(57)【要約】  バインダーレスｃＢＮ体を焼結する方法は、窒化ホウ素粒子混合物を圧力室内に供給することにおいて、窒化ホウ素粒子混合物が、第１タイプの窒化ホウ素粒子及び窒化ホウ素充填剤粒子を有しており、窒化ホウ素充填剤粒子が、第１タイプの窒化ホウ素粒子とは異なるサイズ及び／またはタイプを有していることと、７．７ＧＰａ未満の圧力室内圧力を発生させること及び窒化ホウ素粒子混合物を約１９００℃〜約２３００℃の範囲の温度に加熱することによって窒化ホウ素粒子混合物を圧力室において焼結してｃＢＮ体を形成することとを含み、ｃＢＮ体が、少なくとも９７パーセントの密度を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶窒化ホウ素体を焼結する方法であって：
窒化ホウ素粒子混合物を圧力室内に供給する工程であって、前記窒化ホウ素粒子混合物が、第１タイプの窒化ホウ素粒子及び窒化ホウ素充填剤粒子を含んでおり、前記窒化ホウ素充填剤粒子が、前記第１タイプの窒化ホウ素粒子とは異なるサイズ及び／またはタイプを有している工程と；
前記窒化ホウ素粒子混合物を前記圧力室において焼結して前記立方晶窒化ホウ素体を形成する工程であって、前記焼結工程が：
７．７ＧＰａ未満の、前記圧力室内の圧力を発生させる工程；及び
前記窒化ホウ素粒子混合物を約１９００℃〜約２３００℃の範囲の温度に加熱する工程
を含んでいる工程と
を含み、
前記立方晶窒化ホウ素体が、少なくとも９７パーセントの密度を有していることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記第１タイプの窒化ホウ素粒子が、１２〜２２ミクロンの範囲の粒径を有する粗大な立方晶窒化ホウ素粒子である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記窒化ホウ素充填剤粒子が、前記第１タイプの窒化ホウ素粒子未満の平均粒径を有する微細な立方晶窒化ホウ素粒子を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記微細な立方晶窒化ホウ素粒子が、２ミクロン以下の粒径を有している、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記微細な立方晶窒化ホウ素粒子が、前記窒化ホウ素粒子混合物のうち１０〜２０質量パーセントを形成している、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記窒化ホウ素充填剤粒子が、六方晶窒化ホウ素粒子を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記六方晶窒化ホウ素粒子が、前記窒化ホウ素粒子混合物のうち５〜２０質量パーセントを形成している、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
焼結の前に、前記窒化ホウ素粒子混合物を前記圧力室において振動させる工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
焼結の前に、前記窒化ホウ素粒子混合物を冷間静水圧プレスする工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１タイプの窒化ホウ素粒子及び前記窒化ホウ素充填剤粒子が、マルチモーダル粒径分布を有する立方晶窒化ホウ素粒子混合物として供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記窒化ホウ素充填剤粒子が、前記窒化ホウ素粒子混合物のうち５０質量パーセント未満を形成している、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記立方晶窒化ホウ素体が、３０ＧＰａ超のビッカーズ硬度を有している、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記立方晶窒化ホウ素体が、１パーセント未満の組成の六方晶窒化ホウ素を有している、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
立方晶窒化ホウ素体を作製する方法であって：
窒化ホウ素粒子混合物を圧力室内に供給する工程と；
約７ＧＰａ〜７．７ＧＰａ未満の範囲の、前記圧力室内の圧力を発生させる工程と；
前記圧力室を約１９００℃〜約２３００℃の範囲の温度に加熱する工程と
を含み、
前記立方晶窒化ホウ素体が、少なくとも９８パーセント組成の立方晶窒化ホウ素を有していることを特徴とする、方法。
【請求項１５】
前記立方晶窒化ホウ素体が、３８ＧＰａ超のビッカーズ硬度を有している、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記圧力室における前記窒化ホウ素粒子混合物の体積から、前記焼結された立方晶窒化ホウ素体の体積への体積変化が、２５パーセント未満である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記圧力の発生及び加熱の前に、前記窒化ホウ素粒子混合物を冷間静水圧プレスする工程をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
焼結されたバインダーレス立方晶窒化ホウ素体であって：
複数の共に結合した立方晶窒化ホウ素粒体と；
少なくとも９９パーセントの密度と；
３８ＧＰａ超のビッカーズ硬度と
を備え、前記焼結されたバインダーレス立方晶窒化ホウ素体のうちの少なくとも９８パーセントの組成を、立方晶窒化ホウ素が形成していることを特徴とする、焼結されたバインダーレス立方晶窒化ホウ素体。
【請求項１９】
前記立方晶窒化ホウ素体が、１パーセント未満の組成の六方晶窒化ホウ素を有している、請求項１８に記載の焼結されたバインダーレス立方晶窒化ホウ素体。
