WO2018088174A1 - 複合焼結体 - Google Patents

Abstract

複合焼結体は、複数のダイヤモンド粒子と、複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備え、複合焼結体はダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して３次元的に連続している骨格構造を有し、結合相は３次元的に連続している構造を有し、立方晶窒化ホウ素粒子は、結合相中に分散しているか、ダイヤモンド粒子に結合しているか、の少なくともいずれかである。

Description

複合焼結体

　本発明は、複合焼結体に関する。本出願は、２０１６年１１月８日に出願した日本特許出願である特願２０１６－２１８１７０号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。

　特開２００５－２３９４７２号公報（特許文献１）は、平均粒径が２μｍ以下の焼結ダイヤモンド粒子と、残部の結合相とを備えた高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体であって、ダイヤモンド焼結体中の焼結ダイヤモンド粒子の含有率は８０体積％以上９８体積％以下であり、結合相中の含有率が０．５質量％以上５０質量％未満であるチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、およびモリブデンからなる群から選ばれる少なくとも１種以上の元素と、結合相中の含有率が５０質量％以上９９．５質量％未満であるコバルトとを結合相は含み、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、およびモリブデンからなる群から選ばれる少なくとも１種以上の元素の一部または全部が平均粒径０．８μｍ以下の炭化物粒子として存在し、炭化物粒子の組織は不連続であり、隣り合う焼結ダイヤモンド粒子同士は互いに結合している高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体を開示する。

　特開平９－３１６５８７号公報（特許文献２）は、焼結ダイヤモンド粒子と、残部として結合材とを含み、焼結ダイヤモンド粒子は０．１～４μｍの範囲内の粒径を有し、結合材はＦｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選ばれた少なくとも１つの鉄族金属を含み、酸素含有量が０．０１～０．０８重量％の範囲内である高強度微粒ダイヤモンド焼結体を開示する。

　特開平１－１７８３６号公報（特許文献３）は、体積で６～０．１％の周期律表第４ａ，５ａまたは６ａ族の遷移金属、ホウ素、もしくはシリコンが均一にコーティングされたダイヤモンド原料紛体粒子を超高圧高温下で焼結せしめてなる焼結体により構成され、ダイヤモンドを体積で９４～９９．８％含有し、残部が上記コーティング材料の炭化物からなるダイヤモンド焼結体を開示する。

　特表２０１４－５３１９６７号公報（特許文献４）は、複数の一体になるように結合されたダイヤモンド結晶粒およびダイヤモンド結晶粒の間の間隙領域を含む材料ミクロ構造を含む多結晶質ダイヤモンド本体と、タングステンおよび触媒金属を含む基板と、多結晶質ダイヤモンド本体と基板との間にある、タングステンおよび触媒金属が散在する複数のチタン含有粒子を含む結晶粒成長阻止剤層と、を含み、チタン含有粒子はそのサイズが８００ｎｍ未満であり、結晶粒成長阻止剤層は、その両面が基板と多結晶質ダイヤモンド本体とに結合され、厚さが約２０～１００μｍであり、ダイヤモンド結晶粒は約１μｍ以下の平均サイズを有する多結晶質ダイヤモンドコンパクトを開示する。

　国際公開第２００７／０３９９５５号（特許文献５）は、体積％で６０％以上９５％以下のｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）成分を有し、かつ熱伝導率が７０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上のｃＢＮ焼結体の最表面が、４ａ，５ａ，６ａ族元素、およびＡｌの中から選択される少なくとも１種以上の元素と、Ｃ，Ｎ，Ｏの中から選択される少なくとも１種以上の元素の化合物からなる０．５μｍ～１２μｍの厚みを有する耐熱膜で被覆されている高品位表面性状加工用ｃＢＮ焼結体を開示する。

　国際公開第２００５／０６６３８１号（特許文献６）は、ｃＢＮ粒子とかかるｃＢＮ粒子を結合するための結合材とを含む立方晶型窒化ホウ素焼結体において、７０体積％以上９８体積以下のｃＢＮ粒子と、残部結合材がＣｏ化合物、Ａｌ化合物、ＷＣおよびこれらの固溶体からなり、焼結体中のｃＢＮ粒子がＭｇを０．０３重量％以下、かつＬｉを０．００１重量％以上０．０５重量％以下含有する立方晶型窒化ホウ素焼結体を開示する。

特開２００５－２３９４７２号公報 特開平９－３１６５８７号公報 特開平１－１７８３６号公報 特表２０１４－５３１９６７号公報 国際公開第２００７／０３９９５５号 国際公開第２００５／０６６３８１号

　本開示の複合焼結体は、複数のダイヤモンド粒子と、複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、複合焼結体はダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して３次元的に連続している骨格構造を有し、結合相は３次元的に連続している構造を有し、立方晶窒化ホウ素粒子は、結合相中に分散しているか、ダイヤモンド粒子に結合しているか、の少なくともいずれかである。

図１は、本発明のある態様にかかる複合焼結体のある断面の酸処理後の状態を示す模式図である。 図２は、本発明のある態様にかかる複合焼結体のある断面の酸処理後の状態を示す走査型電子顕微鏡写真である。

[本開示が解決しようとする課題]
　近年の航空機需要の高まりから、インコネル７１８（Ｎｉ基合金）やＴｉ－６Ａｌ－４Ｖに代表される耐熱合金で構成されるジェットエンジンの主要部品であるタービンディスクやブリスクの高速加工が望まれているが、現状は、超硬工具で切削速度５０ｍ／ｍｉｎ程度の低速での仕上げ加工がなされており、高速加工という市場の要求を満たす工具は現れていない。

