焼結体
【課題】非炭化物支持形態の工具材料に関し、十分な強度、強靱性と耐摩耗性に優れ、特に鋳鉄の重機械加工に必要な耐腐食性および耐付着摩耗性に優れる工具材料の提供。
【解決手段】工具に使用するための立方晶窒化ホウ素（ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ、略称ｃＢＮ）焼結体が、（ｉ）立方晶窒化ホウ素と、（ｉｉ）酸化アルミニウムと、（ｉｉｉ）１若しくはそれ以上の高融点金属化合物と、（ｉｖ）アルミニウムおよび／または１若しくはそれ以上の非酸化アルミニウム化合物との混合物を焼結することにより得られる。
【解決手段】工具に使用するための立方晶窒化ホウ素（ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ、略称ｃＢＮ）焼結体が、（ｉ）立方晶窒化ホウ素と、（ｉｉ）酸化アルミニウムと、（ｉｉｉ）１若しくはそれ以上の高融点金属化合物と、（ｉｖ）アルミニウムおよび／または１若しくはそれ以上の非酸化アルミニウム化合物との混合物を焼結することにより得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連する出願および優先権の主張
本出願は、２００４年２月２０日付け申請済み米国仮特許出願第６０／５４６，６６９号に対して優先権を主張するものであり、この参照により本明細書に組み込まれるものである。
【０００２】
本明細書に含まれる説明は、全般的に切削、フライス加工、および／または旋削工具に関する。より具体的には、本説明は、全般的に、立方晶窒化ホウ素（ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ、略称ｃＢＮ）超砥粒工具と、その作成方法および使用方法とに関する。
【背景技術】
【０００３】
立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の硬度は、ダイヤモンド以外のあらゆる既知の物質より高い。ただし、ｃＢＮはダイヤモンドより鉄鋼材との反応性が低いため、ｃＢＮは鉄の被加工物（ワークピース）における材料除去の用途で広く使用されるようになってきている。多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体（ｓｉｎｔｅｒｅｄ ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ、略称ＰＣＢＮ）材料は、当該技術分野でよく知られており、鉄の機械加工用途で広く使用されている。
【０００４】
ＰＣＢＮの焼結体は、大別して２つの材料クラスに分類できる。その第１の分類は７０％以上の比較的高いｃＢＮの体積パーセントにより特徴付けられ、鋳鉄の機械加工用途で広く使われている。例えば、米国特許第３，７４３，４８９号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、ｃＢＮ粒子と、粒間に充填した金属結合剤とが直接結合した強靭なｃＢＮ焼結体について説明している。第２の分類は、セラミック結合相内に分散された、より低い体積パーセントのｃＢＮにより特徴付けられる（７０％未満）。この第２のタイプの例は硬化鋼の旋削に広く使用されており、Ｈａｒａらの米国特許第４，３３４，９２８号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）に見ることができる。前記セラミック結合相には、周期表の第ＩＶａ族金属および第Ｖａ族金属の炭化物、窒化物、および／またはホウ化物を含有させることができる。どちらのタイプのＰＣＢＮも、支持されていない固形の形態と、切削工具および工具挿入部材の製造用に炭化タングステン（タングステンカーバイド）で支持された形態とで市販されている。
【０００５】
先行技術は進歩しているものの、ある種の鋳鉄、特に白鉄は、依然として機械加工が非常に困難でコスト高な材料である。大規模な白鉄鋳造用の重機械加工作業では、０．１０インチまで、またはそれを超える非常に深い切削が行われる。これらの極端な機械加工条件下では、例外的に強靭で耐磨耗性のある材料が必要になる。この状況は、工具および被加工物間の化学磨耗（腐食）および付着摩耗の作用により、さらに複雑化される。多くの鋳鉄は、ｃＢＮに対し鉄より反応性の高い元素を含有する。例えばクロムは、多くの白鋳鉄で最高３４重量％のレベルで見られる。この腐食作用が、工具材料に対する要件をより厳しいものにしている。
【０００６】
現在、鋳鉄の重機械加工で使用されるＰＣＢＮ材料分類としては、ｃＢＮ含有量の高い固形ＰＣＢＮが最も優れている。このような材料で市販されているものの例にはＡＭＢ９０がある（Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｉｘより入手可）。この材料は、アルミニウムセラミック結合剤内の平均粒径が９μｍで約９０体積％のｃＢＮからなる。同様に、Ｗｉｌｓｏｎの米国特許第４，６６６，４６６号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、金属アルミニウムおよびｃＢＮ粉末の混合物を高圧高温条件下で反応させ、ｃＢＮ粒子間にＡｌＮおよびＡｌＢ２が散在する焼結体を形成させたものから調製した材料を説明している。このアプローチでは比較的良好な強靱性と耐摩耗性の材料が得られるが、鋳鉄の重機械加工について真に最適な材料に必要な耐腐食性および耐付着摩耗性に関する要件には十分に応えられない。
【０００７】
結合相を修正することにより高ｃＢＮ含有量ＰＣＢＮ材料の耐腐食性を改善する各種方法を教示した参考文献はいくつか存在する。Ｙａｚｕらの米国特許第４，３４３，６５１号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、周期表第ＩＶｂ族および第Ｖｂ族の遷移金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、およびそれらの混合物とそれらの固溶体化合物、およびアルミニウム化合物であって、マトリックス内のアルミニウム含有量が５〜３０重量％であり、前記マトリックス内の粒子サイズが１μｍ未満のアルミニウム化合物からなる群から選択された少なくとも１つの結合剤材料を含む結合相とともに焼結された、粒子サイズ１０μｍ未満でｃＢＮが８０〜９５体積％のＰＣＢＮ組成物を説明している。Ｎａｋａｉらの米国特許第４，３８９，４６５号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、本質的に粒子サイズ５μｍ未満の２０〜８０体積％のｃＢＮと、残り部分のＡｌ２Ｏ３とからなる焼結体について説明している。Ｕｅｄａらの米国特許第４，６１９，６９８号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、１〜２０重量％のＴｉＣおよび／またはＴｉＣＮと、ＣｏＡｌ、ＮｉＡｌ、および（Ｃｏ，Ｎｉ）Ａｌからなる群から選択される１〜２０重量％の化合物とからなる結合相においてｃＢＮが７５〜９７重量％のＰＣＢＮ材料を説明している。
【０００８】
さらに別の例としては、Ｎａｋａｉらの米国特許第４，９１１，７５６号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）で、約５０〜７５体積％のｃＢＮと、２０〜５０重量％のＡｌと４〜４０重量％のタングステンとを含み且つ残部は周期表第ＩＶａ族、第Ｖａ族、または第ＶＩａ族の炭化物と窒化物と炭窒化物とを含む約２５〜５０％の結合剤とを含む混合物を焼結して得られる焼結体が説明されている。Ｎａｋａｉらの米国特許第５，０３４，０５３号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、５〜２５重量％のＡｌと、残部は（Ｈｆｌ−ｚＭｚ）Ｃで表される少なくとも１種の化合物（ここで、ＭはＨｆを除く周期表第ＩＶａ族、第Ｖａ族、および第ＶＩａ族からなる群から選択される元素であり、条件０<＝ｚ<＝０．３が満たされるものである）とからなる結合相中に４５〜７５体積％のｃＢＮを含むＰＣＢＮ材料を説明している。Ｆｕｋａｙａらの米国特許第５，０４１，３９９号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、２０〜７０体積％のｃＢＮと、２〜２０重量％のアルミニウムと２〜２０重量％のタングステンと残部がＴｉＮｚ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）ｚ、ＴｉＣｚ、（Ｔｉ，Ｍ）Ｎｚ、（Ｔｉ，Ｍ）（Ｃ，Ｎ）ｚ、および（Ｔｉ，Ｍ）Ｃｚからなる群から選択される１若しくはそれ以上のＴｉ化合物から形成された残部とからなる結合剤粉末とを含む粉末混合物を焼結して得られるＰＣＢＮ材料について説明している。ここで、Ｍは、Ｔｉを除く周期表第ＩＶａ族、第Ｖａ族、および第ＶＩａ族のうち任意の１つに属す１つまたは複数の遷移金属元素を表し、ｚは０．１〜０．４の範囲であり、さらに結合剤は、ＡｌおよびＡｌとＴｉの化合物のうち少なくとも１つの形態でＡｌを含み、Ｗ、ＷＣ、およびＷとＴｉの化合物のうち少なくとも１つの形態でＷを含み、また、Ｔｉを含む周期表第ＩＶａ族、第Ｖａ族、および第ＶＩａ族のうち任意の１つに属する１つまたは複数の遷移金属元素に対するＴｉの原子比率は少なくとも２／３で９７／１００を超えないで、ｃＢＮ結晶は前記焼結体の結合剤により形成される結合相を介し互いに結合する。
【０００９】
Ｕｅｄａらの米国特許第５，３２８，８７５号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、ｃＢＮと、酸素を含むＴｉ２−３ＡｌＣ、Ｔｉ２−３ＡｌＮ、およびＴｉ２−３ＡｌＣＮのうちの１若しくはそれ以上との反応により得られる分解済みの２０〜４８体積％の反応相からなる結合相中にｃＢＮ粒子を分散させたＰＣＢＮ材料を説明している。ここで、前記分解済み反応相は、ＴｉＣ、ＴｉＮ、およびＴｉＣＮのうち１若しくはそれ以上と、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、およびＴｉＢ２のうち１若しくはそれ以上とを含有し、前記結合相中のｃＢＮ結晶粒径は１μｍ未満である。
【００１０】
Ｙａｏらの米国特許第５，８３０，８１３号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、ＰＣＢＮ材料を作成する方法であって、ｃＢＮ結晶と、炭窒化チタンおよび炭窒化チタンアルミニウムとからなる群から選択される高融点材料粉末と、コバルトの原料と、アルミニウムの原料との混合物を形成する工程と、前記混合物の成分の少なくとも一部を、１１００℃〜１２５０℃範囲の温度でアンモニアにより処理する工程と、高温高圧の条件下で前記混合物を焼結する工程とを有する方法について説明している。
【００１１】
Ｃｏｌｌｉｅｒらの米国特許第６，３３１，４９７号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、切削工具であって、ｃＢＮ粒径１０〜１７μｍの多結晶ｃＢＮと、二ホウ化チタン、二ホウ化アルミニウム、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、炭窒化チタンアルミニウム、および（ＴｉｘＭｙ）ＣＮからなる群から選択される２〜１５重量％の材料を含有する結合相とからなる切削工具について説明している。ここで、合金金属Ｍは、シリコン、クロム、コバルト、タングステン、およびタンタルのうち１若しくはそれ以上であってよく、チタンに対する合金金属の比率ｙ／ｘは０．０５〜０．３の範囲であり、溶浸材はアルミニウムおよび／またはシリコンを含み、その溶浸材には、炭化ケイ素を形成するためシリコンとともに化学量論を超えるダイヤモンドが含まれる。
【００１２】
