JP2019172477A - 立方晶窒化硼素基焼結体および立方晶窒化硼素基焼結体を基体とする切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】ｃＢＮ焼結体の靱性を向上させることにより、すぐれた耐欠損性、耐摩耗性を有するｃＢＮ工具を提供する。【解決手段】ｃＢＮ粒子と結合相とを含むｃＢＮ焼結体において、該焼結体は、平均粒径０．５〜５．０μｍのｃＢＮ粒子を５０〜７０体積％含み、前記結合相は、少なくとも平均粒径０．１０〜０．５０μｍのＴｉＣ相と平均粒径０．０２〜０．２０μｍのＡｌ２Ｏ３相を含み、前記結合相中のＴｉ含有量は２０．０〜３０．０質量％、Ａｌ含有量は２．０〜２．５質量％であり、かつ、結合相中の遊離Ｔｉは４．０質量％以上１０．０質量％以下である靱性にすぐれたｃＢＮ焼結体とこれからなるすぐれた耐欠損性、耐摩耗性を有するｃＢＮ工具。【選択図】図１

Description

本願発明は、立方晶窒化硼素（以下、「ｃＢＮ」という）を主成分として、これを超高圧、高温下にて焼結成形してなる靱性にすぐれたｃＢＮ基焼結体（以下、「ｃＢＮ焼結体」という）及びこれを基体とする切削工具に関し、特に、鋳鉄等の切削加工において、すぐれた耐欠損性と耐摩耗性を示し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するｃＢＮ焼結体製切削工具（以下、「ｃＢＮ工具」という）に関する。

ｃＢＮ焼結体は、すぐれた硬さ、熱安定性、熱伝導性等を有することから、これを工具基体としたｃＢＮ工具が広く知られているが、例えば、耐欠損性、耐摩耗性等の切削性能の改善、工具寿命の延命化を目的として、従来から種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、 立方晶窒化硼素と結合材とを含む複合焼結体であって、立方晶窒化硼素は、複合焼結体中に２５体積％以上８０体積％以下含まれ、前記結合材は、Ｔｉ系化合物群（具体的には、ＴｉＮ、ＴｉＢ_２、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ）を含み、前記Ｔｉ系化合物群は、互いに異なった平均粒径を有する２種以上の粒子成分から構成され、さらに、前記Ｔｉ系化合物群は、主にＴｉＣ_ｘＮ_ｙ（０≦ｘ≦０．９０、０≦ｙ≦０．９０、ｘ＋ｙ≦０．９０）で構成され、前記第１成分を構成する原子数の比（Ｃ＋Ｎ）／ＴｉをＸ１、前記第２成分を構成する原子数の比（Ｃ＋Ｎ）／ＴｉをＸ２としたときに、Ｘ１／Ｘ２≦０．９５またはＸ２／Ｘ１≦０．９５とした複合焼結体が提案されており、この複合焼結体によれば、Ｔｉ系化合物群が、互いに異なった平均粒径を有する２種以上の粒子成分から構成されていることによって、また、Ｘ１／Ｘ２≦０．９５またはＸ２／Ｘ１≦０．９５とすることによって、焼き入れ鋼の切削において、耐衝撃チッピング性と耐クレーター摩耗性との両者が向上するとされている。

特許文献２には、立方晶窒化硼素焼結体工具であって、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、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１種以上の第２化合物とを含み、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、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が提案されており、この工具によれば、Ｎｉ超耐熱合金、Ｆｅ焼結合金、ステンレス鋼等の切削加工において、熱伝導率の低下と硬度の向上の両立により、耐摩耗性および耐欠損性に優れるとされている。

特許文献３には、ｃＢＮ粒子と結合相とＴｉＢ_２相とＷＢ相を含有するｃＢＮ工具、表面被覆ｃＢＮ工具において、ｃＢＮ粒子の平均粒径は０．５〜３．５μｍ、含有量は４０〜７５容量％であり、結合相中には、平均粒径が５０〜５００ｎｍの微細なＴｉＢ_２相とＷＢ相が分散分布しており、さらに、焼結体中のＴｉＢ_２相とＷＢ相の生成量合計は、結合相中の５〜１５容量％であり、その結合相中の１５〜３５容量％がＡｌの窒化物、酸化物の少なくとも１種以上であって、それ以外がＴｉの窒化物、炭化物、硼化物、又は炭窒化物の少なくとも１種以上と不可避の不純物であり、かつ、０．５≦（ＷＢ相の生成量）／（ＴｉＢ_２相の生成量）≦１．０なる関係を満足するｃＢＮ工具、表面被覆ｃＢＮ工具が提案されており、この工具によれば、ｃＢＮ焼結体の結合相におけるＴｉＢ_２相、ＷＢ相の平均粒径、生成量、生成比率が上記の如く規定されていることによって、靭性にすぐれ、高硬度鋼の高速切削加工においてもすぐれた耐欠損性を示し、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を発揮するとされている。

