(57)【要約】  アルカリ金属又はアルカリ土類金属を包含する塩化物塩化合物を含む立方晶窒化ホウ素(cBN)結晶又は複数の結晶。例えば、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化リチウム、塩化カルシウム又は塩化ナトリウムから塩化物塩化合物を選択し得る。結晶は、相対的に粗い表面テクスチャーを有し得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属又はアルカリ土類金属を包含する塩化物塩化合物を含む立方晶窒化ホウ素(cBN)結晶。
【請求項２】
前記アルカリ金属又はアルカリ土類金属の含量が、前記cBN結晶の少なくとも10百万分率(ppm)及び最大で100,000ppmである、請求項1に記載のcBN結晶。
【請求項３】
前記塩化物塩化合物が塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化リチウム、塩化カルシウム又は塩化ナトリウムから選択される、請求項1又は2に記載のcBN結晶。
【請求項４】
前記塩化物塩化合物が塩化カリウム又は塩化マグネシウムから選択される、請求項1〜3のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項５】
B2O3を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項６】
チタンを包含する化合物が含まれない、請求項1〜5のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項７】
前記塩化物塩化合物が、前記cBN結晶内に分散した包含物中に存在する、請求項1〜6のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項８】
前記塩化物塩が、最大で4μｍの平均サイズを有する分散した包含物として存在する、請求項1〜7のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項９】
30/50のU.S.メッシュサイズバンド範囲内であり、かつ少なくとも5及び最大で20の包含物を含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項１０】
少なくとも半分が細長く、少なくとも1.5のアスペクト比を有する包含物を含む、請求項1〜9のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項１１】
それぞれ少なくとも300μｍ3及び最大で60,000μｍ3の体積を有する包含物を含む、請求項1〜10のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項１２】
少なくとも半分が最大で10,000μｍ3の体積を有する包含物を含む、請求項1〜11のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項１３】
それぞれの密度が少なくとも0.5グラム/立方センチメートル及び最大で3グラム/立方センチメートルである包含物を含む、請求項1〜12のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項１４】
少なくとも5の立方八面体指数及び少なくとも2の四面体指数に相当する晶癖を有する、請求項1〜13のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項１５】
各結晶が結晶表面1平方ミリメートル当たり少なくとも80の表面の面を有し、各面が少なくとも約500μｍ2の面積を有するような表面粗さである、請求項1〜14のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項１６】
破砕性の観点からの前記cBN結晶の強度が少なくとも50パーセントである、請求項1〜15のいずれか1項に記載の複数のcBN結晶。
【請求項１７】
各結晶が50/60のU.S.メッシュサイズバンド範囲内であり、破砕性の観点からの前記cBN結晶の強度が少なくとも60パーセントである、請求項16に記載の複数のcBN結晶。
【請求項１８】
各結晶が30/50のU.S.メッシュサイズバンド範囲内であり、複数の結晶が少なくとも5及び最大で20の平均数の包含物を有する、請求項16に記載の複数のcBN結晶。
【請求項１９】
それぞれの平均体積が少なくとも300μｍ3及び最大で20,000μｍ3である包含物を含む、請求項16〜18のいずれか1項に記載の複数のcBN結晶。
【請求項２０】
請求項1〜15のいずれか1項に記載のcBN結晶の製造方法であって、反応体積において窒化ホウ素源、cBN結晶の成長を促進するための触媒材料及び塩素源を混ぜ合わせる工程と、この反応体積をアルカリ金属源又はアルカリ土類金属源の存在下で、cBNがhBNより熱的に安定である圧力及び温度に供してcBN結晶を形成する工程とを含む方法。