特開平０７−０８２０３１（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、粒子直径１μｍ以下で５〜３０体積％のアルミナ（酸化アルミニウム）と、３〜２０体積％の窒化またはホウ化アルミニウムと、１０〜４０体積％の炭化または窒化チタンと、３〜２０体積％のホウ化チタンとからなる結合相中で１０〜７０体積％のｃＢＮからなるｃＢＮ焼結体について開示している。この焼結体は、従来の生成物より耐用年数が長く、すなわち破砕に対する強靱性、耐熱衝撃性、耐欠損性、および耐酸化性が改善されているため、優れていると報告されている。
【００１３】
特開平０８−１２６９０３（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、改善された耐磨耗性を伴う別のｃＢＮ焼結体が開示されている。このｃＢＮ焼結体は、２０〜４０体積％の炭化または窒化チタンと、１〜５体積％の窒化アルミニウムと、３〜７体積％のホウ化チタンと、３〜１５体積％の酸化アルミニウムと、残部がｃＢＮとからなるものとを含有し、少なくとも６０％のｃＢＮ粒子領域が相互結合している。
【００１４】
特開２０００−２４７７４６および特開２０００−２１８４１１（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、粒径１μｍ未満で３０〜９０体積％のｃＢＮと、平均粒径２〜１０μｍで１０〜７０体積％のｃＢＮと、４〜６５体積％の結合相であって、ＡｌＮと、Ａｌ２Ｏ３と、周期表第ＩＶａ族、第Ｖａ族、および／または第ＶＩａ族の金属のホウ化物と、それらと同じ族から得られる非ホウ化化合物と、少なくとも１つの第ＶＩＩＩ族元素とからなる４〜６５体積％の結合相とを含んだＰＣＢＮ材料を開示している。このｃＢＮ混合物は一部粗い粒子を含むが、最終的な焼結体の容積測定的平均粒径はほぼ１μｍでなければならない。
【００１５】
特開平０８−１０９０７０（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、８５％を超える割合のｃＢＮおよびＡｌ２Ｏ３と、３０〜８０体積％のｃＢＮと、残部が窒化チタンと窒化アルミニウムと不可避不純物とからなる結合相とを有するＰＣＢＮ材料を開示している。最終焼結体のｃＢＮ含有量は、３０〜８０体積％になる。
【００１６】
特開昭５９−１５３８５１（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、５０〜７０体積％のｃＢＮと、１０〜２０体積％のＡｌ２Ｏ３と、８〜１８体積％のＴｉＮと、８〜１０体積％のアルミニウム粉末と、２〜４体積％のシリコン粉末とからなる混合物を高圧高温で焼結して得られるＰＣＢＮ材料を開示している。
【００１７】
このように、以上のアプローチによる改良が行われてきているが、依然として鋳鉄の重機械加工用に切削工具材料を最適化する必要がある。以下、鋳鉄の機械加工において改善された性能を示しているＰＣＢＮ材料について説明していく。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
工具に使用するための立方晶窒化ホウ素（ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ、略称ｃＢＮ）焼結体は、（ｉ）立方晶窒化ホウ素と、（ｉｉ）酸化アルミニウム、（ｉｉｉ）１若しくはそれ以上の高融点金属化合物と、（ｉｖ）アルミニウムおよび／または１若しくはそれ以上の非酸化アルミニウム化合物との混合物を焼結することにより得られる。これらの焼結体は、固形、すなわち非炭化物で支持された形態の工具材料として使用する上で十分な強度および強靱性を有し、特に鋳鉄の重機械加工に有用である。
【００１９】
一実施形態によれば、工具に使用するための、ｃＢＮ部分と非ｃＢＮ部分とを有する立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結体は、次の混合物を焼結することにより得られる。（ｉ）約７１〜約９３重量％のｃＢＮと、（ｉｉ）約１〜約２０％の酸化アルミニウムと、（ｉｉｉ）約３〜約２６重量％の、１若しくはそれ以上の高融点金属化合物と、（ｉｖ）約３〜約２０重量％の非酸化アルミニウム化合物の原料と、の混合物を焼結することにより得られる。前記高融点金属化合物は、一般式ＭＺ（１−ｘ）を有する１若しくはそれ以上の化合物を含んでよく、ここで、ＺはＣ、Ｂ、Ｎ、またはこれらの組み合わせかからなる群から選択され、Ｍは周期表第ＩＶ〜ＶＩ族からの金属であり、ｘは０．０１〜０．９９の数である、第２のタイプの高融点金属化合物は、一般式ＭＣ（１−ｘ）Ｎｘ、例えばＴｉＣ（１−ｘ）Ｎｘを含有しうる。第３のタイプの高融点金属化合物は、化学式ＭＺまたはＭＺ２を有する２若しくはそれ以上の化合物の組み合わせまたは固溶体を含む。前記焼結体の非ｃＢＮ部分のアルミニウム含有量は、この焼結体全体の約３０重量％を超えうるが、他の組成も可能である。
【００２０】
異なる別の実施形態では、工具に使用するための、ｃＢＮ部分と非ｃＢＮ部分と有するｃＢＮ焼結体は、次の混合物を焼結することにより得られる。（ｉ）約５０〜約９３重量％の窒化ｃＢＮ（任意選択で多峰性の粒径分布を伴う）と、（ｉｉ）約１〜約３０％の酸化アルミニウムと、（ｉｉｉ）約３〜約４６重量％の、例えば周期表第ＩＶ〜ＶＩ族の炭化物、窒化物、ホウ化物、および／または炭窒化物などの、１若しくはそれ以上の高融点金属化合物であって、これらの混合物および／または固溶体を含みうるものと、（ｉｖ）約３〜約３０重量％の１若しくはそれ以上の非酸化アルミニウム化合物の原料（ここで、前記混合物の前記非ｃＢＮ部分のアルミニウム総含有量は、前記焼結体の約１０重量％を超える）との混合物を焼結することにより得られる。
【００２１】
さらに付加的な実施形態は、上述の実施形態の焼結体を作成する工程に関する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、先行技術による挿入部材で大きな産業用鋳造品を機械加工した後の、挿入部材の磨耗面の写真である。
【００２３】
【図２】図２は、本発明の一実施形態に基づいて生成した挿入部材で、図１と同一の大きな産業用鋳造品を機械加工した後の、挿入部材の磨耗面の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本組成および本方法を説明する前に、ここで説明する特定の工程、組成、または方法論に本発明が限定されないことを理解されたい。これは、これらの工程、組成、または方法論が場合により異なりうるためである。また言うまでもなく、本説明で使用する用語は、特定のバージョンまたは実施形態のみを説明することを目的としたものであり、唯一添付の特許請求の範囲よってのみ限定される本発明の範囲を限定するよう意図したものではない。
【００２５】
また、本明細書および添付の請求項において単数形扱いしている名称は、文脈で別段の断わりを明示しない限り、複数形も含む。したがって、例えば「金属」と言及した場合は、当業者に知られている１若しくはそれ以上の金属およびそれと同等のものなどを指す。
【００２６】
特に別段の定義がない限り、本明細書で使用するすべての科学技術用語は、当業者に一般に理解されているものと同じ意味を有する。本明細書で説明した方法および材料は、それらと類似した、または同等のものであればすべて本発明の実施形態の実施または試験に使用しうるが、以下では好適な組成、方法、装置、および材料を説明していく。この明細書で触れる全刊行物は、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである。本明細書のいかなる内容も、先行発明によれば本発明がこのような開示に先行する資格がないと認めるものであると解釈されるべきではない。
【００２７】
一実施形態によれば、工具に使用するための、ｃＢＮ部分と非ｃＢＮ部分を有する立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結体は、次の混合物を焼結することにより得られる。（ｉ）約70〜約９３重量％のｃＢＮと、（ｉｉ）約１〜約２０％の酸化アルミニウムと、（ｉｉｉ）約３〜約２６重量％の１若しくはそれ以上の高融点金属化合物と、（ｉｖ）約３〜約２０重量％の非酸化アルミニウム化合物の原料との混合物。前記高融点金属化合物は、一般式ＭＺ（１−ｘ）を有する１若しくはそれ以上の化合物を含んでよく、ここで、ＺはＣ、Ｂ、Ｎ、またはこれらの組み合わせかからなる群から選択され、Ｍは周期表第ＩＶ〜ＶＩ族からの金属であり、ｘは０．０１〜０．９９の数である、第２のタイプの高融点金属化合物は、一般式ＭＣ（１−ｘ）Ｎｘ、例えばＴｉＣ（１−ｘ）Ｎｘを含有しうる。第３のタイプの高融点金属化合物は、化学式ＭＺまたはＭＺ２を有する２若しくはそれ以上の化合物の組み合わせまたは固溶体を含む。この化合物は、単一の化合物であっても、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２、およびＴｉＣ（１−ｘ）Ｎｘからなる群から選択される少なくとも２つの材料の混合物といった化合物の組み合わせであってもよい。他の適切な化合物も使用しうる。前記焼結体の非ｃＢＮ部分のアルミニウム含有量は、この焼結体の約１０重量％以上を有しうるが、他の組成も可能である。一実施形態では、当該焼結体の非ｃＢＮ部分のアルミニウム含有量は、この焼結体全体の約３０重量％以上を有しうる。
【００２８】
異なる別の実施形態では、前記混合物は約７１〜約９３重量％のｃＢＮを含有してよく、またさらに異なる別の実施形態では、この混合物は約７３〜約９３重量％のｃＢＮを含有しうる。同様に、一実施形態では、酸化アルミニウムの含有量が約３〜約１５％でありうる。また、前記混合物の実施形態は、約８〜約２０重量％の１若しくはそれ以上の高融点金属化合物を含有しうる。さらに、前記混合物の実施形態は、約３〜約１５重量％の非酸化アルミニウム化合物の原料も含有しうる。当該混合物中における前記材料の含有量は、それぞれ他の範囲であってもよい。
【００２９】
異なる別の実施形態では、工具に使用するための、ｃＢＮ部分と非ｃＢＮ部分とを有するｃＢＮ焼結体は、次の混合物を焼結することにより得られる。（ｉ）約５０〜約９３重量％の窒化ｃＢＮ（任意選択で多峰性の粒径分布を伴う）と、（ｉｉ）約１〜約３０％の酸化アルミニウムと、（ｉｉｉ）約３〜約４６重量％の、例えば周期表第ＩＶ〜ＶＩ族の炭化物、窒化物、ホウ化物、および／または炭窒化物などの、１若しくはそれ以上の高融点金属化合物であって、これらの混合物および／または固溶体を含みうるものと、（ｉｖ）約３〜約３０重量％の非酸化アルミニウム化合物の原料と（ここで、前記混合物の前記非ｃＢＮ部分のアルミニウム総含有量は、約１０重量％を超える）を有する混合物。例として、一実施形態では、前記の炭化物、窒化物、ホウ化物、炭窒化物、および炭窒化物は、式ＴｉＣ（１−ｘ）Ｎｘを有しうるか、若しくはＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２、およびＴｉＣ（１−ｘ）Ｎｘからなる群から選択される少なくとも２つの材料の混合物を含みうる。各ケースで、ｘは０．０１〜０．９９の数である。
【００３０】
一変形形態では、前記混合物中のｃＢＮは、二峰性または多峰性の粒径分布を有しうる。ただし、実質的に均一な分布や一見ランダムな分布など、他の分布も可能である。
【００３１】
この混合物は、任意の適切な方法で調製および焼結しうる。例えば、その成分は溶媒および／または別の適切な混合媒体で混合しうる。材料を完全に混合させるには、材料１０００ｇにつき１時間など適切な時間だけ混合を行う必要がある。粉末混合物は、例えば超音波混合、ボールミル混合、アトリションミル混合などを含む（これに限定はされるものではないが）種々の技術により焼結前に混合できる。混合技術の選択は、混合物への特定材料の導入または混入阻止が望ましいという要件に影響されうる。このような材料の例には、粉砕用の媒体（メディア）ボールから出る破片などがある（ＷＣ粉砕ボールから出る炭化タングステンの破片など）。このため、（周期表第ＶＩ族に属する）炭化タングステンを成分とする実施形態では、炭化タングステン含有量の少なくとも一部を導入するよう、炭化タングステン媒体での粉砕が採用されうる。前記非酸化アルミニウムは、焼結中、粉末混合物に接触させ配置した箔形態または他の固形の金属アルミニウムから出るものでありうる。
