(57)【要約】      （修正有）【課題】粉末金属鉄などの化学反応性の高い材料の機械加工に適した微粒子立方晶窒化ホウ素焼結成形体の提供。【解決手段】成形体は少なくとも８０ｖｏｌ％のｃＢＮを含み、ＨＰＨＴ条件下で焼結される。最終的に焼結された材料中の未反応コバルトのレベルは従来の材料よりも低く、焼結金属合金などの鉄を含む金属合金の機械加工で有益である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
体積で８０％から９５％の間の体積のｃＢＮ粒子と、
アルミニウム源と、
コバルト源と、
それぞれ微量のＷ、ＣｏＷ、ＷＢ、ＣｏＢと、
Ｃｏ、Ｗ、Ａｌ、並びに、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｖ及びＭｎのうちの少なくとも１つを含む、金属結合剤と、
超硬合金背面と
を含み、圧力が少なくとも５ＧＰａで、温度が少なくとも１２００°ＣであるＨＰＨＴ条件で焼結された、微粒子焼結成形体。
【請求項２】
ＣｏＢは、材料の３ｖｏｌ％から１５ｖｏｌ％の間である、請求項１に記載の成形体。
【請求項３】
Ｗ又はＢと反応していないＣｏは、材料の１〜３ｖｏｌ％である、請求項１に記載の成形体。
【請求項４】
前記結合剤はＣｏＢ、Ｃｏ、及びＷＢを含み、ＣｏＢは３〜１５ｖｏｌ％、非合金コバルトは１〜３ｖｏｌ％、ＷＢは０．１〜１０ｖｏｌ％、ＣｏＢ／Ｃｏは３〜１５、並びにＣｏＢ／ＷＢは０．５〜１５である、請求項１に記載の成形体。
【請求項５】
前記結合剤の粒子サイズは、Ｄ５０で示した値で０．３〜０．７ミクロンである、請求項１に記載の成形体。
【請求項６】
前記ｃＢＮの含有量は８５ｖｏｌ％から９５ｖｏｌ％の間のｃＢＮである、請求項１に記載の成形体。
【請求項７】
超硬合金背面は超硬ＷＣである、請求項１に記載の成形体。
【請求項８】
前記ＨＰＨＴ圧力は少なくとも５．５ＧＰａである、請求項１に記載の成形体。
【請求項９】
前記ＨＰＨＴ圧力は少なくとも６ＧＰａである、請求項１に記載の成形体。
【請求項１０】
前記アルミニウム源は元素アルミニウム又はアルミニウム金属間化合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の成形体。
【請求項１１】
前記アルミニウム源は元素アルミニウム、ＮｉＡｌ３、又はＴｉＡｌ３からなる、請求項１０に記載の成形体。
【請求項１２】
前記コバルト源は超硬合金背面を含む、請求項１に記載の成形体。
【請求項１３】
前記コバルト源は超硬ＷＣ背面を含む、請求項１２に記載の成形体。
【請求項１４】
前記ｃＢＮ粒子は５ミクロン未満のＤ５０を有する、請求項１に記載の成形体。
【請求項１５】
前記成形体は切削ツールの構成要素として使用される、請求項１に記載の成形体。
【請求項１６】
前記ｃＢＮ粒子は２ミクロン未満のＤ５０を有する、請求項１に記載の成形体。
【請求項１７】
体積で８０％から９５％の間の体積のｃＢＮと、
アルミニウム源と、
コバルト源と、
それぞれ微量のＷ、ＣｏＷ、ＷＢ、ＣｏＢと、
Ｃｏ、Ｗ、Ａｌ、並びに、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｖ及びＭｎのうちの少なくとも１つを含む、金属結合剤と、
超硬合金背面と
を含む、微粒子焼結成形体。
【請求項１８】
前記成形体は約５ＧＰａで焼結される、請求項１７に記載の成形体。
【請求項１９】
前記成形体は少なくとも１２００°Ｃの温度で焼結される、請求項１７に記載の成形体。
【請求項２０】
体積で８０％から９５％の間の体積のｃＢＮと、
アルミニウム源と、
コバルト源と、
それぞれ微量のＷ、ＣｏＷ、ＷＢ、ＣｏＢと、
金属結合剤と、
超硬合金背面と
を含む微粒子焼結成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の概要】
【０００１】
多結晶質立方晶窒化ホウ素（ＰｃＢＮ）成形体（ｃｏｍｐａｃｔ）は、体積百分率で約８０％から約９５％のｃＢＮ及び金属結合剤系からなる。ＰｃＢＮ成形体は、鉄及び同様な化学反応部品、例えば焼結金属粉末合金などの機械加工で特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０００２】
