JP2024521758A

JP2024521758A - 多結晶立方晶窒化ホウ素体

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Publication number: JP2024521758A
Application number: JP2023572621A
Authority: JP
Inventors: ラシッドムソウビ，; フィリップレンリック，; ヴォロディミルブッシュヤ，
Original assignee: セコツールズアクティエボラーグ
Priority date: 2021-05-27
Filing date: 2022-05-25
Publication date: 2024-06-04
Also published as: KR20240014045A; WO2022248582A1; CN117279876A; EP4347531A1

Abstract

本発明は、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）焼結体（１，２）、およびその製造方法、ならびにその使用に関する。立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子を４０と８５体積％の間、および結合剤相を１５と６０体積％の間で含む多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）焼結体（１，２）であって、上記結合剤相が、少なくとも１つの金属酸化物および少なくとも１つの金属窒化物を含む、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）焼結体（１，２）。上記少なくとも１つの金属酸化物は、上記結合剤相の金属酸化物の総含有量の体積パーセンテージで計算される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を２０と１００体積％の間、およびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を最大８０体積％含み、上記少なくとも１つの金属窒化物は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ならびに、窒化バナジウム（ＶＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）および窒化ハフニウム（ＨｆＮ）からなる群から選択される少なくとも１つの金属窒化物を含み、窒化バナジウム（ＶＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）および窒化ハフニウム（ＨｆＮ）からなる群から選択される上記少なくとも１つの金属窒化物の含有量が全結合剤相の少なくとも１０体積％であり、上記少なくとも１つの金属酸化物の含有量が全結合剤相の少なくとも１０体積％である。【選択図】図３

Description

本開示は、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）体、上記多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）体の製造方法、およびその使用に関する。

耐熱性ニッケルベース、またはコバルトベースの超合金（ＨＲＳＡ）等の機械加工が困難である材料のための現在の工具ソリューションは、通常、比較的低い切削速度で操作する、被覆された超硬合金工具の使用に限定されている。これが航空宇宙製造業界における現在の通常のプラクティスである。

ＨＲＳＡ合金を機械加工する際にみられる主な摩耗形態は、クレーター摩耗、逃げ摩耗／ノーズ摩耗、ノッチング、クラッキング、チッピング、塑性変形、および壊滅的な欠損である。クレータリングは、多くの場合、平滑な摩耗面が観測される拡散摩耗または溶解摩耗メカニズムに属する。加えて、擦り減りは、高い切削温度での工具材料軟化に起因する逃げ摩耗の進行を伴う。切削工具の逃げ部は被削材の接触運動および逃げ摩耗に晒され、切削が進むにつれて被削材の表面品質の不足、切削プロセスの不正確性および摩擦の増大を招く。多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）の切削工具は高温で高い硬度を維持できるため、ＨＲＳＡ合金を機械加工する場合に高評価を得る。

生産性向上の要望の高まりに伴い、例えば、切削速度の上昇、または高い金属除去率を有することにより、航空用エンジン製造において、被覆された超硬合金に対する代替の解決法が現れ、ＨＲＳＡ合金の高速機械加工の半仕上げ加工用途に用いることができる。現在用いられている代替の解決法の例は、炭化チタン（ＴｉＣ）または炭化窒化チタン（ＴｉＣＮ）ベースの結合剤を有するＰＣＢＮ切削工具である。

依然として、ＰＣＢＮ材料は、超硬合金材料に比べて高いコストを有し、費用対効果を高めるには、結合剤としてＴｉＣまたはＴｉＣＮを有する従来のＰＣＢＮソリューションを用いる場合よりもさらに高い生産性を示す必要がある。

特許出願ＷＯ２０１１０９８５５６Ａ１は、ＴｉＣまたはＴｉＣＮを含む従来の結合剤相を有するＰＣＢＮ材料の例を開示している。従来のＰＣＢＮ組成物からは外れるが、特許出願ＥＰ３２３９１１６Ａ１は、ｃＢＮを４０と８５体積パーセント（体積％）および結合剤相を１５と６０体積％有するＰＣＢＮ焼結体を示している。上記結合剤相は、主な構成物がＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ等のアルミニウム（Ａｌ）化合物であり、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）等の酸化ジルコニウム（Ｚｒ）化合物である添加物、および立方晶窒化ホウ素焼結体全体の最大１０体積％の量で二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を有する。

上記要望を満たすため、切削工具のボディに使用可能な新たなＰＣＢＮ材料であり、機械加工操作中の工具寿命を向上させる高度な特性を有するＰＣＢＮ材料の需要が存在する。より優れた逃げ摩耗抵抗および／または境界摩耗抵抗が得られる場合、いくつかの機械加工用途および操作のための、より長い工具寿命を得ることができる。

