JP5629037B2 - 超硬構造体、ツールエレメント、およびこれらを作製する方法 - Google Patents

Description

本開示は一般に、超硬構造体（ｓｕｐｅｒ−ｈａｒｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、超硬構造体を含むツールエレメント、およびこれらを作製する方法に関する。

多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料および多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料は、超硬材料の例である。ＰＣＢＮ材料は、金属および／またはセラミック材料を含み得るマトリックス中に埋め込まれた立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）材料の結晶粒を含む。ＰＣＤ材料は、ダイヤモンドの結晶粒を含み、これらのうちの相当数は、互いに直接結合している。超硬構築物（ｓｕｐｅｒ−ｈａｒｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）は、超硬合金（ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ）基板と一体的に形成されたＰＣＤまたはＰＣＢＮ構造体を含むことができる。一部の超硬構築物は、ツールエレメントを形成するために加工されるとき、寸法が歪んだ状態になる傾向があり得る。
米国特許第６，５１７，９０２号には、コバルトバインダーで超硬炭化タングステン（ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｃａｒｂｉｄｅ）の基板に結合した多結晶ダイヤモンドのフェーシングテーブル（ｆａｃｉｎｇ ｔａｂｌｅ）を有するプリフォームエレメントを熱処理する形式が開示されている。基板は、六方最密結晶構造内に少なくとも３０体積％のコバルトバインダーを伴った界面領域を含む。

第１の態様からは、超硬構造体、例えば、ＰＣＢＮ材料を含むまたはＰＣＢＮ材料からなる超硬構造体を処理するための方法であって、少なくとも約５００℃の処理温度に超硬構造体を加熱するステップと、１秒当たり最大で約１００℃の平均冷却（急冷）温度で、処理温度から２００℃未満または周囲温度に超硬構造体を冷却（急冷）するステップを含む、方法が提供される。冷却速度は、１秒当たり少なくとも約１℃、または１秒当たり少なくとも約５度とすることができる。
超硬構造体を処理する方法について、様々な組合せおよびバリエーションが本開示によって想定されており、これらの非限定的で非網羅的な例は、以下の通りである。

いくつかの例では、超硬構造体は、ＰＣＢＮ材料またはＰＣＤ材料、例えば、熱的に安定なＰＣＤ材料、またはＳｉＣ材料を含むマトリックス中に分散した複数のダイヤモンド結晶粒を含む材料を含むことができる。いくつかの例では、超硬構造体は、少なくとも４０体積％および最大で８０体積％のｃＢＮ結晶粒を含むことができ、超硬構造体は、最大で２５μｍの平均サイズを有するｃＢＮ結晶粒を含むことができ、超硬構造体は、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、アルミニウムのホウ化物、およびアルミニウムの窒化物から選択される少なくとも１種の材料を含むマトリックス中に分散したｃＢＮ結晶粒を含むことができ、超硬構造体は、最大で約３５０ＧＰａの合算平均ヤング率を有する材料もしくは材料の組合せを含むマトリックスを含むことができ、ならびに／または超硬構造体は、少なくとも約４．５×１０^-6／Ｋの熱膨張の合算平均係数を有する材料もしくは材料の組合せを含むマトリックスを含むことができる。
いくつかの変形では、超硬構造体は、少なくとも約３０体積％かつ最大で約８０体積％のｃＢＮ結晶粒を含み得るＰＣＢＮ構造体を含むことができる。ｃＢＮ結晶粒は、最大で約２５μｍ、最大で約１０μｍ、最大で約５μｍ、または最大で約２μｍの平均サイズを有することができる。ＰＣＢＮは、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、アルミニウムもしくはチタンのホウ化物、および／またはアルミニウムの窒化物、あるいはこれらの材料のいずれかの任意の組合せを含むマトリックス中に分散したｃＢＮ結晶粒を含むことができる。例示的なＰＣＢＮ構造体は、Ｔｉを含む材料およびＡｌを含む材料を含むマトリックス中に分散したｃＢＮ結晶粒を含むかまたは該ｃＢＮ結晶粒から本質的になり、ｃＢＮ結晶粒の含量は、ＰＣＢＮ構造体の少なくとも約４５体積％かつ最大で約７５体積％である。この例の一変形では、マトリックスは、不可避な軽微な量の他の材料および不純物は別として、Ｔｉを含む材料およびＡｌを含む材料からなり得る（すなわち、Ｔｉを含む材料およびＡｌを含む材料から本質的になる）。
いくつかの例では、超硬構造体は、最大で約３５０ＧＰａまたは最大で約３００ＧＰａの（合算平均）ヤング率を有する材料または材料の組合せを含み得るＰＣＢＮ構造体を含むことができる。マトリックスは、少なくとも約４．５×１０^-6／Ｋまたは少なくとも約８×１０^-6／Ｋの熱膨張の（合算平均）係数を有する材料または材料の組合せを含むことができる。

