JP2017529309A - 立方晶窒化ホウ素複合材料、それを使用する方法、それを作製する方法およびそれを含むツール - Google Patents
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Abstract
Description
米国特許第5,288,297号は、60〜10体積パーセントの、主に窒化ケイ素および金属二ホウ化物の密な混合物を含む結合性マトリクスによって結合されている、40〜90体積パーセントのcBN結晶を含むcBN成形体であって、その金属がチタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)およびハフニウム(Hf)原子の群から選択されるcBN成形体を開示している。この窒化ケイ素および金属二ホウ化物はそれぞれ、cBN結晶と強力にかつコヒーレントに結合している少なくとも25体積パーセントの結合性マトリクスを含む。金属ケイ化物化合物をcBN結晶粒と結合する反応によるcBN成形体の生産方法が開示されている。
種々の複合材料が本開示によって想定されるが、その中で以下のものは、非限定的で非包括的な例である。
いくつかの例では、複合材料中のケイ化物相の含量は、複合材料のせいぜい約5質量パーセントであり得る。
いくつかの例では、金属はチタン(Ti)であってよい。微細構造は窒化チタン(TiN)を含み得るか、または微細構造は二ホウ化チタン(TiB2)を含む。いくつかの例では、ケイ化物は、化学式TixSiy(式中、xは0.9〜1.1であり、yは0.9〜1.1である(実質的にTiSi))を有するケイ化チタン材料を含むことができる。いくつかの例ではケイ化物は、化学式TixSiz(式中、xは0.9〜1.1であり、zは1.9〜2.1である(実質的にTiSi2、二ケイ化チタン))を有するケイ化チタン材料を含むことができる。金属ホウ化物材料は二ホウ化チタン(TiB2)を含むことができ、複合材料中の二ケイ化チタンと二ホウ化チタンの相対量は、ケイ化チタンの(311)X線回折(XRD)ピーク対二ホウ化チタンの(101)XRDピークの比が0.2〜1.1となるようなものであってよい。
いくつかの例では、その金属は、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)またはジルコニウム(Zr)であってよい。
いくつかの例では、微細構造は、cBN結晶粒の表面領域と結合したコーティング層の形態であってよい。
いくつかの例では、cBN結晶粒の含量は、複合材料の少なくとも約80または少なくとも約90体積パーセントであってよい。
いくつかの例では、cBN結晶粒は、0.1〜10μmの平均サイズを有する。より特定の例では、cBN結晶粒は0.1〜5μmの平均サイズを有することができる、またはcBN結晶粒は5〜20μm超の平均サイズを有することができる。それが1つまたは2つ以上のモードを有し得るかどうかなどの、cBN結晶粒の平均サイズおよび粒度分布の選択は、そこで複合材料を使用しようとする用途の種類に依存する可能性がある。
いくつかの例では、バインダーマトリクスは、窒化ケイ素(Si3N4)を含むことができる。
いくつかの例では、ケイ化物相の含量は、バインダーマトリクスの20〜60質量パーセントであってよい。
いくつかの例では、ワークピースは、ワークピースの少なくとも一部が切削ツールに対して咬合角度を提供し、咬合角度が30〜90°であるように構成されていてよい。
いくつかの例では、ワークピースは、鋼鉄、鋳鉄または超合金材料を含み得る。例えば、ワークピースは、鋼鉄および/またはねずみ鋳鉄(grey cast iron)材料を含み得る。
いくつかの例では、機械工作ツールは、支持本体と結合した複合材料を含み得る。
いくつかの例では、機械工作ツールは、割出し可能インサート(indexable insert、スローアウェイチップ)を含む。例えば、機械工作ツールは、ターニングまたはミリング操作において使用するために構成することができ、方法は、ターニングまたはミリング操作において機械工作ツールを使用するステップを含むことができる。いくつかの例では、ワークピースはブレーキディスクの製造に適している可能性があり、方法は、ワークピースを機械加工してブレーキディスクを作製することを含むことができる。
