JP6291995B2 - 立方晶窒化ホウ素多結晶体、切削工具、耐摩工具、研削工具、および立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、立方晶窒化ホウ素多結晶体、切削工具、耐摩工具、研削工具、および立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法に関し、特に鉄系材料の切削工具、耐摩工具、および研削工具として有用な立方晶窒化ホウ素多結晶体、切削工具、耐摩工具、研削工具、および立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法に関するものである。
立方晶窒化ホウ素（以下「ｃＢＮ」とも記す）はダイヤモンドに次ぐ硬度を有し、熱的安定性および化学的安定性にも優れる。また、鉄系材料に対しては、ダイヤモンドよりも安定なため、鉄系材料の加工工具としてｃＢＮ焼結体が用いられてきた。
しかし、このｃＢＮ焼結体には、１０〜４０体積％程度のバインダーが含まれており、このバインダーが、焼結体の強度、耐熱性、熱拡散性を低下させる原因となっていた。そのため、特に鉄系材料を高速で切削加工する場合に、熱負荷が大きくなり、刃先の欠損や亀裂が生じやすく工具の寿命を短くしていた。
この問題を解決する手法として、バインダーを用いずに、触媒を用いてｃＢＮ焼結体を製造する方法がある。この方法では、六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）を原料とし、ホウ窒化マグネシウム（Ｍｇ3ＢＮ3）等を触媒として反応焼結させる。この方法で得られたｃＢＮ焼結体は、バインダーを含まないため、ｃＢＮ同士が強く結合しており、熱伝導率が高くなる。そのため、ヒートシンク材やＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）ボンディングツールなどに用いられている。しかし、この焼結体の中には触媒が少量残留しているため、熱を加えると触媒とｃＢＮとの熱膨張差による微細クラックが入りやすく、切削工具等には向かない。また、粒径が１０μｍ前後と大きいため、熱伝導率が高いものの、強度は弱く、負荷の大きい切削用途等には耐えられない。
一方、ｈＢＮ等の常圧型ＢＮ（窒化ホウ素）を、超高圧高温下で触媒を用いず、直接ｈＢＮからｃＢＮへ変換させると同時に焼結させること（直接変換焼結法）によってもｃＢＮ焼結体は得られる。たとえば、特開昭４７−０３４０９９号公報（特許文献１）や特開平０３−１５９９６４号公報（特許文献２）に、ｈＢＮを超高圧高温下でｃＢＮに変換させｃＢＮ焼結体を得る方法が示されている。また、熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）を原料とし、ｃＢＮ焼結体を得る方法がある。この種の方法が、例えば特開昭５４−０３３５１０号公報（特許文献３）や特開平０８−０４７８０１号公報（特許文献４）に示されている。この方法では７ＧＰａ、２１００℃以上の条件が必要である。
上記の条件よりもマイルドな条件でｃＢＮ焼結体を得る方法が、特公昭４９−０２７５１８号公報（特許文献５）および特開平１１−２４６２７１号公報（特許文献６）に記載されている。
特許文献５は、圧力６ＧＰａ、１１００℃という条件でｃＢＮ焼結体を得る方法を開示している。この方法では原料であるｈＢＮの粒子を３μｍ以下にするため、ｈＢＮが数質量％程度の酸化ホウ素不純物や吸着ガスを含む。したがって、これらの不純物や吸着ガスの影響により、焼結が十分に進行せず、また、酸化物を含むために硬度、強度、耐熱性が低くなり、切削工具および耐摩工具等として用いることができない。
特許文献６は、上記の問題を解決するために、低結晶性の六方晶窒化ホウ素を原料とし、６〜７ＧＰａ、１５５０〜２１００℃の条件で合成する方法を開示している。また、この方法で合成されたｃＢＮ多結晶体では結晶粒径が０．１〜１μｍ程度であることが開示されている。
しかしながら、仕上げ加工用および精密加工用などに有用な小さい粒径のｃＢＮ多結晶体を得るために焼結温度を低くすると、焼結性が低くなり多結晶体の強度が低くなる。さらに、粒径が小さくなると靭性が低くなり、工具が欠けやすくなるという課題もある。
そこで、上記のような課題に鑑み、小さい粒径で、かつ強靭な立方晶窒化ホウ素多結晶体を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体は、立方晶窒化ホウ素を含み、該立方晶窒化ホウ素は、１５０ｎｍ以下の平均粒径を有し、２３℃±５℃における試験荷重４．９Ｎのヌープ硬度の測定において、ヌープ圧痕の対角線の長い方の対角線の長さａと短い方の対角線の長さｂとの比ｂ／ａが０．０８５以下となるものである。
また、本発明の一態様に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法は、
出発物質として粒径０．５μｍ以下の六方晶窒化ホウ素粉末を準備する工程と、
圧力をＰ（ＧＰａ）、温度をＴ（℃）としたときに、
Ｐ≧０．００００１２２Ｔ2−０．０５３１Ｔ＋６５．８４６、
Ｔ≦２２００、および
Ｐ≦２５
という条件を満たす温度および圧力において、該六方晶窒化ホウ素粉末を立方晶窒化ホウ素およびウルツ鉱型窒化ホウ素に変換させ、かつ焼結させる工程と
を備えている。
出発物質として粒径０．５μｍ以下の六方晶窒化ホウ素粉末を準備する工程と、
圧力をＰ（ＧＰａ）、温度をＴ（℃）としたときに、
Ｐ≧０．００００１２２Ｔ2−０．０５３１Ｔ＋６５．８４６、
Ｔ≦２２００、および
Ｐ≦２５
という条件を満たす温度および圧力において、該六方晶窒化ホウ素粉末を立方晶窒化ホウ素およびウルツ鉱型窒化ホウ素に変換させ、かつ焼結させる工程と
を備えている。