また、特許文献４には、ｃＢＮ粒子と結合相とＴｉＢ_２相を含有するｃＢＮ焼結体、また、これを基体とする切削工具、被覆切削工具において、ｃＢＮ粒子の平均粒径は０．５〜３．５μｍ、含有量は４０〜７５ｖｏｌ％であり、結合相中には、平均粒径が５０〜５００ｎｍの微細なＴｉＢ_２相が分散分布しており、さらに、焼結体中のＴｉＢ_２相の生成量をＹ（ｖｏｌ％）、ｃＢＮ粒子の含有量をＸ（ｖｏｌ％）としたとき、ＸとＹは、（−０．０５Ｘ＋４．５）≦Ｙ≦（−０．２Ｘ＋１８）なる関係を満足し、かつ、焼結体中で、ｃＢＮ粒子に接していないＴｉＢ_２相の含有割合は、焼結体に含有される全ＴｉＢ_２相の１５〜６５ｖｏｌ％を占めるｃＢＮ焼結体、これを基体とする切削工具、被覆切削工具が提案され、このｃＢＮ焼結体では、特に、ＴｉＢ_２相の分散による結合相の靭性の向上、さらに、微細な分散相の存在による他の結合相成分（例えば、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ等）の粒成長抑制が図られるため、靭性が向上し、その結果、浸炭焼き入れ鋼等用の切削工具として供した場合には、耐欠損性、耐摩耗性が向上するとされている。

特開２０１１−２０７６８８号公報 特開２０１４−１４４５３３号公報 特開２０１４−８３６６４号公報 特開２０１３−１７６８１５号公報

前記特許文献１〜４で提案されているｃＢＮ焼結体、ｃＢＮ工具は、いずれも、ｃＢＮ焼結体を構成する成分、粒径等を調整することによってｃＢＮ焼結体の靱性向上を目的としており、さらに、これを工具として用いた際の耐欠損性、耐チッピング性、耐摩耗性の改善を図るものであるが、これらの切削工具は、例えば、難削材である鋳鉄等の高速切削に用いた場合には、耐欠損性、耐チッピング性が十分であるとはいえず、そのため、工具寿命は短命となっている。
これは、高熱発生を伴う鋳鉄等の高速切削においては、切削開始初期の段階では特に問題を生じないものの、切削の進行につれ刃先が高温になるため、ｃＢＮ焼結体を構成する結合相粒子の粒成長が生じ、粒子の粗大化によって靱性が低下するため、欠損、チッピングを生じやすくなり、加えて、刃先には高負荷が作用するため、より一段と、刃先の欠損、チッピングが生じやすくなるためである。
そこで、ｃＢＮ焼結体の結合相を構成する粒子の粗大化を抑制し、高靱性を維持するとともに、これによって、切削加工時のｃＢＮ工具の耐欠損性、耐チッピング性を向上させることが望まれる。

本発明者らは、前記課題を解決するため、ｃＢＮ工具を構成するｃＢＮ焼結体の結合相に着目し、鋭意研究したところ、次のような知見を得た。

ｃＢＮ焼結体は、通常、ｃＢＮ粒子からなる硬質相とＴｉ化合物、Ａｌ化合物等の結合相からなるが、結合相を構成する成分、含有量等が結合相粒子の粗大化に及ぼす影響について詳細に検討したところ、ｃＢＮ焼結体の結合相中において、化合物を形成していないフリーの金属Ｔｉ（以下、「遊離Ｔｉ」という）の存在とその含有量が、結合相粒子の粒成長・粗大化に大きな影響を与えること、また、遊離Ｔｉ量をコントロールすることによって、結合相粒子の粒成長・粗大化を抑制し得ることを見出したのである。

そこで、ｃＢＮ焼結体中の遊離Ｔｉ量を調整することによって、結合相粒子の粒成長・粗大化を抑制することが考えられるが、ｃＢＮ焼結体の結合相形成用原料として、ＴｉＮ粉末、ＴｉＣＮ粉末、ＴｉＡｌ粉末等を使用した場合、あるいは、ｃＢＮ焼結体の主たる結合相が、前記ＴｉＮ粒子、ＴｉＣＮ粒子、ＴｉＡｌ粒子等で構成されている場合には、ｃＢＮ焼結体中に存在する遊離Ｔｉ量について、これを的確に把握し定量化することはできないため、遊離Ｔｉ量を調整することによる結合相粒子の粒成長・粗大化をコントロールすることは実際上非常に困難であることがわかった。

