JP2022147104A - ｃＢＮ焼結体およびそれを用いた切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性に優れたｃＢＮ焼結体およびｃＢＮ工具の提供【解決手段】立方晶窒化ほう素と結合相を有するｃＢＮ焼結体であって、前記結合相中には、Ｔｉほう化物が分散しており、前記Ｔｉほう化物は、その内部にＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の１種または２種以上を含有する、ことを特徴とするｃＢＮ焼結体、および、該ｃＢＮ焼結体を工具基体とするｃＢＮ切削工具。【選択図】図１

Description

本発明は、耐摩耗性に優れた立方晶窒化ほう素（以下、「ｃＢＮ」ということがある）基超高圧焼結体（以下、「ｃＢＮ焼結体」ということがある）、および、これを工具基体とする切削工具（以下、「ｃＢＮ工具」ということがある）に関する。

従来から、ｃＢＮ焼結体は、硬さや靭性に優れることが知られており、さらに、鉄系材料との親和性が低いことから、これらの特性を活かし、焼入鋼、鋳鉄等の鉄系被削材の切削工具材料として広く用いられている。

例えば、特許文献１には、ｃＢＮ：３０～８０体積％、残部が周期表４～６族元素の炭化物、窒化物、ほう化物、酸化物、Ａｌの窒化物、酸化物、Ｓｉの炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種または２種以上からなる結合相と不可避不純物からなり、前記結合相は、（１）Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの中の少なくとも１種または２種以上とＴｉとからなる複合窒化物および複合炭窒化物の中の１種または２種以上の複合化合物：結合相全体に対して３０～８０体積％と、（２）Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの中の１種または２種以上の斜方晶ほう化物：結合相全体に対して５～４０体積％と、（３）ＡｌＮ：結合相全体に対して５～３０体積％と、（４）Ａｌ_２Ｏ_３：結合相全体に対して２～２０体積％とを含有するｃＢＮ焼結体が記載され、該焼結体は高硬度鋼の断続切削の切削工具として用いたとき、耐久性が向上しているとされている。

また、例えば、特許文献２には、結合相が、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷからなる群の１種または２種以上とＴｉとのＮａＣｌ構造の複合固溶体炭窒化物を含み、該炭窒化物の２００回折線の半価幅が０．６０～０．９０°であり、結合相全体に含まれるＴｉおよびＭ（Ｍは、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷの１種または２種以上）の原子比は、Ｔｉ：Ｍ＝（０．５～０．９）：（０．５～０．１）（Ｔｉの原子比とＭの原子比との合計は１になる）であるｃＢＮ焼結体が記載され、該焼結体を用いると、切削工具や耐摩耗工具の工具寿命を長くすることができるとされている。

さらに、例えば、特許文献３には、マトリックス中に被覆粒子を含み、該被覆粒子が、例えば、ｃＢＮ、ＶＢ_２、ＶＣ、ＶＮ、Ｖ（Ｃ，Ｎ）、ＮｂＢ_２、ＮｂＣ、ＮｂＮ、Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）、ＴａＢ_２、ＴａＣ、ＴａＮ、Ｔａ（Ｃ，Ｎ）およびそれらの混合物ならびに合金のうちの少なくとも１つからなるコア材料と、該コア材料上に１または２以上の中間層を含み、該中間層が該コア材料と異なる材料を含み、かつ前記中間層が前記コア材料よりも高い破壊靭性を有し、前記マトリックスがＷもしくはＷＣを含む第１の粒子と、Ｃｏを含む第２の粒子との混合物を含み、および／または前記マトリックスが、Ｗおよび／もしくはＷＣと、０を超えて約２０重量％に及ぶ量で前記マトリック中に存在するＣｏとの合金を含む、焼結体が記載され、該焼結体は破壊靭性が改善されているとされている。

特許第４８３０５７１号公報 特許第６０８２６５０号公報 特許第６２５７８９６号公報

本発明者の検討によれば、特許文献１～３に記載された焼結体について、以下の事項を認識した。

特許文献１に記載のｃＢＮ焼結体は、Ｔｉのほう化物であるＴｉＢ_２の含有量を抑制しているが、Ｔｉほう化物の含有量が少なくなることによりｃＢＮ焼結体の硬度が低下し、切削工具の刃先として使用した際の耐摩耗性が低下するという問題があること。

特許文献２に記載のｃＢＮ焼結体は、結合相にＴｉ（Ｃ，Ｎ）等の従来のＴｉ化合物よりも硬質であるＴｉの複合固溶体化合物を含有することで、耐摩耗性に優れるとされているが、この結合相においても耐摩耗性は十分ではなく、また複合固溶体化合物を結合相に含有させることで靭性が低下するという問題があること。