いくつかの例では、残留する金属ケイ化物相は、複合材料の2〜5質量パーセント、またはバインダーマトリクスの20〜50パーセントであり、化合物材料中に含まれるcBN以外の材料からなる残部である。
いくつかの例では、ケイ化物相前駆体中に含まれる金属はチタン(Ti)であってよい。いくつかの例では、ケイ化物は、化学式TixSiy(式中、xは0.9〜1.1であり、yは0.9〜1.1である(実質的にTiSi))を有するケイ化チタン材料を含むことができる。いくつかの例では、ケイ化物は、化学式TixSiz(式中、xは0.9〜1.1であり、zは1.9〜2.1である(実質的にTiSi2、二ケイ化チタン))を有するケイ化チタン材料を含むことができる。
いくつかの例では、ケイ化物相は、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)またはジルコニウム(Zr)を含むことができる。
いくつかの例では、方法は、元素形態の金属とSiを、金属とSiが互い反応できるように一緒にして、反応前の組合せを形成させるステップと;金属がSiと反応してケイ化物相を含む反応した材料を形成するように反応前の組合せを処理するステップと;反応した材料を粉砕してケイ化物相の複数の結晶粒をもたらすステップとによって、ケイ化物相前駆体を生産することを含むことができる。方法は、摩擦ミリングによって、反応した材料を粉砕するステップを含むことができる。
複合材料および機械工作ツールの非限定的な例を、添付の図面を参照して説明することとする。
ケイ素(Si)およびチタン(Ti)を含む混合物または合金は、2Ti+3Siなどの適切な比でTi粉末とSi粉末を一緒にブレンドし、例えば真空下、高温で、ブレンドされた粉末を処理することによって作製することができる。反応生成物は、互いに組み合わせて作製することができる、化合物TiSi、TiSi2またはTi5Si3の1つもしくは複数の、1つもしくは複数のケイ化チタン合金または金属間相を含むことができる。SiおよびTi粉末を密にブレンドし、約1,000〜約1,200℃の温度での熱処理のために、排気されている石英管または金属ケースに入れた真空炉(例えばモリブデン合金内壁の真空炉)中に密封することができる。例えば、ブレンドされた粉末を、約1,100℃の温度で約15〜30分間、真空下で熱処理することができる。ブレンドされたTiおよびSi粉末が、一緒にブレンドされ、1,000℃の温度で2時間の真空熱処理にかけられる実験において、X線回折(XRD)分析によって、反応生成物材料中にいくらかの残留未反応Siが明らかに存在するが、熱処理を1,100℃で2時間実施した場合には未反応Siが存在する証拠はないことが分かった。
特定の例示のcBN成形体は、少なくとも50または少なくとも52HRCの硬度(ロックウェルCスケールでの硬度)を有する焼入れ鋼鉄および/またはねずみ鋳鉄などの鋳鉄のターニングまたはミリングなどの強断続機械加工操作における使用のために特に効果的であるようである。
非限定的で非包括的な例を、ここでより詳細に説明することとする。
以下で説明するような2種類の断続機械加工試験を実行するために、同じ焼結されたディスクから切り出された例示のcBN複合材料を含む6対の試験機械ツールを作製した。参照cBN複合材料を含む1対の参照ツールも作製し試験した。例示の切削ツールはすべて、同じ構造を有し、名目上同じcBN複合材料を含んだ。これは、90体積パーセントのcBN結晶粒、TiN、TiB2、Si3N4ならびにケイ化チタン金属間相TiSiおよびTiSi2を含んだ。
例示のcBN複合材料は以下の通り作製した。TiとSi粉末を、3Tiと2Siのモル比で一緒にブレンドし、10-3〜10-6ミリバール(mbar)に減圧した真空炉中で、約1,100℃の熱処理にかけた。反応生成物は、少なくともTiSiおよびTiSi2を、比較的大きなピースの形態で含み、これを粉砕し、約212μmまでのふるいにかけ、次いで、ヘキサン中、4時間の摩擦ミリングによって粉砕して約1.5〜2.5μmの平均結晶粒サイズを有する十分にブレンドされた粉末を得た。摩擦ミリングされた粉末を回収し、ロータリーエバポレーターで乾燥し、次いで、オーブン中、60℃で終夜さらに乾燥した。
