立方晶系窒化ホウ素成形体
高ＣＢＮ含有量の多結晶ＣＢＮ成形体を製造する方法を提供する。この方法は、ＣＢＮと粉末結合剤相との混合物の少なくとも８０体積％の量でＣＢＮが存在する混合物を摩砕することにより粉末組成物を製造することを含む。この粉末混合物を、ＣＢＮ成形体を製造するのに適した高温及び高圧条件におく。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶立方晶系窒化ホウ素研磨剤成形体の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ホウ素は、典型的には、３種類の結晶系、すなわち、立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）、六方晶系（ｈＢＮ）及びウルツ鉱型窒化ホウ素（ｗＢＮ）の形で存在する。立方晶系窒化ホウ素は、ダイアモンドの構造に似た構造を持つ硬い閃亜鉛鉱型窒化ホウ素である。ＣＢＮの構造において、原子間の結合は、強く、主に、四面体共有結合である。ＣＢＮを製造する方法は、当該技術分野において公知である。その１つの方法は、ｈＢＮを、特別の触媒添加物質の存在下に、非常に高い圧力と温度で処理することであり、その添加物質は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉛、錫及びこれらの金属の窒化物を含み得る。温度と圧力を下げると、ＣＢＮを回収することができる。
【０００３】
ＣＢＮは、工具等として商用上幅広い用途がある。研磨ホイール、切削具等において研磨粒子として使用でき、又は、工具本体に接合し、通常の電気めっき技術を用いて工具インサートを形成することができる。
【０００４】
ＣＢＮは、ＰＣＢＮとしても知られるＣＢＮ成形体として接合された形で使用することもできる。ＣＢＮ成形体は、性質として良好な耐摩耗性を有し、熱的に安定であり、高い熱伝導性、良好な耐衝撃性を有し、かつ加工物に接したとき低い摩擦抵抗を有する。
【０００５】
ダイアモンドは、ＣＢＮよりも硬いものとして知られる唯一の物質である。しかしながら、ダイアモンドは、鉄のようなある物質と反応する性質があるから、鉄を含む金属との加工には使用することができない。それゆえ、これらの場合にＣＢＮの使用が好まれる。
【０００６】
ＣＢＮ成形体は、ＣＢＮ粒子の多結晶塊を焼結させたものからなる。ＣＢＮの含有量が成形体の７５体積％を超えると、かなりの量のＣＢＮ−ＣＢＮの接合が存在する。ＣＢＮの含有量が低い、たとえば、成形体の４０〜６０体積％の範囲であると、ＣＢＮ−ＣＢＮの直接接合は、少なくなる。
【０００７】
ＣＢＮ成形体は、一般的に、アルミニウム、珪素、コバルト、ニッケル、チタン、クロム、タングステン及び鉄を含む１つ又はそれ以上の相を含むことにもなる。
【０００８】
さらに、自然にはセラミックであることもある第二硬質相も存在し得る。適切なセラミック硬質相の例は、第４，５又は６族の遷移金属の炭化物、窒化物及び炭窒化物、酸化アルミニウム及びこれらの混合物である。
【０００９】
マトリックスは、組成物内のＣＢＮを除くすべての成分から構成されるものとする。
【００１０】
ＣＢＮ成形体は、工具インサート又は工具の形で工具本体に直接結合することができる。しかしながら、多くの用途のためには、成形体は、基体／支持体材料に結合して成形体支持構造物を形成し、次いで、この成形体支持構造物を工具本体に結合することが好ましい。基体／支持体材料は、典型的には、結合金属炭化物であり、コバルト、ニッケル、鉄又はこれらの混合物又は合金のような結合剤と共に結合されている。金属炭化物粒子は、タングステン、チタン又はタンタルの炭化物粒子又はこれらの混合物を含むことができる。
【００１１】
多結晶ＣＢＮ成形体及び成形体支持構造物を製造するための公知の方法は、未焼結のＣＢＮ粒子塊を、高温、高圧条件、すなわち、ＣＢＮが結晶学的に安定な条件の下に適切な時間置くことを含む。結合剤相は、粒子の結合を強化するために使用される。使用される高温高圧（ＨＴＨＰ）の典型的な条件は、１１００℃又はそれよりも高い範囲の温度及び２ＧＰａ又はそれよりも高い桁の圧力である。これらの条件を保つ時間は、典型的には、約３〜１２０分である。
【００１２】
基体の有無にかかわらず、焼結されたＣＢＮは、使用する特定の切削あるいはドリルの所望の寸法及び／又は形状にしばしば切断され、ろう付け技術を用いて工具本体に取り付けられる。
【００１３】
高ＣＢＮ材料（ＰＣＢＮとしても知られている）は、主に、ねずみ鋳鉄、粉末冶金（ＰＭ）鋼、高クロム鋳鉄、白鋳鉄及び高マンガン鋼のような加工用途に使用される。高ＣＢＮ材料は、通常、粗面加工及び重断続加工（heavy interrupted machining）の操作に使用される。ある場合には、ねずみ鋳鉄及び粉末冶金（ＰＭ）鉄の仕上げ加工のような仕上げ加工にも使用される。
【００１４】
このようなＰＣＢＮの広い用途範囲は、高耐摩耗性、高縁部完全性（high edge integrity）、高強度、高靭性及び高耐熱性の材料にとって需要がある。これらの性質を組合せたものは、少なくとも７５体積％のＣＢＮ高含有量、及びＣＢＮとの強力な結合性を形成する結合剤相を有する材料によってしか達成できない。
【００１５】
ＣＢＮは、硬度、強度、靭性、高熱伝導性、高耐摩耗性、及び、鉄製ベアリング材料に接した場合に低摩擦係数を与える最も重要な成分であるから、結合剤相の主な機能は、構造体中のＣＢＮ粒子を接合すること、及び成形体中のＣＢＮの諸性質を補完することである。それゆえ、高ＣＢＮ複合体中での比較的弱い結び付きは、ＣＢＮよりも結合剤相の方である。
【００１６】
米国特許第６，３１６，０９４号及び欧州特許第１，０４３，４１０号明細書はともに、ＣＢＮ低含有量、すなわち、７０体積％よりも低い含有量の多結晶ＣＢＮ成形体を製造する方法を記載している。これらのＣＢＮ成形体は、全体のｃＢＮ含有量及び非ｃＢＮマトリックスの機能又は役割において、本発明の成形体とは実質的に異なる。ＣＢＮ含有量の高い材料と低い材料とは、基本的に異なることが当該技術分野で知られており、幅広い種々の用途に使用することにより証明されている。
【００１７】
ＣＢＮ低含有量の成形体のマトリックス材料は、第二硬質相と結合剤相の両方を含み、その第二硬質相は、マトリックスの主要な物質である。これらの成形体にとって、マトリックス相（特に、第二硬質相）は、本質的かつ自発的に、成形体の使用性能を決定するのに重要な役割を果たす。このマトリックス相は、二次元的に連続となるように十分な量（３０体積％より多く）存在する。上に引用した両特許の幾つかの実施例において、第二硬質相、結合剤相及びＣＢＮは、摩砕されている。この摩砕の目的は、脆い第二硬質相材料を細かくすることと、結合剤、第二硬質相粒子及びＣＢＮ粒子を均質に分散させることである。
【００１８】
ＣＢＮ高含有量多結晶成形体において、ＣＢＮは、用途における性能を決定するのに主たる役割を果たす。マトリックスの役割は、主に、ＣＢＮ粒子同士の反応結合を促進し、その結果、粒子同士を固めることである。ＣＢＮ含有量がもっと高く、強い固化結合の形成が求められる場合は、ＣＢＮ高含有量成形体のマトリックス混合物は、延性のある結合剤相材料の相対的量をはるかに多く含む必要がある。なおさらに、成形体は、ある水準の第二硬質相材料を含むのがよい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によると、多結晶ＣＢＮ成形体の製造に適した粉末組成物を製造する方法は、ＣＢＮと粉末結合剤相との混合物中に少なくとも８０体積％の量でＣＢＮが存在する混合物を摩砕する工程を含む。
