CN114845974B - 立方晶氮化硼烧结体及其制造方法 - Google Patents

立方晶氮化硼烧结体及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种立方晶氮化硼烧结体，其具备结合相和70体积％以上且98体积％以下的立方晶氮化硼颗粒，其中，所述结合相包含选自由至少一种第一化合物以及源自所述第一化合物的固溶体组成的群组中的至少一种，所述第一化合物选自由钴化合物、铝化合物以及碳化钨组成的群组，所述立方晶氮化硼颗粒以数量基准计包含50％以上的当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒，并且，以数量基准计包含50％以下的当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒，在将所述立方晶氮化硼颗粒的质量设为100质量％的情况下，所述立方晶氮化硼颗粒中的锂、镁、钙、锶、铍以及钡的合计含量小于0.001质量％。

Description

立方晶氮化硼烧结体及其制造方法
技术领域
本公开涉及立方晶氮化硼烧结体及其制造方法。本申请主张基于作为在2019年12月16日申请的日本专利申请的特愿2019-226361号的优先权。将该日本专利申请所记载的全部记载内容通过参照而援引于本说明书中。
背景技术
立方晶氮化硼(以下也记为“cBN”)烧结体具有非常高的硬度，并且热稳定性以及化学稳定性也很优异，因此被用于切削工具、耐磨工具。
在日本特开2005-187260号公报(专利文献1)、国际公开第2005/066381号(专利文献2)中公开了如下方法：将立方晶氮化硼粉末和结合材料粉末混合而得到混合粉末，并在超高压高温条件下对该混合粉末进行烧结，由此得到包含cBN颗粒和结合材料的立方晶氮化硼。
另外，日本特开2015-202981号公报(专利文献3)、日本特开2015-202980号公报(专利文献4)中公开了如下方法：将常压型氮化硼与陶瓷混合而得到混合体，在超高压高温条件下对该混合体进行烧结，由此得到包含立方晶氮化硼多晶体和陶瓷相的立方晶氮化硼复合烧结体。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-187260号公报
专利文献2：国际公开第2005/066381号
专利文献3：日本特开2015-202981号公报
专利文献4：日本特开2015-202980号公报
发明内容
本公开的立方晶氮化硼烧结体具备结合相和70体积％以上且98体积％以下的立方晶氮化硼颗粒，其中，
所述结合相包含选自由至少一种第一化合物以及源自所述第一化合物的固溶体组成的群组中的至少一种，所述第一化合物选自由钴化合物、铝化合物以及碳化钨组成的群组，
所述立方晶氮化硼颗粒以数量基准计包含50％以上的当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒，并且，以数量基准计包含50％以下的当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒，
在将所述立方晶氮化硼颗粒的质量设为100质量％的情况下，所述立方晶氮化硼颗粒中的锂、镁、钙、锶、铍以及钡的合计含量小于0.001质量％。
本公开的立方晶氮化硼烧结体的制造方法是上述的立方晶氮化硼烧结体的制造方法，其中，
所述立方晶氮化硼烧结体的制造方法具备：
第一工序，在该第一工序中，将六方晶氮化硼粉末和结合材料粉末混合，得到混合粉末；以及
第二工序，在该第二工序中，将所述混合粉末升压升温至压力为8GPa以上且20GPa以下、且温度为2300℃以上且2500℃以下，在通过升压升温而达到的最高压力以及最高温度下保持30分钟以上且小于90分钟，由此进行烧结而得到立方晶氮化硼烧结体。
具体实施方式
[本公开所要解决的问题]
对于使用了专利文献1以及专利文献2的立方晶氮化硼烧结体的工具而言，尤其是在用于铸铁的高效率加工的情况下，要求进一步提高耐磨损性、耐缺损性等工具性能。本发明的发明人对使用了专利文献1以及专利文献2的立方晶氮化硼烧结体的工具中产生磨损、缺损的机理进行了研究的结果是新设想了下述的机理。
在专利文献1以及专利文献2中，使用立方晶氮化硼粉末作为原料。该立方晶氮化硼粉末通过在作为cBN的热稳定条件的高温高压下对六方晶氮化硼(以下，也记为“hBN”)和催化剂进行处理来制造。作为催化剂，一般使用碱金属元素(锂)、碱土金属元素(镁、钙、锶、铍、钡)等。因而，所得到的立方晶氮化硼粉末中包含催化剂元素。
若利用使用了立方晶氮化硼烧结体的工具进行切削加工，则与被切削材料接触的接触点附近的工具的压力以及温度上升。尤其是在铸铁的高效率加工中，压力以及温度的上升显著。在立方晶氮化硼烧结体包含催化剂元素的情况下，在铸铁的高效率加工中的与被切削材料接触的接触点附近的工具的压力以及温度条件下，催化剂元素促进从立方晶氮化硼向六方晶氮化硼的相变。因此，在工具的切削刃的与被切削材料接触的接触点附近，存在容易产生导热系数的降低、硬度的降低的倾向。据认为导热系数的降低、硬度的降低会引起耐磨损性、耐缺损性等切削性能的降低。
对于使用了专利文献3以及专利文献4的立方晶氮化硼复合烧结体的工具而言，尤其是在用于铸铁的高效率加工的情况下，也要求进一步提高耐磨损性、耐缺损性等工具性能。本发明的发明人对使用了专利文献3以及专利文献4的立方晶氮化硼复合烧结体的工具中产生磨损、缺损的机理进行了研究的结果是新设想了下述的机理。
在专利文献3以及专利文献4中，构成立方晶氮化硼多晶体的立方晶氮化硼单晶的平均晶体粒径小至500nm以下，为微粒。若在立方晶氮化硼烧结体中存在大量微粒成分，则存在立方晶氮化硼烧结体的韧性以及导热系数降低的倾向。因此，据认为，尤其是在铸铁的高效率加工中，会引起耐磨损性以及耐缺损性等工具性能的降低。
本发明的发明人基于上述新设想的机理，假定立方晶氮化硼烧结体中的催化剂元素的量以及立方晶氮化硼单晶的粒径对耐磨损性以及耐缺损性等工具性能产生影响。