【請求項２１】
前記cBN結晶に、Ti、Ni及び又はWを含むコーティングを設ける工程を含む、請求項20に記載の方法。
【請求項２２】
それぞれ請求項1〜15のいずれか1項に記載の複数のcBN結晶を含む多結晶性cBN材料(PCBN)を含んでなる物体。
【請求項２３】
請求項1〜15のいずれか1項に記載の複数のcBN結晶を含んでなる工具。
【請求項２４】
砥石車、切削工具、鋸刃又は線鋸用ビードから選択される、請求項23に記載の工具。
【請求項２５】
前記cBN結晶が電気メッキ結合によって工具本体に結合している、請求項23又は24に記載の工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的に立方晶窒化ホウ素結晶、それを含む物体、特に、排他的ではないが、それを含む多結晶性立方晶窒化ホウ素材料、及びそれを含む工具、特に、排他的ではないが、研削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第3,881,890号は、リンが組み込まれている立方晶窒化ホウ素結晶を開示している。リン含有化合物及び他の態様とともにcBN材料の合成法における造鉱素としての塩化アンモニウムの使用も開示されている。
Sulzhenko and Sokolov (Sulzhenko, A.A. and A.N. Sokolov (1999) “The effect of chemical composition of a crystallisation medium on stoichiometry of cBN crystals”, Journal of Superhard Materials, vol. 21 no. 4, pp. 36 to 39)は、NH4Cl(塩化アンモニウム)の存在下でのcBN結晶の成長が目に見える包含物のない完全な晶癖とミラー面を備えた結晶構造の高度の完成性を有する強い結晶をもたらしたことを開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
平滑度が向上した研磨表面を与えることができる、金属体の研削で用いるcBN結晶の必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第1態様から見ると、立方晶窒化ホウ素(cBN)結晶又は複数のcBN結晶が提供され、その又は各結晶は、包含物として又は包含物内に存在するか或いはcBN格子内に侵入型又は置換型不純物として存在する塩化カリウム(KCl)、塩化マグネシウム(MgCl2)、塩化リチウム(LiCl)、塩化カルシウム(CaCl2)、塩化ナトリウム(NaCl)及び又は塩化アンモニウムNH4Cl等の塩化物塩化合物を包含している。複数の結晶を提供することができる。いくつかの例では、塩化カリウム(KCl)又は塩化マグネシウム(MgCl2)から塩化物塩化合物を選択してよい。一例では、cBN結晶には実質的に塩化バリウム(BaCl2)が含まれなくてよい。
いくつかの例では、cBN結晶は、包含物として又は包含物内に存在するか或いはcBN格子内に侵入型又は置換型不純物として存在するα-B2O3又はβ-B2O3を包含し得る。
いくつかの例では、cBN結晶にはTiH2、TiO2、TiB2、TiC、TiN等のチタン化合物が実質的に含まれなくてよい。
cBN結晶は、30/50又は35/40のU.S.メッシュサイズバンドの範囲に入り得る。いくつかの例では、cBN結晶又は複数のcBN結晶は、それぞれ、少なくとも約5又は及び最大で約20のいくつかの包含物又は平均数の包含物を有し得る。いくつかの例の結晶では、結晶の少なくとも約半分が細長く、少なくとも約1.5又は少なくとも約2のアスペクト比を有する。
cBN結晶は、塩化カリウム(KCl)、塩化マグネシウム(MgCl2)、塩化リチウム(LiCl)、塩化カルシウム(CaCl2)、塩化ナトリウム(NaCl)及び又は塩化アンモニウムNH4Cl等の塩化物塩化合物を含む包含物を有し得る。複数の結晶を提供することができる。いくつかの例では、塩化カリウム(KCl)又は塩化マグネシウム(MgCl2)から塩化物塩化合物を選択し得る。一例では、包含物には実質的に塩化バリウム(BaCl2)が含まれなくてよい。いくつかの例では、包含物はα-B2O3又はβ-B2O3化合物を含み得る。いくつかの例では、包含物には実質的にTiH2、TiO2、TiB2、TiC、TiN等のチタン化合物が含まれなくてよい。
cBN結晶は包含物を有し、各包含物の体積又は包含物の平均体積は、少なくとも約300μｍ3（立方ミクロン）及び最大で約60,000μｍ3（立方ミクロン）であってよい。複数のcBN結晶は包含物を有し、包含物の平均体積は少なくとも約300μｍ3（立方ミクロン）及び最大で約20,000μｍ3（立方ミクロン）であってよい。いくつかの例のcBN結晶又は複数の結晶では、包含物の少なくとも半分が最大で約10,000μｍ3（立方ミクロン）又は最大で約8,000μｍ3（立方ミクロン）の体積を有し得る。
