(57)【要約】【課題】硬度、強度、耐熱性とともにすぐれた靱性を備える立方晶窒化ほう素基焼結体およびこの焼結体からなる切削工具を提供する。【解決手段】  立方晶窒化ほう素粒子と結合相からなる立方晶窒化ほう素基焼結体において、前記結合相は、Ｔｉ化合物粒子を内包したＡｌ２Ｏ３粒子が存在する結合相組織を有し、好ましくは、前記Ｔｉ化合物粒子を内包したＡｌ２Ｏ３粒子が、前記結合相の５〜５０体積％存在し、さらに好ましくは、前記Ｔｉ化合物粒子を内包したＡｌ２Ｏ３粒子において、Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されるＴｉ化合物粒子の含有量は、３体積％以上２５体積％以下であるすぐれた靱性を備えた立方晶窒化ほう素基焼結体であって、切削工具の切れ刃を前記立方晶窒化ほう素基焼結体で構成した場合には、チッピング、欠損等の異常損傷の発生を抑制することができる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶窒化ほう素粒子と結合相からなる立方晶窒化ほう素基焼結体において、前記結合相はＡｌ２Ｏ３粒子を含み、しかも、該Ａｌ２Ｏ３粒子のうちで、Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子が存在する結合相組織を有することを特徴とする立方晶窒化ほう素基焼結体。
【請求項２】
ｃＢＮ焼結体の結合相の全体積に対して、前記Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子の含有量が５体積％以上５０体積％以下であることを特徴とする請求項１に記載の立方晶窒化ほう素基焼結体。
【請求項３】
前記Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子に対する、Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されるＴｉ化合物粒子の含有量は、３体積％以上２５体積％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の立方晶窒化ほう素基焼結体。
【請求項４】
前記Ｔｉ化合物粒子は、ＴｉＮ粒子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の立方晶窒化ほう素基焼結体。
【請求項５】
切削工具の切れ刃が、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の立方晶窒化ほう素基焼結体から構成されていることを特徴とする立方晶窒化ほう素基焼結体製切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高硬度、高強度、耐熱性を備え、特に、すぐれた靱性を有する立方晶窒化ほう素（以下、「ｃＢＮ」ともいう）基焼結体（以下、「ｃＢＮ焼結体」ともいう）およびこのｃＢＮ焼結体からなる切削工具に関し、特に、ｃＢＮ焼結体の結合相の成分であるＡｌ２Ｏ３粒子がＴｉ化合物粒子を内包した組織を有することにより、硬度、強度、耐熱性を低下させることなく靭性を向上させたｃＢＮ焼結体および靱性の向上によってチッピング、欠損等の異常損傷の発生を抑制したｃＢＮ焼結体製切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
ｃＢＮ焼結体は、ダイヤモンドに次ぐ高硬度、熱伝導率を有し、さらに、鉄系材料との親和性が低いという点から、鋼、鋳鉄等の鉄系被削材の切削加工用の工具として、従来から広く利用されている。
そして、切削加工工具用材料としての性能の改善を図るという観点から、ｃＢＮ焼結体の強度、耐熱性、靭性、硬さ等をさらに向上させるべく、従来からいくつかの提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、鋼、鋳鉄等の鉄系被削材との親和性の低い工具材料として、硬質相ｃＢＮを２０〜８０体積％含有し、残部が、周期律表の４ａ、５ａ、６ａの炭化物、窒化物、ほう化物等のセラミックス化合物を結合相としたｃＢＮ焼結体からなる切削工具が提案されており、この切削工具は、結合相がＣｏ等の金属ではないために、高強度で、耐熱性、耐摩耗性に優れるとされている。
【０００４】
また、特許文献２には、ｃＢＮ焼結体の結合相中に、Ｚｒ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｇｅ，Ｗ，Ｃｏの単体および化合物の微量粒子を添加することで、ｃＢＮ焼結体中の結合相成分として含有されるＡｌ２Ｏ３粒子の粒径を制御し、これにより、ｃＢＮ焼結体の強度を低下させることなく耐熱性を向上させることが提案されている。
【０００５】
また、非特許文献１には、セラミックスのマトリックス粒内にナノサイズのセラミックス粒子を分散させた複合セラミックス粒子（ナノコンポジット）を形成することにより、セラミックスの弱点である靱性等を改善したナノ複合材料が提案されており、例えば、化学蒸着法により、Ｓｉ３Ｎ４マトリックス粒内に直径５ｎｍのＴｉＮ粒子を内包させたナノ複合材料が紹介されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５３−７７８１１号公報
