立方晶窒化硼素焼結体工具
【課題】工具の熱伝導率の低下と工具の硬度の向上とを両立した立方晶窒化硼素焼結体工具を提供する。
【解決手段】本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具は、少なくとも工具作用点に立方晶窒化硼素焼結体を用いた立方晶窒化硼素焼結体工具であって、該立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と断熱相と結合相とを含有し、立方晶窒化硼素は、立方晶窒化硼素焼結体中に６０体積％以上９９体積％未満含まれ、断熱相は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第１化合物を１種以上含み、該第１化合物は、立方晶窒化硼素焼結体中に１質量％以上２０質量％以下含まれ、かつ１００ｎｍ未満の平均粒子径を有し、立方晶窒化硼素焼結体は、７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率であることを特徴とする。
【解決手段】本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具は、少なくとも工具作用点に立方晶窒化硼素焼結体を用いた立方晶窒化硼素焼結体工具であって、該立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と断熱相と結合相とを含有し、立方晶窒化硼素は、立方晶窒化硼素焼結体中に６０体積％以上９９体積％未満含まれ、断熱相は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第１化合物を１種以上含み、該第１化合物は、立方晶窒化硼素焼結体中に１質量％以上２０質量％以下含まれ、かつ１００ｎｍ未満の平均粒子径を有し、立方晶窒化硼素焼結体は、７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立方晶窒化硼素焼結体工具に関し、特に耐摩耗性および耐欠損性に優れる立方晶窒化硼素焼結体工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料の切削に際しては被削材料に適した切削工具および切削方法が選択される。切削加工において長寿命を達成するためには、いかに切削時の刃先温度を抑制できるかが重要であり、熱伝導率に優れる工具材料が重用されている。一般に、熱伝導率に優れるダイヤモンド焼結体や立方晶窒化硼素（「ｃＢＮ」と記すこともある）焼結体などの超高圧焼結体工具を用いた切削加工においても、高速条件や、大切り込み、高送り条件での高能率条件では、刃先温度の上昇により、被削材との拡散や、酸化などの化学的な摩耗が発達する。このような工具摩耗を抑制する方策として、低速条件への変更、工具刃先の楔角の低減による切削抵抗抑制、またはクーラントの切削点への吐出による切削点の冷却などが行なわれている。
【０００３】
たとえば、難削材の切削加工におけるさらなる長寿命化の方策として、特許文献１には、刃先の少なくとも切削に関与する部分に熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の放熱性が高い超高圧焼結体材料を適用した切削工具の刃先を高圧クーラントで冷却しながら加工を行なうことにより、切削熱による刃先の温度上昇が抑える発明が開示されている。
【０００４】
一方、たとえばガラスやセラミックス、超硬、鉄系焼結合金難削材料などの脆性難削材の切削加工では、高速条件で切削を行なうことや、レーザーアシストにより被削材の切削点の温度を上昇させることにより、被削材を軟化、もしくは切り屑の生成メカニズムを脆性モードから延性モードへ変化させ、良好な加工面を達成させることが提案されている。
【０００５】
しかしながら、原理的には工具刃先が高温に曝され、かつ急冷もされることから刃具が劣化しやすく、チッピングや突発的な欠損が生じやすくなる。また工作機械にも、主軸回転数の制約や、高価なレーザー装置の設置が必要などの問題が生ずる。
【０００６】
ｃＢＮ焼結体は、主にＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｃｏ、およびＡｌを主成分とする結合材によりｃＢＮ粒子を結合させたものである。ｃＢＮ粒子は、ダイヤモンドに次ぐ硬度および熱伝導率を有し、かつセラミックス材料よりも靱性に優れた材料である。このため、ｃＢＮ粒子を８０体積％以上含有するような高ｃＢＮ含有率のｃＢＮ焼結体は、耐塑性変形性、耐欠損性等の特性が優れている。
【０００７】
このような特性を有する高ｃＢＮ含有率のｃＢＮ焼結体を用いたｃＢＮ焼結体工具は、従来の超硬工具などの工具材料に比し、化学的な安定性が優れていること、鉄との親和性が低いこと、長寿命であること、材料的に高硬度であるため加工の能率が高いこと等の点で優れており高く評価されている。このような高性能のｃＢＮ焼結体工具は、Ｎｉ基系および鉄系の高硬度難削材の切削加工の用途、冷間鍛造用のパンチ用工具の塑性加工の用途等において従来から用いられる工具を置換してきた。
【０００８】
ここで、切削加工とは、被削材を局部的にせん断かつ破砕し、切屑を削り出しながら所望の寸法形状の品物を機械加工することをいい、塑性加工とは、加工物に力を加えて変形させて、所定の形状および寸法の製品に成形加工することをいう。ちなみに、塑性加工は、切屑が発生しないという点で切削加工とは異なる。
【０００９】
ｃＢＮ焼結体工具は、上述のように優れた特性を有することから、切削加工および塑性加工のいずれの用途でも、突発的な欠損が生じにくいというメリットがあり、極めて好適に用いられる。
【００１０】
従来のｃＢＮ焼結体工具として、たとえば特許文献２および特許文献３は、ｃＢＮ焼結体に含まれるＡｌ等の金属、酸素等を不純物として捉え、当該不純物の混入を極力低減してｃＢＮ粒子の混合比率を高めることにより、ｃＢＮ焼結体の硬度および靭性を向上させるという技術が開示されている（特許文献２および特許文献３）。
【００１１】
また、ｃＢＮ焼結体工具は、高硬度、高靭性に加え、高熱伝導性を有することが高性能であると考えられ、通説とされてきた。この通説に倣い、特許文献４および特許文献５では、高純度のｃＢＮ粒子の熱伝導率が高いことを利用して、高純度のｃＢＮ粒子を高濃度に含むｃＢＮ焼結体を用いることにより、硬度および靭性に加え、熱伝導性をも向上させたｃＢＮ焼結体工具が提案されている。このようなｃＢＮ焼結体工具は、低延性の材料を塑性加工する場合にも、特に、鉄系焼結合金を切削加工する場合にも欠損が生じにくく、耐摩耗性にも優れるため、好適に使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００９−０４５７１５号公報
【特許文献２】特開平０７−２９１７３２号公報
【特許文献３】特開平１０−１５８０６５号公報
【特許文献４】特開２００５−１８７２６０号公報
【特許文献５】国際公開第２００５／０６６３８１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、高ｃＢＮ含有率のｃＢＮ焼結体工具を、最近の低延性の特性を有する難削材料の切削加工に適用した場合、ｃＢＮ焼結体が高熱伝導性を有するため、切削加工時に加工部で生じる摩擦熱がｃＢＮ焼結体側に拡散することとなり、高温を維持したまま切削加工を進めることができず、切削効率が著しく劣るという問題があった。
【００１４】
すなわち、ｃＢＮ焼結体成分が８０体積％以上の高ｃＢＮ含有率焼結体は耐欠損性に優れているが、同時に７０Ｗ／ｍ・Ｋを超える高い熱伝導率を有するため、加工により生じる摩擦熱がｃＢＮ焼結体から逃げてしまう。このため、加工で生じる熱が被削材に十分に伝導しないことにより被削材が軟化しないため、工具に負荷がかかり、耐欠損性の高いｃＢＮ焼結体工具といえども、欠損が生じる。
【００１５】
特に、鉄系焼結合金の切削では、その低延性により、被削材の温度が不十分な切削環境においては、せん断がスムーズに進行せず、加工面にむしれが発生し、面粗度が悪化する問題がある。面粗度を向上させるために、切削速度を速める、すなわち被削材の温度を高めると、摩耗が急速に進展し満足のいく工具寿命が得られない。また、高温硬度に優れるＮｉ基に代表される超耐熱合金をせん断切削加工する場合、被削材に相応の加工熱が流入した場合にも、高温硬度に優れる特性により、被削材が軟化しにくいため、ｃＢＮ焼結体に欠損が生じやすい。
【００１６】
このようなｃＢＮ焼結体に生じる欠損は、ｃＢＮ粒子自身の強度不足による破砕や、ｃＢＮ粒子間の結合力不足によるｃＢＮ粒子の脱落の集積といった、機械的な損傷メカニズムを主要因とするものと推定される。
【００１７】
ところで、ｃＢＮ焼結体工具は、塑性加工においてもさらなる高性能化が求められている。すなわち、塑性加工においては、加工物が高性能化していることに伴い、高硬度かつ低延性の特性を有する難加工材料を塑性加工する場合に冷間鍛造で加工すると、加工物に亀裂や割れ等の不良が発生しやすい。このことから、温間鍛造、熱間鍛造等のように加工物を４００℃以上１０００℃以下に加熱することにより、加工物の硬度を下げるとともに延性を高めた上で塑性加工する必要がある。しかし、温間鍛造、熱間鍛造等で塑性加工する場合、加工部で生じる摩擦熱により加工部の温度は冷間鋳造で加工するとき以上に高くなり、その高温による影響のため工具に負荷がかかり、結果として工具の寿命が極めて短いものとなっていた。
【００１８】
また、０．５質量％以上の炭素量を含有する鋼材料の塑性加工は、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が高いことにより、加工熱がｃＢＮ焼結体工具に急速に流出し、加工物が急冷されることとなり、マルテンサイト組織や残留オーステナイトを有する脆性層が生成される。これにより加工物の材料強度および疲労強度が劣化しやすいという問題もある。
【００１９】
加工物の急冷を防ぐためにｃＢＮ含有率を８０体積％未満にすると、熱伝導率が比較的低くなることにより、加工熱がｃＢＮ焼結体工具に流出されにくくなることから、加工物の急冷を抑制することができる。しかし、ｃＢＮ粒子よりも強度および靭性に劣る結合相が相対的に多くなるため、ｃＢＮ焼結体工具が早期に欠損する問題がある。
【００２０】
このようにｃＢＮ粒子の含有率を増減させるというアプローチでは、工具の硬度を高めることと工具の熱伝導性を低下させることとがトレードオフの関係にあり、両者を満足させることは困難であった。
【００２１】
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、立方晶窒化硼素焼結体の熱伝導性の低下と、工具の硬度の向上とを両立した立方晶窒化硼素焼結体工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明者らは、上述の切削加工および塑性加工の用途における要求特性を解明した上で、材料開発を進めた。その結果、ｃＢＮ焼結体の作製時に６０体積％以上９９体積％未満のｃＢＮ成分を含めた上で、結合相の成分にＡｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ等の微粒の金属間化合物を添加することにより、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる化合物であって、その平均粒子径が１００ｎｍ未満のものが熱伝導性を低下させる断熱相となることを見い出した。
【００２３】
加えて、上記の超微粒化合物の各成分は焼結性に劣るため、超高圧焼結時にｃＢＮ焼結体の一部に未焼結の領域が点在することになり、その結果、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率を低下させることができるとの知見が得られ、これらの知見に基づきさらに鋭意検討を重ねることによりついに本発明のｃＢＮ焼結体工具を完成した。
【００２４】
すなわち、本発明は、少なくとも工具作用点に立方晶窒化硼素焼結体を用いた立方晶窒化硼素焼結体工具であって、立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と断熱相と結合相とを含有し、立方晶窒化硼素は、立方晶窒化硼素焼結体中に６０体積％以上９９体積％未満含まれ、断熱相は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第１化合物を１種以上含み、該第１化合物は、立方晶窒化硼素焼結体中に１質量％以上２０質量％以下含まれ、かつ１００ｎｍ未満の平均粒子径を有し、立方晶窒化硼素焼結体は、７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率であることを特徴とする。
【００２５】
第１化合物は、５０ｎｍ未満の平均粒子径を有することが好ましい。また、断熱相は、その一部として未焼結の領域を０．０１体積％以上３体積％以下含むことが好ましい。
【００２６】
第１化合物は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素の窒化物、炭化物、および炭窒化物に対し、酸素および硼素のいずれか一方もしくは両方が０．１質量％以上１０質量％以下固溶した化合物であることがより好ましい。
【００２７】
断熱相は、第１化合物に加え、Ｗおよび／またはＲｅと、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第２化合物を１種以上含み、該第２化合物は、立方晶窒化硼素焼結体中に０．１質量％以上２質量％以下含まれることが好ましい。