特許文献３は、マトリックスと被覆粒子の結合部分の強度が十分ではなく、結果として切削工具の刃先として使用するときに十分な耐摩耗性を得ることができないこと。

本発明はこのような状況を鑑みてなされたものであって、耐摩耗性に優れたｃＢＮ焼結体およびｃＢＮ工具を提供することを目的とする。

本発明者は、ｃＢＮ焼結体およびｃＢＮ工具において、前記目的を達成するために鋭意検討を行った。その結果、ｃＢＮ焼結体のセラミックス結合相中に、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の１種または２種以上を含有したＴｉほう化物を分散させることにより、ｃＢＮ焼結体の耐クラック伝播性が従来のｃＢＮ焼結体と同等以上となり、加えて耐摩耗性を従来のｃＢＮ焼結体よりも向上させることが可能となること、そして、このｃＢＮ焼結体を切削工具の刃先として使用するときに、耐欠損性、耐チッピング性を損なわずに耐摩耗性を改善して切削工具の長寿命化が可能となる、という新規な知見を得た。

本発明は、この知見に基づくものであって、次のとおりのものである。
「（１）立方晶窒化ほう素と結合相を有するｃＢＮ焼結体であって、
前記結合相中には、Ｔｉほう化物が分散しており、
前記Ｔｉほう化物は、その内部にＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の１種または２種以上を含有する、
ことを特徴とするｃＢＮ焼結体。
（２）前記化合物は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの１または２以上を固溶していることを特徴とする前記（１）に記載のｃＢＮ焼結体。
（３）前記Ｔｉほう化物は、前記結合相中に０．５～１５．０面積％の割合で分散していることを特徴とする前記（１）または（２）に記載のｃＢＮ焼結体。
（４）前記Ｔｉほう化物の平均粒径が、０．０４～０．８０μｍであることを特徴とする前記（１）～（３）のいずれかに記載のｃＢＮ焼結体。
（５）前記（１）～（４）のいずれかに記載のｃＢＮ焼結体を工具基体とする切削工具。」

本発明のｃＢＮ焼結体は、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の１種または２種以上をその内部に含有するＴｉほう化物が、セラミックス結合相中に分散していることにより、ｃＢＮ工具として使用した際に、耐摩耗性、耐欠損性、耐チッピング性が向上する。

本発明の実施形態に係るＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の１種または２種以上をその内部に含有するＴｉほう化物が分散するｃＢＮ焼結体の焼結組織を示す模式図である。

以下、本発明のｃＢＮ焼結体およびｃＢＮ工具の実施形態について説明する。
なお、特許請求の範囲、本明細書の記載において、数値範囲を「Ｘ～Ｙ」（Ｘ、Ｙは共に数値）と表現する場合、「Ｘ以上Ｙ以下」と同義であって、その範囲は上限値（Ｙ）と下限値（Ｘ）を含むものである。また、上限値と下限値の単位は同じである。
さらに、数値には公差を含む。

本発明の実施形態に係るｃＢＮ焼結体は、図１に模式的に示すように、ｃＢＮ粒子（１）とセラミックス結合相（結合相ということもある）（２）を有し、この結合相（２）の中に、Ｔｉほう化物が分散している。そして、このＴｉほう化物にはＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物（４）の１種または２種以上をその内部に含有するもの（３）が存在する。

１．立方晶窒化ほう素（ｃＢＮ）粒子
（１）ｃＢＮ粒子の平均粒径
本実施形態で用いるｃＢＮ粒子の平均粒径は、特に限定されるものではないが、０．２～８．０μｍの範囲であることが好ましい。
これは、硬質なｃＢＮ粒子を焼結体内に含むことにより耐欠損性を高める効果に加えて、平均粒径が０．２～８．０μｍであれば、切削工具としての使用中に工具表面の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、切削工具としての使用中に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抑制することにより、優れた耐欠損性を有することができるためである。

（２）ｃＢＮ粒子の平均粒径の測定
ここで、ｃＢＮ粒子の平均粒径は、以下のとおりにして求めることができる。
ｃＢＮ焼結体の任意の断面を鏡面加工し、前記鏡面加工面に対して走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下、「ＳＥＭ」という）による組織観察を実施し、二次電子像を得る。次に、得られた画像内のｃＢＮ粒子の部分を画像処理にて抜き出し、画像解析より求めた各粒子の最大長を基に平均粒径を算出する。

画像内のｃＢＮ粒子の部分を画像処理にて抜き出すにあたり、ｃＢＮ粒子と結合相とを明確に判断するため、画像は０を黒、２５５を白の２５６階調のモノクロで表示し、ｃＢＮ粒子部分の画素値と結合相部分の画素値の比が２以上となる画素値の像を用いてｃＢＮ粒が黒となるように２値化処理を行う。

また、ｃＢＮ粒子部分や結合相部分の画素値を求めるための領域として、例えば、平均粒径が３μｍ程度と推定されるｃＢＮ粒子の場合、０．５μｍ×０．５μｍ程度の領域を選択し、少なくとも同一画像領域内から異なる３箇所より求めた平均の値を各々のコントラストとすることが好ましい。

なお、２値化処理後はｃＢＮ粒同士が接触していると考えられる部分を切り離すような処理、例えば、ウォーターシェッドを用いて接触していると思われるｃＢＮ粒同士を分離する。