　特開２００５－２３９４７２号公報（特許文献１）、特開平９－３１６５８７号公報（特許文献２）、特開平１－１７８３６号公報（特許文献３）および特表２０１４－５３１９６７号公報（特許文献４）に開示のダイヤモンド焼結体は、それらの主成分であるダイヤモンドが鉄族元素（周期律表上で第４周期の第８、９および１０族の元素、すなわち、鉄、コバルトおよびニッケルの３つの元素の総称。以下同じ。）および／またはチタンを含む合金と親和性が極めて高いため反応性が高く、空気中６００℃以上で炭化が始まり硬度が低下し、空気中８００℃以上では燃焼することから、熱的化学安定性に劣るため、鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工に使用しないのが常識である。

　国際公開第２００７／０３９９５５号（特許文献５）および国際公開第２００５／０６６３８１号（特許文献６）に開示の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結体は、それらの主成分であるｃＢＮが鉄族元素および／またはチタンを含む合金と親和性が低く、鉄族元素および／またはチタンを含む合金で形成される耐熱合金の高速加工においても高い耐摩耗性を示す。しかしながら、ｃＢＮ焼結体は、耐欠損性が低いことから、鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工において早期にチッピングが発生するため、工具として実用的な寿命が得られていない。

　そこで、上記問題を解決して、鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工にも適用可能で、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を提供することを目的とする。
[本開示の効果]
　本開示によれば、鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工にも適用可能で、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を提供できる。

　[本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。

　［１］本願のある実施形態にかかる複合焼結体は、複数のダイヤモンド粒子と、複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、複合焼結体はダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して３次元的に連続している骨格構造を有し、結合相は３次元的に連続している構造を有し、立方晶窒化ホウ素粒子は、結合相中に分散しているか、ダイヤモンド粒子に結合しているか、の少なくともいずれかである。本実施形態の複合焼結体は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える。

　［２］本実施形態の複合焼結体の任意に特定される断面において、ダイヤモンド粒子同士の結合部分、立方晶窒化ホウ素粒子同士の結合部分、およびダイヤモンド粒子と立方晶窒化ホウ素粒子との結合部分を総称してネックグロスと呼ぶとき、ダイヤモンド粒子および立方晶窒化ホウ素粒子のいずれかの各粒子の外周の長さＬに対する上記各粒子のネックグロスの長さＮの比Ｎ／Ｌの平均を０．４０以上０．８０以下とすることができる。かかる複合焼結体は、さらなる高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える。

　［３］本実施形態の複合焼結体において、ビッカース硬度を３５ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下とすることができる。かかる複合焼結体は、さらなる高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える。

　［４］本実施形態の複合焼結体において、熱伝導率を１００Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上とすることができる。かかる複合焼結体は、高速加工においても、温度上昇が抑制され、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備えるとともに工具としての寿命が長い。

　［５］本実施形態の複合焼結体は、複数のダイヤモンド粒子と、複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、複合焼結体はダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して３次元的に連続している骨格構造を有し、結合相は３次元的に連続している構造を有し、立方晶窒化ホウ素粒子は、結合相中に分散しているか、ダイヤモンド粒子に結合しているか、の少なくともいずれかである。また、複合焼結体の任意に特定される断面において、ダイヤモンド粒子同士の結合部分、立方晶窒化ホウ素粒子同士の結合部分、およびダイヤモンド粒子と立方晶窒化ホウ素粒子との結合部分を総称してネックグロスと呼ぶとき、ダイヤモンド粒子および立方晶窒化ホウ素粒子のいずれかの各粒子の外周の長さＬに対する上記各粒子のネックグロスの長さＮの比Ｎ／Ｌの平均が０．４０以上０．８０以下である。また、ビッカース硬度は３５ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下であり、熱伝導率は１００Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上である。かかる複合焼結体は、高速加工においても、温度上昇が抑制され、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備えるとともに工具としての寿命が長い。

　[本発明の実施形態の詳細]
　＜複合焼結体＞
　図１を参照して、本実施形態にかかる複合焼結体は、複数のダイヤモンド粒子と、複数のｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、複合焼結体はダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して３次元的に連続している骨格構造を有し、結合相は３次元的に連続している構造を有し、ｃＢＮ粒子は、結合相中に分散しているか、ダイヤモンド粒子に結合しているか、の少なくともいずれかである。なお、残部の結合相には、製造の際に混入する不可避不純物を含む。本実施形態の複合焼結体は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える。

　本発明者らは、ｃＢＮ焼結体で切削工具の１種であるエンドミルを形成して、鉄族元素を含む耐熱合金（たとえばインコネル（登録商標）７１８）を加工した際に、刃先にチッピングが発生する直前のエンドミルを観察したところ、エンドミル内部に発生した亀裂がｃＢＮ粒子を貫通していることを見出した。これにより、鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金を加工するための工具としては、ｃＢＮ粒子自体の靭性および強度が不足しており、従来のｃＢＮ焼結体の改良の延長線上では大幅な性能向上が見込めないことが分かった。