しかし、本発明者は、結合相形成用原料粉末としてＴｉＣ粉末（あるいは、さらに、Ａｌ粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を含んでも良い）を用い、ｃＢＮ焼結体の主たる結合相をＴｉＣ粒子で構成すること（なお、ＴｉＣ粒子の他、さらに、Ａｌ粒子、Ａｌ_２Ｏ_３粒子が含まれていても構わない。また、焼結時の反応によって生じるＴｉＢ_２、ＡｌＮ、ＡｌＢ_２、ＴｉＡｌ等の微量の反応生成物が含まれていても構わない。）によって、ｃＢＮ焼結体に存在する遊離Ｔｉ量を的確に把握し得ること、また、これによって、ｃＢＮ焼結体中の遊離Ｔｉ量を所望範囲にコントロールし得ることを見出した。
即ち、ＴｉＣ粒子を主たる結合相とするｃＢＮ焼結体に存在する全Ｔｉ量（遊離ＴｉであるかＴｉ化合物であるかを問わない）とＣ量を、例えば、電子線マイクロアナライザー（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｅｒ：ＥＰＭＡ）を用いた定性・定量分析を行い、定性分析で検出された元素についてＺＡＦ定量分析を行って、ｃＢＮ焼結体中に含有される全Ｔｉ含有量、Ｃ含有量を求め、さらに、これらの値から、遊離Ｔｉ量を算出することができるからである。
このようにして求められたｃＢＮ焼結体中の遊離Ｔｉ量を適切な範囲にコントロールすることによって、ｃＢＮ焼結体の結合相粒子の粒成長・粗大化を抑制して、微細な結合相組織を形成・維持することができ、これによって、硬さの低下を招くことなくｃＢＮ焼結体の靱性を向上させることができるのである。

そして、上記で得られた微細な結合相組織を備えるｃＢＮ焼結体を基体とするｃＢＮ工具は、鋳鉄等の切削加工において、結合相を微細化したことで、クラックの伝播を抑制し、すぐれた耐欠損性と耐摩耗性を示し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのである。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）立方晶窒化硼素粒子と結合相とを含む立方晶窒化硼素基焼結体において、
前記焼結体は、平均粒径０．５〜５．０μｍの立方晶窒化硼素粒子を５０〜７０体積％含み、
前記結合相は、少なくとも平均粒径０．１０〜０．５０μｍのＴｉＣ相と平均粒径０．０２〜０．２０μｍのＡｌ_２Ｏ_３相を含み、
前記結合相中のＴｉ含有量は２０．０〜３０．０質量％、Ａｌ含有量は２．０〜２．５質量％であり、かつ、結合相中の遊離Ｔｉは４．０質量％以上１０．０質量％以下であることを特徴とする立方晶窒化硼素基焼結体。
（２）切削工具の少なくとも切れ刃が、前記（１）に記載の立方晶窒化硼素基焼結体から構成されていることを特徴とする立方晶窒化硼素基焼結体製切削工具。」
を特徴とする。

本発明に係るｃＢＮ焼結体は、焼結体の結合相粒子の粒径が所定の範囲に維持されているとともに、焼結体中の遊離Ｔｉ量が適切な範囲にコントロールされていることによって、ｃＢＮ焼結体の結合相粒子の粒成長・粗大化が抑制され、微細な結合相組織を形成・維持することができ、これによって、硬さの低下を招くことなくｃＢＮ焼結体の靱性を向上させることができる。

さらに、結合相粒子の粒成長・粗大化が抑制された上記の微細な結合相組織を備えるｃＢＮ焼結体を基体とするｃＢＮ工具は、鋳鉄等の切削加工において、結合相を微細化したことで、クラックの伝播を抑制し、すぐれた耐欠損性と耐摩耗性を示し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのである。

本発明のｃＢＮ焼結体断面のＳＥＭによる二次電子像の一例を示す。 比較例のｃＢＮ焼結体断面のＳＥＭによる二次電子像の一例を示す。

本発明を実施するための形態を以下に説明する。

ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合：
ｃＢＮ焼結体は、硬質相成分としてのｃＢＮ粒子と結合相成分からなるが、本発明のｃＢＮ焼結体は、結合相成分として、ＴｉＣ及びＡｌ_２Ｏ_３を少なくとも含有している。
なお、結合相形成用原料粉末として、ＴｉＣ粉末、金属Ａｌ粉末及びＡｌ_２Ｏ_３粉末を用いた場合でも、焼結時の反応により、結合相中には、ＴｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３の他、ＴｉＢ_２、ＡｌＮ、ＡｌＢ_２、ＴｉＡｌ等が形成されるが、本発明のｃＢＮ焼結体は、結合相中にこれらの反応生成物（例えば、ＴｉＢ_２、ＡｌＮ、ＡｌＢ_２、ＴｉＡｌ等）が微量含有されることを妨げるものではない。
ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合が５０体積％未満では、焼結体中に硬質物質が少ないことで、ｃＢＮ焼結体工具としての硬さが十分ではなく、工具として使用した場合に、耐欠損性が低下する。一方、７０体積％を超えると、相対的に焼結体中の結合相の割合が少なくなり、結合相が奏する靱性向上効果が十分に得られない。
そのため、本発明では、ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合は、５０体積％以上７０体積％以下の範囲とする。

ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合（体積％）は、ｃＢＮ焼結体の断面組織を走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）によって観察し、得られた二次電子像を基に算出することができる。得られた二次電子像内のｃＢＮ粒子の部分は、画像処理によって抜き出すことができる。ｃＢＮ粒子の部分を特定した後、画像解析によってｃＢＮ粒子が占める面積を算出した値を取得し、その値を画像総面積で除することでｃＢＮ粒子の面積比率を算出することができる。そして、この面積比率を体積％とみなすことで、ｃＢＮ粒子の含有割合（体積％）を測定することができる。この測定では、走査電子顕微鏡で得られた倍率５、０００の二次電子像の少なくとも３画像を処理し求めた値の平均値をｃＢＮ粒子の含有割合（体積％）としている。画像処理に用いる観察領域として、ｃＢＮ粒子の平均粒径が３μｍの場合、２０μｍ×２０μｍ程度の視野領域が望ましい。

ｃＢＮ粒子の平均粒径：
本発明のｃＢＮ焼結体においては、平均粒径が０．５〜５．０μｍの範囲内の硬質なｃＢＮ粒子を焼結体内に含むことから高硬さを有し、また、微細な結合相組織を有することにより、硬さを低下させることなくｃＢＮ焼結体の靱性を高めることができる。
そして、本発明のｃＢＮ焼結体をｃＢＮ工具として使用した場合には、ｃＢＮ粒子が脱落して生じる刃先の凹凸形状を起点とする欠損、チッピングを抑制するだけでなく、刃先に加わる応力により生じるｃＢＮ粒子と結合相との界面から進展するクラック、あるいはｃＢＮ粒子が割れて進展するクラックの伝播を焼結体中に分散した所定の粒径のｃＢＮ粒子により抑制することにより、すぐれた耐欠損性を発揮することができる。

ここで、ｃＢＮ粒子の平均粒径は、作製したｃＢＮ焼結体の断面組織をＳＥＭにて観察して得られる二次電子像を基に求めることができる。まず、得られた画像内のｃＢＮ粒子の部分を画像処理により二値化して抜き出す。ｃＢＮ粒子の部分を特定した後、画像解析によって各ｃＢＮ粒子の最大長を求め、それを各ｃＢＮ粒子の直径とする。そして、この直径より計算し求めた各粒子の体積を基に縦軸を積算体積割合（体積％）、横軸を直径（μｍ）としてグラフを描画させ、積算体積割合が５０体積％の値となる直径をｃＢＮ粒子の粒径とする。
そして、ＳＥＭで得られた倍率５、０００の二次電子像の少なくとも３画像を処理し求めたｃＢＮ粒子の粒径を平均して、この平均値をｃＢＮ粒子の平均粒径（ｃＢＮ粒子のメジアン径（μｍ））とした。
なお、画像処理に用いる観察領域として、ｃＢＮ粒子の平均粒径３μｍの場合、２０μｍ×２０μｍ程度の視野領域が望ましい。

ｃＢＮ焼結体の主たる結合相を構成するＴｉＣ相：
本発明のｃＢＮ焼結体は、主たる結合相成分がＴｉＣ相からなるが、ｃＢＮ焼結体の靱性向上、耐熱性向上を図る上では、焼結体中の遊離Ｔｉ量を所定範囲内に制限することにより、ＴｉＣ相の平均粒径を０．１０〜０．５０μｍとすることが必要である。
ＴｉＣ相の平均粒径が０．１０μｍ未満では、表面積が多くなるため、不純物の量が増加することで靱性が低下し、一方、ＴｉＣ相の平均粒径が０．５０μｍを超えると、結合相が粗粒になるため、クラックの進展が抑制できず、耐欠損性が低下するという理由による。
また、ｃＢＮ焼結体における結合相であるＴｉＣ相の含有体積割合は、２０〜４５体積％の範囲内で、ｃＢＮ焼結体の耐熱性および靭性を確保する作用を有するが、その含有体積割合が２０体積％未満では靭性の低下が著しくなり、一方、含有体積割合が４５体積％を越えると相対的にｃＢＮ量が減少し、所望の高硬度が得られず、耐熱性の低下も著しくなる。
したがって、ｃＢＮ焼結体の主たる結合相であるＴｉＣ相の含有体積割合は、２０〜４５体積％とすることが好ましい。
そして、ＴｉＣ相の含有体積割合を、前記の範囲にするためには、ｃＢＮ焼結体の結合相に含有されるＴｉ量を２０．０〜３０．０質量％とすることが必要であり、Ｔｉ量が２０．０質量％未満では、十分な体積割合の結合相が形成されないため、結合性が低下し、一方、Ｔｉ量が３０．０質量％を超えると、粒成長し、靱性の低下、耐熱性の低下が生じる。
したがって、ｃＢＮ焼結体の結合相に含有されるＴｉ量を２０．０〜３０．０質量％とする。