本発明の目的は、機械加工操作の性能が向上したＰＣＢＮ焼結体を提供することである。

この目的は、請求項１に規定されたＰＣＢＮ体および請求項１４に記載の方法により達成される。

本開示は、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子を４０と８５体積％の間、および結合剤相を１５と６０体積％の間で含む多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）焼結体であって、上記結合剤相は、少なくとも１つの金属酸化物および少なくとも１つの金属窒化物を含み、上記少なくとも１つの金属酸化物は、結合剤の金属酸化物の総含有量の体積パーセンテージで計算される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を２０と１００体積％の間、およびアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を最大８０体積％含み、上記少なくとも１つの金属窒化物は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ならびに窒化バナジウム（ＶＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）および窒化ハフニウム（ＨｆＮ）からなる群から選択される少なくとも１つの金属窒化物を含み、上記金属窒化物の含有量は、結合剤相の少なくとも１０体積％である、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）焼結体を提供する。これにより、機械加工操作の性能が向上したＰＣＢＮ体が得られる。

本開示はまた、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子を４０と８５体積％の間、および結合剤相を１５と６０体積％の間で含む多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）焼結体であって、上記結合剤相は、少なくとも１つの金属酸化物および少なくとも１つの金属窒化物を含み、上記少なくとも１つの金属酸化物は、結合剤の金属酸化物の総含有量の体積パーセンテージで計算される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を２０と１００体積％の間、およびアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を最大８０体積％含み、上記少なくとも１つの金属窒化物は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ならびに窒化バナジウム（ＶＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）および窒化ハフニウム（ＨｆＮ）からなる群から選択される少なくとも１つの金属窒化物を含み、上記の窒化バナジウム（ＶＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）および窒化ハフニウム（ＨｆＮ）の少なくとも１つから選択される金属窒化物の含有量が全結合剤相の少なくとも１０体積％を構成し、上記少なくとも１つの金属酸化物が、全結合剤相の少なくとも１０体積％、好ましくは、例えば少なくとも２０体積％または少なくとも３０体積％または少なくとも４０体積％または少なくとも５０体積％または少なくとも６０体積％を構成する、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）焼結体を提供する。

一つの実施形態によれば、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）焼結体中のＡｌＮの含有量は、全結合剤相の１から１０体積％、例えば１から７体積％、例えば２から６体積％または３から５体積％の範囲である。一部の態様によれば、ＰＣＢＮ体の結合剤相は、さらに、少なくとも１つの金属酸化物のうちの１つと、少なくとも１つの金属窒化物のうちの１つとの反応生成物である少なくとも１つの金属酸窒化物を含む。言い換えると、結合剤相が少なくとも１つの金属酸窒化物を含む場合、少なくとも１つの金属酸窒化物は、ＺｒＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される金属酸化物と、ＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群から選択される金属窒化物との反応生成物である。試験では、上記で開示された組成物による結合剤相を有するＰＣＢＮ体の平均工具寿命は、他の種類の結合剤相組成物を用いた先行技術の解決法に比べて向上することを示した。ＰＣＢＮ体の結合剤相が上記で開示された組成物に従った組成物を有する場合、同じ切削パラメーターが使用される場合、機械加工の間、先行技術の解決法よりも高い逃げ摩耗抵抗、ならびに高い境界摩耗抵抗が得られる。

一部の態様によれば、ＰＣＢＮ体は、ｃＢＮ粒子を５０と７５体積％の間、好ましくはｃＢＮ粒子を６０と７５体積％の間、さらにより好ましくはｃＢＮ粒子を６０と７０体積％の間で含む。

一部の態様によれば、ＰＣＢＮ体は、結合剤相を２５と５０体積％の間、好ましくは結合剤相を２５と４０体積％の間、さらにより好ましくは３０と４０体積％の間で含む。

一部の態様によれば、ＰＣＢＮ体中のｃＢＮ粒子および結合剤相の含有量は、ＰＣＢＮ体の最大１００体積％である。

一部の態様によれば、結合剤相中の金属酸化物、金属窒化物および金属酸窒化物の含有量は、結合剤相の最大１００体積％である。

一部の態様によれば、上記結合剤相は、ジルコニウム酸窒化物（Ｚｒ（Ｏ，Ｎ））、ジルコニウムバナジウム酸窒化物（（Ｚｒ，Ｖ）ＯＮ）、ジルコニウムニオブ酸窒化物（（Ｚｒ，Ｎｂ）ＯＮ）およびジルコニウムハフニウム酸窒化物（（Ｚｒ，Ｈｆ）ＯＮ）からなる群から選択される少なくとも１つの酸窒化物を含む。

一部の態様によれば、上記結合剤相は、アルミニウム酸窒化物（Ａｌ（Ｏ，Ｎ））、アルミニウムバナジウム酸窒化物（（Ａｌ，Ｖ）ＯＮ）、アルミニウムニオブ酸窒化物（（Ａｌ，Ｎｂ）ＯＮ）およびアルミニウムハフニウム酸窒化物（（Ａｌ，Ｈｆ）ＯＮ）からなる群から選択される少なくとも１つの酸窒化物を含む。

一部の態様によれば、上記結合剤相は、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ならびにＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群から選択される少なくとも１つの金属窒化物からなる。

一部の態様によれば、ＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群から選択される金属窒化物は、全結合剤の最大６０体積％、例えば全結合剤相の最大５０体積％、例えば全結合剤相の最大４０体積％または最大３０体積％または最大２０体積％を構成する。ＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群からの金属窒化物である全結合剤相を最大６０体積％または最大５０体積％または最大４０体積％または最大３０体積％または最大２０体積％を有することにより、金属酸化物相のみを含む結合剤に比べ、材料の機械特性および切削エッジの耐チッピング性が向上する。