【請求項２０】
少なくとも一寸法が１０ｍｍ超である、請求項１８に記載の焼結されたバインダーレス立方晶窒化ホウ素体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、２０１６年６月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／３５６，２２５号の優先権及び利益を主張し、その全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子は、設計された材料特性、例えば増加した耐摩耗性または靱性を有する多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）複合材料を形成するために、セラミックまたは金属バインダーの存在下で共に焼結され得る。例えば、ＰＣＢＮ複合材料は、硬質相（例えば、超硬材料）としてのｃＢＮ粒子と、液相焼結の反応体となるアルミニウム（Ａｌ）金属粉末とを含む混合物の高圧高温（ＨＰＨＴ）焼結によって形成され得る。ＰＣＢＮのＨＰＨＴ焼結は、約４〜７ＧＰａの間の圧力及び約１２００℃〜１５００℃の間の温度を使用することを含み得る。いくつかの用途において、ｃＢＮ粒子は、バインダーレスｃＢＮ焼結プロセスにおいてバインダーを使用することなく共に焼結され得る。しかし、公知のバインダーレスｃＢＮ焼結プロセスは、７．７ＧＰａ超の超高圧及び２０００℃超の高温（例えば、２２００℃〜２４００℃の間）の使用を含む。かかる超高圧及び高温の条件は、ＰＣＢＮを形成するのに使用される圧力及び温度条件と比較して達成するのが困難でありかつコストがかかり得る。
【０００３】
ＰＣＢＮは、例えば、摩擦撹拌溶接、加工、または接合のための工具におけるものを含めた様々な機械加工用途において使用され得る。摩擦撹拌溶接に使用される工具は、２つの材料片間の接合に沿って移動して各材料片の一部を超塑性的に変形しかつ該２つの片を共に溶接する、ＰＣＢＮを含む強いピンを含み得る。他の用途は、ＰＣＢＮを、切削工具、穴開け工具、または機械加工工具、例えば、機械加工工具鋼、浸炭鋼及び高速度鋼、溶接合金、鋳鉄などのための工具に使用することを含み得る。
【発明の概要】
【０００４】
この概要は、詳細な説明において以下にさらに記載する概念の選択を導入するために提供される。この概要は、特許請求の範囲の主題の重要または本質的な特徴を識別することは意図されておらず、また、特許請求の範囲の主題の範囲を限定する際の助けとして使用されることも意図されていない。
【０００５】
一態様において、本開示の実施形態は、バインダーレスｃＢＮ体を焼結する方法であって、窒化ホウ素粒子混合物を圧力室内に供給することにおいて、窒化ホウ素粒子混合物が、第１タイプの窒化ホウ素粒子及び窒化ホウ素充填剤粒子を有しており、窒化ホウ素充填剤粒子が、第１タイプの窒化ホウ素粒子とは異なるサイズ及び／またはタイプを有していることと、窒化ホウ素粒子混合物を圧力室において焼結してｃＢＮ体を形成することにおいて、当該焼結が、７．７ＧＰａ未満の圧力室内圧力を発生させること及び窒化ホウ素粒子混合物を約１９００℃〜約２３００℃の範囲の温度に加熱することを含んでいることとを含み、ｃＢＮ体が、少なくとも９７パーセントの密度を有している、上記方法に関する。
【０００６】
別の態様において、本開示の実施形態は、ｃＢＮ体を作製する方法であって、窒化ホウ素粒子混合物を圧力室内に供給することと、約７ＧＰａ〜７．７ＧＰａ未満の範囲の圧力室内圧力を発生させることと、圧力室を約１９００℃〜約２３００℃の範囲の温度の温度に加熱することとを含み、ｃＢＮ体が、少なくとも９８パーセント組成のｃＢＮを有している、上記方法に関する。
【０００７】
なお別の態様において、本開示の実施形態は、複数の共に結合したｃＢＮ粒体、少なくとも９９パーセントの密度、及び３８ＧＰａ超のビッカーズ硬度を有する焼結されたバインダーレスｃＢＮ体であって、ｃＢＮが、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体のうち少なくとも９８パーセントの組成を形成している、上記焼結されたバインダーレスｃＢＮ体に関する。
【０００８】
特許請求の範囲の主題の他の態様及び利点は、以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲から明らかであろう。
【０００９】
添付の図は、明細書と一緒になって、開示されている主題の例示的な実施形態を示し、また、詳細な説明と一緒になって、開示されている主題の原理を説明する機能を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の実施形態による窒化ホウ素粒子混合物から焼結されたバインダーレスｃＢＮ体、及び従来の窒化ホウ素粒子混合物から焼結されたバインダーレスｃＢＮ体の理論密度のグラフである。
【図２】異なる温度下で本開示の実施形態による窒化ホウ素粒子混合物から焼結された、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体のＸ線回折スペクトルを示す。
【図３】図２の焼結されたバインダーレスｃＢＮ体の組成の表を示す。
【図４】焼結されたバインダーレスｃＢＮ体の比較サンプルのＸ線回折スペクトルを示す。
【図５】焼結されたバインダーレスｃＢＮ体の比較サンプルのＸ線回折スペクトルを示す。
【図６】本開示の実施形態による、焼結されたバインダーレスｃＢＮ材料を有する工具を示す。
【図７】本開示の実施形態による、焼結されたバインダーレスｃＢＮ材料を有する切削要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の詳細な説明において、開示されている主題のある特定の例示的な実施形態のみを実例として示して記載する。当業者が認識するように、開示されている主題は、多くの異なる形態で具現化され得、本明細書に記載されている実施形態に限定されると解釈されるべきではない。同様の参照番号は、明細書を通して同様の要素を表記している。