塩化物塩は、最大で約4μｍ（ミクロン）、最大で約2μｍ（ミクロン）、最大で約1μｍ（ミクロン）又は最大で約500nmの平均サイズを有する高分散性微粒包含物として存在し得る。塩化カリウム、塩化リチウム、塩化マグネシウム、塩化ナトリウム、塩化カルシウム又は塩化ベリリウムから塩化物塩を選択し得る。cBN結晶内のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の含量は、少なくとも約10百万分率(ppm)又は少なくとも約100ppm、及び又は最大で約100,000ppm、最大で約10,000ppm又は最大で約1,000ppmであってよい。
cBN結晶は包含物を有してよく、各包含物の密度又は複数の包含物の平均密度は、少なくとも約0.5グラム/立方センチメートル又は少なくとも約1グラム/立方センチメートル及び最大で約3グラム/立方センチメートル又は最大で約2.5グラム/立方センチメートルであってよい。
cBN結晶は、少なくとも5の立方八面体(cubo-octahedral)指数(すなわち結晶は立方体よりむしろ八面体である)及び最大で2の四面体指数TI(すなわち結晶は立方体又は八面体よりむしろ四面体である)に相当する晶癖を有し得る。
cBN結晶の表面は、粗いエッチングされた外観を有し、相対的にわずかの滑らか又は「光沢のある」表面を有し得る。cBN結晶は、各結晶が結晶表面1平方ミリメートル当たり少なくとも約80の表面の面を有し、各面が少なくとも約500μｍ2（平方ミクロン）の面積を有するような表面粗さを有し得る。
cBN結晶は、30/50又は35/40のU.S.メッシュサイズバンドの範囲に入り得る。cBN結晶の表面粗さは、各結晶が、結晶表面1平方ミリメートル(mm2)当たり少なくとも約80又は少なくとも約100の表面の面を有し、各面が少なくとも約500μｍ2（平方ミクロン）の面積を有する(表面の面数及びそれぞれの表面積は結晶サイズに比例する傾向がある)ようなものであってよい。cBN結晶の表面粗さは、各結晶が、結晶の表面積1平方ミリメートル(mm2)当たり最大で約180又は最大で約160の表面の面を有し、各面が最大で500μｍ2（平方ミクロン）の面積を有するうなものであってよい。
cBN結晶は、高強度とあいまって相対存在量の表面の面を有し得る。本開示の複数のcBN結晶の破砕性の観点からの強度は、少なくとも約50パーセント、少なくとも約60パーセント又は少なくとも約70パーセントであり得る。最大でUSメッシュ範囲50/60内のサイズを有する結晶は少なくとも約60パーセントの破砕性強度を有する傾向があり得る。結晶は相対的に高い熱安定性を有し得る。
実例cBN結晶は化学量論的過剰の窒素(N)を含んでよく、黄色又は琥珀色を有し得る。
実例cBN結晶は高い熱安定性の態様(すなわち熱処理後でさえ高強度)を有し得る。
実例cBN結晶は、少なくとも約1000μｍ（ミクロン）、少なくとも約300μｍ（ミクロン）又は少なくとも約700μｍ（ミクロン）の範囲内のサイズを有し得る。cBN結晶は、60/70 USメッシュ、50/60 USメッシュ、45/50 USメッシュ又は35/40 USメッシュに相当する平均サイズを有し得る。
【０００５】
第2態様から見れば、cBN結晶の製造方法であって、反応体積において窒化ホウ素源、例えば六方晶窒化ホウ素(hBN)等、cBN結晶の成長を促進するための触媒材料、例えばリチウム(Li)等及び塩素源、例えば塩化アンモニウム(NH4Cl)等を混ぜ合わせる工程と、この反応体積を例えばK、Na等のアルカリ金属源又は例えばMg、Be、Ca若しくはSr等のアルカリ土類金属源の存在下で、cBNがhBNより熱的に安定である圧力及び温度に供してcBN結晶を形成する工程とを含む。cBN結晶に例えばニッケル含有コーティング等のコーティングを電気メッキによって設けてよい。
開示cBN結晶は、主摩耗モードとしてミクロ破壊によって摩耗を示す傾向がある態様を有し得る。言い換えれば、結晶は、主に結晶学的平面に沿って結晶を劈開することによってではなく、表面で結晶から微視的に小片が遊離することによって摩耗する傾向があり得る。これは、粗い結晶表面を維持し、使用中の結晶の破壊片のサイズを減じる効果を有することができ、該材料を使用する研磨工具の全体的寿命を延長する可能性がある。このことは、結晶サイズは主破損によって突然変わりそうもないので、被研磨体の滑らかな表面をもたらすと期待できる。特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、ミクロ破壊への傾向は、非常に小さい包含物の結晶内の分散によって促進され得る。結晶の表面の粗さもミクロ破壊を促進すると予期し得る。
【０００６】
第3態様から見れば、本開示の複数のcBN結晶を含む多結晶性cBN材料(PCBN)を含んでなる物体を提供する。
