JPWO2020175647A1 - 立方晶窒化硼素多結晶体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
立方晶窒化硼素を96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の転位密度は8×1015/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100nm未満である、立方晶窒化硼素多結晶体である。
上記に記載の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法であって、
円相当径のメジアン径d90が0.3μm以下の六方晶窒化硼素粉末を準備する第1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、1500℃以上2200℃以下の温度、及び、10GPa以上の圧力まで加熱加圧して立方晶窒化硼素多結晶体を得る第2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、
式1:P≧−0.0037T+11.301
式2:P≦−0.085T+117
前記第2工程の加熱加圧経路において、前記ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は900℃以上である、立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法である。
上記に記載の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法であって、
熱分解窒化硼素を準備するA工程と、
前記熱分解窒化硼素を、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、最終焼結領域内の温度及び圧力まで加熱加圧して立方晶窒化硼素多結晶体を得るB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、
式1:P≧−0.0037T+11.301
式2:P≦−0.085T+117
前記最終焼結領域は、温度をT℃、圧力をPGPaとした時に、下記式3、下記式4及び下記式5を同時に満たす領域であり、
式3:P≧12
式4:P≧−0.085T+151
式5:P≦−0.085T+202
前記B工程の加熱加圧経路において、前記ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は900℃以上である、立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法である。
近年、特に金型の分野において、精密加工が増加している。立方晶窒化硼素多結晶体を精密加工に用いた場合、刃先の欠損が生じて、工具寿命が短くなる傾向がある。従って、精密加工においても、優れた工具寿命を示すことのできる工具が求められている。
本開示によれば、立方晶窒化硼素多結晶体は、工具として用いた場合に、精密加工においても、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。
前記立方晶窒化硼素の転位密度は8×1015/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100nm未満である。
円相当径のメジアン径d90が0.3μm以下の六方晶窒化硼素粉末を準備する第1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、1500℃以上2200℃以下の温度、及び、10GPa以上の圧力まで加熱加圧して立方晶窒化硼素多結晶体を得る第2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、
式1:P≧−0.0037T+11.301
式2:P≦−0.085T+117
前記第2工程の加熱加圧経路において、前記ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は900℃以上である、立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法である。
熱分解窒化硼素を準備するA工程と、
前記熱分解窒化硼素を、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、最終焼結領域内の温度及び圧力まで加熱加圧して立方晶窒化硼素多結晶体を得るB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、
式1:P≧−0.0037T+11.301
式2:P≦−0.085T+117
前記最終焼結領域は、温度をT℃、圧力をPGPaとした時に、下記式3、下記式4及び下記式5を同時に満たす領域であり、
式3:P≧12
式4:P≧−0.085T+151
式5:P≦−0.085T+202
前記B工程の加熱加圧経路において、前記ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は900℃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。
本開示の立方晶窒化硼素多結晶体は、立方晶窒化硼素を96体積%以上含む立方晶窒化硼素多結晶体であって、該立方晶窒化硼素の転位密度は8×1015/m2以下であり、該立方晶窒化硼素多結晶体は、複数の結晶粒を含み、該複数の結晶粒の円相当径のメジアン径d50は100nm未満である。
本開示の立方晶窒化硼素多結晶体は、立方晶窒化硼素を96体積%以上含む。これにより、立方晶窒化硼素多結晶体は、強度及び熱拡散性が向上し、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。