２値化処理後に得られた画像内のｃＢＮ粒子にあたる部分（黒の部分）を粒子解析し、求めた最大長を各粒子の最大長とし、それを各粒子の直径とする。最大長を求める粒子解析としては、例えば、１つのｃＢＮ粒子に対してフェレ径を算出することより得られる２つの長さから大きい長さの値を最大長とし、その値を各粒子の直径とする。

各粒子をこの直径を有する理想球体と仮定して、計算より求めた体積を各粒子の体積として累積体積を求め、この累積体積を基に縦軸を体積百分率［％］、横軸を直径［μｍ］としてグラフを描画させ、体積百分率が５０％のときの直径を測定に用いた１画像内のｃＢＮ粒子の平均粒径とし、これを３観察領域（３画像）に対して行い、その平均値をｃＢＮ粒子の平均粒径［μｍ］とする。

粒子解析を行う際には、あらかじめＳＥＭにより分かっているスケールの値を用いて、１ピクセル当たりの長さ［μｍ］を設定しておく。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程度の場合、１５.０μｍ×１５.０μｍ程度の視野領域が好ましい。

２．結合相
（１）Ｔｉほう化物の構成
結合相には、Ｔｉほう化物が分散し、このＴｉほう化物の内部に、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物（すなわち、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの１または２以上を含む化合物）の１種または２種以上を含有するものが存在する。Ｔｉほう化物の内部にＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の１種または２種以上を含有するとは、次のＩ）とＩＩ）を満足することをいう。なお、含有する、含むは同義で称している。

Ｉ）ｃＢＮ焼結体の任意の断面を観察した際に、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物が、それ以外の結合相成分（例えば、Ｔｉほう化物、Ｔｉほう化物以外のＴｉ化合物、Ａｌ化合物）に接している外周部のうち、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物と、Ｔｉほう化物が接している部分の長さの割合（接触割合）が、前記外周部の長さの６５％以上であり、必ずしも、Ｔｉほう化物にＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の全体が包含されていなくてよいこと。

ＩＩ）ｃＢＮ焼結体の任意の断面を観察した際に、Ｔｉほう化物の面積と、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の面積との間には、
（Ｔｉほう化物の面積）／（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の面積）＝０．３３～４９．００
という関係式が成り立つこと。
なお、（Ｔｉほう化物の面積）／（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の面積）は、１．５０～１９．００が好ましい。

Ｔｉほう化物は硬度に優れ、ｃＢＮ焼結体の結合相中に分散することで結合相の耐摩耗性を向上させ、ｃＢＮ工具として使用した際に結合相の摩耗に起因するｃＢＮ粒子の脱落を遅延させることができ、その結果、工具の寿命を延長することが可能となる。
また、Ｔｉほう化物は優れた熱伝導率、耐酸化性を有するため、結合相中に分散することでｃＢＮ焼結体の高温特性を向上させ、ｃＢＮ工具として使用したときに発生する高温環境下における耐摩耗性向上に寄与するものである。

さらに、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物は、靭性に優れ、結合相中に生じたクラックが進展しやすいＴｉほう化物の中に含まれることでＴｉほう化物中を伝播するクラックの進展を停止または遅滞させることが可能となり、その結果、結合相中のクラックの伝播を抑制してｃＢＮ焼結体の靱性を高めることができる。

本実施形態では、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有したＴｉほう化物が結合相中に分散したｃＢＮ焼結体を切削工具の刃先として使用することで、耐欠損性、耐チッピング性を損なわずに、耐摩耗性を従来のｃＢＮ工具よりも向上させることができる。

（２）Ｔｉほう化物の面積割合
結合相に分散する前記Ｔｉほう化物の量は、特段の制約はないが、結合相中に０．５～１５．０面積％で存在することがより好ましい。

すなわち、０．５面積％未満であるとクラックがＴｉほう化物に含まれるＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物に到達する頻度が減り、その伝播を抑制することが十分にできず、ｃＢＮ焼結体の靭性を向上させることができないことがあり、また、０．５面積％未満であると結合相の耐摩耗性を十分に向上させることができないことがあり、その結果、切削工具基体として用いたときのｃＢＮ焼結体の寿命を延長させることができない場合がある。

一方、１５．０面積％を超えると結合相の耐摩耗性は向上するものの靭性が低下し、ｃＢＮ焼結体の耐欠損性、耐チッピング性が低下することがある。前記Ｔｉほう化物の結合相中の含有割合は４．０～１２．０面積％がより一層好ましい。

（３）Ｔｉほう化物の平均粒径
前記Ｔｉほう化物の平均粒径は、特段の制約はないが、０．０４～０．８０μｍであることがより好ましい。この範囲の平均粒径であれば、ｃＢＮ工具として使用したときの工具寿命をより確実に延長することができる。

この平均粒径の範囲がより好ましい理由は、次のとおりである。すなわち、平均粒径０．０４μｍ未満であると、クラックが前記Ｔｉほう化物を迂回し易くなり、その結果、クラックの進展をＴｉほう化物に含まれるＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物に誘導することができずその伝播を抑制することが十分にできないことがあり、また、平均粒径０．０４μｍ未満であると、結合相の摩耗の進行に従ってＴｉほう化物が焼結体から脱落し易くなり、結合相の耐摩耗性を十分に向上させることができないことがあり、ｃＢＮ工具として用いたときの工具寿命を延長させることができない場合がある。