例示的な変形では、処理温度は、少なくとも約６００℃または少なくとも約７００℃とすることができる。処理温度は、最大で約１，１００℃である場合がある。
例示的な方法は、１秒当たり最大で約５０℃、１秒当たり２０℃、または１秒当たり最大で約１０℃の平均急冷速度で、最大で約２００℃、または最大で約１００℃の温度に超硬構造体を冷却するステップを含むことができる。急冷前に、ＰＣＢＮ構造体は、その体積全体にわたって実質的に同じ温度であることができるように、少なくとも約１分、少なくとも約５分、または少なくとも約１０分の期間にわたってこの温度に加熱される場合がある。

いくつかの例では、超硬構造体は、最大で約０．４Ｗ／（ｍ．Ｋ）の２０℃における熱伝導率を有する流体とこの超硬構造体を接触させることによって冷却することができる。超硬構造体は、油と接触させることによって冷却される場合がある。

一例示的方法では、超硬構造体は、ＰＣＢＮ構造体を含むかまたはＰＣＢＮ構造体から本質的になり得、実質的に水の熱伝導率未満の熱伝導率（例えば、２０℃において実質的に約０．６Ｗ／（ｍ．Ｋ）未満）を有する流体と超硬構造体を接触させることによって冷却することができる。特定の一例では、流体は、２０℃で最大で約０．４Ｗ／（ｍ．Ｋ）または最大で約０．２Ｗ／（ｍ．Ｋ）の熱伝導率を有し、いくつかの変形では、ＰＣＢＮ構造体は、制御された速度で急冷するために設計された油またはポリマー溶液とこれを接触させることによって冷却することができる。特定の変形は、ＰＣＢＮ構造体上に流体を吹き付けまたは注ぎながら、流体中にＰＣＢＮ構造体を浸漬するステップを含むことができる。流体は、制御された（一定もしくは可変）速度でＰＣＢＮ構造体上を流れることができ、または流体は、ＰＣＢＮ構造体に対して実質的に静止状態であり得る。

いくつかの例では、本方法は、少なくとも約５００℃の温度に、少なくとも約５分の期間にわたって処理済み超硬構造体を加熱するステップを含むことができる。
いくつかの例では、本方法は、少なくとも約５００℃、少なくとも約６００℃もしくは少なくとも約７００℃の再加熱温度に、または超硬構造体がそこから冷却された元の温度に、冷却済み超硬構造体を再加熱するステップを含むことができる。いくつかの変形では、超硬構造体は、少なくとも約５分、少なくとも約１０分、少なくとも約３０分、または少なくとも約１時間にわたって再加熱温度で維持される場合がある。
いくつかの例では、本方法は、処理済み超硬構造体を加工してツールエレメントを形成するステップを含むことができる。一例では、本方法は、処理済み超硬構造体を加工してツールエレメントを形成するステップを含み、このエレメントは、さらに加工されて工作機械または他の切削工具もしくは穴あけ工具のためのインサートを形成することができる。例えば、処理済み超硬構築物は、レーザーの手段、放電加工（ＥＤＭ）、または他の手段によって切断されてツールエレメントを形成することができ、このエレメントは、例えば研削によってさらに加工され得る。熱処理後の処理済み超硬構築物を切断すると、熱処理前の超硬構築物の切断と比較して、寸法公差が改善されたツールエレメントがもたらされる可能性が高い。

第２の態様から見ると、少なくとも約６５０ＭＰａ、少なくとも約７００ＭＰａ、または少なくとも約８００ＭＰａの曲げ強度を有するＰＣＢＮ構造体が提供される。
超硬構造体の様々な組合せおよび配列が本開示によって想定されており、これらのうち、以下のものが非限定的で非網羅的な例である。
ＰＣＢＮ構造体は、少なくとも約４０体積％かつ最大で８０体積％のｃＢＮ結晶粒を含むことができ、ＰＣＢＮ構造体は、最大で約２５μｍの平均サイズを有するｃＢＮ結晶粒を含むことができ、かつ／またはＰＣＢＮ構造体は、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、アルミニウムのホウ化物、およびアルミニウムの窒化物から選択される少なくとも１種の材料を含むマトリックス中に分散したｃＢＮ結晶粒を含むことができる。
第１の態様による方法およびそのバリエーションにより、第２の態様による増強された超硬構造体が生産される見込みがある。
非限定例を、添付の図面を参照して以下に説明する。