【特許文献２】国際公開第２００８／０９３５７７号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「New Design Concept of structural Ceramics  −Ceramic Nanocomposites−Koichi NIIHARA」（日本セラミックス協会学術論文誌創立１００周年記念号）９９［１０］９７４−９８２（１９９１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記特許文献１に示されるｃＢＮ焼結体においては、結合相としてセラミックス化合物を用いているため、Ｃｏ等の金属を結合相として用いた場合に比べて、強度、耐熱性、耐摩耗性の向上が認められる。しかし、このｃＢＮ焼結体は、切れ刃に高負荷が作用する合金鋼等の断続切削加工用切削工具として用いた場合には、靱性が十分であるとはいえないため、チッピング、欠損等の異常損傷を発生し、短期間で寿命に至るという問題がある。
また、前記特許文献２で提案されているｃＢＮ焼結体においては、Ａｌ２Ｏ３粒子の粒径制御のために、Ｚｒ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｇｅ，Ｗ，Ｃｏの微量粒子の添加をしているが、これらの粒子の添加はＡｌ２Ｏ３粒子の耐熱性を損なうことはない。しかし、Ａｌ２Ｏ３粒子は結合相中の脆性成分であるため、依然として靭性の向上を図ることはできない。さらに、添加した微量粒子によって、結合相中に不純物が形成されることにより、ｃＢＮ焼結体の強度が低下するという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、本発明者等は、上記課題を解決し、ｃＢＮ焼結体の硬度、強度、耐熱性を低下させることなく靱性を向上させるべく鋭意研究を重ねたところ、次のような知見を得た。
【００１０】
従来のｃＢＮ焼結体は、通常、ｃＢＮ焼結体の硬質相成分であるｃＢＮ粉末を、例えば、結合相形成成分であるＴｉＮ粉末、ＴｉＡｌ３粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末等とともにボールミルで混合し、これを高圧高温条件下で焼結するという工程で作製されている。
【００１１】
本発明者等は、前記従来のｃＢＮ焼結体の作製工程を変更することにより、ｃＢＮ粒子と結合相からなるｃＢＮ焼結体において、Ｔｉ化合物粒子をその粒内に内包したＡｌ２Ｏ３粒子が結合相内に分散して存在する結合相組織を有するｃＢＮ焼結体を作製し得ることを見出した。
そして、このような結合相組織を有するｃＢＮ焼結体は、ほぼ同量のＡｌ２Ｏ３粒子（但し、Ａｌ２Ｏ３粒子に、Ｔｉ化合物粒子は内包されていない）を含有する従来のｃＢＮ焼結体に比して、硬度、強度、耐熱性にすぐれることに加え、すぐれた靱性を備えることを見出したのである。
【００１２】
本発明に係るｃＢＮ焼結体の作製工程と、従来の作製工程との大きな違いは、原料粉末の調整（詳細については後記する）にある。
例えば、図1に示すように、従来の一般的なｃＢＮ焼結体の作製工程としては、結合相形成用の原料粉末（例えば、Ｔｉ化合物粉末、金属Ａｌ粉末およびＡｌ２Ｏ３粉末等）をボールミルで混合し、乾燥した後真空焼結し、これをボールミルで粉砕して混合粉末（以下、この混合粉末を「混合粉末Ａ」という）を作製し、その後、前記混合粉末Ａと硬質成分であるｃＢＮ粒子を超硬製ポット中へ投入してボールミルで混合した後、高圧高温焼結することによってｃＢＮ焼結体を作製していた。
【００１３】
しかし、本発明では、上記従来の工程とは別に、Ｔｉ化合物粒子をその粒内に内包したＡｌ２Ｏ３粒子を含有する混合粉末（以下、この混合粉末を「混合粉末Ｂ」という）を作製する工程を新たに設け、上記従来の工程において、混合粉末ＡとｃＢＮ粒子を超硬製ポット中へ投入する段階で、前記で作製した混合粉末Ｂを超硬製ポット中へ同時に投入して、超音波法で混合し、その後、高圧高温焼結することによってｃＢＮ焼結体を作製する点が本発明の大きな特徴である。
図２に、本発明によるｃＢＮ焼結体の作製工程の概略説明図を示す。  
そして、このような作製工程によってｃＢＮ焼結体を作製することによって、前述したように、Ｔｉ化合物粒子をその粒内に内包したＡｌ２Ｏ３粒子が結合相内に分散して存在する結合相組織を有するｃＢＮ焼結体を作製することができ、そして、このような結合相組織を有するｃＢＮ焼結体は、硬度、強度、耐熱性とともに靱性にもすぐれるのである。
さらに、切削工具の切れ刃部を、硬度、強度、耐熱性及び靱性にすぐれる前記本発明のｃＢＮ焼結体で構成した場合には、高負荷が作用する合金鋼等の断続切削加工等において、チッピング、欠損等の異常損傷の発生を抑制することができ、その結果、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する切削工具を得ることができる。
【００１４】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）立方晶窒化ほう素粒子と結合相からなる立方晶窒化ほう素基焼結体において、前記結合相はＡｌ２Ｏ３粒子を含み、しかも、該Ａｌ２Ｏ３粒子のうちで、Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子が存在する結合相組織を有することを特徴とする立方晶窒化ほう素基焼結体。