【図１】本発明の望ましい実施形態の電子顕微鏡画像である。
【図２】個々の物質を表わす特定の色を有する、本発明の実施形態の元素マップである。
【図３】従来の材料Ａの元素マップの電子顕微鏡画像である。
【図４】従来の材料Ｂの元素マップの電子顕微鏡画像である。
【図５】図１、図３及び図４の元素マップ分析の概要を表わすチャートである。
【図６】ツール寿命対ＣｏＢ／Ｃｏ比率の概要を表わすグラフである。
【背景技術】
【０００３】
高圧／高温（ＨＰ／ＨＴ）プロセスによるｃＢＮの製造は当該技術分野では周知で、米国特許第２，９４７，６１７号にも記載されている。触媒なしで熱分解六方晶窒化ホウ素を利用して、焼結多結晶ｃＢＮ成形体を作成するプロセスは、米国特許第４，１８８８，１９４号に記載されている。このような直接変換プロセスに関する改良が米国特許第４，２８９，５０３号に記載されており、酸化ホウ素は変換プロセスの前にＨＢＮ粉末の表面から除去される。
【０００４】
カッター技術で使用される成形体は、自己接着性によって、接着媒体によって、或いはこれらの組み合わせによって、一体に接着された大量の研磨粒子を含む。複合成形体は、超硬金属炭化物などの基板材料に接着された成形体である。米国特許第３，９１８，２１９号は、複合ｃＢＮ成形体を形成するため、六方晶窒化ホウ素（ＨＢＮ）を炭化物塊に接触させてｃＢＮに変える触媒変換について記載している。成形体又は複合成形体は、切削ツール、ドリルビット、ドレッシングツール及び摩耗部品用の半加工品で使用されうる。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
新しいｃＢＮ成形体は成形ツールで特に有用で、ワークピースの機械加工で使用される。本発明の一実施形態では、本発明のｃＢＮ成形体の用途は化学反応性の高い材料の機械加工にある。
【０００６】
「化学反応性の高い材料」という表現は、ツール材料と化学的に反応する材料、例えば、温度が上昇するとダイヤモンドツールと反応する鉄分を含むワークピースを意味する。本発明の焼結ｃＢＮ成形体は、固めるか圧縮されてワークピース又は部品を形成する粉末金属から作られた粉末金属部品の機械加工に使用されうる。
【０００７】
本発明の焼結ｃＢＮ成形体は、粉末金属鉄などの化学反応性の高い材料の機械加工で、優れた性能を実証している。本発明のｃＢＮ焼結成形体は、自動車産業では現在一般的な、金属粉末の圧密によって製造される粉末金属部品、例えば、ギア、バルブシートなどの機械加工に優れている。本発明のｃＢＮ焼結成形体の数値比較はツールの耐用年数で、ツールが破断するまでに、或いは機械加工された金属の仕上がり表面が許容できなくなるまでに、完了しうる機械加工の量によって決定される。本発明のｃＢＮ焼結成形体は一実施形態で試験され、３：１の比率以上で従来の成形体よりも優れた性能を示すことが明らかになった。
【０００８】
本発明の焼結ｃＢＮ成形体の製造では、原材料粉末は所望の粒子サイズに粉砕され、例えば、超音波混合、ボールミル混合、アトリッションミル混合などを含む様々な技術によって混合される。
【０００９】
粉砕は、例えば、限定するものではないが、アルコール、アセトンなどの容易に除去可能で、且つ粉砕される金属粉末の望ましくない酸化を促進しない溶媒がある状態で実行される。このような粉砕は通常、望ましくない程度の粉末の酸化を引き起こすことはない。粉砕温度は周囲温度で、粉砕時間は最大で数時間に及ぶことがある。ボールミル装置のサイズを調節することで、１００ｇから２ｋｇ以上までの範囲の混合物を作ることができる。
【００１０】
溶媒を取り除くため、混合物は溶媒（イソプロピルアルコール、アセトンなど）の引火点未満の温度で乾燥される。粉末はその後の処理を補助するため、粒状にされる。混合材料の組成は、構成要素の相対含有量が所望の範囲にとどまるように、調整可能である。
【００１１】