本公开是本发明的发明人基于上述设想的新的机理以及假定进行深入研究而得到的。
本公开的目的在于提供一种立方晶氮化硼烧结体，其在用作工具的情况下，即使在铸铁的高效率加工中，也能够具有优异的切削性能。
[本公开的效果]
本公开的立方晶氮化硼烧结体在用作工具的情况下，即使在铸铁的高效率加工中，也能够具有优异的切削性能。
[本公开的实施方式的说明]
首先，列举本公开的实施方式进行说明。
(1)本公开的立方晶氮化硼烧结体具备结合相和70体积％以上且98体积％以下的立方晶氮化硼颗粒，其中，
所述结合相包含选自由至少一种第一化合物以及源自所述第一化合物的固溶体组成的群组中的至少一种，所述第一化合物选自由钴化合物、铝化合物以及碳化钨组成的群组，
所述立方晶氮化硼颗粒以数量基准计包含50％以上的当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒，并且，以数量基准计包含50％以下的当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒，
在将所述立方晶氮化硼颗粒的质量设为100质量％的情况下，所述立方晶氮化硼颗粒中的锂、镁、钙、锶、铍以及钡的合计含量小于0.001质量％。
本公开的立方晶氮化硼烧结体在用作工具的情况下，即使在铸铁的高效率加工中，也能够具有优异的切削性能。
(2)优选地，在所述立方晶氮化硼烧结体的X射线衍射光谱中，源自压缩型六方晶氮化硼的峰强度IA、源自六方晶氮化硼的峰强度IB、源自纤锌矿型氮化硼的峰强度IC以及源自立方晶氮化硼的峰强度ID显示出下述式I的关系。
(IA+IB+IC)/ID≤0.05 式I
由此，使用了该立方晶氮化硼的工具即使在铸铁的高效率加工中也能够具有优异的耐磨损性。
(3)本公开的立方晶氮化硼烧结体的制造方法是上述的立方晶氮化硼烧结体的制造方法，其中，
所述立方晶氮化硼烧结体的制造方法具备：
第一工序，在该第一工序中，将六方晶氮化硼粉末和结合材料粉末混合，得到混合粉末；以及
第二工序，在该第二工序中，将所述混合粉末升压升温至压力为8GPa以上且20GPa以下、且温度为2300℃以上且2500℃以下，在通过升压升温而达到的最高压力以及最高温度下保持30分钟以上且小于90分钟，由此进行烧结而得到立方晶氮化硼烧结体。
由此，能够得到在用作工具的情况下即使在铸铁的高效率加工中也能够具有优异的切削性能的立方晶氮化硼烧结体。
[本公开的实施方式的详细内容]
以下，对本公开的立方晶氮化硼烧结体及其制造方法进行说明。
在本说明书中，在以化学式表示化合物等的情况下，在不特别限定原子比时，包含以往公知的所有原子比，未必仅限定于化学计量范围内的原子比。例如在记载为“WC”的情况下，构成WC的原子数之比包括以往公知的所有原子比。这对于“WC”以外的化合物的记载也是同样的。
[第一实施方式：立方晶氮化硼烧结体]
本公开的立方晶氮化硼烧结体具备结合相和70体积％以上且98体积％以下的立方晶氮化硼颗粒，其中，
结合相包含选自由至少一种第一化合物以及源自第一化合物的固溶体组成的群组中的至少一种，第一化合物选自由钴化合物、铝化合物以及碳化钨组成的群组，立方晶氮化硼颗粒以数量基准计包含50％以上的当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒，并且，以数量基准计包含50％以下的当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒，在将立方晶氮化硼颗粒的质量设为100质量％的情况下，立方晶氮化硼颗粒中的锂、镁、钙、锶、铍以及钡的合计含量小于0.001质量％。
本公开的立方晶氮化硼烧结体在用作工具的情况下，即使在铸铁的高效率加工中，也能够具有优异的切削性能。据推测，其理由如下述(i)～(iv)所述。
(i)本公开的立方晶氮化硼烧结体包含70体积％以上且98体积％以下的具有优异的强度以及韧性的立方晶氮化硼颗粒。因此，cBN烧结体也能够具有优异的强度以及韧性。因而，使用了该立方晶氮化硼烧结体的工具即使在铸铁的高效率加工中，也能够具有优异的耐磨损性以及耐缺损性。
(ii)在本公开的立方晶氮化硼烧结体中，结合相包含选自由至少一种第一化合物以及源自第一化合物的固溶体组成的群组中的至少一种，第一化合物选自由钴化合物、铝化合物以及碳化钨组成的群组。第一化合物其自身具有较高的强度以及韧性，且提高了cBN颗粒彼此的结合力。因而，使用了包含该第一化合物作为结合相的立方晶氮化硼烧结体的工具即使在铸铁的高效率加工中，也能够具有优异的耐磨损性以及耐缺损性。
(iii)在本公开的立方晶氮化硼烧结体中，对于立方晶氮化硼颗粒而言，以数量基准计包含50％以上的当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒，并且，以数量基准计包含50％以下的当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒。
若立方晶氮化硼颗粒为微粒，则存在立方晶氮化硼烧结体的韧性以及导热系数降低的倾向。在本公开的立方晶氮化硼烧结体中，当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒以数量基准计为50％以上。即，作为微粒的当量圆直径为0.5μm以下的立方晶氮化硼颗粒的比例为50％以下，微粒的比例较小，因此立方晶氮化硼烧结体能够具有优异的韧性以及导热系数。
另外，若立方晶氮化硼颗粒为粗粒，则存在立方晶氮化硼烧结体的强度降低的倾向。在本公开的立方晶氮化硼烧结体中，作为粗粒的当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒的比例为50％以下，粗粒的比例较小，因此立方晶氮化硼烧结体能够具有优异的强度。
因此，使用了本公开的立方晶氮化硼烧结体的工具即使在铸铁的高效率加工中，也能够具有优异的耐磨损性以及耐缺损性。
