JP7076531B2 - 立方晶窒化硼素多結晶体 - Google Patents
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Description
立方晶窒化硼素を98.5体積%以上含む立方晶窒化硼素多結晶体であって、
前記立方晶窒化硼素多結晶体は、転位密度が8×1015/m2以下である、立方晶窒化硼素多結晶体である。
上記の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法であって、
六方晶窒化硼素粉末を準備する工程と、
前記六方晶窒化硼素粉末を、ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域内の温度及び圧力を通過して、1900℃以上2400℃以下の温度、及び、8GPa以上の圧力まで加熱加圧する工程と、を備え、
前記ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域は、温度をT℃、圧力をPGPaとした時に、下記式1及び下記式2を同時に満たす領域であり、
P≧-0.0037T+11.301 式1
P≦-0.085T+117 式2
前記加熱加圧する工程において、前記ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は600℃以上である、立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法である。
特許文献1の立方晶窒化硼素焼結体は、これを構成する立方晶窒化硼素粒子の粒径が小さいため、高い硬度を有するが、一方で、靱性が低下する傾向があった。このため、立方晶窒化硼素焼結体を用いて鉄系材料を高速で切削加工する場合に、刃先の欠損や亀裂が生じやすく、工具の寿命が短くなる傾向があった。
[本開示の効果]
上記態様によれば、立方晶窒化硼素多結晶体は、工具として用いた場合に、鉄系材料の高速加工においても、長い工具寿命を有することができる。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
立方晶窒化硼素を98.5体積%以上含む立方晶窒化硼素多結晶体であって、
前記立方晶窒化硼素多結晶体の転位密度は8×1015/m2以下である、立方晶窒化硼素多結晶体、立方晶窒化硼素多結晶体である。
前記立方晶窒化硼素多結晶体において、その断面を走査型電子顕微鏡を用いて10000倍の倍率で観察した場合、円相当径が1μm以上の結晶粒の面積比率S1は20面積%以下であることが好ましい。これによると、立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具の寿命が更に向上する。
上記(1)から(6)のいずれかに記載の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法であって、
六方晶窒化硼素粉末を準備する工程と、
前記六方晶窒化硼素粉末を、ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域内の温度及び圧力を通過して、1900℃以上2400℃以下の温度、及び、8GPa以上の圧力まで加熱加圧する工程と、を備え、
前記ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域は、温度をT℃、圧力をPGPaとした時に、下記式1及び下記式2を同時に満たす領域であり、
P≧-0.0037T+11.301 式1
P≦-0.085T+117 式2
前記加熱加圧する工程において、前記ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は600℃以上である、立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法である。
本開示の一実施形態に係る立方晶窒化硼素多結晶体及びその製造方法を、以下に図面を参照しつつ説明する。
本開示の一実施の形態に係る立方晶窒化硼素多結晶体について説明する。
本実施形態に係る立方晶窒化硼素多結晶体は、立方晶窒化硼素を98.5体積%以上含む立方晶窒化硼素多結晶体であって、該立方晶窒化硼素多結晶体の転位密度は8×1015/m2以下である。
立方晶窒化硼素多結晶体は、立方晶窒化硼素を98.5体積%以上含む。これにより、立方晶窒化硼素多結晶体は、優れた硬度を有し、熱的安定性及び化学的安定性にも優れる。
管電圧: 45kV
管電流: 40mA