種々の例について表4に示すように、微細なケイ化チタン粉末を、90質量パーセントの2〜20μmの平均サイズを有するcBN結晶粒とブレンドした。例1〜6について、粉末をブレンドするために種々の方法を使用した。例1、2および6では、cBNおよびTi−Si反応生成物粉末をヘキサン中での超音波処理によってブレンドし;例4では、(Turbula(商標))振動型混合機および鋼球によってブレンドし;例5では、プラネタリーボールミキサーによってブレンドした。
cBNおよびケイ化チタン結晶粒を含むブレンドされた原料粉末を圧縮して、複数のディスクを形成させた。圧縮されたディスクを、超高圧炉(超高圧プレスと称することもできる)用の反応カプセル内に封入し、約6.8GPaの超高圧および約1,450℃の温度に約10分間かけてcBN複合材料からなる焼結されたディスクを得た(例3を焼結させるためにはやや低い温度を用いた)。ディスクを細かく切断してカッターエレメント前駆体本体を形成させ、次いで、これを、ダイヤモンド研削によってさらに処理して、6つの例示の切削ツールのための6つのカッターエレメントを得た。
例示のcBN複合材料を含む例示的なターニングツールを作製した。焼結されたcBN複合材ディスクを、それぞれが3.2mmの厚さを有する寸法10×10mmをもつピースにカットした。ツール切削エッジを、25°の食付き角(chamfer angle)、20μmのエッジホーンおよび−6°のレーキ角を形成させることによって調製した。このツールを、K30ねずみ鋳鉄の鋳鉄試験(ブレーキディスク機械加工と同様)およびいわゆるH30「O1クロック試験」で試験した。
約30〜50μmの平均結晶粒サイズならびにそれぞれ99.5および99パーセントの純度を有するチタン(Ti)およびケイ素(Si)粉末を、モル比2Ti+3Si(53パーセントTiおよび47パーセントSiの質量比)で、鋼球の助けを得て振動型混合機によって1時間混合した。混合された粉末を真空下、1,100℃で2時間熱処理にかけ、Ti−Si反応生成物材料を4時間摩擦ミリングにかけた。Ti−Si反応生成物材料のX線回折(XRD)分析により、酸素の平均含量が約8質量パーセント(±約5質量パーセント)であることが示された。
65、80および90体積パーセントを含む例示のcBN複合材料を、例15を焼結させるための用いた温度が、他の例のために使用した温度より約100〜200℃低いと推定されたこと以外は、実質的に例1〜6に関して説明したような方法を使用して作製した。
本明細書で使用する、機械工作ツールは、ワークピースからの材料の選択的除去によって部品を製造する(機械加工と称することができる工程)ために使用し得る動力付き機械的デバイスである。物品の製造において機械加工されることになる本体は、ワークピース材料と称することができ、一般に、金属、合金、複合材料、木材、炭素繊維強化ポリマーを含むポリマーを含むことができる。切削ツールは、その上に、ワークピースからのチップがある表面または表面(複数)であるすくい面を有することができ、このすくい面は、新たに形成されたチップの流れを方向づける。「チップ」は、使用している機械工作ツールによって本体のワーク表面から除かれる本体のピースである。カッターインサートのフランクは、カッターインサートによって本体上に作られる機械加工された表面上を通る表面である。フランクは、本体からのクリアランスを提供することができ、2つ以上のフランク面を含むことができる。切削エッジは、本体の切削を実行しようとするすくい面のエッジである。