ｃＢＮ焼結体に占めるＴｉＣ粒子の含有割合（体積％）は、ｃＢＮ焼結体の断面組織を走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）によって観察し、得られた二次電子像を基に算出することができる。得られた二次電子像内のｃＢＮ粒子の部分は、画像処理によって抜き出すことができる。ｃＢＮ粒子の部分を特定した後、画像解析によってｃＢＮ粒子が占める面積を算出した値を取得し、その値を画像総面積で除することでｃＢＮ粒子の面積比率を算出することができる。そして、この面積比率を体積％とみなすことで、ｃＢＮ粒子の含有割合（体積％）を測定することができる。この測定では、走査電子顕微鏡で得られた倍率５、０００の二次電子像の少なくとも３画像を処理し求めた値の平均値をｃＢＮ粒子の含有割合（体積％）としている。画像処理に用いる観察領域として、ｃＢＮ粒子の平均粒径が３μｍの場合、２０μｍ×２０μｍ程度の視野領域が望ましい。

結合相中のＴｉＣ粒子の体積割合と平均粒径の測定：
結合相中のＴｉＣ粒子の粒径は、オージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）を用いて、ｃＢＮ焼結体の結合相組織を観察し、Ｔｉ、Ｃ元素の元素マッピング像を取得する。得られたＴｉマッピング像とＣマッピング像が重なる部分を画像解析によって分析し、ＴｉＣ粒子を画像処理にて特定して抜き出す。ＴｉＣ粒子の部分を抜き出した後、画像解析によって各ＴｉＣ粒子の最大長を求める。この最大長を各ＴｉＣ粒子の直径とし、この直径より各ＴｉＣ粒子の面積を算出するとともに、ＴｉＣ粒子の総面積を算出し、画像総面積で除することでＴｉＣ粒子の面積比率を算出する。そして、この面積比率を体積％とみなすことで、ＴｉＣ粒子の含有割合（体積％）を求めることができる。なお、少なくとも３画像を処理して測定したこのような値の平均値を、ＴｉＣ粒子の体積割合（体積％）とした。
さらに、前記で求めた各ＴｉＣ粒子の体積を元に縦軸を積算体積割合（体積％）、横軸を直径（μｍ）としてグラフを描画させ、積算体積割合が５０体積％の値となる直径を、対象となっている複数のＴｉＣ粒子の粒径メジアン径とする。この測定ではＳＥＭで得られた倍率５、０００の二次電子像の少なくとも３画像を処理し求めた値およびその平均値をＴｉＣ粒子の平均粒径（メジアン径（μｍ））とした。

ｃＢＮ焼結体に占めるＴｉの含有割合の測定：
ｃＢＮ焼結体を電子線マイクロアナライザー（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｅｒ：ＥＰＭＡ）を用いて定性・定量分析を行い、定性分析で検出された元素についてＺＡＦ定量分析法によりｃＢＮ焼結体に占めるＴｉの含有割合（質量％）を求める。