フィルター: 多層ミラー
光学系: 集中法
X線回折法: θ-2θ法。
立方晶窒化硼素多結晶体の転位密度は8×1015/m2以下である。該立方晶窒化硼素多結晶では、多結晶体中の格子欠陥が減少しているため、立方晶窒化硼素多結晶体の強度及び靱性が向上している。よって、該立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具は、鉄系材料の高速加工においても、長い工具寿命を有することができる。転位密度は、7×1015/m2以下が好ましく、6×1015/m2以下が更に好ましい。転位密度の下限値は特に限定されないが、製造上の観点から、1.0×1015/m2以上とすることができる。
立方晶窒化硼素多結晶体からなる試験片を準備する。試験片の大きさは、観察面が2.0mm×2.0mmであり、厚みが1.0mmである。試験片の観察面を研磨する。
X線源:放射光
装置条件:検出器NaI(適切なROIにより蛍光をカットする。)
エネルギー:18keV(波長:0.6888Å)
分光結晶:Si(111)
入射スリット:幅5mm×高さ0.5mm
受光スリット:ダブルスリット(幅3mm×高さ0.5mm)
ミラー:白金コート鏡
入射角:2.5mrad
走査方法:2θ-θscan
測定ピーク:立方晶窒化硼素の(111)、(200)、(220)、(311)、(400)、(331)の6本。ただし、集合組織、配向によりプロファイルの取得が困難な場合は、その面指数のピークを除く。
上記式(I)におけるCは、下記式(II)で表される。
上記式(II)において、らせん転位と刃状転位におけるそれぞれのコントラストファクターCh00およびコントラストファクターに関する係数qは、計算コードANIZCを用い、すべり系が<110>{111}、弾性スティフネスC11が8.44GPa、C12が1.9GPa、C44が4.83GPaとして求める。コントラストファクターCh00は、らせん転位は0.203であり、刃状転位は0.212である。コントラストファクターに関する係数qは、らせん転位は1.65であり、刃状転位は0.58である。なお、らせん転位比率は0.5、刃状転位比率は0.5に固定する。
(上記式(III)において、Reは転位の有効半径を示す。)
上記式(III)の関係と、Warren-Averbachの式より、下記式(IV)の様に表すことができ、修正Warren-Averbach法として、転位密度ρ及び結晶子サイズを求めることができる。
修正Williamson-Hall法及び修正Warren-Averbach法の詳細は、“T. Ungar and A. Borbely, “The effect of dislocation contrast on x-ray line broadening: A new approach to line profile analysis” Appl. Phys. Lett., vol. 69, no. 21, p. 3173, 1996.”及び“T. Ungar, S. Ott, P. Sanders, A. Borbely, J. Weertman, “Dislocations, grain size and planar faults in nanostructured copper determined by high resolution X-ray diffraction and a new procedure of peak profile analysis” Acta Mater., vol. 46, no. 10, pp. 3693 - 3699, 1998.”に記載されている。
(円相当径が1μm以上の結晶粒の面積比率S1)
立方晶窒化硼素多結晶体は、立方晶窒化硼素の結晶粒、並びに、任意で圧縮型六方晶窒化硼素の結晶粒及びウルツ鉱型窒化硼素の結晶粒を含む複数の結晶粒から構成される。立方晶窒化硼素多結晶体において、その断面を走査型電子顕微鏡を用いて10000倍の倍率で観察した場合、円相当径が1μm以上の結晶粒の面積比率S1(以下、「面積比率S1」とも記す。)は20面積%以下である。ここで円相当径とは、該断面において、結晶粒の面積と同一の面積を有する円の直径を意味する。