【００１２】
本開示の実施形態によると、高密度及び高硬度を有する、焼結されたバインダーレス立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）体は、本明細書において議論されている窒化ホウ素出発物質の組成を使用することによって、比較的低圧条件下で窒化ホウ素粒子を焼結することによって形成され得る。得られる焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、共に結合したｃＢＮ粒体を実質的に含み、最小量の残存材料または不純物（例えば、焼結体の組成のうち３パーセント未満、１パーセント未満、または０．５パーセント未満を形成する）を含み得る。例えば、本明細書に開示されている実施形態による焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、例えば、９８パーセント超の組成のｃＢＮ及び９９パーセント超の組成のｃＢＮ、例えば、９９．８パーセント組成のｃＢＮを含めた、少なくとも９７パーセント組成のｃＢＮを有していてよく、これは、共に結合して存在しており、連続するｃＢＮ粒体である。本明細書において使用されているとき、「粒子」という用語は、焼結の前に用いられる粉末の出発物質を指す一方で、「粒体」という用語は、焼結の後の認識できる超砥粒領域を指す。
【００１３】
本明細書に開示されている実施形態によるバインダーレスｃＢＮ体を焼結するために、窒化ホウ素粒子混合物（出発物質とも称され得る）が、保護容器に置かれてよく、次いで、好適な高圧高温プレス装置の作業室に置かれてよい。当該容器及びその内容物は、次いで昇圧昇温条件に供されて、バインダーレスｃＢＮ体を焼結し得る。焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、多結晶立方晶窒化ホウ素の形成に一般に使用される同じ設備を使用して調製されてよい。例えば、本開示の実施形態によるバインダーレスｃＢＮ体は、任意の好適なプレス（例えば、高圧高温（ＨＰＨＴ）プレス）、例えば立方プレス、ベルトプレス、環状プレス、またはマルチアンビルプレス、及び他の公知のプレスを使用して調製されてよい。
【００１４】
高温及び高圧で材料を焼結するための公知のプレスは、部品の形状、サイズ及び構成が様々であってよいが、プレスは、一般に、焼結対象の出発物質を保持するための「圧力室」を含んでおり、ここで、圧力室内に投入される出発物質は、焼結のために増大された圧力及び温度に供され得る。圧力室は、１つ以上の部品、例えば、２〜３例を挙げると、互いに対して移動可能である部品、封止部品、及び同心または重複する壁を有する部品を含んでいてよく、異なるサイズ及び形状を有していてよい。本明細書において使用されているとき、圧力室は、出発物質に熱及び圧力を伝達させることが可能でありながら出発物質を保持することが可能である容器の１つ以上の構成を含んでいてよい。圧力室は、プレスの取り外し不可能部分として形成されていてよく、または、圧力室は、取り外し可能部分であってよく、ここで、当該圧力室は、プレスから取り外されかつプレスに投入され得る。
【００１５】
プレスは、従前は、ｃＢＮ粒子と金属バインダー粒子との出発物質混合物からの多結晶立方晶窒化ホウ素体をそれぞれ約１２００〜１５００℃の温度及び４〜７ＧＰａの圧力で焼結するために、また、（金属バインダーを用いずに出発物質混合物から）バインダーレスｃＢＮ体をそれぞれ１９００℃超の温度及び７．７ＧＰａ超の圧力で焼結するために使用されていた。しかし、本明細書に開示されている実施形態によると、プレスは、より高い圧力で焼結された従前のｃＢＮ体の密度及び硬度に匹敵するまたはこれを超える密度及び／または硬度を有する焼結されたバインダーレスｃＢＮ体を付与しながらも、７．７ＧＰａ未満の圧力及び約１９００℃〜２３００℃の範囲の温度でバインダーレスｃＢＮ体を焼結するために使用され得る。
【００１６】
例えば、本開示の実施形態によると、バインダーレスｃＢＮ体を作製する方法は、窒化ホウ素粒子混合物を圧力室内に供給することと、７．７ＧＰａ未満（例えば、約６．８ＧＰａ〜７．７ＧＰａ未満の範囲、例えば約７ＧＰａ）の圧力室内圧力を発生させることと、圧力室を約１９００℃〜約２３００℃の範囲の温度に加熱して、窒化ホウ素粒子混合物を、少なくとも９８パーセント組成のｃＢＮを有する焼結されたバインダーレスｃＢＮ体に焼結することとを含み得る。得られる焼結されたバインダーレスｃＢＮ体の残りの組成は、焼結及び／または不純物からの残存材料、例えば、加工条件下で形成される窒化ホウ素粒子混合物及び／または酸化物を混合するのに使用される設備からの炭化物を含んでいてよい。さらに、得られる焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、少なくとも約９７パーセントの密度（例えば、９８．０パーセント超、９８．５パーセント超、９９．０パーセント超、もしくは９９．５パーセント超の密度）及び／または少なくとも約３７ＧＰａ（例えば、３８ＧＰａ超もしくは４０ＧＰａ超）のビッカーズ硬度を有していてよい。
【００１７】
