(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バインダーマトリックスと、前記バインダーマトリックス中に分散したｃＢＮ結晶粒及びウィスカーとからなる工作機械用の超硬要素の製造方法であって、
TiN及びAlの粉末をまとめてブレンドし、前反応させてバインダーマトリックス用の前駆粉末を形成する工程と、
前記前駆粉末を前記ｃＢＮ結晶粒及び前記ウィスカーと混合し、混合物を得る工程と、
前記混合物を、少なくとも１２５０℃、少なくとも５ＧPaで焼結し、超硬要素を得る工程と、
を含み、
前記ウィスカーは、ＳｉＣからなり、
前記ウィスカーの含量は、最大で前記バインダーマトリックスの５質量パーセントであり、
前記ウィスカーは、5ミクロン〜15ミクロンの範囲の平均長及び0.5ミクロン〜2ミクロンの範囲の平均幅を有している
超硬要素の製造方法。
【請求項２】
超合金材料を含む物体を機械加工するための、請求項1に記載の製造方法により得られた超硬要素の使用方法。
【請求項３】
前記物体が、Cr及びNiを含有する超合金材料を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
最大0.5mmの切削深さを用いて前記物体を機械加工する、請求項２又は請求項３に記載の方法。
【請求項５】
請求項1に記載の超硬要素の製造方法であって、
混合物を得る工程は、
前記前駆粉末にｃＢＮ結晶粒をブレンドしてベース粉末を得る工程と、
前記ベース粉末を、前記ウィスカーを含む液体溶媒と混ぜ合わせてスラリーを形成する工程と、
前記このスラリーをせん断混合する工程と
前記スラリーを乾燥させて顆粒を形成し、この顆粒を混ぜ合わせて前記混合物として圧粉体を得る工程と、
を含み、
前記超硬要素を得る工程は、
前記圧粉体を焼結させて焼結体を形成し、この焼結体を加工して工作機械用の超硬要素を形成する工程を含む製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（背景）
本発明の実施形態は、超硬要素(elements)、詳しくは、排他的ではないが、超合金材料を機械加工するための超硬要素、その製造方法及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超合金は、高温で優れた機械的強度及び耐クリープ性、良い表面安定性、並びに耐食性及び耐酸化性を示す合金である。ベースの合金化元素は通常、ニッケル、コバルト、又はニッケル-鉄合金である。典型的な用途は、航空宇宙産業、工業用ガスタービン及び船舶用タービン産業にある。一種の超合金の例は、オーステナイト系ニッケル-クロム基(Ni-Cr)超合金である。多くの超合金、特にNi-Cr超合金は、急速な加工硬化のため伝統的な技術を利用して機械加工するのは困難である。超合金材料のより効率的な機械加工のための工作機械用材料の提供が要望されている。特に、超合金材料を含む物体を機械加工するために使用するときに長期の可使時間を有する工具の提供が要望されている。
【０００３】
欧州特許公開第0699642号は、ウィスカー及び／又はファイバーに浸透している多結晶性立方晶窒化ホウ素及び多結晶性ダイヤモンドを開示しており、このウィスカー含量は、cBN成形体の総質量のほぼゼロ〜約30パーセントの程度まで構成し得る。成形体のcBN含量は、少なくとも60質量パーセントでなければならない。結果として、この材料の非cBN成分中のウィスカーの含量はほぼゼロ〜約75質量パーセントであり得るが、より少ないウィスカーでは、ウィスカーが与える望ましい品質が低い成形体をもたらす。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第1の局面から見ると、工作機械用の超硬カッター要素(又は簡単に「超硬要素」)であって、セラミック材料のウィスカーを含有する多結晶性立方晶窒化ホウ素(PCBN)材料を含み、このPCBN材料は、チタンを含む化合物とウィスカーとを含んでなるバインダーマトリックスに分散した少なくとも約50体積パーセント又は60体積パーセントの立方晶窒化ホウ素(cBN)材料を含んでなり；ウィスカーの含量はバインダーマトリックスの少なくとも1質量パーセントかつ最大6質量パーセントである、超硬要素を提供することができる。超硬多相材料を含んでなる、超合金材料を機械加工するための工作機械を提供することができる。