一部の態様によれば、ＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群から選択される金属窒化物は、全結合剤相の１０と５０体積％の間を構成する。ＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群からの金属窒化物である全結合剤相を１０と５０体積％の間で有することにより、金属酸化物相のみを含む結合剤に比べ、材料の機械特性および切削エッジの耐チッピング性が向上する。

一つの実施形態によれば、ＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群から選択される金属窒化物は、全結合剤相の少なくとも２０体積％または少なくとも３０体積％または少なくとも４０体積％を構成する。

一つの実施形態によれば、窒化アルミニウムの含有量は本明細書でさらに特定される通りであるが、上記少なくとも１つの金属酸化物と窒化アルミニウムとを合わせて、全結合剤相の最大９０体積％または最大８０体積％または最大７０体積％または最大６０体積％または最大５０体積％または最大４０体積％または最大３０体積％または最大２０体積％を構成する。

一部の態様によれば、上記結合剤相は、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、およびＡｌＮ、ＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群から選択される少なくとも１つの金属窒化物、ならびにＺｒ（Ｏ，Ｎ）、（Ｚｒ，Ｖ）ＯＮ、（Ｚｒ，Ｎｂ）ＯＮ、（Ｚｒ，Ｈｆ）ＯＮ、Ａｌ（Ｏ，Ｎ）、（Ａｌ，Ｖ）ＯＮ、（Ａｌ，Ｎｂ）ＯＮおよび（Ａｌ，Ｈｆ）ＯＮからなる群から選択される少なくとも１つの酸窒化物からなる。試験は、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、およびＡｌＮ、ＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群から選択される少なくとも１つの金属窒化物、ならびにＺｒ（Ｏ，Ｎ）、（Ｚｒ，Ｖ）ＯＮ、（Ｚｒ，Ｎｂ）ＯＮ、（Ｚｒ，Ｈｆ）ＯＮ、Ａｌ（Ｏ，Ｎ）、（Ａｌ，Ｖ）ＯＮ、（Ａｌ，Ｎｂ）ＯＮおよび（Ａｌ，Ｈｆ）ＯＮからなる群から選択される少なくとも１つの酸窒化物からなる結合剤相を含むＰＣＢＮ体の平均工具寿命は、他の種類の結合剤相組成物を用いる先行技術の解決法に比べて上昇することを示した。

一部の態様によれば、上記酸窒化物および金属窒化物は、ＰＣＢＮ体の全結合剤相の１０と５０体積％の間である。好ましくは、上記酸窒化物および金属窒化物は、ＰＣＢＮ体の全結合剤相の２５と５０体積％の間である。

一部の態様によれば、ＺｒＯ_２は、結合剤相の金属酸化物の総含有量の２０と９０体積％の間である。好ましくはＺｒＯ_２は結合剤相の金属酸化物の総含有量の５０と９０体積％の間であり、さらにより好ましくはＺｒＯ_２は結合剤相の金属酸化物の総含有量の７０と９０体積％の間である。

一部の態様によれば、Ａｌ_２Ｏ_３は、全結合剤相の５と２５体積％の間である。好ましくはＡｌ_２Ｏ_３は、全結合剤相の５と１５体積％の間である。一つの実施形態によれば、さらなる構成物は、結合剤相、例えばＴｉＣまたは他の従来から使用されている構成物中に含まれ得る。しかし、上記結合剤相は、本明細書でさらに特定される通りの金属酸化物および金属窒化物からなることが好ましい。

一部の態様によれば、上記ＰＣＢＮ体は、超硬合金の下地体により裏打ちされている。

一部の態様によれば、上記ＰＣＢＮ体は、厚さが０．８μｍと１５μｍの間であるＰＶＤ被覆またはＣＶＤ被覆で被覆されている。

一部の態様によれば、上記ＰＣＢＮ体は、単一の（Ｔｉ_１―ｘＡｌ_ｘ）Ｎ_ｚ（式中、０．１＜ｘ＜０．４、０．６＜ｚ＜１．２）層である第１の（Ｔｉ，Ａｌ）ベースの窒化物サブコーティング、および、（Ｔｉ_{１―ｘ１―ｙ１}Ａｌ_ｘ１Ｃｒ_ｙ１）Ｎ_ｚ１（式中、０．５＜ｘ１＜０．７５、０．０５＜ｙ１＜０．２、０．６＜ｚ１＜１．２）層を含む積層構造である第２の（Ｔｉ，Ａｌ）ベースの窒化物サブコーティングを含むＰＶＤ被覆で被覆されている。好ましくは第１の（Ｔｉ，Ａｌ）ベースの窒化物サブコーティングの厚さは０．１μｍと２μｍの間である。積層構造を有する第２の（Ｔｉ，Ａｌ）ベースの窒化物サブコーティングは、Ａ層とＢ層との交互体：Ａ／Ｂ／Ａ／Ｂ／Ａ／Ｂ／．．．、（式中、層Ａは（Ｔｉ_１―ｘＡｌ_ｘ）Ｎ_ｚ、０．１＜ｘ＜０．４、０．６＜ｚ＜１．２であり、層Ｂは（Ｔｉ_{１―ｘ１―ｙ１}Ａｌ_ｘ１Ｃｒ_ｙ１）Ｎ_ｚ１、０．５＜ｘ１＜０．７５、０．０５＜ｙ１＜０．２、０．６＜ｚ１＜１．２である）からなり得る。好ましくは第２の（Ｔｉ，Ａｌ）ベースの窒化物サブコーティングは、厚さが０．５μｍと１０μｍの間である積層構造を有し、積層構造のＡ層およびＢ層は、平均個別層厚さが１ｎｍと１００ｎｍの間、好ましくは５ｎｍと５０ｎｍの間、最も好ましくは５ｎｍと３０ｎｍの間である。