　次いで、本発明者らは、エンドミルによる鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工において１刃当たりの切削距離が短く刃先温度が上昇しにくいと考えて、常識的には使用を避けるダイヤモンド焼結体でエンドミルを形成して、鉄族元素を含む耐熱合金（たとえばインコネル（登録商標）７１８）を加工した。その結果、ダイヤモンド焼結体で形成されたエンドミルは、ｃＢＮ焼結体で形成されたエンドミルで散発するチッピングは発生しなかったが、ｃＢＮ焼結体で形成されたエンドミルに比べて摩耗速度が高く、実用的な寿命が得られなかった。

　そこで、本発明者らは、耐摩耗性の高いｃＢＮ粒子と耐欠損性の高いダイヤモンド粒子の複合化を検討した。その検討の結果、ダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して３次元的に連続している骨格構造を有し、結合相は３次元的に連続している構造を有し、ｃＢＮ粒子は、結合相中に分散しているか、ダイヤモンド粒子に結合しているか、の少なくともいずれかとなるように、ダイヤモンド粒子、ｃＢＮ粒子および結合相を複合化させることにより、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を得ることに成功した。

　（ダイヤモンド粒子）
　複合焼結体は、ダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して３次元的に連続している骨格構造を有する。高硬度かつ高熱伝導率であるダイヤモンド粒子が骨格構造を形成することにより、複合焼結体においても高硬度かつ高熱伝導率となり、切削の際の温度上昇を抑制できるため耐摩耗性が高くなる。さらに、ダイヤモンド粒子同士の結合強度は高く、骨格構造を有することで複合焼結体の耐欠損性が高くなる。複合焼結体中でダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して形成される３次元的に連続している骨格構造は、複合焼結体の任意に特定される複数の断面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察により確認できる。

　複合焼結体中におけるダイヤモンド粒子の含有率は、ダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して連続した骨格構造を形成するのに適する観点から、３０体積％以上９４体積％以下が好ましく、５０体積％以上７０体積％以下がより好ましい。ここで、複合焼結体中におけるダイヤモンド粒子の含有率は、複合焼結体の任意に特定される断面において、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）によりダイヤモンド粒子を判別し、ダイヤモンド粒子が複合焼結体中に均質に分散しているとして、その断面の全面積に対するダイヤモンド粒子の断面積の面積％を体積％とみなすことにより算出する。

　なお、ダイヤモンド粒子の平均粒径は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える高強度の複合焼結体を得る観点から、１０μｍ以下が好ましく、２μｍ以下がより好ましい。ここで、ダイヤモンド粒子の平均粒径は、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ：Cross　section　Polisher）装置などを用いたＣＰ加工により複合焼結体の任意に特定される断面を作製し、その断面においてＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）によりダイヤモンド粒子を判別し、ダイヤモンド粒子が複合焼結体中に均質に分散しているとして、画像解析ソフトを用いて粒子１個ごとの断面積から円相当径とその平均を算出し、平均粒径とする。

　（結合相）
　複合焼結体中において、結合相は３次元的に連続している構造を有する。これにより、複合焼結体の耐欠損性が高くなる。結合相が３次元的に連続する構造（以下、３次元連続構造ともいう）を有することで、ダイヤモンド粒子およびｃＢＮ粒子と結合材との間の接触面積が増加し、結合力が増すことため、複合焼結体の強度が向上し耐欠損性が高まる。さらに、複合焼結体中で結合相を３次元連続構造に配することにより、ダイヤモンド粒子やｃＢＮ粒子から発生する微小亀裂の進展を防ぎ靱性が向上するため、耐欠損性が大きく向上する。結合相が３次元連続構造を有することは、酸処理によって複合焼結体から結合相が全て除去されることによって確認する。ここで、酸処理による複合焼結体の結合相の除去は、たとえば、６０質量％の硝酸、４７質量％のフッ化水素酸、および水が体積比２：１：２で混合された混合液による１４０℃で４８時間の酸処理により行うことができる。また、酸処理により結合相が除去されたことは、ＸＲＤ（Ｘ線回折）測定により、結合相に由来する回折ピークの消滅により確認できる。

　結合相は、ダイヤモンド粒子の少なくとも一部を互いに結合する観点から、Ｃｏ（コバルト）を含むことが好ましい。さらに、結合相は、複合焼結体の強度を高くする観点から、Ｗ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（シリコン）およびＭｏ（モリブデン）からなる群から選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分を含むことが好ましい。結合相は、ＸＲＤ（Ｘ線回折）およびＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）により判別する。

　複合焼結体中におけるＣｏの含有率は、結合相が３次元的に連続する構造を有するとともにダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して３次元的に連続している骨格構造を形成する観点から、３体積％以上３０体積以下が好ましく、１０体積％以上２０体積％以下がより好ましい。ここで、複合焼結体中におけるＣｏの含有率は、複合焼結体の任意に特定される断面において、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）により結合相を構成する元素（Ｃｏなど）を判別し、結合相を構成する元素が複合焼結体中に均質に分散しているとして、その断面の全面積に対する結合相を構成する元素と判別される面積の面積％を体積％とみなすことにより算出する。

　（立方晶窒化ホウ素粒子）
　ｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）粒子は、結合相中に分散しているか、ダイヤモンド粒子に結合しているか、の少なくともいずれかである。これにより、複合焼結体中のダイヤモンド粒子の少なくとも一部が結合して形成される３次元的に連続している骨格構造の周りにｃＢＮ粒子が配置されるため、複合焼結体の耐摩耗性が高くなる。また、ｃＢＮ粒子が結合相中に分散していることで結合相の厚さを薄くすることができ、複合焼結体が高硬度かつ高強度になるため、複合焼結体の耐摩耗性および耐欠損性が向上する。