一方、平均粒径が０．８０μｍを超えると、Ｔｉほう化物中を進展するクラックがＴｉほう化物に含まれるＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を迂回して進展し易くなり、その結果、クラックの伝播を抑制することが十分にできず、耐欠損性、耐チッピング性が低下することがあり、ｃＢＮ工具として用いたときの工具寿命が低下する場合がある。Ｔｉほう化物の平均粒径は、０．１０～０．５０μｍがより一層好ましい。

（４）Ｔｉほう化物に含まれるＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の例
Ｔｉほう化物の中に含まれる、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の例として、ＶＮ、ＮｂＢ、ＴａＣ、Ｖ（Ｂ，Ｃ）、（Ｎｂ，Ｔａ）（Ｂ，Ｃ）、Ｔａ（Ｂ，Ｃ，Ｏ）、（Ｖ，Ｎｂ）（Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｓｉ）、（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ）、等を挙げることができる。なお、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物中には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等の周期表の４、６族の遷移金属元素が固溶してもよい。

ここで、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物として、特段の制約はないが、化合物中に含まれる金属元素のうち、ＮｂとＴａの含有量の和が７０原子％以上、かつ、化合物中に含まれる非金属元素のうち、ＢとＣの含有量の和が５０原子％以上である、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の１種または２種以上がより好ましい。これらの化合物は、クラック伝播の抑制をより一層確実に行い、ｃＢＮ工具として用いたときのｃＢＮ焼結体の耐欠損性、耐チッピング性をより確実に改善することができる。

（５）接触割合の測定
Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物が、それ以外の結合相成分に接している外周部のうち、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物と、Ｔｉほう化物が接している部分の長さの割合（接触割合）は、以下のα）～ι）のようにして測定する。

α）まず、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物が、それ以外の結合相成分に接している外周部の長さを求めるべく、後述する（６）の、１）のオージェ電子分光法を用いて認識したＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有したＴｉほう化物の各粒子を抽出し、粒子解析しやすいように、０を黒、２５５を白の２５６階調のモノクロとなるように変換する。

この際、２５６階調のモノクロに変換する元画像は、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物に該当する部分が濃いグレー（黒ではない）、Ｔｉほう化物に該当する部分が薄いグレー、それ以外の部分がＴｉほう化物に該当する部分よりもさらに薄いグレー、または、限りなく白に近い色に変換されるような画像を用いることが好ましい。

β）前記α）で２５６階調のモノクロに変換した画像から、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物に該当する部分が一様に黒くなるように２値化処理を行う。

γ）２値化処理によって黒色に変換された領域に対し、粒子の外周長を求めるような画像解析を行う。このようにして、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物が、それ以外の結合相成分に接している外周部の長さを測定する。

δ）次に、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物が、Ｔｉほう化物と接している部分の長さを求めるべく、前記β）で作成した２値化処理済みの画像に対し、黒色の領域が２値化処理前と同程度の色調となるように、輝度、コントラストを調整する。この際、事前に、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物に該当する部分の２値化処理前の画素値を確認しておくことが好ましく、また、輝度、コントラストの調整は、黒色の領域が２値化処理前の色調よりも少し濃くなるように調整することが好ましい。

ε）前記δ）で色調を調整した画像と、前記α）で２５６階調のモノクロに変換した画像を、画像演算処理により重ね合わせ、1つの画像にする。この際、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物に該当する部分については、前記δ）で作成した画像の画素値が維持されるように、また、それ以外の部分については、前記α）で作成した画像の画素値が維持されるように、演算処理を行う。

ζ）前記ε）で作成した画像の、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物に該当する部分の輪郭を黒い線で縁取る。

η）前記ζ）で描画した、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物に該当する部分の輪郭の黒い線のうち、Ｔｉほう化物に該当する部分と接している部分以外の線を削除する。

θ）画像解析により、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物に該当する部分の輪郭の、残った線の長さを測定する。このようにして、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物が、Ｔｉほう化物と接している部分の長さを測定する。

ι）上記のように求めた、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物が、それ以外の結合相成分に接している外周部の長さと、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物が、Ｔｉほう化物と接している部分の長さから、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物が、それ以外の結合相成分に接している外周部のうち、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物と、Ｔｉほう化物が接している部分の長さの割合を算出する。

以上の手段を用いて、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有したＴｉほう化物の各粒子における、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物が、それ以外の結合相成分に接している外周部のうち、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物と、Ｔｉほう化物が接している部分の長さの割合（接触割合）を測定し、確認する。

なお、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物が、ｃＢＮ粒子に接している部分の長さについては、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の外周部の長さから除外し、ｃＢＮ粒子と接していない部分の長さを測定するような方法、例えば、前記α）、前記β）、前記δ）、前記ε）、前記ζ）の処理を行ったあと、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物に該当する部分の輪郭の黒い線のうち、ｃＢＮ粒子に該当する部分と接している部分の線を削除し、残った線の長さを測定する方法で、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物が、それ以外の結合相成分に接している外周部の長さを求めることが好ましい。