本明細書で使用する、「荒削り(roughing)」は、大きい切削深さおよび送り速度を用いることによって、ワークピース材料が比較的高い速度で除かれる攻撃的な形態の機械加工を指す。これは、そこで、対象物が高い許容範囲の仕上げをもたらすことになり、切削深さおよび送り速度がより小さくなる「仕上げ(finishing)」とは区別される。荒削り操作では、ツールの切削エッジ上の負荷は、仕上げ操作でのそれよりずっと大きく、したがって、切削エッジは、荒削り操作において、特にレーキ角が正である場合、ずっと強い必要性がある。これは、困難または極めて困難なものになるが、比較的脆性の材料は一般に、特定の機械加工が困難なワークピース材料、例えばチタン合金を荒削りするのに適していない。例えば、PCD、PCBNまたは高度なセラミックは、これらの材料の高い耐摩耗性にもかかわらず、機械加工が困難な材料の荒い削りの機械加工のためには一般に使用されない。
PCBN材料などのcBN複合材料を含む切削ツールは、3つの広範な鉄材料のグループ、すなわち、焼入れ鋼鉄(「ハードターニング」)、比較的柔らかいマトリクス中にハード結晶粒を含む焼結粉末金属ならびにねずみ鋳鉄およびハード鋳鉄を機械加工するのに使用することができる。例示の種類の焼入れ鋼鉄は、少なくとも50HRCまたは少なくとも52HRCのロックウェル「C」硬度を有することができる。
切削ツールの動きは、種々のパラメーターに関して特徴づけることができる。例えば、いわゆる「OD」(外径)機械加工において、ツールは、回転するワークピースの側部に沿って長手方向に、一方の端部から離れて反対側の端部に向かってフィードされることになり;「面ターニング」では、切削されているワークピースの直径が小さくなるのにしたがって、ツールは半径方向に内側に向くことになる。
連続した咬合長さは、距離の単位で、またはワークピースの径方向断面を囲む円の外周のパーセンテージとして、スポーク形成物の最も外側の部分の弧の長さを指す。これを、切削ツールがそれにわたってスポーク形成物と係合している時間に関して表すこともできる。連続した咬合長さは、距離、時間の単位で、または全回転のパーセンテージとして表される、個々のスポーク形成物についての長さ、またはすべてのスポークを一緒にした長さを指すこともできる。
超硬質材料は極めて硬いが、それらは一般に、超硬合金材料より強さおよび頑丈さが劣り、結果として、それらは破砕およびチップ化をより受けやすい。超硬合金切削ツールは、PCDおよびPCBNが摩耗に対して著しく耐性があるという事実にもかかわらず、それらのより高い強靱性およびチップ耐性に起因して、PCDおよびPCBNツールより良好なツール寿命をもたらすことができる。例えば、標準的な教科書は、可能である場合、チタン合金の荒い機械加工または荒削りのためには、負のレーキ角を有する炭化物ツールを使用すべきであると指示している。超硬合金ツールではなくPCBNツールを使用する利点は、PCBN材料の優れた耐火性の「高温硬度」に起因しており、これは、その速度が1分当たり少なくとも150メートル(m/min)であり、切削ツールとワークピースの接触面で比較的高い温度が発生することになる、より高速の切削操作において特に有利であるようである。
本明細書で使用する、金属が具体的に言及されている金属ケイ化物または金属ホウ化物という語句は、一般に、1つまたは複数の金属原子、および1つもしくは複数のケイ素またはホウ素原子をそれぞれ含む化合物を指すことになる。例えば、別段の記述のない限り、金属ケイ化物相は、対応するケイ化物および/または二ケイ化物化合物および/または3つ以上のケイ素原子を含む化合物を含むことができる。特に、ケイ化チタンは一般にTiSiおよびTiSi2を含み、ホウ化チタンはTiB2を含むことになる。しかし、具体的な化合物を挙げることができ、これらは、一般に、別段の記述のない限り、化学量論的、サブおよびスーパー化学量論的形態の化合物を指すことになる。
本明細書で使用する、金属が具体的に言及されている金属ケイ化物または金属ホウ化物という語句は、一般に、1つまたは複数の金属原子、および1つもしくは複数のケイ素またはホウ素原子をそれぞれ含む化合物を指すことになる。例えば、別段の記述のない限り、金属ケイ化物相は、対応するケイ化物および/または二ケイ化物化合物および/または3つ以上のケイ素原子を含む化合物を含むことができる。特に、ケイ化チタンは一般にTiSiおよびTiSi2を含み、ホウ化チタンはTiB2を含むことになる。しかし、具体的な化合物を挙げることができ、これらは、一般に、別段の記述のない限り、化学量論的、サブおよびスーパー化学量論的形態の化合物を指すことになる。