例示的なＰＣＢＮ構築物の斜視図である。 例示的なＰＣＢＮ構造体の斜視図である。 例示的なＰＣＢＮ構築物、およびこれから切断した例示的なＰＣＢＮエレメントの平面図である。 ＰＣＢＮエレメントを備える例示的なツールインサートの斜視図である。 急冷温度差の関数としてのＰＣＢＮ構造体の測定曲げ強度のグラフである。 急冷温度差の関数としてのＰＣＢＮ構造体の測定曲げ強度のグラフである。

超硬構造体は、ＰＣＢＮ構造体から本質的になり得、超硬合金基板などの基板に接合していることができ、またはＰＣＢＮ構造体は、実質的に独立しており、基板に接合していない場合がある。図１を参照すると、例示的なＰＣＢＮ構築物１０は、超硬合金基板１４に接合したＰＣＢＮ構造体１２を含む。図２を参照すると、例示的なＰＣＢＮ構造体１２は、一般にディスク様形状を有し、独立している（基板に接合していない）。
ＰＣＢＮ構築物をもたらす例示的な方法は、米国特許第７，８６７，４３８号に見出すことができる。
図３を参照すると、処理済みＰＣＢＮ構築物１０は、切断および／または他の方法で加工されて、ツールインサート用ＰＣＢＮエレメント３０を生産することができる。図４は、キャリア本体４２に接合したＰＣＢＮエレメント３０を備えるツールインサート４０を示す。
非限定例を以下により詳細に以下に説明する。

ＰＣＢＮ材料の２つのそれぞれのグレードの４６の矩形試料の２つのセットを準備し、長さ２８．５ｍｍ、幅６．２５ｍｍ、厚さ４．７６ｍｍを有する各試料を調製した。第１のセットは、炭窒化チタン材料およびアルミニウムのホウ化物から実質的になるマトリックス中に分散した約０．７μｍ〜約１μｍの平均サイズを有する約５０体積％のｃＢＮを含む第１グレード（またはタイプ）のＰＣＢＮ材料のＰＣＢＮ試料からなっていた。第２のセットは、実質的にアルミニウムの窒化物およびホウ化物を含むマトリックス中に分散した約２２μｍの平均サイズを有する約８４体積％のｃＢＮ結晶粒を含む第２グレードのＰＣＢＮ材料のＰＣＢＮ試料からなっていた。第１および第２のセットの両方におけるＰＣＢＮ試料は、独立のＰＣＢＮ構造体（すなわち、これらは、基板に接合していなかった）のみからなっていた。それぞれの試料ＰＣＢＮ材料のマトリックス材料の性質を、以下の表１に要約する。

セットのそれぞれからの１５の試料を、処理されていない状態で曲げ強度試験にかけた。曲げ強度は、三点曲げを使用して測定し、積層セラミック、規格番号ＢＳ−ＥＮ８４３：１の曲げ強度の判定についての英国規格に従って計算した。第１のセットに由来する未処理試料の平均曲げ強度は、約４３０ＭＰａであることが判明し、第２のセットに由来する未処理試料の平均曲げ強度は、約６３０ＭＰａであることが判明した。
各セット中の残りの試料を、水による急冷および軽油による急冷を含めた、様々な加熱処理および後続の急冷（冷却）処理にかけた。急冷は、種々の試料について、２４０℃〜１，１００℃の範囲内の様々な温度から実施した。この温度に、それぞれの試料は、約１０分の期間にわたって炉内で加熱されていた。急冷は、炉から試料を取り出し、２０℃の温度で水または軽油グレードの油を含有する大きな貯留槽中に試料を沈めることによって実施した。したがって、使用した温度差の範囲は、２２０℃（すなわち、２４０〜２０℃の温度低下）〜１，０８０℃（すなわち、１，１００〜２０℃）であった。
水を使用した場合の急冷速度は、１秒当たり約１，０００℃と推定され、軽油を使用した場合の急冷速度は、１秒当たり約１０℃と推定された。次いで、処理済み試料を曲げ強度試験にかけて、これらの曲げ強度を測定した。

第１のセットに由来する試料の場合では、試料を１，０８０℃に２時間加熱し、その後水で急冷することを含むすべての処理で、第１のセットの未処理試料と比較した場合、曲げ強度が約２０％低減し、一方、油による急冷では、曲げ強度はまったく変化しなかった。
水を使用して急冷された試料のいくつかを、引き続いて、最大でこれらが急冷された元の温度に戻してこれらを加熱することによってアニールし、約１時間、その温度で維持し、その後、これらの曲げ強度を再び測定した。急冷温度差の関数としての、水による急冷および後続の急冷温度からのアニーリング後の第１のセットに由来する試料の曲げ強度を図５に示す。