本明細書では、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立方晶窒化ホウ素(cBN)の結晶粒を含む。例えば、PCBN材料は、Ti含有化合物、例えば炭窒化チタン等及び／又はAl含有化合物、例えば窒化アルミニウム等、並びに／或いは例えばCo及び／又はW等の金属を含有する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40体積パーセント又は少なくとも約60体積パーセントのcBN結晶粒を含み得る。PCBN材料のいくつかの変形(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体積パーセントでさえのcBN結晶粒を含み得る。PCBNは、cBN結晶粒の集合をセラミック若しくは金属材料、又はセラミック若しくは金属の前駆材料とともに超高温高圧で焼結することによって製造できる。例えば、圧力は少なくとも約4GPaであってよく、温度は少なくとも約1,000℃であってよい。
【０００７】
第4態様から見れば、本開示の複数のcBN結晶を含んでなる工具を提供する。例えば、工具は砥石車、切削工具、鋸刃又は線鋸用ビードを含み得る。砥石車は電気メッキ結合、樹脂結合、金属結合又はガラス化結合したcBN結晶を含み得る。
開示cBN結晶は電気メッキ研削工具での使用に適していると予想される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】立方八面体指数(cubo-octahedral index)(COI)及び四面体指数(tetrahedral index)TIの観点からcBN結晶の種々の主晶癖を示す。
【図２】実施例cBN結晶のコンピューターX線断層撮影画像を示す。
【図３】両方ともUSメッシュサイズ範囲50/60の実施例cBNグリットE及び参照cBNグリット製品Rによって生成された比法線研削力F'n及び比接線研削力F'tの変動を比材料除去率Q'wの関数として示す。
【図４】USメッシュサイズ範囲50/60及び120/140の実施例cBNグリットによって生成された比法線研削力F'n及び比接線研削力F'tの変動を比材料除去率Q'wの関数として示す。
【図５】両方ともUSメッシュサイズ50/60及び120/140の実施例cBNグリットE及び参照cBNグリットRの比研削エネルギーU'の変動を比材料除去率Q'wの関数として示す。
【図６】両方とも120/140 USメッシュサイズ範囲の実施例cBNグリットE及び参照cBNグリットRの工具寿命試験中に記録された比法線研削力F'nを、研削された被加工材料の比体積V'の関数として示す。
【図７Ａ】70N/mm、80N/mm及び90N/mmの比法線研削力F'nに相当する、USメッシュサイズ範囲50/60の実施例cBNグリットE及び参照cBNグリットRを含んでなる砥石車によって除去された比体積V'の比較を示す。
【図７Ｂ】USメッシュサイズ範囲120/140のグリットの場合の図7Aのデータを示す。
【図８Ａ】USメッシュサイズ範囲50/60の実施例cBNグリットE及び参照cBNグリットRを含んでなる砥石車の力比μの比較を、除去された被加工材料の比体積V'の関数として示す。
【図８Ｂ】USメッシュサイズ範囲120/140のグリットの場合の図8Aのデータを示す。
【図９】USメッシュサイズ範囲50/60の実施例cBNグリットE及び参照cBNグリットRによって工具寿命試験中に生成された研削方向に垂直な表面粗さSRを示す。
【図１０】操作窓(window-of-operation)試験後の、50/60 USメッシュサイズ範囲の実施例cBNグリットを含んでなる砥石車の表面の走査型電子顕微鏡(SEM)画像を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図1を参照すると、実施例cBN結晶は、少なくとも5の立方八面体指数COI(すなわち、結晶は立方体というよりは八面体である)及び最大で2の四面体指数TI(すなわち、結晶は立方体又は八面体というよりは四面体である)に相当する晶癖を有し得る。実施例cBN結晶は、比較的鋭く、角のある外観を有し得る。cBN結晶の表面は、粗いエッチングされた外観を有してよく、相対的にわずかな滑らか又は「光沢のある」表面を有し得る。
cBN結晶の製造方法例の1つの変形では、反応体積内の塩化アンモニウムは、cBN結晶の形成を促進するか又はそれらのミクロ構造若しくは成長を改変し得るような、窒化ホウ素源並びに触媒材料及び任意の他の添加剤の総合重量の少なくとも約0.5重量パーセント又は少なくとも約1重量パーセント及び最大で約6重量パーセント又は最大で約4重量パーセントの量で存在し得る。
特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、アンモニウムの存在は、反応体積が加熱されるときに反応体積内の圧力を高めるのに役立つ効果を有し得る。これは、cBNの成長及び相対的に大きいcBN結晶の形成を促進する効果を有し得る。