　ｃＢＮ粒子が結合相中に分散していることは、複合焼結体の任意に特定される複数の断面のＳＥＭ観察により確認できる。なお、結合相中に分散しているｃＢＮ粒子には、単粒子である場合と、複数の粒子の複合体である場合とを含む。また、ｃＢＮ粒子がダイヤモンド粒子に結合していることは、複合焼結体の任意に特定される複数の断面を所定の酸処理による結合相除去後にＳＥＭ観察すると、ダイヤモンドの骨格構造にｃＢＮ粒子が保持されていることにより確認できる。なお、ダイヤモンド粒子に結合しているｃＢＮ粒子には、単粒子である場合と、複数の粒子の集合体である場合とを含む。

　複合焼結体中におけるｃＢＮ粒子の含有率は、ｃＢＮ粒子が結合相中に分散しているか、ダイヤモンド粒子に結合しているか、の少なくともいずれかである観点から、３体積％以上４０体積％以下が好ましく、１０体積％以上３０体積％以下がより好ましい。ここで、複合焼結体中におけるｃＢＮ粒子の含有率は、複合焼結体の任意に特定される断面において、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）によりｃＢＮ粒子を判別し、ｃＢＮ粒子が複合焼結体中に均質に分散しているとして、その断面の全面積に対するダイヤモンド粒子の断面積の面積％を体積％とみなすことにより算出する。

　なお、ｃＢＮ粒子の平均粒径は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える高強度の複合焼結体を得る観点から、２μｍ以下が好ましく、１μｍ以下がより好ましい。ここで、ｃＢＮ粒子の平均粒径は、ダイヤモンド粒子と同様の方法で算出する。

　（ネックグロス）
　図１および図２を参照して、本実施形態の複合焼結体中の任意に特定される断面において、ダイヤモンド粒子同士の結合部分、ｃＢＮ粒子同士の結合部分、およびダイヤモンド粒子とｃＢＮ粒子との結合部分を総称してネックグロス１０と呼ぶとき、ダイヤモンド粒子およびｃＢＮ粒子のいずれかの各粒子１１，１２，１３，１４の外周の長さＬに対する上記各粒子１１，１２，１３，１４のネックグロス１０の長さＮの比Ｎ／Ｌの平均を０．４０以上０．８０以下とすることができる。かかる複合焼結体は、さらなる高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える。

　複合焼結体の任意に特定される断面における各粒子１１，１２，１３，１４の外周の長さＬに対する上記各粒子１１，１２，１３，１４のネックグロス１０の長さＮの比Ｎ／Ｌの平均は、以下のようにして算出する。まず、複合焼結体をＣＰ加工によりある断面を作製した後、６０質量％の硝酸、４７質量％のフッ化水素酸、および水が体積比２：１：２で混合された混合液による１４０℃で４８時間の酸処理により、結合相を除去する。結合相の除去により形成された空隙２０を含む上記断面をＳＥＭを用いて観察する。複合焼結体の上記断面において、各粒子１１，１２，１３，１４に分けたときに、互いの粒子１１，１２，１３，１４が辺の長さの５０％以上が直接結合（すなわち空隙２０を介在させずに結合）している部分をネックグロスと呼び、ネックグロスの長さＮをネックグロスを形成している空隙を含む辺の長さと定義する。たとえば、図１において、粒子１２については、ネックグロスの長さＮ₁₂は（Ｎ₁＋Ｎ₂）であり、外周の長さＬ₁₂は（Ｎ₁＋Ｍ₂₁＋Ｍ₂₂＋Ｍ₂₃＋Ｍ₂₄＋Ｎ₂）であることから、比Ｎ₁₂／Ｌ₁₂は（Ｎ₁＋Ｎ₂）／（Ｎ₁＋Ｍ₂₁＋Ｍ₂₂＋Ｍ₂₃＋Ｍ₂₄＋Ｎ₂）で算出される。

　上記の比Ｎ／Ｌの平均は、ダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して３次元的に連続する骨格構造を形成するとともに結合相が３次元的に連続する構造を有する観点から、０．４０以上０．８０以下が好ましく、０．５５以上０．６５以下がより好ましい。

　（ビッカース硬度）
　本実施形態の複合焼結体のビッカース硬度は、複合焼結体がさらなる高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える観点から、３５ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下が好ましく。３８ＧＰａ以上４５ＧＰａ以下がより好ましい。ここで、ビッカース硬度は、ビッカース硬度計を用いて荷重５０ｋｇｆで測定する。

　（熱伝導率）
　本実施形態の複合焼結体の熱伝導率は、高速加工においても、温度上昇が抑制され、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備えるとともに工具としての寿命が長い観点から、１００Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上が好ましく、１２０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上がより好ましい。ここで、複合焼結体の熱伝導率は、レーザフラッシュ法により測定される熱拡散率および比熱と、アルキメデス法により測定される密度と、により算出する。

　（酸処理後の組成）
　本実施形態の複合焼結体は、６０質量％の硝酸、４７質量％のフッ化水素酸、および水が体積比２：１：２で混合された混合液による１４０℃で４８時間の酸処理後のＸＲＤ（Ｘ線回折）測定において、結合相が残存せず、ダイヤモンド粒子およびｃＢＮ粒子のみが残存していることが好ましい。かかる複合焼結体は、結合相が全て３次元的に連続している構造を有するため、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備えるとともに、耐欠損性が特に高い。