（６）Ｔｉほう化物の面積割合の測定
Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有したＴｉほう化物の面積割合は、以下の１）～４）のようにして測定する。

すなわち、
１）ｃＢＮ焼結体の任意の断面を鏡面加工し、前記鏡面加工面に対してオージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：以下、「ＡＥＳ」という）を用いて組織観察を実施し、１観察領域（１画像）において、Ａｌ原子、Ｔｉ原子、Ｖ原子、Ｎｂ原子、Ｔａ原子、Ｂ原子、Ｃ原子、Ｏ原子等の、焼結体中に含まれる元素のマッピング像を得る。得られたマッピング像を基に各元素が重なる部分を確認し、例えば、Ｔｉ原子とＢ原子が重なる部分をＴｉほう化物、Ｖ原子、Ｎｂ原子、Ｔａ原子のいずれか１種または２種以上と、Ｂ原子、Ｃ原子、Ｏ原子等の非金属原子が重なる部分をＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物と認識する。

２）そして、認識したＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有したＴｉほう化物の各粒子が占める面積を算出する。
一方、１観察領域（１画像）において、Ｂ元素とＮ元素が重なり、かつ、セラミックス結合相に由来する金属元素、例えば、Ｔｉ元素、および／または、Ａｌ元素が重ならない部分をｃＢＮ粒子として、ｃＢＮ粒子が占める面積を算出し、残りの部分を結合相の面積とする。

３）こうして算出したＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有したＴｉほう化物の面積の合計値と、結合相の面積から、１観察領域におけるセラミックス結合相に占めるＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有したＴｉほう化物の含有割合を算出する。

４）これを少なくとも３観察領域（３画像）に対して行い、画像毎に算出したＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有したＴｉほう化物の各粒子の総含有割合の平均値をセラミックス結合相に占める含有割合［面積％］として求める。画像解析に用いる観察領域として、５．０μｍ×５．０μｍ程度の視野領域が好ましい。

なお、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有したＴｉほう化物の、各粒子におけるＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物とＴｉほう化物の存在割合は、前記１）、前記２）から、それぞれの面積を算出し、その値を比較することで求めることができる。

（７）Ｔｉほう化物の平均粒径の測定
Ｔｉほう化物の平均粒径は、以下のａ）～ｃ）のようにして測定する
ａ）前記（６）の１）で認識したＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有したＴｉほう化物の各粒子を粒子解析し、求めた最大長を各粒子の最大長とし、それを各粒子の直径とする。最大長を求める粒子解析としては、例えば、１つの粒子に対してフェレ径を算出することより得られる２つの長さから大きい長さの値を最大長とし、その値を各粒子の直径とする。

ｂ）各粒子をこの直径（フェレ径の最大長）を有する理想球体と仮定して、計算し求めた各粒子の体積を基に累積体積を求め、この累積体積より縦軸を体積百分率［％］、横軸を直径［μｍ］としてグラフを描画させ、体積百分率が５０％のときの直径を測定に用いた１画像内のＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有したＴｉほう化物の平均粒径とする。

ｃ）これを少なくとも３観察領域（３画像）に対して行い、その平均値を、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有したＴｉほう化物の平均粒径［μｍ］とする。粒子解析を行う際には、あらかじめＡＥＳにより分かっているスケールの値を用いて、１ピクセル当たりの長さ［μｍ］を設定しておく。画像解析に用いる観察領域としては、面積割合を求めたときと同様に５.０μｍ×５.０μｍ程度の視野領域が好ましい。

（８）Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の組成の測定
Ｔｉほう化物に含まれるＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の組成については、ＡＥＳの微小部分析の結果から測定することができる。微小部分析を行う際の倍率としては、３００００～５００００倍程度が好ましい。

３．製造方法
本実施形態のｃＢＮ焼結体を作製するための手順の一例を次の（１）～（３）に示す。

（１）結合相を構成する成分の原料粉末の用意
Ｔｉほう化物に含まれるＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の原料粉末を用意する。これらの粉末の例として、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの各ほう化物粉末（例えば、ＶＢ_２粉末、ＮｂＢ_２粉末、ＴａＢ_２粉末）を挙げることができる。

また、結合相の主要原料である従来公知の結合相形成材料粉末として、Ｔｉ化合物粉末（例えば、ＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）粉末、ＴｉＯ_２粉末、ＴｉＳｉ_２粉末）、Ａｌ化合物粉末（例えば、ＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末、ＡｌＮ粉末）、その他化合物粉末（例えば、ＺｒＣ粉末、ＨｆＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、Ｍｏ_２Ｃ粉末、ＷＣ粉末）を用意する。

（２）粉砕・混合
前記（１）で用意したこれらの原料粉末のうち、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの各ほう化物粉末、Ｔｉ化合物粉末、また、必要に応じてその他化合物粉末を、例えば、超硬合金で内張りされたボールミル容器内に超硬合金製ボールとアセトンと共に充填し、蓋をし、ボールミルによる混合および粉砕を行う。