一例では、本方法は、相対的に滑らかな表面を有するcBN結晶を準備する工程及びその結晶を処理して表面を粗くする工程を包含し得る。
cBN結晶の表面は、相対的に複雑な形状及びテクスチャーを持つことができ、一般に、基礎をなす結晶構造と対称性を反映する複数の別個の面又は小面を含む。自形(euhedral)結晶はおそらく相対的に少ない小面と規則的な晶癖を有し、一方、非自形結晶は相対的に多数の表面の面又は小面の相対的に複雑な配置を有し得る。所定サイズバンド範囲内のcBN結晶の表面粗さは、結晶表面1平方ミリメートル当たり少なくともいくらかの閾値、例えば500μｍ2（平方ミクロン）等の面積を有する表面の面数に関して表される。結晶の拡大画像の検査から表面の面は明白であり、画像処理法の助けを借りることができる。一般に、所定サイズの結晶の最低閾値面積の表面の面数が多いほど、表面は粗いと考えることができる。結晶サイズと実質的に無関係な表面粗さのこの測定基準を作るために、最低閾値の面積を有する表面の面数を結晶の総表面積で割る。一般的に、複数の結晶の平均表面粗さを計測するときには、少なくとも3つの結晶を検査すべきである。
【００１０】
コンピューター断層撮影(CT)スキャニング装置を用いて結晶の三次元画像を得ることができ、表面粗さ計測の助けとなる可能がある。CTスキャナーはデジタル幾何学的処理及びX線を用いて、結晶等の物体周囲の回転単軸の周りで取った多量の一連の二次元X線画像に基づいて物体の三次元画像を作り上げる。例えば、Carl Zeiss Industrial MetrologyTMから入手可能なMetrotom 800TM CTスキャナー装置を使用することができる。画像解析ソフトウェアを用いて、例えば、各結晶の表面の詳細な有限要素表現を計算することによって、CTスキャナー装置を用いて得られた画像を解析することができる。この表現から各結晶の体積及び面積、並びに表面の各面の面積を計算することができる。その結果、少なくともいくらかの閾値の面積を有する面の数を計算することができる。この数を結晶の全体的表面積で割ると、結晶のサイズと実質的に無関係である表面粗さの測定基準をもたらすであろう。CTスキャナー装置と画像解析ソフトウェアを用いてcBN結晶中の包含物を研究することもできる。
【００１１】
図2を参照すると、実施例cBN結晶100は、6個の包含物110を含み、最小包含物は約500μｍ3（立方ミクロン）の体積を有し、最大包含物は約40,000μｍ3（立方ミクロン）の体積を有する。包含物の密度は約1.2グラム/立方センチメートル〜約2.6グラム/立方センチメートルの範囲内である。
cBN結晶の強度はそれらの破砕性の観点から表現可能であり、特定のサイズ範囲内のサイズを有する複数の結晶を選択し、これらの結晶に複数の衝撃を受けさせてから衝撃処理後に該サイズ範囲内に留まる結晶の百分率を測定することによって計測できる。特定のUSメッシュサイズに相当するふるい間で複数の結晶をふるい分けすることによって結晶を選択することができ、衝撃処理後に当該ふるい内に留まる結晶の重量百分率の観点から破砕性を表すことができる。複数の衝撃は、特定質量の結晶を、特定質量を有する金属球を含む容器に入れて、特定の振動数と振幅で特定数のサイクル間容器を機械的に振盪することによって達成される。結晶の熱安定性についての性能指数は、結晶を不活性雰囲気内で1,100℃等の高温で一定時間熱処理した後に結晶サンプルの破砕性を測定することによって計測し得る。
Tuffy and O'Sullivan (Tuffy, K. and M. O'Sullivan (2006)“Abrasive machining of ductile iron with cBN”, Industrial Diamond Review, Vol. 1, pages 33-37)にさらに詳述されているように、特定量の結晶を単層としてキャリア車輪上に電気メッキして電解メッキ砥石車を形成し、この砥石車を用いて金属被加工物を研削することによって研削用途でcBNグリットを試験し得る。2つのタイプの研削試験を結晶(グリットとも称する)について行ない得る。短い「操作窓」試験では、可能であれば450mm3/mm/秒までの多様な比材料除去率にわたって砥石車を動かして、生じた研削力及び研削効率の差異を調べる。この操作窓試験の上限での研削条件は、高能率深研削(high efficiency deep grinding)(HEDG)領域内であると考えられる。試験中には法線研削力と接線研削力をモニターする。工具寿命試験では、指定された寿命末期基準に達するまで被加工物を一定の適度な材料除去率で研削する。本明細書では、工具寿命を、比法線研削力が90N/mmを超える前に研削された材料の比体積と定義する。実際の接触面積及び活性結晶粒の数を増やす研磨粒子の進行的摩耗のため、研削される被加工物の体積の増加に伴う研削力の増加を期待できる。