【００２０】
組成物を多結晶ＣＢＮ成形体の製造に必要な高温・高圧条件下に置く前に、摩砕し、必要な場合、乾燥した後の粉末混合物を真空加熱処理して汚染物を除去する／減ずることが好ましい。
【００２１】
組成物は、典型的には、約８０体積％〜約９５体積％のＣＢＮを含む。ＣＢＮは、複数の平均粒径の粒子からなる。
【００２２】
結合剤相は、典型的には、アルミニウム、珪素、コバルト、モリブデン、タンタル、ニオブ、ニッケル、チタン、クロム、タングステン、イットリウム、炭素及び鉄を含む１つ又はそれ以上の相が存在する。この結合剤相は、アルミニウム、珪素、コバルト、ニッケル、チタン、クロム、タングステン、イットリウム、モリブデン、ニオブ、タンタル、炭素及び鉄の複数種からなる均一な固溶体を含む粉末が存在し得る。
【００２３】
結合剤相は、少量の炭化物、一般的には、摩砕媒体の摩耗から由来する炭化タングステンを含むことができる。
【００２４】
ＣＢＮの平均粒径は、通常、１２μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下である。
【００２５】
本発明の１つの形態において、ＣＢＮ粒子は、典型的には、約２μｍ以下の微粒子である。そのような微細な粒子として、たった１つの粒径（ユニモーダル（unimodal））を用いることが好ましい。好ましくは、混合物は、結合剤相とＣＢＮ粒子だけからなり、摩砕処理由来の炭化タングステンのような他の成分は、混合物から製造されるＣＢＮ成形体の性能に影響を及ぼさないわずかな量で存在する。特に、混合物は、実質的に、第二硬質相は含まない。
【００２６】
ＣＢＮが複数の平均粒径の粒子からなるとき、ＣＢＮは、バイモーダル（bimodal）であることが好ましい。すなわち、２つの平均粒径を有する粒子からなる。より細かい方の粒子（細粒子）の平均粒径の範囲は、通常、約０．１から約２μｍであり、より粗い方の粒子（粗粒子）の平均粒径の範囲は、通常、約２から約１２μｍ、好ましくは、約２から約１０μｍである。
ＣＢＮ粗粒子対細粒子の含有量比は、典型的には、５０：５０から９０：１０である。粗粒子は、２μｍよりも大きい粒径であることが好ましい。そのようなバイモーダルＣＢＮ粒子にとって、混合物が第二硬質相を含むことが好ましい。第二硬質相は、結合剤相と第二硬質相との組合せの、好ましくは、７５重量％以下の量で、より好ましくは、７０重量％以下の量で存在する。本発明のこの形態では、結合剤相と第二硬質相を、微細なＣＢＮ粒子と一緒に摩砕し、次いで、この混合物に、ＣＢＮ粗粒子を加えて、たとえば、機械撹拌又は超音波撹拌のような、摩砕を含まない高エネルギー混合法により混合する。結合剤相と第二硬質相を、微細なＣＢＮ粒子を加える前に、混合し、摩砕することができる。
【００２７】
適切な第二硬質相物質の例は、第４、５又は６族の遷移金属の炭化物、窒化物、ホウ化物、炭窒化物、アルミニウム酸化物及びそれらの混合物のようなセラミック硬質相である。
【００２８】
本発明のもう１つの面によると、多結晶ＣＢＮ成形体は、上記のようにして製造された粉末組成物を、この成形体を製造するのに適した高温・高圧条件下に置くことにより製造される。
【００２９】
粉末組成物を、基体表面上に載せた後、高温・高圧条件下に置く。基体は、一般的に、金属炭化物を固めた基体である。
【００３０】
本発明は、ＣＢＮ高含有量の研磨剤成形体を製造することに関する。多結晶ＣＢＮ成形体を製造するのに使用する組成物、すなわち、出発材料は、粉末状又は粒子状のＣＢＮと結合剤相とからなる。結合剤相は、少なくとも一部は、ＣＢＮと融解反応し、高温・高圧焼結処理中に、反応焼結による結合を生成させるべきである。粉末組成物のＣＢＮ含有量は、少なくとも８０体積％である。粉末組成物から製造された多結晶ＣＢＮ成形体のＣＢＮ含有量は、組成物のものよりも低くなる。このように、本発明の粉末組成物から製造された多結晶ＣＢＮ成形体のＣＢＮ含有量は、少なくとも７５体積％になる。
【００３１】
ＣＢＮが成形体の約７５体積％を超える多結晶ＣＢＮ成形体において、典型的には、かなりの量のＣＢＮ−ＣＢＮ接触結合が存在する。約７５よりも多いＣＢＮ体積パーセントを有するＣＢＮ成形体は、典型的には、ＣＢＮ粒子の間で分離された小さな結合剤相であることが特徴である。焼結成形体の結合剤相は、典型的には、性質的にセラミックであり、ＣＢＮと、安定な窒化物及びホウ化物の生成が可能な種々の金属との間での焼結反応により生成される。結合剤相の少なくともいくつかは、焼結中に液状又は部分液状になり、ＣＢＮ粒子同士の良好な結合を達成するために、ＣＢＮ粒子を濡らすことが必要である。
【００３２】
結合剤相の均質性をできるだけ高めて、ＣＢＮ粒子間の結合剤相の分布が平均化するように、結合剤相成分の粒径分布を注意深く選ぶことが好ましい。これにより、諸性質が等方性であり、靭性の高い最終物質が得られる。結合剤相の分布が均等であると、強い結合が得られる傾向となり、それはまた、研磨加工材料による機械加工中にＣＢＮ粒子の欠け易さを減少させる傾向となる。
【００３３】
本発明により得られた粉末組成物において、ＣＢＮは、マルチモーダル（multimodal）の粒子、すなわち、平均粒径が互いに異なる少なくとも二種類のＣＢＮを含むことができる。“平均粒径”とは、特定の粒径からずれた粒子が限られた数存在するけれども、粒子の大部分がその特定の粒径に近接していることを意味する。粒子分布のピークは、特定粒径を有する。このように、たとえば、平均粒径が２μｍである場合には、定義によると、２μｍより大きい粒子がいくつかあるが、粒子の大部分は、ほぼ２μｍの粒径にあり、粒径分布のピークは、２μｍに近くなる。
【００３４】
組成物においてより大きなＣＢＮ粒径の場合、マルチモーダル、好ましくはバイモーダルのＣＢＮを使用すると、マトリックスが細かに分割されて、予備焼結組成物に重大な大きさの傷が存在する恐れを確実に減らすことになる。これは、本組成物から得た成形体において靭性と強度の両方ともに有効である。
【００３５】
一般的に、粉末化と分散の手段として、粉砕は、当該技術分野においてよく知られている。セラミック粉末の粉砕に普通用いられる粉砕技術は、通常のボールミル、タンブルボールミル、遊星形ボールミル及びアトリッションボールミル（摩砕ボールミル）及び撹拌ボールミルがある。
【００３６】
通常のボールミルにおいて、エネルギー量は、粉砕媒体の大きさと密度、粉砕ポットの径及び回転速度により決まる。方法は、ボールが転がる必要があるから、回転速度、それゆえ、エネルギーが制限される。通常のボールミル粉砕は、低位ないし中位の粒子強度の粉末の粉砕によく適する。典型的には、通常のボールミル粉砕は、約１μｍ又はそれ以上の最終粒径に粉砕する場合に用いられる。
【００３７】
遊星形ボールミルにおいて、ミルポットの遊星動作により、２０ｇ以下の加速を可能とし、それが、密度の高い媒体を使用した場合、通常のボールミルに比べて実質的に多くのエネルギーを与える。この技術は、中程度の強度の粒子において最終粒径約１μｍでもって、粉砕するのに十分適している。
【００３８】