(iv)在本公开的立方晶氮化硼烧结体中，在将立方晶氮化硼颗粒的质量设为100质量％的情况下，立方晶氮化硼颗粒中的锂、镁、钙、锶、铍以及钡(以下，也将上述元素记为“催化剂元素”)的合计含量小于0.001质量％。若在立方晶氮化硼颗粒中存在催化剂元素，则在铸铁的高效率加工中的工具与被切削材料接触的接触点附近的压力以及温度条件下，催化剂元素促进从立方晶氮化硼向六方晶氮化硼的相变。因此，在工具的切削刃的与被切削材料接触的接触点附近，存在容易产生导热系数的降低、硬度的降低的倾向。
在本公开的立方晶氮化硼烧结体中，立方晶氮化硼颗粒中的催化剂元素的合计含量小于0.001质量％，因此即使在铸铁的高效率加工时的压力以及温度条件下，也不易产生由催化剂元素引起的从立方晶氮化硼向六方晶氮化硼的相变。因此，使用了本公开的立方晶氮化硼烧结体的工具即使在铸铁的高效率加工中，也能够具有优异的耐磨损性以及耐缺损性。
<组成>
本公开的立方晶氮化硼烧结体具备结合相和70体积％以上且98体积％以下的立方晶氮化硼颗粒。本公开的立方晶氮化硼烧结体包含具有优异的强度以及韧性的立方晶氮化硼，因此立方晶氮化硼烧结体也能够具有优异的强度以及韧性。因此，使用了该立方晶氮化硼烧结体的工具即使在铸铁的高效率加工中，也能够具有优异的耐磨损性以及耐缺损性。
cBN烧结体中的cBN颗粒的含有比例的下限为70体积％，优选为80体积％。cBN烧结体中的cBN颗粒的含有比例的上限为98体积％。cBN烧结体中的cBN颗粒的含有比例优选为80体积％以上且98体积％以下。
本公开的立方晶氮化硼烧结体包含具有较高的强度、且提高cBN颗粒彼此的结合力的结合相，因此立方晶氮化硼烧结体也能够具有优异的强度以及韧性。因此，使用了该立方晶氮化硼烧结体的工具即使在铸铁的高效率加工中也能够具有优异的耐磨损性以及耐缺损性。
cBN烧结体中的结合相的含有比例的下限优选为2体积％。cBN烧结体中的结合相的含有比例的上限优选为30体积％，更优选为20体积％。cBN烧结体中的结合相的含有比例优选为2体积％以上且30体积％以下，更优选为2体积％以上且20体积％以下。
cBN烧结体中的cBN颗粒的含有比例(体积％)以及结合相的含有比例(体积％)可以通过使用扫描电子显微镜(SEM)(日本电子公司制造的“JSM-7800F”(商标))附带的能量色散型X射线分析装置(EDX)(EDAX公司制造的“Octane Elect(オクタンエレクト)EDS系统”(商标))，对cBN烧结体实施组织观察、元素分析等来进行确认。
具体而言，能够如下求出cBN颗粒的含有比例(体积％)。首先，对cBN烧结体的任意位置进行切割，制作包含cBN烧结体的截面的试样。在截面的制作中，可以使用聚焦离子束装置、截面抛光装置等。接着，通过SEM以5000倍对上述截面进行观察，得到反射电子图像。在反射电子图像中，cBN颗粒看起来较黑(暗视野)，存在结合相的区域为灰色或白色(明视野)。
接着，使用图像分析软件(例如，三谷商事(株)的“WinROOF”)对上述反射电子图像进行二值化处理。根据二值化处理后的图像，计算出源自暗视野的像素(源自cBN颗粒的像素)在测定视野的面积中所占的面积比率。通过将计算出的面积比率视为体积％，能够求出cBN颗粒的含有比例(体积％)。
根据二值化处理后的图像，计算出源自明视野的像素(源自结合相的像素)在测定视野的面积中所占的面积比率，由此能够求出结合相的含有比例(体积％)。
本公开的立方晶氮化硼烧结体可以在显示出本公开的效果的范围内包含不可避免的杂质。在制造本公开的cBN烧结体的过程中，例如使用由超硬合金制成的球、容器。因此，例如超硬合金中包含的元素、化合物有时作为不可避免的杂质混入cBN烧结体中。在立方晶氮化硼烧结体包含不可避免的杂质的情况下，不可避免的杂质的含量优选为0.1质量％以下。不可避免的杂质的含量可以通过二次离子质谱分析(SIMS)进行测定。
本公开的立方晶氮化硼烧结体可以在显示出本公开的效果的范围内包含压缩型六方晶氮化硼、六方晶氮化硼以及纤锌矿型氮化硼中的至少任一种。在此，“压缩型六方晶氮化硼”是指晶体结构与通常的六方晶氮化硼类似，c轴方向的面间隔比通常的六方晶氮化硼的面间隔(0.333nm)小的六方晶氮化硼。关于压缩型六方晶氮化硼、六方晶氮化硼以及纤锌矿型氮化硼相对于立方晶氮化硼的含有比例，在后述的<X射线衍射光谱>中详细叙述。
<立方晶氮化硼颗粒>
(当量圆直径)
对于本公开的立方晶氮化硼烧结体中包含的立方晶氮化硼颗粒而言，以数量基准计包含50％以上的当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒，并且，以数量基准计包含50％以下的当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒。其中，在计算数量基准时，不对当量圆直径小于0.05μm的颗粒进行计数。
若当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒的比例为50％以上，则立方晶氮化硼烧结体能够具有优异的韧性以及导热系数。另外，若当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒的比例为50％以下，则立方晶氮化硼烧结体能够具有优异的强度。因此，使用了本公开的立方晶氮化硼烧结体的工具即使在铸铁的高效率加工中，也能够具有优异的耐磨损性以及耐缺损性。
立方晶氮化硼颗粒整体中的当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒的数量基准的比例的下限为50％，优选为70％。立方晶氮化硼颗粒整体中的当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒的数量基准的比例的上限优选为100％。立方晶氮化硼颗粒整体中的当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒的数量基准的比例优选为50％以上且100％以下，进一步优选为70％以上且100％以下。