混合および粉砕後、得られたスラリーを乾燥させて超硬合金製ボールと混合粉末を分離し、得られた混合粉末を、ジルコニア製のるつぼに軽く充填し、真空雰囲気中、１４００～１８００℃の範囲内の所定の温度で熱処理した後、熱処理した粉末を解砕し、目開き４５μｍの篩で篩分し、篩を通過したもの（以下、「混合熱処理済粉末」ということがある）を準備する。

また、前記（１）で用意したこれらの原料粉末のうち、Ａｌ化合物粉末に対し、例えば、前記ボールミルによる混合および粉砕を行う。混合および粉砕により得られたスラリーに、前記混合熱処理済粉末と、硬質相として機能させる平均粒径０．２～８．０μｍのｃＢＮ粉末を添加して、各種粉末とスラリーが混和するまで撹拌し、さらに、超音波ホモジナイザーによる混合を行い、混合したスラリーを乾燥させて超硬合金製ボールと混合後の粉末を分離することで、焼結体原料混合粉末を得る。

（３）成形、焼結
次いで、前記（２）で得られた焼結体原料混合粉末を、所定圧力で成形して成形体を作製し、この成形体を、真空雰囲気中、８００～１０００℃の範囲内の所定の温度で仮焼結し、その後、超高圧焼結装置に装入して、例えば、圧力：５．５ＧＰａ、温度：１２００～１６００℃の範囲内の所定の温度で焼結することにより、本発明のｃＢＮ焼結体を作製する。

なお、前記超高圧装置での焼結に至るまでの各工程では、原料粉末の酸化を防止することが好ましく、具体的には非酸化性の保護雰囲気中での取り扱いを実施してもよい。

以下に、本発明の実施例について記載する。

本実施例のｃＢＮ焼結体の製造では、結合相を構成する成分の原料粉末として以下のものを用意した。
原料粉末１（Ｔｉほう化物に含まれるＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の原料）
所定平均粒径のＶＢ_２粉末、ＮｂＢ_２粉末、ＴａＢ_２粉末
原料粉末２として、
原料粉末２－１（Ｔｉ化合物原料）
所定平均粒径のＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）粉末、ＴｉＯ_２粉末、ＴｉＳｉ_２粉末
原料粉末２－２（Ａｌ化合物原料）
所定平均粒径のＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末
原料粉末３（その他化合物原料）
所定平均粒径のＺｒＣ粉末、ＨｆＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、Ｍｏ_２Ｃ粉末、ＷＣ粉末

次に、前記原料粉末１のＴｉほう化物に含まれるＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の原料、前記原料粉末２－１のＴｉ化合物原料、前記原料粉末３のその他化合物原料を所定の割合で配合し、ボールミルにより混合、粉砕し、スラリーを乾燥させて、得られた混合粉末を、ジルコニア製のるつぼに軽く充填し、真空雰囲気中で熱処理し、解砕、篩分して混合熱処理済粉末を準備した。

また、前記原料粉末２－２のＡｌ化合物原料を所定の割合で配合し、ボールミルにより混合、粉砕して、スラリーを作製した。
次に、得られたスラリーに、前記混合熱処理済粉末と、ｃＢＮ粉末を添加して、混和するまで撹拌し、その後、超音波ホモジナイザーによる混合を行い、スラリーを乾燥させて、焼結体原料混合粉末を得た。

すなわち、次のようにした。
前記原料粉末１として、各々平均粒径が１．０～３．０μｍであるＶＢ_２粉末、ＮｂＢ_２粉末、ＴａＢ_２粉末と、
前記原料粉末２のうち、
前記原料粉末２－１として、各々平均粒径が０．２～４．０μｍであるＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）粉末、ＴｉＯ_２粉末、ＴｉＳｉ_２粉末と、
前記原料粉末２－２として、各々平均粒径が０．３～３．０μｍであるＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末と、
前記原料粉末３として、各々平均粒径が０．５～４．０μｍであるＺｒＣ粉末、ＨｆＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、Ｍｏ_２Ｃ粉末、ＷＣ粉末を用意した。

これら原料粉末のうち、前記原料粉末１、前記原料粉末２－１、前記原料粉末３を、超硬合金で内張りされたボールミル容器内に超硬合金製ボールとアセトンと共に充填し、蓋をした後にボールミルによる混合および粉砕を実施後、得られたスラリーを乾燥させて超硬合金製ボールと粉砕後の混合粉末を分離し、次いでこの混合粉末をジルコニア製のるつぼに軽く充填し、圧力：１Ｐａ以下の真空雰囲気中、１６００℃に保持して熱処理し、その後、熱処理した混合粉末の解砕を行い、目開き４５μｍの篩で篩分し、篩を通過した混合熱処理済粉末を準備した。

また、別途、前記原料粉末２－２を、超硬合金で内張りされたボールミル容器内に超硬合金製ボールとアセトンと共に充填し、蓋をした後にボールミルによる混合および粉砕を実施し、Ａｌ化合物スラリーを準備した。