【００３２】
粉砕（すなわち混合）は、例えばイソプロピルアルコールまたは他のアルコール、アセトン、および／または他の溶剤など、若しくはそれ以上の溶剤の存在下で実施されることが多い。これらの溶剤は容易に除去でき、粉砕中、金属粉末の望ましくない酸化を助長しないことが好ましい。粉砕温度は、室温でも非室温でもよく、その時間は最高数時間以上の範囲にしてもよい。混合装置のサイズに応じ、混合物は、約１００ｇ〜約２ｋｇ、またはその前後のサイズ範囲にすることができる。
【００３３】
この混合物は、溶剤（イソプロピルアルコールやアセトンなど）を除去するため、好ましくは溶剤の引火点未満の温度で乾燥しうる。乾燥させた粉末は、大きな凝集体を除去するため、２０メッシュスクリーン（または異なる別の適切なふるい）で篩過しうる。また乾燥させた粉末は、当該技術分野で知られているものや、上記および本出願の[従来の技術]の項の先行技術で説明されているものなど、任意の適切な高圧／高温（ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ／ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、略称ＨＰ／ＨＴ）技術および機器を使って焼結しうる。例えば、当該粉末は、黒鉛または高融点金属または他のカップ（ＴａやＮｂなど）に充填してもよい。このカップは、高圧セルに充填して高圧（例えば約２５〜約７５キロバール）および高温（例えば１０００℃を超える温度）を適切な時間（例えば約３０〜約４０分間）適用し、粉末混合物をコヒーレントな（緊密に凝集した）成形体に焼結でき、また必要に応じて基板にろう付けしうる。当該技術分野の技能により認知されるであろうように、他の圧力および温度でＨＰ／ＨＴ焼結を発展させることも可能である。支持材料（粉末または成形体）は、当該分野で知られているように、焼結体にｉｎ ｓｉｔｕ結合させるため前記カップに充填できる。適切な基板には、高融点金属（タングステンなど）の炭化物などがある。あるいは、これら組成物は、非炭化物で支持された形態で、若しくは以下で説明するすべての例のように、支持されていない固形で焼結することができる。一実施形態では、当該焼結体は二峰性または多峰性の粒径分布を有しうるが、他の分布も可能である。前記カップのサイズは、最終的な焼結体のサイズを限定する。
【００３４】
焼結中、前記結合相は互いに、またｃＢＮと化学反応して炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸窒化物、およびホウ化物を生成する（ＡｌＢ２、ＡｌＮ、ＴｉＢ２など）。この混合物の焼結により、混合金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸窒化物、およびホウ化物も生成されうる（ＴｉＡｌＮ、ＷＣｏＢなど）。これらの相は、Ｘ線回折技術により焼結体内での検出・同定が可能である。焼結したブランク材は、前記セルから取り出し、機械加工あるいは何らかの方法で前記カップ材料を除去して望ましい寸法にしうる。
【００３５】
仕上げを施したブランク材は、十分な導電性があれば、切削工具の製造に適した形状およびサイズへと切削できる。適切な切削方法には、放電加工（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ、略称ＥＤＭ）その他の方法などがある。このような工具は、（粉末冶金による）焼結鉄および／または他の材料の機械加工に使用できる。導電性が不十分な場合は、レーザー切削を使って工具製造用に望ましい形状にすることができる。上述した焼結ブランク材のサイズおよび形状は、各部品の寸法を変えることにより変更でき、主に焼結工程の促進に使用するＨＰ／ＨＴ機器により寸法が限定される。
【００３６】
上記のとおり、この焼結体は、二峰性または多峰性の粒径分布を有しうる。例えば一実施形態では、この焼結体は、前記焼結体は、ｃＢＮの約４０％〜約８０％を有する粗い部分と、ｃＢＮの約２０％〜約６０％を有する細かい部分とを有する。ここで、（ｉ）前記粗い部分は、約５〜約３０μｍの平均粒径を有し、（ｉｉ）前記細かい部分は、約０〜約１０μｍの平均粒径を有し、（ｉｉｉ）前記粗い部分の平均粒径の前記細かい部分の平均粒径に対する比は、約２：１以上である。他サイズの分布も可能である。
【００３７】
このｃＢＮ焼結体は、機械加工用途などに使われる工具および工具挿入部材の成形に役立ちうる。例えば、このｃＢＮ焼結体の実施形態は、鋳鉄または化学反応性の高い他の材料の重機械加工に使用できる。本明細書における「重機械加工」とは、切削が比較的深く、しばしば０．１０インチに近づくかまたはそれを超える場合の用途を指す。一実施形態では、ｃＢＮ焼結体は、切削の深さおよび高速性を保ちながら、ｃＢＮと化学反応性の高い白鋳鉄などの鋳鉄材料を機械加工する際に使用しうる。
【００３８】
本明細書で説明するｃＢＮ焼結体の一部の実施形態は、石油抽出などの鉱業で一般に使用されるポンプハウジングや羽根車といった大きな鍛造品を機械加工をする上で役立ちうる。本明細書で説明するｃＢＮ焼結体を比較するための指標は、耐用年数（ｕｓｅｆｕｌ ｌｉｆｅ）である。これは、機械加工した金属の表面仕上げが許容範囲外になるまでに、ｃＢＮ焼結体が機械加工し続けられる量により決定される。第２の指標は、所定用途において工具材料で実施可能な最大機械加工速度（表面フィート／分単位）である。機械加工速度は、材料除去レートを左右する一要素であるため、部品製造コスト全体に影響を及ぼす。本明細書で説明するｃＢＮ焼結体の実施形態の例は、これまでの試験で、市販の焼結体と比べ、工具寿命が２倍を上回り、機械加工速度で５０％もの増加を可能にするという優れた性能を示している。
【００３９】
以上、好適な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の変形形態が可能であり、その要素について均等物での置換が可能であることを理解するであろう。また、特定の状況または材料に適合させるため、本発明の本質的範囲を逸脱しない範囲で、本発明の説明に対し多数の修正形態を作成することも可能である。例えば、以下のすべての例で結合相中にチタン化合物を使用しているが、周期表第ＩＶ〜ＶＩ族の他の金属でチタンを置換しても機械加工性能への影響を最小限に抑えうることは当業者に広く知られている。したがって、本発明は、本発明の実施用に企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲内である実施形態をすべて含むよう意図されている。本明細書で引用物は、すべて明示的に言及により本明細書に組み込むものとする。
【００４０】
実施例
本例では、白鋳鉄被加工物について２回の標準機械加工試験を実施した。これら２回の試験は、種々の産業用途に見られる広い範囲にわたりＰＣＢＮ材料を評価するため、異なるグレードの白鉄および異なる機械加工条件で実施している。最適な工具材料は、どちらの標準試験でも優れた性能を示すはずである。標準試験手順の条件は、表１のとおりである。工具性能は、被加工物を直線状に約２５，０００インチ機械加工した後、工具逃げ面の磨耗を測定することにより決定し、逃げ面磨耗０．００１インチ当たりの機械加工済み直線状インチ単位で以下に報告している。この逃げ面磨耗０．００１インチ当たりの直線状インチの、試験Ａおよび試験Ｂの平均を、工具性能の主な指標としている。
【００４１】
【表１】
【実施例１】
【００４２】
例１−比較 この標準機械加工試験は、市販のｃＢＮ焼結体（Ｓｅｃｏｍａｘ ＣＢＮ３００、１５μｍ粒径のｃＢＮが〜８２体積％、残りは大部分ＡｌＮおよびＡｌＢ２からなるセラミック結合剤、Ｓｅｃｏ Ｔｏｏｌｓ ＡＢ社、スウェーデン）を使って実施した。この例では、被試験材料は、先行技術の説明に従い作成されたものと見られる。この材料は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり８７５直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１２３０直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは１０５３であった。
【実施例２】
【００４３】
例２−比較 この標準機械加工試験は、市販のｃＢＮ焼結体（ＢＺＮ ７０００、１５μｍ粒径のｃＢＮが〜８２体積％、残りは大部分ＡｌＮおよびＡｌＢ２からなるセラミック結合剤、Ｄｉａｍｏｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃ、米国オハイオ州Ｗｏｒｔｈｉｎｇｔｏｎ）を使って実施している。この材料は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり７６０直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１８２７直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは１２９４であった。
【実施例３】
【００４４】
例３−比較 平均粒子サイズが約３μｍ未満の炭化チタン（ＴｉＣ）粉末、平均粒子サイズが約５μｍ未満のアルミニウム粉末（Ａｌ）、および平均粒子サイズが約１２μｍ未満のｃＢＮ粉末を、７１重量％のｃＢＮ、１５重量％のＴｉＣ、および１４重量％のＡｌの比で計り分ける。これらの成分は、ポリエチレンのジャー内で、混合媒体としてのイソプロピルアルコールとともにタンブリングにより１時間混合する。そのブレンドした混合物を、前記アルコール引火点未満の温度で乾燥してアルコールを除去した。乾燥させた粉末を２０メッシュスクリーンで篩過して大きな凝集体を除去し、黒鉛カップに充填した。それらのカップを高圧セル内に装着して高圧（４５〜５０キロバール）および高温（約１４００℃）を３０〜４０分間適用し、前記粉末混合物をコヒーレントな成形体へと焼結した。
【００４５】
この例では、前記焼結体は、平均サイズ約１５μｍで約７２体積％のｃＢＮ粒子と、残りはセラミック結合相からなる材料とからなるものであった。この結合相は、Ｘ線回折技術で識別された複数の相を含み、炭化チタン、窒化アルミニウム、および二ホウ化アルミニウムを含有していた。後者２相は、焼結工程中に混合された粉末成分がｃＢＮと反応して形成されたものである。
【００４６】
焼結したブランク材は、ＲＮＧ−４３２挿入部材を製造するため、厚さ４．８ｍｍに機械加工し、０．５インチディスクにレーザー切削した。この材料から得た挿入部材は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１０４６直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり４０８直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは７２７であった。この例では、被試験焼結体は、先行技術の説明に従い作成されたものであった。
【実施例４】
【００４７】
例４−比較 １５重量％のＴｉＮ、１４重量％のＡｌ、および平均粒子サイズ１２μｍで７１重量％のｃＢＮからなる粉末混合物から、例３の説明どおりにｃＢＮ焼結体を製造した。焼結中、Ａｌ粉末およびＴｉＮの一部がｃＢＮと反応し、この焼結体のＸ線回折解析での同定によると、ＴｉＢ２、ＴｉＮ、ＡｌＮ、およびＡｌＢ２を形成した。この材料から得た挿入部材は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１９０８直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり６５３直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは１２８１であった。この例では、被試験焼結体は、先行技術の説明に従い作成されたものであった。