上記によれば、立方晶窒化ホウ素多結晶体は、それを構成する立方晶窒化ホウ素の粒径が微細で、かつ強靭な多結晶体となる。
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、高圧高温下において、粒径０．５μｍ以下の六方晶窒化ホウ素粉末を立方晶窒化ホウ素に変換することにより、微細な組織を有し、かつ強靱な立方晶窒化ホウ素多結晶体が得られることを見出した。
［１］すなわち、本発明の一態様に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体は、立方晶窒化ホウ素を含み、該立方晶窒化ホウ素は、１５０ｎｍ以下の平均粒径を有し、２３℃±５℃における試験荷重４．９Ｎのヌープ硬度の測定において、ヌープ圧痕の対角線の長い方の対角線の長さａと短い方の対角線の長さｂとの比ｂ／ａが０．０８５以下となるものである。この立方晶窒化ホウ素多結晶体は、それを構成する立方晶窒化ホウ素の粒径が微細で、かつ強靭な多結晶体となる。
［２］上記立方晶窒化ホウ素は、１００ｎｍ以下の平均粒径を有することが好ましい。このように平均粒径をさらに小さくすることにより、小さな粒径が求められる用途への適用がより好適になる。
［３］上記立方晶窒化ホウ素多結晶体は、ウルツ鉱型窒化ホウ素を０．０１体積％以上含むことが好ましい。これにより、多結晶体の組織がより緻密なものとなる。
［４］上記立方晶窒化ホウ素多結晶体は、圧縮型六方晶窒化ホウ素を０．０１〜０．５体積％含むことが好ましい。これにより、亀裂の進展を阻止し靭性を向上させることができる。
［５］上記立方晶窒化ホウ素は、Ｘ線回折において、（１１１）面のＸ線回折強度Ｉ(111)に対する（２２０）面のＸ線回折強度Ｉ(220)の比Ｉ(220)／Ｉ(111)が０．１以上０．３以下であることが好ましい。これにより、多結晶体が等方的なものとなり、工具等とした場合に偏摩耗が低減される。
［６］本発明の一態様の切削工具は、上記の立方晶窒化ホウ素多結晶体を備えたものである。この切削工具は、鉄系材料の切削に有用である。
［７］本発明の一態様の耐摩工具は、上記の立方晶窒化ホウ素多結晶体を備えたものである。この耐摩工具は、鉄系材料の加工に有用である。
［８］本発明の一態様の研削工具は、上記の立方晶窒化ホウ素多結晶体を備えたものである。この研削工具は、鉄系材料の研削に有用である。
［９］本発明の一態様に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法は、
出発物質として粒径０．５μｍ以下の六方晶窒化ホウ素粉末を準備する工程と、
圧力をＰ（ＧＰａ）、温度をＴ（℃）としたときに、
Ｐ≧０．００００１２２Ｔ2−０．０５３１Ｔ＋６５．８４６、
Ｔ≦２２００、および
Ｐ≦２５
という条件を満たす温度および圧力において、該六方晶窒化ホウ素粉末を立方晶窒化ホウ素およびウルツ鉱型窒化ホウ素に変換させ、かつ焼結させる工程と
を備えている。この製造方法により得られる立方晶窒化ホウ素多結晶体は、それを構成する立方晶窒化ホウ素の粒径が微細で、かつ強靭な多結晶体となる。
出発物質として粒径０．５μｍ以下の六方晶窒化ホウ素粉末を準備する工程と、
圧力をＰ（ＧＰａ）、温度をＴ（℃）としたときに、
Ｐ≧０．００００１２２Ｔ2−０．０５３１Ｔ＋６５．８４６、
Ｔ≦２２００、および
Ｐ≦２５
という条件を満たす温度および圧力において、該六方晶窒化ホウ素粉末を立方晶窒化ホウ素およびウルツ鉱型窒化ホウ素に変換させ、かつ焼結させる工程と
を備えている。この製造方法により得られる立方晶窒化ホウ素多結晶体は、それを構成する立方晶窒化ホウ素の粒径が微細で、かつ強靭な多結晶体となる。
[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本願発明の実施形態（以下「本実施形態」と記す）についてさらに詳細に説明する。
以下、本願発明の実施形態（以下「本実施形態」と記す）についてさらに詳細に説明する。
＜立方晶窒化ホウ素多結晶体＞
本実施形態に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体は、立方晶窒化ホウ素を含み、該立方晶窒化ホウ素は、１５０ｎｍ以下の平均粒径を有し、２３℃±５℃における試験荷重４．９Ｎのヌープ硬度の測定において、ヌープ圧痕の対角線の長い方の対角線の長さａと短い方の対角線の長さｂとの比ｂ／ａが０．０８５以下となるものである。
本実施形態に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体は、立方晶窒化ホウ素を含み、該立方晶窒化ホウ素は、１５０ｎｍ以下の平均粒径を有し、２３℃±５℃における試験荷重４．９Ｎのヌープ硬度の測定において、ヌープ圧痕の対角線の長い方の対角線の長さａと短い方の対角線の長さｂとの比ｂ／ａが０．０８５以下となるものである。
このように本実施形態に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体は、立方晶窒化ホウ素を含む。立方晶窒化ホウ素を含む限り、本実施形態の効果を示す範囲において不可避不純物を含んでいても差し支えない。不可避不純物としては、たとえば窒素（Ｎ2）、水素（Ｈ2）、酸素（Ｏ2）などを挙げることができる。該多結晶体は、実質的にバインダー、焼結助剤、触媒などを含んでおらず、本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体の有利な点の一つである。なぜなら、従来の立方晶窒化ホウ素焼結体のように、バインダーを含んだり、焼結助剤や触媒を含むことによるデメリットを解消できるからである。