立方晶氮化硼颗粒整体中的当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒的数量基准的比例的下限优选为0％。立方晶氮化硼颗粒整体中的当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒的比例的上限为50％，优选为40％。立方晶氮化硼颗粒整体中的当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒的比例优选为0％以上且50％以下，更优选为0％以上且40％以下。
以下，对立方晶氮化硼颗粒中的当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒的数量基准的比例、以及当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒的数量基准的比例的计算方法进行具体说明。
首先，以使测定部位露出的方式利用金刚石砂轮电沉积线等对立方晶氮化硼烧结体进行切割，并对截面进行研磨。在将立方晶氮化硼烧结体用作工具的一部分的情况下，利用金刚石砂轮电沉积线等将立方晶氮化硼烧结体的部分切出，并对切出的截面进行研磨。在该研磨面上任意地设定五个部位的测定部位。使用SEM(日本电子株式会社公司制造的“JSM-7500F”(商标))对五个部位的各测定部位进行观察，得到五个SEM图像。测定视野的尺寸为12μm×15μm，观察倍率为10000倍。
使用图像处理软件(Win Roof ver.7.4.5)对五个SEM图像分别进行处理，由此计算出测定视野内观察到的立方晶氮化硼颗粒的总数以及各立方晶氮化硼颗粒的当量圆直径。
将各测定视野中包含的立方晶氮化硼颗粒的总数作为分母，计算出当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒的数量的比例。五个部位的测定视野中的当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒的数量的比例的平均值相当于立方晶氮化硼颗粒中的当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒的数量基准的比例。
将各测定视野中包含的立方晶氮化硼颗粒的总数作为分母，计算出当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒的数量的比例。五个部位的测定视野中的当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒的数量的比例的平均值相当于立方晶氮化硼颗粒中的当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒的数量基准的比例。
此外，在申请人进行测定的范围内，确认到只要是在同一试样中对立方晶氮化硼颗粒的总数以及各立方晶氮化硼颗粒的当量圆直径进行测定，则即使变更测定视野的选择部位并多次计算，测定结果也几乎没有偏差，即使任意地设定测定视野也不会随意变化。
(催化剂元素)
在本公开的立方晶氮化硼烧结体中，将立方晶氮化硼颗粒的质量设为100质量％的情况下，立方晶氮化硼颗粒中的锂、镁、钙、锶、铍以及钡的合计含量小于0.001质量％。在本公开的立方晶氮化硼烧结体中，促进从立方晶氮化硼向六方晶氮化硼的相变的催化剂元素的含量非常少，或者不存在催化剂元素，因此即使在铸铁的高效率加工时的压力以及温度条件下，也不易产生由催化剂元素引起的从立方晶氮化硼向六方晶氮化硼的相变。因此，使用了本公开的立方晶氮化硼烧结体的工具即使在铸铁的高效率加工中，也能够具有优异的耐磨损性以及耐缺损性。
立方晶氮化硼颗粒中的催化剂元素的合计含量的下限优选为0质量％。上述催化剂元素的合计含量的上限小于0.001质量％。上述催化剂元素的合计含量优选为0质量％以上且小于0.001质量％。
立方晶氮化硼颗粒中的催化剂元素的含量可以通过高频感应等离子体发光分析法((ICP发光分光分析法)，使用设备：岛津制作所制造的“ICPS-8100”(商标))来进行测定。具体而言，可以按照下述的步骤进行测定。
首先，将立方晶氮化硼烧结体在密闭容器内浸渍于氟硝酸48小时，使结合相溶解于氟硝酸。对氟硝酸中残留的立方晶氮化硼颗粒进行高频感应等离子体发光分析法，对各催化剂元素的含量进行测定。由此，能够对立方晶氮化硼颗粒中的催化剂元素的合计含量进行测定。
<结合相>
本公开的立方晶氮化硼烧结体中包含的结合相包含选自由至少一种第一化合物以及源自所述第一化合物的固溶体组成的群组中的至少一种，所述第一化合物选自由钴化合物、铝化合物以及碳化钨组成的群组。第一化合物其自身具有较高的强度以及韧性，能够将立方晶氮化硼颗粒彼此牢固地结合，因此烧结体的强度提高，烧结体能够具有优异的耐磨损性。
作为钴化合物，可以列举为W2CoB6、W3Co3C、W2Co21B6。
作为铝化合物，可以列举为硼化铝(AlB2)、氧化铝(Al2O3)。
第一化合物可以使用一种，也可以组合使用两种以上。
结合相可以包含源自第一化合物的固溶体。在此，源自第一化合物的固溶体是指两种以上的第一化合物溶入彼此的晶体结构内的状态，是指侵入型固溶体、置换型固溶体。
结合相可以仅由选自由第一化合物以及第一化合物的固溶体组成的群组中的一种以上构成。另外，结合相可以由合计为99.9体积％以上的选自由第一化合物以及第一化合物的固溶体组成的群组中的一种以上、和余量构成。
在此，余量相当于结合相中的不可避免的杂质。立方晶氮化硼烧结体中的不可避免的杂质的含有比例优选为0质量％以上且0.1质量％以下。
结合相的组成可以使用X射线衍射法来进行测定。具体的测定方法如下所述。