　＜複合焼結体の製造方法＞
　本実施形態にかかる複合焼結体の製造方法は、特に制限がないが、本実施形態の複合焼結体を効率よく製造する観点から、ダイヤモンド粉末の各粒子の表面の少なくとも一部にＣｏを含む結合材を被覆することにより結合材被覆ダイヤモンド粉末を形成する第１工程と、結合材被覆ダイヤモンド粉末とｃＢＮ粉末とを混合することにより混合物を形成する第２工程と、混合物を焼結することにより複合焼結体を形成する第３工程と、を備えることが好ましい。

　（第１工程）
　第１工程において、ダイヤモンド粉末の各粒子の表面の少なくとも一部にＣｏを含む結合材を被覆することにより結合材被覆ダイヤモンド粉末を形成する。結合材被覆ダイヤモンド粉末とｃＢＮ粉末との混合物を後工程で焼結することにより、本実施形態の複合焼結体が得られる。

　第１工程において用いられるダイヤモンド粉末の平均粒径は、特に制限はないが、高強度であり高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を形成する観点から、１０μｍ以下が好ましく、２μｍ以下がより好ましい。ダイヤモンド粉末の各粒子の表面の少なくとも一部にＣｏを含む結合材を被覆する方法は、特に制限はないが、不純物が少なく均一に被覆する観点から、無電解めっき法、アーク蒸着法、粉末スパッタ法などが好ましい。結合材は、高強度であり高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を形成する観点から、Ｃｏに加えて、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、ＳｉおよびＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分を含むことが好ましい。結合材は、後工程により、複合焼結体中の結合相を形成する。

　（第２工程）
　第２工程において、結合材被覆ダイヤモンド粉末とｃＢＮ粉末とを混合することにより混合物を形成する。かかる混合物を後工程で焼結することにより、本実施形態の複合焼結体が得られる。また、焼結体中の結合材量を調整する観点から本工程で結合材を添加することもできる。第２工程で結合材を添加する場合は、第１工程を省略することもできるが、第１工程があることが好ましい。

　第２工程において用いられるｃＢＮ粉末の平均粒径は、特に制限はないが、高強度であり高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を形成する観点から、２μｍ以下が好ましく、１μｍ以下がより好ましい。結合材被覆ダイヤモンド粉末とｃＢＮ粉末とを混合する方法は、特に制限はないが、効率よく均質に混合する観点から、ボールミル混合、ビーズミル混合、遊星ミル混合、ジェットミル混合などが好ましい。また、このとき結合材も同時に混合することが可能である。結合材被覆ダイヤモンド粉末の量（すなわちダイヤモンド粉末の量およびダイヤモンド粉末に対する結合材の量）、ｃＢＮ粉末の量、結合材中のＣｏおよび上記化学成分の含有率を調節することにより、複合焼結体中におけるダイヤモンド粒子の所望の含有率、ｃＢＮ粒子の所望の含有率およびＣｏの所望の含有率、ならびに結合相中におけるＣｏの所望の含有率および上記化学成分の所望の含有率が得られる。

　（第３工程）
　第３工程において、混合物を焼結することにより複合焼結体を形成する。混合物を焼結する条件は、特に制限はないが、効率よく本実施形態の複合焼結体を得る観点から、焼結圧力が好ましくは４ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下であり、より好ましくは６ＧＰａ以上８ＧＰａ以下であり、焼結温度が好ましくは１４００℃以上２０００℃以下であり、より好ましくは１５００℃以上１８００℃以下である。ダイヤモンド粒子の３次元連続構造（ダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して３次元的に連続している骨格構造をいう。以下同じ。）を形成するためには、焼結時間は長いほうが好ましく、１５分以上６０分以下が好ましい。通常、微粒のダイヤモンド粒子を６ＧＰa以上および１５００℃以上の高圧高温で長時間焼結すると異常粒成長が生じるが、本実施形態ではダイヤモンド粒子の３次元連続構造の周りにｃＢＮ粒子を配することで異常粒成長を抑制し、従来より長時間での焼結が可能となる。

　上記混合物の焼結において、特に制限はないが、結合相の３次元連続構造を形成しやすい観点から、複数の段階で熱処理することが好ましく、第ｋ＋１段階（ｋは自然数）の熱処理温度が、第ｋ段階の熱処理温度より高いことが好ましく、１６００℃以上に高いことがより好ましい。

　（実施例Ｉ）
　本実施例は、表１のＮｏ．Ｉ－１～Ｎｏ．Ｉ－１２に示すように、ダイヤモンド粒子、ｃＢＮ粒子、および結合相の含有率を変化させた複合焼結体を作製し、ＸＲＤ（Ｘ線回折）測定およびＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）により複合焼結体を構成する成分を同定し、ダイヤモンド粒子同士、ダイヤモンド粒子とｃＢＮ粒子、および結合相の３次元連続構造（３次元で連続している構造）の有無、各粒子の外周の長さＬに対するネックグロスの長さＮの比Ｎ／Ｌの平均、ビッカース硬度、熱伝導率を測定した。さらに、上記複合焼結体で切削工具を作製して、インコネル（登録商標）７１８を高速切削したときの刃先の逃げ面の摩耗および／またはチッピング幅を測定し、寿命を評価した。また、上記複合焼結体の酸処理後のＸＲＤ測定により残存する成分を確認した。