【実施例５】
【００４８】
例５−本発明の実施形態 ２．６重量％のＴｉＣ、２．６重量％のＴｉＮ、２．６重量％のＡｌ２Ｏ３、１１．５重量％のＡｌ、および平均粒子サイズ１２μｍで８０．７重量％のｃＢＮからなる粉末混合物から、例３の説明どおりにｃＢＮ焼結体を製造した。Ａｌ２Ｏ３が５３重量％のアルミニウム元素を含むことから、この粉末混合物の非ｃＢＮ部分のアルミニウム総含有量は６７重量％になる。この焼結体のＸ線回折解析では、ｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、ＡｌＮ、およびＡｌ２Ｏ３の存在が検出された。この材料から得た挿入部材は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１７１２直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１０４４直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは１３７８であった。この進歩性のある材料の結合剤に含まれる炭化物、窒化物、ホウ化物、および酸化アルミニウムの混合物からは、例３の比較材料をほぼ１００％、また例４の比較材料を約８％凌駕するＰＣＢＮが生成された。
【実施例６】
【００４９】
例６−本発明の実施形態 ７重量％のＴｉＣ、１５重量％のＡｌ２Ｏ３、７重量％のＡｌ、および平均粒子サイズ１２μｍで７１重量％のｃＢＮからなる粉末混合物から、例３の説明どおりにｃＢＮ焼結体を製造した。この粉末混合物の非ｃＢＮ部分のアルミニウム総含有量は、約５２重量％であった。この材料から得た挿入部材は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり２８００直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１１０１直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは１９５１であった。この結果は、米国特許第６，３３１，４９７号に教示されている組成にＡｌ２Ｏ３を加えた場合に性能が向上したことを示している。この材料が最良の市販ＰＣＢＮ（例２のＢＺＮ７０００）を５０％凌いだことにも注意すべきである。
【実施例７】
【００５０】
例７−比較 ７重量％のＴｉＮ、１５重量％のＡｌ２Ｏ３、７重量％のＡｌ、および平均粒子サイズ１１μｍで７１重量％のｃＢＮからなる粉末混合物から、例３の説明どおりにｃＢＮ焼結体を製造した。この材料から得た挿入部材は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり２９８０直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり７７７直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは１８７９であった。この材料は、試験Ａでは非常に優れた性能を示したが、試験Ｂでの性能は改善が必要である。この例では、被試験組成物は、先行技術の説明に従い作成されたものであった。
【実施例８】
【００５１】
例８−本発明の実施形態 ２．６重量％のＴｉＣ、２．６重量％のＴｉＮ、２．６重量％のＡｌ２Ｏ３、１１．５重量％のＡｌ、および８０．７重量％のｃＢＮからなる粉末混合物から、例３の説明どおりにｃＢＮ焼結体を製造した。この例のｃＢＮ粉末は、二峰性の粒子サイズ分布を有し、６０％のｃＢＮは平均粒子サイズ１２μｍ、また４０％は平均粒子サイズ３μｍを有すものであった。この粉末混合物の非ｃＢＮ部分のアルミニウム総含有量は、約６７重量％であった。この焼結体のＸ線回折解析では、ｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、ＡｌＮ、およびＡｌ２Ｏ３の存在が検出された。この材料から得た挿入部材は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１９３８直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり２１３７直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは２０３８であった。平均性能スコアが１３７８の例５と比較すると、二峰分布のｃＢＮ粒径を使ったことによる性能上の有益な効果が容易に見て取れる。
【実施例９】
【００５２】
例９−本発明の実施形態 ６．１重量％のＴｉＣ、１０．１重量％のＴｉＮ、２．６重量％のＡｌ２Ｏ３、８．０重量％のＡｌ、および７３．２重量％のｃＢＮからなる粉末混合物から、例３の説明どおりにｃＢＮ焼結体を製造した。この例のｃＢＮ粉末は、二峰性の粒子サイズ分布を有し、６０％のｃＢＮは平均粒子サイズ１２μｍ、また４０％は平均粒子サイズ３μｍを有すものであった。この粉末混合物の非ｃＢＮ部分のアルミニウム総含有量は、約３５重量％であった。この焼結体のＸ線回折解析では、ｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、ＡｌＮ、およびＡｌ２Ｏ３の存在が検出された。この材料から得た挿入部材は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり２４６２直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり２７６６直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは２６１４であった。この例からは、例８で暗に指摘した前記二峰性効果に加え、結合剤組成物を注意深く選択して工具材料の耐薬品性を改善したことの有益な効果が明白である。
【実施例１０】
【００５３】
例１０−比較 市販のＳｅｃｏｍａｘ ＣＢＮ３００挿入部材、そして例８で説明したものと同一の手順および進歩性のある前記組成物を使って製造した付加的な挿入部材を、産業用の重機械加工用途に適用した。各材料の挿入部材は、白鉄でできた１つの大きな産業用鋳造品（２８％ Ｃｒ）の機械加工に使用した。この機械加工は、４６７表面フィート／分の速度、および０．０７０インチ〜０．１２０インチの可変切削深さで実施した。図１は、大きな白鉄鋳造品の１つを機械加工した後の、Ｓｅｃｏｍａｘ ＣＢＮ３００挿入部材の磨耗面を示したものであり、図２は、同一の鋳造品を機械加工した後の、本発明の一実施形態の磨耗面を示したものである。これにより、前記進歩性のある工具材料の実施形態の方が前記市販材料より優れていることがわかった。
【技術分野】
【０００１】
関連する出願および優先権の主張
本出願は、２００４年２月２０日付け申請済み米国仮特許出願第６０／５４６，６６９号に対して優先権を主張するものであり、この参照により本明細書に組み込まれるものである。
【０００２】
本明細書に含まれる説明は、全般的に切削、フライス加工、および／または旋削工具に関する。より具体的には、本説明は、全般的に、立方晶窒化ホウ素（ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ、略称ｃＢＮ）超砥粒工具と、その作成方法および使用方法とに関する。
【背景技術】
【０００３】
立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の硬度は、ダイヤモンド以外のあらゆる既知の物質より高い。ただし、ｃＢＮはダイヤモンドより鉄鋼材との反応性が低いため、ｃＢＮは鉄の被加工物（ワークピース）における材料除去の用途で広く使用されるようになってきている。多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体（ｓｉｎｔｅｒｅｄ ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ、略称ＰＣＢＮ）材料は、当該技術分野でよく知られており、鉄の機械加工用途で広く使用されている。
【０００４】
ＰＣＢＮの焼結体は、大別して２つの材料クラスに分類できる。その第１の分類は７０％以上の比較的高いｃＢＮの体積パーセントにより特徴付けられ、鋳鉄の機械加工用途で広く使われている。例えば、米国特許第３，７４３，４８９号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、ｃＢＮ粒子と、粒間に充填した金属結合剤とが直接結合した強靭なｃＢＮ焼結体について説明している。第２の分類は、セラミック結合相内に分散された、より低い体積パーセントのｃＢＮにより特徴付けられる（７０％未満）。この第２のタイプの例は硬化鋼の旋削に広く使用されており、Ｈａｒａらの米国特許第４，３３４，９２８号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）に見ることができる。前記セラミック結合相には、周期表の第ＩＶａ族金属および第Ｖａ族金属の炭化物、窒化物、および／またはホウ化物を含有させることができる。どちらのタイプのＰＣＢＮも、支持されていない固形の形態と、切削工具および工具挿入部材の製造用に炭化タングステン（タングステンカーバイド）で支持された形態とで市販されている。
【０００５】
先行技術は進歩しているものの、ある種の鋳鉄、特に白鉄は、依然として機械加工が非常に困難でコスト高な材料である。大規模な白鉄鋳造用の重機械加工作業では、０．１０インチまで、またはそれを超える非常に深い切削が行われる。これらの極端な機械加工条件下では、例外的に強靭で耐磨耗性のある材料が必要になる。この状況は、工具および被加工物間の化学磨耗（腐食）および付着摩耗の作用により、さらに複雑化される。多くの鋳鉄は、ｃＢＮに対し鉄より反応性の高い元素を含有する。例えばクロムは、多くの白鋳鉄で最高３４重量％のレベルで見られる。この腐食作用が、工具材料に対する要件をより厳しいものにしている。
【０００６】
現在、鋳鉄の重機械加工で使用されるＰＣＢＮ材料分類としては、ｃＢＮ含有量の高い固形ＰＣＢＮが最も優れている。このような材料で市販されているものの例にはＡＭＢ９０がある（Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｉｘより入手可）。この材料は、アルミニウムセラミック結合剤内の平均粒径が９μｍで約９０体積％のｃＢＮからなる。同様に、Ｗｉｌｓｏｎの米国特許第４，６６６，４６６号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、金属アルミニウムおよびｃＢＮ粉末の混合物を高圧高温条件下で反応させ、ｃＢＮ粒子間にＡｌＮおよびＡｌＢ２が散在する焼結体を形成させたものから調製した材料を説明している。このアプローチでは比較的良好な強靱性と耐摩耗性の材料が得られるが、鋳鉄の重機械加工について真に最適な材料に必要な耐腐食性および耐付着摩耗性に関する要件には十分に応えられない。
【０００７】