一部の態様によれば、上記ＰＣＢＮ体は、層Ａが（Ｔｉ_１―ｘＡｌ_ｘＭｅ１_ｐ）Ｎａであり、ここで０．３＜ｘ＜０．９５、好ましくは０．４５＜ｘ＜０．７５、０．９０＜ａ＜１．１０、好ましくは０．９６＜ａ＜１．０４、０≦ｐ＜０．１５であり、Ｍｅ１はＺｒ、Ｙ、Ｖ、Ｎｂ、ＭｏおよびＷのうちの１つまたは複数であり、層Ｂが（Ｔｉ_{１―ｙ―ｚ}Ｓｉ_ｙＭｅ２_ｚ）Ｎ_ｂであり、ここで０．０５＜ｙ＜０．２５、好ましくは０．０５＜ｙ＜０．１８、０≦ｚ＜０．４、０．９＜ｂ＜１．１、好ましくは０．９６＜ｂ＜１．０４であり、Ｍｅ２はＹ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷおよびＡｌのうちの１つまたは複数である、柱状でありかつＡ層とＢ層との交互体の多結晶性ナノ積層構造を含むＰＶＤ被覆で被覆されている。上記ナノ積層構造の厚さは０．５μｍと１０μｍの間、好ましくは０．５μｍと５μｍの間であり、平均列幅は２０ｎｍと１０００ｎｍの間であり、Ａ層とＢ層の平均個別厚さは１ｎｍと５０ｎｍの間である。

一部の態様によれば、上記ＰＣＢＮ体は、切削工具または切削工具の切削チップである。上記切削工具は、旋盤加工、フライス加工またはドリル加工操作において等、切り屑除去による機械加工に用いられる。切削工具の例はインデックス可能な切削インサート、ソリッドドリルおよびエンドミルである。

本開示は、上記態様のいずれかによるＰＣＢＮ体の製造方法であって、下記工程：
（ａ）平均粒子径が０．５μｍと１５μｍの間である立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粉末を準備する工程と、
（ｂ）ＺｒＯ_２、またはＺｒＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との混合物、結合剤混合物の少なくとも１０体積％を構成するＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群から選択される少なくとも１つの金属窒化物、ならびに金属アルミニウムを含む結合剤構成物を準備する工程と、
（ｃ）上記結合剤構成物をｃＢＮ粉末と混ぜ合わせて粉末混合物にする工程と、
（ｄ）上記粉末混合物を粉砕する工程と、
（ｅ）上記粉末混合物の未焼結体（ｇｒｅｅｎｂｏｄｙ）を形成する工程と、
（ｆ）減圧下で６００℃超の温度で上記未焼結体を熱処理して十分な脱気および吸収種の除去を確実にする工程と、
（ｇ）上記未焼結体を少なくとも１２００℃の温度で、かつ少なくとも４ＧＰａの圧力で焼結して、ソリッドＰＣＢＮ焼結コンパクトを形成して、それからＰＣＢＮ体を形成する工程と
を含む、方法を提供する。

一つの実施形態によれば、金属アルミニウムは、添加された成分の総量の１から１０体積％または１から５体積％の量で添加される。

一部の態様によれば、上記未焼結体の熱処理工程は１１００℃未満の温度で実施される。

一部の態様によれば、上記未焼結体の焼結工程は、２０００℃未満の温度で実施される。

一部の態様によれば、上記製造されたソリッドＰＣＢＮ焼結コンパクトは、その後放電加工（ＥＤＭ）またはレーザーを用いることによりピースごとに切り分けられる。

本開示は、ニッケルベースの超合金および／またはコバルトベースの超合金を機械加工するための、上記の態様のいずれかによるＰＣＢＮ体の使用を提供する。

本発明は、本発明の各種実施形態の記載により、および添付の図面を参照して、以降でより詳細に説明される。

ソリッドＰＣＢＮ体の一例を示す図である。超硬合金インサートキャリアにろう付けされた超硬下地体を用いたソリッドＰＣＢＮ体の別の例を示す図である。本発明の実施形態によるＰＣＢＮ体上の逃げ摩耗の光学顕微鏡画像を示す図である。第１の比較のＰＣＢＮ体上の逃げ摩耗の光学顕微鏡画像を示す図である。第２の比較のＰＣＢＮ体上の逃げ摩耗の光学顕微鏡画像を示す図である。本発明の実施形態によるＰＣＢＮ体上の境界摩耗の光学顕微鏡画像を示す図である。第１の比較のＰＣＢＮ体上の境界摩耗の光学顕微鏡画像を示す図である。第２の比較のＰＣＢＮ体上の境界摩耗の光学顕微鏡画像を示す図である。ＰＣＢＮ体の製造方法例のブロック図を示している。本発明の実施形態によるＰＣＢＮ体のＳＥＭ画像および各種元素のＸＥＤＳマッピングを示す図である。本発明の実施形態によるＰＣＢＮ体のＸ線θ―２θディフラクトグラムを示す図である。