【００２８】
立方晶窒化硼素は、立方晶窒化硼素焼結体中に７５体積％以上９２体積％以下含まれることが好ましく、立方晶窒化硼素焼結体中に８０体積％以上８７体積％以下含まれることがより好ましい。
【００２９】
立方晶窒化硼素は、平均粒子径が１μｍ以下の立方晶窒化硼素粒子からなることが好ましく、立方晶窒化硼素焼結体は、６０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率であることが好ましい。
【００３０】
工具作用点は、１μｍ以上２０μｍ以下の面粗さＲｚであることが好ましく、工具作用点における立方晶窒化硼素焼結体の最低厚みは、２ｍｍ以上であることが好ましい。
【００３１】
立方晶窒化硼素焼結体と工具シャンク部とが防振耐熱板を介して固定されており、防振耐熱板は、酸化物からなり、かつ４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有し、その厚みは、０．３ｍｍ以上であることが好ましい。
【００３２】
立方晶窒化硼素焼結体と工具シャンク部とは、ネジ止め方式および／またはセルフグリップ方式により固定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具は、上記の構成を有することにより、立方晶窒化硼素焼結体工具の熱伝導率の低下と硬度の向上とを両立し、以って耐摩耗性および耐欠損性に優れるという効果を有する。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具の各構成についてさらに説明する。
＜立方晶窒化硼素焼結体工具＞
本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具は、少なくとも工具作用点にｃＢＮ焼結体を用いる構成を有する。具体的には、本発明のｃＢＮ焼結体工具は、工具シャンク部に防振耐熱板を介してｃＢＮ焼結体が固定されている構成を有することが好ましい。このような構成を有する本発明のｃＢＮ焼結体工具は、鉄系焼結合金や難削鋳鉄の機械加工において特に有効に用いることができる他、これら以外の一般的な金属の各種加工においても好適に用いることができる。ここで、「工具作用点」とは、ｃＢＮ焼結体工具の表面のうちの加工物と接触する部分を意味する。なお、工具シャンク部および防振耐熱板については後述する。
【００３５】
本発明のｃＢＮ焼結体工具を切削加工の用途に用いる場合、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ、ガラス基板切断用切り駒、光ファイバーカッター等として極めて有用に用いることができる。
【００３６】
一方、本発明のｃＢＮ焼結体工具を塑性加工の用途に用いる場合、たとえばパンチプレス金型、ダイス用金型、摩擦圧接、摩擦攪拌接合用工具等として極めて有用に用いることができる。そして、塑性加工では、たとえばエンジン部品、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）、ＨＤＤヘッド、キャプスタン、ウェハーチャック、半導体搬送用アーム、自動車駆動系部品、カメラ用ズームレンズシールリングの成型に用いられる。
【００３７】
＜立方晶窒化硼素焼結体＞
本発明のｃＢＮ焼結体は、立方晶窒化硼素と断熱相と結合相とを含有することが好ましい。このようにｃＢＮ焼結体が断熱相を含むことにより、ｃＢＮ焼結体の熱伝導性を低下させることができ、その熱伝導率を７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることができる。このような低熱伝導率のｃＢＮ焼結体を用いたｃＢＮ焼結体工具により切削加工または塑性加工すると、加工時に生じる摩擦熱およびせん断熱がｃＢＮ焼結体工具に伝導するよりも加工物に伝導することとなる。これにより加工物が軟化しやすくなり、ｃＢＮ焼結体工具の刃先にかかる負荷を低減し、以ってｃＢＮ焼結体工具に摩耗および欠損を発生しにくくすることができる。ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であると、加工物の軟化を促進することができ、ｃＢＮ焼結体工具に摩耗および欠損が生じにくくなるためより好ましく、さらに好ましくはｃＢＮ焼結体の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。
【００３８】
このようにｃＢＮ焼結体の熱伝導率を低下させることにより、切削性能が向上するとともに、被削材の加工面の面粗度を改善することもできる。これは、被削材が軟化することにより、工具作用点における被削材のせん断をスムーズに進行することができ、以って加工面にむしれ等が生成されにくく、優れた加工面を得ることができるものと推定される。
【００３９】
ここで、工具作用点におけるｃＢＮ焼結体の最低厚みは、２ｍｍ以上であることが好ましく、より好ましくは３ｍｍ以上である。工具作用点におけるｃＢＮ焼結体の最低厚みが２ｍｍ未満の場合、その摩耗幅が２ｍｍを超えたときに工具シャンク部で加工することになり極端に寿命が低下する。ここで「最低厚み」とは、ｃＢＮ焼結体の最も薄い部分の厚みをいう。
【００４０】
工具作用点は、１μｍ以上２０μｍ以下の面粗さＲｚであることが好ましい。Ｒｚが１μｍ未満では、工具作用点における摩擦熱が発生しにくくなり、作用点での被削材の温度が十分に上がらないことにより、欠損が発生しやすくなる場合がある。一方、Ｒｚが２０μｍを超えると、加工時に加工物の成分が刃先に溶着しやすくなり、加工物の面粗さが悪化する場合がある。工具寿命を向上し、かつ加工物の面粗さを良好にするという観点から、Ｒｚは１．５μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましく、さらに好ましくは、２μｍ以上５μｍ以下である。なお、本発明において、面粗さＲｚは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で定めされた１０点平均粗さであり、表面粗さ測定機（ＳＵＲＦＣＯＭ ２８００Ｅ（株式会社東京精密製））を用いて得られた測定値を採用する。
【００４１】
＜立方晶窒化硼素＞
本発明において、立方晶窒化硼素はｃＢＮ焼結体中に６０体積％以上９９体積％未満含まれることを特徴とする。ここで、ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮが６０体積％未満の場合、耐摩耗性が不足し、９９体積％を超えると、相対的に結合相が少なくなり接合強度が低下する。耐摩耗性と接合強度のバランスから、ｃＢＮの含有率は７５体積％以上９２体積％以下とすることがより好ましく、さらに好ましくは８０体積％以上８７体積％以下である。
【００４２】
ここで、ｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ粒子と断熱相を構成する第１化合物の原料粉末と結合相を構成する原料粉末とを含んだ上で焼結することが好ましい。材料強度を高め、かつ熱伝導率を低下させる効果を強めるという観点から、ｃＢＮ粒子の平均粒子径は小さいことがより好ましく、ｃＢＮ粒子は、１μｍ以下の平均粒子径であることが好ましい。また、ｃＢＮ焼結体の靭性を損なわないようにするという観点から、ｃＢＮ粒子の平均粒子径は、０．１μｍ以上であることが好ましい。材料強度、熱伝導率、および靭性のバランスの観点からは、ｃＢＮ粒子の平均粒子径が０．２μｍ以上０．５μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００４３】
＜結合相＞
本発明において、ｃＢＮ焼結体に含まれる結合相は、ｃＢＮ粒子同士を結合する作用を示すものであって、ｃＢＮ焼結体の結合相として知られる従来公知の組成の結合相をいずれも採用することができる。結合相に用いられる組成としては、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｚｒ、およびＣｒからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素と、Ａｌとの化合物であることが好ましく、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｚｒ、およびＣｒからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素の炭化物、硼化物、炭窒化物、酸化物、またはこれらの相互固溶体の少なくとも一種とＡｌとの化合物であることがより好ましい。これにより鉄系焼結合金や鋳鉄の機械加工で、特に良好な耐摩耗性を得ることができる。特に、結合相に用いる材料としてＣｏを主成分とすることにより、ｃＢＮ焼結体工具の耐欠損性を向上させることができる。
【００４４】
＜断熱相＞
本発明において、断熱相はｃＢＮ焼結体中に点在することにより、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率を低下させることができ、以って加工時に生じる熱がｃＢＮ焼結体工具に伝導しにくく加工物への伝導が促進される。このような断熱相は、焼結性に劣る材料からなり、具体的には、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第１化合物を１種以上含み、該第１化合物は、ｃＢＮ焼結体中に１質量％以上２０質量％以下含まれ、かつ１００ｎｍ未満の平均粒子径を有するものである。第１化合物が１質量％未満であると、立方晶窒化硼素焼結体の熱伝導率を低下させる効果が十分に得られず、加工物への熱の伝導が促進されない。また、第１化合物が２０質量％を超えると、焼結が不十分となり、立方晶窒化硼素焼結体の硬度が低下するという問題がある。また、第１化合物の平均粒子径が１００ｎｍ以上であると、立方晶窒化硼素焼結体の熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋを超えることになり、本発明の効果を得ることができない。立方晶窒化硼素焼結体の熱伝導率を低下させるという観点からは、第１化合物の平均粒子径が５０ｎｍ未満であることが好ましい。
【００４５】
このような断熱相は、ｃＢＮ焼結体中に未焼結の領域として第１化合物を含むことが好ましい。本発明における「未焼結の領域」とは、断熱相とｃＢＮ粒子との界面に形成される焼結によって生じる粒状、もしくは微細な層状の反応物が存在しない粒界・界面付近の領域、および該領域に接する粒子を含む領域をいう。このような未焼結の領域は、ｃＢＮ焼結体に対し０．０１体積％以上３体積％以下含まれることが好ましい。未焼結の領域が０．０１体積％未満であると、断熱相としての効果を十分に得ることができないため好ましくなく、３体積％を超えると、ｃＢＮ焼結体の強度が低下するため好ましくない。
【００４６】
なお、断熱相が未焼結の領域を含むことになる詳細のメカニズムは明らかになっていないが、おそらくｃＢＮ粒子と、第１化合物の原料粉末と、結合相を構成する原料粉末とを混合して超高圧焼結する際に、第１化合物の原料粉末の平均粒子径が結合相を構成する原料粉末の平均粒子径よりも小さいため、第１化合物の原料粉末への圧力が十分に伝達されずに、断熱相とその周囲の結合相およびｃＢＮ粒子との界面に微細な層状の未焼結の領域が形成されるものと推測される。
【００４７】
なおまた、本発明において、未焼結の領域は、エネルギー分散型Ｘ線分光装置（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray spectroscopy）付の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：transmission electron microscope）、オージェ電子顕微鏡、または二次電子顕微鏡を用いて、断熱相とｃＢＮ成分との両方の元素を同時に検出する領域が本質的に存在しない粒界に接する粒子が占有する領域により確認することができる。また、ｃＢＮ焼結体に占める未焼結の領域の体積％は、ｃＢＮ焼結体を一の面で切断したときの切断面の面積に対し、未焼結の領域が占める面積の比率に基づいて算出する。
【００４８】
上記の第１化合物は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素の窒化物、炭化物、および炭窒化物に対し、酸素および硼素のいずれか一方もしくは両方が０．１質量％以上１０質量％以下固溶した化合物であることが好ましく、０．２質量％以上７質量％以下固溶した化合物であることがより好ましく、さらに好ましくは１質量％以上３質量％以下固溶した化合物である。このような割合で酸素および硼素を含むことにより、ｃＢＮ焼結体中に断熱相としての効果を有する未焼結の領域が形成されやすくなることから、耐欠損性を損なうことなく、ｃＢＮ焼結体工具の断熱性を高めることができる。特に、第１化合物に硼素を含む場合、断熱相とｃＢＮ粒子との界面に形成される焼結によって生じる粒状、または微細な層状の反応物とは、第１化合物より高い濃度で硼素が検出される粒界・界面付近の領域のことである。
【００４９】