ｃＢＮ焼結体に含有される遊離Ｔｉ量：
本発明のｃＢＮ焼結体では、焼結体中に含有される遊離Ｔｉ量を４．０質量％以上１０．０質量％以下（好ましくは、５．０質量％以上８．０質量％以下）に維持することによって、ＴｉＣ相、Ａｌ_２Ｏ_３相等の粒成長・粗大化を抑制して、微細な結合相組織を維持することができ、その結果、硬さの低下を招くことなくｃＢＮ焼結体の靱性を向上させることができるのである。
ここで、遊離Ｔｉ量を４．０質量％以上１０．０質量％以下（好ましくは、５．０質量％以上８．０質量％以下）の範囲に制限するのは、遊離Ｔｉ量が１０質量％を超える場合、結合相が粒成長し、靱性の低下が生じ、一方、遊離Ｔｉ量が４質量％未満の場合、ｃＢＮ粒子と結合相の密着力が低下し、十分な切削性能を得られないという理由による。
そして、遊離Ｔｉ量は、次の式により算出することができる。
遊離Ｔｉ量
＝Ｔｉ量_{（ＥＰＭＡ）}−（結合相割合×Ｃ量_{（ＥＰＭＡ）}）×（Ｔｉ／Ｃ）_原子量
ただし、
結合相割合：［（１００−ｃＢＮ粒子の含有割合（体積％））／１００］で表される焼結体に占める結合相の割合。
Ｔｉ量_{（ＥＰＭＡ）}（質量％）：ＥＰＭＡで測定した、ｃＢＮ焼結体に含有される全Ｔｉ含有量。
Ｃ量_{（ＥＰＭＡ）}（質量％）：ＥＰＭＡで測定した、ｃＢＮ焼結体中に含有される全Ｃ含有量。
なお、全Ｃ含有量は、全Ｔｉ含有量（Ｔｉ量_{（ＥＰＭＡ）}）を求めた時と同様なＥＰＭＡ測定により求める。
（Ｔｉ／Ｃ）_原子量： Ｔｉ原子量は４７．９であり、Ｃ原子量は１２．０であるから、
（Ｔｉ／Ｃ）_原子量＝４７．９／１２．０となる。
上記の式は、ｃＢＮ焼結体の結合相中に存在するＣは、すべてがＴｉＣとなっており、ＴｉＣ化合物になっていないＴｉの量が、遊離Ｔｉとして算出されるということを技術的に意味するものである。
なお、本発明では、ｃＢＮ焼結体を作成する際に、結合相形成用原料粉末として、ＴｉＣ粉末、金属Ａｌ粉末及びＡｌ_２Ｏ_３粉末を使用することができるが、その場合、焼結体中には、ＴｉＣ結合相、Ａｌ_２Ｏ_３結合相の他、微量のＴｉＢ_２、ＡｌＮ、ＡｌＢ_２、ＴｉＡｌ等も形成される。
したがって、遊離Ｔｉ量を求めるうえでは、厳密には、ＴｉＢ_２相、ＴｉＡｌ相を形成しているＴｉ量も考慮されるべきではあるが、ＴｉＢ_２相、ＴｉＡｌ相の生成量はごく僅かであるため、実際上、遊離Ｔｉ量の算出値にはほとんど影響を及ぼさない。
したがって、本発明では、上記式に示す通り、形成されるＴｉＣ相に基づいて遊離Ｔｉ量を算出している。
なお、焼結前の原料粉末（例えば、ＴｉＣ粉末）の粒径が大きすぎる場合には、遊離Ｔｉ量を前記所定数値範囲に維持したとしても、焼結体の結合相の微細化を図ることはできないので、このような場合には、結合相形成用原料粉末に対して、少なくともＴｉＣ粉末の平均粒径が０．３５μｍ以下になるように、ボールミル等による破砕・混合処理を予め行っておく（好ましくは、９６時間以上。より好ましくは、９６〜１２０時間）ことが必要である。なお、結合相の平均粒径の測定はレーザー回折式粒度分布測定装置を用いて、分析を行う。

ｃＢＮ焼結体の結合相に含有されるＡｌ量：
ｃＢＮ焼結体の結合相に含有されるＡｌ量が２．０質量％未満であると結合相に生成するＡｌ_２Ｏ_３の量が少なくなるため、クラック進展の抑制作用を十分に発揮することができず、ｃＢＮ焼結体の靭性を向上させる効果が十分でない。一方、ｃＢＮ焼結体の結合相に含有されるＡｌ量が２．５質量％を超えると、結合相中に生成するＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３の量が多くなり、また、それらの粒成長が進行し粗粒になりやすく、その結果、ｃＢＮ焼結体の靭性が低下する。
したがって、ｃＢＮ焼結体の結合相に含有されるＡｌ量は、２．０〜２．５質量％とする。

ｃＢＮ焼結体に占めるＡｌの含有割合の測定：
ｃＢＮ焼結体を電子線マイクロアナライザー（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｅｒ：ＥＰＭＡ）を用いて定性・定量分析を行い、定性分析で検出された元素についてＺＡＦ定量分析法によりｃＢＮ焼結体に占めるＡｌの含有割合（質量％）を得る。

結合相中のＡｌ_２Ｏ_３粒子の平均粒径：
結合相中のＡｌ_２Ｏ_３粒子の平均粒径が０．０２μｍ未満であると、酸素、水分等の不純物の混入が多くなるため、ｃＢＮ焼結体の靭性を低下する恐れがある。一方、結合相中のＡｌ_２Ｏ_３粒子の平均粒径が０．２０μｍを超えると、相対的にＡｌ_２Ｏ_３粒子の数が減少するため、クラック進展の抑制が十分に奏されない。
したがって、結合相中のＡｌ_２Ｏ_３粒子の平均粒径は、０．０２〜０．２０μｍとする。

結合相中のＡｌ_２Ｏ_３粒子の平均粒径の測定：
結合相中のＡｌ_２Ｏ_３粒子の粒径は、オージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）を用いて、ｃＢＮ焼結体の結合相組織を観察し、Ａｌ、Ｏ（酸素）元素の元素マッピング像を取得する。得られたＡｌマッピング像とＯ（酸素）マッピング像が重なる部分を画像解析によって分析し、Ａｌ_２Ｏ_３粒子を画像処理にて特定して抜き出す。Ａｌ_２Ｏ_３粒子の部分を抜き出した後、画像解析によって各Ａｌ_２Ｏ_３粒子の最大長を求める。この最大長を各Ａｌ_２Ｏ_３粒子の直径とし、この直径より計算し求めた各粒子の体積を元に縦軸を積算体積割合（体積％）、横軸を直径（μｍ）としてグラフを描画させ、積算体積割合が５０体積％の値となる直径を、対象となっている複数のＡｌ_２Ｏ_３粒子の粒径メジアン径とする。この測定ではＳＥＭで得られた倍率５、０００の二次電子像の少なくとも３画像を処理し求めた値およびその平均値をＡｌ_２Ｏ_３粒子の平均粒径（メジアン径（μｍ））とした。