首先，以使测定部位露出的方式利用金刚石砂轮电沉积线等对立方晶氮化硼烧结体进行切割，并对截面进行研磨。在将立方晶氮化硼烧结体用作工具的一部分的情况下，利用金刚石砂轮电沉积线等将立方晶氮化硼烧结体的部分切出，并对切出的截面进行研磨。在该研磨面中任意地设定五个部位的测定部位。
使用X射线衍射装置(Rigaku公司制造的“MiniFlex600”(商标))得到上述研磨面的X射线衍射光谱。此时的X射线衍射装置的条件如下所述。
特性X射线：Cu-Kα(波长)
管电压：45kV
管电流：40mA
滤光器：多层镜
光学系统：集中法
X射线衍射法：θ-2θ法
基于所得到的X射线衍射光谱，对结合相的组成进行鉴定。
<X射线衍射光谱>
优选地，本公开的立方晶氮化硼烧结体在其X射线衍射光谱中，源自压缩型六方晶氮化硼的峰强度IA、源自六方晶氮化硼的峰强度IB、源自纤锌矿型氮化硼的峰强度IC以及源自立方晶氮化硼的峰强度ID显示出下述式I的关系。
(IA+IB+IC)/ID≤0.05 式I
压缩型六方晶氮化硼、六方晶氮化硼、纤锌矿型氮化硼以及立方晶氮化硼全部具有相同程度的电子权重。因而，X射线衍射光谱中的峰强度IA、峰强度IB、峰强度IC以及峰强度ID之比可以视为立方晶氮化硼烧结体中的压缩型六方晶氮化硼、六方晶氮化硼、纤锌矿型氮化硼以及立方晶氮化硼的体积比。
在峰强度IA、峰强度IB、峰强度IC以及峰强度ID满足上述式I的关系的情况下，立方晶氮化硼烧结体中的压缩型六方晶氮化硼、六方晶氮化硼、纤锌矿型氮化硼的体积比例与立方晶氮化硼的体积比例相比非常小。因而，在该立方晶氮化硼烧结体中，由压缩型六方晶氮化硼、六方晶氮化硼、纤锌矿型氮化硼引起的强度以及韧性降低的影响非常小，能够具有优异的耐磨损性以及耐缺损性。
以下，对源自压缩型六方晶氮化硼的峰强度IA、源自六方晶氮化硼的峰强度IB、源自纤锌矿型氮化硼的峰强度IC以及源自立方晶氮化硼的峰强度ID的测定方法进行具体说明。
首先，以使测定部位露出的方式利用金刚石砂轮电沉积线等对立方晶氮化硼烧结体进行切割，并对截面进行研磨。在将立方晶氮化硼烧结体用作工具的一部分的情况下，利用金刚石砂轮电沉积线等将立方晶氮化硼烧结体的部分切出，并对切出的截面进行研磨。在该研磨面中任意地设定五个部位的测定部位。
使用X射线衍射装置(Rigaku公司制造的“MiniFlex600”(商标))得到上述研磨面的X射线衍射光谱。此时的X射线衍射装置的条件如下所述。
特性X射线：Cu-Kα(波长)
管电压：45kV
管电流：40mA
滤光器：多层镜
光学系统：集中法
X射线衍射法：θ-2θ法
在所得到的X射线衍射光谱中，对下述的峰强度IA、峰强度IB、峰强度IC、峰强度ID进行测定。
峰强度IA：从衍射角2θ＝28.5°附近的峰强度中去除背景后的压缩型六方晶氮化硼的峰强度。
峰强度IB：从衍射角2θ＝41.6°附近的峰强度中去除背景后的六方晶氮化硼的峰强度。
峰强度IC：从衍射角2θ＝40.8°附近的峰强度中去除背景后的纤锌矿型氮化硼的峰强度。
峰强度ID：从衍射角2θ＝43.5°附近的峰强度中去除背景后的立方晶氮化硼的峰强度。
在五个部位的测定部位分别对峰强度IA、峰强度IB、峰强度IC、峰强度ID进行测定，得到(IA+IB+IC)/ID的值。五个部位的测定部位中的(IA+IB+IC)/ID的值的平均值相当于立方晶氮化硼烧结体中的(IA+IB+IC)/ID。
此外，在申请人进行测定的范围内，确认到只要是在同一试样中对峰强度IA、峰强度IB、峰强度IC、峰强度ID进行测定，则即使变更测定部位的选择部位并多次计算，测定结果也几乎没有偏差，即使任意地设定测定部位也不会随意变化。
<用途>
本公开的立方晶氮化硼烧结体优选用于切削工具、耐磨工具、磨削工具等。
使用了本公开的立方晶氮化硼烧结体的切削工具、耐磨工具以及磨削工具分别可以是其整体由立方晶氮化硼烧结体构成，也可以是仅其一部分(例如在切削工具的情况下为刀尖部分)由立方晶氮化硼烧结体构成。进一步地，也可以在各工具的表面形成涂层膜。
作为切削工具，可以列举为钻头、立铣刀、钻头用刀尖更换型切削刀片、立铣刀用刀尖更换型切削刀片、铣削加工用刀尖更换型切削刀片、车削加工用刀尖更换型切削刀片、金工锯、齿轮切削工具、铰刀、丝锥、切削刀具等。
作为耐磨工具，可以列举为冲模、划线器、划线轮、修整器等。作为磨削工具，可以列举为磨削砂轮等。
[第二实施方式：立方晶氮化硼烧结体的制造方法]
本公开的立方晶氮化硼烧结体的制造方法是第一实施方式的立方晶氮化硼烧结体的制造方法，其具备：第一工序，在该第一工序中，将六方晶氮化硼粉末和结合材料粉末混合，得到混合粉末；以及第二工序，在该第二工序中，将混合粉末升压升温至压力为8GPa以上且20GPa以下、且温度为2300℃以上且2500℃以下，在通过升压升温而达到的最高压力以及最高温度下保持30分钟以上且小于90分钟，由此进行烧结而得到立方晶氮化硼烧结体。
<第一工序>
首先，准备六方晶氮化硼粉末和结合材料粉末。六方晶氮化硼粉末的纯度(六方晶氮化硼的含有率)优选为98.5％以上，更优选为99％以上，最优选为100％。六方晶氮化硼粉末的粒径没有特别限定，例如可以为0.1μm以上且10μm以下。
结合材料粉末根据作为目的的结合相的组成来进行选择。具体而言，可以使用由第一实施方式的结合相中记载的第一化合物构成的颗粒。另外，可以与由第一化合物构成的颗粒一起使用铝颗粒。结合材料粉末的粒径没有特别限定，例如可以设为0.1μm以上且10μm以下。
接着，将六方晶氮化硼粉末和结合材料粉末混合而得到混合粉末。对六方晶氮化硼粉末与结合材料粉末的混合比进行调整，使得在最终得到的立方晶氮化硼烧结体中，立方晶氮化硼颗粒的比例为70体积％以上且98体积％以下。
混合可以使用例如球磨机、磨碎机等混合装置。混合时间例如为5小时以上且24小时以下左右。
在这样得到的混合粉末中，六方晶氮化硼粉末可以包含在混合过程中因表面氧化的影响而生成的氧化硼、水分等吸附气体。上述杂质阻碍从六方晶氮化硼向立方晶氮化硼的直接转化。或者，上述杂质成为催化剂而引起晶粒生长，使立方晶氮化硼颗粒彼此的结合弱化。因此，优选进行高温纯化处理而去除杂质。例如，可以将混合粉末以氮气中2050℃以上的条件、或者真空中1650℃以上的条件等进行热处理而去除氧化硼、吸附气体。这样得到的混合粉末的杂质非常少，适于从六方晶氮化硼向立方晶氮化硼的直接转化。
