JP2013519614A - 超硬要素、その使用方法及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2
Description
本発明の実施形態は、超硬要素(elements)、詳しくは、排他的ではないが、超合金材料を機械加工するための超硬要素、その製造方法及びその使用方法に関する。
第2の局面から見ると、cBN結晶粒などの超硬材料の結晶粒を含んでなるPCBNなどの超硬多相材料と、マトリックス内に分散したセラミック材料のウィスカーとを含んでなり、超硬結晶粒の含量が少なくとも約30質量パーセントである超硬要素の使用方法であって、超硬多相材料を含む工作機械を準備する工程と、この工作機械を用いて、超合金を含むワークピース体を機械加工する工程とを含む方法を提供することができる。
第3の局面から見ると、(超硬)PCBN要素の製造方法であって、cBNの結晶粒を、液体媒体中のマトリックス用構成材料を含有する結晶粒と混ぜ合わせてスラリーを形成する工程;このスラリーをせん断混合する工程;スラリーを乾燥させて顆粒を形成し、この顆粒を混ぜ合わせて圧粉体(green body)を形成し、この圧粉体を焼結させて焼結体を形成し、この焼結体を加工して工作機械用超硬要素を形成する工程を含む方法を提供することができる。
(図面の簡単な紹介)
工作機械用の材料及び超硬要素の非限定配置について添付図面を参照して説明する。
以下に、本明細書で使用する特定の用語について簡単に説明する。
本明細書では、超硬材料は約25GPaより大きいヴィッカース硬度を有する。多結晶性立方晶窒化ホウ素(PCBN)は、超硬材料の例である。
ウィスカーは、材料の細長いストランド、ファイバー又はフィラメントであり、その長さは実質的に幅より大きい。
PCBN材料は、金属又はセラミック材料を含むマトリックス内に分散した立方晶窒化ホウ素(cBN)の結晶粒を含む。例えば、PCBN材料は、チタン炭窒化物などのTi含有化合物並びに/或いは窒化アルミニウムなどのAl含有化合物、並びに/或いはCo及び/又はWなどの金属含有化合物を含んでなるバインダーマトリックス材料に分散した少なくとも約50又は60体積パーセントのcBN結晶粒を含み得る。PCBN材料のいくつかのバージョン(又は「グレード」)は、少なくとも約80体積パーセント又は少なくとも約85体積パーセントさえのcBN結晶粒を含み得る。
図1に概略を示すように、超硬多相材料10の実例ミクロ構造は、立方晶窒化ホウ素12の結晶粒と、炭化ケイ素などのセラミック材料のウィスカー14を含み、これらはマトリックス16内に分散しており、超硬結晶粒の含量はマトリックスの少なくとも約50質量パーセントであり、ウィスカー14の含量はマトリックスの最大約10質量パーセントである。例えば、ウィスカー14は、約5ミクロン〜約15ミクロンの範囲の平均長と、約0.5ミクロン〜約2ミクロン、又は約1ミクロン〜約2ミクロンの範囲の平均幅を有し得る。
例えば、超硬多相材料は、マトリックス内に分散した超硬材料の結晶粒と、セラミック材料のウィスカーとを含むことができ、超硬結晶粒の含量は、少なくとも約30質量パーセント、少なくとも約35質量パーセント又は少なくとも約50質量パーセントである。他の例では、超硬結晶粒の含量は少なくとも約60質量パーセント又は少なくとも約65質量パーセントである。いくつかの例では、超硬材料の結晶粒はcBNを含むか又はcBNから成り、超硬結晶粒の含量は最大約90質量パーセント、最大約85質量パーセント、又は最大約70質量パーセントである。いくつかの例では、マトリックスは、金属材料、超合金材料、セラミック材料又はサーメット材料を含む。
マトリックスは、チタン炭窒化物及び/又はクロムを含むことができる。他の例では、マトリックスは、PCT特許出願公開第WO2008/072180号及びWO2009/150601号に開示されたバインダー相材料の変形、又は炭素、マンガン、銅、リン、ホウ素、窒素及びスズから選択される1種以上の元素を含むことができる。
いくつかの例では、超硬多相材料は、Tiを含むマトリックス内に分散したcBNの結晶粒及びSiC材料の粒子を含み、超硬結晶粒の含量は、マトリックスの少なくとも50質量パーセントであり、SiCの含量は、マトリックスの最大約10質量パーセント、最大約8質量パーセント、最大約6質量パーセント又はマトリックス最大約5質量パーセントである。
超硬多相材料の製造方法例は、超硬材料の結晶粒をマトリックス用の前駆粉末にブレンドしてベース粉末を形成する工程;複数のセラミックウィスカーを有機バインダー及び溶媒と混ぜ合わせてスラリーを形成する工程;このスラリーをせん断混合する工程;ある量のベース粉末をスラリーに混ぜ合わせる工程;このスラリーを乾燥させて顆粒を作り出す工程;この顆粒を混ぜ合わせて圧粉体を形成し、この圧粉体を焼結させて焼結体を形成する工程を含む。この手法は、ウィスカーとマトリックスの間の優れた結合性をもたらすという局面を有し得る。