本発明のｃＢＮ焼結体は、上記の第１化合物の成分に加え、Ｗおよび／またはＲｅと、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第２化合物を１種以上含み、第２化合物は、ｃＢＮ焼結体中に０．１質量％以上２質量％以下含まれることが好ましい。ここで、第２化合物は、ｃＢＮ焼結体の組織中に不連続に配置されるものである。Ｗを含む原料としては、たとえばパラタングステン酸アンモニウム（５（ＮＨ4）2Ｏ・１２ＷＯ3・５Ｈ2Ｏ）を挙げることができ、Ｒｅを含む材料としては、過レニウム酸アンモニウム（ＮＨ4ＲｅＯ4）等を挙げることができる。
【００５０】
上記の第１化合物の原料粉末に加え、第２化合物の原料粉末（すなわちたとえば、５（ＮＨ4）2Ｏ・１２ＷＯ3・５Ｈ2Ｏからなる粉末またはＮＨ4ＲｅＯ4からなる粉末）と、結合相を構成する原料粉末と、ｃＢＮ粒子とを混合して超高圧焼結することにより、その超高圧焼結下で第２化合物の原料粉末に含まれるＮＨ4および／またはＨ2Ｏが触媒として機能する。そして、この触媒の機能によりｃＢＮ粒子同士を直接結合させることができ、以ってｃＢＮ焼結体の強度を高めることができる。
【００５１】
しかも、このような第２化合物の原料粉末とともにｃＢＮ粒子を超高圧焼結することにより、ｃＢＮ焼結体の組織中に、高温硬度および靭性に優れるＷ、Ｒｅ、またはＷとＲｅとの合金、およびこれらの酸化物が不連続に配置することとなり、結果としてｃＢＮ焼結体の熱伝導率を低下させることができる。よって、このような第２化合物をｃＢＮ焼結体に含むことにより、ｃＢＮ焼結体工具の耐摩耗性、耐熱性を低下させることなく、耐欠損性を向上させることができる。
【００５２】
＜工具シャンク部＞
本発明において、ｃＢＮ焼結体が固定される工具シャンク部は、この種の工具シャンク部として知られる従来公知のものであればいずれのものであっても採用することができ、特に限定されない。このような工具シャンク部としては、たとえば超硬合金製またはステンレス製のものを好適に用いることができる。
【００５３】
ここで、上記のｃＢＮ焼結体と工具シャンク部とは、ネジ止め方式および／またはセルフグリップ方式により固定されることが好ましい。このような方式でｃＢＮ焼結体を固定することにより、ｃＢＮ焼結体工具が摩耗して、その機能が損なわれた場合に、摩耗したｃＢＮ焼結体のみを交換することができる。これにより工具シャンク部を交換することなく繰り返し利用することができる。
【００５４】
＜防振耐熱板＞
本発明において、ｃＢＮ焼結体と工具シャンク部との固定部分に防振耐熱板を介在させることが好ましい。防振耐熱板を介在させることにより、加工時にｃＢＮ焼結体に生じる振動が工具シャンク部に伝播するのを抑制することができる。すなわち、防振耐熱板を設けることにより、加工時に工具シャンク部にかかる振動の負荷を軽減することができる。
【００５５】
防振耐熱板は、４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率であることが好ましい。防振耐熱板が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導性を示すことにより、加工時に生じる摩擦熱が工具シャンク部に伝導しにくくなり、加工物に伝導させることができる。これにより加工物の軟化を促進することができ、以ってｃＢＮ焼結体工具の欠損を発生しにくくすることができる。このような防振耐熱板は、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率であることがより好ましく、さらに好ましくは、５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率である。また、防振耐熱板は、酸化物からなるものを用いることにより、さらに熱伝導率を低下させることができる。
【００５６】
＜ｃＢＮ焼結体の製造方法＞
本発明に用いられるｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ粒子と断熱相を構成する原料粉末と結合相を構成する原料粉末とを超高圧装置に導入した上で、これらの粉末を超高圧焼結することにより得ることができる。このように断熱相を構成する原料粉末を含めた上で、超高圧焼結することにより、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率を低下させることができる。ここで、超高圧焼結の条件として、超高圧焼結時の圧力は、低圧力であることが好ましく、より具体的には２ＧＰａ以上７ＧＰａ以下であることが好ましい。超高圧焼結時の温度は、１１００℃以上１８００℃以下であることが好ましく、超高圧焼結の処理に要する時間は５分以上３０分以下であることが好ましい。
【００５７】
また、上記の超高圧焼結以外の焼結方法として、低圧焼結してもよい。これにより断熱相を構成する原料粉末の焼結が完全に進行しにくくなるため、断熱相の一部として、意図的に未焼結の領域を点在させることができ、熱伝導を妨げる効果を得ることができる。ここで、低圧焼結としては、たとえばホットプレス法や放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ：Spark Plasma Sintering）を適用することができる。
【実施例】
【００５８】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５９】
＜実施例１＞
以下のようにして、ｃＢＮ焼結体工具を作製した。まず、平均粒子径１．３μｍのＷＣ粉末と平均粒子径１．１μｍのＣｏ粉末と平均粒子径４μｍのＡｌ粉末とを質量比で、ＷＣ：Ｃｏ：Ａｌ＝２５：６８：７となるように混合し、真空中で１０００℃、３０分間熱処理した化合物を、φ４ｍｍの超硬合金製ボールを用いて粉砕し結合相を構成する原料粉末を得た。
【００６０】
次に、断熱相を形成する第１化合物の成分として、平均粒子径０．８５μｍのＡｌ粉末と平均粒子径０．７μｍのＺｒ粉末とを混ぜ合わせたものを窒素雰囲気中で１０００℃、３０分の間熱処理することにより化合物を作製した。その後、同化合物を粗粉砕した後に、φ０．６ｍｍのジルコニア製メディアを用いて、流速０．２Ｌ／ｍｉｎのエタノールの溶媒中で、メディアと化合物とを微粉砕し、粉砕に用いたメディアを取り除くことにより、断熱相を構成する第１化合物の原料粉末を準備した。
【００６１】
そして、上記で得られた結合相を構成する原料粉末と断熱相を構成する第１化合物の原料粉末と平均粒子径０．９μｍのｃＢＮ粉末とを焼結後のｃＢＮ含有率が６０体積％になるように配合し、混合し乾燥させた。さらに、これらの粉末を超硬合金製支持板に積層してＭｏ製カプセルに充填後、超高圧装置によって、圧力７ＧＰａ、温度１７５０℃で３０分間焼結し、以下の表１に記した組成および熱伝導率を有するｃＢＮ焼結体を得た。また、Ｘ線回析を用いて結合相を構成する化合物の組成を求め、表１の「結合相」の欄中に示した。
【００６２】
上記で得られたｃＢＮ焼結体を所定の形状に切断し、防振耐熱板を介して工具シャンク部に固定することにより、ｃＢＮ焼結体工具を作製した。このようにして作製されたｃＢＮ焼結体工具に対し、所定の工具形状に研削加工を施した。ここで、工具シャンク部としては超鋼合金製のものを用い、防振耐熱板としてはＺｒの酸化物からなり、その厚みが１ｍｍ以上であり、その熱伝導率は３Ｗ／ｍ・Ｋであるものを用いた。
【００６３】
このようにして作製したｃＢＮ焼結体工具の工具作用点の表面粗さＲｚを表面粗さ測定機（ＳＵＲＦＣＯＭ ２８００Ｅ（株式会社東京精密製））により測定したところ、ｃＢＮ焼結体工具の工具作用点のＲｚは２．３μｍであった。
【００６４】
＜実施例２〜３＞
実施例１のｃＢＮ焼結体工具に対し、ｃＢＮ含有率が表１のように異なる他は実施例１と同様の方法により実施例２〜３のｃＢＮ焼結体工具を作製した。
【００６５】
＜実施例４〜６＞
実施例１のｃＢＮ焼結体工具に対し、ｃＢＮ含有率および断熱相の組成が表１のように異なる他は実施例１と同様の方法により実施例４〜６のｃＢＮ焼結体工具を作製した。
【００６６】
たとえば、実施例４では、断熱相を形成する第１化合物の成分として、平均粒子径０．９μｍのＴｉ粉末と平均粒子径０．７μｍのＺｒ粉末とを混ぜ合わせたものを用いた。同様に、実施例５では、平均粒子径０．９μｍのＴｉ粉末と平均粒子径０．８μｍのＳｉ粉末とを混ぜ合わせたものを、断熱相の第１化合物の成分として用い、実施例６では、断熱相を形成する成分に、平均粒子径０．８５μｍのＡｌ粉末と平均粒子径０．７μｍのＺｒ粉末とを第１化合物の成分として用い、平均粒子径０．６μｍのパラタングステン酸アンモニウム（５（ＮＨ4）2Ｏ・１２ＷＯ3・５Ｈ2Ｏ）粉末と平均粒子径０．８μｍの過レニウム酸アンモニウム（ＮＨ4ＲｅＯ4）粉末とを、第２化合物の原料粉末として用いた。
【００６７】
＜実施例７〜８＞
実施例１のｃＢＮ焼結体工具に対し、断熱相を構成する第１化合物の平均粒子径が表１のように異なる他は実施例１と同様の方法により実施例７〜８のｃＢＮ焼結体工具を作製した。
【００６８】
たとえば、実施例７では、φ０．３ｍｍの径のジルコニア製メディアを使用して第１化合物の原料粉末を作製し、それを用いて３０ｎｍの平均粒子径の第１化合物を含むｃＢＮ焼結体工具を作製した。ここで、第１化合物の平均粒子径は、ｃＢＮ焼結体を鏡面ラップし、それを電子顕微鏡で５００００倍に拡大して断熱相の第１化合物の粒子径を１０点測定した平均値を算出することにより得た。
【００６９】
また、実施例８では、φ１．０ｍｍの径のジルコニア製メディアを使用して、第１化合物の原料粉末を作製し、それを用いて９５ｎｍの平均粒子径の第１化合物を含むｃＢＮ焼結体工具を作製した。
【００７０】
＜実施例９＞
実施例４のｃＢＮ焼結体工具に対し、焼結温度を異ならしめることにより、未焼結の領域の体積％が表１のように異なる他は実施例４と同様の方法により作製した。すなわち、焼結温度を１５００℃に設定してｃＢＮ粉末と断熱相を構成する第１化合物の原料粉末と結合相を構成する原料粉末とを焼結することにより、
熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・ＫのｃＢＮ焼結体を含むｃＢＮ焼結体工具を得た。
【００７１】
＜実施例１０〜１１＞
実施例４のｃＢＮ焼結体工具に対し、焼結時の圧力を異ならしめることにより、未焼結の領域の体積％が表１のように異なる他は実施例４と同様の方法により作製した。たとえば、実施例１０では、焼結時の圧力を５．５ＧＰａにした上で、ｃＢＮ粉末と断熱相を構成する第１化合物の原料粉末と結合相を構成する原料粉末とを焼結することにより、ｃＢＮ焼結体に対し０．０１％の未焼結の領域を含むｃＢＮ焼結体工具を得た。
【００７２】
＜実施例１２＞
実施例４のｃＢＮ焼結体工具に対し、超高圧焼結装置を用いる代わりに、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ：Spark Plasma Sintering）装置を用いることにより、ｃＢＮ焼結体工具を作製した。具体的には、ＳＰＳ装置内の温度を１５００℃とし、焼結時の圧力を０．０５ＧＰａに調整した上で、ｃＢＮ粉末と結合相を構成する原料粉末と断熱相を構成する第１化合物の原料粉末とを焼結することによりｃＢＮ焼結体を得た。なお、ＳＰＳ装置を用いたｃＢＮ焼結体の作製方法を具体的に説明すると、ｃＢＮ粉末と結合相を構成する原料粉末と断熱相を構成する第１化合物の原料粉末とを混合したものをグラファイト製焼結型に充填した上で、０．０５ＧＰａに加圧し、真空加熱条件で装置内の温度を１５００℃として、３０分以下の間、放電プラズマ焼結を行なうことにより行なった（たとえば特開２００８−１２１０４６号公報の段落［００１４］参照）。
【００７３】
このようにして得られたｃＢＮ焼結体を一の面で切断し、その断面に対しＴＥＭを用いて１００００倍で観察および分析をした。その結果、その断面の断面積の１．５％が未焼結であることを確認した。このことから、ｃＢＮ焼結体中に１．５体積％の未焼結の領域を含むことが明らかとなった。
【００７４】
また、本実施例で得られたｃＢＮ焼結体をＸ線回析すると、一部の領域で六方晶となっていることが確認された。このことから、実施例１２の立方晶窒化硼素焼結体は、六方晶窒化硼素（ｈＢＮ：Hexagonal Boron Nitride）を一部含むことが明らかとなった。このようにｈＢＮが生じた理由は、おそらく焼結時の焼結圧力が低いことにより、ｃＢＮからｈＢＮに逆変換したことによるものと推定される。
【００７５】
＜実施例１３＞
実施例４のｃＢＮ焼結体工具に対し、超高圧焼結装置を用いる代わりに、ホットプレス装置を用いることにより、ｃＢＮ焼結体工具を作製した。具体的には、ホットプレス装置内の温度を１５００℃とし、焼結時の圧力を０．０３ＧＰａに調整した上で、ｃＢＮ粉末と結合相を構成する原料粉末と断熱相を構成する第１化合物の原料粉末とを焼結することによりｃＢＮ焼結体を得た。
【００７６】
このようにして得られたｃＢＮ焼結体を一の面で切断し、その断面に対しＴＥＭを用いて１００００倍で観察・分析したところ、その断面の断面積の３％が未焼結であることを確認した。このことから、ｃＢＮ焼結体中に３体積％の未焼結の領域を含むことが明らかとなった。
【００７７】
また、本実施例で得られたｃＢＮ焼結体をＸ線回析すると、実施例１２と同様に六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ：Hexagonal Boron Nitride）を一部含むことが確認された。
【００７８】