比較的より低い圧力（７．７ＧＰａ未満）で焼結されたバインダーレスｃＢＮ体を形成して高密度及び硬度（例えば、少なくとも約９７パーセントの密度及び少なくとも約３７ＧＰａのビッカーズ硬度）をなお結果として生じさせるために、窒化ホウ素出発物質の組成は、焼結プロセスから得られる体積変化を最小にするように設計され得る。換言すると、焼結の際、より少ない体積変化を経るように窒化ホウ素出発物質を設計することによって、より低い圧力が焼結に使用され得る一方で、高密度及び硬度を有する焼結されたバインダーレスｃＢＮ体をなおも結果として生じさせる。出発物質と、得られる焼結体との間の体積変化は、出発物質における相変態及び／または出発物質粒子の緻密化から起こり得る。焼結プロセスの際の緻密化は、粒界の形成により出発粒子の形状及び／またはサイズが変化すること、ならびに、同時に、出発粒子間で細孔の形状、サイズ及び／または量が変化することから生じ、これにより、粒子体積に対する細孔容積の相対量を低減させ得る。そのため、相変態に起因して相対的に増大した密度及び／またはより少ない体積変化を有するように窒化ホウ素出発物質の組成を設計することによって、出発物質と焼結体との間の体積変化全体が低減され得、焼結に使用される圧力が低下され得る。
【００１８】
本開示の実施形態によると、窒化ホウ素粒子混合物は、第１タイプの窒化ホウ素粒子及び窒化ホウ素充填剤粒子から窒化ホウ素粒子混合物を形成することによって焼結の際により少ない体積変化を経るように設計され得、ここで、窒化ホウ素充填剤粒子は、第１タイプの窒化ホウ素粒子と異なるサイズ及び／またはタイプを有している。例えば、第１タイプの窒化ホウ素粒子は、選択された粒径範囲及び／または選択された平均粒径を有するｃＢＮ粒子を含み得、窒化ホウ素充填剤粒子は、第１タイプの窒化ホウ素粒子と異なる粒径（異なる粒径範囲及び／または平均粒径）を有する六方晶窒化ホウ素（「ｈＢＮ」）粒子及び／またはｃＢＮ粒子を含み得る。
【００１９】
いくつかの実施形態において、第１タイプの窒化ホウ素粒子は、正規分布下で約１２〜２２ミクロンの範囲の粒径を有する、単一のカットの粗大なｃＢＮ粒子を含み得、窒化ホウ素充填剤は、第１タイプの窒化ホウ素粒子未満の平均粒径、例えば約２ミクロン以下の平均粒径を有する微細なｃＢＮ粒子を含み得る。任意選択的に、窒化ホウ素粒子混合物は、粗大な立方晶窒化ホウ素粒子及び微細な立方晶窒化ホウ素粒子とは異なる平均粒径を有する第３カットのｃＢＮ粒子をさらに含み得る。
【００２０】
本開示の実施形態は、例えばバイモーダル粒径分布（すなわち、２つの平均径を有する粒子）またはトリモーダル粒径分布（すなわち、３つの平均径を有する粒子）を含めたマルチモーダル粒径分布を有するｃＢＮ粒子を有する窒化ホウ素粒子混合物を含み得る。例えば、バイモーダル粒径分布を有するｃＢＮ粒子の窒化ホウ素粒子混合物は、約１２〜２２ミクロンの範囲内の平均粒径を有するｃＢＮ粒子及び約０．１〜１２ミクロンの範囲内の平均粒径を有するｃＢＮ粒子を含み得る。いくつかの実施形態は、１２〜２２ミクロンの範囲の平均粒径を有する第１カットのｃＢＮ粒子、２〜４ミクロンの範囲の平均粒径を有する第２カットのｃＢＮ粒子、及び０．１〜１ミクロンの範囲の平均粒径を有する第３カットのｃＢＮ粒子などの、密に充填されたトリモーダル分布を有するｃＢＮ粒子を有する窒化ホウ素粒子混合物の使用を含み得る。
【００２１】
マルチモーダル粒径分布を有するｃＢＮ粒子を有する窒化ホウ素粒子混合物は、異なる粒径を有する２以上のカットのｃＢＮ粒子を含み得、ここで、マルチモーダルｃＢＮ粒子の組成の大部分（例えば、５０パーセント超）が、１２〜２２ミクロンの範囲の平均粒径を有する粗大なカットのｃＢＮ粒子である。例えば、トリモーダル分布のｃＢＮ粒子を有する実施形態において、トリモーダルｃＢＮ粒子混合物は、７０〜９０パーセント組成の間（例えば、約８５パーセント組成）の、１２〜２２ミクロンの範囲の平均粒径を有する粗大カットｃＢＮ粒子、５〜１５パーセント組成の間（例えば、約７パーセント組成）の、２〜４ミクロンの範囲の平均粒径を有する第２カットｃＢＮ粒子、及び５〜１５パーセント組成の間（例えば、約８パーセント組成）の、０．１〜１ミクロンの範囲の平均粒径を有する第３カットｃＢＮ粒子を含み得る。いくつかの実施形態において、トリモーダルｃＢＮ粒子混合物は、主要組成の粗大カットｃＢＮ粒子と、実質的に等しい組成量の、異なる平均粒径を有する２つのカットのｃＢＮ粒子とを含み得る。いくつかの実施形態において、トリモーダルｃＢＮ粒子混合物は、主要組成の粗大カットｃＢＮ粒子と、等しくない組成量の、異なる平均粒径を有する２つのカットのｃＢＮ粒子（例えば、比較的より大きな平均粒径を有する第２カットが、比較的より小さな平均粒径を有する第３カットよりも大きなパーセント組成を形成するか、または、比較的より小さな平均粒径を有する第２カットが、比較的より大きな平均粒径を有する第３カットよりも大きなパーセント組成を形成する）とを含み得る。
【００２２】
異なる粒径を有するｃＢＮ粒子を混合して窒化ホウ素粒子混合物を形成することにより、窒化ホウ素出発物質における粒子間のより密な充填を可能にし得る。さらに、より大きな粒径差を有するｃＢＮ粒子を混合することにより、例えば、粗大なｃＢＮ粒子と微細なｃＢＮ粒子とを混合することにより、より小さな粒径差を有するｃＢＮ粒子、例えば、５０パーセント未満の差、２５パーセント未満の差、または１５パーセント未満の差の範囲の２粒径間の平均粒径差を有するバイモーダル粒径分布を有するｃＢＮ粒子を混合するよりも密な出発物質充填を可能にし得る。
【００２３】
いくつかの実施形態において、ｈＢＮ粒子は、窒化ホウ素充填剤として、単独で、または他の窒化ホウ素充填剤材料との組み合わせのいずれかで使用され得る。例えば、いくつかの実施形態において、第１タイプの窒化ホウ素粒子は、ｃＢＮ粒子を含み得、ｈＢＮ粒子は、単独で、窒化ホウ素充填剤を形成し得る。いくつかの実施形態において、第１タイプの窒化ホウ素粒子は、第１平均粒径を有するｃＢＮ粒子を含み得、窒化ホウ素充填剤は、ｈＢＮ粒子と、第１平均粒径よりも小さい第２平均粒径を有するｃＢＮ粒子とを含み得る。ｈＢＮ粒子は、窒化ホウ素粒子混合物において潤滑体として作用し得、これは、粒子の充填に役立ち、また、グリーン密度を改善し得る。
【００２４】
