(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒及びバインダー材料から本質的になり、該ｃＢＮ粒の含有量が、ＰＣＢＮ材料の少なくとも８０重量パーセントであり；バインダー材料が、５０重量パーセントを超えるＡｌ、少なくとも１重量パーセントのＷ、且つ多くても２５重量パーセントのＷ、並びに、合わせた含有量として少なくとも５重量パーセントの鉄族元素とＷとを含み；鉄族元素が、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＭｎからなる群から選択される、ＰＣＢＮ材料。
【請求項２】
バインダー材料が、多くても９０重量パーセントのＡｌを含む、請求項１に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項３】
バインダー材料が、少なくとも１重量パーセントのＣｏ、且つ多くても１２重量パーセントのＣｏを含む、請求項１又は２に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項４】
バインダー材料が、鉄族元素及びＷを含み、鉄族元素：Ｗのモル比が、バインダー材料において、少なくとも１：１で、大きくても３：１である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項５】
バインダー材料が、鉄族元素及びＷを含み、ＰＣＢＮ材料が、ｃＢＮ、Ａｌ、鉄族元素及びＷから本質的になる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項６】
バインダー材料が、窒化アルミニウム若しくはホウ化タングステン、又はこれらの両方を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項７】
バインダー材料が、二ホウ化アルミニウムを実質的に含まない、請求項１〜６のいずれか１項に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のＰＣＢＮ材料を含む、工作物を機械加工するための工具要素。
【請求項９】
鉄含有材料を含む工作物の断続切削、旋削、フライス加工又は穿孔における使用のための、請求項８に記載の工具要素。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のＰＣＢＮ材料の使用方法であって、請求項８又は９に記載の工具要素を準備すること、及び、工具要素を、鉄含有材料を含む工作物を機械加工するために使用すること、を含む上記方法。
【請求項１１】
工作物が、少なくとも１０重量パーセントのＣｒを含む鋳鉄材料、少なくとも１２重量パーセントのＭｎを含む鋼、又は工具鋼を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
工作物が炭化タングステンを含む、請求項１０又は１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
工作物を粗旋削することを含む、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、ＰＣＢＮ材料、及び、限定ではないが特に金属を含む工作物を機械加工するための、それを含む工具要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料は、多結晶超硬材料の例であり、これは、少なくとも約２８ＧＰａのビッカース硬さを有し得る。ＰＣＢＮ材料は、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の粒を、数ＧＰａの超高圧で焼結することによって製造され得る。機械工具は、ＰＣＢＮ材料のディスクから、レーザー又は放電加工（ＥＤＭ）装置によって、ディスクを小さいセグメントにカットし、これらのセグメントを、工具又は工具部品、例えば、インサート、チップ又はビットに蝋付けすることによって製造され得る。セグメントは、精密な切れ刃を形作るために、機械研削又はＥＤＭによって更に加工され得る。工具は、スローアウェイチップ（ｉｎｄｅｘａｂｌｅ  ｉｎｓｅｒｔ）又は回転機械工具であり得る。ＰＣＢＮ材料は、鉄含有金属工作物の機械加工に、特に有利であり得る。ＰＣＢＮ工具の不都合な点は、ＰＣＢＮ材料が、特に、工作物の断続機械加工に用いられる場合に、砕け欠ける、又は早期に摩耗する傾向があり得ることである。