本開示の態様は、添付の図面を参照して以降でより十分に説明される。但し、本明細書に開示されたデバイスおよび方法は、多くの異なる形態により実現することができ、本明細書で説明された態様に限定されると解釈されるべきではない。全体において、図面における同様の付番は同様の要素を参照する。

本開示に用いられる専門用語は、本開示の特定の態様を説明することのみを目的としており、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書において使用されている通り、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈上明らかに別の意味を指すと判断されない限り、複数形も含むことを意図する。

用語「切削工具」は、本明細書において使用されている通り、旋盤加工、フライス加工またはドリル加工等の切り屑除去による金属切削に好適な切削工具を表すことを意図している。切削工具の例はインデックス可能な切削インサート、ソリッドドリルおよびエンドミルである。

特に定義されていない限り、本明細書で用いられている全ての用語は、本開示の属する当業者により通常理解される意味と同じ意味を有する。

切削工具インサートに共通することは、切削工具インサートがソリッド体、または、すくい面上の切削エッジ上、いわゆるチップが取り付けられたボディ上、もしくは切削工具インサートが全すくい面、いわゆるフルフェイス（ｆｕｌｌ－ｆａｃｅ）ボディを覆うように、のいずれかにより追加の材料が配置された下地体を含むボディであってもよいことである。

図１はＰＣＢＮ焼結体１の例を示している。図１のＰＣＢＮ体は、ソリッド体である。図１におけるソリッドＰＣＢＮ焼結体１は、それ自体が切削工具インサートであってもよく、または、切削工具インサートの切削チップ等に使用されるピースに細かく切り分けてもよい。図２は、下地体４および本開示によるＰＣＢＮ焼結体２の形態の切削チップを含む切削工具インサート３の例を示している。ＰＣＢＮ体２は、例えば、超硬合金製である下地体４に一体的に接合している。

本開示は、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子を４０と８５体積％の間、および結合剤相を１５と６０体積％の間で含み、上記結合剤相は、少なくとも１つの金属酸化物および少なくとも１つの金属窒化物を含む、ＰＣＢＮ焼結体１、２を提供する。上記少なくとも１つの金属酸化物は、結合剤の金属酸化物の総含有量の体積パーセンテージで計算される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を２０と１００体積％の間、およびアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を最大８０体積％含む。さらに、上記少なくとも１つの金属窒化物は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ならびに、窒化バナジウム（ＶＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）および窒化ハフニウム（ＨｆＮ）からなる群から選択される少なくとも１つの金属窒化物を含む。上記金属窒化物の含有量は、結合剤相の少なくとも１０体積％である。

ＰＣＢＮ焼結体１の結合剤相は例えば、少なくとも１つの金属酸化物のうちの１つおよび少なくとも１つの金属窒化物のうちの１つの反応生成物である少なくとも１つの金属酸窒化物を含んでいてもよい。

上記結合剤相は例えば、ジルコニウム酸窒化物（Ｚｒ（Ｏ，Ｎ））、ジルコニウムバナジウム酸窒化物（（Ｚｒ，Ｖ）ＯＮ）、ジルコニウムニオブ酸窒化物（（Ｚｒ，Ｎｂ）ＯＮ）およびジルコニウムハフニウム酸窒化物（（Ｚｒ，Ｈｆ）ＯＮ）からなる群から選択される少なくとも１つの酸窒化物を含んでいてもよい。

それに代えて、または加えて、上記酸窒化物は例えば、アルミニウム酸窒化物（Ａｌ（Ｏ，Ｎ））、アルミニウムバナジウム酸窒化物（（Ａｌ，Ｖ）ＯＮ）、アルミニウムニオブ酸窒化物（（Ａｌ，Ｎｂ）ＯＮ）およびアルミニウムハフニウム酸窒化物（（Ａｌ，Ｈｆ）ＯＮ）からなる群から選択される少なくとも１つの酸窒化物を含んでもよい。

酸窒化物、ならびに窒化バナジウム（ＶＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）および窒化ハフニウム（ＨｆＮ）の少なくとも１つの金属窒化物の含有量は例えば、全結合剤相の１０と５０体積％の間である。

図９は、ＰＣＢＮ体１、２の製造方法例のブロック図を示している。上記方法例に従い、下記工程
（ａ）平均粒子径が０．５μｍと１５μｍの間である立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粉末を準備する工程と
（ｂ）ＺｒＯ_２、またはＺｒＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との混合物、ＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群から選択される少なくとも１つの金属窒化物であって、上記結合剤混合物の少なくとも１０体積％である金属窒化物、ならびに金属アルミニウム結合剤構成物を準備する工程と
（ｃ）上記結合剤構成物をｃＢＮ粉末と混ぜ合わせて粉末混合物にする工程と
（ｄ）上記粉末混合物を粉砕する工程と
（ｅ）上記粉末混合物の未焼結体を形成する工程と
（ｆ）減圧下で６００℃超の温度で上記未焼結体を熱処理して十分な脱気および吸収種の除去を確実にする工程と
（ｇ）上記未焼結体を少なくとも１２００℃の温度で、かつ少なくとも４ＧＰａの圧力で焼結して、ソリッドＰＣＢＮ焼結コンパクトを形成して、それからＰＣＢＮ体（１，２）を形成する工程と
が実施される。