本開示の立方晶窒化硼素多結晶体において、立方晶窒化硼素の転位密度は8×1015/m2以下である。該立方晶窒化硼素多結晶体では、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、優れた耐欠損性及び耐亀裂伝搬性を有し、精密加工においても、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。転位密度の下限は特に限定されないが、製造上の観点から、1×1015/m2とすることができる。すなわち、転位密度は1×1015/m2以上8×1015/m2以下が好ましく、1×1015/m2以上7×1015/m2以下がより好ましく、1×1015/m2以上6×1015/m2以下が更に好ましい。
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。
(メジアン径d50)
本開示の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100nm未満である。立方晶窒化硼素多結晶体は、結晶粒の粒径が小さいほど強度が大きくなる。よって、該立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具は、精密加工においても、長い工具寿命を有することができる。
本明細書において、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、複数の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。
本開示の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。
本開示の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法を、図1〜図5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及び図3は、本開示の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4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5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。
図1に示されるように、窒化硼素には、常温常圧の安定相である六方晶窒化硼素、高温高圧の安定相である立方晶窒化硼素、及び、六方晶窒化硼素から立方晶窒化硼素への転位の間の準安定相であるウルツ鉱型窒化硼素の3つの相が存在する。
式2:P≦−0.085T+117。
式B:P≦−0.085T+117
式C:P≦0.0027T+0.3333
式D:P≧−0.085T+117
式E:P≧0.0027T+0.3333
従来、六方晶窒化硼素を、立方晶窒化硼素の安定領域内の温度及び圧力まで到達させるための加熱加圧経路として、図4に示される経路(以下、「図4の経路」とも記す。)が検討されていた。
一方、原子拡散を起こりやすくするために、相転位の温度を上げることも考えらえる。例えば、図5の経路では、開始温度及び開始圧力(常温常圧)から、ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域を通過しないように、立方晶型窒化硼素の安定領域内の温度(図5では約1500℃)及び圧力(図5では約9GPa)まで加熱加圧し(図5の矢印F1、F2、F3)、その後に、更に、温度を上げる(図5では約2100℃)(図5の矢印F4)。
本開示の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法(1)は、実施の形態1の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法である。本開示の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法(1)は、円相当径のメジアン径d90が0.3μm以下の六方晶窒化硼素粉末を準備する第1工程(以下、「第1工程」とも記す。)と、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、1500℃以上2200℃以下の温度、及び、10GPa以上の圧力まで加熱加圧して立方晶窒化硼素多結晶体を得る第2工程(以下、「第2工程」とも記す。)とを備える。ここで、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、
式1:P≧−0.0037T+11.301
式2:P≦−0.085T+117
第2工程の加熱加圧経路において、前記ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は900℃以上である。
立方晶窒化硼素多結晶体の原料として、円相当径のメジアン径d90(以下、「メジアン径d90」とも記す。)が0.3μm以下の六方晶窒化硼素粉末を準備する。
次に、上記の六方晶窒化硼素粉末を、例えば、常温常圧(図2のSで示される温度及び圧力)からウルツ鉱型窒化硼素の安定領域内の温度及び圧力を通過して、1500℃以上2200℃以下の温度(以下、「到達温度」とも記す。)、及び、10GPa以上の圧力(以下、「到達圧力」とも記す。)まで加熱加圧して立方晶窒化硼素多結晶体を得る(矢印A1、A2及びA3)。第2工程の加熱加圧経路において、ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は900℃以上である。