また、該立方晶窒化ホウ素多結晶体は、常圧型窒化ホウ素の含有率が０．１体積％以下であることが好ましい。常圧型窒化ホウ素が０．１体積％を超えて含有すると、強度が大幅に低下する可能性があるためである。
なお、該立方晶窒化ホウ素多結晶体は焼結体であるが、通常焼結体とはバインダーを含むことを意図する場合が多いため、本実施形態では「多結晶体」という用語を用いている。
＜立方晶窒化ホウ素＞
本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体に含まれる立方晶窒化ホウ素は、小さい粒径を有するものであり、１５０ｎｍ以下の平均粒径を有することが好ましく、１００ｎｍ以下の平均粒径を有することがより好ましい。また、この平均粒径は、小さくなればなる程好ましいため、その下限をあえて限定する必要はないが、製造的観点からその下限は２０ｎｍである。
本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体に含まれる立方晶窒化ホウ素は、小さい粒径を有するものであり、１５０ｎｍ以下の平均粒径を有することが好ましく、１００ｎｍ以下の平均粒径を有することがより好ましい。また、この平均粒径は、小さくなればなる程好ましいため、その下限をあえて限定する必要はないが、製造的観点からその下限は２０ｎｍである。
このような立方晶窒化ホウ素の粒径は、応力集中が無く高強度になるという観点から均一であることが好ましく、このためここでいう平均粒径とは正規分布を示すことが好ましい。粒径が大きい粒子や小さい粒子が含まれる場合、そこに応力が集中してしまい強度が低くなるため、平均粒径は正規分布を示し、均一であることが好ましい。なお、本願において、単に立方晶窒化ホウ素の粒径という場合は、立方晶窒化ホウ素多結晶体を構成する立方晶窒化ホウ素の結晶粒の粒径を示すものとする。
上記の平均粒径は、走査電子顕微鏡を用いた切断法により求めることができる。具体的には、まず走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて立方晶窒化ホウ素多結晶体を１０００〜１０００００倍の倍率で観察し、ＳＥＭ画像を得る。
次にそのＳＥＭ画像に円を描き、その円の中心から８本の直線を放射状（各直線間の交差角度がほぼ等しくなるよう）に円の外周まで引く。この場合、上記の観察倍率および円の直径は、上記の直線１本あたりに載る立方晶窒化ホウ素粒子（結晶粒）の個数が１０〜５０個程度になるように設定することが好ましい。
引続き、上記の各直線毎に立方晶窒化ホウ素の結晶粒界を横切る数を数え、直線の長さをその横切る数で割ることにより平均切片長さを求め、その平均切片長さに１．１２８をかけて得られる数値を平均粒径とする。なお、このような平均粒径は、より好ましくは数枚のＳＥＭ画像を用いて、各画像毎に上記のような方法で平均粒径を求め、その平均粒径の平均値を平均粒径とすることが好適である。また、上記のような方法による測定では、立方晶窒化ホウ素以外の粒子（たとえばウルツ鉱型窒化ホウ素の結晶粒）の粒径を含む可能性があるが、このように他の粒子の粒径を含む場合であっても、立方晶窒化ホウ素の平均粒径とみなすものとする。
本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体に含まれる立方晶窒化ホウ素は、このように小さい粒径を有することにより、工具等に用いる場合に負荷の大きな用途や微細加工用途など広範囲の用途に適用することができるものとなる。
＜ヌープ硬度＞
本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体は、２３℃±５℃における試験荷重４．９Ｎのヌープ硬度の測定において、ヌープ圧痕の対角線の長い方の対角線の長さａと短い方の対角線の長さｂとの比ｂ／ａが０．０８５以下となるものである。
本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体は、２３℃±５℃における試験荷重４．９Ｎのヌープ硬度の測定において、ヌープ圧痕の対角線の長い方の対角線の長さａと短い方の対角線の長さｂとの比ｂ／ａが０．０８５以下となるものである。
このようなヌープ硬度の測定は、たとえばＪＩＳ Ｚ ２２５１で規定されているように工業材料の硬さを表す尺度の一つとして公知であり、所定の温度および所定の荷重（試験荷重）によりヌープ圧子を被測定材料に押圧させてその材料の硬度を求めるものである。
ここでヌープ圧子とは、底面が菱型の四角柱の形状を有するダイヤモンド製の圧子である。そして、その底面の菱型は、対角線の長い方の対角線の長さａと短い方の対角線の長さｂとの比ｂ／ａが０．１４１と規定されている。また、ヌープ圧痕とは、上記の温度および試験荷重でヌープ圧子を被測定材料（本実施形態では立方晶窒化ホウ素多結晶体）に押圧させた直後に該ヌープ圧子をリリースさせた箇所に残る痕跡をいう。
本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体は、ヌープ圧痕の上記比ｂ／ａ（０．０８５以下）が本来のヌープ圧子の比ｂ／ａ（０．１４１）よりも小さくなることを特徴の一つとしている。これは被測定材料（すなわち本実施形態では立方晶窒化ホウ素多結晶体）が弾性的に振る舞い、圧痕が弾性的に元に戻ろうとする回復（弾性回復）が生じているからである。
すなわち、ヌープ圧痕を概念的に示した図１を用いて上記の現象を説明すると、たとえば被測定材料が全く弾性回復を示さない場合はヌープ圧子の断面とヌープ圧痕とは等しい形状となるが（図１中の「本来のヌープ圧痕」として表示した部分）、図中の矢印の方向に弾性回復が生じやすいため、本実施形態のヌープ圧痕は、図中の実線で示した菱型となる。つまり、図中の矢印の方向の戻りが大きくなれば、比ｂ／ａの値は小さくなり、この値が小さいほど弾性回復（弾性的性質）が大きいことを示している。