アトリッションミル、すなわち、摩砕は、垂直又は水平いずれかの形状で高速回転する撹拌機を有する囲われた粉砕室からなる。使用される粉砕媒体は、０．２〜１５ｍｍの範囲の大きさであり、粉末化が目的である場合には、粉砕媒体は、典型的には、高密度の結合炭化物である。撹拌機の高い回転速度は、高密度で小径の媒体と合わせた場合、極めて高いエネルギーを与える。さらに、摩砕における高エネルギーは、スラリーに極めて高いせん断力を創出し、粉末を非常にうまく共分散させ、又は混合させる。摩砕は、前記他の方法に比較してより細かい粒子及びより良好な均質性を達成する。
【００３９】
ＣＢＮが典型的には２μｍ以下の微細な粒子からなる場合、ＣＢＮ及び結合剤相を粉砕媒体の摩耗量を制御しつつ、摩砕により一緒に粉砕・混合する。結合剤相は、ＣＢＮ粒子を加える前に摩砕にかけることができる。
【００４０】
ＣＢＮが異なる粒径からなり、粗い部分が典型的な２μｍより大きく、１２μｍの範囲内にある場合、方法は、通常１工程より多い工程からなる。第１の工程は、微細な混合物を製造するために、粉末結合剤相と、存在する場合、第二硬質相とをＣＢＮの微細部分とともに粉砕し、第２の工程で、ＣＢＮのより粗い部分を加える。次いで、ＣＢＮ粗粒子が加えられた混合物は、機械混合又は超音波混合のような高エネルギー混合を用いて混合される。更なる摩砕は行わず、粉砕媒体からの炭化物の過度の混入を最小限にする。結合剤相は、第二硬質相が存在する場合、微細なＣＢＮ粒子の添加前に、第二硬質相と共に摩砕処理してもよい。
【００４１】
本発明の方法において、結合剤相粒子は、結合剤相物質の表面を物理的に活性化し、場合により、粒径を減少させるために、摩砕処理される。結合剤相が複数の金属性相からなる場合、摩砕処理は、限られた量の合金生成させることができる。それにより、結合剤相の化学的性質をより均質化する。典型的には炭化タングステンである粉砕媒体の摩耗を最小にするように、結合剤相の摩砕処理の条件設定がなされる。
【００４２】
多結晶ＣＢＮ成形体を製造するのに必要な高温・高圧の典型的な条件は、当該技術分野で知られている。これらの条件は、約２〜約６ＧＰａの範囲の圧力及び約１１００℃〜約２０００℃の範囲の温度である。本発明に特に好ましい条件は、約４〜６ＧＰａ及び１２００〜１６００℃の範囲内であることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の方法により製造された成形体は、ねずみ鋳鉄、粉末冶金（ＰＭ）鋼、高クロム鋳鉄、白鋳鉄及び高マンガン鋼を加工する特別な用途を有する。高ＣＢＮ材料は、通常、粗面加工及び重断続加工操作に使用される。ある場合には、ねずみ鋳鉄及び粉末冶金（ＰＭ）鉄の仕上げ加工のような仕上げ加工にも使用される。
【００４４】
本発明は、下記の非制限的実施例により説明される。
【実施例】
【００４５】
実施例１：摩砕処理
平均粒径がそれぞれ１、５及び１μｍであるコバルト粉末、アルミニウム粉末及びタングステン粉末を、ＣＢＮと共に摩砕した。３３重量％のコバルト、１１重量％のアルミニウム及び５６重量％のタングステンが結合剤混合物を構成した。平均粒径が約１．２μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を、ＣＢＮが９２体積％になる量で、結合剤混合物に加え入れた。粉末混合物を、結合炭化物粉砕媒体を用いてヘキサンで２時間摩砕した。摩砕後、スラリーを真空乾燥させ、結合炭化物基体により支持した緑の成形体を作製した。真空脱気した後、材料を約５．５ＧＰａ、１４８０℃で焼結し、多結晶ＣＢＮ成形体を作成した。このＣＢＮ成形体（以下、材料Ａと称する。）を分析し、加工試験を行った。
【００４６】
実施例２：摩砕処理
平均粒径がそれぞれ約５及び１μｍであるアルミニウム粉末及びタングステン粉末を、ＣＢＮと共に摩砕した。３０重量％のアルミニウム及び７０重量％のタングステンが結合混合物を構成した。平均粒径が約２μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を、ＣＢＮが９４．５体積％になる量で、結合剤混合物に加えた。粉末混合物を、結合炭化物粉砕媒体を用いてヘキサンで２時間摩砕した。摩砕後、スラリーを真空乾燥させ、結合炭化物基体により支持した緑の成形体を作製した。真空脱気した後、材料を約５．５ＧＰａ、１４８０℃で焼結し、多結晶ＣＢＮ成形体を作成した。このＣＢＮ成形体（以下、材料Ｂと称する。）を分析し、加工試験を行った。
【００４７】
実施例３：摩砕処理
平均粒径がそれぞれ約５及び１μｍであるアルミニウム粉末及びコバルト粉末を、ＣＢＮと共に摩砕した。３０重量％のアルミニウム及び７０重量％のコバルトが結合剤混合物を構成した。平均粒径が約２μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を、ＣＢＮが９３体積％になる量で、結合剤混合物に加えた。粉末混合物を、結合炭化物粉砕媒体を用いてヘキサンで２時間摩砕した。摩砕後、スラリーを真空乾燥させ、結合炭化物基体により支持した緑の成形体を作製した。真空脱気した後、材料を約５．５ＧＰａ、１４８０℃で焼結し、多結晶ＣＢＮ成形体を作成した。このＣＢＮ成形体（以下、材料Ｃと称する。）を分析し、加工試験を行った。
【００４８】
実施例４：ボールミル粉砕処理
平均粒径がそれぞれ約１、５及び１μｍであるコバルト粉末、アルミニウム粉末及びタングステン粉末を、ＣＢＮと共にボールミル粉砕した。３３重量％のコバルト、１１重量％のアルミニウム及び５６重量％のコバルトが結合剤混合物を構成した。平均粒径が約１．２μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を、ＣＢＮが９２体積％になる量で、結合剤混合物に加えた。粉末混合物を、結合炭化物粉砕媒体を用いてヘキサンで１０時間ボールミル粉砕した。ボールミル粉砕後、スラリーを真空乾燥させ、結合炭化物基体により支持した緑の成形体を作製した。真空脱気した後、材料を約５．５ＧＰａ、１４８０℃で焼結し、多結晶ＣＢＮ成形体を作製した。このＣＢＮ成形体（以下、材料Ｄと称する。）を分析し、加工試験を行った。
【００４９】
Ｘ線回折分析の結果、焼結材料である、材料Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、ＣＢＮ、ＷＣ、ＣｏＷＢ、Ｃｏ２１Ｗ２Ｂ６及び少量のＡｌＮ及びＡｌ２Ｏ３の相（phase）を含んでいた。
【００５０】
これらの材料を、Ｋ１９０（登録商標）焼結ＰＭ工具鋼の連続仕上げ旋削において試験した。これらの加工品材料は、微細なＣｒ−炭化物を含み、ＰＣＢＮ切削具で非常に削りやすかった。試験は、以下の切削パラメータの乾燥切削条件で行われた。
切削速度、ｖｃ（ｍ／分） １５０
切削深さ（ｍｍ） ０．２
送り、ｆ（ｍｍ） ０．１
インサート形状 ＳＮＭＮ ０９０３０８ Ｔ０２０２
（エッジ半径 ｒ０＝１０−１５ｊ−ｉｍ）
【００５１】
材料Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄからの切削具のすべてを、過度のフランクの摩耗の結果破壊するまで試験した。フランクの摩耗量を、少なくとも３つの異なる切削距離で（Ｖｂ−ｍａｘとして）測定し、一般的に、フランクの摩耗量と切削距離との間の関係は、直線形であることが分かった。各ＰＣＢＮ材料について、データの点毎に最小二乗の線が描かれた。各実施例の材料のスライド距離１ｍ当りのフランクの摩耗量（μｍ）率を計算し、結果を表１にまとめる。
