任意に、圧力は約８ＧＰａである。
－・立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粉末
・酸化物含有粉末
・ＨｆＮ、ＶＮ及び／又はＮｂＮから選択される窒化物含有粉末
・アルミニウム含有粉末及び／又はチタン含有粉末
の前駆体粉末を粉砕することと、
－粉砕した前駆体粉末を成形してグリーン体を形成することと；
－１２５０℃～２２００℃の温度、４．０ＧＰａ～８．５ＧＰａの圧力でグリーン体を焼結して本発明の第１の態様に従って焼結ＰＣＢＮ材料を形成することと、
を含む、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料の作製方法を提供する。
任意に、酸化物含有粉末はＡｌ2Ｏ3を含む。
任意に、温度は１２５０℃～１４５０℃である。
任意に、温度は１３５０℃である。
任意に、圧力は約６．５ＧＰａである。
任意に、温度は１８００℃～２１００℃である。
任意に、圧力は約８ＧＰａである。
【0009】
本発明の第３の態様によれば、本発明の第１の態様に従ってＰＣＢＮ材料の、耐熱超合金を機械加工するための使用を提供する。該耐熱超合金はオーステナイトニッケル－クロム系超合金の一種であるインコネル（商標）を含んでよい。
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。
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】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
図２は例示的な工程を示すフローチャートであり、以下の数字は図２の数字と一致する。
Ｓ１．前駆体粉末を粉砕して、密な混合物を形成し、所望の粒子径を得る。前駆体粉末は酸化物含有粉末、窒化物含有粉末、アルミニウム粉末、及びｃＢＮ粉末を含む。前駆体粉末の混合は、ボールミル粉砕技術を使用して有機溶媒中で実施し、ロータリーエバポレータで乾燥させた。
Ｓ２．粉砕した前駆体粉末を乾式プレスして、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。ＨＰＨＴ焼結の場合、焼結後の寸法変化が小さくなるように、具体的に、乾燥後に粉末をソフトモールドに充填した後、冷間静水圧プレスを使用することにより圧縮して粉末を成形し、高いグリーン密度のグリーン体を形成する。
その後、グリーン体を異なる高さに切断して、ＨＰＨＴカプセルに入れる。
Ｓ３．その後、乾式プレスしたグリーン体を高温真空熱処理に付した後、カプセルで焼結する。
これまでに生成した材料を２つの条件下：
－約６．５ＧＰａの圧力、１２５０℃～１４５０℃の温度、典型的に１３５０℃；
－約８ＧＰａの圧力、１８００℃～２１００℃の温度
で焼結した。
焼結温度はＳ型熱電対を使用して１８００℃までに較正した。
Ｓ４．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。
Ｓ１．前駆体粉末を粉砕して、密な混合物を形成し、所望の粒子径を得る。前駆体粉末は酸化物含有粉末、窒化物含有粉末、アルミニウム粉末、及びｃＢＮ粉末を含む。前駆体粉末の混合は、ボールミル粉砕技術を使用して有機溶媒中で実施し、ロータリーエバポレータで乾燥させた。
Ｓ２．粉砕した前駆体粉末を乾式プレスして、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。ＨＰＨＴ焼結の場合、焼結後の寸法変化が小さくなるように、具体的に、乾燥後に粉末をソフトモールドに充填した後、冷間静水圧プレスを使用することにより圧縮して粉末を成形し、高いグリーン密度のグリーン体を形成する。
その後、グリーン体を異なる高さに切断して、ＨＰＨＴカプセルに入れる。
Ｓ３．その後、乾式プレスしたグリーン体を高温真空熱処理に付した後、カプセルで焼結する。
これまでに生成した材料を２つの条件下：
－約６．５ＧＰａの圧力、１２５０℃～１４５０℃の温度、典型的に１３５０℃；