(第二工序)
在第二工序中，将上述混合粉末升压升温至压力为8GPa以上且20GPa以下、且温度为2300℃以上且2500℃以下，在通过升压升温而达到的最高压力以及最高温度下保持30分钟以上且小于90分钟，由此进行烧结而得到立方晶氮化硼烧结体。此时，六方晶氮化硼直接转化为立方晶氮化硼。进一步地，在从六方晶氮化硼转化为立方晶氮化硼的同时，混合粉末被烧结，从而成为立方晶氮化硼烧结体。
在第二工序中，不使用催化剂元素而进行从六方晶氮化硼向立方晶氮化硼的直接转化。为此，需要使混合粉末的烧结条件与以往的使用催化剂元素的烧结条件相比为高压高温。
实施例
通过实施例对本实施方式进一步具体地进行说明。但是，本实施方式并不限定于上述实施例。
[实施例1]
<立方晶氮化硼烧结体的制作>
〔试样No.1～试样No.6、试样No.13～试样No.19〕
使用下述制造方法，制作试样No.1～试样No.6、试样No.13～试样No.19的立方晶氮化硼烧结体。
(第一工序)
首先，作为起始物质(原料)，准备平均粒径为10μm的六方晶氮化硼粉末(在表1中，记为“hBN粉末”)和具有表1的“第一工序”的“原料粉末”一栏所示的组成的结合材料粉末。在结合材料粉末包含两种粉末的情况下，记载了体积比。例如，在试样No.1中，示出了结合材料粉末以体积比3：2包含WC粉末和Al粉末。
对六方晶氮化硼粉末与结合材料粉末的混合比进行调整，使得在最终得到的立方晶氮化硼烧结体中，立方晶氮化硼颗粒的比例为表1的“立方晶氮化硼烧结体”的“cBN颗粒(体积％)”一栏中记载的比例。
使用球磨机将六方晶氮化硼粉末和结合材料粉末混合5小时。由此得到混合粉末。将该混合粉末以氮气气氛下2050℃的温度进行热处理而去除杂质(高温纯化处理)。
(第二工序)
将经过高温纯化处理的混合粉末放入由高熔点金属构成的胶囊中，使用超高压高温发生装置以表1的“第二工序”的“压力(GPa)”、“温度(℃)”以及“时间(分钟)”一栏所示的压力、温度以及时间进行保持，得到立方晶氮化硼烧结体。
〔试样No.7～试样No.12〕
使用下述制造方法，制作试样No.7～试样No.12的立方晶氮化硼烧结体。
(第一工序)
首先，作为起始物质(原料)，准备平均粒径为1μm的立方晶氮化硼粉末(在表1中，记为“cBN粉末”)和具有表1的“第一工序”的“原料粉末”一栏所示的组成的结合材料粉末。立方晶氮化硼粉末是通过使用催化剂的以往的方法制作的。在结合材料粉末包含两种粉末的情况下，记载了体积比。例如，在试样No.7中，示出了在结合材料粉末中WC粉末与Al粉末的体积比为3：2。
将立方晶氮化硼粉末和结合材料粉末以体积比计为cBN粉末∶结合材料粉末＝90∶10进行配合，并进一步地使用球磨机将立方晶氮化硼粉末和结合材料粉末混合5小时。由此得到混合粉末。将该混合粉末以氮气气氛下2050℃的温度进行热处理而去除杂质(高温纯化处理)。
(第二工序)
将经过高温纯化处理的混合粉末放入由高熔点金属构成的胶囊中，使用超高压高温发生装置以表1的“第二工序”的“压力(GPa)”、“温度(℃)”以及“时间(分钟)”一栏所示的压力、温度以及时间进行保持，得到立方晶氮化硼烧结体。
<测定>
(立方晶氮化硼烧结体的组成)
通过SEM反射电子图像的图像分析(使用图像处理软件WinROOF)，对各试样的立方晶氮化硼烧结体的组成(立方晶氮化硼的含有率、结合相的含有率)进行测定。具体的测定方法如第一实施方式所示，因此不重复其说明。将结果示于表1的“立方晶氮化硼烧结体”的“cBN颗粒(体积％)”以及“结合相(体积％)一栏中。
(结合相的组成)
使用X射线衍射法对各试样的结合相的组成进行测定。具体的测定方法如第一实施方式所示，因此不重复其说明。将结果示于表1的“结合相的组成”一栏中。
(立方晶氮化硼颗粒的粒径)
使用SEM对各试样的立方晶氮化硼颗粒的粒径进行测定，计算出当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒的数量基准的比例、以及当量圆直径为2μm以上的立方晶氮化硼颗粒的数量基准的比例。具体的测定方法如第一实施方式所示，因此不重复其说明。将结果示于表1的“cBN颗粒的数量基准比例”的“当量圆直径超过0.5μm(％)”以及“当量圆直径超过2μm(％)”一栏中。
(催化剂元素的含量)
使用ICP发光分光分析法，对各试样的立方晶氮化硼颗粒中的催化剂元素的种类以及含量进行测定。具体的测定方法如第一实施方式所示，因此不重复其说明。将结果示于表1的“cBN颗粒中的催化剂元素含量(质量％)”一栏中。此外，在结果表示为“-”的情况下，表示未检出，含量低于检测极限(0.001质量％)。
(X射线衍射光谱)
对各试样的立方晶氮化硼颗粒进行X射线衍射测定，得到X射线衍射光谱。具体的测定方法如第一实施方式所示，因此不重复其说明。基于该X射线衍射光谱，对源自压缩型六方晶氮化硼的峰强度IA、源自六方晶氮化硼的峰强度IB、源自纤锌矿型氮化硼的峰强度IC以及源自立方晶氮化硼的峰强度ID进行测定，得到(IA+IB+IC)/ID的值。将结果示于表1的“(IA+IB+IC)/ID”一栏中。此外，在结果表示为“-”的情况下，表示未检测到源自压缩型六方晶氮化硼的峰强度IA、源自六方晶氮化硼的峰强度IB以及源自纤锌矿型氮化硼的峰强度IC中的任一个峰。
<评价>
(切削工具的制造以及切削性能的评价)
将各试样的立方晶氮化硼烧结体用于刀尖，制作工具形状为SNMN120408的工具。使用该工具，在下述的切削条件下进行铣削加工，并对加工5分钟时的热龟裂的条数和到缺损为止的切削时间(分钟)进行评价。
(切削条件)
切削方式：干式切削
被切削材料：灰铸铁FC250
切削速度：2800m/min
进给：0.25mm/rev.