上記の第2工程の後に、第2工程により得られた立方晶窒化硼素多結晶体を、1500℃以上2200℃以下の温度(以下、「最終焼結温度」とも記す。)、及び、10GPa以上の圧力(以下、「最終焼結圧力」とも記す。)条件下で10分以上30分以下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。
本開示の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法(2)は、実施の形態1の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法である。本開示の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法(2)は、熱分解窒化硼素を準備するA工程(以下、「A工程」とも記す。)と、熱分解窒化硼素を、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、最終焼結領域内の温度及び圧力まで加熱加圧して立方晶窒化硼素多結晶体を得るB工程(以下、「B工程」とも記す。)とを備える。ここで、ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域は、温度をT(℃)、圧力をP(GPa)とした時に、下記式1及びび下記式2を同時に満たす領域であり、
式1:P≧−0.0037T+11.301
式2:P≦−0.085T+117
最終焼結領域は、温度をT(℃)、圧力をP(GPa)とした時に、下記式3、下記式4及び下記式5を同時に満たす領域であり、
式3:P≧12
式4:P≧−0.085T+151
式5:P≦−0.085T+202
B工程の加熱加圧経路において、前記ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は900℃以上である。
立方晶窒化硼素多結晶体の原料として、熱分解窒化硼素を準備する。熱分解窒化硼素は、その粒径が熱分解により非常に細かくなっており、立方晶窒化硼素の転位密度を低くするために最終焼結温度を比較的高く設定しても、微細な結晶粒を維持できると考えられる。熱分解窒化硼素は従来公知の合成法により製造したもの、及び、市販の熱分解窒化硼素のいずれも用いることができる。
次に、上記の熱分解窒化硼素を、例えば、常温常圧(図3のSで示される温度及び圧力)からウルツ鉱型窒化硼素の安定領域内の温度及び圧力を通過して、最終焼結領域内の温度及び圧力まで加熱加圧する(→B1、B2及びB3)。加熱加圧工程(2)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900℃以上である。図3では、ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は、矢印B2とP=−0.0037T+11.301の線との交点における温度(約1000℃)である。
上記のB工程の後に、B工程により得られた立方晶窒化硼素多結晶体を、最終焼結領域内の温度及び圧力条件下で10分以上30分以下保持する工程を備えることができる。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。
実施例1では、上記の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法(1)の製造条件と、得られる立方晶窒化硼素多結晶体の構成(組成、結晶粒のメジアン径、転位密度)と、該立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具で精密加工を行った場合の工具寿命との関係を調べた。
試料1〜試料11の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。
六方晶窒化硼素粉末(メジアン径d90:0.3μm)を6g準備した。上記の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に設置した。
[試料1〜試料4、試料6〜試料11]
上記の六方晶窒化硼素粉末を、超高圧高温発生装置を用いて、表1の「開始点」の「温度」及び「圧力」欄に記載される温度及び圧力から、圧力を維持したまま、「第1段階」の「到達温度」欄に記載される温度まで昇温した。
上記の六方晶窒化硼素粉末を、超高圧高温発生装置を用いて、表1の「開始点」の「温度」及び「圧力」欄に記載される温度及び圧力から、温度を維持したまま、「第1段階」の「到達圧力」欄に記載される圧力まで昇圧した。
(組成の測定)
上記で得られた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。結果を表1の「cBN含有率」欄に示す。
上記で得られた立方晶窒化硼素多結晶体中の立方晶窒化硼素の転位密度を、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。結果を表1の「転位密度」欄に示す。
上記で得られた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。結果を表1の「メジアン径(d50)」欄に示す。
上記で得られた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、ボールエンドミルを作製した。該ボールエンドミルを用いて、以下の切削条件でELMAX鋼(登録商標)(UDDEHOLM社製、クロム−バナジウム−モリブデン系合金鋼)の球面加工を行い、工具性能を評価した。
被削材:ELMAX鋼(登録商標)(UDDEHOLM社製、クロム−バナジウム−モリブデン系合金鋼)
工具形状:ボールエンドミル、R0.6mm−1枚刃
回転数:38000rpm
送り:1000mm/min
切込み深さ(ap):0.005mm
切削幅(ae):0.005mm
オイルミストあり