次に、準備したＡｌ化合物スラリーに、前記のように事前に準備した混合熱処理済粉末と、焼結後のｃＢＮ粒子の含有割合が４０～８０体積％となるようにｃＢＮ粉末を添加して、各種粉末とスラリーが混和するまで撹拌し、さらに、超音波ホモジナイザーによる混合を行い、混合したスラリーを乾燥させて超硬合金製ボールと混合後の粉末を分離することで、焼結体原料混合粉末を得た。

次に、得られた焼結体原料混合粉末を、成形圧１ＭＰａで直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法にプレス成形し、次いでこの成形体を、圧力：１Ｐａ以下の真空雰囲気中、９００℃に保持して仮焼結し、その後、超高圧焼結装置に装入して、圧力：５．５ＧＰａ、温度：１４００℃で焼結することにより、表１～２に示す本発明のｃＢＮ焼結体１～２４（本発明焼結体１～２４という）を作製した。
なお、成形体に施す仮焼結は、湿式混合時の溶媒を除去することが主な目的である。

また、表１～２に示す本発明焼結体１～２４の、結合相中に分散する粒子の平均粒径（フェレ径を用いて求めた）、結合相中含有割合、分散する粒子が含有する化合物の平均組成については、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物が、それ以外の結合相成分に接している外周部のうち、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物と、Ｔｉほう化物が接している部分の長さの割合が、前記外周部の長さの６５％以上であるものを選択して測定することで得られた値である。

また、前記平均粒径、前記含有割合、前記平均組成については、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有したＴｉほう化物の、各粒子におけるＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物とＴｉほう化物の存在割合について、Ｔｉほう化物の面積をＡ_ＴＢ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の面積をＡ_ＶＮＴと表す場合、Ａ_ＴＢ／Ａ_ＶＮＴ＝０．３３～４９．００を満たすものを選択して測定することで得られた値である。

比較のため、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有したＴｉほう化物粒子を含まない場合について検討すべく、
（イ）その内部に他の化合物を含有しないＴｉほう化物粒子が分散している場合
（ロ）Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物ではないものを含有したＴｉほう化物粒子が分散している場合
（ハ）Ｔｉほう化物に含有されていない状態のＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物粒子が分散している場合
（ニ）Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有した、Ｔｉほう化物ではない粒子が分散している場合
の４種の比較例を作製した。

（イ）その内部に他の化合物を含有しないＴｉほう化物粒子が分散している（Ｔｉほう化物の中になにも含まない）場合（比較例焼結体１～３）
前記原料粉末１を用意せず、
前記原料粉末２のうち、
前記原料粉末２－１として、各々平均粒径が０．２～４．０μｍであるＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）粉末、ＴｉＯ_２粉末、ＴｉＳｉ_２粉末と、
前記原料粉末２－２として、各々平均粒径が０．３～３．０μｍであるＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末と、
前記原料粉末３として、各々平均粒径が０．５～４．０μｍであるＺｒＣ粉末、ＨｆＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、Ｍｏ_２Ｃ粉末、ＷＣ粉末を用意した。

（ロ）Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物ではないものを含有したＴｉほう化物粒子が分散している場合（比較例焼結体４～６）
前記原料粉末１の代わりとして、各々平均粒径が３．０～６．０μｍであるＣｒＢ_２粉末、ＭｏＢ粉末、ＷＢ粉末と、
前記原料粉末２のうち、
前記原料粉末２－１として、各々平均粒径が０．２～４．０μｍであるＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）粉末、ＴｉＯ_２粉末、ＴｉＳｉ_２粉末と、
前記原料粉末２－２として、各々平均粒径が０．３～３．０μｍであるＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末と、
前記原料粉末３として、各々平均粒径が０．５～４．０μｍであるＺｒＣ粉末、ＨｆＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、Ｍｏ_２Ｃ粉末、ＷＣ粉末を用意した。

（ハ）Ｔｉほう化物に含有されていない状態のＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物粒子（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物が、それ以外の結合相成分に接している外周部のうち、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物と、結合相の主要な構成成分、具体的には、前記原料粉末２－１、前記原料粉末２－２、または、前記原料粉末３に由来する化合物が接している部分の長さの割合が、前記外周部の長さの３５％より大きいもの）が分散している場合（比較例焼結体７～１０）
前記原料粉末１の代わりとして、各々平均粒径が３．０～６．０μｍであるＶＮ粉末、ＮｂＮ粉末、ＴａＮ粉末と、
前記原料粉末２のうち、
前記原料粉末２－１として、各々平均粒径が０．２～４．０μｍであるＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）粉末、ＴｉＯ_２粉末、ＴｉＳｉ_２粉末と、
前記原料粉末２－２として、各々平均粒径が０．３～３．０μｍであるＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末と、
前記原料粉末３として、各々平均粒径が０．５～４．０μｍであるＺｒＣ粉末、ＨｆＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、Ｍｏ_２Ｃ粉末、ＷＣ粉末を用意した。