このようにして作製された各実施例のｃＢＮ焼結体工具は、少なくとも工具作用点に立方晶窒化硼素焼結体を用いた立方晶窒化硼素焼結体工具であって、立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と断熱相と結合相とを含有し、立方晶窒化硼素は、立方晶窒化硼素焼結体中に６０体積％以上９９体積％未満含まれ、断熱相は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第１化合物を１種以上を１質量％以上２０質量％以下含み、立方晶窒化硼素焼結体は、７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率のものである。
【００７９】
＜比較例１〜２＞
比較例１〜２の立方晶窒化硼素焼結体工具は、実施例１の立方晶窒化硼素焼結体工具に対して、ｃＢＮ含有率、および結合相の組成が表１のように異なり、かつ断熱相を含まないことを除いては実施例１と同様の方法により作製した。なお、このようにして作製された立方晶窒化硼素焼結体に対し、結合相を構成する成分の平均粒子径を測定したところ、いずれも１００ｎｍ以上であった。
【００８０】
＜比較例３＞
比較例３の立方晶窒化硼素焼結体工具は、実施例１の立方晶窒化硼素焼結体工具に対して、焼結後のｃＢＮ含有率を８０体積％としたこと、およびφ３．５ｍｍの径の超硬合金製メディアを使用することにより、２００ｎｍの平均粒子径の第１化合物の原料粉末を作製し、これを含むようにしたことを除いては、実施例１と同様の方法により作製した。
【００８１】
【表１】
【００８２】
ここで、表１の「ｃＢＮ含有率」は、以下のようにして算出した。まず、各実施例および各比較例で作製されたｃＢＮ焼結体を鏡面研磨し（ただし研磨する厚みは５０μｍ未満にとどめた）、任意の領域のｃＢＮ焼結体組織を電子顕微鏡にて１００００倍で写真撮影したところ、黒色領域と灰色領域と白色領域が観察された。付属のＥＤＸにより、黒色領域はｃＢＮ粒子、灰色領域と白色領域は結合相であることが確認された。さらに、灰色領域はＣｏ化合物、Ｔｉ化合物、およびＡｌ化合物であり、白色領域はＷ化合物であることも確認された。
【００８３】
次に、上記で撮影された１００００倍の写真に対し画像処理ソフトを用いて２値化処理を施し、同写真のｃＢＮ粒子が占める領域（黒色領域）の合計面積を算出し、その写真中のｃＢＮ焼結体に占める黒色領域の割合の百分率を、体積％として表１の「ｃＢＮ含有率」とした。
【００８４】
また、表１中の「熱伝導率」は、レーザーフラッシュ法により測定して得られたｃＢＮ焼結体の熱拡散率と、別の方法で算出されたｃＢＮ焼結体の比熱および密度とに基づいて算出した。
【００８５】
このようにして得られた各実施例および各比較例の立方晶窒化硼素焼結体を用いて、以下の工具形状を有するｃＢＮ焼結体工具を作製し、切削試験１、２および塑性試験１、２を実施した。その結果を表２〜５に示す。
【００８６】
＜切削試験１＞
実施例１〜６、および比較例１〜３について、工具型番がＳＮＭＡ１２０４３０のｃＢＮ焼結体工具を作製し、以下の条件で切削試験を行なった。
被削材 ：Ｎｉ基超耐熱合金インコネル７１８の外径加工
被削材硬度：Ｈｖ４３０
切削条件：切削速度 Ｖ＝２００ｍ／ｍｉｎ．
送り量 ｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．
切り込み量 ｄ＝０．１５ｍｍ
クーラント エマルジョン２０倍希釈
【００８７】
【表２】
【００８８】
表２の「工具寿命に到達するまでの切削距離」には、摩耗幅が０．３ｍｍを超えるまでに欠損が生じなかった場合にはｃＢＮ焼結体の摩耗幅が０．３ｍｍを超えた時点の切削距離（ｋｍ）を示し、摩耗幅が０．３ｍｍを超えるまでに欠損が生じた場合には、その時点で切削試験を中断し、その時点までの切削距離（ｋｍ）を示した。なお、切削距離の長さが長いものほど、工具寿命が長いことを示している。
【００８９】
また、表２中の「損傷形態」においては、切削試験後のｃＢＮ焼結体の摩耗幅が０．３ｍｍを超えた場合に「正常摩耗」と記し、それまでに欠損が生じた場合に「境界欠損」と記した。
【００９０】
表２から明らかなように、実施例１〜６の本発明に係る立方晶窒化硼素焼結体工具は、比較例１〜３の立方晶窒化硼素焼結体工具に比し、工具寿命を長寿命化したものであることが明らかである。
【００９１】
実施例１〜６の中でも実施例３の立方晶窒化硼素焼結体工具は、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、かつｃＢＮ含有率が８０体積％であるため、その立方晶窒化硼素焼結体工具の寿命が最も長くなっていると考えられる。これに対し、比較例１の立方晶窒化硼素焼結体工具は、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、熱伝導率は比較的低いが、ｃＢＮ含有率が６０体積％でありその体積％が低いため、その強度が低下することとなり、工具寿命が短くなったものと考えられる。
【００９２】
また、比較例２の立方晶窒化硼素焼結体工具は、ｃＢＮ含有率が８５体積％であるが、断熱相を含まないことによりｃＢＮ焼結体の熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋと比較的高くなっている。このため切削加工時に生じる発熱が被削材に伝導しにくく、被削材を十分に軟化することができなかったために、境界欠損が早期に生じたものと推定される。また、比較例３の立方晶窒化硼素焼結体工具は、第１化合物の平均粒子径が１００μｍ以上であったために、断熱相の効果を得ることができず、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が比較的高く８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度となっている。このため切削加工時に生じる発熱が被削材に伝導しにくく、被削材を十分に軟化することができずに、早期に境界欠損が生じたものと推定される。
【００９３】
＜切削試験２＞
実施例９〜１３および比較例２において、工具型番がＣＮＧＡ１２０４０８のｃＢＮ焼結体工具を作製し、以下の条件で切削試験を行なった。
被削材 ：０．８Ｃ−２．０Ｃｕ−残Ｆｅ（ＪＰＭＡ記号：ＳＭＦ４０４０）
被削材硬度：７８ＨＲＢ
切削条件：切削速度 Ｖ＝２００ｍ／ｍｉｎ．
送り量 ｆ＝０．１ｍｍ／ｒｅｖ．
切り込み量 ａｐ＝０．２ｍｍ
切削液あり
【００９４】
【表３】
【００９５】
また、表３中の「損傷形態」において、切削試験後のｃＢＮ焼結体の表面に目視で確認できる程度のチッピングが発生している場合に「微小チッピング」と記した。なお、その他の損傷形態は、切削試験１と同様の基準で判断した。
【００９６】
表３から明らかなように、実施例９〜１３の本発明に係る立方晶窒化硼素焼結体工具は、比較例２の立方晶窒化硼素焼結体工具に比し、工具寿命を長寿命化したものであることが明らかである。
【００９７】
比較例２の立方晶窒化硼素焼結体工具の工具寿命が短くなった理由はおそらく、立方晶窒化硼素焼結体の熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋよりも高いことにより、加工熱が工具側に相対的に多く流入することとなり、その結果、被削材の軟化を十分に促進することができずに、工具作用点における被削材のせん断がスムーズに進行しなくなり、加工初期から加工面にむしれが発生し、加工面の面粗度が悪化したことによるものと推察される。
【００９８】
＜塑性試験１：パンチプレス＞
実施例１、７、８、および比較例１〜３において、工具形状がφ１０の円筒形状のｃＢＮ焼結体工具を作製し、以下の条件で塑性試験を行なった。
加工物 ：ＳＵＳ３０４
加工物の硬度：Ｈｖ１８０
加工物の厚み：２ｍｍ
塑性条件：押しぬき荷重２．５ＧＰａ
【００９９】
【表４】
【０１００】
表４の「パンチ回数」には、パンチ穴にバリが発生した時点までに加工物をパンチした回数を示した。なお、パンチ回数が多いほど、立方晶窒化硼素焼結体工具の硬度が向上しており、工具寿命が長くなっていることを示している。
【０１０１】
表４から明らかなように、実施例１、７、および８の本発明に係る立方晶窒化硼素焼結体工具は、比較例１〜３の立方晶窒化硼素焼結体工具に比し、工具寿命を長寿命化したものであることが明らかである。このことから、立方晶窒化硼素焼結体工具の寿命が向上していることを確認した。
【０１０２】
＜塑性試験２：摩擦圧縮接合＞
実施例１、７、８、および比較例１〜３において、直径１２．７ｍｍの円柱の中央部に、ネジ高さが３ｍｍのＭ４の左ネジ形状の突起物を形成したｃＢＮ焼結体工具の底面に対し、厚み２ｍｍのジルコニア製の防振耐熱板をロウ付けした特殊工具を作製し、以下の条件で塑性試験を行なった。
被接合材：高張力鋼を２枚重ねしたもの
被接合材の引張強度：５９０ＭＰａ
被接合物の厚み：１ｍｍ
接合条件：回転数 ２５００ｒｐｍ
加圧力 １００００Ｎ
【０１０３】
【表５】
【０１０４】
表５の「接合回数」には、ｃＢＮ焼結体工具のネジ部が欠損するまでに、被接合材を接合した回数を示した。なお、接合回数が多いほど、工具寿命が長いことを示している。
【０１０５】
表５から明らかなように、実施例１、７、および８の本発明に係る立方晶窒化硼素焼結体工具は、比較例１〜３の立方晶窒化硼素焼結体工具に比し、工具寿命を長寿命化したものであることが明らかである。
【０１０６】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【０１０７】
今回開示された実施の形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立方晶窒化硼素焼結体工具に関し、特に耐摩耗性および耐欠損性に優れる立方晶窒化硼素焼結体工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料の切削に際しては被削材料に適した切削工具および切削方法が選択される。切削加工において長寿命を達成するためには、いかに切削時の刃先温度を抑制できるかが重要であり、熱伝導率に優れる工具材料が重用されている。一般に、熱伝導率に優れるダイヤモンド焼結体や立方晶窒化硼素（「ｃＢＮ」と記すこともある）焼結体などの超高圧焼結体工具を用いた切削加工においても、高速条件や、大切り込み、高送り条件での高能率条件では、刃先温度の上昇により、被削材との拡散や、酸化などの化学的な摩耗が発達する。このような工具摩耗を抑制する方策として、低速条件への変更、工具刃先の楔角の低減による切削抵抗抑制、またはクーラントの切削点への吐出による切削点の冷却などが行なわれている。
【０００３】
たとえば、難削材の切削加工におけるさらなる長寿命化の方策として、特許文献１には、刃先の少なくとも切削に関与する部分に熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の放熱性が高い超高圧焼結体材料を適用した切削工具の刃先を高圧クーラントで冷却しながら加工を行なうことにより、切削熱による刃先の温度上昇が抑える発明が開示されている。
【０００４】
一方、たとえばガラスやセラミックス、超硬、鉄系焼結合金難削材料などの脆性難削材の切削加工では、高速条件で切削を行なうことや、レーザーアシストにより被削材の切削点の温度を上昇させることにより、被削材を軟化、もしくは切り屑の生成メカニズムを脆性モードから延性モードへ変化させ、良好な加工面を達成させることが提案されている。
【０００５】
しかしながら、原理的には工具刃先が高温に曝され、かつ急冷もされることから刃具が劣化しやすく、チッピングや突発的な欠損が生じやすくなる。また工作機械にも、主軸回転数の制約や、高価なレーザー装置の設置が必要などの問題が生ずる。
【０００６】
ｃＢＮ焼結体は、主にＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｃｏ、およびＡｌを主成分とする結合材によりｃＢＮ粒子を結合させたものである。ｃＢＮ粒子は、ダイヤモンドに次ぐ硬度および熱伝導率を有し、かつセラミックス材料よりも靱性に優れた材料である。このため、ｃＢＮ粒子を８０体積％以上含有するような高ｃＢＮ含有率のｃＢＮ焼結体は、耐塑性変形性、耐欠損性等の特性が優れている。
【０００７】
このような特性を有する高ｃＢＮ含有率のｃＢＮ焼結体を用いたｃＢＮ焼結体工具は、従来の超硬工具などの工具材料に比し、化学的な安定性が優れていること、鉄との親和性が低いこと、長寿命であること、材料的に高硬度であるため加工の能率が高いこと等の点で優れており高く評価されている。このような高性能のｃＢＮ焼結体工具は、Ｎｉ基系および鉄系の高硬度難削材の切削加工の用途、冷間鍛造用のパンチ用工具の塑性加工の用途等において従来から用いられる工具を置換してきた。
【０００８】
ここで、切削加工とは、被削材を局部的にせん断かつ破砕し、切屑を削り出しながら所望の寸法形状の品物を機械加工することをいい、塑性加工とは、加工物に力を加えて変形させて、所定の形状および寸法の製品に成形加工することをいう。ちなみに、塑性加工は、切屑が発生しないという点で切削加工とは異なる。
【０００９】
ｃＢＮ焼結体工具は、上述のように優れた特性を有することから、切削加工および塑性加工のいずれの用途でも、突発的な欠損が生じにくいというメリットがあり、極めて好適に用いられる。
【００１０】
従来のｃＢＮ焼結体工具として、たとえば特許文献２および特許文献３は、ｃＢＮ焼結体に含まれるＡｌ等の金属、酸素等を不純物として捉え、当該不純物の混入を極力低減してｃＢＮ粒子の混合比率を高めることにより、ｃＢＮ焼結体の硬度および靭性を向上させるという技術が開示されている（特許文献２および特許文献３）。