上記2つのタイプの研削試験の結果を考慮するときには、試験で研削された被加工物の総体積の差を念頭に置くことに意味がある。本開示では、各操作窓試験中に約133cm3の鋳鉄が研削され、一方、各工具寿命試験中に1,880cm3まで又は9,850cm3までが除去される。
【実施例】
【００１２】
以下、非限定例をさらに詳述して本開示を説明する。
88重量パーセントのhBN粉末、10重量パーセントの窒化ホウ素リチウム(Li2BN3)粉末及び2重量パーセントのNH4Cl粉末をブレンドすることによって反応体積を調製した。cBNの小さい種晶をも導入した。カリウム源をも導入した。約5.5GPaの圧力と約1,300℃の温度に反応体積を数分間さらした後、反応体積を処理して複数の成長したcBN結晶を遊離させた。これらの結晶は、30/60 USメッシュの範囲内の平均サイズを有した。結晶は「エッチングされた」外観の相対的に粗い表面を有した。
4つのcBN結晶をランダムに選択し、Carl Zeiss Industrial MetrologyTMから入手可能なMetrotom 800TM CTスキャナー装置を用いて、コンピューターX線断層撮影(CTスキャン)によって詳細に研究した。下表1は、4つの各cBN結晶内の包含物の体積と密度を示す。
CT解析から少なくとも一部の包含物はLi3N、NH4Cl、Li3BN2、C、hBN、α-B2O3、元素Li、元素K、KCl及びLiClを含有するという証拠があった。CT解析から少なくとも一部の包含物はCaCl2、NaCl、MgCl2及びβ-B2O3を含有するといういくつかの証拠があった。
【００１３】
2014518536.tif 000003
表1
【００１４】
実施例cBNグリットをふるいを用いて12のUSメッシュサイズバンドに分割し、各バンドからの結晶サンプルを破砕性強度試験に供した。各サイズバンドからの第2サンプルは、破砕性強度試験に供する前に1,100℃の熱処理に供した。両セットのサンプルに関する破砕性試験の結果を下表2に示す。破砕性試験で用いる鋼球の質量及びサイクル数をも表2に示す。特定のUSメッシュサイズバンドの参照結晶の破砕性強度を測定し、これをも表2に示す。
cBN結晶を加工して2つのそれぞれ50/60 U.S.メッシュ及び120/140 U.S.メッシュのサイズ範囲を有する集団を準備し、試験用のグリット製品を準備した。試験は、cBNグリットを単層で車輪上に電気メッキすることによってそれぞれの砥石車を作る工程及び該砥石車を用いて、球状黒鉛鉄(SGI)を含んでなる被加工物を研削する工程を含んだ。さらに詳しくは、選択した被加工材料のグレードは、クランク及びカムシャフト等の自動車部品に用いられるものに典型的な強力パーライトSGIであるGGG70(又はEN GJS 700-2)であった。
【００１５】
2014518536.tif 000004
表2
【００１６】
車輪はニッケル電気メッキした1A1であり、250mm×10mm×127mmの寸法を有した。砥石車としては10mm幅であったが、2つの試験のそれぞれについて一度に5mmだけ使用し、操作窓試験も工具寿命試験も段階研削セットアップを利用することで1つの車輪を用いて完了することができた。研削モードは、切削ゾーンへの冷却剤の供給をより効率的にできる上向き研削であった。車輪をスピンドル上にクロック(clock)し、Best BalanceTM 1000ポータブルバランシングシステムを用いて少なくとも0.5μｍ（ミクロン）の偏心にバランスを取った。工具は単層の電気メッキ車輪だったので、仕上げを行なわなかった。8300RPMの最大速度を有するFrans KesslerTM 45kWスピンドルモーターを備えたBlohm Profimat MT408TMで試験を行なった。BrinkmannTMインペラーポンプを用いて9バールで冷却剤液を供給し、BrinkmannTMスクリューポンプを用いて40バールで冷却剤を洗浄ノズルに送った。用いた冷却剤は、4% Metlube 3TMを含む水道水であった。KistlerTM動力計を用いて研削力を測定し、LabViewTMデータ収集ソフトウェアを用いて記録を取った。
操作窓及び工具寿命の両試験の研削条件を表3に列記する。より微細な研磨材によってもたらされる力の増加が、工具寿命試験で用いられる比材料除去率を75mm3/mm/秒に制限し、操作窓試験では最大220mm3/mm/秒に制限したことに留意すべきである。
【００１７】
2014518536.tif 000005
表3
【００１８】
図3に示すように、操作窓試験で生成された比法線研削力F'n及び比接線研削力F'tは、実施例cBNグリットでも市販の参照グリットでも材料除去率Q'wに対して実質的に直線的に変化した。図4に示すように、操作窓試験で実施例cBNグリットによって生成された力は、50/60グリットと120/140グリットで実質的に異なり、予測できるように、同じ材料除去率では後者が実質的により高い研削力を発生させた。単層工具により生じた研削力は、一般的に研削される被加工物の体積が増加するにつれて高まると予測される。これは、おそらく平準化前に、鋭くかつ突き出ている新たな結晶粒が摩耗するにつれて急速に研削力が高まるためである。従って、研磨製品及び用途に応じて、試験全体を通して研削力が着実に上昇しながら、又は研磨粒子の破壊により引き起こされる急な増加によって寿命末期に達し得る。