（２）ｃＢＮ焼結体の結合相の全体積に対して、前記Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子の含有量が５体積％以上５０体積％以下であることを特徴とする（１）に記載の立方晶窒化ほう素基焼結体。
（３）前記Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子に対する、Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されるＴｉ化合物粒子の含有量は、３体積％以上２５体積％以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載の立方晶窒化ほう素基焼結体。
（４）前記Ｔｉ化合物粒子は、ＴｉＮ粒子であることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の立方晶窒化ほう素基焼結体。
（５）切削工具の切れ刃が、（１）乃至（４）のいずれかの立方晶窒化ほう素基焼結体から構成されていることを特徴とする立方晶窒化ほう素基焼結体製切削工具。」
を特徴とするものである。
【００１５】
本発明について、以下に説明する。
【００１６】
本発明のｃＢＮ焼結体では、ｃＢＮ粒子の平均粒径を特に規定するものではないが、ｃＢＮ粒子の平均粒径は、０．３〜１２μｍの範囲内とすることが好ましい。
これは、平均粒径が０．３μｍ〜１２μｍのｃＢＮ粒子が焼結体内に分散することにより、工具使用中に工具表面のｃＢＮ粒子が脱落して生じる刃先の凹凸形状を起点とするチッピングを抑制するだけでなく、工具使用中に刃先に加わる応力により生じるｃＢＮ粒子と結合相との界面から進展するクラック、あるいはｃＢＮ粒を貫通して進展するクラックの伝播を焼結体中に分散したｃＢＮ粒子により抑制することにより、耐欠損性を向上させることができるからである。
また、本発明で用いるｃＢＮ粒子の平均粒径は、０．５〜８μｍの範囲内であることがより好ましく、また、さらに好ましくは、０．５〜５μｍの範囲内である。
なお、ｃＢＮ粒子の平均粒径は、例えば、ｃＢＮ焼結体の断面組織について、ＳＥＭを用いてｃＢＮ焼結体組織を観察し、二次電子像を取得し、得られた画像内のｃＢＮ粒子の部分を画像処理にて抜き出し、画像解析より求めた各ｃＢＮ粒子の最大長を求め、それを各粒子の直径とし、複数個所においてｃＢＮ粒子の直径を測定し、これらの測定値を平均することによって、ｃＢＮ粒子の平均粒径とする。
【００１７】
本発明のｃＢＮ焼結体におけるｃＢＮ粒子の含有割合についても特に制限するものではないが、ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合が４０体積％未満となった場合には、ｃＢＮ粒子同士が接触して結合相と十分に反応できない未焼結な部分は少なくなるが、その反面、ｃＢＮ焼結体の硬さが低下し、耐摩耗性が劣化する。
一方、ｃＢＮ粒子の含有割合が９５体積％を超える場合には、切削加工用工具として使用した場合に、焼結体中にクラックの起点となる空隙が生成しやすくなり、耐欠損性が低下することから、ｃＢＮ焼結体におけるｃＢＮ粒子の含有量は４０〜８５体積％とすることが好ましい。
また、より好ましいｃＢＮ粒子の含有量は５０〜８０体積％であり。さらに好ましいのは５０〜７５体積％である。
なお、ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有量は、ｃＢＮ焼結体の断面組織をＳＥＭによって観察し、得られた二次電子像内のｃＢＮ粒子の部分を画像処理によって抜き出し、画像解析によってｃＢＮ粒子が占める面積を算出し、１画像内のｃＢＮ粒子が占める割合を求め、少なくとも３画像を処理し求めた値の平均値をｃＢＮ粒子の含有量として求める。なお、画像処理に用いる観察領域としては、例えば、ｃＢＮ粒子の平均粒径３μｍの場合、１５μｍ×１５μｍ程度の視野領域が望ましい。
【００１８】
本発明のｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ粒子と結合相から構成されるが、前記結合相には、Ａｌ２Ｏ３粒子が分散して存在しており、しかも、該Ａｌ２Ｏ３粒子として、Ａｌ２Ｏ３粒子の内部に例えばＴｉＮからなるＴｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子が存在する結合相組織が形成されている。
なお、本発明でいう「Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されたＴｉ化合物粒子」あるいは「Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子」とは、例えば、Ｔｉ化合物粒子がＴｉＮである場合には、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた断面観察（図３（ａ）参照）において、まず、Ａｌ、Ｏ、Ｔｉ、Ｎについての元素マッピングを行い、次いで、２値化処理を行い（図３（ｂ）〜（ｅ）参照）、ＡｌとＯとの重なった領域をＡｌ２Ｏ３であるとし（図４参照）、また、ＴｉとＮの重なった領域をＴｉ化合物（例えば、ＴｉＮ）であるとする（図４参照）。次いで、Ａｌ２Ｏ３の連続している領域をＡｌ２Ｏ３粒子であるとして、該Ａｌ２Ｏ３粒子の境界に接しておらず、かつ、Ａｌ２Ｏ３粒子の境界内に存在するＴｉ化合物を特定し、これを「Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されたＴｉ化合物粒子」であると定義し、また、該Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子を「Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子」と定義する（図４参照）。