本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体は、上記のようなヌープ圧痕の比ｂ／ａを有することから明らかなように大きな弾性回復力を有するものであり、弾性回復が大きければ靭性は高くなり、以って強靭な立方晶窒化ホウ素多結晶体となる。以上のように、本実施形態におけるヌープ圧痕の比ｂ／ａは、立方晶窒化ホウ素多結晶体の弾性回復の多寡を示す指標となるものである。
なお、ヌープ圧痕の比ｂ／ａは小さくなればなるほど弾性回復が大きくなることから好ましいといえ、このため、比ｂ／ａの下限を限定する必要は特にないが、弾性回復が大きくなり過ぎると、弾性的性質が大きくなる、つまり工具として使用した場合に加工中の弾性変形が大きくなり、加工性が悪化する。その観点からその下限値は０．０６０とすることが好ましい。このようなヌープ圧痕の比ｂ／ａは、さらに好ましくは０．０７０〜０．０８０である。
＜ウルツ鉱型窒化ホウ素＞
本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体は、ウルツ鉱型窒化ホウ素（ｗＢＮ）を含んでいても良く、このようなウルツ鉱型窒化ホウ素を０．０１体積％以上含むことが好ましい。これにより、多結晶体の組織がより緻密なものとなる。なお、含有されるウルツ鉱型窒化ホウ素の含有量の上限は、ウルツ鉱型窒化ホウ素の特性の観点から６５体積％以下である。ウルツ鉱型窒化ホウ素が存在すると亀裂進展を阻害し靱性を向上させる効果があるが、ウルツ鉱型窒化ホウ素は六方晶窒化ホウ素から立方晶窒化ホウ素への転移の間の準安定相であるため、立方晶窒化ホウ素よりも安定性に劣り、耐摩耗性が低いという特性を有する。ウルツ鉱型窒化ホウ素の含有量のより好ましい範囲は、０．０１〜２０体積％である。
本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体は、ウルツ鉱型窒化ホウ素（ｗＢＮ）を含んでいても良く、このようなウルツ鉱型窒化ホウ素を０．０１体積％以上含むことが好ましい。これにより、多結晶体の組織がより緻密なものとなる。なお、含有されるウルツ鉱型窒化ホウ素の含有量の上限は、ウルツ鉱型窒化ホウ素の特性の観点から６５体積％以下である。ウルツ鉱型窒化ホウ素が存在すると亀裂進展を阻害し靱性を向上させる効果があるが、ウルツ鉱型窒化ホウ素は六方晶窒化ホウ素から立方晶窒化ホウ素への転移の間の準安定相であるため、立方晶窒化ホウ素よりも安定性に劣り、耐摩耗性が低いという特性を有する。ウルツ鉱型窒化ホウ素の含有量のより好ましい範囲は、０．０１〜２０体積％である。
立方晶窒化ホウ素多結晶体がウルツ鉱型窒化ホウ素を含む場合、複数の立方晶窒化ホウ素の結晶粒と複数のウルツ鉱型窒化ホウ素の結晶粒とが、互いに分散するように構成される。そして、立方晶窒化ホウ素同士、ウルツ鉱型窒化ホウ素同士、さらに立方晶窒化ホウ素とウルツ鉱型窒化ホウ素とは、いずれも強固に結合し、緻密な組織を有することになる。
なお、ウルツ鉱型窒化ホウ素の含有率が０．０１体積％以上であって、残部が立方晶窒化ホウ素および不可避不純物で構成される立方晶窒化ホウ素多結晶体は、立方晶窒化ホウ素が２８ｎｍ〜８５ｎｍ程度の平均粒径を有し、ヌープ圧痕の比ｂ／ａが０．０８４以下となる。
＜圧縮型六方晶窒化ホウ素＞
本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体は、圧縮型六方晶窒化ホウ素を含んでいても良く、このような圧縮型六方晶窒化ホウ素を０．０１〜０．５体積％含むことが好ましい。これにより、亀裂の進展を阻止し靭性を向上させる作用をもたらすことができる。また圧縮型ｈＢＮの存在を許容することで、広い温度範囲で焼結が可能となり、生産性が向上する。ただし圧縮型ｈＢＮが０．５体積％を超えると、圧縮型ｈＢＮでの応力集中が大きくなり強度が低下する場合もある。したがって立方晶窒化ホウ素多結晶体が圧縮型ｈＢＮをさらに含む場合、その上限は０．５体積％である。圧縮型ｈＢＮの体積含有率は、より好ましくは０．０１体積％以上０．１体積％以下であり、特に好ましくは０．０５体積％以上０．１体積％以下である。
本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体は、圧縮型六方晶窒化ホウ素を含んでいても良く、このような圧縮型六方晶窒化ホウ素を０．０１〜０．５体積％含むことが好ましい。これにより、亀裂の進展を阻止し靭性を向上させる作用をもたらすことができる。また圧縮型ｈＢＮの存在を許容することで、広い温度範囲で焼結が可能となり、生産性が向上する。ただし圧縮型ｈＢＮが０．５体積％を超えると、圧縮型ｈＢＮでの応力集中が大きくなり強度が低下する場合もある。したがって立方晶窒化ホウ素多結晶体が圧縮型ｈＢＮをさらに含む場合、その上限は０．５体積％である。圧縮型ｈＢＮの体積含有率は、より好ましくは０．０１体積％以上０．１体積％以下であり、特に好ましくは０．０５体積％以上０．１体積％以下である。
＜Ｘ線回折＞
本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体に含まれる立方晶窒化ホウ素は、Ｘ線回折において、（１１１）面のＸ線回折強度Ｉ(111)に対する（２２０）面のＸ線回折強度Ｉ(220)の比Ｉ(220)／Ｉ(111)が０．１以上０．３以下であることが好ましい。これにより、多結晶体が等方的なものとなり、工具等とした場合に偏摩耗が低減される。
本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体に含まれる立方晶窒化ホウ素は、Ｘ線回折において、（１１１）面のＸ線回折強度Ｉ(111)に対する（２２０）面のＸ線回折強度Ｉ(220)の比Ｉ(220)／Ｉ(111)が０．１以上０．３以下であることが好ましい。これにより、多結晶体が等方的なものとなり、工具等とした場合に偏摩耗が低減される。