切入量：ae＝20mm、ap＝0.3mm
上述的切削条件相当于灰铸铁的高效率加工。到产生缺损为止的切削时间越长，表示耐缺损性越高，切削性能越优异。将结果示于表1的“加工5分钟后热龟裂条数(条)”、“到缺损为止的切削时间(分钟)”一栏中。此外，“加工5分钟后热龟裂条数(条)”一栏的“缺损”的记载表示在加工开始后经过5分钟前产生了缺损。
<考察>
试样No.2～试样No.5、试样No.14～试样No.16、试样No.18以及试样No.19的制造条件以及所得到的立方晶氮化硼烧结体相当于实施例。使用了上述立方晶氮化硼烧结体的工具在灰铸铁的高效率加工中也显示出优异的切削性能。
在通过试样No.1的制造方法得到的立方晶氮化硼烧结体中，立方晶氮化硼颗粒的含有比例为65体积％，相当于比较例。因而，试样No.1的制造条件也相当于比较例。使用了该立方晶氮化硼烧结体的工具与实施例相比，到产生缺损为止的时间较短。据认为这是因为，立方晶氮化硼颗粒的比例小于70体积％，cBN颗粒彼此无法形成骨架结构而在切削时发生了cBN颗粒的脱落。
在通过试样No.6的制造方法得到的立方晶氮化硼烧结体中，立方晶氮化硼颗粒的含有比例为99.5体积％，相当于比较例。因而，试样No.6的制造条件也相当于比较例。使用了该立方晶氮化硼烧结体的工具与实施例相比，到产生缺损为止的时间较短。据认为这是因为，立方晶氮化硼颗粒的比例超过95体积％，保持立方晶氮化硼颗粒间的结合的结合相的比例较小，烧结体中缺陷较多，并且无法充分促进由结合材料成分带来的cBN颗粒彼此的颈部成长(neck growth)，立方晶氮化硼颗粒容易脱落。
试样No.7～试样No.12的制造条件使用了通过使用催化剂的以往的方法制作的立方晶氮化硼粉末，相当于比较例。在试样No.7～试样No.12的烧结体中，立方晶氮化硼颗粒中的催化剂元素的含量为0.002质量％以上，相当于比较例。可知使用了上述立方晶氮化硼烧结体的工具在加工5分钟时热龟裂的条数比实施例多，到缺损的时间也比实施例短。据认为这是因为，存在于立方晶氮化硼颗粒中的催化剂元素在加工时的与被切削材料接触的接触点附近的压力以及温度条件下，促进从立方晶氮化硼向六方晶氮化硼的相变，在刃部区域导热系数降低而使耐热性变差。
在试样No.13的制造条件中，第二工序中的保持时间为15分钟，相当于比较例。在试样No.13的立方晶氮化硼烧结体中，在立方晶氮化硼颗粒中，当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒的数量基准的比例为45％，相当于比较例。使用了该立方晶氮化硼烧结体的工具与实施例相比，到产生缺损为止的时间较短。据认为这是因为，当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒的含有比例较小，当量圆直径为0.5μm以下的微粒的比例较大，韧性以及导热系数降低而使耐缺损性降低。
在试样No.17的制造条件中，第二工序中的保持时间为90分钟，相当于比较例。在试样No.17的立方晶氮化硼烧结体中，在立方晶氮化硼颗粒中，以数量基准计包含58％的当量圆直径为2μm以上的立方晶氮化硼颗粒，相当于比较例。使用了该立方晶氮化硼烧结体的工具与实施例相比，到产生缺损为止的时间较短。据认为这是因为，当量圆直径为2μm以上的立方晶氮化硼颗粒的含有比例较大，因此强度降低而使耐缺损性降低。
[实施例2：试样No.4、试样No.9、试样No.20～试样No.23]
<立方晶氮化硼烧结体的制作>
以基本上与实施例1相同的方法制作试样No.4、试样No.9的立方晶氮化硼烧结体。关于试样No.20～试样No.23的立方晶氮化硼烧结体，除了将第一工序以及第二工序中的各条件设为表2的“第一工序”以及“第二工序”一栏所示的条件以外，通过与试样No.1相同的方法制作立方晶氮化硼烧结体。
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<测定>
对于各试样，通过与实施例1相同的方法，对立方晶氮化硼烧结体的组成(立方晶氮化硼的含有率、结合相的含有率)、结合相的组成、立方晶氮化硼颗粒的粒径、催化剂元素的含量、X射线衍射光谱进行测定。将结果示于表2。
<评价>
(切削工具的制造以及切削性能的评价)
将各试样的立方晶氮化硼烧结体用于刀尖，制作工具形状为SNMN120408的工具。使用该工具，在下述的切削条件下进行外径车削加工，对耐磨损性以及耐缺损性进行评价。
(切削条件)
切削方式：湿式切削
被切削材料：球墨铸铁FCD700圆棒
切削速度：300m/min
进给：0.2mm/rev.