　複合焼結体の作製は、以下のようにして行なった。Ｎｏ．Ｉ－１～Ｎｏ．Ｉ－６、Ｎｏ．Ｉ－１１およびＮｏ．Ｉ－１２については、平均粒径が１μｍのダイヤモンド粉末の各粒子の表面に、無電解めっき法で、結合材としてＣｏをダイヤモンド粒子に対して５質量％被覆した。その後、Ｃｏを被覆したダイヤモンド粉末と平均粒径が０．５μｍのｃＢＮ粉末とを、ボールミル法で湿式混合して混合物を作製し、粒子表面に付着したガスを除去するために１２００℃で３０分間真空熱処理した。この混合物を、ＷＣ－６％Ｃｏの超硬合金製円盤とＣｏ箔に接した状態でＴａ（タンタル）製の容器に充填し、ベルト型超高圧高温発生装置を用いて、まずＣｏ融点近傍である圧力７．０ＧＰａの圧力および１５００℃の温度で１０分間保持した後、７．０ＧＰａの圧力および１６００℃の温度で１５分間保持することで焼結した。かかる２段階焼結においては、１５００℃での保持によりＣｏ箔から混合物へのＣｏの侵入を促し、１６００℃での保持によりダイヤモンド粒子の３次元連続構造をより強固にすることができるとともに結合相の３次元連続構造を形成することができると考えられた。

　Ｎｏ．Ｉ－７については、結合材としてＣｏ－Ｎｉ－Ａｌ－Ｗ合金を平均粒径１μｍに粉砕した粉末と、平均粒径１μｍのダイヤモンド粉末と、平均粒径０．５μｍのｃＢＮ粉末と、をボールミル法で湿式混合して混合物を作製した。この混合物を、ＷＣ－６％Ｃｏの超硬合金製円盤に接した状態でＴａ製の容器に充填し、ベルト型超高圧高温発生装置を用いて、７．０ＧＰａの圧力および１５００℃の温度で１０分間保持した後、７．０ＧＰａの圧力および１６００℃の温度で１５分間保持することで焼結した。

　Ｎｏ．Ｉ－８については、平均粒径が２μｍのダイヤモンド粉末の各粒子の表面に、無電解めっき法で、結合材としてＣｏをダイヤモンド粒子に対して６質量％被覆した。その後、Ｃｏを被覆したダイヤモンド粉末と平均粒径が０．１μｍのｃＢＮ粉末とを、ボールミル法で湿式混合して混合物を作製し、粒子表面に付着したガスを除去するために１２００℃で３０分間真空熱処理した。この混合物をＮｏ．Ｉ－１～Ｎｏ．Ｉ－６の場合と同様にして焼結した。

　Ｎｏ．Ｉ－９については、結合材としてＣｏ－ＷＣ－Ａｌ合金を平均粒径１μｍに粉砕した粉末と、平均粒径１μｍのダイヤモンド粉末と、平均粒径０．５μｍのｃＢＮ粉末と、をボールミル法で湿式混合して混合物を作製した。この混合物を、Ｎｏ．Ｉ－７の場合と同様にして焼結した。

　Ｎｏ．Ｉ－１０については、焼結の際に、７．０ＧＰａの圧力および１５００℃の温度で保持することなく、７．０ＧＰａの圧力および１４００℃の温度で１分間保持することで焼結したこと以外は、Ｎｏ．Ｉ－１～Ｎｏ．Ｉ－６の場合と同様にして、複合焼結体を作製した。

　上記焼結の際に、ＷＣ－６％Ｃｏの超硬合金製円盤あるいはＷＣ－６％Ｃｏの超硬合金製円盤およびＣｏ箔から、ＷＣおよびＣｏを含む共晶融液が、複合焼結体に溶浸して焼結が進むため、複合焼結体中のダイヤモンド粒子およびｃＢＮ粒子の含有率ならびに結合相の組成は混合物の仕込み組成と若干変わる。このため、上記共晶融液の溶浸分を予想して、混合物の仕込み組成を設計した。

　上記のようにして作製された複合焼結体の構造、性質および物性は、以下のようにして評価した。複合焼結体のダイヤモンド粒子同士、ダイヤモンド粒子とｃＢＮ粒子および結合相の３次元連続構造の有無は、複合焼結体のＣＰ加工により形成された断面のＳＥＭ観察により確認した。結果を表１にまとめた。

　複合焼結体中のダイヤモンド粒子同士、ｃＢＮ粒子同士、およびダイヤモンド粒子とｃＢＮ粒子とのネックグロスについて、各粒子の外周の長さＬに対するネックグロスの長さＮの比Ｎ／Ｌの平均は、以下のようにして算出した。複合焼結体のＣＰ加工により断面を形成した複合焼結体に、６０質量％の硝酸、４７質量％のフッ化水素酸、および水が体積比２：１：２で混合された混合液による１４０℃で４８時間の酸処理を行なった。上記酸処理後の複合焼結体は、結合相が除去されて、その部分に空隙が形成されていた。上記酸処理後の複合焼結体の上記断面をＳＥＭで観察して、画像処理ソフト（三谷商事株式会社製ＷｉｎＲＯＯＦ）を用いて、ダイヤモンド粒子およびｃＢＮ粒子の各粒子の外周の長さＬに対するネックグロスの長さＮの比Ｎ／Ｌを１００個の粒子について算出し、それらの算術平均を算出した。結果を表１にまとめた。