代替の方法例によれば、下記工程は、ＰＣＢＮ体を製造するために実施される：
― 六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）粉末から平均粒子径が０．５μｍと１５μｍの間である立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粉末を準備する工程であり、これが標準的なプラクティスに従って高温かつ高圧で実施される、工程、
― ＺｒＯ_２、またはＺｒＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との混合物、ＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群から選択される少なくとも１つの金属窒化物であって、上記結合剤混合物の少なくとも１０体積％である金属窒化物、ならびに金属アルミニウムを含む結合剤構成物の結合剤混合物を準備する工程、
― 上記結合剤混合物を粉砕して結合剤構成物の平均粒子径を０．５μｍと１０μｍの間にする工程、
― 粉砕された上記結合剤混合物をｃＢＮ粉末と混ぜ合わせて粉末混合物にする工程、
― 平均粒子径を低減し、結合剤混合物中のｃＢＮ相の正確な混合および分散を確実にするために上記粉末混合物を粉砕する工程、
― 上記粉末混合物の未焼結体を形成する工程、
― 減圧下で６００℃超の温度で上記未焼結体を熱処理して十分な脱気および吸収種の除去を確実にする工程、
― 未焼結体を少なくとも１２００℃の温度で、かつ少なくとも４ＧＰａの圧力で焼結して、ソリッドＰＣＢＮ焼結コンパクトを形成して、それからＰＣＢＮ体を形成する工程。

ソリッドＰＣＢＮ焼結コンパクトは、例えば、ＥＤＭまたはレーザーを用いることによりピースごとに切り分けられる。ＰＣＢＮ体１、２を形成する切り分けられたピースは、超硬合金下地体４にろう付けして、例えば、図２でみられるような切削工具等に形成してもよい。

実施形態例によれば、ＰＣＢＮ体１、２は上記方法に従って製造され、上記ＰＣＢＮ体は、ｃＢＮ粒子を約６０体積％、ならびにＺｒＯ_２（立方晶および正方晶の両方）、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＶＮおよびジルコニウム酸窒化物（Ｚｒ（Ｏ，Ｎ））を含む結合剤相を有している。図１０は、ＰＣＢＮ体中の各種元素のＸＥＤＳマッピングを示しており、ＸＥＤＳマップから、ＢおよびＮを含む上記ｃＢＮ結晶粒がどのようにＯ、Ｎ、Ａｌ、ＶおよびＺｒを含む結合剤相中に存在するかが分かる。図１１は、Ｃｕ―Ｋα放射線およびθ―２θスキャンを用いて測定される、ＰＣＢＮ体中の立方晶ＢＮ、ＺｒＯ_２（立方晶および正方晶の両方）、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＶＮおよびジルコニウム酸窒化物（Ｚｒ（Ｏ，Ｎ））のＸ線回折（ＸＲＤ）強度を示している。用いられた回折計はＳＴＯＥＳＴＡＤＩＭＰであった。図１１におけるＸＲＤパターンの分析に関し、下記ＣｒｙｓｔａｌＩｍｐａｃｔＥｎｔｒｙ（ＣＩＥ）―カードが用いられた：
Ａｌ_２Ｏ_３、ＣＩＥ―カード：９６―１００―００１８
ＡｌＮ、ＣＩＥ―カード：９６―１５２―３０９６
ＢＮ、ＣＩＥ―カード：９６―０３５―１３６５（立方晶）
ＶＮ、ＣＩＥ―カード：９６―０３５―０７６８
ＺｒＯ_２、ＣＩＥ―カード：９５―０５０―１０８９（正方晶）
ＺｒＯ_２、ＣＩＥ―カード：９６―９００―７４４９（立方晶）
Ｚｒ_ｘ（Ｏ，Ｎ）_ｙ、ＣＩＥ―カード：９６―０５０―１１７２

実施例１
表１の試料１に対応する組成物を有する本開示の実施形態によるＰＣＢＮ切削工具は、上記製造方法の上記の代替の実施形態例に従って作製された。表１の試料２による組成物を有する従来のＴｉＣ―結合剤を有する第１の比較のＰＣＢＮ切削工具、および、表１の試料３による組成物を有する従来のＴｉＣＮ―結合剤を有する第２の比較のＰＣＢＮ切削工具は、試料１と同一の粉末調製および焼結条件下で作製された。