立方晶窒化硼素多結晶体に含まれる複数の結晶粒は、円相当径のメジアン径d50(以下、「メジアン径d50」とも記す。)が0.1μm以上0.5μm以下であることが好ましい。従来、立方晶窒化硼素多結晶体は、結晶粒の粒径が小さいほど切削性能が向上すると考えられていた。このため、立方晶窒化硼素多結晶体を構成する結晶粒の粒径を小さくしていた(例えば、平均粒径100nm未満)が、これにより靱性が低下する傾向があった。一方、本実施形態に係る立方晶窒化硼素多結晶体においては、結晶粒の粒径が、従来に比べて大きいため、立方晶窒化硼素多結晶体の靱性が向上し、耐摩耗性が向上する。結晶粒の円相当径のメジアン径d50は、0.15μm以上0.35μm以下がより好ましく、0.2μm以上0.3μm以下が更に好ましい。
立方晶窒化硼素多結晶体において、その断面を走査型電子顕微鏡を用いて10000倍の倍率で観察した場合、アスペクト比が4以上の板状粒子の面積比率S2(以下、「面積比率S2」とも記す。)が5面積%以下であることが好ましい。従来の立方晶窒化硼素多結晶体では、粒径を小さくすることに伴う靱性の低下を、立方晶多結晶体中に板状組織を存在させることにより補っていた。しかし、この板状粒子は、特に難削材の高能率加工中に、突発的に刃先から脱落して刃先の欠損を生じさせるため、工具寿命のばらつき及び低下の要因となっていた。
本明細書において、立方晶窒化硼素多結晶体における円相当径が1μm以上の結晶粒の面積比率S1、アスペクト比が4以上の板状粒子の面積比率S2、及び、立方晶窒化硼素多結晶体に含まれる複数の結晶粒の円相当径のメジアン径d50とは、任意に選択された5箇所の各測定箇所において、面積比率S1、面積比率S2及び結晶粒のメジアン径d50をそれぞれ測定し、これらの平均値を算出することにより得られた値を意味する。
本実施形態に係る立方晶窒化硼素多結晶体は、切削工具、耐摩工具、研削工具などに用いることが好適である。
本開示の一実施の形態に係る立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法を、図1~図7を用いて説明する。図1は、窒化硼素の圧力-温度相図である。図2~図5は、本開示の一実施の形態に係る立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法を説明するための図である。図6は、立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法の従来例を説明するための図である。図7は、立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法の参考例を説明するための図である。
P≧-0.0037T+11.301 式1
P≦-0.085T+117 式2
上記加熱加圧する工程において、ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は600℃以上である。
P≦-0.085T+117 式2
本明細書において、六方晶窒化硼素の安定領域内の温度及び圧力(図1において、「hBN安定領域」と記す。)は、温度をT℃、圧力をPGPaとした時に、下記式(A)及び下記式(B)を同時に満たす温度及び圧力、又は下記式(C)及び下記式(D)を同時に満たす温度及び圧力として定義する。
P≦-0.085T+117 (B)
P≦0.0027T+0.3333 (C)
P≧-0.085T+117 (D)
本明細書において、立方晶窒化硼素の安定領域内の温度及び圧力(図1において、「cBN安定領域」と記す。)は、温度をT℃、圧力をPGPaとした時に、下記式(D)及び下記式(E)を同時に満たす温度及び圧力として定義する。
P≧0.0027T+0.3333 (E)
本実施形態に係る製造方法では、六方晶窒化硼素粉末を、温度1900℃以上2400℃以下及び圧力7.7GPa以上、好ましくは8GPa以上、より好ましくは10GPa以上まで加熱加圧する。この温度及び圧力は、優れた工具性能を有する立方晶窒化硼素が得られる温度及び圧力である。
立方晶窒化硼素多結晶体の原料として、六方晶窒化硼素粉末を準備する。六方晶窒化硼素粉末は、純度(六方晶窒化硼素の含有率)が98.5%以上が好ましく、99%以上がより好ましく、100%が最も好ましい。六方晶窒化硼素粉末の粒径は特に限定されないが、例えば、0.1μm以上10μm以下とすることができる。
次に、六方晶窒化硼素粉末を、超高圧高温発生装置を用いて、-50℃以上100℃以下の温度範囲を保持しつつ、0.5GPa以上6GPa以下の圧力まで加圧する(図2の矢印A1、図3の矢印B1、図4の矢印C1、図5の矢印D1)。