結合相を修正することにより高ｃＢＮ含有量ＰＣＢＮ材料の耐腐食性を改善する各種方法を教示した参考文献はいくつか存在する。Ｙａｚｕらの米国特許第４，３４３，６５１号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、周期表第ＩＶｂ族および第Ｖｂ族の遷移金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、およびそれらの混合物とそれらの固溶体化合物、およびアルミニウム化合物であって、マトリックス内のアルミニウム含有量が５〜３０重量％であり、前記マトリックス内の粒子サイズが１μｍ未満のアルミニウム化合物からなる群から選択された少なくとも１つの結合剤材料を含む結合相とともに焼結された、粒子サイズ１０μｍ未満でｃＢＮが８０〜９５体積％のＰＣＢＮ組成物を説明している。Ｎａｋａｉらの米国特許第４，３８９，４６５号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、本質的に粒子サイズ５μｍ未満の２０〜８０体積％のｃＢＮと、残り部分のＡｌ２Ｏ３とからなる焼結体について説明している。Ｕｅｄａらの米国特許第４，６１９，６９８号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、１〜２０重量％のＴｉＣおよび／またはＴｉＣＮと、ＣｏＡｌ、ＮｉＡｌ、および（Ｃｏ，Ｎｉ）Ａｌからなる群から選択される１〜２０重量％の化合物とからなる結合相においてｃＢＮが７５〜９７重量％のＰＣＢＮ材料を説明している。
【０００８】
さらに別の例としては、Ｎａｋａｉらの米国特許第４，９１１，７５６号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）で、約５０〜７５体積％のｃＢＮと、２０〜５０重量％のＡｌと４〜４０重量％のタングステンとを含み且つ残部は周期表第ＩＶａ族、第Ｖａ族、または第ＶＩａ族の炭化物と窒化物と炭窒化物とを含む約２５〜５０％の結合剤とを含む混合物を焼結して得られる焼結体が説明されている。Ｎａｋａｉらの米国特許第５，０３４，０５３号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、５〜２５重量％のＡｌと、残部は（Ｈｆｌ−ｚＭｚ）Ｃで表される少なくとも１種の化合物（ここで、ＭはＨｆを除く周期表第ＩＶａ族、第Ｖａ族、および第ＶＩａ族からなる群から選択される元素であり、条件０<＝ｚ<＝０．３が満たされるものである）とからなる結合相中に４５〜７５体積％のｃＢＮを含むＰＣＢＮ材料を説明している。Ｆｕｋａｙａらの米国特許第５，０４１，３９９号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、２０〜７０体積％のｃＢＮと、２〜２０重量％のアルミニウムと２〜２０重量％のタングステンと残部がＴｉＮｚ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）ｚ、ＴｉＣｚ、（Ｔｉ，Ｍ）Ｎｚ、（Ｔｉ，Ｍ）（Ｃ，Ｎ）ｚ、および（Ｔｉ，Ｍ）Ｃｚからなる群から選択される１若しくはそれ以上のＴｉ化合物から形成された残部とからなる結合剤粉末とを含む粉末混合物を焼結して得られるＰＣＢＮ材料について説明している。ここで、Ｍは、Ｔｉを除く周期表第ＩＶａ族、第Ｖａ族、および第ＶＩａ族のうち任意の１つに属す１つまたは複数の遷移金属元素を表し、ｚは０．１〜０．４の範囲であり、さらに結合剤は、ＡｌおよびＡｌとＴｉの化合物のうち少なくとも１つの形態でＡｌを含み、Ｗ、ＷＣ、およびＷとＴｉの化合物のうち少なくとも１つの形態でＷを含み、また、Ｔｉを含む周期表第ＩＶａ族、第Ｖａ族、および第ＶＩａ族のうち任意の１つに属する１つまたは複数の遷移金属元素に対するＴｉの原子比率は少なくとも２／３で９７／１００を超えないで、ｃＢＮ結晶は前記焼結体の結合剤により形成される結合相を介し互いに結合する。
【０００９】
Ｕｅｄａらの米国特許第５，３２８，８７５号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、ｃＢＮと、酸素を含むＴｉ２−３ＡｌＣ、Ｔｉ２−３ＡｌＮ、およびＴｉ２−３ＡｌＣＮのうちの１若しくはそれ以上との反応により得られる分解済みの２０〜４８体積％の反応相からなる結合相中にｃＢＮ粒子を分散させたＰＣＢＮ材料を説明している。ここで、前記分解済み反応相は、ＴｉＣ、ＴｉＮ、およびＴｉＣＮのうち１若しくはそれ以上と、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、およびＴｉＢ２のうち１若しくはそれ以上とを含有し、前記結合相中のｃＢＮ結晶粒径は１μｍ未満である。
【００１０】
Ｙａｏらの米国特許第５，８３０，８１３号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、ＰＣＢＮ材料を作成する方法であって、ｃＢＮ結晶と、炭窒化チタンおよび炭窒化チタンアルミニウムとからなる群から選択される高融点材料粉末と、コバルトの原料と、アルミニウムの原料との混合物を形成する工程と、前記混合物の成分の少なくとも一部を、１１００℃〜１２５０℃範囲の温度でアンモニアにより処理する工程と、高温高圧の条件下で前記混合物を焼結する工程とを有する方法について説明している。
【００１１】
Ｃｏｌｌｉｅｒらの米国特許第６，３３１，４９７号（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、切削工具であって、ｃＢＮ粒径１０〜１７μｍの多結晶ｃＢＮと、二ホウ化チタン、二ホウ化アルミニウム、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、炭窒化チタンアルミニウム、および（ＴｉｘＭｙ）ＣＮからなる群から選択される２〜１５重量％の材料を含有する結合相とからなる切削工具について説明している。ここで、合金金属Ｍは、シリコン、クロム、コバルト、タングステン、およびタンタルのうち１若しくはそれ以上であってよく、チタンに対する合金金属の比率ｙ／ｘは０．０５〜０．３の範囲であり、溶浸材はアルミニウムおよび／またはシリコンを含み、その溶浸材には、炭化ケイ素を形成するためシリコンとともに化学量論を超えるダイヤモンドが含まれる。
【００１２】
特開平０７−０８２０３１（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、粒子直径１μｍ以下で５〜３０体積％のアルミナ（酸化アルミニウム）と、３〜２０体積％の窒化またはホウ化アルミニウムと、１０〜４０体積％の炭化または窒化チタンと、３〜２０体積％のホウ化チタンとからなる結合相中で１０〜７０体積％のｃＢＮからなるｃＢＮ焼結体について開示している。この焼結体は、従来の生成物より耐用年数が長く、すなわち破砕に対する強靱性、耐熱衝撃性、耐欠損性、および耐酸化性が改善されているため、優れていると報告されている。
【００１３】
特開平０８−１２６９０３（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、改善された耐磨耗性を伴う別のｃＢＮ焼結体が開示されている。このｃＢＮ焼結体は、２０〜４０体積％の炭化または窒化チタンと、１〜５体積％の窒化アルミニウムと、３〜７体積％のホウ化チタンと、３〜１５体積％の酸化アルミニウムと、残部がｃＢＮとからなるものとを含有し、少なくとも６０％のｃＢＮ粒子領域が相互結合している。
【００１４】
特開２０００−２４７７４６および特開２０００−２１８４１１（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、粒径１μｍ未満で３０〜９０体積％のｃＢＮと、平均粒径２〜１０μｍで１０〜７０体積％のｃＢＮと、４〜６５体積％の結合相であって、ＡｌＮと、Ａｌ２Ｏ３と、周期表第ＩＶａ族、第Ｖａ族、および／または第ＶＩａ族の金属のホウ化物と、それらと同じ族から得られる非ホウ化化合物と、少なくとも１つの第ＶＩＩＩ族元素とからなる４〜６５体積％の結合相とを含んだＰＣＢＮ材料を開示している。このｃＢＮ混合物は一部粗い粒子を含むが、最終的な焼結体の容積測定的平均粒径はほぼ１μｍでなければならない。
【００１５】
特開平０８−１０９０７０（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、８５％を超える割合のｃＢＮおよびＡｌ２Ｏ３と、３０〜８０体積％のｃＢＮと、残部が窒化チタンと窒化アルミニウムと不可避不純物とからなる結合相とを有するＰＣＢＮ材料を開示している。最終焼結体のｃＢＮ含有量は、３０〜８０体積％になる。
【００１６】
特開昭５９−１５３８５１（この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである）では、５０〜７０体積％のｃＢＮと、１０〜２０体積％のＡｌ２Ｏ３と、８〜１８体積％のＴｉＮと、８〜１０体積％のアルミニウム粉末と、２〜４体積％のシリコン粉末とからなる混合物を高圧高温で焼結して得られるＰＣＢＮ材料を開示している。
【００１７】
このように、以上のアプローチによる改良が行われてきているが、依然として鋳鉄の重機械加工用に切削工具材料を最適化する必要がある。以下、鋳鉄の機械加工において改善された性能を示しているＰＣＢＮ材料について説明していく。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
工具に使用するための立方晶窒化ホウ素（ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ、略称ｃＢＮ）焼結体は、（ｉ）立方晶窒化ホウ素と、（ｉｉ）酸化アルミニウム、（ｉｉｉ）１若しくはそれ以上の高融点金属化合物と、（ｉｖ）アルミニウムおよび／または１若しくはそれ以上の非酸化アルミニウム化合物との混合物を焼結することにより得られる。これらの焼結体は、固形、すなわち非炭化物で支持された形態の工具材料として使用する上で十分な強度および強靱性を有し、特に鋳鉄の重機械加工に有用である。
【００１９】
一実施形態によれば、工具に使用するための、ｃＢＮ部分と非ｃＢＮ部分とを有する立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結体は、次の混合物を焼結することにより得られる。（ｉ）約７１〜約９３重量％のｃＢＮと、（ｉｉ）約１〜約２０％の酸化アルミニウムと、（ｉｉｉ）約３〜約２６重量％の、１若しくはそれ以上の高融点金属化合物と、（ｉｖ）約３〜約２０重量％の非酸化アルミニウム化合物の原料と、の混合物を焼結することにより得られる。前記高融点金属化合物は、一般式ＭＺ（１−ｘ）を有する１若しくはそれ以上の化合物を含んでよく、ここで、ＺはＣ、Ｂ、Ｎ、またはこれらの組み合わせかからなる群から選択され、Ｍは周期表第ＩＶ〜ＶＩ族からの金属であり、ｘは０．０１〜０．９９の数である、第２のタイプの高融点金属化合物は、一般式ＭＣ（１−ｘ）Ｎｘ、例えばＴｉＣ（１−ｘ）Ｎｘを含有しうる。第３のタイプの高融点金属化合物は、化学式ＭＺまたはＭＺ２を有する２若しくはそれ以上の化合物の組み合わせまたは固溶体を含む。前記焼結体の非ｃＢＮ部分のアルミニウム含有量は、この焼結体全体の約３０重量％を超えうるが、他の組成も可能である。
【００２０】
異なる別の実施形態では、工具に使用するための、ｃＢＮ部分と非ｃＢＮ部分と有するｃＢＮ焼結体は、次の混合物を焼結することにより得られる。（ｉ）約５０〜約９３重量％の窒化ｃＢＮ（任意選択で多峰性の粒径分布を伴う）と、（ｉｉ）約１〜約３０％の酸化アルミニウムと、（ｉｉｉ）約３〜約４６重量％の、例えば周期表第ＩＶ〜ＶＩ族の炭化物、窒化物、ホウ化物、および／または炭窒化物などの、１若しくはそれ以上の高融点金属化合物であって、これらの混合物および／または固溶体を含みうるものと、（ｉｖ）約３〜約３０重量％の１若しくはそれ以上の非酸化アルミニウム化合物の原料（ここで、前記混合物の前記非ｃＢＮ部分のアルミニウム総含有量は、前記焼結体の約１０重量％を超える）との混合物を焼結することにより得られる。
【００２１】
さらに付加的な実施形態は、上述の実施形態の焼結体を作成する工程に関する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、先行技術による挿入部材で大きな産業用鋳造品を機械加工した後の、挿入部材の磨耗面の写真である。