本発明のまた別の態様は、以下のとおりであってもよい。
〔1〕バインダーマトリクス中に分散された少なくとも65体積パーセントの立方晶窒化ホウ素(cBN)結晶粒からなる複合材料であって、
バインダーマトリクスが、
cBN結晶粒と結合した複数の微細構造、および
cBN結晶粒間の複数の中間区域
を含み;
微細構造が金属の窒化物またはホウ素化合物を含み;
中間区域がケイ素と化学的に結合した金属を含むケイ化物相を含み;
ケイ化物相の含量が複合材料の2〜6質量パーセントであり;
cBN結晶粒が0.2〜20μmの平均サイズを有する
複合材料。
〔2〕ケイ化物相がセラミック相または金属間相である、前記〔1〕に記載の複合材料。
〔3〕金属がチタン(Ti)である、前記〔1〕または〔2〕に記載の複合材料。
〔4〕微細構造が窒化チタン(TiN)を含む、前記〔3〕に記載の複合材料。
〔5〕微細構造が二ホウ化チタン(TiB 2 )を含む、前記〔3〕または〔4〕に記載の複合材料。
〔6〕ケイ化物が、化学式Ti x Si y (式中、xは0.9〜1.1であり、yは0.9〜1.1である(実質的にTiSi))を有するケイ化チタン材料を含む、前記〔3〕から〔5〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔7〕ケイ化物が、化学式Ti x Si z (式中、xは0.9〜1.1であり、zは1.9〜2.1である(実質的にTiSi 2 、二ケイ化チタン))を有するケイ化チタン材料を含む、前記〔3〕から〔6〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔8〕金属ホウ化物材料が二ホウ化チタン(TiB 2 )を含み、複合材料中の二ケイ化チタンと二ホウ化チタンの相対量が、ケイ化チタンの(311)X線回折(XRD)ピーク対二ホウ化チタンの(101)XRDピークの比が0.2〜1.1となるようなものである、前記〔7〕に記載の複合材料。
〔9〕金属が、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)またはジルコニウム(Zr)である、前記〔1〕または〔2〕に記載の複合材料。
〔10〕ケイ化物相が、微細構造によって、cBN結晶粒から間隔をおいて隔てられている、前記〔1〕から〔9〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔11〕微細構造が、cBN結晶粒の表面領域と結合したコーティング層の形態である、前記〔1〕から〔10〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔12〕cBN結晶粒の含量が、複合材料の少なくとも80体積パーセントである、前記〔1〕から〔11〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔13〕cBN結晶粒の含量が、複合材料の少なくとも90体積パーセントである、前記〔1〕から〔12〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔14〕cBN結晶粒が、0.1〜10μmの平均サイズを有する、前記〔1〕から〔13〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔15〕複合材料の表面上でみたcBN結晶粒の面積分布が、少なくとも2つのモードを有する、前記〔1〕から〔14〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔16〕バインダーマトリクスが窒化ケイ素(Si 3 N 4 )を含む、前記〔1〕から〔15〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔17〕ケイ化物相の含量が、バインダーマトリクスの20〜60質量パーセントである、前記〔1〕から〔16〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔18〕前記〔1〕から〔17〕までのいずれかに記載の複合材料を使用する方法であって、