窒化ホウ素粒子混合物中のｈＢＮ粒子は、窒化ホウ素粒子混合物のｃＢＮ粒子成分の平均粒径以下の平均粒径を有し得る。いくつかの実施形態において、ｈＢＮ粒子は、５ミクロン未満、例えば、０超〜約２ミクロンの範囲の粒径を有し得る。
【００２５】
窒化ホウ素粒子混合物は、少なくとも約５０質量パーセントの第１タイプの窒化ホウ素粒子、例えば、約１２〜２２ミクロンのサイズ範囲のｃＢＮ粒子と、５０質量パーセント未満の窒化ホウ素充填剤材料とを含み得る。例えば、窒化ホウ素粒子混合物は、７５〜９０質量パーセントの間（例えば、約８０パーセント〜約８５質量パーセント）の粗大なｃＢＮ粒子、１０〜２０質量パーセントの間（例えば、約１５質量パーセント）の微細なｃＢＮ粒子及び／または５〜２０質量パーセントの間（例えば、約１５質量パーセント）のｈＢＮ粒子を含み得る。いくつかの実施形態において、窒化ホウ素粒子混合物は、５０質量パーセント以上のｃＢＮ粒子及び５０質量パーセント未満のｈＢＮ粒子を含み得る。ｈＢＮ粒子は、ｈＢＮからｃＢＮへの相変態に起因して焼結の際に大きな体積変化を経るため、いくつかの実施形態において、ｈＢＮは、２０質量パーセント未満（例えば、１５質量パーセント以下、１０質量パーセント以下、または約５質量パーセント）の窒化ホウ素粒子混合物を形成し得る。
【００２６】
焼結されたバインダーレスｃＢＮ体を形成するための出発物質として本明細書に開示されている窒化ホウ素粒子混合物を使用することにより、出発物質の体積と、焼結プロセスから得られる焼結されたバインダーレスｃＢＮ体の体積との間の体積変化を低減し得る。本開示の実施形態によると、窒化ホウ素粒子混合物の組成は、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体の窒化ホウ素出発物質を形成するように設計され得、その結果、窒化ホウ素粒子混合物の体積から、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体の体積への体積変化が、４５パーセント未満、４０パーセント未満（例えば、約３５パーセント）、いくつかの実施形態においては３５パーセント未満となる。
【００２７】
本開示の実施形態による窒化ホウ素粒子混合物は、窒化ホウ素粒子混合物をプレスの圧力室に注入し、窒化ホウ素粒子混合物を約１９００℃〜約２３００℃の範囲の温度に加熱しながら７．７ＧＰａ未満の圧力室内圧力を発生させることによって、バインダーレスｃＢＮ体に焼結され得る。例えば、本開示の実施形態による窒化ホウ素粒子混合物は、バインダーレスｃＢＮ体を形成するために６．８〜７ＧＰａの間、７〜７．２ＧＰａの間、または７．２〜７．６ＧＰａの間の圧力で焼結され得る。
【００２８】
本明細書に開示されている窒化ホウ素粒子混合物から焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、少なくとも９７パーセント、少なくとも９８パーセント、または少なくとも９９パーセントの密度をなお有しながら、７．７ＧＰａ未満の圧力及び約１９００℃〜２３００℃の間の温度で焼結され得る。焼結されたバインダーレスｃＢＮ体の密度は、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体の出発物質として、本明細書に開示されている窒化ホウ素粒子混合物を使用することによって（例えば、９９パーセント超の密度を有するように）増加し得る。例えば、出発の窒化ホウ素粒子混合物としてマルチモーダルｃＢＮ粒子を使用することにより、出発物質における改善された粒子充填を可能にし得、これは、焼結プロセスの際の低減された体積変化を可能にし得、これにより、比較的より低い焼結圧力から得られる高密度を可能にし得る。ｃＢＮ粒子と、５０質量パーセント未満のｈＢＮ粒子との混合物を、出発の窒化ホウ素粒子混合物として使用することにより、ｈＢＮからｃＢＮへの間の相変態からの、焼結プロセスの際の低減された体積変化を有し得（ｈＢＮ出発物質から全体にｃＢＮ体を焼結することと比較したとき）、これにより、高密度のバインダーレスｃＢＮ体を焼結するときに使用される、より低い焼結圧力を可能にし得る。
【００２９】
バインダーレスｃＢＮ体を焼結する方法は、窒化ホウ素粒子混合物を昇圧及び昇温に供する前に窒化ホウ素粒子混合物を圧力室内に粉末充填することを含み得る。例えば、いくつかの実施形態において、窒化ホウ素粒子混合物出発物質をプレスの圧力室内に投入してよく、窒化ホウ素粒子混合物を保持する圧力室を振動させて、窒化ホウ素粒子混合物を粉末充填してよい。振動後、窒化ホウ素粒子混合物を昇圧及び昇温に供して、粉末充填された窒化ホウ素粒子混合物を焼結されたバインダーレスｃＢＮ体に焼結することができる。
【００３０】
いくつかの実施形態において、バインダーレスｃＢＮ体を焼結する方法は、窒化ホウ素粒子混合物を昇圧及び昇温に供する前に窒化ホウ素粒子混合物を冷間静水圧プレスすることを含み得る。例えば、いくつかの実施形態において、窒化ホウ素粒子混合物出発物質を可撓性金型に投入して該金型内に密閉してよく、圧力（例えば、油圧）を、密閉した可撓性金型付近に印加して、窒化ホウ素粒子混合物の実質的に均一な成形及び成形体内での比較的均一な密度を付与し得る。任意選択的に、いくつかの実施形態において、窒化ホウ素粒子混合物を、冷間静水圧プレスの前に粉末充填してよい。窒化ホウ素粒子混合物の成形体を次いでプレスの圧力室内に投入し、昇圧及び昇温に供して、成形した窒化ホウ素粒子混合物を焼結されたバインダーレスｃＢＮ体に焼結することができる。いくつかの実施形態において、窒化ホウ素粒子混合物を高圧プレス内に投入し、１〜７ＧＰａの範囲の圧力に供して、焼結の前に、窒化ホウ素粒子混合物を充填し、かつグリーン密度を改善することができる。１〜７ＧＰａの範囲の圧力に供した後、充填された窒化ホウ素粒子混合物を次いで焼結して、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体を形成してよい。
【００３１】