以下に、本発明のｃＢＮ焼結体及びｃＢＮ工具について、実施例に基づいて具体的に説明する。

結合相形成用原料粉末として、表１に示す平均粒径のＴｉＣ粉末、ＴｉＡｌ粉末、Ａｌ粉末及びＴｉＡｌ_３粉末を用意した。
次に、これら原料粉末を表１に示す配合組成に配合し、超硬合金で内張りされたポット内に炭化タングステン製の超硬合金ボールとアセトンと共に充填し、回転ボールミルにより粉砕、混合を行った。
次いで、表１に示すように０．５〜５μｍの範囲内の平均粒径を有するｃＢＮ粉末を添加し、焼結後のｃＢＮ含有量が５０体積％以上７０体積％以下になるように添加量を調整して、回転ボールミルで９６〜１２０時間湿式混合し、乾燥した後、１２０ＭＰａの圧力で直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもった圧粉体に成形した。
次いで、この圧粉体を、圧力：１×１０^−４Ｐａ以下の真空雰囲気中、９００〜１３００℃の範囲内の条件で焼結して予備焼結体とした。なお、粉砕から成形の工程は、不活性雰囲気下で行うことが好ましい。
この予備焼結体を、別途用意した、Ｃｏ：８質量％、ＷＣ：残りの組成、並びに直径：５０ｍｍ×厚さ：２ｍｍの寸法をもったＷＣ基超硬合金製支持片と重ね合わせた状態で、超高圧焼結装置に装入し、圧力：５ＧＰａ、温度：１２００〜１４００℃、保持時間３０ｍｉｎの条件で超高圧焼結することにより、表２に示す本発明のｃＢＮ焼結体１〜９（本発明焼結体１〜９という）を作製した。

比較のため、表３に示す平均粒径の原料粉末を、表３に示す配合組成に配合して結合相形成用原料粉末を調製し、４８〜１２０時間粉砕、混合を行った後、表３に示す平均粒径、配合量のｃＢＮ粉末を添加し、本発明と同様な条件で超高圧焼結することにより、表４に示す比較例のｃＢＮ焼結体１〜７（比較例燒結体１〜７という）を製造した。

前記本発明焼結体１〜９および比較例焼結体１〜７について、ｃＢＮ焼結体におけるｃＢＮ粒子の平均粒径（μｍ）と体積割合（体積％）、結合相中のＴｉＣ粒子の平均粒径（μｍ）と体積割合（体積％）、結合相中のＡｌ_２Ｏ_３粒子の平均粒径（μｍ）、結合相中のＴｉ量とＡｌ量（質量％）を測定・算出し、さらに、結合相中の遊離Ｔｉ量（質量％）を算出した。
表２、表４に、その結果を示す。
なお、遊離Ｔｉ量（質量％）は、
遊離Ｔｉ量＝Ｔｉ量_{（ＥＰＭＡ）}−（結合相割合×Ｃ量_{（ＥＰＭＡ）}）×（Ｔｉ／Ｃ）_原子量
の式により算出した。
ただし、
結合相割合：［（１００−ｃＢＮ粒子の含有割合（体積％））／１００］で表される焼結体に占める結合相の割合。
Ｔｉ量_{（ＥＰＭＡ）}（質量％）：ＥＰＭＡで測定した、ｃＢＮ焼結体に含有される全Ｔｉ含有量。
Ｃ量_{（ＥＰＭＡ）}（質量％）：ＥＰＭＡで測定した、ｃＢＮ焼結体中に含有される全Ｃ含有量。
（Ｔｉ／Ｃ）_原子量：４７．９／１２．０。