【００１１】
また、ｃＢＮ焼結体工具は、高硬度、高靭性に加え、高熱伝導性を有することが高性能であると考えられ、通説とされてきた。この通説に倣い、特許文献４および特許文献５では、高純度のｃＢＮ粒子の熱伝導率が高いことを利用して、高純度のｃＢＮ粒子を高濃度に含むｃＢＮ焼結体を用いることにより、硬度および靭性に加え、熱伝導性をも向上させたｃＢＮ焼結体工具が提案されている。このようなｃＢＮ焼結体工具は、低延性の材料を塑性加工する場合にも、特に、鉄系焼結合金を切削加工する場合にも欠損が生じにくく、耐摩耗性にも優れるため、好適に使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００９−０４５７１５号公報
【特許文献２】特開平０７−２９１７３２号公報
【特許文献３】特開平１０−１５８０６５号公報
【特許文献４】特開２００５−１８７２６０号公報
【特許文献５】国際公開第２００５／０６６３８１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、高ｃＢＮ含有率のｃＢＮ焼結体工具を、最近の低延性の特性を有する難削材料の切削加工に適用した場合、ｃＢＮ焼結体が高熱伝導性を有するため、切削加工時に加工部で生じる摩擦熱がｃＢＮ焼結体側に拡散することとなり、高温を維持したまま切削加工を進めることができず、切削効率が著しく劣るという問題があった。
【００１４】
すなわち、ｃＢＮ焼結体成分が８０体積％以上の高ｃＢＮ含有率焼結体は耐欠損性に優れているが、同時に７０Ｗ／ｍ・Ｋを超える高い熱伝導率を有するため、加工により生じる摩擦熱がｃＢＮ焼結体から逃げてしまう。このため、加工で生じる熱が被削材に十分に伝導しないことにより被削材が軟化しないため、工具に負荷がかかり、耐欠損性の高いｃＢＮ焼結体工具といえども、欠損が生じる。
【００１５】
特に、鉄系焼結合金の切削では、その低延性により、被削材の温度が不十分な切削環境においては、せん断がスムーズに進行せず、加工面にむしれが発生し、面粗度が悪化する問題がある。面粗度を向上させるために、切削速度を速める、すなわち被削材の温度を高めると、摩耗が急速に進展し満足のいく工具寿命が得られない。また、高温硬度に優れるＮｉ基に代表される超耐熱合金をせん断切削加工する場合、被削材に相応の加工熱が流入した場合にも、高温硬度に優れる特性により、被削材が軟化しにくいため、ｃＢＮ焼結体に欠損が生じやすい。
【００１６】
このようなｃＢＮ焼結体に生じる欠損は、ｃＢＮ粒子自身の強度不足による破砕や、ｃＢＮ粒子間の結合力不足によるｃＢＮ粒子の脱落の集積といった、機械的な損傷メカニズムを主要因とするものと推定される。
【００１７】
ところで、ｃＢＮ焼結体工具は、塑性加工においてもさらなる高性能化が求められている。すなわち、塑性加工においては、加工物が高性能化していることに伴い、高硬度かつ低延性の特性を有する難加工材料を塑性加工する場合に冷間鍛造で加工すると、加工物に亀裂や割れ等の不良が発生しやすい。このことから、温間鍛造、熱間鍛造等のように加工物を４００℃以上１０００℃以下に加熱することにより、加工物の硬度を下げるとともに延性を高めた上で塑性加工する必要がある。しかし、温間鍛造、熱間鍛造等で塑性加工する場合、加工部で生じる摩擦熱により加工部の温度は冷間鋳造で加工するとき以上に高くなり、その高温による影響のため工具に負荷がかかり、結果として工具の寿命が極めて短いものとなっていた。
【００１８】
また、０．５質量％以上の炭素量を含有する鋼材料の塑性加工は、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が高いことにより、加工熱がｃＢＮ焼結体工具に急速に流出し、加工物が急冷されることとなり、マルテンサイト組織や残留オーステナイトを有する脆性層が生成される。これにより加工物の材料強度および疲労強度が劣化しやすいという問題もある。
【００１９】
加工物の急冷を防ぐためにｃＢＮ含有率を８０体積％未満にすると、熱伝導率が比較的低くなることにより、加工熱がｃＢＮ焼結体工具に流出されにくくなることから、加工物の急冷を抑制することができる。しかし、ｃＢＮ粒子よりも強度および靭性に劣る結合相が相対的に多くなるため、ｃＢＮ焼結体工具が早期に欠損する問題がある。
【００２０】
このようにｃＢＮ粒子の含有率を増減させるというアプローチでは、工具の硬度を高めることと工具の熱伝導性を低下させることとがトレードオフの関係にあり、両者を満足させることは困難であった。
【００２１】
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、立方晶窒化硼素焼結体の熱伝導性の低下と、工具の硬度の向上とを両立した立方晶窒化硼素焼結体工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明者らは、上述の切削加工および塑性加工の用途における要求特性を解明した上で、材料開発を進めた。その結果、ｃＢＮ焼結体の作製時に６０体積％以上９９体積％未満のｃＢＮ成分を含めた上で、結合相の成分にＡｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ等の微粒の金属間化合物を添加することにより、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる化合物であって、その平均粒子径が１００ｎｍ未満のものが熱伝導性を低下させる断熱相となることを見い出した。
【００２３】
加えて、上記の超微粒化合物の各成分は焼結性に劣るため、超高圧焼結時にｃＢＮ焼結体の一部に未焼結の領域が点在することになり、その結果、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率を低下させることができるとの知見が得られ、これらの知見に基づきさらに鋭意検討を重ねることによりついに本発明のｃＢＮ焼結体工具を完成した。
【００２４】
すなわち、本発明は、少なくとも工具作用点に立方晶窒化硼素焼結体を用いた立方晶窒化硼素焼結体工具であって、立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と断熱相と結合相とを含有し、立方晶窒化硼素は、立方晶窒化硼素焼結体中に６０体積％以上９９体積％未満含まれ、断熱相は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第１化合物を１種以上含み、該第１化合物は、立方晶窒化硼素焼結体中に１質量％以上２０質量％以下含まれ、かつ１００ｎｍ未満の平均粒子径を有し、立方晶窒化硼素焼結体は、７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率であることを特徴とする。
【００２５】
第１化合物は、５０ｎｍ未満の平均粒子径を有することが好ましい。また、断熱相は、その一部として未焼結の領域を０．０１体積％以上３体積％以下含むことが好ましい。
【００２６】
第１化合物は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素の窒化物、炭化物、および炭窒化物に対し、酸素および硼素のいずれか一方もしくは両方が０．１質量％以上１０質量％以下固溶した化合物であることがより好ましい。
【００２７】
断熱相は、第１化合物に加え、Ｗおよび／またはＲｅと、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第２化合物を１種以上含み、該第２化合物は、立方晶窒化硼素焼結体中に０．１質量％以上２質量％以下含まれることが好ましい。
【００２８】
立方晶窒化硼素は、立方晶窒化硼素焼結体中に７５体積％以上９２体積％以下含まれることが好ましく、立方晶窒化硼素焼結体中に８０体積％以上８７体積％以下含まれることがより好ましい。
【００２９】
立方晶窒化硼素は、平均粒子径が１μｍ以下の立方晶窒化硼素粒子からなることが好ましく、立方晶窒化硼素焼結体は、６０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率であることが好ましい。
【００３０】
工具作用点は、１μｍ以上２０μｍ以下の面粗さＲｚであることが好ましく、工具作用点における立方晶窒化硼素焼結体の最低厚みは、２ｍｍ以上であることが好ましい。
【００３１】
立方晶窒化硼素焼結体と工具シャンク部とが防振耐熱板を介して固定されており、防振耐熱板は、酸化物からなり、かつ４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有し、その厚みは、０．３ｍｍ以上であることが好ましい。
【００３２】
立方晶窒化硼素焼結体と工具シャンク部とは、ネジ止め方式および／またはセルフグリップ方式により固定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具は、上記の構成を有することにより、立方晶窒化硼素焼結体工具の熱伝導率の低下と硬度の向上とを両立し、以って耐摩耗性および耐欠損性に優れるという効果を有する。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具の各構成についてさらに説明する。
＜立方晶窒化硼素焼結体工具＞
本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具は、少なくとも工具作用点にｃＢＮ焼結体を用いる構成を有する。具体的には、本発明のｃＢＮ焼結体工具は、工具シャンク部に防振耐熱板を介してｃＢＮ焼結体が固定されている構成を有することが好ましい。このような構成を有する本発明のｃＢＮ焼結体工具は、鉄系焼結合金や難削鋳鉄の機械加工において特に有効に用いることができる他、これら以外の一般的な金属の各種加工においても好適に用いることができる。ここで、「工具作用点」とは、ｃＢＮ焼結体工具の表面のうちの加工物と接触する部分を意味する。なお、工具シャンク部および防振耐熱板については後述する。
【００３５】
本発明のｃＢＮ焼結体工具を切削加工の用途に用いる場合、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ、ガラス基板切断用切り駒、光ファイバーカッター等として極めて有用に用いることができる。
【００３６】
一方、本発明のｃＢＮ焼結体工具を塑性加工の用途に用いる場合、たとえばパンチプレス金型、ダイス用金型、摩擦圧接、摩擦攪拌接合用工具等として極めて有用に用いることができる。そして、塑性加工では、たとえばエンジン部品、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）、ＨＤＤヘッド、キャプスタン、ウェハーチャック、半導体搬送用アーム、自動車駆動系部品、カメラ用ズームレンズシールリングの成型に用いられる。
【００３７】
＜立方晶窒化硼素焼結体＞
本発明のｃＢＮ焼結体は、立方晶窒化硼素と断熱相と結合相とを含有することが好ましい。このようにｃＢＮ焼結体が断熱相を含むことにより、ｃＢＮ焼結体の熱伝導性を低下させることができ、その熱伝導率を７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることができる。このような低熱伝導率のｃＢＮ焼結体を用いたｃＢＮ焼結体工具により切削加工または塑性加工すると、加工時に生じる摩擦熱およびせん断熱がｃＢＮ焼結体工具に伝導するよりも加工物に伝導することとなる。これにより加工物が軟化しやすくなり、ｃＢＮ焼結体工具の刃先にかかる負荷を低減し、以ってｃＢＮ焼結体工具に摩耗および欠損を発生しにくくすることができる。ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であると、加工物の軟化を促進することができ、ｃＢＮ焼結体工具に摩耗および欠損が生じにくくなるためより好ましく、さらに好ましくはｃＢＮ焼結体の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。
【００３８】
このようにｃＢＮ焼結体の熱伝導率を低下させることにより、切削性能が向上するとともに、被削材の加工面の面粗度を改善することもできる。これは、被削材が軟化することにより、工具作用点における被削材のせん断をスムーズに進行することができ、以って加工面にむしれ等が生成されにくく、優れた加工面を得ることができるものと推定される。
【００３９】
ここで、工具作用点におけるｃＢＮ焼結体の最低厚みは、２ｍｍ以上であることが好ましく、より好ましくは３ｍｍ以上である。工具作用点におけるｃＢＮ焼結体の最低厚みが２ｍｍ未満の場合、その摩耗幅が２ｍｍを超えたときに工具シャンク部で加工することになり極端に寿命が低下する。ここで「最低厚み」とは、ｃＢＮ焼結体の最も薄い部分の厚みをいう。
【００４０】
工具作用点は、１μｍ以上２０μｍ以下の面粗さＲｚであることが好ましい。Ｒｚが１μｍ未満では、工具作用点における摩擦熱が発生しにくくなり、作用点での被削材の温度が十分に上がらないことにより、欠損が発生しやすくなる場合がある。一方、Ｒｚが２０μｍを超えると、加工時に加工物の成分が刃先に溶着しやすくなり、加工物の面粗さが悪化する場合がある。工具寿命を向上し、かつ加工物の面粗さを良好にするという観点から、Ｒｚは１．５μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましく、さらに好ましくは、２μｍ以上５μｍ以下である。なお、本発明において、面粗さＲｚは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で定めされた１０点平均粗さであり、表面粗さ測定機（ＳＵＲＦＣＯＭ ２８００Ｅ（株式会社東京精密製））を用いて得られた測定値を採用する。