【表１】
【００５２】
摩砕された組成物から得られた３つの多結晶ＣＢＮ成形体はすべて、より低いフランク摩耗量率を有し、ボールミル粉砕された材料、材料Ｄから得られた多結晶ＣＢＮ成形体に比べて、所定の全フランク摩耗量に対して、より長い切削距離であったから、より良い性能を示した。
【００５３】
実施例５
Ｔｉ（Ｃ０．５Ｎ０．５）０．８粉末を、Ａｌ粉末及びＴｉ粉末と、管状ミキサーを用いて混合した。Ｔｉ（Ｃ０．５Ｎ０．５）０．８、Ａｌ及びＴｉ粉末の重量割合は、それぞれ、５９％、１５％及び２６％であった。粉末混合物を、ヘキサンで４時間摩砕した。平均粒径が１．２μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を、全混合物の２４体積％になる量で加え、さらに混合物を１時間摩砕した。平均粒径が約８μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を全混合物において５６体積％となる比で加えた。それゆえ、この混合物の全ＣＢＮ含有量は、８０体積％であった。粉末スラリー状の混合物を、約４５０℃で乾燥、真空脱気した。乾燥された粉末混合物を高エネルギーせん断混合に３０分かけ、凍結乾燥した。次いで、粒状の粉末を、緑の成形体に形成し、さらなる真空脱気後、約５．５ＧＰａ、約１３５０℃で焼結して多結晶ＣＢＮ成形体を作製した。次いで、このＣＢＮ成形体（以下、材料Ｅと称する。）を、分析した。
【００５４】
実施例６
Ｔｉ（Ｃ０．５Ｎ０．５）０．８粉末を、Ａｌ粉末及びＴｉと、管状ミキサーを用いて混合した。Ｔｉ（Ｃ０．５Ｎ０．５）０．８、Ａｌ及びＴｉの重量割合は、それぞれ、５９％、１５％及び２６％であった。粉末混合物を、ヘキサンで４時間摩砕した。平均粒径が１．２μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を、全混合物において２４体積％になる量で加え、さらに混合物を１時間摩砕した。平均粒径が約４．５μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を全混合物において５６体積％となる比で加えた。それゆえ、この混合物の全ＣＢＮ含有量は、８０体積％であった。粉末スラリー状の混合物を、約４５０℃で乾燥、真空脱気し、乾燥された粉末混合物を高エネルギーせん断混合に３０分かけ、凍結乾燥した。次いで、粒状の粉末を、緑の成形体に形成し、さらなる真空脱気後、約５．５ＧＰａ、約１３５０℃で焼結して多結晶ＣＢＮ成形体を作製した。次いで、このＣＢＮ成形体（以下、材料Ｆと称する。）を、分析した。
【００５５】
Ｘ線回折分析の結果、焼結材料、材料Ｅ及びＦは、ＣＢＮ、ＴｉＣＮ、ＷＣ及びＡｌ２Ｏ３の相を含んでいた。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶立方晶系窒化ホウ素研磨剤成形体の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ホウ素は、典型的には、３種類の結晶系、すなわち、立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）、六方晶系（ｈＢＮ）及びウルツ鉱型窒化ホウ素（ｗＢＮ）の形で存在する。立方晶系窒化ホウ素は、ダイアモンドの構造に似た構造を持つ硬い閃亜鉛鉱型窒化ホウ素である。ＣＢＮの構造において、原子間の結合は、強く、主に、四面体共有結合である。ＣＢＮを製造する方法は、当該技術分野において公知である。その１つの方法は、ｈＢＮを、特別の触媒添加物質の存在下に、非常に高い圧力と温度で処理することであり、その添加物質は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉛、錫及びこれらの金属の窒化物を含み得る。温度と圧力を下げると、ＣＢＮを回収することができる。
【０００３】
ＣＢＮは、工具等として商用上幅広い用途がある。研磨ホイール、切削具等において研磨粒子として使用でき、又は、工具本体に接合し、通常の電気めっき技術を用いて工具インサートを形成することができる。
【０００４】
ＣＢＮは、ＰＣＢＮとしても知られるＣＢＮ成形体として接合された形で使用することもできる。ＣＢＮ成形体は、性質として良好な耐摩耗性を有し、熱的に安定であり、高い熱伝導性、良好な耐衝撃性を有し、かつ加工物に接したとき低い摩擦抵抗を有する。
【０００５】
ダイアモンドは、ＣＢＮよりも硬いものとして知られる唯一の物質である。しかしながら、ダイアモンドは、鉄のようなある物質と反応する性質があるから、鉄を含む金属との加工には使用することができない。それゆえ、これらの場合にＣＢＮの使用が好まれる。
【０００６】
ＣＢＮ成形体は、ＣＢＮ粒子の多結晶塊を焼結させたものからなる。ＣＢＮの含有量が成形体の７５体積％を超えると、かなりの量のＣＢＮ−ＣＢＮの接合が存在する。ＣＢＮの含有量が低い、たとえば、成形体の４０〜６０体積％の範囲であると、ＣＢＮ−ＣＢＮの直接接合は、少なくなる。
【０００７】
ＣＢＮ成形体は、一般的に、アルミニウム、珪素、コバルト、ニッケル、チタン、クロム、タングステン及び鉄を含む１つ又はそれ以上の相を含むことにもなる。
【０００８】
さらに、自然にはセラミックであることもある第二硬質相も存在し得る。適切なセラミック硬質相の例は、第４，５又は６族の遷移金属の炭化物、窒化物及び炭窒化物、酸化アルミニウム及びこれらの混合物である。
【０００９】
マトリックスは、組成物内のＣＢＮを除くすべての成分から構成されるものとする。
【００１０】
ＣＢＮ成形体は、工具インサート又は工具の形で工具本体に直接結合することができる。しかしながら、多くの用途のためには、成形体は、基体／支持体材料に結合して成形体支持構造物を形成し、次いで、この成形体支持構造物を工具本体に結合することが好ましい。基体／支持体材料は、典型的には、結合金属炭化物であり、コバルト、ニッケル、鉄又はこれらの混合物又は合金のような結合剤と共に結合されている。金属炭化物粒子は、タングステン、チタン又はタンタルの炭化物粒子又はこれらの混合物を含むことができる。
【００１１】
多結晶ＣＢＮ成形体及び成形体支持構造物を製造するための公知の方法は、未焼結のＣＢＮ粒子塊を、高温、高圧条件、すなわち、ＣＢＮが結晶学的に安定な条件の下に適切な時間置くことを含む。結合剤相は、粒子の結合を強化するために使用される。使用される高温高圧（ＨＴＨＰ）の典型的な条件は、１１００℃又はそれよりも高い範囲の温度及び２ＧＰａ又はそれよりも高い桁の圧力である。これらの条件を保つ時間は、典型的には、約３〜１２０分である。
【００１２】
基体の有無にかかわらず、焼結されたＣＢＮは、使用する特定の切削あるいはドリルの所望の寸法及び／又は形状にしばしば切断され、ろう付け技術を用いて工具本体に取り付けられる。
【００１３】
高ＣＢＮ材料（ＰＣＢＮとしても知られている）は、主に、ねずみ鋳鉄、粉末冶金（ＰＭ）鋼、高クロム鋳鉄、白鋳鉄及び高マンガン鋼のような加工用途に使用される。高ＣＢＮ材料は、通常、粗面加工及び重断続加工（heavy interrupted machining）の操作に使用される。ある場合には、ねずみ鋳鉄及び粉末冶金（ＰＭ）鉄の仕上げ加工のような仕上げ加工にも使用される。