第2の局面から見ると、cBN結晶粒などの超硬材料の結晶粒を含んでなるPCBNなどの超硬多相材料と、マトリックス内に分散したセラミック材料のウィスカーとを含んでなり、超硬結晶粒の含量が少なくとも約30質量パーセントである超硬要素の使用方法であって、超硬多相材料を含む工作機械を準備する工程と、この工作機械を用いて、超合金を含むワークピース体を機械加工する工程とを含む方法を提供することができる。
第3の局面から見ると、(超硬)PCBN要素の製造方法であって、cBNの結晶粒を、液体媒体中のマトリックス用構成材料を含有する結晶粒と混ぜ合わせてスラリーを形成する工程；このスラリーをせん断混合する工程；スラリーを乾燥させて顆粒を形成し、この顆粒を混ぜ合わせて圧粉体(green body)を形成し、この圧粉体を焼結させて焼結体を形成し、この焼結体を加工して工作機械用超硬要素を形成する工程を含む方法を提供することができる。
（図面の簡単な紹介）
工作機械用の材料及び超硬要素の非限定配置について添付図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】顕微鏡スケールの超硬多相材料の概略断面図を示す。
【図２】工作機械用インサートの概略斜視図を示す。
【図３】工作機械用インサートの概略斜視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
（詳細な説明）
以下に、本明細書で使用する特定の用語について簡単に説明する。
本明細書では、超硬材料は約25GPaより大きいヴィッカース硬度を有する。多結晶性立方晶窒化ホウ素(PCBN)は、超硬材料の例である。
ウィスカーは、材料の細長いストランド、ファイバー又はフィラメントであり、その長さは実質的に幅より大きい。
PCBN材料は、金属又はセラミック材料を含むマトリックス内に分散した立方晶窒化ホウ素(cBN)の結晶粒を含む。例えば、PCBN材料は、チタン炭窒化物などのTi含有化合物並びに／或いは窒化アルミニウムなどのAl含有化合物、並びに／或いはCo及び／又はWなどの金属含有化合物を含んでなるバインダーマトリックス材料に分散した少なくとも約50又は60体積パーセントのcBN結晶粒を含み得る。PCBN材料のいくつかのバージョン(又は「グレード」)は、少なくとも約80体積パーセント又は少なくとも約85体積パーセントさえのcBN結晶粒を含み得る。
【０００７】
工作機械は動力機械装置であり、これを用いて、金属、複合材料、木材又はポリマー等の材料を含む構成要素を機械加工によって製造することができる。機械加工は、ワークピースとも呼ばれる物体から材料を選択的に除去することである。回転工作機械は、カッター要素、例えば使用中はその軸の周りを回転するドリルビットを含む。付刃工具又はインサートは、該工具又はインサートの残部の材料とは異なる材料で構成されたカッターチップによって刃先が形成されているものであり、チップは典型的に工具本体上にろう付け又はクランプで締め付けられている。工作機械用チップは、ブランク体を加工してそれをチップ用の構造に形成することによって製造される。切削工具又はインサートのすくい面(rake face)は、該工具を用いて物体から材料を除去するときに削片がその上を流れる面であり、すくい面は、新しく形成された削片の流れを方向づける。削片は、使用中、工作機械によってワークピースの加工面から除去されたワークピース片である。チップの刃先は、物体の切削を行うように意図されたすくい面のエッジである。フランクは、その上を、切削工具によってワークピース上に作り出された表面が通過する工具面である(すなわち、そこから、すくい面上を流れる削片材料が切削されたワークピースの表面)。フランク面が互いに傾いたいくつかの面で構成されている場合、これらの面を刃先から始めて第1面、第2面などと呼ぶ。当技術分野では、クリアランス面をフランク面と呼ぶこともあり、この場合も刃先から始めて第1面、第2面などで構成され得る。