比Ｉ(220)／Ｉ(111)が上記の範囲外である場合、多結晶体は配向することとなり、多結晶体に異方性が生じることになる。この場合、多結晶体に強度の分布が生じてしまい、強度の高い面と弱い面とが存在することなる。したがって、多結晶体を工具用途に用いることが不適切となる。特にエンドミルといった回転工具では摩耗もしくは欠損しやすい面としにくい面とに分かれてしまい、偏摩耗が生じる。上記の欠点を無くすために多結晶体を等方的にすることが好ましい。
上記の比Ｉ(220)／Ｉ(111)は、より好ましくは０．１５以上０．２５以下である。
＜用途＞
本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体は、立方晶窒化ホウ素（結晶粒）の粒径が微細であり、かつ強靭であるため、切削工具、耐摩工具、研削工具などに用いることが好適となる。すなわち、本実施形態の切削工具、耐摩工具、および研削工具は、それぞれ上記の立方晶窒化ホウ素多結晶体を備えたものである。
＜用途＞
本実施形態の立方晶窒化ホウ素多結晶体は、立方晶窒化ホウ素（結晶粒）の粒径が微細であり、かつ強靭であるため、切削工具、耐摩工具、研削工具などに用いることが好適となる。すなわち、本実施形態の切削工具、耐摩工具、および研削工具は、それぞれ上記の立方晶窒化ホウ素多結晶体を備えたものである。
なお、上記の各工具は、その全体が立方晶窒化ホウ素多結晶体で構成されていても良いし、その一部（たとえば切削工具の場合、刃先部分）のみが立方晶窒化ホウ素多結晶体で構成されていても良い。また、各工具は、その表面にコーティング膜が形成されていても良い。
ここで、上記切削工具としては、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、切削バイト等を挙げることができる。
また、上記耐摩工具としては、ダイス、スクライバー、スクライビングホイール、ドレッサーなどを挙げることができる。
また、上記研削工具としては、研削砥石などを挙げることができる。
＜製造方法＞
本実施形態に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法は、
出発物質として粒径０．５μｍ以下の六方晶窒化ホウ素粉末を準備する工程（以下「準備工程」とも記す）と、
圧力をＰ（ＧＰａ）、温度をＴ（℃）としたときに、
Ｐ≧０．００００１２２Ｔ2−０．０５３１Ｔ＋６５．８４６、
Ｔ≦２２００、および
Ｐ≦２５
という条件を満たす温度および圧力において、該六方晶窒化ホウ素粉末を立方晶窒化ホウ素およびウルツ鉱型窒化ホウ素に変換させ、かつ焼結させる工程（以下「焼結工程」とも記す）と
を備えている。
＜製造方法＞
本実施形態に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法は、
出発物質として粒径０．５μｍ以下の六方晶窒化ホウ素粉末を準備する工程（以下「準備工程」とも記す）と、
圧力をＰ（ＧＰａ）、温度をＴ（℃）としたときに、
Ｐ≧０．００００１２２Ｔ2−０．０５３１Ｔ＋６５．８４６、
Ｔ≦２２００、および
Ｐ≦２５
という条件を満たす温度および圧力において、該六方晶窒化ホウ素粉末を立方晶窒化ホウ素およびウルツ鉱型窒化ホウ素に変換させ、かつ焼結させる工程（以下「焼結工程」とも記す）と
を備えている。
上記の製造方法により、上記で説明してきた立方晶窒化ホウ素多結晶体を製造することができる。すなわち、この製造方法により得られる立方晶窒化ホウ素多結晶体は、それを構成する立方晶窒化ホウ素の粒径が微細（すなわち平均粒径が１５０ｎｍ以下）で、かつ強靭な多結晶体となる。
上記準備工程において、出発物質である六方晶窒化ホウ素粉末の粒径は、得られる立方晶窒化ホウ素多結晶体の立方晶窒化ホウ素の平均粒径よりも少し大きな粒径を有するものを採用しても良い。六方晶窒化ホウ素から立方晶窒化ホウ素へと転移する際にｈＢＮ間の結合を切って、原子の組み換えを経て再結合するために原料の粒径よりも立方晶窒化ホウ素の粒径が小さくなるためである。ただし、原料の粒径が小さいと本来のｈＢＮ間の結合が無い粒界が多くなるため、変換後の立方晶窒化ホウ素の粒径は小さくなる。逆に原料の粒径が大きいと立方晶窒化ホウ素の粒径が大きくなり、比ｂ／ａの値が大きくなる。したがって、六方晶窒化ホウ素粉末の粒径は０．５μｍ以下とし、製造的理由からその下限値は０．０５μｍである。より好ましい粒径は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下である。
なお、六方晶窒化ホウ素粉末の粒径は、レーザー光を利用したレーザー回折散乱法により測定された平均粒径をいう。
このような準備工程は、上記の六方晶窒化ホウ素粉末を準備するものである限り、その手段は限定されず、たとえば六方晶窒化ホウ素粉末を従来公知の合成法により製造したり、市販の六方晶窒化ホウ素粉末を入手する等の手段を挙げることができる。
また、上記の焼結工程における圧力Ｐ（ＧＰａ）および温度Ｔ（℃）は、高温側では粒成長、低温側では未変換ｈＢＮの残留などの問題が発生し、比ｂ／ａが０．０８５を超えてしまうという理由から、以下の
Ｐ≧０．００００１２２Ｔ2−０．０５３１Ｔ＋６５．８４６、
Ｔ≦２２００、および
Ｐ≦２５
という条件を満たすことが必要である。
Ｐ≧０．００００１２２Ｔ2−０．０５３１Ｔ＋６５．８４６、
Ｔ≦２２００、および
Ｐ≦２５
という条件を満たすことが必要である。
ここで、温度Ｔ（℃）は、立方晶窒化ホウ素多結晶体が得られる温度であれば特に限定はなく、その下限値を規定する必要はない。この温度Ｔ（℃）は、より好ましくは１３００〜２１００℃である。