【００４１】
＜立方晶窒化硼素＞
本発明において、立方晶窒化硼素はｃＢＮ焼結体中に６０体積％以上９９体積％未満含まれることを特徴とする。ここで、ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮが６０体積％未満の場合、耐摩耗性が不足し、９９体積％を超えると、相対的に結合相が少なくなり接合強度が低下する。耐摩耗性と接合強度のバランスから、ｃＢＮの含有率は７５体積％以上９２体積％以下とすることがより好ましく、さらに好ましくは８０体積％以上８７体積％以下である。
【００４２】
ここで、ｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ粒子と断熱相を構成する第１化合物の原料粉末と結合相を構成する原料粉末とを含んだ上で焼結することが好ましい。材料強度を高め、かつ熱伝導率を低下させる効果を強めるという観点から、ｃＢＮ粒子の平均粒子径は小さいことがより好ましく、ｃＢＮ粒子は、１μｍ以下の平均粒子径であることが好ましい。また、ｃＢＮ焼結体の靭性を損なわないようにするという観点から、ｃＢＮ粒子の平均粒子径は、０．１μｍ以上であることが好ましい。材料強度、熱伝導率、および靭性のバランスの観点からは、ｃＢＮ粒子の平均粒子径が０．２μｍ以上０．５μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００４３】
＜結合相＞
本発明において、ｃＢＮ焼結体に含まれる結合相は、ｃＢＮ粒子同士を結合する作用を示すものであって、ｃＢＮ焼結体の結合相として知られる従来公知の組成の結合相をいずれも採用することができる。結合相に用いられる組成としては、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｚｒ、およびＣｒからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素と、Ａｌとの化合物であることが好ましく、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｚｒ、およびＣｒからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素の炭化物、硼化物、炭窒化物、酸化物、またはこれらの相互固溶体の少なくとも一種とＡｌとの化合物であることがより好ましい。これにより鉄系焼結合金や鋳鉄の機械加工で、特に良好な耐摩耗性を得ることができる。特に、結合相に用いる材料としてＣｏを主成分とすることにより、ｃＢＮ焼結体工具の耐欠損性を向上させることができる。
【００４４】
＜断熱相＞
本発明において、断熱相はｃＢＮ焼結体中に点在することにより、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率を低下させることができ、以って加工時に生じる熱がｃＢＮ焼結体工具に伝導しにくく加工物への伝導が促進される。このような断熱相は、焼結性に劣る材料からなり、具体的には、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第１化合物を１種以上含み、該第１化合物は、ｃＢＮ焼結体中に１質量％以上２０質量％以下含まれ、かつ１００ｎｍ未満の平均粒子径を有するものである。第１化合物が１質量％未満であると、立方晶窒化硼素焼結体の熱伝導率を低下させる効果が十分に得られず、加工物への熱の伝導が促進されない。また、第１化合物が２０質量％を超えると、焼結が不十分となり、立方晶窒化硼素焼結体の硬度が低下するという問題がある。また、第１化合物の平均粒子径が１００ｎｍ以上であると、立方晶窒化硼素焼結体の熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋを超えることになり、本発明の効果を得ることができない。立方晶窒化硼素焼結体の熱伝導率を低下させるという観点からは、第１化合物の平均粒子径が５０ｎｍ未満であることが好ましい。
【００４５】
このような断熱相は、ｃＢＮ焼結体中に未焼結の領域として第１化合物を含むことが好ましい。本発明における「未焼結の領域」とは、断熱相とｃＢＮ粒子との界面に形成される焼結によって生じる粒状、もしくは微細な層状の反応物が存在しない粒界・界面付近の領域、および該領域に接する粒子を含む領域をいう。このような未焼結の領域は、ｃＢＮ焼結体に対し０．０１体積％以上３体積％以下含まれることが好ましい。未焼結の領域が０．０１体積％未満であると、断熱相としての効果を十分に得ることができないため好ましくなく、３体積％を超えると、ｃＢＮ焼結体の強度が低下するため好ましくない。
【００４６】
なお、断熱相が未焼結の領域を含むことになる詳細のメカニズムは明らかになっていないが、おそらくｃＢＮ粒子と、第１化合物の原料粉末と、結合相を構成する原料粉末とを混合して超高圧焼結する際に、第１化合物の原料粉末の平均粒子径が結合相を構成する原料粉末の平均粒子径よりも小さいため、第１化合物の原料粉末への圧力が十分に伝達されずに、断熱相とその周囲の結合相およびｃＢＮ粒子との界面に微細な層状の未焼結の領域が形成されるものと推測される。
【００４７】
なおまた、本発明において、未焼結の領域は、エネルギー分散型Ｘ線分光装置（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray spectroscopy）付の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：transmission electron microscope）、オージェ電子顕微鏡、または二次電子顕微鏡を用いて、断熱相とｃＢＮ成分との両方の元素を同時に検出する領域が本質的に存在しない粒界に接する粒子が占有する領域により確認することができる。また、ｃＢＮ焼結体に占める未焼結の領域の体積％は、ｃＢＮ焼結体を一の面で切断したときの切断面の面積に対し、未焼結の領域が占める面積の比率に基づいて算出する。
【００４８】
上記の第１化合物は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素の窒化物、炭化物、および炭窒化物に対し、酸素および硼素のいずれか一方もしくは両方が０．１質量％以上１０質量％以下固溶した化合物であることが好ましく、０．２質量％以上７質量％以下固溶した化合物であることがより好ましく、さらに好ましくは１質量％以上３質量％以下固溶した化合物である。このような割合で酸素および硼素を含むことにより、ｃＢＮ焼結体中に断熱相としての効果を有する未焼結の領域が形成されやすくなることから、耐欠損性を損なうことなく、ｃＢＮ焼結体工具の断熱性を高めることができる。特に、第１化合物に硼素を含む場合、断熱相とｃＢＮ粒子との界面に形成される焼結によって生じる粒状、または微細な層状の反応物とは、第１化合物より高い濃度で硼素が検出される粒界・界面付近の領域のことである。
【００４９】
本発明のｃＢＮ焼結体は、上記の第１化合物の成分に加え、Ｗおよび／またはＲｅと、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第２化合物を１種以上含み、第２化合物は、ｃＢＮ焼結体中に０．１質量％以上２質量％以下含まれることが好ましい。ここで、第２化合物は、ｃＢＮ焼結体の組織中に不連続に配置されるものである。Ｗを含む原料としては、たとえばパラタングステン酸アンモニウム（５（ＮＨ4）2Ｏ・１２ＷＯ3・５Ｈ2Ｏ）を挙げることができ、Ｒｅを含む材料としては、過レニウム酸アンモニウム（ＮＨ4ＲｅＯ4）等を挙げることができる。
【００５０】
上記の第１化合物の原料粉末に加え、第２化合物の原料粉末（すなわちたとえば、５（ＮＨ4）2Ｏ・１２ＷＯ3・５Ｈ2Ｏからなる粉末またはＮＨ4ＲｅＯ4からなる粉末）と、結合相を構成する原料粉末と、ｃＢＮ粒子とを混合して超高圧焼結することにより、その超高圧焼結下で第２化合物の原料粉末に含まれるＮＨ4および／またはＨ2Ｏが触媒として機能する。そして、この触媒の機能によりｃＢＮ粒子同士を直接結合させることができ、以ってｃＢＮ焼結体の強度を高めることができる。
【００５１】
しかも、このような第２化合物の原料粉末とともにｃＢＮ粒子を超高圧焼結することにより、ｃＢＮ焼結体の組織中に、高温硬度および靭性に優れるＷ、Ｒｅ、またはＷとＲｅとの合金、およびこれらの酸化物が不連続に配置することとなり、結果としてｃＢＮ焼結体の熱伝導率を低下させることができる。よって、このような第２化合物をｃＢＮ焼結体に含むことにより、ｃＢＮ焼結体工具の耐摩耗性、耐熱性を低下させることなく、耐欠損性を向上させることができる。
【００５２】
＜工具シャンク部＞
本発明において、ｃＢＮ焼結体が固定される工具シャンク部は、この種の工具シャンク部として知られる従来公知のものであればいずれのものであっても採用することができ、特に限定されない。このような工具シャンク部としては、たとえば超硬合金製またはステンレス製のものを好適に用いることができる。
【００５３】
ここで、上記のｃＢＮ焼結体と工具シャンク部とは、ネジ止め方式および／またはセルフグリップ方式により固定されることが好ましい。このような方式でｃＢＮ焼結体を固定することにより、ｃＢＮ焼結体工具が摩耗して、その機能が損なわれた場合に、摩耗したｃＢＮ焼結体のみを交換することができる。これにより工具シャンク部を交換することなく繰り返し利用することができる。
【００５４】
＜防振耐熱板＞
本発明において、ｃＢＮ焼結体と工具シャンク部との固定部分に防振耐熱板を介在させることが好ましい。防振耐熱板を介在させることにより、加工時にｃＢＮ焼結体に生じる振動が工具シャンク部に伝播するのを抑制することができる。すなわち、防振耐熱板を設けることにより、加工時に工具シャンク部にかかる振動の負荷を軽減することができる。
【００５５】
防振耐熱板は、４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率であることが好ましい。防振耐熱板が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導性を示すことにより、加工時に生じる摩擦熱が工具シャンク部に伝導しにくくなり、加工物に伝導させることができる。これにより加工物の軟化を促進することができ、以ってｃＢＮ焼結体工具の欠損を発生しにくくすることができる。このような防振耐熱板は、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率であることがより好ましく、さらに好ましくは、５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率である。また、防振耐熱板は、酸化物からなるものを用いることにより、さらに熱伝導率を低下させることができる。
【００５６】
＜ｃＢＮ焼結体の製造方法＞
本発明に用いられるｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ粒子と断熱相を構成する原料粉末と結合相を構成する原料粉末とを超高圧装置に導入した上で、これらの粉末を超高圧焼結することにより得ることができる。このように断熱相を構成する原料粉末を含めた上で、超高圧焼結することにより、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率を低下させることができる。ここで、超高圧焼結の条件として、超高圧焼結時の圧力は、低圧力であることが好ましく、より具体的には２ＧＰａ以上７ＧＰａ以下であることが好ましい。超高圧焼結時の温度は、１１００℃以上１８００℃以下であることが好ましく、超高圧焼結の処理に要する時間は５分以上３０分以下であることが好ましい。
【００５７】
また、上記の超高圧焼結以外の焼結方法として、低圧焼結してもよい。これにより断熱相を構成する原料粉末の焼結が完全に進行しにくくなるため、断熱相の一部として、意図的に未焼結の領域を点在させることができ、熱伝導を妨げる効果を得ることができる。ここで、低圧焼結としては、たとえばホットプレス法や放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ：Spark Plasma Sintering）を適用することができる。
【実施例】
【００５８】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５９】
＜実施例１＞
以下のようにして、ｃＢＮ焼結体工具を作製した。まず、平均粒子径１．３μｍのＷＣ粉末と平均粒子径１．１μｍのＣｏ粉末と平均粒子径４μｍのＡｌ粉末とを質量比で、ＷＣ：Ｃｏ：Ａｌ＝２５：６８：７となるように混合し、真空中で１０００℃、３０分間熱処理した化合物を、φ４ｍｍの超硬合金製ボールを用いて粉砕し結合相を構成する原料粉末を得た。
【００６０】