粉末は、上述の当該技術分野で周知のように、従来のＨＰＨＴ技術及び装置を用いた焼結をうけてもよい。粉末は耐熱金属カップ（例えば、Ｔａ又はＮｂ）に充填される。カップのサイズは最終の焼結成形体のサイズを限定する。背面基板材料（粉末又は成形体）は、当該技術で周知のように、焼結ｃＢＮ成形体にその場で接着するためカップに充填することができる。適切な基板は、例えば、耐熱金属（例えば、Ｗ）炭化物を含む。基板のエッジ周囲でのカップ材料の圧着は、カップを密閉する。
【００１２】
この密閉カップアセンブリは次に、圧力伝達及び圧力密閉材料からなる高圧セルに充填され、粉末混合物を焼結して基板にろう付けするため、高圧（例えば、４．５〜６．５ＧＰａ）及び高温（約１２００°Ｃ）に３０〜４０分間さらされる。焼結された半加工品はセルから取り外され、カップ材料を取り除き、所望の寸法にするため、機械加工される。仕上げられた半加工品は放電加工（ＥＤＭ）によって、或いはレーザーによって、粉末金属鉄及び他の焼結材料の機械加工に使用される切削ツールの製造に適した形状及びサイズに切断される。上述の焼結半加工品のサイズ及び形状は、コンポーネントの寸法を変えることによって変化し、主として焼結プロセスの促進に使用される高圧／高温（ＨＰＨＴ）機器によって寸法が制限される。
【００１３】
焼結されたｃＢＮ成形体製品は、約８０ｖｏｌ％から９５ｖｏｌ％に及ぶ、平均サイズが約１〜２ミクロン（μｍ）のｃＢＮ粒子、並びに、ｃＢＮ粒子間に一様に分散された結合剤相からなる残材を含む。ＨＰＨＴプロセスでは、粉砕及び混合ステップ中に粉末に添加されたアルミニウム含有化合物は、立方晶窒化ホウ素との反応を開始し、焼結を開始する。超硬合金基板のコバルトもＨＰＨＴ中に液化し、粉末床に浸透して空隙を解消し、更に焼結を支援する。ＨＰＨＴ後、結合剤は化学量論的炭化物、窒化物、又はホウ化物を含む。
【００１４】
本願の一実施形態では、結合剤相は、Ｘ線回折技術によって特定されうる幾つかの相、例えば、窒化アルミニウム、コバルト、タングステンカーバイド、並びにタングステン、ホウ素及び／又はコバルトの化合物を含む。これらの相は、混合された粉末コンポーネントの反応によって、焼結プロセス中に形成される。粉末剤形とＨＰＨＴ条件を注意深く選択することによって、従来の材料よりも最終の材料で未反応のコバルトは少なくなる。本発明の材料は、従来の材料に対して、測定可能な性能の利点を有することが示された。
【００１５】
焼結されたｃＢＮ成形体は次に、粉末金属鉄などの化学反応性の高い材料の機械加工用のツールに形成することができる。このようなツールの形成及び使用される機械加工条件は、当該技術分野では周知で、商業的に盛んに用いられている。
【００１６】
図１は、約９０ｖｏｌ％のｃＢＮを有する微粒子のｃＢＮ高含有材料を示しており、これ以降では本発明の材料と称される。本発明の好ましい実施形態は以下を含みうる。
３．６０７ｖｏｌ％の黒１１０は、未割当の色である。
７．００１ｖｏｌ％の黄１２０は、未検出のＣｏＢ、Ｗを示す。
７０．８１４ｖｏｌ％の緑１３０は、未検出のＢ、Ｃｏ及びＷを示す。
１．１４２ｖｏｌ％の赤１４０は、未検出のＣｏ、Ｂ及びＷを示す。
３．２３ｖｏｌ％の青１５０は、未検出のＷ、Ｃｏ及びＢを示す。
９．７２ｖｏｌ％のシアン１６０は、未検出のＷＢ、Ｃｏを示す。
２．２８１ｖｏｌ％のマゼンタ１７０は、未検出のＣｏＷ、Ｂを示す。
２．９７３ｖｏｌ％の白１８０は、ＣｏＷＢを示す。
【００１７】
図２は、好ましい実施形態で含まれる物質２００の元素マップを示している。色又は色の組み合わせは、関連する物質に対応している。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、注目している３種の元素が選択され、カラーチャネルに割り当てられるよう、ｃＢＮ材料のエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）マップを生成するために使用された。コバルトは赤２４０に割り当てられ、Ｗは青２５０に割り当てられ、ホウ素は緑２３０に割り当てられている。３つのカラーチャネルは、特定の元素又は元素の組み合わせを示す各色による複合画像を作り出すためにマージされる。この事例では、色は、以下を含む元素、混合物及び化合物を示す。