ＩＳＯＲＮＧＮ０９０３００インサート形状で切削工具を製造した。

試料１～３による組成物を有するＰＣＢＮ切削工具を用いて、時効状態で供給され、かつ硬度がＨＲＣ４５であるインコネル７１８被削材材料の旋盤加工を長手方向で実施した。

用いられた切削データは下記の通りであった：
１．送り量ｆ＝０．１０ｍｍ／回転で、切削速度ｖ_ｃ＝３００ｍ／分
２．送り量ｆ＝０．１０ｍｍ／回転で、切削速度ｖ_ｃ＝３５０ｍ／分
一方で、切込み深さは、両方のケースにおいて、高速仕上げ加工条件に相当するａ_ｐ＝０．３ｍｍであった。冷媒として８％オイル水エマルションを用いて、高圧局部冷却（ＨＰＤＣ）を適用し、切削工具のすくい面および逃げ面において冷媒圧力を９０ｂａｒに設定した。

切削速度ｖ_ｃ＝３００ｍ／分で３．２分、および切削速度ｖ_ｃ＝３５０ｍ／分で２．７分の切削時間に相当する９５０メートルの螺旋長さの後に逃げ摩耗を測定した。

ＯｌｙｍｐｕｓＳＺＸ７光学顕微鏡を用いて逃げ摩耗を測定した。

３００ｍ／分および３５０ｍ／分の切削速度で測定された逃げ摩耗が表２に示されている。

図３、図４および図５のＳＥＭ画像は、切削速度３５０ｍ／分、送り量ｆ＝０．１ｍｍ／回転および切込み深さａ_ｐ＝０．３ｍｍの２．７分後における試料１～３の逃げ摩耗を示している。

実施例１に関する実験結果および観測から、本発明による組成を有するＰＣＢＮ切削工具は、従来のＴｉＣ―結合剤およびＴｉＣＮ―結合剤と比べて、性能において５０％超の向上が実証されたと結論付けられた。

実施例２
時効状態で供給され、かつ硬度がＨＲＣ４５であるインコネル７１８被削材材料で、曲率半径がＲ３８．５ｍｍの曲線輪郭の旋盤加工を実施した。実施例１と同様の組成物を有するＰＣＢＮ切削工具、すなわち表１の試料１～３による組成物を使用した。

切削データの３つの異なるケースが用いられた：
１．送り量ｆ＝０．１０ｍｍ／回転で、切削速度ｖ_ｃ＝３５０ｍ／分
２．送り量ｆ＝０．０８ｍｍ／回転で、切削速度ｖ_ｃ＝４２０ｍ／分
３．送り量ｆ＝０．１０ｍｍ／回転で、切削速度ｖ_ｃ＝４２０ｍ／分
一方で、切込み深さは、３つのケース全てにおいて、高速仕上げ加工条件に相当するａ_ｐ＝０．３ｍｍであった。冷媒として８％オイル水エマルションを用いて、高圧局部冷却（ＨＰＤＣ）を適用し、切削工具のすくい面および逃げ面において冷媒圧力を７０ｂａｒに設定した。

０．８９分±０．１１分の時間間隔で逃げ摩耗および境界摩耗を測定し、最大逃げ摩耗が基準の２５０μｍを超えた際、または境界摩耗が基準の１０００μｍを超えた際のいずれかにおいて性能試験を停止した。

主な結合剤相としてＴｉＣを有するＰＣＢＮ切削工具、すなわち試料２は、送り量ｆ＝０．０８ｍｍ／回転で切削速度ｖ_ｃ＝４２０ｍ／分の切削条件下で臨界境界摩耗が高速で進行し、エッジ破損により失敗したため、実施例２の工具摩耗を示している表３には含まれていない。

ＯｌｙｍｐｕｓＳＺＸ７光学顕微鏡を用いて逃げ摩耗および境界摩耗を測定した。

表３は、逃げ摩耗または境界摩耗パラメーターが使用された３つの異なる切削データのセットのその制限基準に達した際のそれぞれの切削時間間隔で測定された逃げ摩耗を示している。

表４は、使用された３つの異なる切削データのセットで測定された境界摩耗を示している。

図６、図７および図８のＳＥＭ画像は、切削速度ｖ_ｃ＝３５０ｍ／分、送り量ｆ＝０．１ｍｍ／回転および切込み深さａ_ｐ＝０．３ｍｍでの試料１、２および３のそれぞれの境界摩耗を示している。図６、図７および図８の試料の境界摩耗（μｍ）および切削時間（分）の結果も表４の１列目に示されている。表４から分かる通り、試料１は７．５０／分で最も長い切削時間、すなわちそれは試料２よりも２倍の長さを切削し、試料３よりも３３％長い時間を有し、そして同時に試料１は、試料２および３のいずれかよりも低い境界摩耗を依然有していた。

実施例２に関する実験結果および観測から、試料１、すなわち本開示によるＰＣＢＮ切削工具は、従来のＴｉＣ―結合剤およびＴｉＣＮ―結合剤と比べて、境界摩耗基準による１１０％超の向上を供する一方で、逃げ摩耗基準により、性能において３１％超の向上が実証されたと結論付けられた。