第２のセットに由来する試料の場合では、１，０８０℃に２時間試料を加熱し、その後水で急冷することを含む処理によって、やはり曲げ強度が低減したが、油で急冷すると、約６３０ＭＰａから約８３０ＭＰａに平均曲げ強度が相当増大した。水中で急冷した後の第２のセットの試料、および油中で急冷した第２のセットの（異なる）試料の曲げ強度を、急冷温度差の関数として図６に示す。
急冷温度差が２４０℃〜３７５℃の間であった、水を用いた第２のセットの試料の急速急冷により、曲げ強度が大きく不連続に減少した。急冷温度差が２４０℃未満であったとき、曲げ強度の実質的な変化はまったく明白でなかった。水を使用した急冷温度差が７８０℃であった場合、得られた曲げ強度は約２５ＧＰａであった。これは非常に低い。これらの最後に述べた試料の不十分さは、非常に低いエネルギー、および試料の中心領域で開始する破損に対応することが観察された。不十分な材料は、試料の開始部位から縁部に延在する長い露出していない亀裂も呈した。濃灰色から薄青色への表面色の著しい変化も観察され、顕微鏡検査により、試料の表面の近くで著し微視的空隙が明らかになった。

本明細書で使用するある特定の用語を簡単に説明する。
本明細書において、「超硬（ｓｕｐｅｒ−ｈａｒｄ）」または超硬（ｕｌｔｒａ−ｈａｒｄ）材料は、少なくとも約２５ＧＰａのビッカース硬さを有する。合成および天然ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、および多結晶ｃＢＮ（ＰＣＢＮ）材料は、超硬材料の例である。合成ダイヤモンドは、人工ダイヤモンドとも呼ばれ、製造されたダイヤモンド材料である。超硬材料の他の例としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのセラミック材料を含むマトリックスによって、または共結合ＷＣ材料などの超硬合金材料によって結び付いたダイヤモンドまたはｃＢＮ結晶粒を含むある特定のコンポジット材がある（例えば、米国特許第５，４５３，１０５号または同第６，９１９，０４０号に記載されている）。例えば、ある特定のＳｉＣ結合ダイヤモンド材料は、ＳｉＣマトリックス（これは、ＳｉＣ以外の形態で軽微な量のＳｉを含有し得る）中に分散した少なくとも約３０体積％のダイヤモンド結晶粒を含むことができる。ＳｉＣ結合ダイヤモンド材料の例は、米国特許第７，００８，６７２号、同第６，７０９，７４７号、同第６，１７９，８８６号、同第６，４４７，８５２号、および国際公開第２００９／０１３７１３号に記載されている。

ＰＣＢＮ材料は、金属また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、Ｔｉ含有化合物、例えば、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタンなど、ならびに／または窒化アルミニウムなどのＡｌ含有化合物、ならびに／またはＣｏおよび／もしくはＷなどの金属を含有する化合物を含むマトリックス材料中に分散した少なくとも約３５体積％または少なくとも約５０体積％のｃＢＮ結晶粒を含むことができる。いくつかの型（または「グレード」）のＰＣＢＮ材料は、少なくとも約８０体積％、またはさらには少なくとも約９０体積％のｃＢＮ結晶粒を含む場合がある。