【００１４】
このようなＰＣＢＮの広い用途範囲は、高耐摩耗性、高縁部完全性（high edge integrity）、高強度、高靭性及び高耐熱性の材料にとって需要がある。これらの性質を組合せたものは、少なくとも７５体積％のＣＢＮ高含有量、及びＣＢＮとの強力な結合性を形成する結合剤相を有する材料によってしか達成できない。
【００１５】
ＣＢＮは、硬度、強度、靭性、高熱伝導性、高耐摩耗性、及び、鉄製ベアリング材料に接した場合に低摩擦係数を与える最も重要な成分であるから、結合剤相の主な機能は、構造体中のＣＢＮ粒子を接合すること、及び成形体中のＣＢＮの諸性質を補完することである。それゆえ、高ＣＢＮ複合体中での比較的弱い結び付きは、ＣＢＮよりも結合剤相の方である。
【００１６】
米国特許第６，３１６，０９４号及び欧州特許第１，０４３，４１０号明細書はともに、ＣＢＮ低含有量、すなわち、７０体積％よりも低い含有量の多結晶ＣＢＮ成形体を製造する方法を記載している。これらのＣＢＮ成形体は、全体のｃＢＮ含有量及び非ｃＢＮマトリックスの機能又は役割において、本発明の成形体とは実質的に異なる。ＣＢＮ含有量の高い材料と低い材料とは、基本的に異なることが当該技術分野で知られており、幅広い種々の用途に使用することにより証明されている。
【００１７】
ＣＢＮ低含有量の成形体のマトリックス材料は、第二硬質相と結合剤相の両方を含み、その第二硬質相は、マトリックスの主要な物質である。これらの成形体にとって、マトリックス相（特に、第二硬質相）は、本質的かつ自発的に、成形体の使用性能を決定するのに重要な役割を果たす。このマトリックス相は、二次元的に連続となるように十分な量（３０体積％より多く）存在する。上に引用した両特許の幾つかの実施例において、第二硬質相、結合剤相及びＣＢＮは、摩砕されている。この摩砕の目的は、脆い第二硬質相材料を細かくすることと、結合剤、第二硬質相粒子及びＣＢＮ粒子を均質に分散させることである。
【００１８】
ＣＢＮ高含有量多結晶成形体において、ＣＢＮは、用途における性能を決定するのに主たる役割を果たす。マトリックスの役割は、主に、ＣＢＮ粒子同士の反応結合を促進し、その結果、粒子同士を固めることである。ＣＢＮ含有量がもっと高く、強い固化結合の形成が求められる場合は、ＣＢＮ高含有量成形体のマトリックス混合物は、延性のある結合剤相材料の相対的量をはるかに多く含む必要がある。なおさらに、成形体は、ある水準の第二硬質相材料を含むのがよい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によると、多結晶ＣＢＮ成形体の製造に適した粉末組成物を製造する方法は、ＣＢＮと粉末結合剤相との混合物中に少なくとも８０体積％の量でＣＢＮが存在する混合物を摩砕する工程を含む。
【００２０】
組成物を多結晶ＣＢＮ成形体の製造に必要な高温・高圧条件下に置く前に、摩砕し、必要な場合、乾燥した後の粉末混合物を真空加熱処理して汚染物を除去する／減ずることが好ましい。
【００２１】
組成物は、典型的には、約８０体積％〜約９５体積％のＣＢＮを含む。ＣＢＮは、複数の平均粒径の粒子からなる。
【００２２】
結合剤相は、典型的には、アルミニウム、珪素、コバルト、モリブデン、タンタル、ニオブ、ニッケル、チタン、クロム、タングステン、イットリウム、炭素及び鉄を含む１つ又はそれ以上の相が存在する。この結合剤相は、アルミニウム、珪素、コバルト、ニッケル、チタン、クロム、タングステン、イットリウム、モリブデン、ニオブ、タンタル、炭素及び鉄の複数種からなる均一な固溶体を含む粉末が存在し得る。
【００２３】
結合剤相は、少量の炭化物、一般的には、摩砕媒体の摩耗から由来する炭化タングステンを含むことができる。
【００２４】
ＣＢＮの平均粒径は、通常、１２μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下である。
【００２５】
本発明の１つの形態において、ＣＢＮ粒子は、典型的には、約２μｍ以下の微粒子である。そのような微細な粒子として、たった１つの粒径（ユニモーダル（unimodal））を用いることが好ましい。好ましくは、混合物は、結合剤相とＣＢＮ粒子だけからなり、摩砕処理由来の炭化タングステンのような他の成分は、混合物から製造されるＣＢＮ成形体の性能に影響を及ぼさないわずかな量で存在する。特に、混合物は、実質的に、第二硬質相は含まない。
【００２６】
ＣＢＮが複数の平均粒径の粒子からなるとき、ＣＢＮは、バイモーダル（bimodal）であることが好ましい。すなわち、２つの平均粒径を有する粒子からなる。より細かい方の粒子（細粒子）の平均粒径の範囲は、通常、約０．１から約２μｍであり、より粗い方の粒子（粗粒子）の平均粒径の範囲は、通常、約２から約１２μｍ、好ましくは、約２から約１０μｍである。
ＣＢＮ粗粒子対細粒子の含有量比は、典型的には、５０：５０から９０：１０である。粗粒子は、２μｍよりも大きい粒径であることが好ましい。そのようなバイモーダルＣＢＮ粒子にとって、混合物が第二硬質相を含むことが好ましい。第二硬質相は、結合剤相と第二硬質相との組合せの、好ましくは、７５重量％以下の量で、より好ましくは、７０重量％以下の量で存在する。本発明のこの形態では、結合剤相と第二硬質相を、微細なＣＢＮ粒子と一緒に摩砕し、次いで、この混合物に、ＣＢＮ粗粒子を加えて、たとえば、機械撹拌又は超音波撹拌のような、摩砕を含まない高エネルギー混合法により混合する。結合剤相と第二硬質相を、微細なＣＢＮ粒子を加える前に、混合し、摩砕することができる。
【００２７】
適切な第二硬質相物質の例は、第４、５又は６族の遷移金属の炭化物、窒化物、ホウ化物、炭窒化物、アルミニウム酸化物及びそれらの混合物のようなセラミック硬質相である。
【００２８】
本発明のもう１つの面によると、多結晶ＣＢＮ成形体は、上記のようにして製造された粉末組成物を、この成形体を製造するのに適した高温・高圧条件下に置くことにより製造される。
【００２９】
粉末組成物を、基体表面上に載せた後、高温・高圧条件下に置く。基体は、一般的に、金属炭化物を固めた基体である。
【００３０】
本発明は、ＣＢＮ高含有量の研磨剤成形体を製造することに関する。多結晶ＣＢＮ成形体を製造するのに使用する組成物、すなわち、出発材料は、粉末状又は粒子状のＣＢＮと結合剤相とからなる。結合剤相は、少なくとも一部は、ＣＢＮと融解反応し、高温・高圧焼結処理中に、反応焼結による結合を生成させるべきである。粉末組成物のＣＢＮ含有量は、少なくとも８０体積％である。粉末組成物から製造された多結晶ＣＢＮ成形体のＣＢＮ含有量は、組成物のものよりも低くなる。このように、本発明の粉末組成物から製造された多結晶ＣＢＮ成形体のＣＢＮ含有量は、少なくとも７５体積％になる。
【００３１】
ＣＢＮが成形体の約７５体積％を超える多結晶ＣＢＮ成形体において、典型的には、かなりの量のＣＢＮ−ＣＢＮ接触結合が存在する。約７５よりも多いＣＢＮ体積パーセントを有するＣＢＮ成形体は、典型的には、ＣＢＮ粒子の間で分離された小さな結合剤相であることが特徴である。焼結成形体の結合剤相は、典型的には、性質的にセラミックであり、ＣＢＮと、安定な窒化物及びホウ化物の生成が可能な種々の金属との間での焼結反応により生成される。結合剤相の少なくともいくつかは、焼結中に液状又は部分液状になり、ＣＢＮ粒子同士の良好な結合を達成するために、ＣＢＮ粒子を濡らすことが必要である。