本開示の実施形態による窒化ホウ素粒子混合物から形成された焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、例えば、窒化ホウ素粒子混合物の組成ならびに焼結温度及び圧力に応じて、９８．５パーセント超、９９パーセント超、及び９９．５パーセント超を含めた、少なくとも９８パーセントの高密度を有し得る。
【００３２】
図１は、７ＧＰａ及び異なる温度における、異なる窒化ホウ素粒子混合物から焼結されたバインダーレスｃＢＮ体の理論密度の例を示す。試験される窒化ホウ素粒子混合物には、窒化ホウ素粒子混合物Ａとして示されている、従来の単一カットのｃＢＮ粒子混合物、ならびに、窒化ホウ素粒子混合物Ｂ及びＣとして示されている、本開示の実施形態による窒化ホウ素粒子混合物が含まれる。窒化ホウ素粒子混合物Ａは、正規分布を有する、単一カットのｃＢＮ粒子であって、１２〜２２ミクロンの範囲の粒径を有するｃＢＮ粒子を含む。実施形態によると、窒化ホウ素粒子混合物Ｂは、１２〜２２ミクロンの範囲の粒径を有する８５質量パーセントのｃＢＮ粒子と、０超〜２ミクロンの範囲の粒径を有する１５質量パーセントのｃＢＮ粒子とを有する混合物を含む。実施形態によると、窒化ホウ素粒子混合物Ｃは、８５質量パーセントの窒化ホウ素粒子混合物Ｂと、１５質量パーセントのｈＢＮ粒子とを有する混合物を含む。そのため、窒化ホウ素粒子混合物Ｃは、１２〜２２ミクロンの範囲の粒径を有する約７２質量パーセントのｃＢＮ粒子と、０超〜２ミクロンの範囲の粒径を有する約１３質量パーセントのｃＢＮ粒子と、約１５質量パーセントのｈＢＮ粒子とを有する混合物を含み得る。
【００３３】
図１に示すように、窒化ホウ素粒子混合物Ａは、７ＧＰａ及び２２５０℃未満の温度で焼結したとき、高密度の（少なくとも９８パーセントの理論密度を有する）バインダーレスｃＢＮ体を結果として生じさせることができなかった。代わりに、窒化ホウ素粒子混合物Ａは、７ＧＰａ及び約２３７０℃の温度下で焼結したとき、約９９．２パーセントの高密度を結果としてもたらした。
【００３４】
対照的に、本開示の実施形態による、図１に示される粒子混合物、窒化ホウ素粒子混合物Ｂ及び窒化ホウ素粒子混合物Ｃは、７ＧＰａ及び１９００℃〜２３００℃の間の範囲の温度で焼結したとき、高密度の（少なくとも９８パーセントの理論密度を有する）のバインダーレスｃＢＮ体を結果として生じさせることができた。例えば、７ＧＰａ及び約２１４０℃〜２２５０℃の範囲の温度下で焼結したとき、窒化ホウ素粒子混合物Ｂは、約９９．５パーセント〜約９９．７パーセントの間の範囲の高密度を有するバインダーレスｃＢＮ体を結果として生じさせた。７ＧＰａ及び約１９５０℃で焼結したとき、窒化ホウ素粒子混合物Ｃは、約９８．６パーセントの高密度を有するバインダーレスｃＢＮ体を結果として生じさせた。７ＧＰａ及び約２０７０℃〜約２２７０℃の範囲の温度下で焼結したとき、窒化ホウ素粒子混合物Ｃは、９９．２パーセント超〜約９９．７パーセントの範囲の高密度を有するバインダーレスｃＢＮ体を結果として生じさせた。
【００３５】
図１は、７ＧＰａ及び１９００℃〜２３００℃の間の範囲の温度下で焼結された本開示の実施形態による窒化ホウ素粒子混合物の選択された例を示す。しかし、本開示の実施形態による他の窒化ホウ素粒子混合物も、同様の条件（例えば、７．７ＧＰａ未満、７．５ＧＰａ未満、または７．２ＧＰａ未満、例えば６．９ＧＰａ〜７．１ＧＰａの間の圧力、及び約１９００℃〜約２３００℃の間の範囲の温度）下で焼結されて、高密度のバインダーレスｃＢＮ体を結果として生じさせ得る。
【００３６】
さらに、本開示の実施形態による窒化ホウ素粒子混合物から形成された焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、３０ＧＰａ超、３５ＧＰａ超、及び３８ＧＰａ超のビッカーズ硬度を有し得る。
【００３７】
本明細書において議論されているように、本開示の実施形態による窒化ホウ素粒子混合物を使用して、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体を形成することにより、従前に使用されている窒化ホウ素出発物質と比較したとき、比較的より低い圧力（及び、任意選択的に、より低い温度と組み合わせ）での焼結を可能にし得る。本明細書に開示されている実施形態によって形成された焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、出発物質の組成及び充填効率に部分的に起因して、バインダーレスｃＢＮ体を形成するのに使用されるより低い焼結圧力にもかかわらず、改善された材料特性をさらに有し得る。例えば、ｃＢＮ出発物質におけるｃＢＮからｈＢＮへの逆相変態は、本開示の実施形態による出発物質及び焼結方法を使用することによって回避され得、これにより、改善された硬度を有する焼結されたバインダーレスｃＢＮ体を結果として生じさせ得る（焼結されたバインダーレスｃＢＮ体におけるｈＢＮの存在の低減に起因する）。
【００３８】
図２は、異なる温度下及び７ＧＰａの圧力下で焼結された本開示の実施形態による窒化ホウ素粒子混合物から焼結された、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体のＸ線回折結果を示す。窒化ホウ素粒子混合物は、１２〜２２ミクロンの間の範囲の粒径を有するｃＢＮ粒子、０ミクロン超〜約２ミクロンの範囲の粒径を有するｃＢＮ粒子、及びｈＢＮ粒子の混合物を含んだ。図３は、Ｘ線回折測定から算出される、異なる温度における窒化ホウ素粒子混合物の焼結から得られる焼結されたバインダーレスｃＢＮ体の組成を示す。１９５０℃で焼結したとき、得られる焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、組成が約９８．５パーセントのｃＢＮ、１．２パーセントのｈＢＮ、及び０．３５パーセントの残存材料を有する。２０７５℃で焼結したとき、得られる焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、組成が約９９パーセントのｃＢＮ、０．４１パーセントのｈＢＮ、及び０．６３パーセントの残存材料を有する。２１７５℃で焼結したとき、得られる焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、組成が約９９．８パーセントのｃＢＮ、０．０２パーセントのｈＢＮ、及び０．２０パーセントの残存材料を有する。