φ12半球形状に加工
なお、上記の切削条件は、精密加工に該当する。
被削材を上記の切削条件で切削し、被削材の加工面の面粗さRaが0.2μmを超えるまでのφ12半球形状の加工穴数を測定した。加工穴数が大きいほど、耐欠損性に優れ、工具寿命が長いことを示している。加工面の面粗さRaの具体的な測定方法は下記の通りである。
[試料1〜試料3、試料7、試料8、試料9、試料10]
試料1〜試料3、試料7、試料8、試料9、試料10の製造方法は、いずれも実施例に該当する。試料1〜試料3、試料7、試料8、試料9、試料10の立方晶窒化硼素多結晶体は、いずれも立方晶窒化硼素を96体積%以上含み、立方晶窒化硼素の転位密度が8×1015/m2以下であり、結晶粒のメジアン径d50が100nm未満であり、実施例に該当する。試料1〜試料3、試料7、試料8、試料9、試料10の立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具は、加工穴数が多く、精密加工においても、工具の欠損が生じにくく、長い工具寿命を有することが確認された。
試料4及び試料5の製造方法は、いずれもウルツ鉱型窒化硼素の安定領域内への突入温度が900℃未満であり、比較例に該当する。試料4及び試料5の立方晶窒化硼素多結晶体は、いずれも立方晶窒化硼素の転位密度が8×1015/m2を超えており、比較例に該当する。試料4及び試料5の立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具は、加工穴数が少なく、工具寿命が短かった。これは、試料4及び試料5の立方晶窒化硼素多結晶体は、立方晶窒化硼素の転位密度が大きく、靱性が低下し、工具の欠損が生じ易く、その結果、被削材の加工面の面粗さが悪化したためと考えられる。立方晶窒化硼素の転位密度が大きい理由は、試料4及び試料5の製造方法では、ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域内への突入温度が900℃未満であり、格子欠陥が生じ易いためと考えられる。
試料6の製造方法は、第2工程の到達温度(第3段階の到達温度)が1500℃未満であり、比較例に該当する。試料6の立方晶窒化硼素は、立方晶窒化硼素の含有率が96体積%未満であり、比較例に該当する。試料6の立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具は、加工穴数が少なく、工具寿命が短かった。これは、試料6の立方晶窒化硼素多結晶体は、立方晶窒化硼素の含有率が小さく、強度及び熱拡散性が低下したため、工具の欠損が生じ易く、その結果、被削材の加工面の面粗さが悪化したためと考えられる。立方晶窒化硼素の含有率が低い理由は、第2工程の到達温度が1500℃未満であるため、立方晶窒化硼素への変換率が低くなったためと考えられる。
試料11の製造方法は、第2工程の到達圧力(第3段階の到達圧力)が10GPa未満であり、比較例に該当する。試料11の立方晶窒化硼素は、立方晶窒化硼素の含有率が96体積%未満であり、比較例に該当する。試料11の立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具は、加工穴数が少なく、工具寿命が短かった。これは、試料11の立方晶窒化硼素多結晶体は、立方晶窒化硼素の含有率が小さく、強度及び熱拡散性が低下したため、工具の欠損が生じ易く、その結果、被削材の加工面の面粗さが悪化したためと考えられる。立方晶窒化硼素の含有率が小さい理由は、第2工程の到達圧力が10GPa未満であるため、立方晶窒化硼素への変換率が低くなったためと考えられる。
実施例2では、上記の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法(2)の製造条件と、得られる立方晶窒化硼素多結晶体の構成(組成、結晶粒のメジアン径、転位密度)と、該立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具で精密加工を行った場合の工具寿命との関係を調べた。
試料12〜試料15の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。
熱分解窒化硼素を6g準備した。熱分解窒化硼素を、モリブデン製のカプセルに入れ、超高圧高温発生装置に設置した。
[試料12〜試料15]
上記の熱分解窒化硼素を、超高圧高温発生装置を用いて、表1の「開始点」の「温度」及び「圧力」欄に記載される温度及び圧力から、圧力を維持したまま、「第1段階」の「到達温度」欄に記載される温度まで昇温した。
(組成、転位密度、及び、結晶粒のメジアン径d50の測定)
得られた立方晶窒化硼素多結晶体について、立方晶窒化硼素の含有率、立方晶窒化硼素の転位密度、及び、結晶粒のメジアン径d50を測定した。具体的な測定方法は、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。結果を表2の「cBN含有率」、「転位密度」、「メジアン径(d50)」の欄に示す。
上記で得られた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、ボールエンドミルを作製した。該ボールエンドミルを用いて、以下の切削条件でELMAX鋼(登録商標)(UDDEHOLM社製、クロム−バナジウム−モリブデン系合金鋼)の球面加工を行い、工具性能を評価した。
被削材:ELMAX鋼(登録商標)(UDDEHOLM社製、クロム−バナジウム−モリブデン系合金鋼)
工具形状:ボールエンドミル、R0.5mm−1枚刃
回転数:42000rpm
送り:1000mm/min
切込み深さ(ap):0.005mm
切削幅(ae):0.005mm
オイルミストあり
φ8半球形状に加工
なお、上記の切削条件は、精密加工に該当する。