また、圧力Ｐ（ＧＰａ）も、立方晶窒化ホウ素多結晶体が得られる圧力であれば特に限定はなく、その下限値を規定する必要はない。この圧力Ｐ（ＧＰａ）は、より好ましくは１０〜２０ＧＰａである。
上記した好適な範囲の温度および圧力を採用しかつ上記の関係式を満たす焼結工程を実行すると、得られる立方晶窒化ホウ素多結晶体のヌープ圧痕の比ｂ／ａは、０．０８５以下、好ましくは０．０７２〜０．０８４となる。
なお、上記焼結工程における上記温度および圧力の適用時間は、５分〜２０分である。５分より短い場合、焼結が不十分となり、２０分より長くしても焼結状態に差はなく経済的に不利となる。より好ましい適用時間は、１０分〜２０分である。
このような焼結工程は、六方晶窒化ホウ素粉末を立方晶窒化ホウ素およびウルツ鉱型窒化ホウ素に変換させ、かつ焼結させる工程であるが、六方晶窒化ホウ素粉末の立方晶窒化ホウ素およびウルツ鉱型窒化ホウ素への変換は、焼結助剤や触媒を用いることなく、六方晶窒化ホウ素が単独で直接立方晶窒化ホウ素およびウルツ鉱型窒化ホウ素に変換されるものであり、通常この変換は焼結と同時に行なわれることになる。
上記のような製造方法により得られる立方晶窒化ホウ素多結晶体は、それを構成する立方晶窒化ホウ素の粒径が微細で、かつ弾性的な振舞を示すため、耐欠損性が向上した強靭な多結晶体となる。このため、立方晶窒化ホウ素多結晶体は、負荷の大きな高速の微細加工等の用途に使用される切削工具、耐摩工具、研削工具等に好適に用いることができる。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
＜実施例１〜５＞
実施例１〜実施例５に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体を以下の方法で作製した。まず、出発物質として粒径０．５μｍの六方晶窒化ホウ素粉末（以下の表１の出発物質の欄に「微粒ｈＢＮ粉末」と示す）を準備した（準備工程）。
実施例１〜実施例５に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体を以下の方法で作製した。まず、出発物質として粒径０．５μｍの六方晶窒化ホウ素粉末（以下の表１の出発物質の欄に「微粒ｈＢＮ粉末」と示す）を準備した（準備工程）。
次いで、上記で準備した六方晶窒化ホウ素粉末を高融点金属からなるカプセルに入れ、超高圧高温発生装置を用いて表１（「合成条件」の欄）に記載した温度および圧力において２０分間保持することにより、六方晶窒化ホウ素粉末を立方晶窒化ホウ素およびウルツ鉱型窒化ホウ素に変換させ、かつ焼結させた（焼結工程）。これにより、立方晶窒化ホウ素多結晶体を得た。
なお、表１の温度および圧力は、Ｐ≧０．００００１２２Ｔ2−０．０５３１Ｔ＋６５．８４６という条件を満たしている。
＜比較例１＞
比較例１に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体を以下の方法で作製した。まず、出発物質として粒径０．５μｍの六方晶窒化ホウ素粉末（以下の表１の出発物質の欄に「微粒ｈＢＮ粉末」と示す）を準備した（準備工程）。
比較例１に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体を以下の方法で作製した。まず、出発物質として粒径０．５μｍの六方晶窒化ホウ素粉末（以下の表１の出発物質の欄に「微粒ｈＢＮ粉末」と示す）を準備した（準備工程）。
次いで、上記で準備した六方晶窒化ホウ素粉末を高融点金属からなるカプセルに入れ、超高圧高温発生装置を用いて表１（「合成条件」の欄）に記載した温度および圧力において２０分間保持することにより、六方晶窒化ホウ素粉末を立方晶窒化ホウ素に変換させ、かつ焼結させた（焼結工程）。これにより、立方晶窒化ホウ素多結晶体を得た。
なお、上記の条件は、温度が２４００℃であるため、Ｔ≦２２００という条件を満たさない。
＜比較例２＞
比較例２に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体を以下の方法で作製した。まず、出発物質として粒径０．５μｍの六方晶窒化ホウ素粉末（以下の表１の出発物質の欄に「微粒ｈＢＮ粉末」と示す）を準備した（準備工程）。
比較例２に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体を以下の方法で作製した。まず、出発物質として粒径０．５μｍの六方晶窒化ホウ素粉末（以下の表１の出発物質の欄に「微粒ｈＢＮ粉末」と示す）を準備した（準備工程）。
次いで、上記で準備した六方晶窒化ホウ素粉末を高融点金属からなるカプセルに入れ、上下加圧式のベルト型高圧高温発生装置を用いて表１（「合成条件」の欄）に記載した温度および圧力において２０分間保持することにより、六方晶窒化ホウ素粉末を立方晶窒化ホウ素およびウルツ鉱型窒化ホウ素に変換させ、かつ焼結させた（焼結工程）。これにより、立方晶窒化ホウ素多結晶体を得た。
なお、上記の条件は、Ｐ≧０．００００１２２Ｔ2−０．０５３１Ｔ＋６５．８４６という関係を満たさない。
＜比較例３＞
比較例３に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体を以下の方法で作製した。まず、出発物質として粒径５μｍ以下の六方晶窒化ホウ素粉末（以下の表１の出発物質の欄に「粗粒ｈＢＮ粉末」と示す）を準備した（準備工程）。
比較例３に係る立方晶窒化ホウ素多結晶体を以下の方法で作製した。まず、出発物質として粒径５μｍ以下の六方晶窒化ホウ素粉末（以下の表１の出発物質の欄に「粗粒ｈＢＮ粉末」と示す）を準備した（準備工程）。