【０００８】
次に図1〜図3を参照して材料、チップ及び工具の例を説明する。
図1に概略を示すように、超硬多相材料10の実例ミクロ構造は、立方晶窒化ホウ素12の結晶粒と、炭化ケイ素などのセラミック材料のウィスカー14を含み、これらはマトリックス16内に分散しており、超硬結晶粒の含量はマトリックスの少なくとも約50質量パーセントであり、ウィスカー14の含量はマトリックスの最大約10質量パーセントである。例えば、ウィスカー14は、約5ミクロン〜約15ミクロンの範囲の平均長と、約0.5ミクロン〜約2ミクロン、又は約1ミクロン〜約2ミクロンの範囲の平均幅を有し得る。
例えば、超硬多相材料は、マトリックス内に分散した超硬材料の結晶粒と、セラミック材料のウィスカーとを含むことができ、超硬結晶粒の含量は、少なくとも約30質量パーセント、少なくとも約35質量パーセント又は少なくとも約50質量パーセントである。他の例では、超硬結晶粒の含量は少なくとも約60質量パーセント又は少なくとも約65質量パーセントである。いくつかの例では、超硬材料の結晶粒はcBNを含むか又はcBNから成り、超硬結晶粒の含量は最大約90質量パーセント、最大約85質量パーセント、又は最大約70質量パーセントである。いくつかの例では、マトリックスは、金属材料、超合金材料、セラミック材料又はサーメット材料を含む。
マトリックスは、チタン炭窒化物及び／又はクロムを含むことができる。他の例では、マトリックスは、PCT特許出願公開第WO2008/072180号及びWO2009/150601号に開示されたバインダー相材料の変形、又は炭素、マンガン、銅、リン、ホウ素、窒素及びスズから選択される1種以上の元素を含むことができる。
【０００９】
PCBN材料などの超硬多相材料のいくつかの例では、セラミックウィスカーの含量は、マトリックスの最大約15質量パーセント又は最大約10質量パーセントであってよい。さらに他の例では、ウィスカーの含量は、マトリックスの最大約8質量パーセント、最大約6質量パーセント、又は最大約5質量パーセントであってよい。ウィスカーの含量は、マトリックスの少なくとも約0.5質量パーセント又は少なくとも約1質量パーセントであってよい。超合金材料を含むワークピース体を機械加工するために超硬多相材料を使用することができる。ウィスカーは、炭化ケイ素(SiC)、ダイヤモンド、チタン含有化合物、例えばチタン炭窒化物、窒化チタン、炭化チタン、アルミナ(Al2O3)及び／又は炭化ハフニウムなどを含むことができる。
いくつかの例では、超硬多相材料は、Tiを含むマトリックス内に分散したcBNの結晶粒及びSiC材料の粒子を含み、超硬結晶粒の含量は、マトリックスの少なくとも50質量パーセントであり、SiCの含量は、マトリックスの最大約10質量パーセント、最大約8質量パーセント、最大約6質量パーセント又はマトリックス最大約5質量パーセントである。
【００１０】
図2及び図3を参照すると、工作機械は(図示せず)用のインサート20は、工作機械上にインサート20をマウントするための手段24を有し得るキャリア体24に接合した超硬カッター要素22(又は簡単に「超硬要素」)によって規定される少なくとも1つのチップを含むことができる。例えば、チップを硬結(cemented)炭化物基板に接合したPCBN構造を含む超硬要素22によって規定することができ、或いは超硬要素はPCBN構造22から成り得る。キャリア体24は、硬結炭化タングステン材料を含むことができ、ろう付け材料によってキャリア体に超硬要素22を接合することができる。他の配置では、インサート20は、チップを規定する複数のPCBN構造を含むことができ、或いはインサートは、複数のチップを規定するPCBN層を含むことができ、この場合、層は、基板の主要端全体、又は基板端の少なくとも主要部を実質的に覆っている。インサートは、基板に接合したPCBN構造を含むことができ、基板はキャリア体に接合している。