黄２２０はホウ化コバルトを示す。
緑２３０はホウ素のみを示す。
赤２４０はコバルトのみを示す。
青２５０はタングステンを示す。
シアン２６０はホウ化タングステンを示す。
マゼンタ２７０はコバルトタングステンを示す。
白２８０はコバルトホウ化タングステンを示す。
【００１８】
図３は、本発明の材料とは異なる従来のグレードの材料Ａを示し、以下を含む。
４．４６２ｖｏｌ％の黒３１０は未割当である。
７．４９ｖｏｌ％の黄３２０はＣｏＢを示す。
７１．９３４ｖｏｌ％の緑３３０はＢを示す。
６．０７６ｖｏｌ％の赤３４０はＣｏを示す。
１．８０３ｖｏｌ％の青３５０はＷを示す。
３．７５ｖｏｌ％のシアン３６０はＷＢを示す。
３．２１２ｖｏｌ％のマゼンタ３７０はＣｏＷを示す。
１．３３４ｖｏｌ％の白３８０はＣｏＷＢを示す
本発明の材料の元素コバルトの量は他の従来のグレードのコバルトより大幅に少ないため、提示した材料３００は本発明の材料とは異なる。ｃＢＮ（ＣｏＢ＋ＷＢ）の反応量は、従来のグレードにおけるよりも、本発明の材料で大幅に多い。
【００１９】
図４は、従来のグレードの材料Ｂを示しており、以下を含む。
５．２６９の黒４１０は未割当である。
３．１５６の黄４２０はＣｏＢを示す。
７８．８４１ｖｏｌ％の緑４３０はＢを示す。
３．８３ｖｏｌ％の赤４４０はＣｏを示す。
１．６８１ｖｏｌ％の青４５０はＷを示す。
３．６４ｖｏｌ％のシアン４６０はＷＢを示す。
１．６８１ｖｏｌ％のマゼンタ４７０はＣｏＷを示す。
０．７０４ｖｏｌ％の白４８０はＣｏＷＢを示す。
【００２０】
図５は、元素マップ画像分析の概要５００を示す。本発明の材料５１０と従来の材料Ａ５２０及び従来の材料Ｂ５３０との比較をここに示す。元素コバルト５４０の量は、従来の材料５６０又は５７０よりも本発明の材料５５０で大幅に少ない。更に、反応済のＢ（ＣｏＢ＋ＷＢ）の量は、従来の材料５９０よりも本発明の材料５８０で大幅に多い。焼結金属合金ギアの機械加工では、本発明の材料は、従来の材料のツール寿命を超える長いツール寿命を得る結果となることが、試験により明らかになった。本発明の材料のツール寿命は、従来の材料Ａのツール寿命の３．８倍、また、従来の材料Ｂのツール寿命の２．６倍を超えた。
【００２１】
図６はツール寿命のグラフ表示である。ここで、Ｘ軸はＣｏＢの体積（ｖｏｌ％）とＣｏの体積（ｖｏｌ％）の比率で、Ｙ軸は、切削条件１５０ｍ／ｍｉｎ、送り速度０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、切削深さ０．１ｍｍ、冷却剤ありの場合の焼結合金ギアの機器加工時のツール寿命（分）である。この図は、ツール寿命の増大がＣｏＢ／Ｃｏ比率の増大に正比例することを示している。
【００２２】
本発明は好ましい実施形態を参照して記載されているが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、本書の要素に対して様々な変更を行いうること、均等物で代替されうることを理解するであろう。加えて、本発明の基本的な範囲を逸脱することなく、本発明の教示に特定の状況又は材料を適用するため、多くの修正が行われうる。したがって、本発明は、本発明の実行を想定した最良の態様として開示された特定の実施形態又は実施例に限定されるものではなく、本発明は、請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むことが意図されている。本願では、明示的に示されていない限り、すべての単位はメートル法によるもので、量及び百分率はすべて重量を基準としている。また、本書で言及された文献はすべて、参照により本書に明示的に組み込まれる。
【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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【外国語明細書】
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