－約８ＧＰａの圧力、１８００℃～２１００℃の温度
で焼結した。
焼結温度はＳ型熱電対を使用して１８００℃までに較正した。
Ｓ４．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。
【実施例】
【0012】
表１に、ＴｉＣ及びＴｉＣＮの参考サンプルと共に、本研究に含まれるＰｃＢＮ組成物の全てを記載する。本セクションにおいて、ＬＰＬＴは低圧低温を表し、ＨＰＨＴは高圧高温を表す。
表１
以下、実施例１、２及び３をより詳細に説明する。本発明及び参考の表１に挙げる他のサンプルを調製し、特徴づけた後、実施例１、２及び３と類似の方法で試験した。
【表1】
表１
以下、実施例１、２及び３をより詳細に説明する。本発明及び参考の表１に挙げる他のサンプルを調製し、特徴づけた後、実施例１、２及び３と類似の方法で試験した。
【0013】
実施例１
Ｓ１．上記の通り、表１に示す割合で、Ａｌ2Ｏ3及びＨｆＮを含む前駆体粉末をｃＢＮ粉末及びＡｌ粉末と混合した。
Ｓ２．その後、前駆体粉末を成形して金属封止内でグリーン体を形成した。
Ｓ３．グリーン体をカプセル内に設置した後、焼結した。
Ｓ４．焼結品であるＰＣＢＮ材料を室温まで冷却し、その後の特性評価及び適用試験の準備を整えた。
図３のＸＲＤトレースは、焼結品中にＨｆＮ、ＨｆＢ2、Ａｌ2Ｏ3及びＢＮの存在を示している。図４は結果として生じる微細構造を示し、図５のＥＤＳ画像はサンプルの選択面積における微細構造の組成の分析を示す。
Ｓ１．上記の通り、表１に示す割合で、Ａｌ2Ｏ3及びＨｆＮを含む前駆体粉末をｃＢＮ粉末及びＡｌ粉末と混合した。
Ｓ２．その後、前駆体粉末を成形して金属封止内でグリーン体を形成した。
Ｓ３．グリーン体をカプセル内に設置した後、焼結した。
Ｓ４．焼結品であるＰＣＢＮ材料を室温まで冷却し、その後の特性評価及び適用試験の準備を整えた。
図３のＸＲＤトレースは、焼結品中にＨｆＮ、ＨｆＢ2、Ａｌ2Ｏ3及びＢＮの存在を示している。図４は結果として生じる微細構造を示し、図５のＥＤＳ画像はサンプルの選択面積における微細構造の組成の分析を示す。
【0014】
実施例２
Ｓ１．上記の通り、表１に示す割合で、Ａｌ2Ｏ3及びＶＮを含む前駆体粉末をｃＢＮ粉末と混合した。
Ｓ２．その後、前駆体粉末を成形して金属封止内でグリーン体を形成した。
Ｓ３．グリーン体をカプセル内に設置した後、ＬＰＬＴ焼結した。
Ｓ４．焼結品であるＰＣＢＮ材料を室温まで冷却し、その後の特性評価及び適用試験の準備を整えた。
図６のＸＲＤトレースは、焼結品中にＶＮ、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3及びＢＮの存在を示している。図７は結果として得られる微細構造を示し、図８のＥＤＳ画像はサンプルの選択面積における微細構造の組成の分析を示す。
Ｓ１．上記の通り、表１に示す割合で、Ａｌ2Ｏ3及びＶＮを含む前駆体粉末をｃＢＮ粉末と混合した。
Ｓ２．その後、前駆体粉末を成形して金属封止内でグリーン体を形成した。
Ｓ３．グリーン体をカプセル内に設置した後、ＬＰＬＴ焼結した。
Ｓ４．焼結品であるＰＣＢＮ材料を室温まで冷却し、その後の特性評価及び適用試験の準備を整えた。
図６のＸＲＤトレースは、焼結品中にＶＮ、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3及びＢＮの存在を示している。図７は結果として得られる微細構造を示し、図８のＥＤＳ画像はサンプルの選択面積における微細構造の組成の分析を示す。
【0015】
実施例３
Ｓ１．上記の通り、表１に示す割合で、Ａｌ2Ｏ3及びＶＮを含む前駆体粉末をｃＢＮ粉末と混合した。
Ｓ２．その後、前駆体粉末を成形してグリーン体を形成した。
Ｓ３．グリーン体を切断し、カプセル内に設置した後、ＨＰＨＴ焼結した。
Ｓ４．焼結品であるＰＣＢＮ材料を室温まで冷却し、その後の特性評価及び適用試験の準備を整えた。