【００２３】
【図２】図２は、本発明の一実施形態に基づいて生成した挿入部材で、図１と同一の大きな産業用鋳造品を機械加工した後の、挿入部材の磨耗面の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本組成および本方法を説明する前に、ここで説明する特定の工程、組成、または方法論に本発明が限定されないことを理解されたい。これは、これらの工程、組成、または方法論が場合により異なりうるためである。また言うまでもなく、本説明で使用する用語は、特定のバージョンまたは実施形態のみを説明することを目的としたものであり、唯一添付の特許請求の範囲よってのみ限定される本発明の範囲を限定するよう意図したものではない。
【００２５】
また、本明細書および添付の請求項において単数形扱いしている名称は、文脈で別段の断わりを明示しない限り、複数形も含む。したがって、例えば「金属」と言及した場合は、当業者に知られている１若しくはそれ以上の金属およびそれと同等のものなどを指す。
【００２６】
特に別段の定義がない限り、本明細書で使用するすべての科学技術用語は、当業者に一般に理解されているものと同じ意味を有する。本明細書で説明した方法および材料は、それらと類似した、または同等のものであればすべて本発明の実施形態の実施または試験に使用しうるが、以下では好適な組成、方法、装置、および材料を説明していく。この明細書で触れる全刊行物は、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである。本明細書のいかなる内容も、先行発明によれば本発明がこのような開示に先行する資格がないと認めるものであると解釈されるべきではない。
【００２７】
一実施形態によれば、工具に使用するための、ｃＢＮ部分と非ｃＢＮ部分を有する立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結体は、次の混合物を焼結することにより得られる。（ｉ）約70〜約９３重量％のｃＢＮと、（ｉｉ）約１〜約２０％の酸化アルミニウムと、（ｉｉｉ）約３〜約２６重量％の１若しくはそれ以上の高融点金属化合物と、（ｉｖ）約３〜約２０重量％の非酸化アルミニウム化合物の原料との混合物。前記高融点金属化合物は、一般式ＭＺ（１−ｘ）を有する１若しくはそれ以上の化合物を含んでよく、ここで、ＺはＣ、Ｂ、Ｎ、またはこれらの組み合わせかからなる群から選択され、Ｍは周期表第ＩＶ〜ＶＩ族からの金属であり、ｘは０．０１〜０．９９の数である、第２のタイプの高融点金属化合物は、一般式ＭＣ（１−ｘ）Ｎｘ、例えばＴｉＣ（１−ｘ）Ｎｘを含有しうる。第３のタイプの高融点金属化合物は、化学式ＭＺまたはＭＺ２を有する２若しくはそれ以上の化合物の組み合わせまたは固溶体を含む。この化合物は、単一の化合物であっても、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２、およびＴｉＣ（１−ｘ）Ｎｘからなる群から選択される少なくとも２つの材料の混合物といった化合物の組み合わせであってもよい。他の適切な化合物も使用しうる。前記焼結体の非ｃＢＮ部分のアルミニウム含有量は、この焼結体の約１０重量％以上を有しうるが、他の組成も可能である。一実施形態では、当該焼結体の非ｃＢＮ部分のアルミニウム含有量は、この焼結体全体の約３０重量％以上を有しうる。
【００２８】
異なる別の実施形態では、前記混合物は約７１〜約９３重量％のｃＢＮを含有してよく、またさらに異なる別の実施形態では、この混合物は約７３〜約９３重量％のｃＢＮを含有しうる。同様に、一実施形態では、酸化アルミニウムの含有量が約３〜約１５％でありうる。また、前記混合物の実施形態は、約８〜約２０重量％の１若しくはそれ以上の高融点金属化合物を含有しうる。さらに、前記混合物の実施形態は、約３〜約１５重量％の非酸化アルミニウム化合物の原料も含有しうる。当該混合物中における前記材料の含有量は、それぞれ他の範囲であってもよい。
【００２９】
異なる別の実施形態では、工具に使用するための、ｃＢＮ部分と非ｃＢＮ部分とを有するｃＢＮ焼結体は、次の混合物を焼結することにより得られる。（ｉ）約５０〜約９３重量％の窒化ｃＢＮ（任意選択で多峰性の粒径分布を伴う）と、（ｉｉ）約１〜約３０％の酸化アルミニウムと、（ｉｉｉ）約３〜約４６重量％の、例えば周期表第ＩＶ〜ＶＩ族の炭化物、窒化物、ホウ化物、および／または炭窒化物などの、１若しくはそれ以上の高融点金属化合物であって、これらの混合物および／または固溶体を含みうるものと、（ｉｖ）約３〜約３０重量％の非酸化アルミニウム化合物の原料と（ここで、前記混合物の前記非ｃＢＮ部分のアルミニウム総含有量は、約１０重量％を超える）を有する混合物。例として、一実施形態では、前記の炭化物、窒化物、ホウ化物、炭窒化物、および炭窒化物は、式ＴｉＣ（１−ｘ）Ｎｘを有しうるか、若しくはＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２、およびＴｉＣ（１−ｘ）Ｎｘからなる群から選択される少なくとも２つの材料の混合物を含みうる。各ケースで、ｘは０．０１〜０．９９の数である。
【００３０】
一変形形態では、前記混合物中のｃＢＮは、二峰性または多峰性の粒径分布を有しうる。ただし、実質的に均一な分布や一見ランダムな分布など、他の分布も可能である。
【００３１】
この混合物は、任意の適切な方法で調製および焼結しうる。例えば、その成分は溶媒および／または別の適切な混合媒体で混合しうる。材料を完全に混合させるには、材料１０００ｇにつき１時間など適切な時間だけ混合を行う必要がある。粉末混合物は、例えば超音波混合、ボールミル混合、アトリションミル混合などを含む（これに限定はされるものではないが）種々の技術により焼結前に混合できる。混合技術の選択は、混合物への特定材料の導入または混入阻止が望ましいという要件に影響されうる。このような材料の例には、粉砕用の媒体（メディア）ボールから出る破片などがある（ＷＣ粉砕ボールから出る炭化タングステンの破片など）。このため、（周期表第ＶＩ族に属する）炭化タングステンを成分とする実施形態では、炭化タングステン含有量の少なくとも一部を導入するよう、炭化タングステン媒体での粉砕が採用されうる。前記非酸化アルミニウムは、焼結中、粉末混合物に接触させ配置した箔形態または他の固形の金属アルミニウムから出るものでありうる。
【００３２】
粉砕（すなわち混合）は、例えばイソプロピルアルコールまたは他のアルコール、アセトン、および／または他の溶剤など、若しくはそれ以上の溶剤の存在下で実施されることが多い。これらの溶剤は容易に除去でき、粉砕中、金属粉末の望ましくない酸化を助長しないことが好ましい。粉砕温度は、室温でも非室温でもよく、その時間は最高数時間以上の範囲にしてもよい。混合装置のサイズに応じ、混合物は、約１００ｇ〜約２ｋｇ、またはその前後のサイズ範囲にすることができる。
【００３３】
この混合物は、溶剤（イソプロピルアルコールやアセトンなど）を除去するため、好ましくは溶剤の引火点未満の温度で乾燥しうる。乾燥させた粉末は、大きな凝集体を除去するため、２０メッシュスクリーン（または異なる別の適切なふるい）で篩過しうる。また乾燥させた粉末は、当該技術分野で知られているものや、上記および本出願の[従来の技術]の項の先行技術で説明されているものなど、任意の適切な高圧／高温（ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ／ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、略称ＨＰ／ＨＴ）技術および機器を使って焼結しうる。例えば、当該粉末は、黒鉛または高融点金属または他のカップ（ＴａやＮｂなど）に充填してもよい。このカップは、高圧セルに充填して高圧（例えば約２５〜約７５キロバール）および高温（例えば１０００℃を超える温度）を適切な時間（例えば約３０〜約４０分間）適用し、粉末混合物をコヒーレントな（緊密に凝集した）成形体に焼結でき、また必要に応じて基板にろう付けしうる。当該技術分野の技能により認知されるであろうように、他の圧力および温度でＨＰ／ＨＴ焼結を発展させることも可能である。支持材料（粉末または成形体）は、当該分野で知られているように、焼結体にｉｎ ｓｉｔｕ結合させるため前記カップに充填できる。適切な基板には、高融点金属（タングステンなど）の炭化物などがある。あるいは、これら組成物は、非炭化物で支持された形態で、若しくは以下で説明するすべての例のように、支持されていない固形で焼結することができる。一実施形態では、当該焼結体は二峰性または多峰性の粒径分布を有しうるが、他の分布も可能である。前記カップのサイズは、最終的な焼結体のサイズを限定する。
【００３４】
焼結中、前記結合相は互いに、またｃＢＮと化学反応して炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸窒化物、およびホウ化物を生成する（ＡｌＢ２、ＡｌＮ、ＴｉＢ２など）。この混合物の焼結により、混合金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸窒化物、およびホウ化物も生成されうる（ＴｉＡｌＮ、ＷＣｏＢなど）。これらの相は、Ｘ線回折技術により焼結体内での検出・同定が可能である。焼結したブランク材は、前記セルから取り出し、機械加工あるいは何らかの方法で前記カップ材料を除去して望ましい寸法にしうる。
【００３５】
仕上げを施したブランク材は、十分な導電性があれば、切削工具の製造に適した形状およびサイズへと切削できる。適切な切削方法には、放電加工（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ、略称ＥＤＭ）その他の方法などがある。このような工具は、（粉末冶金による）焼結鉄および／または他の材料の機械加工に使用できる。導電性が不十分な場合は、レーザー切削を使って工具製造用に望ましい形状にすることができる。上述した焼結ブランク材のサイズおよび形状は、各部品の寸法を変えることにより変更でき、主に焼結工程の促進に使用するＨＰ／ＨＴ機器により寸法が限定される。
【００３６】
上記のとおり、この焼結体は、二峰性または多峰性の粒径分布を有しうる。例えば一実施形態では、この焼結体は、前記焼結体は、ｃＢＮの約４０％〜約８０％を有する粗い部分と、ｃＢＮの約２０％〜約６０％を有する細かい部分とを有する。ここで、（ｉ）前記粗い部分は、約５〜約３０μｍの平均粒径を有し、（ｉｉ）前記細かい部分は、約０〜約１０μｍの平均粒径を有し、（ｉｉｉ）前記粗い部分の平均粒径の前記細かい部分の平均粒径に対する比は、約２：１以上である。他サイズの分布も可能である。
【００３７】
このｃＢＮ焼結体は、機械加工用途などに使われる工具および工具挿入部材の成形に役立ちうる。例えば、このｃＢＮ焼結体の実施形態は、鋳鉄または化学反応性の高い他の材料の重機械加工に使用できる。本明細書における「重機械加工」とは、切削が比較的深く、しばしば０．１０インチに近づくかまたはそれを超える場合の用途を指す。一実施形態では、ｃＢＮ焼結体は、切削の深さおよび高速性を保ちながら、ｃＢＮと化学反応性の高い白鋳鉄などの鋳鉄材料を機械加工する際に使用しうる。
【００３８】
本明細書で説明するｃＢＮ焼結体の一部の実施形態は、石油抽出などの鉱業で一般に使用されるポンプハウジングや羽根車といった大きな鍛造品を機械加工をする上で役立ちうる。本明細書で説明するｃＢＮ焼結体を比較するための指標は、耐用年数（ｕｓｅｆｕｌ ｌｉｆｅ）である。これは、機械加工した金属の表面仕上げが許容範囲外になるまでに、ｃＢＮ焼結体が機械加工し続けられる量により決定される。第２の指標は、所定用途において工具材料で実施可能な最大機械加工速度（表面フィート／分単位）である。機械加工速度は、材料除去レートを左右する一要素であるため、部品製造コスト全体に影響を及ぼす。本明細書で説明するｃＢＮ焼結体の実施形態の例は、これまでの試験で、市販の焼結体と比べ、工具寿命が２倍を上回り、機械加工速度で５０％もの増加を可能にするという優れた性能を示している。