次に、六方晶窒化硼素粉末を、ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域内の温度及び圧力を通過して、1900℃以上2400℃以下の温度、及び、8GPa以上の圧力まで加熱加圧する(図2では矢印A2、A3及びA4、図3では矢印B2、B3及びB4、図4では矢印C2、C3及びC4の途中まで、図5では矢印D2、D3及びD4)。加熱加圧工程において、ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は600℃以上である。
上記の加熱加圧工程の後に、加熱加圧工程により得られた立方晶窒化硼素多結晶体を、1900℃以上2400℃以下の温度(以下、「焼結温度」とも記す。)、及び、8GPa以上の圧力(以下、「焼結圧力」とも記す。)条件下で10分以上保持する工程を行うことができる。これにより、得られた立方晶窒化硼素多結晶体は、立方晶窒化硼素の含有率が大きくなり、更に長い工具寿命を達成することができる。
図2の経路では、ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度が約1200℃である。これによると、六方晶窒化硼素粉末は原子拡散が非常に起こりやすい環境で、ウルツ鉱型窒化硼素に変換される。このため、ウルツ鉱型窒化硼素は格子欠陥が少なく、転位密度が非常に低くなる。その後、ウルツ鉱型窒化硼素は、更に加熱されて立方晶窒化硼素多結晶体に変換され、その後、温度約2200℃、圧力約9GPaで保持される。この温度及び圧力条件は、立方晶窒化硼素の粒成長を生じさせないものである。よって、得られた立方晶窒化硼素多結晶体は、転位密度が非常に低く、粗大粒も存在しない。
立方晶窒化硼素多結晶体を、下記の手順に従って作製した。
(前処理工程)
六方晶窒化硼素粉末(デンカ社製の「デンカボロンナイトライド」(商品名)、粒径5μm)を6g準備した。該六方晶窒化硼素粉末をモリブデン製のカプセルに入れ、超高圧高温発生装置を用いて、25℃(室温)で、表1の「前処理工程」の「第1段階加圧圧力」欄に記載される圧力まで加圧した。
続いて、超高圧高温発生装置内の温度を、表1の「加熱加圧工程」の「wBN安定領域突入温度」欄に記載される温度まで加熱した。この間、超高圧高温発生装置内の圧力は、表1の「前処理工程」の「第1段階加圧圧力」欄に記載される圧力を保持した。
表1の「温度圧力保持工程」の「温度」及び「圧力」欄に記載される温度及び圧力にて10分間保持して、立方晶窒化硼素多結晶体を得た。
(前処理工程)
六方晶窒化硼素粉末(デンカ社製の「デンカボロンナイトライド」(商品名)、粒径5μm)を6g準備した。該六方晶窒化硼素粉末をモリブデン製のカプセルに入れ、超高圧高温発生装置を用いて、25℃(室温)で、表1の「前処理工程」の「第1段階加圧圧力」欄に記載される圧力まで加圧した。
続いて、超高圧高温発生装置内の温度を、表1の「加熱加圧工程」の「wBN安定領域突入温度」欄に記載される温度まで加熱した。この間、超高圧高温発生装置内の圧力は、表1の「前処理工程」の「第1段階加圧圧力」欄に記載される圧力を保持した。この間に、超高圧高温発生装置内は、六方晶窒化硼素の安定領域内の温度及び圧力から、ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域内の温度及び圧力へ変化した。該加熱加圧工程において、ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は、表1の「加熱加圧工程」の「wBN安定領域突入温度」欄に記載される温度であった。
表1の「温度圧力保持工程」の「温度」及び「圧力」欄に記載される温度及び圧力にて10分間保持して、立方晶窒化硼素多結晶体を得た。
(前処理工程及び加熱加圧工程)
六方晶窒化硼素粉末(デンカ社製の「デンカボロンナイトライド」(商品名)、粒径5μm)を6g準備した。該六方晶窒化硼素粉末をモリブデン製のカプセルに入れ、超高圧高温発生装置を用いて、25℃(室温)で、表1の「前処理工程」の「第1段階加圧圧力」欄に記載される圧力(12GPa)まで加圧した。
表1の「温度圧力保持工程」の「温度」及び「圧力」欄に記載される温度及び圧力にて10分間保持して、立方晶窒化硼素多結晶体を得た。
(前処理工程)
六方晶窒化硼素粉末(デンカ社製の「デンカボロンナイトライド」(商品名)、粒径5μm)を6g準備した。該六方晶窒化硼素粉末をモリブデン製のカプセルに入れ、超高圧高温発生装置を用いて、25℃(室温)で、表1の「前処理工程」の「第1段階加圧圧力」欄に記載される圧力まで加圧した。
続いて、超高圧高温発生装置内の温度を、1500℃まで加熱した。この間、超高圧高温発生装置内の圧力は、表1の「前処理工程」の「第1段階加圧圧力」欄に記載される圧力を保持した。