複合材料を含む切削エッジを含む機械工作ツールを用意するステップと;
断続モードで鉄材料を含むワークピースを機械加工するために機械工作ツールを使用するステップであって、
ワークピースが、連続した咬合長さが、機械加工操作の間の切削エッジとワークピースの表面の間を横断する距離の30〜50パーセントとなるように構成されているステップと
を含む方法。
〔19〕ワークピースが、ワークピースの少なくとも一部が切削ツールに対して咬合角度を提供し、咬合角度が30〜90°であるように構成されている、前記〔18〕に記載の方法。
〔20〕ワークピースが、ロックウェル「C」硬度スケール(HRC)で少なくとも50の硬度を有する材料を含む、前記〔18〕または〔19〕に記載の方法。
〔21〕ワークピースが、鋼鉄、鋳鉄または超合金材料を含む、前記〔18〕から〔20〕までのいずれかに記載の方法。
〔22〕ワークピースが鋼鉄を含む、前記〔18〕から〔21〕までのいずれかに記載の方法。
〔23〕ワークピースがねずみ鋳鉄材料を含む、前記〔18〕から〔22〕までのいずれかに記載の方法。
〔24〕機械工作ツールが、支持本体と連結された複合材料を含む、前記〔18〕から〔23〕までのいずれかに記載の方法。
〔25〕機械工作ツールがスローアウェイチップを含む、前記〔18〕から〔24〕までのいずれかに記載の方法。
〔26〕機械工作ツールがターニングまたはミリング操作で使用するように構成されており、方法がターニングまたはミリング操作において機械工作ツールを使用するステップを含む、前記〔18〕から〔25〕までのいずれかに記載の方法。
〔27〕ワークピースがブレーキディスクの製造に適しており、方法がワークピースを機械加工してブレーキディスクを作製するステップを含む、前記〔18〕から〔26〕までのいずれかに記載の方法。
〔28〕前記〔1〕から〔17〕までのいずれかに記載の複合材料を含む物品を作製する方法であって、
ケイ化物相前駆体を複数のcBN結晶粒と一緒にして原料組合せを用意するステップであって、ケイ化物相前駆体が、金属がcBN結晶粒と反応して窒化物またはホウ化物反応生成物を生成できるように選択され;
原料組合せ中のcBN結晶粒の含量が、複合材料中のcBN結晶粒の含量が複合材料の少なくとも65体積パーセントとなるようなものであるステップと;
原料組合せを、cBNが熱力学的に安定な相である圧力に、ケイ化物相前駆体中に含まれる金属の一部がcBN結晶粒と反応してcBN結晶粒と反応的に結合した複数の微細構造を形成するのに十分に高い温度および十分な期間かけるステップであって;残留する金属ケイ化物相が、複合材料の2〜6質量パーセント、またはバインダーマトリクスの20〜60パーセントであり、化合物材料中に含まれるcBN以外の材料からなる残部であるステップと
を含む方法。
〔29〕ケイ化物相前駆体が粉末形態であり、ケイ化物相粉末の結晶粒の平均結晶粒サイズが0.1〜5μmである、前記〔28〕に記載の方法。
〔30〕ケイ化物相前駆体中に含まれる金属がチタン(Ti)である、前記〔28〕または〔29〕に記載の方法。
〔31〕ケイ化物前駆体が、化学式Ti x Si y (式中、xは0.9〜1.1であり、yは0.9〜1.1である(実質的にTiSi))を有するケイ化チタン材料を含む、前記〔30〕に記載の方法。
〔32〕ケイ化物前駆体が、化学式Ti x Si z (式中、xは0.9〜1.1であり、zは1.9〜2.1である(実質的にTiSi 2 、二ケイ化チタン))を有するケイ化チタン材料を含む、前記〔30〕または〔31〕に記載の方法。
〔33〕ケイ化物相前駆体中に含まれる金属が、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)またはジルコニウム(Zr)のいずれかを含む、前記〔28〕または〔29〕に記載の方法。
〔34〕元素形態の金属とSiを、金属とSiが互いに反応できるように一緒にして、反応前の組合せを形成させるステップと;
金属がSiと反応してケイ化物相を含む反応した材料を形成するように反応前の組合せを処理するステップと;