被削材を上記の切削条件で切削し、被削材の加工面の面粗さRaが0.15μmを超えるまでのφ8半球形状の加工穴数を測定した。加工穴数が大きいほど、耐欠損性に優れ、工具寿命が長いことを示している。加工面の面粗さRaの具体的な測定方法は実施例1に記載の方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。
[試料13、試料14]
試料13及び試料14の製造方法は、いずれも実施例に該当する。試料13及び試料14の立方晶窒化硼素多結晶体は、いずれも立方晶窒化硼素を96体積%以上含み、立方晶窒化硼素の転位密度が8×1015/m2以下であり、結晶粒のメジアン径d50が100nm未満であり、実施例に該当する。試料13及び試料14の立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具は、加工穴数が多く、精密加工においても、工具の欠損が生じにくく、長い工具寿命を有することが確認された。
試料12の製造方法は、B工程の到達温度及び到達圧力(第3段階における到達温度及び到達圧力)が上記式4の条件を満たさず、比較例に該当する。試料12の立方晶窒化硼素は、立方晶窒化硼素の含有率が96体積%未満であり、比較例に該当する。試料12の立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具は、加工穴数が少なく、工具寿命が短かった。これは、試料12の立方晶窒化硼素多結晶体は、立方晶窒化硼素の含有率が小さく、強度及び熱拡散性が低下したため、工具の欠損が生じ易く、その結果、被削材の加工面の面粗さが悪化したためと考えられる。立方晶窒化硼素の含有率が小さい理由は、B工程の到達温度及び到達圧力が上記式4の条件を満たさず、最終焼結温度が低いため、立方晶窒化硼素への変換率が低くなったためと考えられる。
試料15の製造方法は、B工程の到達温度及び到達圧力(第3段階における到達温度及び到達圧力)が上記式5の条件を満たさず、比較例に該当する。試料15の立方晶窒化硼素は、結晶粒のメジアン径d50が100nm以上であり、比較例に該当する。試料12の立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具は、加工穴数が少なく、工具寿命が短かった。これは、試料12の立方晶窒化硼素多結晶体は、結晶粒のメジアン径d50が100nm以上であり、強度がやや低下し、耐欠損性が低下し、その結果、被削材の加工面の面粗さが悪化したためと考えられる。結晶粒のメジアン径d50が大きい理由は、B工程の到達温度及び到達圧力が上記式5の条件を満たさず、最終焼結温度が高いため、粒成長が進んだためと考えられる。
実施例3では、上記の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法(1)の製造条件と、得られる立方晶窒化硼素多結晶体の構成(組成(立方晶窒化硼素の含有率、六方晶窒化硼素の含有率、ウルツ鉱型窒化硼素の含有率)、結晶粒のメジアン径、転位密度)と、該立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具で精密加工を行った場合の工具寿命との関係を調べた。
試料16〜試料20の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。
(第1工程)
六方晶窒化硼素粉末(メジアン径d90:0.3μm)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に設置した。
上記の六方晶窒化硼素粉末を、超高圧高温発生装置を用いて、表3の「開始点」の「温度」及び「圧力」欄に記載される温度及び圧力から、圧力を維持したまま、「第1段階」の「到達温度」欄に記載される温度まで昇温した。
(組成、転位密度、及び、結晶粒のメジアン径d50の測定)
得られた立方晶窒化硼素多結晶体について、組成(立方晶窒化硼素の含有率、六方晶窒化硼素の含有率、ウルツ鉱型窒化硼素の含有率)、立方晶窒化硼素の転位密度、及び、結晶粒のメジアン径d50を測定した。具体的な測定方法は、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。結果を表3の「cBN含有率」、「hBN含有率」、「圧縮型hBN含有率」、「wBN含有率」、「転位密度」、「メジアン径(d50)」の欄に示す。
上記で得られた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、ボールエンドミルを作製した。該ボールエンドミルを用いて、以下の切削条件でELMAX鋼(登録商標)(UDDEHOLM社製、クロム−バナジウム−モリブデン系合金鋼)の球面加工を行い、工具性能を評価した。
被削材:ELMAX鋼(登録商標)(UDDEHOLM社製、クロム−バナジウム−モリブデン系合金鋼)
工具形状:ボールエンドミル、R0.6mm−1枚刃
回転数:12000rpm
送り:1000mm/min
切込み深さ(ap):0.005mm
切削幅(ae):0.005mm
オイルミストあり
φ8半球形状に加工
被削材を上記の切削条件で切削し、被削材の加工面の面粗さRaが0.2μmを超えるまでのφ12半球形状の加工穴数を測定した。加工穴数が大きいほど、耐欠損性に優れ、工具寿命が長いことを示している。加工面の面粗さRaの具体的な測定方法は実施例1に記載の方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。結果を表3の「加工穴数」欄に示す。
[試料16〜試料18]