米国特許第７５２４７８５号は、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結体を開示し、これは、立方晶窒化ホウ素粒子と、ｃＢＮ粒子を互いに接合する接合材料とを含む：但し、ｃＢＮ粒子は、７０体積％から９８体積％の範囲で含まれ；また、残りの接合材料は、Ｃｏ化合物、Ａｌ化合物、及びＷＣ、並びにこれらの固溶体によって構成される。
特開昭６１−１４２００３は、ｃＢＮ及び超硬合金基板（ｃｅｍｅｎｔｅｄ  ｃａｒｂｉｄｅ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）からなる多結晶焼結体から作り上げられる複合切削体を開示する。この多結晶焼結体は、７０％〜９５％の量のｃＢＮからなり、残りの部分は、金属成分からなるバインダー材料である。バインダー材料は、Ｍｏと、Ｎｉ、Ｃｏ、及びＦｅのいずれかと、Ａｌとを含み得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
耐欠損性（ｆｒａｃｔｕｒｅ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が向上したＰＣＢＮ材料、及び、それを含む、特に難削鉄及び鋼材を機械加工するための、工具要素が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の態様によれば、ｃＢＮ粒及びバインダー材料から本質的になるＰＣＢＮ材料が提供され；ｃＢＮ粒の含有量は、ＰＣＢＮ材料の少なくとも約８０重量パーセント又は少なくとも約８５重量パーセントであり；バインダー材料は、約５０重量パーセントを超えるＡｌ、少なくとも約６０重量パーセントのＡｌ、又は少なくとも約７０重量パーセントのＡｌ；並びに、合わせた含有量として、少なくとも約５重量パーセント、少なくとも約１０重量パーセント、少なくとも約２０重量パーセント、又は少なくとも約２５重量パーセントの鉄族元素と高融点元素（ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ  ｅｌｅｍｅｎｔ）を含み；鉄族元素は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＭｎからなる群から選択され、高融点元素は、Ｗ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ及びＺｒからなる群から選択される；或いは、高融点元素は、Ｗ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ及びＺｒからなる群から選択される。１つの例として、高融点元素は、Ｗ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ及びＺｒからなる群から選択される。鉄族元素又は高融点元素は、未反応状態にあるか、又は合金若しくは化合物中に含まれ得る。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】例としてのＰＣＢＮ材料の微細構造の概略図を示す。
【図２】金属工作物の機械加工のための工具要素の例の概略的斜視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
様々な組成、微細構造及び構成成分を有する様々なＰＣＢＮ材料の例が、本開示によって予見される。例えば、ＰＣＢＮ材料は、バインダー材料（すなわち、ｃＢＮ以外のＰＣＢＮの構成材料）内に分散したｃＢＮ粒の集団（すなわち、複数の粒を含む集塊）を含んでいてもよく、ここで、ｃＢＮの含有量は、ＰＣＢＮ材料の少なくとも約５０体積パーセントである。ｃＢＮ粒は、少なくとも約５μｍで、大きくても約２０μｍの平均の大きさを有し得る。１つの例において、ＰＣＢＮ材料は、少なくとも約８６重量パーセントのｃＢＮを含み得る。ＰＣＢＮ材料の例におけるバインダー材料は、構成材料の様々な組成及び組合せを有し得る。例えば、バインダー材料は、多くても約９５重量パーセントのＡｌ、多くても約９２重量パーセントのＡｌ、又は多くても約９０重量パーセントのＡｌを含み、１つの例において、鉄族元素はＣｏであり、また高融点元素はＷであり得る。特定の変形形態において、バインダー材料は、少なくとも約７０重量パーセントのＡｌ、且つ約９５重量パーセント未満のＡｌ、並びに、合わせた含有量として、少なくとも約５重量パーセントで、多くても約３０重量パーセントの、ＣｏとＷを含み得る。ある例においては、バインダー材料は、少なくとも約１重量パーセントのＣｏ、又は少なくとも約２重量パーセントのＣｏ、且つ多くても約１５重量パーセントのＣｏ、又は多くても約１２重量パーセントのＣｏを含み得る。ある例では、バインダー材料は、少なくとも約１重量パーセントのＷ、少なくとも約５重量パーセントのＷ、又は少なくとも約６重量パーセントのＷを含み得るし、ある実施形態では、バインダー材料は、多くても約２５重量パーセントのＷ、又は多くても約２０重量パーセントのＷを含み得る。鉄族元素：高融点元素のモル比は、少なくとも約１：１、又は少なくとも約１．５：１で、大きくても約３：１、又は大きくても約２．５：１であり得る。特定の１つの例において、鉄族元素：高融点元素のモル比は、約２：１であり得る。