【００３９】
図４及び５は、異なる温度下で、１２〜２２ミクロンの範囲の平均粒径を有するｃＢＮ粒子を有する単一カットの粗大なｃＢＮ粒子混合物、及び０超〜２ミクロンの範囲の平均粒径を有するｃＢＮ粒子を有する単一カットの微細なｃＢＮ粒子混合物から焼結された、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体のさらなる例について採取したＸ線回折測定を示す。１つ以上の実施形態によると、図４に示す結果は、１）０超〜２ミクロンの間の範囲の平均粒径を有する微細なｃＢＮ粒子を有する単一カットの微細なｃＢＮ粒子混合物（混合物Ａ）から焼結された、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体、及び２）１２〜２２ミクロンの間の範囲の平均粒径を有する粗大なｃＢＮ粒子を有する単一カットの粗大なｃＢＮ粒子混合物（混合物Ｂ）から焼結された、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体についてのＸ線回折パターンを含み、ここで、混合物Ａ及びＢは、それぞれ、２０７５℃で焼結されたものである。図５に示す結果は、それぞれ２３７０℃で焼結された混合物Ａ及びＢについてのＸ線回折パターンを含む。
【００４０】
図４及び５に示すように、２８〜２９付近の角度位置２θでのＸ線回折パターンにおけるピークは、ｈＢＮの存在を表す。したがって、図４及び５は、微細なカットｃＢＮ粒子がよく緻密化され、また、焼結されて、微量のｈＢＮを有する（またはｈＢＮ不含の）バインダーレスｃＢＮ体を形成し得る一方で、粗大なカットｃＢＮ粒子が緻密化され、また、焼結されてバインダーレスｃＢＮ体を形成するときには、ｈＢＮが存在することを示している。さらに、図４及び５に示すように、２０７５℃で混合物Ｂから焼結されたバインダーレスｃＢＮ体から得られる、２８〜２９付近の角度位置２θでのピークの強度は、２３７０℃で混合物Ｂから焼結されたバインダーレスｃＢＮ体から得られる、２８〜２９付近の角度位置２θでのピークの強度よりも大きく、これにより、２０７５℃で混合物Ｂから焼結された、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体におけるｈＢＮ相の濃度が、２３７０℃で混合物Ｂから焼結された、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体におけるｈＢＮ相の濃度を超え得ることを示している。
【００４１】
本開示の実施形態によると、本明細書に開示されている方法によって形成された焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、１．５パーセント未満の組成のｈＢＮ、１パーセント未満の組成のｈＢＮ、または０．５パーセント未満の組成のｈＢＮを有し得る。例えば、本開示の実施形態によると、約６．９ＧＰａ〜７．６ＧＰａの間の範囲（例えば、約７ＧＰａ、７．１ＧＰａ、または７．２ＧＰａ）の圧力ならびに約２０００℃及び２２００℃の温度による焼結条件下で、第１タイプのｃＢＮ粒子（例えば、１２〜２２ミクロンの間の粒径を有するｃＢＮ粒子）と、５０質量パーセント未満の窒化ホウ素充填剤材料（例えば、第１タイプのｃＢＮ粒子とは異なるサイズ及び／またはタイプの窒化ホウ素粒子）とを有する窒化ホウ素粒子混合物から焼結された、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、０〜０．５パーセント組成の間のｈＢＮ及び９９パーセント超の組成のｃＢＮを含む組成を有し得る。
【００４２】
本開示の方法によって形成された焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、実質的に全体にｃＢＮからなっていてよく、また、高密度及び高硬度の両方を有し得る。例えば、いくつかの実施形態において、本開示の方法によって形成された焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、複数の共に結合したｃＢＮ粒体を含み得、ｃＢＮが、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体のうち少なくとも９８パーセントの組成を形成し、少なくとも９９パーセントの密度及び３８ＧＰａ超のビッカーズ硬度を有している。いくつかの実施形態において、本開示の方法によって形成された焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、１パーセント未満の組成のｈＢＮを有し得る。
【００４３】