【００３９】
以上、好適な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の変形形態が可能であり、その要素について均等物での置換が可能であることを理解するであろう。また、特定の状況または材料に適合させるため、本発明の本質的範囲を逸脱しない範囲で、本発明の説明に対し多数の修正形態を作成することも可能である。例えば、以下のすべての例で結合相中にチタン化合物を使用しているが、周期表第ＩＶ〜ＶＩ族の他の金属でチタンを置換しても機械加工性能への影響を最小限に抑えうることは当業者に広く知られている。したがって、本発明は、本発明の実施用に企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲内である実施形態をすべて含むよう意図されている。本明細書で引用物は、すべて明示的に言及により本明細書に組み込むものとする。
【００４０】
実施例
本例では、白鋳鉄被加工物について２回の標準機械加工試験を実施した。これら２回の試験は、種々の産業用途に見られる広い範囲にわたりＰＣＢＮ材料を評価するため、異なるグレードの白鉄および異なる機械加工条件で実施している。最適な工具材料は、どちらの標準試験でも優れた性能を示すはずである。標準試験手順の条件は、表１のとおりである。工具性能は、被加工物を直線状に約２５，０００インチ機械加工した後、工具逃げ面の磨耗を測定することにより決定し、逃げ面磨耗０．００１インチ当たりの機械加工済み直線状インチ単位で以下に報告している。この逃げ面磨耗０．００１インチ当たりの直線状インチの、試験Ａおよび試験Ｂの平均を、工具性能の主な指標としている。
【００４１】
【表１】
【実施例１】
【００４２】
例１−比較 この標準機械加工試験は、市販のｃＢＮ焼結体（Ｓｅｃｏｍａｘ ＣＢＮ３００、１５μｍ粒径のｃＢＮが〜８２体積％、残りは大部分ＡｌＮおよびＡｌＢ２からなるセラミック結合剤、Ｓｅｃｏ Ｔｏｏｌｓ ＡＢ社、スウェーデン）を使って実施した。この例では、被試験材料は、先行技術の説明に従い作成されたものと見られる。この材料は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり８７５直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１２３０直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは１０５３であった。
【実施例２】
【００４３】
例２−比較 この標準機械加工試験は、市販のｃＢＮ焼結体（ＢＺＮ ７０００、１５μｍ粒径のｃＢＮが〜８２体積％、残りは大部分ＡｌＮおよびＡｌＢ２からなるセラミック結合剤、Ｄｉａｍｏｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃ、米国オハイオ州Ｗｏｒｔｈｉｎｇｔｏｎ）を使って実施している。この材料は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり７６０直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１８２７直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは１２９４であった。
【実施例３】
【００４４】
例３−比較 平均粒子サイズが約３μｍ未満の炭化チタン（ＴｉＣ）粉末、平均粒子サイズが約５μｍ未満のアルミニウム粉末（Ａｌ）、および平均粒子サイズが約１２μｍ未満のｃＢＮ粉末を、７１重量％のｃＢＮ、１５重量％のＴｉＣ、および１４重量％のＡｌの比で計り分ける。これらの成分は、ポリエチレンのジャー内で、混合媒体としてのイソプロピルアルコールとともにタンブリングにより１時間混合する。そのブレンドした混合物を、前記アルコール引火点未満の温度で乾燥してアルコールを除去した。乾燥させた粉末を２０メッシュスクリーンで篩過して大きな凝集体を除去し、黒鉛カップに充填した。それらのカップを高圧セル内に装着して高圧（４５〜５０キロバール）および高温（約１４００℃）を３０〜４０分間適用し、前記粉末混合物をコヒーレントな成形体へと焼結した。
【００４５】
この例では、前記焼結体は、平均サイズ約１５μｍで約７２体積％のｃＢＮ粒子と、残りはセラミック結合相からなる材料とからなるものであった。この結合相は、Ｘ線回折技術で識別された複数の相を含み、炭化チタン、窒化アルミニウム、および二ホウ化アルミニウムを含有していた。後者２相は、焼結工程中に混合された粉末成分がｃＢＮと反応して形成されたものである。
【００４６】
焼結したブランク材は、ＲＮＧ−４３２挿入部材を製造するため、厚さ４．８ｍｍに機械加工し、０．５インチディスクにレーザー切削した。この材料から得た挿入部材は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１０４６直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり４０８直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは７２７であった。この例では、被試験焼結体は、先行技術の説明に従い作成されたものであった。
【実施例４】
【００４７】
例４−比較 １５重量％のＴｉＮ、１４重量％のＡｌ、および平均粒子サイズ１２μｍで７１重量％のｃＢＮからなる粉末混合物から、例３の説明どおりにｃＢＮ焼結体を製造した。焼結中、Ａｌ粉末およびＴｉＮの一部がｃＢＮと反応し、この焼結体のＸ線回折解析での同定によると、ＴｉＢ２、ＴｉＮ、ＡｌＮ、およびＡｌＢ２を形成した。この材料から得た挿入部材は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１９０８直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり６５３直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは１２８１であった。この例では、被試験焼結体は、先行技術の説明に従い作成されたものであった。
【実施例５】
【００４８】
例５−本発明の実施形態 ２．６重量％のＴｉＣ、２．６重量％のＴｉＮ、２．６重量％のＡｌ２Ｏ３、１１．５重量％のＡｌ、および平均粒子サイズ１２μｍで８０．７重量％のｃＢＮからなる粉末混合物から、例３の説明どおりにｃＢＮ焼結体を製造した。Ａｌ２Ｏ３が５３重量％のアルミニウム元素を含むことから、この粉末混合物の非ｃＢＮ部分のアルミニウム総含有量は６７重量％になる。この焼結体のＸ線回折解析では、ｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、ＡｌＮ、およびＡｌ２Ｏ３の存在が検出された。この材料から得た挿入部材は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１７１２直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１０４４直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは１３７８であった。この進歩性のある材料の結合剤に含まれる炭化物、窒化物、ホウ化物、および酸化アルミニウムの混合物からは、例３の比較材料をほぼ１００％、また例４の比較材料を約８％凌駕するＰＣＢＮが生成された。
【実施例６】
【００４９】
例６−本発明の実施形態 ７重量％のＴｉＣ、１５重量％のＡｌ２Ｏ３、７重量％のＡｌ、および平均粒子サイズ１２μｍで７１重量％のｃＢＮからなる粉末混合物から、例３の説明どおりにｃＢＮ焼結体を製造した。この粉末混合物の非ｃＢＮ部分のアルミニウム総含有量は、約５２重量％であった。この材料から得た挿入部材は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり２８００直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１１０１直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは１９５１であった。この結果は、米国特許第６，３３１，４９７号に教示されている組成にＡｌ２Ｏ３を加えた場合に性能が向上したことを示している。この材料が最良の市販ＰＣＢＮ（例２のＢＺＮ７０００）を５０％凌いだことにも注意すべきである。
【実施例７】
【００５０】
例７−比較 ７重量％のＴｉＮ、１５重量％のＡｌ２Ｏ３、７重量％のＡｌ、および平均粒子サイズ１１μｍで７１重量％のｃＢＮからなる粉末混合物から、例３の説明どおりにｃＢＮ焼結体を製造した。この材料から得た挿入部材は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり２９８０直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり７７７直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは１８７９であった。この材料は、試験Ａでは非常に優れた性能を示したが、試験Ｂでの性能は改善が必要である。この例では、被試験組成物は、先行技術の説明に従い作成されたものであった。
【実施例８】
【００５１】
例８−本発明の実施形態 ２．６重量％のＴｉＣ、２．６重量％のＴｉＮ、２．６重量％のＡｌ２Ｏ３、１１．５重量％のＡｌ、および８０．７重量％のｃＢＮからなる粉末混合物から、例３の説明どおりにｃＢＮ焼結体を製造した。この例のｃＢＮ粉末は、二峰性の粒子サイズ分布を有し、６０％のｃＢＮは平均粒子サイズ１２μｍ、また４０％は平均粒子サイズ３μｍを有すものであった。この粉末混合物の非ｃＢＮ部分のアルミニウム総含有量は、約６７重量％であった。この焼結体のＸ線回折解析では、ｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、ＡｌＮ、およびＡｌ２Ｏ３の存在が検出された。この材料から得た挿入部材は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり１９３８直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり２１３７直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは２０３８であった。平均性能スコアが１３７８の例５と比較すると、二峰分布のｃＢＮ粒径を使ったことによる性能上の有益な効果が容易に見て取れる。
【実施例９】
【００５２】
例９−本発明の実施形態 ６．１重量％のＴｉＣ、１０．１重量％のＴｉＮ、２．６重量％のＡｌ２Ｏ３、８．０重量％のＡｌ、および７３．２重量％のｃＢＮからなる粉末混合物から、例３の説明どおりにｃＢＮ焼結体を製造した。この例のｃＢＮ粉末は、二峰性の粒子サイズ分布を有し、６０％のｃＢＮは平均粒子サイズ１２μｍ、また４０％は平均粒子サイズ３μｍを有すものであった。この粉末混合物の非ｃＢＮ部分のアルミニウム総含有量は、約３５重量％であった。この焼結体のＸ線回折解析では、ｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、ＡｌＮ、およびＡｌ２Ｏ３の存在が検出された。この材料から得た挿入部材は、試験Ａでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり２４６２直線状インチ機械加工し、試験Ｂでは逃げ面磨耗０．００１インチ当たり２７６６直線状インチ機械加工して、平均性能スコアは２６１４であった。この例からは、例８で暗に指摘した前記二峰性効果に加え、結合剤組成物を注意深く選択して工具材料の耐薬品性を改善したことの有益な効果が明白である。