【０００７】
ＰＣＢＮ材料の例は、ｃＢＮ、Ａｌ、鉄族元素及び高融点元素から本質的になり得る。別の例において、バインダー材料は、窒化アルミニウム又はホウ化タングステンを含み、これらは、バインダー内に分散した固体粒子として存在することも、又は固溶体として存在することもある。ある構成において、バインダー材料は、Ｗ及びＢを含む化合物、例えば、Ｗ2Ｂ5及びＢ2Ｗを含み得る。ＰＣＢＮ材料の１つの例において、バインダー材料は、ＡｌＢ2（二ホウ化アルミニウム）を実質的に含まない。
第２の態様によれば、工作物を機械加工するための工具要素が提供でき、この工具要素は、超硬合金基材に接合された、開示されているＰＣＢＮ材料を含むＰＣＢＮ構造体を含むＰＣＢＮ材料を含む。例えば、工具要素は、機械工具のためのスローアウェイチップであり得る。
第３の態様によれば、開示されているＰＣＢＮ材料を用いる方法が提供でき、この方法は、開示されている工具要素を準備すること、及び工作物を機械加工する（例えば、切削する）ために工具要素を用いること、を含む。工作物は、少なくとも約１０重量パーセントのＣｒの比較的高いクロム含有量を有する鋳鉄を含んでいても、或いは、工作物は、高マンガン鉄若しくは鋼（これは、高クロム鋳鉄と同じように機械加工が困難であり得る）を含んでいてもよい。高クロム鋳鉄は、約２０重量パーセントまで、又は３０重量パーセントまでのクロムを含み得る。高マンガン鉄若しくは鋼は、少なくとも約１２重量パーセントで、多くても約２０重量パーセントのマンガンを含み得る。
【０００８】
前記方法には、様々な機械加工での用途が予見される。例えば、この方法は、例えば製鋼所において使用され得るような、大きな工具鋼ロールを粗旋削すること；或いは、鍛造型、及び射出成形用若しくは鋳造用の型のために、熱間若しくは冷間工具鋼のような焼入鋼をフライス加工（ｍｉｌｌｉｎｇ）すること；或いは、破砕及び圧延用途のための炭化タングステンロールを旋削及び外形加工（ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ）すること；が含まれ得る。前記方法は、高クロム鉄若しくは白鋳鉄（「白鋳鉄」は、非晶に硬い鋳鉄、例えば高Ｃｒ鉄の破壊面の色に由来する用語である）の断続切削、旋削、フライス加工、又は穿孔のために、工具要素を用いることを含む。工作物は、マルテンサイトマトリックス中に大きな一次炭化物粒子を含み得るし、極度に摩耗させる性質を有し得る。前記方法は、大きなスラリーポンプ及び水ポンプ用の、或いは、岩石又は鉱石を破砕するための設備のような鉱物処理設備用の、インペラーのための鋳造部品及び鋳造品（これらは、直径４メートルに達し得る）を機械加工するために使用され得る。鋳造品又は他の工作物は、ポロシティ（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）、スラグ（セラミック残渣物質）及び砂を含み、切削工具に過酷な断続を強いることがある。
【０００９】
費用効率を高くするために、上の用途に用いられる切削工具は、高い耐摩耗性、更には良好な靱性及び耐熱衝撃性を示す必要があると予想される。開示されているＰＣＢＮ材料の例は、良好な高温硬度、良好な耐摩耗性及び十分な靱性を有するという特徴を有し、この特徴により、より信頼性のある長い作業寿命が得られると予想される。開示されているＰＣＢＮ材料及び工具は、強度、特に刃（ｅｄｇｅ）の強度の向上という特徴を有し得る。バインダー中のＡｌの含有量が、約５０重量パーセントよりかなり少ない場合、そのＰＣＢＮ材料の耐摩耗性又は耐欠損性は十分でないことがあり得る。バインダー中のＡｌの含有量が、約９８重量パーセントよりかなり大きい場合、そのＰＣＢＮ材料の耐摩耗性又は耐欠損性は、特に、鉄含有材料を含む工作物の断続機械加工に使用される時に、十分に向上していないことがあり得る。鉄族元素及び高融点元素を合わせた含有量が、バインダー材料の約５重量パーセントよりかなり少ない場合、そのＰＣＢＮ材料の耐摩耗性は、十分に向上していないことがあり得る。
【００１０】
非限定的な構成の例が、これから、添付図を参照して説明される。