超硬多相材料の製造方法例は、超硬材料の結晶粒をマトリックス用の前駆粉末にブレンドしてベース粉末を形成する工程；複数のセラミックウィスカーを有機バインダー及び溶媒と混ぜ合わせてスラリーを形成する工程；このスラリーをせん断混合する工程；ある量のベース粉末をスラリーに混ぜ合わせる工程；このスラリーを乾燥させて顆粒を作り出す工程；この顆粒を混ぜ合わせて圧粉体を形成し、この圧粉体を焼結させて焼結体を形成する工程を含む。この手法は、ウィスカーとマトリックスの間の優れた結合性をもたらすという局面を有し得る。
【００１１】
さらに詳細には、TiN及びAlの粉末をまとめてブレンドし、この粉末を前反応させてマトリックス用の前駆粉末を形成することによって、PCBN材料を含む物体例を製造することができる。前駆粉末を摩擦粉砕し、この粉砕粉末にcBN結晶粒をブレンドしてベース粉末を与えることができる。水、PEG(ポリエチレングリコール)バインダー、懸濁を促す分散剤及びSiCウィスカーを含むスラリーを調製し、このスラリーをせん断混合に供してよい。SiCウィスカーは、約5ミクロン〜約15ミクロンの範囲の平均長及び約0.5ミクロン〜約2ミクロンの範囲、又は約1ミクロン〜約2ミクロンの範囲の平均幅を有し得る。次にベース粉末をスラリーに導入し、この混ぜ合わせた材料をさらにせん断混合に供してよい。混ぜ合わせた材料のスラリーを造粒し、乾燥させて顆粒を形成し、これらの顆粒をまとめて圧縮することによって圧粉体に成形し、この圧粉体をコバルト-硬結炭化タングステン基板上に組み立てて焼結前アセンブリを形成することができる。例えば、圧粉体は、円盤の一般形の基板端上に配置されたやはり円盤の一般形を有してよい。焼結前アセンブリを組み立てて超高圧炉(プレス機)用のカプセルとし、PCBN用の超高圧の高温焼結サイクルによって焼結させて、硬結炭化物基板に一体的に結合したPCBN構造を含む超硬多相材料を形成することができる。焼結の圧力は、少なくとも約5GPaであってよく、温度は少なくとも約1,250℃であってよい。
【００１２】
次に焼結体(例えばPCBN体)を加工して、工作機械の製造で使う超硬要素、例えばチップ又はウエハーなどを形成することができる。例えば、レーザー切削又は放電加工(EDM)を利用して所望形状を有する、より小さいピースに焼結体を切削することができ、例えば研磨などの手段でピース上に刃先を形成することができる。ろう付け又はクランプによる締付けによって、チップ又はウエハーの形のピースをキャリア体に取り付け、この超硬要素を加工して工作機械用のインサートを形成することができる。次に工作機械を用いて、オーステナイト系Ni-Cr基超合金材料などの超合金材料を含むワークピースを機械加工することができる。
特定の超合金材料、詳しくは、非排他的であるが、InconelTMなどのNi-Cr基超合金材料を機械加工するために使用する場合、開示のPCBN材料は、驚くべき長期間の動作寿命をもたらすという局面を有する。動作寿命は、工業規模で商業的に実行可能である超合金の機械加工で超硬多相材料を使うためには十分に長い、ウィスカーの無い超硬多相材料の動作寿命より少なくとも20パーセント又は少なくとも50パーセントさえも長いことがある。開示のPCBN材料は、切削深さが最大約0.5mmであると見込まれる仕上げ作業に特に(排他的ではないが)有用であり得る。
【００１３】
ある種のワークピース材料を機械加工するための超硬要素用の超硬多相材料の組成を選択する際の設計上の考慮事柄は、超硬要素の耐摩耗性とチッピング等の破壊に対するその耐性とのバランスを取ることである。特定用途では、PCBN材料の耐摩耗性は、典型的にマトリックス材料の硬度と耐摩耗性よりずっと高いので、マトリックス材料の含量に関連してcBN材料の体積含量が増えるにつれて高くなる可能性がある。他方で、これらと同じ用途ではマトリックス材料はおそらくcBN材料より破壊に対して耐性が高いので、cBN材料の含量が増えるにつれてPCBN材料の耐破壊性が低下すると予想することができる。マトリックス内にセラミックウィスカーが存在することの効果は、PCBN材料の有効な靭性及び耐破壊性を高め得る。如何なる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、ウィスカーは、例えば、「クラックブリッジング(crack bridging)」によって、PCBN材料の靭性向上に役立つかもしれない。