特定用途の研削力Pは、スピンドルへの電力供給から直接モニターするか又は接線研削力Ftと車輪速度νsから方程式P=Ftνsにより計算できる。比エネルギーuは工具の研削効率の有用な尺度であり、研削力Pと材料除去率Qwから計算できる。図4に、さまざまな材料除去率に対する比エネルギー値をプロットする。
両方ともサイズ50/60及び120/140の実施例cBNグリットE及び参照cBNグリット製品Rの比エネルギー値をさまざまな材料除去率にわたって図5にプロットする。2つの製品E及びR間の研削効率の差は、特に100mm3/mm/秒以上では、最小限のようであるが、粒子サイズの影響は有意である。
試験砥石車の寿命末期基準は、90N/mmの比法線研削力に達したときであるとみなされた。図6は、サイズ範囲120/140 U.S.メッシュの実施例cBNグリットE及び参照cBNグリットRによって除去された材料の比体積V'の関数として比法線研削力F'nをみなし寿命末期まで示す。図7Aは、70N/mm、80N/mm及び90N/mmの比法線研削力F'nに相当するUSメッシュサイズ範囲50/60の実施例cBNグリットE及び参照cBNグリットRを含んでなる砥石車によって除去された比体積V'の比較を示す。図7Bは、USメッシュサイズ範囲120/140の場合の図7Aのデータを示す。この試験では、50/60 USメッシュサイズ範囲の実施例cBNグリットを含んでなる砥石車は、同サイズ範囲の参照cBNグリットより約37パーセント長い有効可使時間を有し、120/140 USメッシュサイズ範囲の実施例cBNグリットは、同サイズ範囲の参照cBNグリットより約57パーセント長い有効可使時間を有した。
【００１９】
力比μは、研磨材の状態の指標であり、法線力Fn成分及び接線力Ft成分から容易に計算できる。0.2以下の値は、ほとんど表面浸透のない、よく潤滑化された鈍いグリットに対応し、一方で高値は、鋭い結晶粒及び被加工物中への深い浸透に対応する。力比値は一般的に工具寿命試験が進行するにつれて下がる傾向があり、研磨粒子が摩耗し、鈍くなっていることを確証する。結果を図8Aにプロットした。図8Bもこの試験で実施例cBNグリットが参照cBNグリットより相対的に長い間一貫して鋭いままであることを示している。
50/60 USメッシュサイズ範囲の実施例cBNグリット及び参照cBNグリットを含んでなる砥石車の工具寿命試験の間じゅう周期的に、研削方向に平行及び垂直の両方の被加工物表面の粗さを測定した。図9は、平行方向より高い粗さ値を示す垂直方向のRa及びRz結果を示す。一般的に、粗さ値は、工具寿命試験が進行するにつれて下がる傾向があり、すなわち表面品質が向上した。これはグリットが摩耗し、鈍くなるため砥石車には典型的であり、より高い研削力であるが良い表面仕上げをもたらす。
試験後の砥石車の検査及び比較は、実施例cBNグリットより相当高割合の参照cBNグリットが電気メッキ結合から離脱したことを明らかにした。これは、cBN結晶が結合していた砥石車内の空ポケットの割合から明白であった。50/60 USメッシュサイズ範囲のグリットを含んでなる砥石車の場合、実施例cBN結晶の数の約2倍の数の参照cBN結晶が結合から離脱した。
工具寿命試験では、延性鋳鉄を研削するときに実施例cBNグリットは参照cBNグリットより相対的に長く耐えた。この試験で実施例cBNグリットは優れた性能を示した。これは高い強度と結晶破壊特性の組合せに起因する可能性がある。力比結果は、実施例グリットが試験中一貫して相対的に長い時間鋭いままであることを示した。該結晶は一般的に粗い外観を有し、相対的に低レベルの結合からの離脱及び相対的に少ない開裂粒子を示した。
表面品質向上は普通は鈍い粒子と高い研削力に付随するが、実施例cBNグリットは一貫して参照cBNグリットより低い表面粗さをもたらした。これは結晶が破壊中に結晶粒当たりいくつかの鋭い切削点を作り出すというミクロ破壊特性に起因する可能性がある。実施例cBNグリットは、延性鋳鉄を研削するときに参照cBNグリットより長い工具寿命を示し、実質的に弱いcBNグリット製品によってもたらされる表面仕上げに比べて滑らかな表面仕上げをもたらしながら、試験の間じゅう相対的に鋭いままであった。
粒子強度と破壊特性の組合せは、単層工具の性能に有意な効果を及ぼすようである。同様の条件下で、より粗い研磨材を含む単層cBN砥石車は、より微細サイズの同一製品より低い研削力を生成し、より低い比研削エネルギーを示すことが分かった。一定条件で単層cBN電気メッキ工具で研削すると、除去された材料の体積が増えるにつれて、研削力は増加し、力比及び表面粗さは低減することが分かった。
【００２０】