反応した材料を粉砕してケイ化物相の複数の結晶粒をもたらすステップとによって、ケイ化物相を生産することを含む、前記〔28〕から〔33〕までのいずれかに記載の方法。
〔35〕摩擦ミリングによって、反応した材料を粉砕するステップを含む、前記〔34〕に記載の方法。
〔36〕断続モードで鉄ワークピースを機械加工するのに適した機械工作ツールであって、前記〔1〕から〔17〕までのいずれかに記載の複合材料を含み、切削エッジ、すくい面およびフランク面が複合材料を含む機械工作ツール。
〔37〕ワークピースをターニングまたはミリングするための、前記〔36〕に記載の機械工作ツール。
Claims (37)
- バインダーマトリクス中に分散された少なくとも65体積パーセントの立方晶窒化ホウ素(cBN)結晶粒からなる複合材料であって、
バインダーマトリクスが、
cBN結晶粒と結合した複数の微細構造、および
cBN結晶粒間の複数の中間区域
を含み;
微細構造が金属の窒化物またはホウ素化合物を含み;
中間区域がケイ素と化学的に結合した金属を含むケイ化物相を含み;
ケイ化物相の含量が複合材料の2〜6質量パーセントであり;
cBN結晶粒が0.2〜20μmの平均サイズを有する
複合材料。 - ケイ化物相がセラミック相または金属間相である、請求項1に記載の複合材料。
- 金属がチタン(Ti)である、請求項1または2に記載の複合材料。
- 微細構造が窒化チタン(TiN)を含む、請求項3に記載の複合材料。
- 微細構造が二ホウ化チタン(TiB2)を含む、請求項3または4に記載の複合材料。
- ケイ化物が、化学式TixSiy(式中、xは0.9〜1.1であり、yは0.9〜1.1である(実質的にTiSi))を有するケイ化チタン材料を含む、請求項3から5までのいずれかに記載の複合材料。
- ケイ化物が、化学式TixSiz(式中、xは0.9〜1.1であり、zは1.9〜2.1である(実質的にTiSi2、二ケイ化チタン))を有するケイ化チタン材料を含む、請求項3から6までのいずれかに記載の複合材料。
- 金属ホウ化物材料が二ホウ化チタン(TiB2)を含み、複合材料中の二ケイ化チタンと二ホウ化チタンの相対量が、ケイ化チタンの(311)X線回折(XRD)ピーク対二ホウ化チタンの(101)XRDピークの比が0.2〜1.1となるようなものである、請求項7に記載の複合材料。
- 金属が、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)またはジルコニウム(Zr)である、請求項1または2に記載の複合材料。
- ケイ化物相が、微細構造によって、cBN結晶粒から間隔をおいて隔てられている、請求項1から9までのいずれかに記載の複合材料。
- 微細構造が、cBN結晶粒の表面領域と結合したコーティング層の形態である、請求項1から10までのいずれかに記載の複合材料。
- cBN結晶粒の含量が、複合材料の少なくとも80体積パーセントである、請求項1から11までのいずれかに記載の複合材料。
- cBN結晶粒の含量が、複合材料の少なくとも90体積パーセントである、請求項1から12までのいずれかに記載の複合材料。
- cBN結晶粒が、0.1〜10μmの平均サイズを有する、請求項1から13までのいずれかに記載の複合材料。
- 複合材料の表面上でみたcBN結晶粒の面積分布が、少なくとも2つのモードを有する、請求項1から14までのいずれかに記載の複合材料。
- バインダーマトリクスが窒化ケイ素(Si3N4)を含む、請求項1から15までのいずれかに記載の複合材料。
- ケイ化物相の含量が、バインダーマトリクスの20〜60質量パーセントである、請求項1から16までのいずれかに記載の複合材料。
- 請求項1から17までのいずれかに記載の複合材料を使用する方法であって、
複合材料を含む切削エッジを含む機械工作ツールを用意するステップと;
断続モードで鉄材料を含むワークピースを機械加工するために機械工作ツールを使用するステップであって、
ワークピースが、連続した咬合長さが、機械加工操作の間の切削エッジとワークピースの表面の間を横断する距離の30〜50パーセントとなるように構成されているステップと