【００３２】
結合剤相の均質性をできるだけ高めて、ＣＢＮ粒子間の結合剤相の分布が平均化するように、結合剤相成分の粒径分布を注意深く選ぶことが好ましい。これにより、諸性質が等方性であり、靭性の高い最終物質が得られる。結合剤相の分布が均等であると、強い結合が得られる傾向となり、それはまた、研磨加工材料による機械加工中にＣＢＮ粒子の欠け易さを減少させる傾向となる。
【００３３】
本発明により得られた粉末組成物において、ＣＢＮは、マルチモーダル（multimodal）の粒子、すなわち、平均粒径が互いに異なる少なくとも二種類のＣＢＮを含むことができる。“平均粒径”とは、特定の粒径からずれた粒子が限られた数存在するけれども、粒子の大部分がその特定の粒径に近接していることを意味する。粒子分布のピークは、特定粒径を有する。このように、たとえば、平均粒径が２μｍである場合には、定義によると、２μｍより大きい粒子がいくつかあるが、粒子の大部分は、ほぼ２μｍの粒径にあり、粒径分布のピークは、２μｍに近くなる。
【００３４】
組成物においてより大きなＣＢＮ粒径の場合、マルチモーダル、好ましくはバイモーダルのＣＢＮを使用すると、マトリックスが細かに分割されて、予備焼結組成物に重大な大きさの傷が存在する恐れを確実に減らすことになる。これは、本組成物から得た成形体において靭性と強度の両方ともに有効である。
【００３５】
一般的に、粉末化と分散の手段として、粉砕は、当該技術分野においてよく知られている。セラミック粉末の粉砕に普通用いられる粉砕技術は、通常のボールミル、タンブルボールミル、遊星形ボールミル及びアトリッションボールミル（摩砕ボールミル）及び撹拌ボールミルがある。
【００３６】
通常のボールミルにおいて、エネルギー量は、粉砕媒体の大きさと密度、粉砕ポットの径及び回転速度により決まる。方法は、ボールが転がる必要があるから、回転速度、それゆえ、エネルギーが制限される。通常のボールミル粉砕は、低位ないし中位の粒子強度の粉末の粉砕によく適する。典型的には、通常のボールミル粉砕は、約１μｍ又はそれ以上の最終粒径に粉砕する場合に用いられる。
【００３７】
遊星形ボールミルにおいて、ミルポットの遊星動作により、２０ｇ以下の加速を可能とし、それが、密度の高い媒体を使用した場合、通常のボールミルに比べて実質的に多くのエネルギーを与える。この技術は、中程度の強度の粒子において最終粒径約１μｍでもって、粉砕するのに十分適している。
【００３８】
アトリッションミル、すなわち、摩砕は、垂直又は水平いずれかの形状で高速回転する撹拌機を有する囲われた粉砕室からなる。使用される粉砕媒体は、０．２〜１５ｍｍの範囲の大きさであり、粉末化が目的である場合には、粉砕媒体は、典型的には、高密度の結合炭化物である。撹拌機の高い回転速度は、高密度で小径の媒体と合わせた場合、極めて高いエネルギーを与える。さらに、摩砕における高エネルギーは、スラリーに極めて高いせん断力を創出し、粉末を非常にうまく共分散させ、又は混合させる。摩砕は、前記他の方法に比較してより細かい粒子及びより良好な均質性を達成する。
【００３９】
ＣＢＮが典型的には２μｍ以下の微細な粒子からなる場合、ＣＢＮ及び結合剤相を粉砕媒体の摩耗量を制御しつつ、摩砕により一緒に粉砕・混合する。結合剤相は、ＣＢＮ粒子を加える前に摩砕にかけることができる。
【００４０】
ＣＢＮが異なる粒径からなり、粗い部分が典型的な２μｍより大きく、１２μｍの範囲内にある場合、方法は、通常１工程より多い工程からなる。第１の工程は、微細な混合物を製造するために、粉末結合剤相と、存在する場合、第二硬質相とをＣＢＮの微細部分とともに粉砕し、第２の工程で、ＣＢＮのより粗い部分を加える。次いで、ＣＢＮ粗粒子が加えられた混合物は、機械混合又は超音波混合のような高エネルギー混合を用いて混合される。更なる摩砕は行わず、粉砕媒体からの炭化物の過度の混入を最小限にする。結合剤相は、第二硬質相が存在する場合、微細なＣＢＮ粒子の添加前に、第二硬質相と共に摩砕処理してもよい。
【００４１】
本発明の方法において、結合剤相粒子は、結合剤相物質の表面を物理的に活性化し、場合により、粒径を減少させるために、摩砕処理される。結合剤相が複数の金属性相からなる場合、摩砕処理は、限られた量の合金生成させることができる。それにより、結合剤相の化学的性質をより均質化する。典型的には炭化タングステンである粉砕媒体の摩耗を最小にするように、結合剤相の摩砕処理の条件設定がなされる。
【００４２】
多結晶ＣＢＮ成形体を製造するのに必要な高温・高圧の典型的な条件は、当該技術分野で知られている。これらの条件は、約２〜約６ＧＰａの範囲の圧力及び約１１００℃〜約２０００℃の範囲の温度である。本発明に特に好ましい条件は、約４〜６ＧＰａ及び１２００〜１６００℃の範囲内であることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の方法により製造された成形体は、ねずみ鋳鉄、粉末冶金（ＰＭ）鋼、高クロム鋳鉄、白鋳鉄及び高マンガン鋼を加工する特別な用途を有する。高ＣＢＮ材料は、通常、粗面加工及び重断続加工操作に使用される。ある場合には、ねずみ鋳鉄及び粉末冶金（ＰＭ）鉄の仕上げ加工のような仕上げ加工にも使用される。
【００４４】
本発明は、下記の非制限的実施例により説明される。
【実施例】
【００４５】
実施例１：摩砕処理
平均粒径がそれぞれ１、５及び１μｍであるコバルト粉末、アルミニウム粉末及びタングステン粉末を、ＣＢＮと共に摩砕した。３３重量％のコバルト、１１重量％のアルミニウム及び５６重量％のタングステンが結合剤混合物を構成した。平均粒径が約１．２μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を、ＣＢＮが９２体積％になる量で、結合剤混合物に加え入れた。粉末混合物を、結合炭化物粉砕媒体を用いてヘキサンで２時間摩砕した。摩砕後、スラリーを真空乾燥させ、結合炭化物基体により支持した緑の成形体を作製した。真空脱気した後、材料を約５．５ＧＰａ、１４８０℃で焼結し、多結晶ＣＢＮ成形体を作成した。このＣＢＮ成形体（以下、材料Ａと称する。）を分析し、加工試験を行った。
【００４６】
実施例２：摩砕処理
平均粒径がそれぞれ約５及び１μｍであるアルミニウム粉末及びタングステン粉末を、ＣＢＮと共に摩砕した。３０重量％のアルミニウム及び７０重量％のタングステンが結合混合物を構成した。平均粒径が約２μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を、ＣＢＮが９４．５体積％になる量で、結合剤混合物に加えた。粉末混合物を、結合炭化物粉砕媒体を用いてヘキサンで２時間摩砕した。摩砕後、スラリーを真空乾燥させ、結合炭化物基体により支持した緑の成形体を作製した。真空脱気した後、材料を約５．５ＧＰａ、１４８０℃で焼結し、多結晶ＣＢＮ成形体を作成した。このＣＢＮ成形体（以下、材料Ｂと称する。）を分析し、加工試験を行った。
【００４７】
実施例３：摩砕処理