表１、表２に示されるように、本発明焼結体１〜９は、ボールミルによる原料粉末の破砕・混合処理を９６〜１２０時間行い、ｃＢＮ以外の結合相形成用原料粉末の平均粒径を０．３５μｍ以下にし、かつ、遊離Ｔｉ量を４．０〜１０．０質量％とすることによって、平均粒径０．１０〜０．５０μｍのＴｉＣ相と平均粒径０．０２〜０．２０μｍのＡｌ_２Ｏ_３相が存在する微細組織の結合相が形成される。
一方、表３、表４に示されるように、比較例焼結体１、２は、ボールミル処理時間が４８時間と短く、焼結前の原料粉末の平均粒径が大きいため、遊離Ｔｉ量が本発明で規定する範囲内であっても、結合相の微細化を図ることができない。また、比較例焼結体３、４、６、７は、遊離Ｔｉ量が本発明で規定する範囲を下回るため、ｃＢＮ粒子と結合相の密着力が低下し、後記表５からもわかるように、十分な切削性能を得られない。また、比較例工具５は、結合相を微細に粉砕したが、遊離Ｔｉ量が１０．０質量％を超えるため、結合相が粒成長することで、クラックの進展を抑制できず、工具寿命が短い。
また、図１として、ｃＢＮ焼結体の結合相中のＴｉ量が２９．０質量％であり、遊離Ｔｉ量が６．３質量％である本発明焼結体１のＳＥＭによる二次電子像を示し、さらに、図２として、ｃＢＮ焼結体の結合相中のＴｉ量が３９．０質量％であり、遊離Ｔｉ量が１２．０質量％である比較例焼結体５のＳＥＭによる二次電子像を示す。
図１と図２の比較から、遊離Ｔｉ量が少ないものほど結合相は微細組織を示すこと、遊離Ｔｉ量が１０質量％を超える比較例焼結体５では、結合相組織が粗大化していることがわかる。

ついで、前記本発明焼結体１〜９および比較例焼結体１〜４の焼結体上下面を、ダイヤモンド砥石を用いて研磨し、ワイヤー放電加工装置にて一辺３ｍｍの正三角形状に分割し、さらに、Ｃｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８の形状（厚さ：４．７６ｍｍ×一辺長さ：１２．７ｍｍの菱型形）をもったＷＣ基超硬合金製チップ本体のろう付け部（コーナー部）に、質量％で、Ｃｕ：２５％、Ｔｉ：５％、Ｎｉ：２．５％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ合金のろう材を用いてろう付けし、さらに仕上げ研磨を施すことによりＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもった本発明のｃＢＮ工具（以下、「本発明工具」という）１〜９および比較例の切削工具（以下、「比較例工具」という）１〜７をそれぞれ作製した。

つぎに、前記各種の工具を、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、本発明工具１〜９および比較例工具１〜７について、以下に示す条件の切削加工試験を実施した。
［切削条件］
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ２５０の丸棒、
切削速度： ５００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ０．２ ｍｍ、
送り： ０．１ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削工具の刃先が欠損に至るまでの切削時間を工具寿命、また、欠損しない場合は２０分時点での逃げ面摩耗量を示す。
表５に切削試験結果を示す。

表５に示される結果から、本発明工具１〜９は、焼結体の結合相成分であるＴｉＣの平均粒径、Ａｌ_２Ｏ_３の平均粒径が小さく、かつ、結合相中の遊離Ｔｉ量が本発明で規定する範囲にあるため、ｃＢＮ焼結体は硬さを低下させることなく靱性が向上しているため、欠損発生により使用寿命に至るまでの時間が長く、また、逃げ面摩耗幅も小さい。
これに対して、比較例工具１、２は結合相中のＴｉＣの平均粒径と結合相中のＡｌ_２Ｏ_３の平均粒径が粗大であるため、工具の寿命が短い。また、比較例工具３、４、６、７は、ｃＢＮ焼結体の結合相中の遊離Ｔｉ量が４．０質量％を下回るため、ｃＢＮと結合相の結合力が低下し、かつ、クラックの進展を抑制できず、工具寿命が短い。比較例工具５は結合相を微細に粉砕したが、遊離Ｔｉ量が１０．０質量％を超えるため、結合相が粒成長することで、クラックの進展を抑制できず、工具寿命が短い。

本発明のｃＢＮ焼結体、硬さの低下を招くことなく靱性にすぐれており、また、本発明のｃＢＮ工具はすぐれた耐欠損性を備えていることから、鋳鉄の切削加工は勿論のこと、さまざまな切削条件の切削に適用可能であり、切削加工装置の高性能化ならびに切削加工の省力化および省エネ化、低コスト化に十分満足に対応できる。

１ ｃＢＮ粒子
２ ＴｉＣ粒子
３ Ａｌ_２Ｏ_３粒子

Claims (2)

1. 立方晶窒化硼素粒子と結合相とを含む立方晶窒化硼素基焼結体において、
   前記焼結体は、平均粒径０．５〜５．０μｍの立方晶窒化硼素粒子を５０〜７０体積％含み、
   前記結合相は、少なくとも平均粒径０．１０〜０．５０μｍのＴｉＣ相と平均粒径０．０２〜０．２０μｍのＡｌ_２Ｏ_３相を含み、
   前記結合相中のＴｉ含有量は２０．０〜３０．０質量％、Ａｌ含有量は２．０〜２．５質量％であり、かつ、結合相中の遊離Ｔｉは４．０質量％以上１０．０質量％以下であることを特徴とする立方晶窒化硼素基焼結体。
2. 切削工具の少なくとも切れ刃が、請求項１に記載の立方晶窒化硼素基焼結体から構成されていることを特徴とする立方晶窒化硼素基焼結体製切削工具。
   

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