【００１９】
Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子が、結合相中に分散して存在する結合相組織を有する本発明のｃＢＮ焼結体は、ほぼ同量のＡｌ２Ｏ３粒子（但し、Ａｌ２Ｏ３粒子は、Ｔｉ化合物粒子を内包していない）を含有するｃＢＮ焼結体に比して、すぐれた硬度、強度、耐熱性および靱性を備える。
これは、ｃＢＮ焼結体の結合相における脆弱成分といえるＡｌ２Ｏ３粒子中に、Ａｌ２Ｏ３よりも熱膨張率の大きいＴｉ化合物粒子を内包することによって、Ａｌ２Ｏ３粒子内でのクラック発生を抑制でき、その結果、Ａｌ２Ｏ３粒子の靱性が向上する。また、Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されるＴｉ化合物粒子は、Ａｌ２Ｏ３粒子に比して十分に小さいため、Ａｌ２Ｏ３粒子が本来有する耐熱性を損なうことはなく、ｃＢＮ焼結体の耐熱性の維持向上が図られる。
また、このようなＡｌ２Ｏ３粒子を結合相中に分散させることで、ｃＢＮ焼結体の主結合相であるＴｉ化合物の異常粒成長抑制効果を損なうことなく、靭性に優れたｃＢＮ焼結体を得ることができる。
さらに、Ａｌ２Ｏ３粒子にＴｉ化合物を内包させることで、Ａｌ２Ｏ３粒子内の結晶性等の均一化によって、Ａｌ２Ｏ３粒子の異常粒成長を抑制し、粒形状の制御を行うことができるとともに、粒内不均質に起因する粒子破壊による強度の低下を抑制することができる。
【００２０】
ｃＢＮ焼結体の結合相中に分散して存在するＴｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子の含有体積割合は、ｃＢＮ焼結体の特性（特に、靱性）に影響を与えるが、前記Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子の含有量が、結合相に対して５体積％以上５０体積％以下を占めるようになると、ｃＢＮ焼結体に高負荷（例えば、断続切削加工時の断続的かつ衝撃的な機械的な高負荷）が作用することによってｃＢＮ焼結体にクラックが発生したとしても、クラックの伝播・進展が抑制されるようになるため、破断発生が防止される。
したがって、ｃＢＮ焼結体の結合相に対する前記Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子の含有量は５体積％以上５０体積％以下とすることが好ましい。
【００２１】
また、Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されたＴｉ化合物粒子の含有量、即ち、（Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されたＴｉ化合物粒子の体積）×１００／（Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子の体積）は、３体積％以上４０体積％以下であることが好ましい。この含有量は、少なくとも１０個、好ましくは５０個以上のＴｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子から算出した平均値とする。
これは、Ａｌ２Ｏ３粒子がその内部に平均体積割合で３体積％以上４０体積％以下のＴｉ化合物粒子を内包することによって、Ａｌ２Ｏ３粒子自体の靱性が向上し、その結果として、ｃＢＮ焼結体の靱性も向上するからである。
ただ、Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されるＴｉ化合物粒子の平均体積割合が２５体積％を超えるようになると、内包されたＴｉ化合物粒子自体の内部をクラックが貫通して伝播してしまうこと、あるいは、内包されたＴｉ化合物粒子とＡｌ２Ｏ３との界面をクラックが伝播してしまうことがあるため、クラック伝播・進展を抑制する効果が低下してくる。
また、Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されるＴｉ化合物粒子の平均体積割合が１０体積％未満、特に、３体積％未満になると、Ａｌ２Ｏ３粒子自体の靱性向上効果が少なくなり、その結果、ｃＢＮ焼結体の靱性向上効果が低下傾向を示すようになる。
したがって、ｃＢＮ焼結体の結合相において、内部にＴｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子の体積に対するＡｌ２Ｏ３粒子に内包されるＴｉ化合物粒子の体積の平均体積割合は、３体積％以上４０体積％以下とすることが好ましいが、３体積％以上２５体積％以下とすることがより好ましく、１０体積％以上２５体積％以下とすることがさらに好ましい。
【００２２】
本発明に係るｃＢＮ焼結体の作製工程は、既述のように、従来のｃＢＮ焼結体の結合相形成用の原料粉末Ａの作製工程（以下、「工程Ａ」という）とは別に、Ｔｉ化合物粒子をその粒内に内包したＡｌ２Ｏ３粒子を含有する混合粉末Ｂを作製する工程（以下、「工程Ｂ」という）を新たに設けるとともに、混合粉末Ａと混合粉末ＢとｃＢＮ粒子とを超音波法によって混合する工程（以下、「工程Ｃ」という）を設けたところを特徴とするものである。