図１を参照すると、例としてのＰＣＢＮ材料１０は、ｃＢＮの粒１２の集団、及びｃＢＮ粒１２の間の間隙１４を含み、これらの間隙は、バインダー材料により、実質的に満たされており、ｃＢＮ粒１２の含有量は、材料の少なくとも約５０体積パーセントである。
【００１１】
図２を参照すると、金属工作物（示されていない）を機械加工するための、例としての工具要素２０は、基材本体３０（これは、工具本体（示されていない）に装着され得る）に接合された、ＰＣＢＮ材料から形作られた１対の切削体構造体２２を含む。切削体構造体２２は、それぞれのすくい面２４、逃げ面２６、及び切れ刃２８を含み、それぞれの切れ刃２８は、すくい面２４の端部によって画定されている。
【００１２】
ＰＣＢＮディスクの例は、約８６重量％のｃＢＮ粒、並びに、約７０．０重量％のＡｌ、１１．７重量％のＣｏ、及び１８．３重量％のＷを含むバインダー材料を含む粉末ブレンドを焼結することによって製造され得る。Ｃｏ：Ｗのモル比は２：１であり得る。ｃＢＮ粒は、円相当径に換算して、約５μｍから約２０μｍの範囲の平均の大きさを有し得る。粉末は、当技術分野において知られているように、ドライブレンドされ、約５ＧＰａの超高圧及び約１，３００℃の温度で焼結されて、ＰＣＢＮのディスクを生成し得る。次いで、ディスクは、金属を機械加工するためのインサート又は他の機械工具要素を形作るために、カットされ、加工され得る。
非限定的な例が、下でより詳細に説明される。例としてのＰＣＢＮ材料及び参考のＰＣＢＮ材料の組成の要約、更には、試験における試料のそれぞれの寿命の測定値が、下の表に要約されている。
【００１３】
【表１】
0005512044.tif 000002
【実施例】
【００１４】
（例１）
ＰＣＢＮディスクは、８６重量％のｃＢＮ粒と、７０．０重量％のＡｌ、１１．７重量％のＣｏ及び１８．３重量％のＷを含むバインダー材料とを含む粉末ブレンドを焼結することによって製造した。Ｃｏ：Ｗのモル比は２：１であった。ｃＢＮ粒は、円相当径に換算して、約１２μｍから約１７μｍの範囲の平均の大きさを有していた。当技術分野において知られているように、粉末を、Ｔｕｒｂｕｌａ（登録商標）ミキサーによってドライブレンドし、約５ＧＰａの超高圧及び約１，３００℃の温度で焼結して、ＰＣＢＮディスクを形成した。
【００１５】
当技術分野において知られているように、ＰＣＢＮディスクをカットし、加工して、金属を機械加工するためのインサートを形成した。インサートに機械加工試験を行い、この試験は、Ａ６１高クロム鉄材料を含む工作物を、０．２ｍｍ／回転の供給速度、及び１ｍｍの切削深さを用い、７５ｍ／ｍｉｎの切削速度で機械加工することを含んでいた。工作物の硬度を調べ、約６０ＨＲｃであることが分かった。工作物は、試験が断続切削作業のシミュレーションであり得るように、それに穴又は溝を形成して、準備し、断続切削作業では、切削体インサートは、それが穴又は溝に出会う時に、工作物材料に、繰り返し、衝突し、それを切削し、次いで、工作物材料から離れる。これは、使用中にしばしば遭遇する、特定の用途における作業条件のシミュレーションであるように考案された、非常に積極的な試験である。
このＰＣＢＮインサートは、工作物を平均で約２８回通過した後で、使用不能になった。
【００１６】
（例２）
ＰＣＢＮディスクは、８６重量％のｃＢＮ粒と、９０．０重量％のＡｌ、３．９重量％のＣｏ及び６．１重量％のＷを含むバインダー材料とを含む粉末ブレンドを焼結することによって製造した。Ｃｏ：Ｗのモル比は、２：１であった。ｃＢＮ粒は、円相当径に換算して、約１２μｍから約１７μｍの範囲の平均の大きさを有していた。当技術分野において知られているように、粉末を、Ｔｕｒｂｕｌａ（登録商標）ミキサーによってドライブレンドし、約５ＧＰａの超高圧及び約１，３００℃の温度で焼結して、ＰＣＢＮディスクを形成した。
ＰＣＢＮディスクをカットし、加工して、金属を機械加工するためのインサートを形成し、例１に記載されているように、これらに機械加工試験を行った。ＰＣＢＮインサートは、工作物を平均で約２８回通過した後で、使用不能になった。
【００１７】
（例３）
ＰＣＢＮディスクは、８６重量％のｃＢＮ粒と、９５．０重量％のＡｌ、２．０重量％のＣｏ及び３．０重量％のＷを含むバインダー材料とを含む粉末ブレンドを焼結することによって製造した。Ｃｏ：Ｗのモル比は、２：１であった。ｃＢＮ粒は、円相当径に換算して、約１２μｍから約１７μｍの範囲の平均の大きさを有していた。当技術分野において知られているように、粉末を、Ｔｕｒｂｕｌａ（登録商標）ミキサーによってドライブレンドし、約５ＧＰａの超高圧及び約１，３００℃の温度で焼結して、ＰＣＢＮディスクを形成した。