切入量：ap＝0.2mm
评价方法：进行了10分钟的切削时的后刀面磨损量(单位：mm)。
上述的切削条件相当于球墨铸铁的高效率加工。后刀面磨损量越小，表示耐磨损性越高，切削性能越优异。将结果示于表2的“后刀面磨损量(mm)”一栏中。
<考察>
试样No.4、试样No.20～试样No.23的制造条件以及所得到的立方晶氮化硼烧结体相当于实施例。使用了上述立方晶氮化硼烧结体的工具在球墨铸铁的高效率加工中也显示出优异的耐磨损性。其中，试样No.20以及试样No.21的立方晶氮化硼烧结体的(IA+IB+IC)/ID的值为0.05以下，耐磨损性非常优异。
在试样No.9的制造条件中，使用了通过使用催化剂的以往的方法制作的立方晶氮化硼粉末，相当于比较例。在试样No.9的烧结体中，立方晶氮化硼颗粒中的催化剂元素的含量为0.001质量％以上，相当于比较例。使用了该立方晶氮化硼烧结体的工具与实施例相比，后刀面磨损量较大，耐磨损性较差。据认为这是因为，存在于立方晶氮化硼颗粒中的催化剂元素在加工时的与被切削材料接触的接触点附近的压力以及温度条件下，促进从立方晶氮化硼向六方晶氮化硼的相变，在刃部区域导热系数降低而使耐热性变差。
如以上那样对本公开的实施方式以及实施例进行了说明，但从最初起也预定将上述的各实施方式以及实施例的构成适当组合或进行各种变形。
应当认为本次公开的实施方式以及实施例在所有方面都是示例，而不是限制性的。本发明的范围不是由上述的实施方式以及实施例表示，而是由权利要求书表示，意图包含与权利要求书等同的意思以及范围内的全部变更。

Claims (13)

1.一种立方晶氮化硼烧结体，其具备结合相和70体积％以上且98体积％以下的立方晶氮化硼颗粒，其中，
所述结合相包含选自由至少一种第一化合物以及源自所述第一化合物的固溶体组成的群组中的至少一种，所述第一化合物选自由钴化合物、铝化合物以及碳化钨组成的群组，所述钴化合物选自W2CoB6、W3Co3C、W2Co21B6，所述铝化合物选自AlB2、AlN和Al2O3，
所述立方晶氮化硼颗粒以数量基准计包含50％以上的当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒，并且，以数量基准计包含50％以下的当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒，
在将所述立方晶氮化硼颗粒的质量设为100质量％的情况下，所述立方晶氮化硼颗粒中的锂、镁、钙、锶、铍以及钡的合计含量小于0.001质量％。
2.根据权利要求1所述的立方晶氮化硼烧结体，其中，在所述立方晶氮化硼烧结体的X射线衍射光谱中，源自压缩型六方晶氮化硼的峰强度IA、源自六方晶氮化硼的峰强度IB、源自纤锌矿型氮化硼的峰强度IC以及源自立方晶氮化硼的峰强度ID显示出下述式I的关系，
(IA+IB+IC)/ID≤0.05式I。
3.根据权利要求1或2所述的立方晶氮化硼烧结体，其中，所述立方晶氮化硼烧结体具备结合相和80体积％以上且98体积％以下的立方晶氮化硼颗粒。
4.根据权利要求1或2所述的立方晶氮化硼烧结体，其中，所述立方晶氮化硼颗粒以数量基准计包含70％以上的当量圆直径超过0.5μm的立方晶氮化硼颗粒。
5.根据权利要求1或2所述的立方晶氮化硼烧结体，其中，所述立方晶氮化硼颗粒以数量基准计包含40％以下的当量圆直径超过2μm的立方晶氮化硼颗粒。
6.根据权利要求1或2所述的立方晶氮化硼烧结体，其中，结合相由99.9体积％以上的选自由第一化合物以及第一化合物的固溶体组成的群组中的一种以上、和余量构成。
7.一种切削工具，具备权利要求1至6中任一项所述的立方晶氮化硼烧结体。
8.一种耐磨工具，具备权利要求1至6中任一项所述的立方晶氮化硼烧结体。
9.一种磨削工具，具备权利要求1至6中任一项所述的立方晶氮化硼烧结体。
10.一种立方晶氮化硼烧结体的制造方法，其是权利要求1至6中任一项所述的立方晶氮化硼烧结体的制造方法，其中，
所述立方晶氮化硼烧结体的制造方法具备：
第一工序，在该第一工序中，将六方晶氮化硼粉末和结合材料粉末混合，得到混合粉末；以及
第二工序，在该第二工序中，将所述混合粉末升压升温至压力为8GPa以上且20GPa以下、且温度为2300℃以上且2500℃以下，在通过升压升温而达到的最高压力以及最高温度下保持30分钟以上且小于90分钟，由此进行烧结而得到立方晶氮化硼烧结体。
11.根据权利要求10所述的立方晶氮化硼烧结体的制造方法，其中，所述六方晶氮化硼粉末的粒径为0.1μm以上且10μm以下。
12.根据权利要求10所述的立方晶氮化硼烧结体的制造方法，其中，所述结合材料粉末的粒径为0.1μm以上且10μm以下。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的立方晶氮化硼烧结体的制造方法，其中，在所述第一工序中，将所述混合粉末以氮气中2050℃以上的条件、或者真空中1650℃以上的条件进行热处理。
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