次いで、上記で準備した六方晶窒化ホウ素粉末を高融点金属からなるカプセルに入れ、超高圧高温発生装置を用いて表１（「合成条件」の欄）に記載した温度および圧力において２０分間保持することにより、六方晶窒化ホウ素粉末を立方晶窒化ホウ素およびウルツ鉱型窒化ホウ素に変換させ、かつ焼結させた（焼結工程）。これにより、立方晶窒化ホウ素多結晶体を得た。
なお、上記の条件は、出発物質の粒径が５μｍ以下とされているため、実施例の出発物質に比し粒径が大きい点が異なっている。
＜比較例４＞
比較例４に係る立方晶窒化ホウ素焼結体を以下の方法で作製した。まず、出発物質として平均粒径２μｍ以下の立方晶窒化ホウ素粉末とＣｏ系の金属結合材粉末（以下の表１の出発物質の欄に「ｃＢＮ粉末／金属結合材粉末」と示す）を準備した（準備工程）。
比較例４に係る立方晶窒化ホウ素焼結体を以下の方法で作製した。まず、出発物質として平均粒径２μｍ以下の立方晶窒化ホウ素粉末とＣｏ系の金属結合材粉末（以下の表１の出発物質の欄に「ｃＢＮ粉末／金属結合材粉末」と示す）を準備した（準備工程）。
次いで、上記で準備した立方晶窒化ホウ素粉末とＣｏ系の金属結合材粉末とを高融点金属からなるカプセルに入れ、超高圧高温発生装置を用いて表１（「合成条件」の欄）に記載した温度および圧力において２０分間保持することにより焼結させた（焼結工程）。これにより、立方晶窒化ホウ素焼結体を得た。
なお、上記の条件は、出発物質が実施例の出発物質と異なっている。
＜評価＞
上記の様にして得られた実施例１〜５および比較例１〜３の立方晶窒化ホウ素多結晶体、比較例４の立方晶窒化ホウ素焼結体の組成、Ｘ線回折、粒径、ヌープ圧痕の比ｂ／ａを下記の手法で測定した。
＜評価＞
上記の様にして得られた実施例１〜５および比較例１〜３の立方晶窒化ホウ素多結晶体、比較例４の立方晶窒化ホウ素焼結体の組成、Ｘ線回折、粒径、ヌープ圧痕の比ｂ／ａを下記の手法で測定した。
＜組成＞
各立方晶窒化ホウ素多結晶体および立方晶窒化ホウ素焼結体に含まれる立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、圧縮型六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）、およびウルツ鉱型窒化ホウ素（ｗＢＮ）を、Ｘ線回折装置により同定した。この装置のＸ線の線源はＣｕであり、波長１．５４ÅのＫα線であった。その結果を表１の「組成」の欄に示す。
各立方晶窒化ホウ素多結晶体および立方晶窒化ホウ素焼結体に含まれる立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、圧縮型六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）、およびウルツ鉱型窒化ホウ素（ｗＢＮ）を、Ｘ線回折装置により同定した。この装置のＸ線の線源はＣｕであり、波長１．５４ÅのＫα線であった。その結果を表１の「組成」の欄に示す。
＜Ｘ線回折＞
各立方晶窒化ホウ素多結晶体および立方晶窒化ホウ素焼結体に含まれる立方晶窒化ホウ素について、Ｘ線回折装置により、（１１１）面のＸ線回折強度Ｉ(111)に対する（２２０）面のＸ線回折強度Ｉ(220)の比Ｉ(220)／Ｉ(111)を求めた。この装置のＸ線の線源はＣｕであり、波長１．５４ÅのＫα線であった。その結果を表１の「ＸＲＤ Ｉ(220)／Ｉ(111)」の欄に示す。
各立方晶窒化ホウ素多結晶体および立方晶窒化ホウ素焼結体に含まれる立方晶窒化ホウ素について、Ｘ線回折装置により、（１１１）面のＸ線回折強度Ｉ(111)に対する（２２０）面のＸ線回折強度Ｉ(220)の比Ｉ(220)／Ｉ(111)を求めた。この装置のＸ線の線源はＣｕであり、波長１．５４ÅのＫα線であった。その結果を表１の「ＸＲＤ Ｉ(220)／Ｉ(111)」の欄に示す。
＜粒径＞
各立方晶窒化ホウ素多結晶体および立方晶窒化ホウ素焼結体に含まれる立方晶窒化ホウ素の平均粒径を、走査電子顕微鏡を用いた切断法により求めた。
各立方晶窒化ホウ素多結晶体および立方晶窒化ホウ素焼結体に含まれる立方晶窒化ホウ素の平均粒径を、走査電子顕微鏡を用いた切断法により求めた。
すなわち、まず走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて立方晶窒化ホウ素多結晶体および立方晶窒化ホウ素焼結体を観察し、ＳＥＭ画像を得た。
次にそのＳＥＭ画像に円を描き、その円の中心から８本の直線を放射状（各直線間の交差角度がほぼ等しくなるよう）に円の外周まで引いた。この場合、上記の観察倍率および円の直径は、上記の直線１本あたりに載る立方晶窒化ホウ素粒子の個数が１０〜５０個程度になるように設定した。
引続き、上記の各直線毎に立方晶窒化ホウ素の結晶粒界を横切る数を数え、直線の長さをその横切る数で割ることにより平均切片長さを求め、その平均切片長さに１．１２８をかけて得られる数値を平均粒径とした。
なお、上記のＳＥＭ画像の倍率は３００００倍とした。その理由は、これ以下の倍率では、円内の粒の数が多くなり、粒界が見えにくくなるとともに数え間違いが発生する上、線を引く際に板状組織を含める可能性が高くなるからである。また、これ以上の倍率では、円内の粒の数が少な過ぎて、正確な平均粒径が算出できないからである。比較例１および４に関しては、粒径が大きすぎるため、倍率を３０００倍とした。
また、各実施例および各比較例毎に、１つの試料に対して別々の箇所を撮影した３枚のＳＥＭ画像を使用し、各ＳＥＭ画像毎に上記の方法で平均粒径を求め、得られた３つの平均粒径の平均値を平均粒径とした。その結果を表１の「平均粒径」の欄に示す。
＜ヌープ圧痕の比ｂ／ａおよび硬度＞
各立方晶窒化ホウ素多結晶体および立方晶窒化ホウ素焼結体について、ヌープ圧痕の比ｂ／ａを測定するために、以下の条件でヌープ硬度を測定した。
各立方晶窒化ホウ素多結晶体および立方晶窒化ホウ素焼結体について、ヌープ圧痕の比ｂ／ａを測定するために、以下の条件でヌープ硬度を測定した。