図２とともに、それぞれの工程をより具体的に説明すれば、以下のとおりである。
≪工程Ａ≫
図２の「従来工程（工程Ａ）」として示すように、ｃＢＮ焼結体の結合相形成成分であるＴｉ化合物粉末、金属Ａｌ粉末およびＡｌ２Ｏ３粉末をボールミルで湿式混合し、乾燥・成型した後、１Ｐａ以下の真空雰囲気中で８００−１２００℃の温度範囲（例えば、１０００℃）で所定時間（例えば、３０分）真空焼結する。
ボールミルによる湿式粉砕で所望の粒径（例えば、平均粒径０．３〜１μｍ）まで粉砕・乾燥させて、これを混合粉末Ａとする。
≪工程Ｂ≫
図２の「Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子を作製する工程（工程Ｂ）」として示すように、Ｔｉ化合物粉末（この粉末が、主として、最終的なｃＢＮ焼結体において、Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されるＴｉ化合物粒子を形成するための粉末であり、例えば、ＴｉＮ粉末）をボールミルで湿式粉砕する。
その後、金属Ａｌ粉末を追加投入し、前記Ｔｉ化合物粉末と金属Ａｌ粉末をボールミルで混合し、スラリー溶液を得る。
得られたスラリー溶液を取り出し、乾燥させてから成形し、１Ｐａ以下の真空雰囲気中で８００−１２００℃の温度範囲（例えば、１０００℃）で所定時間（例えば、３０分）真空焼結する。
この焼結体を、再びボールミルなどで粉砕したのち分級し、粒度分布における１０％径（「ｄ１０」とも呼ばれる）以下の粉末のみを採取し、これを混合粉末Ｂとする。
≪工程Ｃ≫
図２の「工程Ｃ」として示すように、工程Ａで作製した混合粉末Ａと、工程Ｂで作製した混合粉末Ｂと、ｃＢＮ焼結体の硬質相成分であるｃＢＮ粒子を、Ｔｉ化合物を内包したＡｌ２Ｏ３粒子を壊さないように超音波法で混合し（なお、従来のボールミル法では、Ｔｉ化合物を内包したＡｌ２Ｏ３粒子を破壊する）、乾燥させ、その後、例えば、３〜８ＧＰａの圧力、かつ、１０００〜１８００℃の温度範囲の焼結条件で所定時間高圧高温焼結することによって本発明の結合相組織を有するｃＢＮ焼結体を形成することができる。
ここで、超音波法による混合条件は、例えば、スラリー濃度７ｗｔ％で出力１８０Ｗにより３０秒ごとに１５秒のインターバルをおいて１５分間混合する。
【００２３】
なお、先行技術文献として挙げた前記非特許文献１においては、セラミックスのマトリックス粒内にナノサイズのセラミックス粒子を分散させた複合セラミックス粒子（ナノコンポジット）を、例えば、化学蒸着法で作製することにより、セラミックスの靱性を向上させる技術が提案されているが、このような複合セラミックス粒子（ナノコンポジット）自体を原料粉末として用い、従来の製造法（例えば、図１に示す作製工程からなる製造法）でｃＢＮ焼結体を作製した場合には、複合セラミックス粒子と結合相形成用粉末（例えば、ＴｉＮ粉末、ＴｉＡｌ３粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末等）とｃＢＮ粒子をボールミルで混合する際、複合セラミックス粒子が破壊されてしまうため、複合セラミックス粒子のマトリックス粒内にナノサイズのセラミックス粒子を内包した状態を保ったままのｃＢＮ焼結体を作製することは事実上困難であった。
そのため、前記非特許文献１に示される複合セラミックス粒子（ナノコンポジット）を用いたとしても、従来のｃＢＮ焼結体の製造法では、ｃＢＮ焼結体の靱性を向上させることはできなかった。
【００２４】
しかし、本発明では、図２に示す工程Ｂにおいて、Ｔｉ化合物粒子を粒内に内包したＡｌ２Ｏ３粒子からなる複合セラミックス粒子を、混合粉末Ｂとして別工程で作製し、工程Ｃにおいて、（工程Ａで作製した）混合粉末Ａと前記混合粉末ＢとｃＢＮ粒子を超音波法で混合した後、高圧高温焼結することによって、結合相内にＡｌ２Ｏ３粒子が存在し、しかも、該Ａｌ２Ｏ３粒子として、Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子が少なくとも分散して存在する結合相組織を備えたｃＢＮ焼結体を作製することができる。
そして、このような結合相組織を備えたｃＢＮ焼結体は、硬度、強度、耐熱性にすぐれるとともに、すぐれた靱性を有する。
【００２５】
したがって、切削工具の切れ刃を、硬度、強度、耐熱性及び靱性にすぐれる前記本発明のｃＢＮ焼結体で構成した場合には、高負荷が作用する合金鋼等の断続切削加工等においても、チッピング、欠損等の異常損傷の発生を抑制することができ、その結果、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する切削工具を提供することができる。
本発明のｃＢＮ焼結体を切削工具材料として用いる場合には、例えば、ｃＢＮ焼結体をＷＣ基超硬合金製インサート本体のろう付け部（コーナー部）にろう付けし、必要に応じ、研磨加工、ホーニング加工を施すことにより、ｃＢＮ焼結体を切れ刃とする所望のインサート形状をもった切削工具を作製することができる。
【００２６】
本発明のｃＢＮ焼結体の結合相に分散して存在するＡｌ２Ｏ３粒子に、Ｔｉ化合物粒子が内包されているか否か、また、Ｔｉ化合物粒子を内包しているＡｌ２Ｏ３粒子の体積が、結合相の全体積に占める体積割合、さらに、Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されているＴｉ化合物粒子の平均体積割合は、次のようにして求めることができる。