平均粒径がそれぞれ約５及び１μｍであるアルミニウム粉末及びコバルト粉末を、ＣＢＮと共に摩砕した。３０重量％のアルミニウム及び７０重量％のコバルトが結合剤混合物を構成した。平均粒径が約２μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を、ＣＢＮが９３体積％になる量で、結合剤混合物に加えた。粉末混合物を、結合炭化物粉砕媒体を用いてヘキサンで２時間摩砕した。摩砕後、スラリーを真空乾燥させ、結合炭化物基体により支持した緑の成形体を作製した。真空脱気した後、材料を約５．５ＧＰａ、１４８０℃で焼結し、多結晶ＣＢＮ成形体を作成した。このＣＢＮ成形体（以下、材料Ｃと称する。）を分析し、加工試験を行った。
【００４８】
実施例４：ボールミル粉砕処理
平均粒径がそれぞれ約１、５及び１μｍであるコバルト粉末、アルミニウム粉末及びタングステン粉末を、ＣＢＮと共にボールミル粉砕した。３３重量％のコバルト、１１重量％のアルミニウム及び５６重量％のコバルトが結合剤混合物を構成した。平均粒径が約１．２μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を、ＣＢＮが９２体積％になる量で、結合剤混合物に加えた。粉末混合物を、結合炭化物粉砕媒体を用いてヘキサンで１０時間ボールミル粉砕した。ボールミル粉砕後、スラリーを真空乾燥させ、結合炭化物基体により支持した緑の成形体を作製した。真空脱気した後、材料を約５．５ＧＰａ、１４８０℃で焼結し、多結晶ＣＢＮ成形体を作製した。このＣＢＮ成形体（以下、材料Ｄと称する。）を分析し、加工試験を行った。
【００４９】
Ｘ線回折分析の結果、焼結材料である、材料Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、ＣＢＮ、ＷＣ、ＣｏＷＢ、Ｃｏ２１Ｗ２Ｂ６及び少量のＡｌＮ及びＡｌ２Ｏ３の相（phase）を含んでいた。
【００５０】
これらの材料を、Ｋ１９０（登録商標）焼結ＰＭ工具鋼の連続仕上げ旋削において試験した。これらの加工品材料は、微細なＣｒ−炭化物を含み、ＰＣＢＮ切削具で非常に削りやすかった。試験は、以下の切削パラメータの乾燥切削条件で行われた。
切削速度、ｖｃ（ｍ／分） １５０
切削深さ（ｍｍ） ０．２
送り、ｆ（ｍｍ） ０．１
インサート形状 ＳＮＭＮ ０９０３０８ Ｔ０２０２
（エッジ半径 ｒ０＝１０−１５ｊ−ｉｍ）
【００５１】
材料Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄからの切削具のすべてを、過度のフランクの摩耗の結果破壊するまで試験した。フランクの摩耗量を、少なくとも３つの異なる切削距離で（Ｖｂ−ｍａｘとして）測定し、一般的に、フランクの摩耗量と切削距離との間の関係は、直線形であることが分かった。各ＰＣＢＮ材料について、データの点毎に最小二乗の線が描かれた。各実施例の材料のスライド距離１ｍ当りのフランクの摩耗量（μｍ）率を計算し、結果を表１にまとめる。
【表１】
【００５２】
摩砕された組成物から得られた３つの多結晶ＣＢＮ成形体はすべて、より低いフランク摩耗量率を有し、ボールミル粉砕された材料、材料Ｄから得られた多結晶ＣＢＮ成形体に比べて、所定の全フランク摩耗量に対して、より長い切削距離であったから、より良い性能を示した。
【００５３】
実施例５
Ｔｉ（Ｃ０．５Ｎ０．５）０．８粉末を、Ａｌ粉末及びＴｉ粉末と、管状ミキサーを用いて混合した。Ｔｉ（Ｃ０．５Ｎ０．５）０．８、Ａｌ及びＴｉ粉末の重量割合は、それぞれ、５９％、１５％及び２６％であった。粉末混合物を、ヘキサンで４時間摩砕した。平均粒径が１．２μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を、全混合物の２４体積％になる量で加え、さらに混合物を１時間摩砕した。平均粒径が約８μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を全混合物において５６体積％となる比で加えた。それゆえ、この混合物の全ＣＢＮ含有量は、８０体積％であった。粉末スラリー状の混合物を、約４５０℃で乾燥、真空脱気した。乾燥された粉末混合物を高エネルギーせん断混合に３０分かけ、凍結乾燥した。次いで、粒状の粉末を、緑の成形体に形成し、さらなる真空脱気後、約５．５ＧＰａ、約１３５０℃で焼結して多結晶ＣＢＮ成形体を作製した。次いで、このＣＢＮ成形体（以下、材料Ｅと称する。）を、分析した。
【００５４】
実施例６
Ｔｉ（Ｃ０．５Ｎ０．５）０．８粉末を、Ａｌ粉末及びＴｉと、管状ミキサーを用いて混合した。Ｔｉ（Ｃ０．５Ｎ０．５）０．８、Ａｌ及びＴｉの重量割合は、それぞれ、５９％、１５％及び２６％であった。粉末混合物を、ヘキサンで４時間摩砕した。平均粒径が１．２μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を、全混合物において２４体積％になる量で加え、さらに混合物を１時間摩砕した。平均粒径が約４．５μｍの立方晶系窒化ホウ素（ＣＢＮ）粉末を全混合物において５６体積％となる比で加えた。それゆえ、この混合物の全ＣＢＮ含有量は、８０体積％であった。粉末スラリー状の混合物を、約４５０℃で乾燥、真空脱気し、乾燥された粉末混合物を高エネルギーせん断混合に３０分かけ、凍結乾燥した。次いで、粒状の粉末を、緑の成形体に形成し、さらなる真空脱気後、約５．５ＧＰａ、約１３５０℃で焼結して多結晶ＣＢＮ成形体を作製した。次いで、このＣＢＮ成形体（以下、材料Ｆと称する。）を、分析した。
【００５５】
Ｘ線回折分析の結果、焼結材料、材料Ｅ及びＦは、ＣＢＮ、ＴｉＣＮ、ＷＣ及びＡｌ２Ｏ３の相を含んでいた。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶ＣＢＮ成形体の製造に適する粉末組成物の製造方法であって、混合物の少なくとも８０体積％の量で存在するＣＢＮと粉末結合剤相との前記混合物を摩砕するステップを含む、前記方法。
【請求項２】
組成物のＣＢＮ含有量が８０体積％〜９５体積％の範囲にある、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ＣＢＮの平均粒径が１２μｍ以下である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
ＣＢＮの平均粒径が１０μｍ以下である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
ＣＢＮの粒子が微細な粒子であり、前記組成物が結合剤相とＣＢＮ粒子からなり、他の成分は少量でしか存在しない、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
ＣＢＮ粒子が２μｍ以下の粒径を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
ＣＢＮ粒子がユニモーダルである、請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
ＣＢＮ粒子がバイモーダルである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
細粒子の平均粒径が約０．１から約２μｍまでであり、粗粒子の平均粒径が約２μｍから約１２μｍである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
粗粒子対細粒子の含有量比が５０：５０〜９０：１０である、請求項８又は請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記混合物が第二硬質相も含む、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