表1の「温度圧力保持工程」の「温度」及び「圧力」欄に記載される温度及び圧力にて10分間保持して、立方晶窒化硼素多結晶体を得た。
対照例として、住友電工ハードメタル(株)製の「BN7000」(商品名)を準備した。これは、通常の結合材を含む立方晶窒化硼素焼結体である。
(組成の測定)
試料1~試料11の立方晶窒化硼素多結晶体中の立方晶窒化硼素の含有率を、X線回折法により測定した。X線回折法の具体的な方法は、実施の形態1に示される通りであるため、その説明は繰り返さない。
試料1~試料11の立方晶窒化硼素多結晶体の転位密度を、X線回折測定により得られるラインプロファイルを修正Williamson-Hall法及び修正Warren-Averbach法を用いて解析することにより算出した。転位密度の具体的な算出方法は、実施の形態1に示される通りであるため、その説明は繰り返さない。なお、X線回折測定は、佐賀県立九州シンクロトロン光研究センター内の住友電工専用BL(BL)にて行った。結果を表1の「転位密度」の欄に示す。
試料1~試料11の立方晶窒化硼素多結晶体に含まれる結晶粒について、円相当径のメジアン径d50、円相当径1μm以上の結晶粒の面積比率及び板状粒子の面積比率S2を測定した。具体的な方法は、実施の形態1に示される通りであるため、その説明は繰り返さない。表1の「メジアン径d50」、「円相当径が1μm以上の結晶粒の面積比率S1」、「板状粒子の面積比率S2」の欄に示す。
試料1~試料11の立方晶窒化硼素多結晶体を、レーザにより切断して仕上げ加工し、インサート型番SNEW1203ADTR(住友電工ハードメタル(株)製)の切削工具を作製した。得られた切削工具を用いて、以下の切削条件でねずみ鋳鉄FC300ブロック材(80mm×300mm×150mm)の正面フライス加工を行い、工具寿命を評価した。
使用カッタ:FMU4100R(住友電工ハードメタル(株)製)
インサート型番:SNEW1203ADTR(住友電工ハードメタル(株)製)
切削速度:2500m/min
切込み量:0.3mm
送り量:0.2mm/刃
Dry加工
上記の切削条件で切削し、0.2mm以上の欠損が生じるまでの加工時間を測定した。加工時間が長いほど、耐欠損性に優れ、工具寿命が長いことを示している。なお、従来の立方晶窒化硼素焼結体を用いた工具では、切削速度は1500m/minが標準的であり、2000m/minを超えると欠損が生じやすい。よって、切削速度2500m/minの切削条件は、高速加工条件である。
試料1~試料8の製造方法は、六方晶窒化硼素粉末を、ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域内の温度及び圧力を通過して、1900℃以上2400℃以下の温度、及び、8GPa以上の圧力まで加熱加圧する工程を備え、ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は600℃以上であり、実施例に該当する。試料1~試料8の立方晶窒化硼素多結晶体は、立方晶窒化硼素を98.5体積%以上含み、転位密度が8×1015/m2以下であり、実施例に該当する。試料1~試料8の立方晶窒化硼素多結晶体は、鉄系材料の高速加工においても、長い工具寿命を有することが確認された。
Claims (4)
- 立方晶窒化硼素を98.5体積%以上含む立方晶窒化硼素多結晶体であって、
前記立方晶窒化硼素多結晶体の転位密度は7×1015/m2以下であり、
前記立方晶窒化硼素多結晶体は、複数の結晶粒を含み、
前記複数の結晶粒の円相当径のメジアン径d50は0.1μm以上0.5μm以下であり、
前記立方晶窒化硼素多結晶体において、その断面を走査型電子顕微鏡を用いて10000倍の倍率で観察した場合、アスペクト比が4以上の板状粒子の面積比率S2は5面積%以下である、立方晶窒化硼素多結晶体。 - 前記立方晶窒化硼素多結晶体は、複数の結晶粒を含み、
前記立方晶窒化硼素多結晶体において、その断面を走査型電子顕微鏡を用いて10000倍の倍率で観察した場合、円相当径が1μm以上の結晶粒の面積比率S1は20面積%以下である、請求項1に記載の立方晶窒化硼素多結晶体。 - 前記面積比率S1は15面積%以下である、請求項2に記載の立方晶窒化硼素多結晶体。
- 前記立方晶窒化硼素多結晶体の転位密度は6.64×1015/m2以下である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の立方晶窒化硼素多結晶体。
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