ｃＢＮ焼結体の断面を試料厚みが１００ｎｍ以下になるように研磨し、ｃＢＮ焼結体の結合相領域をＴＥＭにより観察する。ここで試料厚みを１００ｎｍ以下にするのはＴＥＭ観察時に粒子が重なっていると内包された粒子か重なっただけの粒子か判断できなくなるからである。
観察倍率は、観察視野の対角線長が、求めたＡｌ２Ｏ３粒子の平均粒径の１０倍になるように調整し（観察倍率１）、Ｔｉ化合物粒子を内包しているＡｌ２Ｏ３粒子の結合相に対する含有量を測定する。Ａｌ２Ｏ３粒子の平均粒径を求めるにあたり、Ａｌ２Ｏ３粒子が少なくとも１０個観察できる視野よりＡｌ２Ｏ３粒子の粒径を算出し、その平均値とする。観察倍率１の観察倍率ではＡｌ２Ｏ３粒子にＴｉ化合物粒子が内包されているか正確に特定できないため、観察倍率をＡｌ２Ｏ３粒子の外接円の直径が観察視野の対角線長の１／４倍以上になるように調整した視野（観察倍率２）において、Ａｌ２Ｏ３粒子にＴｉ化合物粒子が内包されているかの特定と内包された粒子の含有量の測定を行う。
ＴＥＭ観察（図３（ａ）参照）ではＴｉ，Ａｌ，Ｏ，Ｎの元素マッピングを行い、２値化処理して得られたマッピング像（図３（ｂ）〜（ｅ）参照）のＴｉとＮ、ＡｌとＯを重ね合わせて重なった部分をそれぞれＴｉＮとＡｌ２Ｏ３とする（図４参照）。Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されたＴｉ化合物粒子においては、観察倍率２の重ね合わせた像から、Ａｌ２Ｏ３の連続している領域をＡｌ２Ｏ３粒子であるとして、該Ａｌ２Ｏ３粒子の境界に接しておらず、かつ、Ａｌ２Ｏ３粒子の境界内に存在するＴｉ化合物粒子を特定し、これを、Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されたＴｉ化合物粒子であると特定する。また、２値化処理した像から前記ｃＢＮ粒子の体積を求めた測定方法と同様な測定方法で、Ａｌ２Ｏ３粒子とＴｉ化合物の含有量を測定し、観察倍率１の視野内のＡｌ２Ｏ３粒子に内包されているＴｉ化合物粒子の含有量を算出する。Ｔｉ化合物粒子を内包しているＡｌ２Ｏ３粒子の結合相に対する含有量は、観察倍率１を用いて、前記２値化処理した像からＴｉ化合物粒子を内包しているＡｌ２Ｏ３粒子のみを抽出し、前記ｃＢＮ粒子の体積を求めた測定方法と同様な測定方法で、含有量を算出する。
２値化処理には画像処理ソフト『ｉｍａｇｅＪ』を用いて、元素がある領域を黒として２値化処理を行った。また２値化処理した画像の重ね合わせ画像は、例えば、ＴｉとＮの画像を重ねる場合、Ｎの画像の白と黒の領域を反転させ、Ｔｉの画像からＮの画像を引くことで得られる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のｃＢＮ焼結体は、結合相にＡｌ２Ｏ３粒子を含み、しかも、該Ａｌ２Ｏ３粒子のうちで、Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子が存在する結合相組織を有し、好ましくは、ｃＢＮ焼結体の結合相の全体積に対して、前記Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子の含有量が５体積％以上５０体積％以下であり、また、Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子に対するＡｌ２Ｏ３粒子に内包されるＴｉ化合物粒子の含有量は、好ましくは、３体積％以上２５体積％以下であることから、硬度、強度、耐熱性とともに靱性にもすぐれる。
したがって、切削工具の切れ刃部を、本発明のｃＢＮ焼結体で構成した場合には、高負荷が作用する合金鋼等の断続切削加工等において、チッピング、欠損等の異常損傷の発生を抑制することができ、その結果、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来法によるｃＢＮ焼結体の作製工程の一例を示す。
【図２】本発明によるｃＢＮ焼結体の作製工程の一例を示す。
【図３】（ａ）は、本発明ｃＢＮ焼結体のＴＥＭ像（観察倍率２）の一例を示し、（ｂ）〜（ｅ）は、それぞれ、Ａｌ、Ｎ、Ｏ、Ｔｉについての２値化処理後のマッピング像を示す。
【図４】図３（ｂ）〜（ｅ）の２値化処理後のマッピング像の重ね合わせによって求めた「Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子」と「Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されたＴｉ化合物粒子」を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明のｃＢＮ焼結体を実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００３０】
以下に示す工程Ａ〜Ｃによって、本発明のｃＢＮ焼結体を作製した。
≪工程Ａ≫
ｃＢＮ焼結体の結合相の原料粉末として、５〜５０μｍの範囲内の平均粒径を有するＴｉＮ粉末、金属Ａｌ粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末を用意し、これらの原料粉末をボールミル中で湿式混合し、乾燥した後、成形体を作製した。
この成形体を、１Ｐａ以下の真空中で、１０００℃で３０分間保持して真空焼結した。