さらに、本開示の実施形態によって焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、７．７ＧＰａ以上の圧力で焼結されたバインダーレスｃＢＮ体と比較して、比較的より大きなサイズを有し得る。例えば、いくつかの実施形態において、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、少なくとも５ｍｍ、少なくとも１０ｍｍ、少なくとも２０ｍｍ以上の距離で延在する少なくとも一寸法（例えば、ｘ−ｙ−ｚ−座標系に沿ってｘ、ｙ、及び／またはｚ方向の寸法）を有し得る。いくつかの実施形態において、７．７ＧＰａ未満の圧力で（例えば、いくつかの実施形態において、約７ＧＰａの焼結圧力を使用して）焼結された、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、少なくとも３００ｍｍ3、少なくとも５００ｍｍ3、少なくとも７００ｍｍ3、または少なくとも１０００ｍｍ3の体積を有し得る。本明細書において議論されているように、本開示の実施形態による焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、７．７ＧＰａ未満の焼結圧力を使用して少なくとも９８パーセントの密度を有するように形成され得る。比較的より低い焼結圧力を使用することにより、９８パーセント以上の密度を有することに加えて、約７．７ＧＰａ以上の焼結圧力で焼結されたバインダーレスｃＢＮ体と比較したときに比較的より大きなサイズを有するように焼結されたバインダーレスｃＢＮ体を形成することをさらに可能にし得る。
【００４４】
本開示の実施形態によって焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、切削または機械加工工具に使用され得、最終用途による形状及びサイズを有するように焼結され得る。
【００４５】
図６は、本開示の実施形態による焼結されたバインダーレスｃＢＮ体が使用され得る工具の例を示す。工具は、摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）工具６００であり、これは、融点下温度において接合されている材料を塑性変形及び混合することによって、２つの金属材料６０２、６０４を機械的に接合し得る。ＦＳＷ工具６００は、スピンドル６３０、肩部６２０、及び肩部６２０から延在するピン６１０を含む。ピン６１０は、接合されている材料に侵入してこれを「撹拌」する。侵入の深さに応じて、肩部６２０もまた接合されている材料に接触してこれを「撹拌」し得る。
【００４６】
実施形態において、ＦＳＷ工具６００は、スピンドル６３０を駆動して、軸６４０の周囲でピン６１０を回転させる。ピン６１０が回転するにつれ、ピンが、例えば、材料６０２、６０４間の接合部または界面に沿って動かされて、接合されている材料６０２、６０４と接触し、または、材料６０２、６０４が重なっているときには、ピン６１０は、動かされて、重なっている材料の上層に接触し得、また、重なっている材料間の界面下で、ある深さまで押し込まれ得る。摩擦熱は、回転ピンと、接合されている材料６０２、６０４との間の接触領域で発生する。摩擦により発生した熱は、材料６０２、６０４を軟化させて可鍛にするのに十分に高いが、材料６０２、６０４の溶融温度よりは低い温度まで材料６０２、６０４を加熱する。材料６０２、６０４が摩擦熱から軟化するにつれ、回転ピン６１０は、ピン６１０の回転運動により、軟化した材料６０２、６０４を共に混合しながら、ある深さで材料６０２、６０４に押し込まれ得る。回転ピン６１０は、肩部６２０も材料６０２、６０４の表面に沿って接触して摩擦熱を発生するように、ある深さで材料６０２、６０４内に延在し得る。ＦＳＷ工具６００が材料６０２、６０４間の界面に沿って進むにつれ、混ぜられた材料６０２、６０４の溶接部が形成される。材料６０２、６０４を混合または撹拌してこれらを共に接合させた後、ピン６１０が除去されてよい（例えば、ピンは、ディンプリングを低減するように、徐々に除去されても、ピンの退去領域に沿って犠牲材料を使用して除去されてもよい）。
【００４７】
ピン６１０は、本開示の実施形態によって形成された焼結されたバインダーレスｃＢＮからなっていてよく、これは、摩擦撹拌操作の際に摩擦熱を発生させることから生じる温度増加の際に強度を維持しながらも、ピンに改善された耐摩耗性を付与し得る。
【００４８】
本開示の実施形態による焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、切削要素を形成するように使用されてもよい。例えば、図７に示すように、本開示の実施形態による焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、基板７１０、例えば炭化タングステンまたは他の金属炭化物基板に接着して、切削要素７００の切削層７２０を形成し得る。焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、焼結されたバインダーレスｃＢＮ体が焼結された後に基板７１０に接着し得る（例えば、溶接またはロウ付けされ得る）。
【００４９】
本開示の実施形態による焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、他の機械加工及び切削用途において使用されてよく、また、ワークピースに接触して切削または摩耗する切削要素または機械加工部品を形成するように使用されてよい。いくつかの機械加工及び／または切削用途において、本開示の実施形態による焼結されたバインダーレスｃＢＮ体は、機械加工または切削工具の耐摩耗性要素または表面を形成するように使用されてよく、ここで、耐摩耗性表面は、機械加工及び／または切削用途の際に工具のある一定の領域を摩耗から保護し得る。
【００５０】
本開示を限定された数の実施形態に関して説明したが、この開示の利益を有する当業者は、本明細書に記載されている開示の範囲から逸脱することなく他の実施形態が考案され得ることを認識するであろう。また、特に説明されている実施形態の態様は、開示の範囲から逸脱することなく他の実施形態と組み合わされ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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