しかしながら、ウィスカーのセラミック材料、例えば炭化ケイ素、炭化チタン、窒化チタン又はチタン炭窒化物などの耐摩耗性は、cBNの耐摩耗性より実質的に低い。従って、特定材料の機械加工に適したPCBN材料の特性のバランスを決定する際にはマトリックス内のウィスカー含量が役に立つかもしれない。少なくとも、Cr及びNiを基礎とする超合金材料の分類では、少なくとも約50又は60体積パーセントのcBNと、少なくとも約2質量パーセントから最大約6質量パーセントまでの範囲の相対的に低いセラミックウィスカー含量を有するマトリックスとを含んでなるPCBN材料が有効であり得ることが分かった。
さらなる非限定例をさらに詳細に後述する。
【実施例】
【００１４】
（実施例）
チタン炭窒化物とSiCウィスカーを含むマトリックス内に分散した約60質量パーセントのcBN結晶粒を含んでなるPCBN要素であって、SiCウィスカー含量がマトリックスの約5質量パーセントであるPCBN材料を以下のように調製した。
当技術分野で知られているように、TiN及びAlの粉末を一緒にブレンドし、前反応させてマトリックス用の前駆粉末を形成した。この前駆粉末を摩擦粉砕してから、この粉砕粉末にcBN結晶粒をブレンドしてベース粉末を得た。
水と、PEG(ポリエチレングリコール)バインダーと、懸濁を促す分散剤と、SiCウィスカーとを含むスラリーを調製し、このスラリーをせん断混合に供した。SiCウィスカーは、約10ミクロンの平均長及び約0.7ミクロンの平均幅を有した。次にベース粉末をスラリーに導入し、この混ぜ合わせた材料をさらにせん断混合に供した。混合材料のスラリーを造粒し、乾燥させて顆粒を形成した。顆粒をまとめて圧縮することによって圧粉体を形成し、この圧粉体をコバルト-硬結炭化タングステン基板上に組み立てて焼結前アセンブリを形成した。当技術分野で知られているように、この焼結前アセンブリを超高圧炉用カプセルにし、PCBN用の超高圧の高温焼結サイクルを用いて焼結して、硬結炭化物基板に一体的に結合したPCBN構造を含む超硬多相材料を形成した。
PCBNのミクロ構造を電子顕微鏡によって解析すると、ウィスカーがバインダーマトリックスとよく一体化していることが観察された。
【００１５】
超硬多相材料を機械加工かつ研磨することによって加工して、超合金ワークピースの機械加工に適した工作機械用のインサートを形成した。Ni-Cr基超合金を含むInconel(登録商標)で形成されたワークピースを機械加工することによって、超硬多相材料を試験した。ウィスカーを導入しないことを除き、上述したように対照超硬多相材料を作製し、同試験に供した。この試験では、SiCウィスカーを含む超硬多相材料の動作寿命は対照要素の動作寿命より約50パーセント長く、ウィスカーの比較的低含量を考えると非常に驚いた。比較のため、市販グレードのPCBN、すなわちElement Six(登録商標)供給のDBC50(登録商標)グレードをも試験した。ウィスカーを含むPCBN要素の動作寿命は、DBC50(登録商標)の動作寿命のほぼ2倍であった。ウィスカーを含むPCBNのためノッチ摩耗が実質的に低減又は排除されたことも観察され、実質的に向上した破壊靭性を示すと考えられる。
【００１６】
次に機械加工試験の詳細を説明する。約42HRCのロックウェル硬さを有するInconel(登録商標)から試験ワークピースを形成した。切削速度は約300m/分であり、供給速度は約0.1mm/rev.であり、切削深さは約0.25mmであり、通常のクーラントを使用した。寿命終了の判断基準は、i)0.3mmの摩耗痕(VBmax)、ii)重度のチッピング、又はiii)ノッチ摩耗であった。
3種の異なるセットの要素を用いて試験を3回繰り返した。対照要素の約4分及びDBC50(登録商標)要素の約2.5分に比し、実施例(すなわち、ウィスカー含有)のPCBNの平均工具寿命は約5.8分であった。
【図１】
0005603954.tif 000002
【図２】
0005603954.tif 000003
【図３】
0005603954.tif 000004