図９のＸＲＤトレースは、焼結品中にＶＮ、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3及びＢＮの存在を示している。サンプルのＳＥＭ写真及びＥＤＳ画像を撮影したが、ここには包含しない。
Ｓ１．上記の通り、表１に示す割合で、Ａｌ2Ｏ3及びＶＮを含む前駆体粉末をｃＢＮ粉末と混合した。
Ｓ２．その後、前駆体粉末を成形してグリーン体を形成した。
Ｓ３．グリーン体を切断し、カプセル内に設置した後、ＨＰＨＴ焼結した。
Ｓ４．焼結品であるＰＣＢＮ材料を室温まで冷却し、その後の特性評価及び適用試験の準備を整えた。
図９のＸＲＤトレースは、焼結品中にＶＮ、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3及びＢＮの存在を示している。サンプルのＳＥＭ写真及びＥＤＳ画像を撮影したが、ここには包含しない。
【0016】
硬さ
ビッカース硬さ試験を使用して、サンプルを更に特徴づけた。ビッカース硬さ（ＨＶ）は、所定の荷重でダイヤモンドのピラミッド形の圧子を導入し、サンプル材料に残ったへこみの対角線の長さ（例、図１０を参照のこと）を測定することにより計算する。
表２は異なる条件において、粉末１及び２から焼結したサンプルの硬さを示す。
表２
結果は、すべてのサンプルが比較的高い硬度を有するが、更に高圧高温での焼結はわずかにではあるが硬度を高めることを示す。
ビッカース硬さ試験を使用して、サンプルを更に特徴づけた。ビッカース硬さ（ＨＶ）は、所定の荷重でダイヤモンドのピラミッド形の圧子を導入し、サンプル材料に残ったへこみの対角線の長さ（例、図１０を参照のこと）を測定することにより計算する。
表２は異なる条件において、粉末１及び２から焼結したサンプルの硬さを示す。
【表2】
表２
結果は、すべてのサンプルが比較的高い硬度を有するが、更に高圧高温での焼結はわずかにではあるが硬度を高めることを示す。
【0017】
適用試験
その後、異なるバインダケミストリを有するＰＣＢＮの変形体を用い、ロックウェル硬さがＨＲＣ４４～４６である時効後のインコネル（商標）７１８に倣い加工を行う試験を実施した。結果を図１１に示す。図１１は表面切削速度ＶC（ｍ／分）と摩耗率（μｍ／分）を示すグラフである。ほとんどのサンプルについて、摩耗率を異なる３つの切削速度で測定した。これらの表面切削速度は２８０ｍ／分、３５０ｍ／分及び４２０ｍ／分であった。
全般的に参考のＴｉＣバインダを１０に、ＴｉＣＮバインダを１２に示す。Ａｌ2Ｏ3－ＶＮ（ＨＰＨＴ）は参照番号１４である。Ａｌ2Ｏ3－ＶＮ（ＬＰＬＴ）は参照番号１６である。Ａｌ2Ｏ3－ＮｂＮ（ＨＰＨＴ）は参照番号１８である。Ａｌ2Ｏ3－ＨｆＮ（ＨＰＨＴ）は参照番号２０であり、単一のデータ点である。
図１１から、表１のすべてのサンプルが参考サンプルより良好に機能することは明らかである。
また、グラフ上の参照番号１４及び１６のサンプル（つまりＡｌ2Ｏ3－ＶＮバインダケミストリを有する）を参照すると、ＨＰＨＴ条件下での焼結と比較して、ＬＰＬＴ条件下で焼結する場合、摩耗率にわずかな差がある。
Ａｌ2Ｏ3－ＶＮ（ＨＰＨＴ又はＬＰＬＴ）は、いずれのサンプルよりも良好に機能する。Ａｌ2Ｏ3－ＮｂＮは２番目に良好に機能し、Ａｌ2Ｏ3－ＨｆＮが続く。
図１２を参照する。第１の適用試験と類似する第２試験を実施した。第２試験は、ロックウェル硬さがＨＲＣ４４～４６である時効後のインコネル（商標）７１８の縦方向加工におけるＡｌ2Ｏ3－ＶＮバインダケミストリの性能に焦点を当てた。ＬＰＬＴ及びＨＰＨＴどちらも検討した。
図１２は表面切削速度ＶC（ｍ／分）と摩耗率（μｍ／分）を示す棒グラフである。単一の表面切削速度３５０ｍ／分を使用した。結果は、ＬＰＬＴ及びＨＰＨＴ変形体はどちらも参考のＴｉＣバインダケミストリよりも著しく良好に機能することを示した。更に、ＬＰＬＴ及びＨＰＨＴ変形体間の摩耗率の性能差が極小であることを示した。
図１３～１５は生じる摩耗痕を示す。ＬＰＬＴ及びＨＰＨＴのＡｌ2Ｏ3－ＶＮバインダケミストリに関する摩耗痕はＴｉＣ参考サンプルよりも著しく小さい。