試料16〜試料18の製造方法は、いずれも実施例に該当する。試料16〜試料18の立方晶窒化硼素多結晶体は、いずれも立方晶窒化硼素を96体積%以上含み、立方晶窒化硼素の転位密度が8×1015/m2以下であり、結晶粒のメジアン径d50が100nm未満であり、実施例に該当する。試料16〜試料18の立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具は、加工穴数が多く、精密加工においても、工具の欠損が生じにくく、長い工具寿命を有することが確認された。
試料19の製造方法は、第2工程の到達圧力(第3段階の到達圧力)が10GPa未満であり、比較例に該当する。試料19の立方晶窒化硼素は、立方晶窒化硼素の含有率が96体積%未満であり、比較例に該当する。試料19の立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具は、加工穴数が少なく、工具寿命が短かった。これは、試料19の立方晶窒化硼素多結晶体は、立方晶窒化硼素の含有率が小さく、強度及び熱拡散性が低下したため、工具の欠損が生じ易く、その結果、被削材の加工面の面粗さが悪化したためと考えられる。立方晶窒化硼素の含有率が小さい理由は、加熱加圧工程の到達圧力が10GPa未満であるため、立方晶窒化硼素への変換率が低くなったためと考えられる。
試料20の製造方法は、第2工程の到達温度(第3段階の到達温度)が2200℃より高く、比較例に該当する。試料19の立方晶窒化硼素は、結晶粒のメジアン径d50が100nmより大きく、比較例に該当する。試料19の立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具は、加工穴数が少なく、工具寿命が短かった。これは、試料19の立方晶窒化硼素多結晶体は、結晶粒のメジアン径d50が大きく、強度が低下し、耐欠損性が低下し、かつ、六方晶窒化硼素、圧縮型六方晶窒化硼素、ウルツ鉱型窒化硼素を含まなかったため、切削抵抗が大きくなり、工具の欠損が生じ易く、その結果、被削材の加工面の面粗さが悪化したためと考えられる。
実施例4では、上記の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法(1)の製造条件と、得られる立方晶窒化硼素多結晶体の構成(組成、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の合計含有量、結晶粒のメジアン径、転位密度)と、該立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具で精密加工を行った場合の工具寿命との関係を調べた。
試料21〜試料23の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。
[試料21、試料22]
六方晶窒化硼素粉末(メジアン径d90:0.3μm)を6g準備した。上記の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に設置した。
アルカリ金属及びアルカリ土類金属を合計で10ppmより多く含む立方晶窒化硼素粉末(メジアン径d90:3μm)を6g準備した。該立方晶窒化硼素粉末をアルゴン雰囲気下、1900℃の温度で1時間保持し、立方晶窒化硼素を六方晶窒化硼素へ逆変換させて、六方晶窒化硼素粉末を得た。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に設置した。
(組成、転位密度、及び、結晶粒のメジアン径d50の測定)
得られた立方晶窒化硼素多結晶体について、組成(立方晶窒化硼素の含有率、六方晶窒化硼素の含有率、ウルツ鉱型窒化硼素の含有率)、立方晶窒化硼素の転位密度、及び、結晶粒のメジアン径d50を測定した。具体的な測定方法は、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。結果を表3の「cBN含有率」、「hBN含有率」、「圧縮型hBN含有率」、「wBN含有率」、「転位密度」、「メジアン径(d50)」の欄に示す。
上記で得られた立方晶窒化硼素多結晶体中のアルカリ金属元素及びアルカリ土類金属元素の合計含有量を、SIMSにより測定した。具体的な測定方法は、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。アルカリ金属元素及びアルカリ土類金属元素の合計含有量を表4の「アルカリ金属/アルカリ土類金属含有量」欄に示す。
上記で得られた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、ボールエンドミルを作製した。該ボールエンドミルを用いて、以下の切削条件でELMAX鋼(登録商標)(UDDEHOLM社製、クロム−バナジウム−モリブデン系合金鋼)の球面加工を行い、工具性能を評価した。
被削材:ELMAX鋼(登録商標)(UDDEHOLM社製、クロム−バナジウム−モリブデン系合金鋼)
工具形状:ボールエンドミル、R0.6mm−1枚刃
回転数:50000rpm
送り:1000mm/min
切込み深さ(ap):0.005mm
切削幅(ae):0.005mm
オイルミストあり
φ12半球形状に加工
被削材を上記の切削条件で切削し、被削材の加工面の面粗さRaが0.2μmを超えるまでのφ12半球形状の加工穴数を測定した。加工穴数が大きいほど、耐摩耗性に優れ、工具寿命が長いことを示している。加工面の面粗さRaの具体的な測定方法は実施例1に記載の方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。結果を表4の「加工穴数」欄に示す。
[試料21、試料22]
試料21、試料22の製造方法は、いずれも実施例に該当する。試料18、試料19の立方晶窒化硼素多結晶体は、いずれも立方晶窒化硼素を96体積%以上含み、立方晶窒化硼素の転位密度が8×1015/m2以上であり、結晶粒のメジアン径d50が100nm未満であり、実施例に該当する。試料21、試料22の立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具は、加工穴数が多く、刃先が高温になりやすい条件下での精密加工においても、工具の欠損が生じにくく、長い工具寿命を有することが確認された。