ついで、この焼結体を、ボールミル中で湿式粉砕し、乾燥することにより、平均粒径
０．３〜０．９μｍの混合粉末Ａを作製した（図２の「工程Ａ」参照）。
なお、上記工程Ａおよび後記する工程Ｂにおけるボールミルでの混合あるいは粉砕は、超硬合金製ポットに、超硬合金製ボールと有機溶剤とともに被処理物を封入して混合あるいは粉砕を行った。
≪工程Ｂ≫
上記工程Ａとは別工程の工程Ｂで、次のとおり、原料粉末Ｂを作製した。
Ｔｉ化合物粉末としてＴｉＮ粉末および金属Ａｌ粉末を用意し、まず、Ｔｉ化合物粉末を、ボールミル中で湿式粉砕した。
ついで、ボールミル内へ金属Ａｌ粉末を投入し、Ｔｉ化合物粉末と金属Ａｌ粉末を湿式混合し、スラリー溶液を採取し、これを乾燥した後、成形体を作製した。
ついで、この成形体を１Ｐａ以下の真空中で、１０００℃で３０分間保持する真空焼結を行った。
ついで、この焼結体を、ボールミル中で湿式粉砕し、乾燥することにより、混合粉末を作製し、ついで、遠心分離を行い、粒径が１０％径以下の粉末を採取し、これを混合粉末Ｂとした（図２の「工程Ｂ」参照）。
≪工程Ｃ≫
工程Ａで作製した前記混合粉末Ａと、工程Ｂで作製した前記混合粉末Ｂと、平均粒径３μｍのｃＢＮ粒子を、ｃＢＮ含有量が５０ｖｏｌ％になるように配合し、例えば、スラリー濃度７ｗｔ％で出力１８０Ｗにより３０秒ごとに１５秒のインターバルをおいて１５分間混合するという条件の超音波法で混合し、乾燥させ、その後、３〜６ＧＰａの圧力、かつ、１０００〜１６００℃の温度範囲の焼結条件の１条件である６ＧＰａかつ１５００℃で高圧高温焼結することによって、表１に示す本発明のｃＢＮ焼結体１〜５（「実施例１〜５」という）を作製した（図２の「工程Ｃ」参照）。
【００３１】
比較のために、以下の従来工程（図１の「工程Ａ」参照）により、比較例のｃＢＮ焼結体１〜３（「比較例１〜３」という）を作製した。
まず、ｃＢＮ焼結体の結合相の原料粉末として、５〜５０μｍの範囲内の平均粒径を有するＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、金属Ａｌ粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末を用意し、これらの原料粉末をボールミル中で湿式混合し、乾燥した後、成形体を作製した。
この成形体を、１Ｐａ以下の真空中で、１０００℃で３０分間保持して真空焼結した。
ついで、この焼結体を、ボールミル中で湿式粉砕し、乾燥することにより、平均粒径０．３〜０．９μｍの混合粉末（便宜上、この粉末を「混合粉末Ａ」とよぶ）を作製した。
この混合粉末Ａと平均粒径３μｍのｃＢＮ粒子を、ｃＢＮ含有量が５０ｖｏｌ％になるようにボールミルで混合し、乾燥させ、その後、３〜６ＧＰａの圧力、かつ、１０００〜１６００℃の温度範囲の焼結条件で高圧高温焼結することによって、表１に示す比較例１〜３を作製した。
即ち、比較例１〜３の作製法は、本発明焼結体１〜５の作製法における前記工程Ｂを設けていない点、ｃＢＮ粒子との混合を超音波法ではなくボールミルで行っている点で異なっている。
【００３２】
上記で作製した実施例１〜５および比較例１〜３においては、結合相の切削性能への影響を評価しやすくするために、ｃＢＮ粒子の平均粒径を３μｍの一定とし、また、ｃＢＮ粒子の含有割合は５０体積％と少なめにして、結合相の含有割合を高めている。
しかし、ｃＢＮ粒子の平均粒径および含有割合については、上記に限定されるものではなく、各種の値をとることができる。
なお、ｃＢＮ焼結体におけるｃＢＮ粒子の平均粒径(μｍ)、ｃＢＮ粒子の含有割合（ｖｏｌ％）は、次のようにして算出することができる。
ｃＢＮ粒子の平均粒径については、ｃＢＮ焼結体の断面組織を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察して、二次電子像を得る。得られた画像内のｃＢＮ粒子の部分を画像処理にて抜き出し、画像解析より求めた各粒子の最大長を求め、それを各粒子の直径とし各粒子が理想球であると仮定しての体積を計算する。
少なくとも３画像から求めたｃＢＮ粒子の直径の平均値をｃＢＮの平均粒径（μｍ）として、ｃＢＮ粒子の体積％を算出する。なお、画像処理に用いる観察領域は、１５μｍ×１５μｍが好適である。
また、実施例では焼結条件を６ＧＰａ１５００℃と一定にしているが、焼結条件によって切削性能の優劣は変化しない。
【００３３】
また、結合相におけるＴｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子の特定、ｃＢＮ焼結体の結合相に対するＴｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子の含有量の測定、Ｔｉ化合物粒子を内包するＡｌ２Ｏ３粒子に対する、Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されるＴｉ化合物粒子の含有量の測定、また、ｃＢＮ焼結体の結合相中に含有されるＡｌ２Ｏ３粒子（Ｔｉ化合物粒子を内包するものと内包しないものとを含む）の含有量の測定は、次のように行った。
ｃＢＮ焼結体の断面を試料厚みが１００ｎｍ以下になるように研磨し、ｃＢＮ焼結体の結合相領域をＴＥＭにより観察した。ここで試料厚みを１００ｎｍ以下にしたのはＴＥＭ観察時に粒子が重なっていると内包した粒子か重なっただけの粒子か判断できなくなるからである。