　複合焼結体のビッカース硬度は、硬度はビッカーズ硬度計を用いて荷重５０ｋｇｆで測定した。複合焼結体の熱伝導率は、レーザフラッシュ法により熱拡散率と比熱を測定し、アルキメデス法により密度を測定し、熱伝導率を算出した。結果を表１にまとめた。

　上記の複合焼結体で、ＲＳＸ１２０３２ＲＳ型（加工径３２ｍｍ）のエンドミルタイプのカッタとＲＤＥＴ１２０４Ｍ０型のチップとで構成される切削工具を作製した。作製した切削工具を用いて、外径９５ｍｍの円盤状のインコネル（登録商標）７１８（大同スペシャルメタル株式会社製、溶体化・時効硬化処理材、ロックウエル硬度ＨＲＣ４４、ＡＳＴＭ（米国材料試験協会）のＥ１１２に規定される粒度番号９の粒度のもの）のワークの上面を切削した。切削条件は、切削速度Ｖｃが５００ｍ／ｍｉｎ、送り量ｆが０．１ｍｍ／刃、切込みａｐが０．５ｍｍ、径方向切込みａｅが０．５ｍｍ、クーラント：ＷＥＴ（エマルジョン２０倍希釈）であった。結果を表１にまとめた。表１中の「逃げ面の摩耗および／またはチッピングの幅」は、ワークの切削長が０．４５ｍ時点での値とした。また、表１中の「寿命」は、逃げ面の摩耗および／またはチッピングの幅が０．１ｍｍを超えた時点のワークの切削長とした。結果を表１にまとめた。表１および後述の表２において、「チッピング」とは切削可能な微小な欠けを意味し、「欠損」とは切削が不可能となる大きな欠けを意味する。

　表１を参照して、Ｎｏ．Ｉ－２～Ｎｏ．Ｉ－４およびＮｏ．Ｉ－８の複合焼結体は、ダイヤモンド粒子および結合相のそれぞれの３次元連続構造が存在し、各粒子の外周の長さＬに対するネックグロスの長さＮの比Ｎ／Ｌの平均が０．４０以上０．８０以下であり、ビッカース強度が３５ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下であり、熱伝導率が１００Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上であり、酸処理後のＸＲＤ測定においてダイヤモンド粒子およびｃＢＮ粒子のみが残存した。Ｎｏ．Ｉ－５の複合焼結体は、熱伝導率が１００Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1未満であったこと以外は、Ｎｏ．Ｉ－２～Ｎｏ．Ｉ－４およびＮｏ．Ｉ－８の複合焼結体と同様であった。Ｎｏ．Ｉ－１１およびＮｏ．Ｉ－１２の複合焼結体は、ビッカース硬度が５０ＧＰａより高かったこと以外は、Ｎｏ．Ｉ－２～Ｎｏ．Ｉ－４およびＮｏ．Ｉ－８の複合焼結体と同様であった。これらの複合焼結体で作製した工具は、インコネル（登録商標）７１８の切削に関して、逃げ面の摩耗およびチッピングの幅が小さく、また、寿命が長いことがわかった。すなわち、これらの複合焼結体は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備えることがわかった。

　（実施例ＩＩ）
　本実施例は、表２のＮｏ．ＩＩ－１～Ｎｏ．ＩＩ－７に示すように、ダイヤモンド粒子、ｃＢＮ粒子、および結合相の含有率を変化させた複合焼結体を作製し、ＸＲＤ（Ｘ線回折）測定およびＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）により複合焼結体を構成する成分を同定し、ダイヤモンド粒子同士、ダイヤモンド粒子とｃＢＮ粒子、および結合相の３次元連続構造（３次元で連続している構造）の有無、各粒子の外周の長さＬに対するネックグロスの長さＮの比Ｎ／Ｌの平均、ビッカース硬度、熱伝導率を測定した。さらに、上記複合焼結体で切削工具を作製して、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ（６質量％のＡｌと４質量％のＶとが含まれているＴｉ）合金（ＡＳＴＭ　Ｂ３４８　Ｇｒ５）を高速切削したときの刃先の逃げ面の摩耗および／またはチッピング幅を測定し、寿命を評価した。また、上記複合焼結体の酸処理後のＸＲＤ測定により残存する成分を確認した。

　複合焼結体の作製は、以下のようにして行なった。Ｎｏ．ＩＩ－１～Ｎｏ．ＩＩ－５およびＮｏ．ＩＩ－７については、平均粒径０．５μｍのｃＢＮ粒子の平均粒径を１μｍとしたこと以外は、Ｎｏ．Ｉ－１と同様にして作製した。Ｎｏ．ＩＩ－６については、ｃＢＮの平均粒径を１μｍとしたこと以外は、Ｎｏ．Ｉ－７と同様にして作製した。

　Ｎｏ．ＩＩ－１～Ｎｏ．ＩＩ－７で作製された複合焼結体について、ダイヤモンド粒子同士、ダイヤモンド粒子とｃＢＮ粒子、および結合相の３次元連続構造（３次元で連続している構造）の有無の確認、各粒子の外周の長さＬに対するネックグロスの長さＮの比Ｎ／Ｌの平均、ビッカース硬度、および熱伝導率の測定、ならびに酸処理後のＸＲＤ（Ｘ線回折）測定により残存する粒子の確認は、実施例Ｉと同様にして行った。結果を表２にまとめた。