次に、断熱相を形成する第１化合物の成分として、平均粒子径０．８５μｍのＡｌ粉末と平均粒子径０．７μｍのＺｒ粉末とを混ぜ合わせたものを窒素雰囲気中で１０００℃、３０分の間熱処理することにより化合物を作製した。その後、同化合物を粗粉砕した後に、φ０．６ｍｍのジルコニア製メディアを用いて、流速０．２Ｌ／ｍｉｎのエタノールの溶媒中で、メディアと化合物とを微粉砕し、粉砕に用いたメディアを取り除くことにより、断熱相を構成する第１化合物の原料粉末を準備した。
【００６１】
そして、上記で得られた結合相を構成する原料粉末と断熱相を構成する第１化合物の原料粉末と平均粒子径０．９μｍのｃＢＮ粉末とを焼結後のｃＢＮ含有率が６０体積％になるように配合し、混合し乾燥させた。さらに、これらの粉末を超硬合金製支持板に積層してＭｏ製カプセルに充填後、超高圧装置によって、圧力７ＧＰａ、温度１７５０℃で３０分間焼結し、以下の表１に記した組成および熱伝導率を有するｃＢＮ焼結体を得た。また、Ｘ線回析を用いて結合相を構成する化合物の組成を求め、表１の「結合相」の欄中に示した。
【００６２】
上記で得られたｃＢＮ焼結体を所定の形状に切断し、防振耐熱板を介して工具シャンク部に固定することにより、ｃＢＮ焼結体工具を作製した。このようにして作製されたｃＢＮ焼結体工具に対し、所定の工具形状に研削加工を施した。ここで、工具シャンク部としては超鋼合金製のものを用い、防振耐熱板としてはＺｒの酸化物からなり、その厚みが１ｍｍ以上であり、その熱伝導率は３Ｗ／ｍ・Ｋであるものを用いた。
【００６３】
このようにして作製したｃＢＮ焼結体工具の工具作用点の表面粗さＲｚを表面粗さ測定機（ＳＵＲＦＣＯＭ ２８００Ｅ（株式会社東京精密製））により測定したところ、ｃＢＮ焼結体工具の工具作用点のＲｚは２．３μｍであった。
【００６４】
＜実施例２〜３＞
実施例１のｃＢＮ焼結体工具に対し、ｃＢＮ含有率が表１のように異なる他は実施例１と同様の方法により実施例２〜３のｃＢＮ焼結体工具を作製した。
【００６５】
＜実施例４〜６＞
実施例１のｃＢＮ焼結体工具に対し、ｃＢＮ含有率および断熱相の組成が表１のように異なる他は実施例１と同様の方法により実施例４〜６のｃＢＮ焼結体工具を作製した。
【００６６】
たとえば、実施例４では、断熱相を形成する第１化合物の成分として、平均粒子径０．９μｍのＴｉ粉末と平均粒子径０．７μｍのＺｒ粉末とを混ぜ合わせたものを用いた。同様に、実施例５では、平均粒子径０．９μｍのＴｉ粉末と平均粒子径０．８μｍのＳｉ粉末とを混ぜ合わせたものを、断熱相の第１化合物の成分として用い、実施例６では、断熱相を形成する成分に、平均粒子径０．８５μｍのＡｌ粉末と平均粒子径０．７μｍのＺｒ粉末とを第１化合物の成分として用い、平均粒子径０．６μｍのパラタングステン酸アンモニウム（５（ＮＨ4）2Ｏ・１２ＷＯ3・５Ｈ2Ｏ）粉末と平均粒子径０．８μｍの過レニウム酸アンモニウム（ＮＨ4ＲｅＯ4）粉末とを、第２化合物の原料粉末として用いた。
【００６７】
＜実施例７〜８＞
実施例１のｃＢＮ焼結体工具に対し、断熱相を構成する第１化合物の平均粒子径が表１のように異なる他は実施例１と同様の方法により実施例７〜８のｃＢＮ焼結体工具を作製した。
【００６８】
たとえば、実施例７では、φ０．３ｍｍの径のジルコニア製メディアを使用して第１化合物の原料粉末を作製し、それを用いて３０ｎｍの平均粒子径の第１化合物を含むｃＢＮ焼結体工具を作製した。ここで、第１化合物の平均粒子径は、ｃＢＮ焼結体を鏡面ラップし、それを電子顕微鏡で５００００倍に拡大して断熱相の第１化合物の粒子径を１０点測定した平均値を算出することにより得た。
【００６９】
また、実施例８では、φ１．０ｍｍの径のジルコニア製メディアを使用して、第１化合物の原料粉末を作製し、それを用いて９５ｎｍの平均粒子径の第１化合物を含むｃＢＮ焼結体工具を作製した。
【００７０】
＜実施例９＞
実施例４のｃＢＮ焼結体工具に対し、焼結温度を異ならしめることにより、未焼結の領域の体積％が表１のように異なる他は実施例４と同様の方法により作製した。すなわち、焼結温度を１５００℃に設定してｃＢＮ粉末と断熱相を構成する第１化合物の原料粉末と結合相を構成する原料粉末とを焼結することにより、
熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・ＫのｃＢＮ焼結体を含むｃＢＮ焼結体工具を得た。
【００７１】
＜実施例１０〜１１＞
実施例４のｃＢＮ焼結体工具に対し、焼結時の圧力を異ならしめることにより、未焼結の領域の体積％が表１のように異なる他は実施例４と同様の方法により作製した。たとえば、実施例１０では、焼結時の圧力を５．５ＧＰａにした上で、ｃＢＮ粉末と断熱相を構成する第１化合物の原料粉末と結合相を構成する原料粉末とを焼結することにより、ｃＢＮ焼結体に対し０．０１％の未焼結の領域を含むｃＢＮ焼結体工具を得た。
【００７２】
＜実施例１２＞
実施例４のｃＢＮ焼結体工具に対し、超高圧焼結装置を用いる代わりに、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ：Spark Plasma Sintering）装置を用いることにより、ｃＢＮ焼結体工具を作製した。具体的には、ＳＰＳ装置内の温度を１５００℃とし、焼結時の圧力を０．０５ＧＰａに調整した上で、ｃＢＮ粉末と結合相を構成する原料粉末と断熱相を構成する第１化合物の原料粉末とを焼結することによりｃＢＮ焼結体を得た。なお、ＳＰＳ装置を用いたｃＢＮ焼結体の作製方法を具体的に説明すると、ｃＢＮ粉末と結合相を構成する原料粉末と断熱相を構成する第１化合物の原料粉末とを混合したものをグラファイト製焼結型に充填した上で、０．０５ＧＰａに加圧し、真空加熱条件で装置内の温度を１５００℃として、３０分以下の間、放電プラズマ焼結を行なうことにより行なった（たとえば特開２００８−１２１０４６号公報の段落［００１４］参照）。
【００７３】
このようにして得られたｃＢＮ焼結体を一の面で切断し、その断面に対しＴＥＭを用いて１００００倍で観察および分析をした。その結果、その断面の断面積の１．５％が未焼結であることを確認した。このことから、ｃＢＮ焼結体中に１．５体積％の未焼結の領域を含むことが明らかとなった。
【００７４】
また、本実施例で得られたｃＢＮ焼結体をＸ線回析すると、一部の領域で六方晶となっていることが確認された。このことから、実施例１２の立方晶窒化硼素焼結体は、六方晶窒化硼素（ｈＢＮ：Hexagonal Boron Nitride）を一部含むことが明らかとなった。このようにｈＢＮが生じた理由は、おそらく焼結時の焼結圧力が低いことにより、ｃＢＮからｈＢＮに逆変換したことによるものと推定される。
【００７５】
＜実施例１３＞
実施例４のｃＢＮ焼結体工具に対し、超高圧焼結装置を用いる代わりに、ホットプレス装置を用いることにより、ｃＢＮ焼結体工具を作製した。具体的には、ホットプレス装置内の温度を１５００℃とし、焼結時の圧力を０．０３ＧＰａに調整した上で、ｃＢＮ粉末と結合相を構成する原料粉末と断熱相を構成する第１化合物の原料粉末とを焼結することによりｃＢＮ焼結体を得た。
【００７６】
このようにして得られたｃＢＮ焼結体を一の面で切断し、その断面に対しＴＥＭを用いて１００００倍で観察・分析したところ、その断面の断面積の３％が未焼結であることを確認した。このことから、ｃＢＮ焼結体中に３体積％の未焼結の領域を含むことが明らかとなった。
【００７７】
また、本実施例で得られたｃＢＮ焼結体をＸ線回析すると、実施例１２と同様に六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ：Hexagonal Boron Nitride）を一部含むことが確認された。
【００７８】
このようにして作製された各実施例のｃＢＮ焼結体工具は、少なくとも工具作用点に立方晶窒化硼素焼結体を用いた立方晶窒化硼素焼結体工具であって、立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と断熱相と結合相とを含有し、立方晶窒化硼素は、立方晶窒化硼素焼結体中に６０体積％以上９９体積％未満含まれ、断熱相は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第１化合物を１種以上を１質量％以上２０質量％以下含み、立方晶窒化硼素焼結体は、７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率のものである。
【００７９】
＜比較例１〜２＞
比較例１〜２の立方晶窒化硼素焼結体工具は、実施例１の立方晶窒化硼素焼結体工具に対して、ｃＢＮ含有率、および結合相の組成が表１のように異なり、かつ断熱相を含まないことを除いては実施例１と同様の方法により作製した。なお、このようにして作製された立方晶窒化硼素焼結体に対し、結合相を構成する成分の平均粒子径を測定したところ、いずれも１００ｎｍ以上であった。
【００８０】
＜比較例３＞
比較例３の立方晶窒化硼素焼結体工具は、実施例１の立方晶窒化硼素焼結体工具に対して、焼結後のｃＢＮ含有率を８０体積％としたこと、およびφ３．５ｍｍの径の超硬合金製メディアを使用することにより、２００ｎｍの平均粒子径の第１化合物の原料粉末を作製し、これを含むようにしたことを除いては、実施例１と同様の方法により作製した。
【００８１】
【表１】
【００８２】
ここで、表１の「ｃＢＮ含有率」は、以下のようにして算出した。まず、各実施例および各比較例で作製されたｃＢＮ焼結体を鏡面研磨し（ただし研磨する厚みは５０μｍ未満にとどめた）、任意の領域のｃＢＮ焼結体組織を電子顕微鏡にて１００００倍で写真撮影したところ、黒色領域と灰色領域と白色領域が観察された。付属のＥＤＸにより、黒色領域はｃＢＮ粒子、灰色領域と白色領域は結合相であることが確認された。さらに、灰色領域はＣｏ化合物、Ｔｉ化合物、およびＡｌ化合物であり、白色領域はＷ化合物であることも確認された。
【００８３】
次に、上記で撮影された１００００倍の写真に対し画像処理ソフトを用いて２値化処理を施し、同写真のｃＢＮ粒子が占める領域（黒色領域）の合計面積を算出し、その写真中のｃＢＮ焼結体に占める黒色領域の割合の百分率を、体積％として表１の「ｃＢＮ含有率」とした。
【００８４】
また、表１中の「熱伝導率」は、レーザーフラッシュ法により測定して得られたｃＢＮ焼結体の熱拡散率と、別の方法で算出されたｃＢＮ焼結体の比熱および密度とに基づいて算出した。
【００８５】
このようにして得られた各実施例および各比較例の立方晶窒化硼素焼結体を用いて、以下の工具形状を有するｃＢＮ焼結体工具を作製し、切削試験１、２および塑性試験１、２を実施した。その結果を表２〜５に示す。
【００８６】
＜切削試験１＞
実施例１〜６、および比較例１〜３について、工具型番がＳＮＭＡ１２０４３０のｃＢＮ焼結体工具を作製し、以下の条件で切削試験を行なった。
被削材 ：Ｎｉ基超耐熱合金インコネル７１８の外径加工
被削材硬度：Ｈｖ４３０
切削条件：切削速度 Ｖ＝２００ｍ／ｍｉｎ．
送り量 ｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．
切り込み量 ｄ＝０．１５ｍｍ
クーラント エマルジョン２０倍希釈
【００８７】
【表２】
【００８８】
表２の「工具寿命に到達するまでの切削距離」には、摩耗幅が０．３ｍｍを超えるまでに欠損が生じなかった場合にはｃＢＮ焼結体の摩耗幅が０．３ｍｍを超えた時点の切削距離（ｋｍ）を示し、摩耗幅が０．３ｍｍを超えるまでに欠損が生じた場合には、その時点で切削試験を中断し、その時点までの切削距離（ｋｍ）を示した。なお、切削距離の長さが長いものほど、工具寿命が長いことを示している。
【００８９】
また、表２中の「損傷形態」においては、切削試験後のｃＢＮ焼結体の摩耗幅が０．３ｍｍを超えた場合に「正常摩耗」と記し、それまでに欠損が生じた場合に「境界欠損」と記した。
【００９０】
表２から明らかなように、実施例１〜６の本発明に係る立方晶窒化硼素焼結体工具は、比較例１〜３の立方晶窒化硼素焼結体工具に比し、工具寿命を長寿命化したものであることが明らかである。
【００９１】
実施例１〜６の中でも実施例３の立方晶窒化硼素焼結体工具は、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、かつｃＢＮ含有率が８０体積％であるため、その立方晶窒化硼素焼結体工具の寿命が最も長くなっていると考えられる。これに対し、比較例１の立方晶窒化硼素焼結体工具は、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、熱伝導率は比較的低いが、ｃＢＮ含有率が６０体積％でありその体積％が低いため、その強度が低下することとなり、工具寿命が短くなったものと考えられる。
【００９２】
また、比較例２の立方晶窒化硼素焼結体工具は、ｃＢＮ含有率が８５体積％であるが、断熱相を含まないことによりｃＢＮ焼結体の熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋと比較的高くなっている。このため切削加工時に生じる発熱が被削材に伝導しにくく、被削材を十分に軟化することができなかったために、境界欠損が早期に生じたものと推定される。また、比較例３の立方晶窒化硼素焼結体工具は、第１化合物の平均粒子径が１００μｍ以上であったために、断熱相の効果を得ることができず、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が比較的高く８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度となっている。このため切削加工時に生じる発熱が被削材に伝導しにくく、被削材を十分に軟化することができずに、早期に境界欠損が生じたものと推定される。