すなわち、ヌープ圧子としてはマイクロヌープ圧子を使用し、２３℃±５℃において４．９Ｎの試験荷重で、ヌープ硬度の測定を５回行なった。そして、各測定毎にヌープ圧痕の対角線の長い方の対角線の長さａと短い方の対角線の長さｂとの比ｂ／ａをレーザー顕微鏡を用いて測定し、その平均値をヌープ圧痕の比ｂ／ａとした。その結果を表１の「比ｂ／ａ」の欄に示す。
また、各試料の硬度として、上記のように５回測定した結果のうち、一番小さな値と大きな値とを除いた３つの値の平均値を求め、その結果を表１の「硬度」の欄に示す。
表１に示すように、実施例１〜５は、１．０〜６０．５体積％のウルツ鉱型窒化ホウ素（ｗＢＮ）を含有していることが確認された。また、実施例１〜５の立方晶窒化ホウ素の平均粒径は、２８〜８５ｎｍであった。このとき、実施例１〜５のヌープ圧痕の比ｂ／ａは０．０７２〜０．０８４であった。
これに対し、比較例１の立方晶窒化ホウ素の平均粒径は１０３０ｎｍと実施例１〜５と比較して大きかった。また比較例１のヌープ圧痕の比ｂ／ａは０．１０２であり、実施例１〜５よりも弾性回復量が小さく、以って弾性的性質も小さいことは明らかである。
また、比較例２は、合成条件がＰ≧０．００００１２２Ｔ2−０．０５３１Ｔ＋６５．８４６という関係を満たしておらず、また立方晶窒化ホウ素のＸ線回折における比Ｉ(220)／Ｉ(111)が０．０３となっており、配向性が大きく、等方的ではない。
また、比較例３は、粒径５μｍの六方晶窒化ホウ素粉末を原料としており、平均粒径が１９１ｎｍで実施例１〜５と比較して大きかった。このとき、ヌープ圧痕の比ｂ／ａが０．０９１であり、実施例１〜５よりも弾性回復量が小さく、以って弾性的性質も小さいことは明らかである。
また、比較例４は立方晶窒化ホウ素粉末と結合材を原料としており、ヌープ圧痕の比ｂ／ａが０．１１３であり、実施例１〜５よりも弾性回復量が小さく、以って弾性的性質も小さいことは明らかである。
さらに、各実施例および各比較例の立方晶窒化ホウ素多結晶体および立方晶窒化ホウ素焼結体を先端径０．５ｍｍのボールエンドミル工具の先端に取り付け、切削性能について評価を行なった。被削材としてＨＲＣ６０の焼入鋼を準備し、回転数６００００ｒｐｍ、切削速度２００ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み量５μｍ、送り量３μｍの条件で、２４ｍの切削を行なった。切削終了時の工具の摩耗量を工具損耗相対比として表２に示す。
表２に示すように、一番摩耗量が少なかった実施例２を基準とすると実施例の摩耗量は１〜２．２であった。これに対し、比較例１および比較例２はそれぞれ切削長１２ｍおよび１６ｍの段階で大きな欠けが発生し、加工を中止した。また、比較例３および４は実施例２に対して摩耗量が３．８倍と７．８倍と大きく摩耗していた。このため、実施例の立方晶窒化ホウ素多結晶体が比較例の立方晶窒化ホウ素多結晶体および立方晶窒化ホウ素焼結体に対し、強靭であることが確認された。
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせたり、様々に変形することも当初から予定している。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
Claims (9)
- 立方晶窒化ホウ素を含み、
前記立方晶窒化ホウ素は、１５０ｎｍ以下の平均粒径を有し、
２３℃±５℃における試験荷重４．９Ｎのヌープ硬度の測定において、ヌープ圧痕の対角線の長い方の対角線の長さａと短い方の対角線の長さｂとの比ｂ／ａが０．０８５以下となる、立方晶窒化ホウ素多結晶体。 - 前記立方晶窒化ホウ素は、１００ｎｍ以下の平均粒径を有する、請求項１に記載の立方晶窒化ホウ素多結晶体。
- 前記立方晶窒化ホウ素多結晶体は、ウルツ鉱型窒化ホウ素を０．０１体積％以上含む、請求項１または請求項２に記載の立方晶窒化ホウ素多結晶体。
- 前記立方晶窒化ホウ素多結晶体は、圧縮型六方晶窒化ホウ素を０．０１〜０．５体積％含む、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の立方晶窒化ホウ素多結晶体。
- 前記立方晶窒化ホウ素は、Ｘ線回折において、（１１１）面のＸ線回折強度Ｉ(111)に対する（２２０）面のＸ線回折強度Ｉ(220)の比Ｉ(220)／Ｉ(111)が０．１以上０．３以下である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の立方晶窒化ホウ素多結晶体。
- 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の立方晶窒化ホウ素多結晶体を備えた切削工具。
- 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の立方晶窒化ホウ素多結晶体を備えた耐摩工具。
- 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の立方晶窒化ホウ素多結晶体を備えた研削工具。
- 出発物質として粒径０．５μｍ以下の六方晶窒化ホウ素粉末を準備する工程と、
圧力をＰ（ＧＰａ）、温度をＴ（℃）としたときに、
Ｐ≧０．００００１２２Ｔ2−０．０５３１Ｔ＋６５．８４６、
Ｔ≦２２００、および
Ｐ≦２５
という条件を満たす温度および圧力において、前記六方晶窒化ホウ素粉末を立方晶窒化ホウ素およびウルツ鉱型窒化ホウ素に変換させ、かつ焼結させる工程と
を備えた、立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法。
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