　上記の複合焼結体で、ＲＳＸ１２０３２ＲＳ型（加工径３２ｍｍ）のエンドミルタイプのカッタとＲＤＥＴ１２０４Ｍ０型のチップとで構成される切削工具を作製した。作製した切削工具を用いて、１５０ｍｍ×１５０ｍｍの正方形板状のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金（ＡＳＴＭ　Ｂ３４８　Ｇｒ５）（ウメトク株式会社製）のワークの上面を切削した。切削条件は、切削速度Ｖｃが１０００ｍ／ｍｉｎ、送り量ｆが０．１５ｍｍ／刃、切込みａｐが０．５ｍｍ、径方向切込みａｅが０．１２ｍｍ、ＭＱＬ（微少量潤滑）２ｃｍ³／ｈ（ブルーベ純正油）であった。結果を表１にまとめた。表１中の「逃げ面の摩耗および／またはチッピングの幅」は、ワークの切削長が２０ｍ時点での値とした。また、表２中の「寿命」は、逃げ面の摩耗および／またはチッピングの幅が０．１ｍｍを超えた時点のワークの切削長とした。結果を表２にまとめた。

　表２を参照して、Ｎｏ．ＩＩ－１およびＮｏ．ＩＩ－２の複合焼結体は、ダイヤモンド粒子および結合相のそれぞれの３次元連続構造が存在し、各粒子の外周の長さＬに対するネックグロスの長さＮの比Ｎ／Ｌの平均が０．４０以上０．８０以下であり、ビッカース強度が３５ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下であり、熱伝導率が１００Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上であり、酸処理後のＸＲＤ測定においてダイヤモンド粒子およびｃＢＮ粒子のみが残存した。Ｎｏ．ＩＩ－３の複合焼結体は、熱伝導率が１２０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1未満であったこと以外は、Ｎｏ．ＩＩ－１およびＮｏ．ＩＩ－２の複合焼結体と同様であった。Ｎｏ．ＩＩ－４の複合焼結体は、ビッカース強度が３５ＧＰａ未満であり、熱伝導率が１００Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1未満であったこと以外は、Ｎｏ．ＩＩ－１およびＮｏ．ＩＩ－２の複合焼結体と同様であった。Ｎｏ．ＩＩ－７の複合焼結体は、比Ｎ／Ｌの平均が０．７０より高く、ビッカース強度が５０ＧＰａより高かったこと以外は、Ｎｏ．ＩＩ－１およびＮｏ．ＩＩ－２の複合焼結体と同様であった。これらの複合焼結体で作製した工具は、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金（ＡＳＴＭ　Ｂ３４８　Ｇｒ５）の切削に関して、逃げ面の摩耗およびチッピングの幅が小さく、また、寿命が長いことがわかった。すなわち、これらの複合焼結体は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備えることがわかった。

　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請求の範囲によって示され、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。

１０　ネックグロス、１１，１２，１３，１４　粒子、２０　空隙、Ｍ₂₁，Ｍ₂₂，Ｍ₂₃，Ｍ₂₄　辺の長さ、Ｎ₁，Ｎ₂　ネックグロスの長さ。

Claims (5)

1. 　複数のダイヤモンド粒子と、複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、
   　前記複合焼結体は前記ダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して３次元的に連続している骨格構造を有し、
   　前記結合相は３次元的に連続している構造を有し、
   　前記立方晶窒化ホウ素粒子は、前記結合相中に分散しているか、前記ダイヤモンド粒子に結合しているか、の少なくともいずれかである複合焼結体。
2. 　前記複合焼結体の任意に特定される断面において、
   　前記ダイヤモンド粒子同士の結合部分、前記立方晶窒化ホウ素粒子同士の結合部分、および前記ダイヤモンド粒子と前記立方晶窒化ホウ素粒子との結合部分を総称してネックグロスと呼ぶとき、前記ダイヤモンド粒子および前記立方晶窒化ホウ素粒子のいずれかの各粒子の外周の長さＬに対する前記各粒子のネックグロスの長さＮの比Ｎ／Ｌの平均が０．４０以上０．８０以下である請求項１に記載の複合焼結体。
3. 　ビッカース硬度が３５ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下である請求項１または請求項２に記載の複合焼結体。
4. 　熱伝導率が１００Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の複合焼結体。
5. 　複数のダイヤモンド粒子と、複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、
   　前記複合焼結体は前記ダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して３次元的に連続している骨格構造を有し、
   　前記結合相は３次元的に連続している構造を有し、
   　前記立方晶窒化ホウ素粒子は、前記結合相中に分散しているか、前記ダイヤモンド粒子に結合しているか、の少なくともいずれかであり、
   　前記複合焼結体の任意に特定される断面において、
   　前記ダイヤモンド粒子同士の結合部分、前記立方晶窒化ホウ素粒子同士の結合部分、および前記ダイヤモンド粒子と前記立方晶窒化ホウ素粒子との結合部分を総称してネックグロスと呼ぶとき、前記ダイヤモンド粒子および前記立方晶窒化ホウ素粒子のいずれかの各粒子の外周の長さＬに対する前記各粒子のネックグロスの長さＮの比Ｎ／Ｌの平均が０．４０以上０．８０以下であり、
   　ビッカース硬度が３５ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下であり、
   　熱伝導率が１００Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上である複合焼結体。

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