を含む方法。 - ワークピースが、ワークピースの少なくとも一部が切削ツールに対して咬合角度を提供し、咬合角度が30〜90°であるように構成されている、請求項18に記載の方法。
- ワークピースが、ロックウェル「C」硬度スケール(HRC)で少なくとも50の硬度を有する材料を含む、請求項18または19に記載の方法。
- ワークピースが、鋼鉄、鋳鉄または超合金材料を含む、請求項18から20までのいずれかに記載の方法。
- ワークピースが鋼鉄を含む、請求項18から21までのいずれかに記載の方法。
- ワークピースがねずみ鋳鉄材料を含む、請求項18から22までのいずれかに記載の方法。
- 機械工作ツールが、支持本体と連結された複合材料を含む、請求項18から23までのいずれかに記載の方法。
- 機械工作ツールが割出し可能インサートを含む、請求項18から24までのいずれかに記載の方法。
- 機械工作ツールがターニングまたはミリング操作で使用するように構成されており、方法がターニングまたはミリング操作において機械工作ツールを使用するステップを含む、請求項18から25までのいずれかに記載の方法。
- ワークピースがブレーキディスクの製造に適しており、方法がワークピースを機械加工してブレーキディスクを作製するステップを含む、請求項18から26までのいずれかに記載の方法。
- 請求項1から17までのいずれかに記載の複合材料を含む物品を作製する方法であって、
ケイ化物相前駆体を複数のcBN結晶粒と一緒にして原料組合せを用意するステップであって、ケイ化物相前駆体が、金属がcBN結晶粒と反応して窒化物またはホウ化物反応生成物を生成できるように選択され;
原料組合せ中のcBN結晶粒の含量が、複合材料中のcBN結晶粒の含量が複合材料の少なくとも65体積パーセントとなるようなものであるステップと;
原料組合せを、cBNが熱力学的に安定な相である圧力に、ケイ化物相前駆体中に含まれる金属の一部がcBN結晶粒と反応してcBN結晶粒と反応的に結合した複数の微細構造を形成するのに十分に高い温度および十分な期間かけるステップであって;残留する金属ケイ化物相が、複合材料の2〜6質量パーセント、またはバインダーマトリクスの20〜60パーセントであり、化合物材料中に含まれるcBN以外の材料からなる残部であるステップと
を含む方法。 - ケイ化物相前駆体が粉末形態であり、ケイ化物相粉末の結晶粒の平均結晶粒サイズが0.1〜5μmである、請求項28に記載の方法。
- ケイ化物相前駆体中に含まれる金属がチタン(Ti)である、請求項28または29に記載の方法。
- ケイ化物前駆体が、化学式TixSiy(式中、xは0.9〜1.1であり、yは0.9〜1.1である(実質的にTiSi))を有するケイ化チタン材料を含む、請求項30に記載の方法。
- ケイ化物前駆体が、化学式TixSiz(式中、xは0.9〜1.1であり、zは1.9〜2.1である(実質的にTiSi2、二ケイ化チタン))を有するケイ化チタン材料を含む、請求項30または31に記載の方法。
- ケイ化物相前駆体中に含まれる金属が、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)またはジルコニウム(Zr)のいずれかを含む、請求項28または29に記載の方法。
- 元素形態の金属とSiを、金属とSiが互いに反応できるように一緒にして、反応前の組合せを形成させるステップと;
金属がSiと反応してケイ化物相を含む反応した材料を形成するように反応前の組合せを処理するステップと;
反応した材料を粉砕してケイ化物相の複数の結晶粒をもたらすステップとによって、ケイ化物相を生産することを含む、請求項28から33までのいずれかに記載の方法。 - 摩擦ミリングによって、反応した材料を粉砕するステップを含む、請求項34に記載の方法。
- 断続モードで鉄ワークピースを機械加工するのに適した機械工作ツールであって、請求項1から17までのいずれかに記載の複合材料を含み、切削エッジ、すくい面およびフランク面が複合材料を含む機械工作ツール。
- ワークピースをターニングまたはミリングするための、請求項36に記載の機械工作ツール。
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