ＰＣＢＮディスクをカットし、加工して、金属を機械加工するためのインサートを形成し、例１に記載されているように、これらに機械加工試験を行った。ＰＣＢＮインサートは、工作物を平均で約２３回通過した後で、使用不能になった。
【００１８】
（例４）
比較のために、ＰＣＢＮディスクは、８６重量％のｃＢＮ粒と、５０．０重量％のＡｌ、１９．５重量％のＣｏ及び３０．５重量％のＷを含むバインダー材料とを含む粉末ブレンドを焼結することによって製造した。Ｃｏ：Ｗのモル比は、２：１であった。ｃＢＮ粒は、円相当径に換算して、約１２μｍから約１７μｍの範囲の平均の大きさを有していた。当技術分野において知られているように、粉末を、Ｔｕｒｂｕｌａ（登録商標）ミキサーによってドライブレンドし、約５ＧＰａの超高圧及び約１，３００℃の温度で焼結して、ＰＣＢＮディスクを形成した。
ＰＣＢＮディスクをカットし、加工して、金属を機械加工するためのインサートを形成し、例１に記載されているように、これらに機械加工試験を行った。ＰＣＢＮインサートは、工作物を１８回通過した後で、使用不能になった。
【００１９】
（例５）
比較のために、ＰＣＢＮディスクは、８６重量％のｃＢＮ粒と、１００．０重量％のＡｌを含み、Ｃｏ及びＷを含まないバインダー材料とを含む粉末ブレンドを焼結することによって製造した。ｃＢＮ粒は、円相当径に換算して、約５μｍから約２０μｍの範囲の平均の大きさを有していた。当技術分野において知られているように、粉末を、Ｔｕｒｂｕｌａ（登録商標）ミキサーによってドライブレンドし、約５ＧＰａの超高圧及び約１，３００℃の温度で焼結して、ＰＣＢＮディスクを形成した。
【００２０】
ＰＣＢＮディスクをカットし、加工して、金属を機械加工するためのインサートを形成し、例１に記載されているように、これらに機械加工試験を行った。ＰＣＢＮインサートは、工作物を１９回通過した後で、使用不能になった。
本明細書において用いられている特定の用語及び概念が、下で手短に説明される。
【００２１】
機械工具は、動力を供給される機械装置であり、この装置は、金属、複合材料、木材又はポリマーのような材料を含む部品を、機械加工によって製造するために使用でき、機械加工は、工作物と呼ばれる被削体から、材料を選択的に除去することである。切削体インサートは、工作物にエンゲージし切削するために、機械工具に取り付けられ得る。切削体インサートのすくい面は、工作物からの切り屑がその上を流れる１つ又は複数の面であり、すくい面は、新たに生成する切り屑の流れを方向付ける。切り屑は、使用中の機械工具によって、被削体の作業面から除去された被削体の断片である。切削インサートの逃げ面は、切削インサートによって被削体に生成される、機械加工された表面の上を進む面である。逃げ面は、被削体からの逃げ角（ｃｌｅａｒａｎｃｅ）を与えられ、２つ以上の逃げ面を備え得る。切れ刃は、被削体の切削を実施することを意図する、すくい面の端部である。
粗機械加工作業において、供給速度及び切削の深さは、比較的大きく、工具の切れ刃への負荷は、たいてい約５から１０ｋＮの範囲にあり、大きい。粗機械加工は、「断続させる」特徴を含む工作物でしばしば行われ、この特徴は、意図的であることも、意図していないこともある。例えば、断続させるものは、「Ｖ」溝、鋳造の間に発生するガスによるポロシティ、スラグ又は砂粒子の形で存在し得る。粗機械加工において、寸法公差は、仕上げ作業におけるほど重要でなく、１ｍｍに達する、また１ｍｍを上回る逃げ面摩耗値が許容され得る。その結果として、粗機械加工では、摩耗よりもむしろ耐チッピング性が、使用不能となる主たる表れ方であると予想される。
【００２２】
スラグは、溶融金属の表面に生成し得るセラミック残渣物質である。それは、多くの場合、表面又はその近くに、鋳造品に取り込まれた状態になり得る。それは、摩耗させる性質を有することがあり、また金属酸化物を含み得るが、これは、工具の摩耗にとって有害であり、切れ刃に大きさの変わる負荷を与えると予想される。
本明細書において用いられる場合、特定の成分「から本質的になる」材料は、その材料が、避けることのできない少量の不純物は別として、それらの成分からなることを意味する。
【００２３】
粒の大きさは、円相当径（ＥＣＤ）に換算して表すことができる。粒子の円相当径（ＥＣＤ）は、その粒子の横断面と同じ面積を有する円の直径である。ＥＣＤの大きさの分布、及び多数の粒子の平均の大きさは、接合していない個々の粒子について、又は被削体内部で互いに接合した粒子について、被削体の横断面、又はその表面の画像解析によって、求めることができる。
【図１】
0005512044.tif 000003
【図２】
0005512044.tif 000004