【００９３】
＜切削試験２＞
実施例９〜１３および比較例２において、工具型番がＣＮＧＡ１２０４０８のｃＢＮ焼結体工具を作製し、以下の条件で切削試験を行なった。
被削材 ：０．８Ｃ−２．０Ｃｕ−残Ｆｅ（ＪＰＭＡ記号：ＳＭＦ４０４０）
被削材硬度：７８ＨＲＢ
切削条件：切削速度 Ｖ＝２００ｍ／ｍｉｎ．
送り量 ｆ＝０．１ｍｍ／ｒｅｖ．
切り込み量 ａｐ＝０．２ｍｍ
切削液あり
【００９４】
【表３】
【００９５】
また、表３中の「損傷形態」において、切削試験後のｃＢＮ焼結体の表面に目視で確認できる程度のチッピングが発生している場合に「微小チッピング」と記した。なお、その他の損傷形態は、切削試験１と同様の基準で判断した。
【００９６】
表３から明らかなように、実施例９〜１３の本発明に係る立方晶窒化硼素焼結体工具は、比較例２の立方晶窒化硼素焼結体工具に比し、工具寿命を長寿命化したものであることが明らかである。
【００９７】
比較例２の立方晶窒化硼素焼結体工具の工具寿命が短くなった理由はおそらく、立方晶窒化硼素焼結体の熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋよりも高いことにより、加工熱が工具側に相対的に多く流入することとなり、その結果、被削材の軟化を十分に促進することができずに、工具作用点における被削材のせん断がスムーズに進行しなくなり、加工初期から加工面にむしれが発生し、加工面の面粗度が悪化したことによるものと推察される。
【００９８】
＜塑性試験１：パンチプレス＞
実施例１、７、８、および比較例１〜３において、工具形状がφ１０の円筒形状のｃＢＮ焼結体工具を作製し、以下の条件で塑性試験を行なった。
加工物 ：ＳＵＳ３０４
加工物の硬度：Ｈｖ１８０
加工物の厚み：２ｍｍ
塑性条件：押しぬき荷重２．５ＧＰａ
【００９９】
【表４】
【０１００】
表４の「パンチ回数」には、パンチ穴にバリが発生した時点までに加工物をパンチした回数を示した。なお、パンチ回数が多いほど、立方晶窒化硼素焼結体工具の硬度が向上しており、工具寿命が長くなっていることを示している。
【０１０１】
表４から明らかなように、実施例１、７、および８の本発明に係る立方晶窒化硼素焼結体工具は、比較例１〜３の立方晶窒化硼素焼結体工具に比し、工具寿命を長寿命化したものであることが明らかである。このことから、立方晶窒化硼素焼結体工具の寿命が向上していることを確認した。
【０１０２】
＜塑性試験２：摩擦圧縮接合＞
実施例１、７、８、および比較例１〜３において、直径１２．７ｍｍの円柱の中央部に、ネジ高さが３ｍｍのＭ４の左ネジ形状の突起物を形成したｃＢＮ焼結体工具の底面に対し、厚み２ｍｍのジルコニア製の防振耐熱板をロウ付けした特殊工具を作製し、以下の条件で塑性試験を行なった。
被接合材：高張力鋼を２枚重ねしたもの
被接合材の引張強度：５９０ＭＰａ
被接合物の厚み：１ｍｍ
接合条件：回転数 ２５００ｒｐｍ
加圧力 １００００Ｎ
【０１０３】
【表５】
【０１０４】
表５の「接合回数」には、ｃＢＮ焼結体工具のネジ部が欠損するまでに、被接合材を接合した回数を示した。なお、接合回数が多いほど、工具寿命が長いことを示している。
【０１０５】
表５から明らかなように、実施例１、７、および８の本発明に係る立方晶窒化硼素焼結体工具は、比較例１〜３の立方晶窒化硼素焼結体工具に比し、工具寿命を長寿命化したものであることが明らかである。
【０１０６】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【０１０７】
今回開示された実施の形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも工具作用点に立方晶窒化硼素焼結体を用いた立方晶窒化硼素焼結体工具であって、
前記立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と断熱相と結合相とを含有し、
前記立方晶窒化硼素は、前記立方晶窒化硼素焼結体中に６０体積％以上９９体積％未満含まれ、
前記断熱相は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第１化合物を１種以上含み、
前記第１化合物は、前記立方晶窒化硼素焼結体中に１質量％以上２０質量％以下含まれ、かつ１００ｎｍ未満の平均粒子径を有し、
前記立方晶窒化硼素焼結体は、７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率である、立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項２】
前記第１化合物は、５０ｎｍ未満の平均粒子径を有する、請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項３】
前記断熱相は、その一部として未焼結の領域を前記立方晶窒化硼素焼結体に対して、０．０１体積％以上３体積％以下含む、請求項１または２に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項４】
前記第１化合物は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素の窒化物、炭化物、および炭窒化物に対し、酸素および硼素のいずれか一方もしくは両方が０．１質量％以上１０質量％以下固溶した化合物である、請求項１〜３のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項５】
前記断熱相は、前記第１化合物に加え、Ｗおよび／またはＲｅと、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第２化合物を１種以上含み、
前記第２化合物は、前記立方晶窒化硼素焼結体中に０．１質量％以上２質量％以下含まれる、請求項１〜４のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項６】
前記立方晶窒化硼素は、前記立方晶窒化硼素焼結体中に７５体積％以上９２体積％以下含まれる、請求項１〜５のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項７】
前記立方晶窒化硼素は、前記立方晶窒化硼素焼結体中に８０体積％以上８７体積％以下含まれる、請求項１〜６のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項８】
前記立方晶窒化硼素は、平均粒子径が１μｍ以下の立方晶窒化硼素粒子からなる、請求項１〜７のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項９】
前記立方晶窒化硼素焼結体は、６０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率である、請求項１〜８のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項１０】
前記工具作用点は、１μｍ以上２０μｍ以下の面粗さＲｚである、請求項１〜９のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項１１】
前記工具作用点における前記立方晶窒化硼素焼結体の最低厚みは、２ｍｍ以上である、請求項１〜１０のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項１２】
前記立方晶窒化硼素焼結体と工具シャンク部とが防振耐熱板を介して固定されており、
前記防振耐熱板は、酸化物からなり、４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有し、かつ、その厚みは、０．３ｍｍ以上である、請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項１３】
前記立方晶窒化硼素焼結体と前記工具シャンク部とは、ネジ止め方式および／またはセルフグリップ方式により固定される、請求項１２に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項１】
少なくとも工具作用点に立方晶窒化硼素焼結体を用いた立方晶窒化硼素焼結体工具であって、
前記立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と断熱相と結合相とを含有し、
前記立方晶窒化硼素は、前記立方晶窒化硼素焼結体中に６０体積％以上９９体積％未満含まれ、
前記断熱相は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第１化合物を１種以上含み、
前記第１化合物は、前記立方晶窒化硼素焼結体中に１質量％以上２０質量％以下含まれ、かつ１００ｎｍ未満の平均粒子径を有し、
前記立方晶窒化硼素焼結体は、７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率である、立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項２】
前記第１化合物は、５０ｎｍ未満の平均粒子径を有する、請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項３】
前記断熱相は、その一部として未焼結の領域を前記立方晶窒化硼素焼結体に対して、０．０１体積％以上３体積％以下含む、請求項１または２に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項４】
前記第１化合物は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群より選択される１種以上の元素の窒化物、炭化物、および炭窒化物に対し、酸素および硼素のいずれか一方もしくは両方が０．１質量％以上１０質量％以下固溶した化合物である、請求項１〜３のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項５】
前記断熱相は、前記第１化合物に加え、Ｗおよび／またはＲｅと、Ｎ、Ｃ、Ｏ、およびＢからなる群より選択される１種以上の元素とからなる第２化合物を１種以上含み、
前記第２化合物は、前記立方晶窒化硼素焼結体中に０．１質量％以上２質量％以下含まれる、請求項１〜４のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項６】
前記立方晶窒化硼素は、前記立方晶窒化硼素焼結体中に７５体積％以上９２体積％以下含まれる、請求項１〜５のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項７】
前記立方晶窒化硼素は、前記立方晶窒化硼素焼結体中に８０体積％以上８７体積％以下含まれる、請求項１〜６のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項８】
前記立方晶窒化硼素は、平均粒子径が１μｍ以下の立方晶窒化硼素粒子からなる、請求項１〜７のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項９】
前記立方晶窒化硼素焼結体は、６０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率である、請求項１〜８のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項１０】
前記工具作用点は、１μｍ以上２０μｍ以下の面粗さＲｚである、請求項１〜９のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項１１】
前記工具作用点における前記立方晶窒化硼素焼結体の最低厚みは、２ｍｍ以上である、請求項１〜１０のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項１２】
前記立方晶窒化硼素焼結体と工具シャンク部とが防振耐熱板を介して固定されており、
前記防振耐熱板は、酸化物からなり、４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有し、かつ、その厚みは、０．３ｍｍ以上である、請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【請求項１３】
前記立方晶窒化硼素焼結体と前記工具シャンク部とは、ネジ止め方式および／またはセルフグリップ方式により固定される、請求項１２に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
【公開番号】特開２０１１−１８９４２１（Ｐ２０１１−１８９４２１Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５５３２１（Ｐ２０１０−５５３２１）
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（５０３２１２６５２）住友電工ハードメタル株式会社 (390)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（５０３２１２６５２）住友電工ハードメタル株式会社 (390)
【Ｆターム（参考）】
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