（ニ）Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有した、Ｔｉほう化物ではない粒子（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物を含有したＴｉ珪化物粒子）が分散している場合（比較例焼結体１１～１２）
前記原料粉末１の代わりとして、各々平均粒径が２．０～５．０μｍであるＮｂＳｉ_２粉末、ＴａＳｉ_２粉末と、
前記原料粉末２のうち、
前記原料粉末２－１として、各々平均粒径が０．２～４．０μｍであるＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）粉末、ＴｉＯ_２粉末、ＴｉＳｉ_２粉末と、
前記原料粉末２－２として、各々平均粒径が０．３～３．０μｍであるＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末と、
前記原料粉末３として、各々平均粒径が０．５～４．０μｍであるＺｒＣ粉末、ＨｆＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、Ｍｏ_２Ｃ粉末、ＷＣ粉末を用意した。

前記（イ）～（ニ）で用意した原料粉末を、各々所定の割合で配合し、本発明焼結体１～２４と同様な条件でボールミルによる混合および粉砕を実施し、真空雰囲気中で熱処理し、解砕、篩分し、混合熱処理済粉末を準備した。

また、別途、前記原料粉末２－２を、本発明焼結体１～２４と同様な条件でボールミルによる混合および粉砕を実施し、Ａｌ化合物スラリーを準備した。

次に、準備したＡｌ化合物スラリーに、前記のように事前に準備した混合熱処理済粉末と、焼結後のｃＢＮ粒子の含有割合が４０～８０体積％となるようにｃＢＮ粉末を添加して、本発明焼結体１～２４と同様な条件で撹拌し、超音波ホモジナイザーによる混合を行い、焼結体原料混合粉末を得た。

その後、本発明焼結体１～２４と同様な条件で成形体を作製し、仮焼結し、この成形体を、本発明焼結体１～２４と同様な条件で超高圧高温焼結することにより、表３～４に示す比較例のｃＢＮ焼結体（以下、比較例焼結体という）１～１２を作製した。

なお、比較例のＡ_ＴＢ／Ａ_ＶＮＴの値については、比較例焼結体４～６の場合、Ａ_ＶＮＴの値はＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の面積の代わりにＴｉほう化物に含有されるＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物ではないものの面積を用いて、また、比較例焼結体１１～１２の場合、Ａ_ＴＢの値はＴｉほう化物の面積の代わりにＴｉ珪化物の面積を用いて、それぞれ求められたものである。

次に、前記で作製した本発明焼結体１～２４、比較例焼結体１～１２を、ワイヤー放電加工機で所定寸法に切断して、Ｃｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成を有し、ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製インサート本体のろう付け部（コーナー部）に、Ｃｕ：２６質量％、Ｔｉ：５質量％、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、上下面および外周研磨、ホーニング処理を施すことにより、ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもつ本発明のｃＢＮ工具（本発明工具という）１～２４、および、比較例のｃＢＮ工具（比較例工具という）１～１２を製造した。

次いで、本発明工具１～２４と比較例工具１～１２に対して、以下の切削条件で高硬度鋼の乾式切削加工試験を実施し、工具寿命に至るまでの加工時間を測定した。
＜切削条件＞
被削材：浸炭焼入鋼（ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５、硬さ：ＨＲＣ５８～６２）の丸棒、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：０．１ｍｍ
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ

各工具の刃先がチッピングあるいは欠損に至るまで、または刃先逃げ面部分の最大摩耗量が１５０μｍに至るまでの加工時間を工具寿命とし、加工時間３０秒毎に刃先を観察し、刃先の欠損やチッピングの有無と摩耗量を確認した。
表５に、上記切削加工試験の結果を示す。

表５に示される結果から、本発明工具は、比較例工具に比して、突発的な刃先の欠損や早期のチッピングが発生することなく、工具寿命が延命化されており、ｃＢＮ焼結体の耐摩耗性、耐チッピング性が向上したことが分かり、焼入鋼の切削加工においても、切削工具の長寿命化に優れた効果を奏するものである。

本発明の耐摩耗性に優れたｃＢＮ焼結体は、切削工具の工具基体として用いると、長期の使用にわたって、優れた耐摩耗性を発揮し、工具寿命の延命化が図られるものであることから、切削加工装置の高性能化、並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ものである。

１ ｃＢＮ粒子
２ セラミックス結合相（結合相）
３ Ｔｉほう化物
４ Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物

Claims (5)

1. 立方晶窒化ほう素と結合相を有するｃＢＮ焼結体であって、
   前記結合相中には、Ｔｉほう化物が分散しており、
   前記Ｔｉほう化物は、その内部にＶ、Ｎｂ、Ｔａの単独または複合化合物の１種または２種以上を含有する、
   ことを特徴とするｃＢＮ焼結体。
2. 前記化合物は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの１または２以上を固溶していることを特徴とする請求項１に記載のｃＢＮ焼結体。
3. 前記Ｔｉほう化物は、前記結合相中に０．５～１５．０面積％の割合で分散していることを特徴とする請求項１または２に記載のｃＢＮ焼結体。
4. 前記Ｔｉほう化物の平均粒径が、０．０４～０．８０μｍであることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のｃＢＮ焼結体。
5. 請求項１～４のいずれかに記載のｃＢＮ焼結体を工具基体とする切削工具。

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