特定の超合金材料、詳しくは、非排他的であるが、InconelTMなどのNi-Cr基超合金材料を機械加工するために使用する場合、開示のPCBN材料は、驚くべき長期間の動作寿命をもたらすという局面を有する。動作寿命は、工業規模で商業的に実行可能である超合金の機械加工で超硬多相材料を使うためには十分に長い、ウィスカーの無い超硬多相材料の動作寿命より少なくとも20パーセント又は少なくとも50パーセントさえも長いことがある。開示のPCBN材料は、切削深さが最大約0.5mmであると見込まれる仕上げ作業に特に(排他的ではないが)有用であり得る。
さらなる非限定例をさらに詳細に後述する。
チタン炭窒化物とSiCウィスカーを含むマトリックス内に分散した約60質量パーセントのcBN結晶粒を含んでなるPCBN要素であって、SiCウィスカー含量がマトリックスの約5質量パーセントであるPCBN材料を以下のように調製した。
当技術分野で知られているように、TiN及びAlの粉末を一緒にブレンドし、前反応させてマトリックス用の前駆粉末を形成した。この前駆粉末を摩擦粉砕してから、この粉砕粉末にcBN結晶粒をブレンドしてベース粉末を得た。
水と、PEG(ポリエチレングリコール)バインダーと、懸濁を促す分散剤と、SiCウィスカーとを含むスラリーを調製し、このスラリーをせん断混合に供した。SiCウィスカーは、約10ミクロンの平均長及び約0.7ミクロンの平均幅を有した。次にベース粉末をスラリーに導入し、この混ぜ合わせた材料をさらにせん断混合に供した。混合材料のスラリーを造粒し、乾燥させて顆粒を形成した。顆粒をまとめて圧縮することによって圧粉体を形成し、この圧粉体をコバルト-硬結炭化タングステン基板上に組み立てて焼結前アセンブリを形成した。当技術分野で知られているように、この焼結前アセンブリを超高圧炉用カプセルにし、PCBN用の超高圧の高温焼結サイクルを用いて焼結して、硬結炭化物基板に一体的に結合したPCBN構造を含む超硬多相材料を形成した。
PCBNのミクロ構造を電子顕微鏡によって解析すると、ウィスカーがバインダーマトリックスとよく一体化していることが観察された。
3種の異なるセットの要素を用いて試験を3回繰り返した。対照要素の約4分及びDBC50(登録商標)要素の約2.5分に比し、実施例(すなわち、ウィスカー含有)のPCBNの平均工具寿命は約5.8分であった。
Claims (9)
- 工作機械用の超硬要素であって、セラミック材料のウィスカーを含有する多結晶性立方晶窒化ホウ素(PCBN)材料を含み、このPCBN材料は、前記ウィスカーを含有し、かつチタン含む化合物を含んでなるバインダーマトリックスに分散した少なくとも50体積パーセントの立方晶窒化ホウ素(cBN)材料を含んでなり;前記ウィスカーの含量は前記バインダーマトリックスの少なくとも1質量パーセントかつ最大6質量パーセントである、超硬要素。
- 前記バインダーマトリックスがセラミック材料又は超合金材料を含む、請求項1に記載の超硬要素。
- 前記ウィスカーが、炭化ケイ素、炭化チタン、チタン炭窒化物、窒化チタン、アルミナ又は炭化ハフニウムから選択されるセラミック材料を含む、請求項1又は2に記載の超硬要素。
- 前記ウィスカーが、5ミクロン〜15ミクロンの範囲の平均長及び0.5ミクロン〜2ミクロンの範囲の平均幅を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の超硬チップ。
- 前記バインダーマトリックスがチタン炭窒化物を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の超硬要素。
- 超合金材料を含む物体を機械加工するための請求項1〜5のいずれか1項に記載の超硬要素の使用方法。
- 前記物体が、Cr及びNiを含有する超合金材料を含む、請求項6に記載の方法。
- 最大0.5mmの切削深さを用いて前記物体を機械加工する、請求項6又は請求項7に記載の方法。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の超硬要素の製造方法であって、cBNの結晶粒を、液体媒体中のマトリックス用構成材料を含有する結晶粒と混ぜ合わせてスラリーを形成する工程;このスラリーをせん断混合する工程;前記スラリーを乾燥させて顆粒を形成し、この顆粒を混ぜ合わせて圧粉体を形成し、この圧粉体を焼結させて焼結体を形成し、この焼結体を加工して工作機械用の超硬要素を形成する工程を含む方法。
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