多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料は、ダイヤモンド結晶粒の塊（すなわち、複数の集合体）を含み、これらの相当な部分は、互いに直接、相互結合しており、ＰＣＤ材料中のダイヤモンドの含量は、材料の少なくとも約８０体積％である。ダイヤモンド結晶粒同士間の間隙は、合成ダイヤモンド用触媒材料を含むバインダー材で少なくとも部分的に満たされている場合があり、またはこれらは、実質的に空であってもよい。合成ダイヤモンド用触媒材料は、合成または天然ダイヤモンドが熱力学的に安定である温度および圧力で、合成ダイヤモンド結晶粒の成長、および／または合成もしくは天然ダイヤモンド結晶粒の直接的なインターグロースを促進することができる。ダイヤモンド用触媒材料の例は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、およびこれらを含むある特定の合金である。ＰＣＤ材料を含む超硬構造体は、触媒材料が、ダイヤモンド結晶粒同士間の組織内空隙を残して間隙から除去された少なくとも１つの領域を含み得る。ＰＣＤ材料は、グレードに適したサイズ分布を有するダイヤモンド結晶粒の凝集塊を準備するステップと、凝集塊中に触媒材料または添加材を任意選択により導入するステップと、ダイヤモンド用触媒材料源の存在下で、ダイヤモンドがグラファイトより熱力学的に安定であり、触媒材料が溶融している圧力および温度に凝集塊を曝すステップとを含むプロセスによって作製することができる。これらの条件下で、溶融した触媒材料は、凝集塊内に源から浸潤することができ、焼結プロセスにおいてダイヤモンド結晶粒同士間の直接的なインターグロースを促進することによってＰＣＤ構造体を形成する可能性が高い。凝集塊は、緩いダイヤモンド結晶粒、またはバインダー材によって結び付いたダイヤモンド結晶粒を含むことができる。異なるＰＣＤグレードは、異なる微細構造および異なる機械的性質、例えば、弾性（またはヤング）係数Ｅ、弾性率、抗折力（ＴＲＳ）、靭性（いわゆるＫ１Ｃ靭性など）、硬度、密度、および熱膨張係数（ＣＴＥ）などを有する場合がある。異なるＰＣＤグレードは、使用の際に異なって機能する場合もある。例えば、異なるＰＣＤグレードの摩耗率および破壊抵抗は、異なっている場合がある。

熱的に安定なＰＣＤ材料は、約４００℃を超える、またはさらには約７００℃を超える温度に曝露された後、実質的な構造的劣化または硬度もしくは耐摩耗性の悪化を呈さない少なくとも一部分または少なくともある量を含む。例えば、約２重量％未満のダイヤモンド用触媒金属、例えば、触媒的活性化状態（例えば、元素形態）のＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどを含有するＰＣＤ材料は、熱的に安定であり得る。触媒的活性化状態の触媒材料を実質的に含まないＰＣＤ材料は、熱的に安定なＰＣＤの例である。例えば、間隙が実質的に空隙であるか、ＳｉＣなどのセラミック材料または炭酸塩化合物などの塩材料で少なくとも部分的に満たされているＰＣＤ材料は、熱的に安定であり得る。ダイヤモンド用触媒材料が枯渇しており、または触媒材料が触媒として相対的に活性が低い形態である、少なくも有意な領域を有するＰＣＤ構造体は、熱的に安定なＰＣＤとして記述され得る。

上記に説明したように、ＰＣＤ材料およびＰＣＢＮ材料は、超硬合金基板などの基板上の適当なバインダーまたは触媒材料の存在下で、複数のダイヤモンドまたはｃＢＮ結晶粒をそれぞれ焼結することによってもたらすことができる。こうして生産されるＰＣＤまたはＰＣＢＮ構造体は、基板に接合して形成され、それぞれの構造体が焼結体に形成されるプロセスの間に基板に結合したＰＣＤまたはＰＣＢＮ構造体を含む構築物の一体部分となる可能性が高い。

Claims (10)

1. ＰＣＢＮ材料を含む超硬構造体を処理するための方法であって、少なくとも５００℃の処理温度に超硬構造体を加熱するステップと、１秒当たり少なくとも１℃かつ１秒当たり最大で１００℃の平均冷却速度で、処理温度から２００℃未満の温度に超硬構造体を冷却して処理済み超硬構造体をもたらすステップとを含む、方法。
2. 超硬構造体が、２０℃において最大で０．４Ｗ／（ｍ．Ｋ）の熱伝導率を有する流体と接触させることによって冷却される、請求項１に記載の方法。
3. 超硬構造体が、油と接触させることによって冷却される、請求項１または２に記載の方法。
4. 超硬構造体が、少なくとも４０体積％かつ最大で８０体積％のｃＢＮ結晶粒を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 超硬構造体が、最大で２５μｍの平均サイズを有するｃＢＮ結晶粒を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 超硬構造体が、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、アルミニウムのホウ化物、およびアルミニウムの窒化物から選択される少なくとも１種の材料を含むマトリックス中に分散したｃＢＮ結晶粒を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 超硬構造体が、最大で３５０ＧＰａの合算平均ヤング率を有する材料または材料の組合せを含むマトリックスを含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 超硬構造体が、複数の超硬結晶粒およびマトリックスを含み、マトリックスが、少なくとも４．５×１０^-6／Ｋの合算平均熱膨張係数を有する材料または材料の組合せを含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 少なくとも５分の期間にわたって少なくとも５００℃の温度に処理済み超硬構造体を加熱するステップを含む、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 処理済み超硬構造体を加工してツールエレメントを形成するステップを含む、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。

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