cBN研磨材の硬度、強度及び熱伝導率は、より高い材料除去率を達成しながら被加工物への熱移動を減らす研削操作で重要な役割を果たすと考えられる。100m/秒超えの砥石車速度は、1,000mm3/mm/秒超えの比材料除去率を可能にするが、機械及び工具に大きい応力を及ぼす。単層電気メッキ砥石車は、これらの車輪速度によって生じる高い遠心力に耐え得るので、これらの用途で使用される。電気メッキ車輪は、込み入った輪郭を有する砥石車の製造を安価にすることもでき、使用前の仕上げという追加の複雑な事態をなしで済ますことができる。電気メッキcBN砥石車を用いる鋼及び鉄のクランクシャフトの高速研削は、これらの高体積部品を機械加工するときに高い材料除去率を用いることによる生産性向上の可能性の利益を享受し得る。これらの極端な用途で用いられるcBN製品は、それらに及ぼされる応力に耐える粗さと強度を持たなければならないが、それらをミクロ破壊し、鋭い切削エッジを保持できるようにする望ましい破壊特性をも持たなければならない。容易にミクロ破壊しすぎる弱い研磨材又は強いマクロ破壊性研磨材は時期尚早に粒子の一部又は全ての損失をもたらす恐れがあり、結果として工具寿命の短縮となる。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年11月29日(2013.11.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属又はアルカリ土類金属を包含する塩化物塩化合物を含む立方晶窒化ホウ素(cBN)結晶。
【請求項２】
前記アルカリ金属又はアルカリ土類金属の含量が、前記cBN結晶の少なくとも10百万分率(ppm)及び最大で100,000ppmである、請求項1に記載のcBN結晶。
【請求項３】
前記塩化物塩化合物が塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化リチウム、塩化カルシウム又は塩化ナトリウムから選択される、請求項1又は2に記載のcBN結晶。
【請求項４】
前記塩化物塩化合物が塩化カリウム又は塩化マグネシウムから選択される、請求項1〜3のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項５】
前記塩化物塩が、最大で4μｍの平均サイズを有する分散した包含物として存在する、請求項1〜４のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項６】
30/50のU.S.メッシュサイズバンド範囲内であり、かつ少なくとも5及び最大で20の包含物を含む、請求項1〜５のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項７】
少なくとも半分が細長く、少なくとも1.5のアスペクト比を有する包含物を含む、請求項1〜６のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項８】
少なくとも半分が最大で10,000μｍ3の体積を有する包含物を含む、請求項1〜７のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項９】
それぞれの密度が少なくとも0.5グラム/立方センチメートル及び最大で3グラム/立方センチメートルである包含物を含む、請求項1〜８のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項１０】
少なくとも5の立方八面体指数及び少なくとも2の四面体指数に相当する晶癖を有する、請求項1〜９のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項１１】
各結晶が結晶表面1平方ミリメートル当たり少なくとも80の表面の面を有し、各面が少なくとも約500μｍ2の面積を有するような表面粗さである、請求項1〜１０のいずれか1項に記載のcBN結晶。
【請求項１２】
それぞれの平均体積が少なくとも300μｍ3及び最大で20,000μｍ3である包含物を含み、破砕性の観点からの前記cBN結晶の強度が少なくとも50パーセントである、請求項1〜１１のいずれか1項に記載の複数のcBN結晶。
【請求項１３】
請求項1〜１１のいずれか1項に記載のcBN結晶の製造方法であって、反応体積において窒化ホウ素源、cBN結晶の成長を促進するための触媒材料及び塩素源を混ぜ合わせる工程と、この反応体積をアルカリ金属源又はアルカリ土類金属源の存在下で、cBNがhBNより熱的に安定である圧力及び温度に供してcBN結晶を形成する工程とを含む方法。
【請求項１４】
それぞれ請求項1〜１１のいずれか1項に記載の複数のcBN結晶を含む多結晶性cBN材料(PCBN)を含んでなる物体。
【請求項１５】
請求項1〜１１のいずれか1項に記載の複数のcBN結晶を含んでなる工具であって、前記cBN結晶が電気メッキ結合によって工具本体に結合している、工具。
【国際調査報告】
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