観察倍率は、観察視野の対角線長が、求めたＡｌ２Ｏ３粒子の平均粒径の１０倍になるように調整し（観察倍率１）、Ｔｉ化合物粒子を内包しているＡｌ２Ｏ３粒子の結合相に対する含有量を測定する。ただし、この観察倍率１の観察倍率ではＡｌ２Ｏ３粒子にＴｉ化合物粒子が内包されているか正確に特定できないため、観察倍率をＡｌ２Ｏ３粒子の外接円の直径が観察視野の対角線長の１／４倍以上になるように調整した視野（観察倍率２）において、Ａｌ２Ｏ３粒子にＴｉ化合物粒子が内包されているかの特定と内包された粒子の含有量の測定を行う。
ＴＥＭ観察ではＴｉ，Ａｌ，Ｏ，Ｎの元素マッピングを行い、２値化処理して得られたマッピング像のＴｉとＮ、ＡｌとＯを重ね合わせて重なった部分をそれぞれＴｉＮとＡｌ２Ｏ３とする。Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されたＴｉ化合物粒子においては、観察倍率２の重ね合わせた像から、Ａｌ２Ｏ３の連続している領域をＡｌ２Ｏ３粒子であるとして、該Ａｌ２Ｏ３粒子の境界に接しておらず、かつ、Ａｌ２Ｏ３粒子の境界内に存在するＴｉ化合物粒子を特定し、これを、Ａｌ２Ｏ３粒子に内包されたＴｉ化合物粒子であると特定する。また、２値化処理した像から前記ｃＢＮ粒子の体積を求めた測定方法と同様な測定方法で、Ａｌ２Ｏ３粒子とＴｉ化合物の含有量を測定し、観察倍率１の視野内のＡｌ２Ｏ３粒子に内包されているＴｉ化合物粒子の含有量を算出する。Ｔｉ化合物粒子を内包しているＡｌ２Ｏ３粒子の結合相に対する含有量は、観察倍率１を用いて、前記２値化処理した像からＴｉ化合物粒子を内包しているＡｌ２Ｏ３粒子のみを抽出し、前記ｃＢＮ粒子の体積を求めた測定方法と同様な測定方法で、含有量を算出する。
表１に、これらの値を示す。
【００３４】
ついで、前記実施例１〜５および比較例１〜３の焼結体上下面をダイヤモンド砥石を用いて研磨し、ワイヤー放電加工装置にて分割し、さらに、Ｃｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８の形状をもったＷＣ基超硬合金製インサート本体のろう付け部（コーナー部）に、質量％で、Ｃｕ：２６％、Ｔｉ：５％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ合金のろう材を用いてろう付けし、さらに上下面および外周研磨、ホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもった本発明のｃＢＮ焼結体切削工具１〜５および比較例のｃＢＮ焼結体切削工具１〜３をそれぞれ作製した。
【００３５】
つぎに、前記各種の切削工具を、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、各工具について、以下に示す切削条件で湿式断続切削加工試験を実施し、ｃＢＮ焼結体の靱性の良否を評価した。
切削条件：
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０の（ＨＲＣ５８−６２）丸棒（ただし、被削材の軸方向に等間隔で２本のスリットあり）
切削速度：  ２００  ｍ／ｍｉｎ．、
送り量：０．０５ｒｅｖ／ｍｍ、
切込量：０．１０ｍｍ
条件：湿式
上記の湿式断続切削加工試験において、切削工具の切れ刃がチッピングあるいは欠損に至るまでの断続回数（衝撃回数）を工具寿命とし、最大の断続回数（衝撃回数）は５５００回までの切削加工試験を実施した。
なお、断続回数（衝撃回数）１００回毎に刃先を観察し、刃先のチッピング発生の有無、欠損発生の有無を観察した。
本発明のｃＢＮ焼結体切削工具１〜５および比較例のｃＢＮ焼結体切削工具１〜３の切削試験結果を、表１の実施例１〜５および比較例１〜３の欄に、それぞれ示す。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
表１に示されるように、本発明のｃＢＮ焼結体切削工具１〜５はいずれも、切れ刃を構成するｃＢＮ焼結体の靱性に優れるため、チッピング、欠損等の異常損傷を発生することなく、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する。
また、実施例１、５と比較例１との比較、実施例２、３と比較例２との比較、さらに、実施例４と比較例３との比較からも明らかなように、焼結体中のＡｌ２Ｏ３粒子の含有量が同程度であっても、本発明では、Ａｌ２Ｏ３粒子にＴｉ化合物粒子が内包されていることによって、切削性能が格段に向上していることがわかる。
【００３８】
これに対して、比較例のｃＢＮ焼結体切削工具１〜３においては、切れ刃を構成するｃＢＮ焼結体の結合相中に存在するＡｌ２Ｏ３粒子にＴｉ化合物粒子が内包されていないため、ｃＢＮ焼結体の靱性が十分でなく、その結果、チッピング、欠損等の異常損傷の発生により、短期間で寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
上述のように、この発明のｃＢＮ焼結体は、硬度、強度、耐熱性とともに靱性にもすぐれる。したがって、例えば、切れ刃に高負荷が作用するｃＢＮ製切削加工用工具として用いた場合に、チッピング、欠損等の耐異常損傷性にすぐれ、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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