試料23の立方晶窒化硼素多結晶体は、立方晶窒化硼素を96体積%以上含み、立方晶窒化硼素の転位密度が8×1015/m2以上であり、結晶粒のメジアン径d50が100nm未満であり、実施例に該当する。試料20の立方晶窒化硼素多結晶体を用いた工具は、加工穴数が11以上であり、刃先が高温になりやすい条件下での精密加工においても、良好な工具寿命を有することが確認された。
Claims (14)
- 立方晶窒化硼素を96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の転位密度は8×1015/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100nm未満である、立方晶窒化硼素多結晶体。 - 前記転位密度は7×1015/m2以下である、請求項1に記載の立方晶窒化硼素多結晶体。
- 前記立方晶窒化硼素多結晶体は、六方晶窒化硼素を0.01体積%以上含む、請求項1又は請求項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は、圧縮型六方晶窒化硼素を0.01体積%以上含む、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。
- 前記立方晶窒化硼素多結晶体は、ウルツ鉱型窒化硼素を0.1体積%以上含む、請求項1から請求項4のいずれか1項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アルカリ金属元素及びアルカリ土類金属元素の合計含有量は、質量基準で10ppm以下である、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の立方晶窒化硼素多結晶体。
- 前記転位密度は、修正Williamson−Hall法及び修正Warren−Averbach法を用いて算出される、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の立方晶窒化硼素多結晶体。
- 前記転位密度は、放射光をX線源として測定される、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の立方晶窒化硼素多結晶体。
- 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法であって、
円相当径のメジアン径d90が0.3μm以下の六方晶窒化硼素粉末を準備する第1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、1500℃以上2200℃以下の温度、及び、10GPa以上の圧力まで加熱加圧して立方晶窒化硼素多結晶体を得る第2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、
式1:P≧−0.0037T+11.301
式2:P≦−0.085T+117
前記第2工程の加熱加圧経路において、前記ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は900℃以上である、立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法。 - 前記突入温度は1200℃以上である、請求項9に記載の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法。
- 前記第2工程の後に、前記第2工程により得られた立方晶窒化硼素多結晶体を、1500℃以上2200℃以下の温度、及び、10GPa以上の圧力条件下で10分以上30分以下保持する第3工程を備える、請求項9又は請求項10に記載の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法。
- 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法であって、
熱分解窒化硼素を準備するA工程と、
前記熱分解窒化硼素を、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、最終焼結領域内の温度及び圧力まで加熱加圧して立方晶窒化硼素多結晶体を得るB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、
式1:P≧−0.0037T+11.301
式2:P≦−0.085T+117
前記最終焼結領域は、温度をT℃、圧力をPGPaとした時に、下記式3、下記式4及び下記式5を同時に満たす領域であり、
式3:P≧12
式4:P≧−0.085T+151
式5:P≦−0.085T+202
前記B工程の加熱加圧経路において、前記ウルツ鉱型窒化硼素の安定領域への突入温度は900℃以上である、立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法。 - 前記突入温度は1200℃以上である、請求項12に記載の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法。
- 前記B工程の後に、前記B工程により得られた立方晶窒化硼素多結晶体を、前記最終焼結領域内の温度及び圧力条件下で10分以上30分以下保持するC工程を備える、請求項12又は請求項13に記載の立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法。
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