結合剤と第二硬質相との合計の７５重量％以下の量で第二硬質相が存在する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
結合剤と第二硬質相との合計の７０重量％以下の量で第二硬質相が存在する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
結合剤相と存在する場合には第二相とを伴う細粒子を摩砕し、粗粒子を摩砕混合物に加え、次いで、摩砕混合物と粗粒子とを高エネルギー混合法により混合する、請求項８〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
高エネルギー混合法が機械的撹拌又は超音波撹拌である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
結合剤相がアルミニウム、珪素、コバルト、モリブデン、タンタル、ニオブ、ニッケル、チタン、クロム、タングステン、イットリウム、炭素又は鉄を含む１つ又はそれ以上の相を含む、請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
明細書中の実施例のいずれか１つに関して実質的に記載されている、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
多結晶ＣＢＮ成形体を製造する方法であって、請求項１から１７のいずれか１項に記載の方法により製造した組成物を用意するステップ及び、前記組成物を、前記成形体の製造に適した温度及び圧力条件に供するステップを含む、前記方法。
【請求項１９】
温度及び圧力条件が１１００〜２０００℃の範囲の温度及び２〜６ＧＰａの範囲の圧力である、請求項１８に記載の方法。
【請求項１】
多結晶ＣＢＮ成形体の製造に適する粉末組成物の製造方法であって、混合物の少なくとも８０体積％の量で存在するＣＢＮと粉末結合剤相との前記混合物を摩砕するステップを含む、前記方法。
【請求項２】
組成物のＣＢＮ含有量が８０体積％〜９５体積％の範囲にある、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ＣＢＮの平均粒径が１２μｍ以下である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
ＣＢＮの平均粒径が１０μｍ以下である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
ＣＢＮの粒子が微細な粒子であり、前記組成物が結合剤相とＣＢＮ粒子からなり、他の成分は少量でしか存在しない、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
ＣＢＮ粒子が２μｍ以下の粒径を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
ＣＢＮ粒子がユニモーダルである、請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
ＣＢＮ粒子がバイモーダルである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
細粒子の平均粒径が約０．１から約２μｍまでであり、粗粒子の平均粒径が約２μｍから約１２μｍである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
粗粒子対細粒子の含有量比が５０：５０〜９０：１０である、請求項８又は請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記混合物が第二硬質相も含む、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
結合剤と第二硬質相との合計の７５重量％以下の量で第二硬質相が存在する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
結合剤と第二硬質相との合計の７０重量％以下の量で第二硬質相が存在する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
結合剤相と存在する場合には第二相とを伴う細粒子を摩砕し、粗粒子を摩砕混合物に加え、次いで、摩砕混合物と粗粒子とを高エネルギー混合法により混合する、請求項８〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
高エネルギー混合法が機械的撹拌又は超音波撹拌である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
結合剤相がアルミニウム、珪素、コバルト、モリブデン、タンタル、ニオブ、ニッケル、チタン、クロム、タングステン、イットリウム、炭素又は鉄を含む１つ又はそれ以上の相を含む、請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
明細書中の実施例のいずれか１つに関して実質的に記載されている、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
多結晶ＣＢＮ成形体を製造する方法であって、請求項１から１７のいずれか１項に記載の方法により製造した組成物を用意するステップ及び、前記組成物を、前記成形体の製造に適した温度及び圧力条件に供するステップを含む、前記方法。
【請求項１９】
温度及び圧力条件が１１００〜２０００℃の範囲の温度及び２〜６ＧＰａの範囲の圧力である、請求項１８に記載の方法。
【公表番号】特表２００９−５１３４７１（Ｐ２００９−５１３４７１Ａ）
【公表日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５３７２２３（Ｐ２００８−５３７２２３）
【出願日】平成１８年１０月２７日（２００６．１０．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００６／００３０２３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０４９１４０
【国際公開日】平成１９年５月３日（２００７．５．３）
【出願人】（５０７１４２１５５）エレメント シックス （プロダクション）（プロプライエタリィ） リミテッド (44)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月２７日（２００６．１０．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００６／００３０２３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０４９１４０
【国際公開日】平成１９年５月３日（２００７．５．３）
【出願人】（５０７１４２１５５）エレメント シックス （プロダクション）（プロプライエタリィ） リミテッド (44)
【Ｆターム（参考）】
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