本発明は、開示された実施形態に限定されないが、下記特許請求の範囲の範囲内で変更、修正されてもよい。

Claims

立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子を４０と８５体積％の間、および結合剤相を１５と６０体積％の間で含む多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）焼結体（１，２）であって、結合剤相が、少なくとも１つの金属酸化物および少なくとも１つの金属窒化物を含み、
少なくとも１つの金属酸化物が、結合剤相の金属酸化物の総含有量の体積パーセンテージで計算される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を２０と１００体積％の間、およびアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を最大８０体積％含み、少なくとも１つの金属窒化物が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ならびに、窒化バナジウム（ＶＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）および窒化ハフニウム（ＨｆＮ）からなる群から選択される少なくとも１つの金属窒化物を含み、窒化バナジウム（ＶＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）および窒化ハフニウム（ＨｆＮ）からなる群から選択される前記少なくとも１つの金属窒化物の含有量が全結合剤相の少なくとも１０体積％であり、前記少なくとも１つの金属酸化物の含有量が全結合剤相の少なくとも１０体積％であることを特徴とする、多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体。
結合剤相が、少なくとも１つの金属酸化物のうちの１つと、少なくとも１つの金属窒化物のうちの１つとの反応生成物である少なくとも１つの金属酸窒化物をさらに含む、請求項１に記載のＰＣＢＮ体。
結合剤相が、ジルコニウム酸窒化物（Ｚｒ（Ｏ，Ｎ））、ジルコニウムバナジウム酸窒化物（（Ｚｒ，Ｖ）ＯＮ）、ジルコニウムニオブ酸窒化物（（Ｚｒ，Ｎｂ）ＯＮ）およびジルコニウムハフニウム酸窒化物（（Ｚｒ，Ｈｆ）ＯＮ）からなる群から選択される少なくとも１つの酸窒化物を含む、請求項２に記載のＰＣＢＮ体。
結合剤相がアルミニウム酸窒化物（Ａｌ（Ｏ，Ｎ））、アルミニウムバナジウム酸窒化物（（Ａｌ，Ｖ）ＯＮ）、アルミニウムニオブ酸窒化物（（Ａｌ，Ｎｂ）ＯＮ）およびアルミニウムハフニウム酸窒化物（（Ａｌ，Ｈｆ）ＯＮ）からなる群から選択される少なくとも１つの酸窒化物を含む、請求項２または３に記載のＰＣＢＮ体。
結合剤相がＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ならびにＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群から選択される少なくとも１つの金属窒化物からなる、請求項１に記載のＰＣＢＮ体。
ＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群から選択される金属窒化物が、全結合剤相の最大５０体積％を構成する、請求項１から５のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ体。
結合剤相が、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、およびＡｌＮ、ＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群から選択される少なくとも１つの金属窒化物、ならびにＺｒ（Ｏ，Ｎ）、（Ｚｒ，Ｖ）ＯＮ、（Ｚｒ，Ｎｂ）ＯＮ、（Ｚｒ，Ｈｆ）ＯＮ、Ａｌ（Ｏ，Ｎ）、（Ａｌ，Ｖ）ＯＮ、（Ａｌ，Ｎｂ）ＯＮおよび（Ａｌ，Ｈｆ）ＯＮからなる群から選択される少なくとも１つの酸窒化物からなる、請求項１から４のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ体。
酸窒化物、ならびにＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群から選択される金属窒化物が、ＰＣＢＮ体の全結合剤相の１０と５０体積％の間である、請求項２から５のいずれか一項、または請求項７に記載のＰＣＢＮ体。
ＺｒＯ_２が結合剤相の金属酸化物の総含有量の２０と９０体積％の間である、請求項１に記載のＰＣＢＮ体。
Ａｌ_２Ｏ_３が結合剤相の５と２５体積％の間である、請求項１から９のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ体。
ＰＣＢＮ体（１，２）が超硬合金の下地体（４）により裏打ちされている、請求項１から１０のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ体。
ＰＣＢＮ体が、厚さが０．８μｍと１５μｍの間であるＰＶＤ被覆またはＣＶＤ被覆で被覆されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ体。
ＰＣＢＮ体（１，２）が切削工具（３）、または切削工具の切削チップ（２）である、請求項１から１２のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ体。
請求項１から１３のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ体（１，２）の製造方法であって、下記工程：
（ａ）平均粒子径が０．５μｍと１５μｍの間である立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粉末を準備する工程と、
（ｂ）ＺｒＯ_２、またはＺｒＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との混合物、結合剤混合物の少なくとも１０体積％を構成するＶＮ、ＮｂＮおよびＨｆＮからなる群から選択される少なくとも１つの金属窒化物、ならびに金属アルミニウムを含む結合剤構成物を準備する工程と、
（ｃ）結合剤構成物をｃＢＮ粉末と混ぜ合わせて粉末混合物にする工程と、
（ｄ）粉末混合物を粉砕する工程と、
（ｅ）粉末混合物の未焼結体を形成する工程と
（ｆ）減圧下で６００℃超の温度で上記未焼結体を熱処理して十分な脱気および吸収種の除去を確実にする工程と
（ｇ）未焼結泰を少なくとも１２００℃の温度で、かつ少なくとも４ＧＰａの圧力で焼結して、ソリッドＰＣＢＮ焼結コンパクトを形成して、それからＰＣＢＮ体（１，２）を形成する工程と
を含む、製造方法。
ニッケルベースの超合金および／またはコバルトベースの超合金の機械加工のための、請求項１から１３のいずれか一項に記載のＰＣＢＮ体の使用。