【実施例１０】
【００５３】
例１０−比較 市販のＳｅｃｏｍａｘ ＣＢＮ３００挿入部材、そして例８で説明したものと同一の手順および進歩性のある前記組成物を使って製造した付加的な挿入部材を、産業用の重機械加工用途に適用した。各材料の挿入部材は、白鉄でできた１つの大きな産業用鋳造品（２８％ Ｃｒ）の機械加工に使用した。この機械加工は、４６７表面フィート／分の速度、および０．０７０インチ〜０．１２０インチの可変切削深さで実施した。図１は、大きな白鉄鋳造品の１つを機械加工した後の、Ｓｅｃｏｍａｘ ＣＢＮ３００挿入部材の磨耗面を示したものであり、図２は、同一の鋳造品を機械加工した後の、本発明の一実施形態の磨耗面を示したものである。これにより、前記進歩性のある工具材料の実施形態の方が前記市販材料より優れていることがわかった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶窒化ホウ素（ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ、略称ｃＢＮ）部分と非ｃＢＮ部分とを有する焼結体であって、
（ａ）約７１〜約９３体積％のｃＢＮと、
（ｂ）約１〜約２０体積％の酸化アルミニウムと、
（ｃ）約３〜約２６体積％の１若しくはそれ以上の高融点金属化合物であって、
ｉ． 一般式ＭＺ（１−ｘ）を有する化合物と、
ｉｉ． 一般式ＭＣ（１−ｘ）Ｎｘを有する化合物と、
ｉｉｉ．それぞれ一般式ＭＺまたはＭＺ２を有する２若しくはそれ以上の化合物の組み合わせまたは固溶体と
からなる群から選択され、
ここで、
ＺはＣ、Ｂ、Ｎ、およびこれらの組み合わせからなる群から選択され、Ｍは周期表第ＩＶ〜ＶＩ族のいずれかの金属であり、ｘは０．０１〜０．９９の数である、前記約３〜約２６体積％の１若しくはそれ以上の高融点金属化合物と、
（ｄ）約３〜約２０体積％の１若しくはそれ以上の非酸化アルミニウム化合物の原料と
を有し、
前記焼結体の前記非ｃＢＮ部分におけるアルミニウム含有量が約３０重量％を超えるものである、
焼結体。
【請求項２】
請求項１記載の焼結体において、前記１若しくはそれ以上の高融点金属化合物は、ＴｉＣ（１−ｘ）Ｎｘ、若しくはＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２、ＴｉＮ（１−ｘ）、およびＴｉＣ（１−ｘ）Ｎｘからなる群から選択される少なくとも２つの材料の混合物のうち少なくとも１つを含有し、ｘは０．０１〜０．９９の数である。
【請求項３】
請求項１記載の焼結体において、前記ｃＢＮは、少なくとも二峰性の粒径分布を有するものである。
【請求項４】
請求項３記載の焼結体は、前記ｃＢＮの約４０％〜約８０％を有する粗い部分と、前記ｃＢＮの約２０〜約６０％を有する細かい部分とを有し、
前記粗い部分は約５〜約３０μｍの平均粒径を有し、前記細かい部分は約０〜約１０μｍの平均粒径を有し、
前記粗い部分の平均粒径の前記細かい部分の平均粒径に対する比は、約２：１以上である。
【請求項５】
請求項１記載の焼結体において、前記焼結体は非炭化物で支持された形態である。
【請求項６】
請求項１記載の焼結体において、前記１若しくはそれ以上の非酸化アルミニウム化合物を形成するアルミニウムの少なくとも一部は、焼結中、粉末混合物に接触して配置される箔形態または他の固形の金属アルミニウムから成るものである。
【請求項７】
立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）部分と非ｃＢＮ部分とを有する焼結体を作成する方法であって、
（Ａ）混合物を調製する工程であって、
（ａ）約７１〜約９３体積％のｃＢＮと、
（ｂ）約１〜約２０体積％の酸化アルミニウムと、
（ｃ）約３〜約２６体積％の１若しくはそれ以上の高融点金属化合物であって、
ｉ． 一般式ＭＺ（１−ｘ）を有する化合物と、
ｉｉ． 一般式ＭＣ（１−ｘ）Ｎｘを有する化合物と、
ｉｉｉ．それぞれ一般式ＭＺまたはＭＺ２を有する２若しくはそれ以上の化合物の組み合わせまたは固溶体と
からなる群から選択され、
ＺはＣ、Ｂ、Ｎ、およびこれらの組み合わせからなる群から選択され、Ｍは周期表第ＩＶ〜ＶＩ族からの金属であり、ｘは０．０１〜０．９９の数である、前記約３〜約２６体積％の、１若しくはそれ以上の高融点金属化合物と、
（ｄ）約３〜約２０体積％の金属アルミニウムの原料と
を有し、
この粉末混合物の前記非ｃＢＮ部分におけるアルミニウム総含有量が約３０重量％を超えるものである、前記混合物を調製する工程と、
（Ｂ）焼結体を生成するため、前記混合物に高圧高温（ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、略称ＨＰ／ＨＴ）条件を適用する工程と
を有する方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、前記ＨＰ／ＨＴ条件は、約２５〜約７５ｋｂａｒの圧力および約１０００℃以上の温度を含むものである。
【請求項９】
請求項７記載の方法において、前記ｃＢＮは、少なくとも二峰性または多峰性の粒径分布を有するものである。
【請求項１０】
請求項９記載の方法において、
前記焼結体は、前記ｃＢＮの約４０％〜約８０％を有する粗い部分と、前記ｃＢＮの約２０％〜約６０％を有する細かい部分とを有し、
前記粗い部分は約５〜約３０μｍの平均粒径を有し、前記細かい部分は約０〜約１０μｍの平均粒径を有し、
前記粗い部分の平均粒径の前記細かい部分の平均粒径に対する比は、約２：１以上である。
【請求項１１】
請求項７記載の方法において、この方法は、さらに、
焼結中、箔形態または他の固形のアルミニウムを前記粉末混合物に接触させて配置する工程を有するものである。
【請求項１】
立方晶窒化ホウ素（ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ、略称ｃＢＮ）部分と非ｃＢＮ部分とを有する焼結体であって、
（ａ）約７１〜約９３体積％のｃＢＮと、
（ｂ）約１〜約２０体積％の酸化アルミニウムと、
（ｃ）約３〜約２６体積％の１若しくはそれ以上の高融点金属化合物であって、
ｉ． 一般式ＭＺ（１−ｘ）を有する化合物と、
ｉｉ． 一般式ＭＣ（１−ｘ）Ｎｘを有する化合物と、
ｉｉｉ．それぞれ一般式ＭＺまたはＭＺ２を有する２若しくはそれ以上の化合物の組み合わせまたは固溶体と
からなる群から選択され、
ここで、
ＺはＣ、Ｂ、Ｎ、およびこれらの組み合わせからなる群から選択され、Ｍは周期表第ＩＶ〜ＶＩ族のいずれかの金属であり、ｘは０．０１〜０．９９の数である、前記約３〜約２６体積％の１若しくはそれ以上の高融点金属化合物と、
（ｄ）約３〜約２０体積％の１若しくはそれ以上の非酸化アルミニウム化合物の原料と
を有し、
前記焼結体の前記非ｃＢＮ部分におけるアルミニウム含有量が約３０重量％を超えるものである、
焼結体。
【請求項２】
請求項１記載の焼結体において、前記１若しくはそれ以上の高融点金属化合物は、ＴｉＣ（１−ｘ）Ｎｘ、若しくはＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２、ＴｉＮ（１−ｘ）、およびＴｉＣ（１−ｘ）Ｎｘからなる群から選択される少なくとも２つの材料の混合物のうち少なくとも１つを含有し、ｘは０．０１〜０．９９の数である。
【請求項３】
請求項１記載の焼結体において、前記ｃＢＮは、少なくとも二峰性の粒径分布を有するものである。
【請求項４】
請求項３記載の焼結体は、前記ｃＢＮの約４０％〜約８０％を有する粗い部分と、前記ｃＢＮの約２０〜約６０％を有する細かい部分とを有し、
前記粗い部分は約５〜約３０μｍの平均粒径を有し、前記細かい部分は約０〜約１０μｍの平均粒径を有し、
前記粗い部分の平均粒径の前記細かい部分の平均粒径に対する比は、約２：１以上である。
【請求項５】
請求項１記載の焼結体において、前記焼結体は非炭化物で支持された形態である。
【請求項６】
請求項１記載の焼結体において、前記１若しくはそれ以上の非酸化アルミニウム化合物を形成するアルミニウムの少なくとも一部は、焼結中、粉末混合物に接触して配置される箔形態または他の固形の金属アルミニウムから成るものである。
【請求項７】
立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）部分と非ｃＢＮ部分とを有する焼結体を作成する方法であって、
（Ａ）混合物を調製する工程であって、
（ａ）約７１〜約９３体積％のｃＢＮと、
（ｂ）約１〜約２０体積％の酸化アルミニウムと、
（ｃ）約３〜約２６体積％の１若しくはそれ以上の高融点金属化合物であって、
ｉ． 一般式ＭＺ（１−ｘ）を有する化合物と、
ｉｉ． 一般式ＭＣ（１−ｘ）Ｎｘを有する化合物と、
ｉｉｉ．それぞれ一般式ＭＺまたはＭＺ２を有する２若しくはそれ以上の化合物の組み合わせまたは固溶体と
からなる群から選択され、
ＺはＣ、Ｂ、Ｎ、およびこれらの組み合わせからなる群から選択され、Ｍは周期表第ＩＶ〜ＶＩ族からの金属であり、ｘは０．０１〜０．９９の数である、前記約３〜約２６体積％の、１若しくはそれ以上の高融点金属化合物と、
（ｄ）約３〜約２０体積％の金属アルミニウムの原料と
を有し、
この粉末混合物の前記非ｃＢＮ部分におけるアルミニウム総含有量が約３０重量％を超えるものである、前記混合物を調製する工程と、
（Ｂ）焼結体を生成するため、前記混合物に高圧高温（ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、略称ＨＰ／ＨＴ）条件を適用する工程と
を有する方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、前記ＨＰ／ＨＴ条件は、約２５〜約７５ｋｂａｒの圧力および約１０００℃以上の温度を含むものである。
【請求項９】
請求項７記載の方法において、前記ｃＢＮは、少なくとも二峰性または多峰性の粒径分布を有するものである。
【請求項１０】
請求項９記載の方法において、
前記焼結体は、前記ｃＢＮの約４０％〜約８０％を有する粗い部分と、前記ｃＢＮの約２０％〜約６０％を有する細かい部分とを有し、
前記粗い部分は約５〜約３０μｍの平均粒径を有し、前記細かい部分は約０〜約１０μｍの平均粒径を有し、
前記粗い部分の平均粒径の前記細かい部分の平均粒径に対する比は、約２：１以上である。
【請求項１１】
請求項７記載の方法において、この方法は、さらに、
焼結中、箔形態または他の固形のアルミニウムを前記粉末混合物に接触させて配置する工程を有するものである。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−１３１７００（Ｐ２０１２−１３１７００Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−３７９（Ｐ２０１２−３７９）
【出願日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【分割の表示】特願２００６−５５４２４９（Ｐ２００６−５５４２４９）の分割
【原出願日】平成１７年２月１８日（２００５．２．１８）
【出願人】（５０４１７４８２５）ダイヤモンド イノベーションズ、インク． (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−３７９（Ｐ２０１２−３７９）
【出願日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【分割の表示】特願２００６−５５４２４９（Ｐ２００６−５５４２４９）の分割
【原出願日】平成１７年２月１８日（２００５．２．１８）
【出願人】（５０４１７４８２５）ダイヤモンド イノベーションズ、インク． (12)
【Ｆターム（参考）】
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