要約すると、本発明者は極端なツール用途で使用するのに好適であり、ＣＲＭの実行可能な代替物であるいくつかの材料を特定するのに成功している。特に、ＰＣＢＮ材料はインコネル（商標）７１８を機械加工するのに特に好適であり、超硬炭化物製品より多くの利点がある。
その後、異なるバインダケミストリを有するＰＣＢＮの変形体を用い、ロックウェル硬さがＨＲＣ４４～４６である時効後のインコネル（商標）７１８に倣い加工を行う試験を実施した。結果を図１１に示す。図１１は表面切削速度ＶC（ｍ／分）と摩耗率（μｍ／分）を示すグラフである。ほとんどのサンプルについて、摩耗率を異なる３つの切削速度で測定した。これらの表面切削速度は２８０ｍ／分、３５０ｍ／分及び４２０ｍ／分であった。
全般的に参考のＴｉＣバインダを１０に、ＴｉＣＮバインダを１２に示す。Ａｌ2Ｏ3－ＶＮ（ＨＰＨＴ）は参照番号１４である。Ａｌ2Ｏ3－ＶＮ（ＬＰＬＴ）は参照番号１６である。Ａｌ2Ｏ3－ＮｂＮ（ＨＰＨＴ）は参照番号１８である。Ａｌ2Ｏ3－ＨｆＮ（ＨＰＨＴ）は参照番号２０であり、単一のデータ点である。
図１１から、表１のすべてのサンプルが参考サンプルより良好に機能することは明らかである。
また、グラフ上の参照番号１４及び１６のサンプル（つまりＡｌ2Ｏ3－ＶＮバインダケミストリを有する）を参照すると、ＨＰＨＴ条件下での焼結と比較して、ＬＰＬＴ条件下で焼結する場合、摩耗率にわずかな差がある。
Ａｌ2Ｏ3－ＶＮ（ＨＰＨＴ又はＬＰＬＴ）は、いずれのサンプルよりも良好に機能する。Ａｌ2Ｏ3－ＮｂＮは２番目に良好に機能し、Ａｌ2Ｏ3－ＨｆＮが続く。
図１２を参照する。第１の適用試験と類似する第２試験を実施した。第２試験は、ロックウェル硬さがＨＲＣ４４～４６である時効後のインコネル（商標）７１８の縦方向加工におけるＡｌ2Ｏ3－ＶＮバインダケミストリの性能に焦点を当てた。ＬＰＬＴ及びＨＰＨＴどちらも検討した。
図１２は表面切削速度ＶC（ｍ／分）と摩耗率（μｍ／分）を示す棒グラフである。単一の表面切削速度３５０ｍ／分を使用した。結果は、ＬＰＬＴ及びＨＰＨＴ変形体はどちらも参考のＴｉＣバインダケミストリよりも著しく良好に機能することを示した。更に、ＬＰＬＴ及びＨＰＨＴ変形体間の摩耗率の性能差が極小であることを示した。
図１３～１５は生じる摩耗痕を示す。ＬＰＬＴ及びＨＰＨＴのＡｌ2Ｏ3－ＶＮバインダケミストリに関する摩耗痕はＴｉＣ参考サンプルよりも著しく小さい。
要約すると、本発明者は極端なツール用途で使用するのに好適であり、ＣＲＭの実行可能な代替物であるいくつかの材料を特定するのに成功している。特に、ＰＣＢＮ材料はインコネル（商標）７１８を機械加工するのに特に好適であり、超硬炭化物製品より多くの利点がある。
【0018】
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、「バインダマトリックス材料」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。
「バインダマトリックス前駆体粉末」という用語は、ＨＰＨＴ又はＬＰＬＴ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。
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。
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、「バインダマトリックス材料」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。
「バインダマトリックス前駆体粉末」という用語は、ＨＰＨＴ又はＬＰＬＴ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。
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。
【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】
【国際調査報告】