(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バインダーマトリクス中に分散された少なくとも６５体積パーセントの立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）結晶粒からなる複合材料であって、
バインダーマトリクスが、
ｃＢＮ結晶粒と結合した複数の微細構造、および
ｃＢＮ結晶粒間の複数の中間区域
を含み；
微細構造が金属の窒化物またはホウ素化合物を含み；
中間区域がケイ素と化学的に結合した金属を含むケイ化物相を含み；
ケイ化物相の含量が複合材料の２〜６質量パーセントであり；
ｃＢＮ結晶粒が０．２〜２０μｍの平均サイズを有する
複合材料。
【請求項２】
金属がチタン（Ｔｉ）である、請求項１に記載の複合材料。
【請求項３】
微細構造が窒化チタン（ＴｉＮ）を含む、請求項２に記載の複合材料。
【請求項４】
ケイ化物相が、微細構造によって、ｃＢＮ結晶粒から間隔をおいて隔てられている、請求項１から３までのいずれかに記載の複合材料。
【請求項５】
微細構造が、ｃＢＮ結晶粒の表面領域と結合したコーティング層の形態である、請求項１から４までのいずれかに記載の複合材料。
【請求項６】
ｃＢＮ結晶粒の含量が、複合材料の少なくとも８０体積パーセントである、請求項１から５までのいずれかに記載の複合材料。
【請求項７】
ｃＢＮ結晶粒が、０．１〜１０μｍの平均サイズを有する、請求項１から６までのいずれかに記載の複合材料。
【請求項８】
複合材料の表面上でみたｃＢＮ結晶粒の面積分布が、少なくとも２つのモードを有する、請求項１から７までのいずれかに記載の複合材料。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれかに記載の複合材料を使用する方法であって、
複合材料を含む切削エッジを含む機械工作ツールを用意するステップと；
断続モードで鉄材料を含むワークピースを機械加工するために機械工作ツールを使用するステップであって、
ワークピースが、連続した咬合長さが、機械加工操作の間の切削エッジとワークピースの表面の間を横断する距離の３０〜５０パーセントとなるように構成されているステップと
を含む方法。
【請求項１０】
ワークピースが、ワークピースの少なくとも一部が切削ツールに対して咬合角度を提供し、咬合角度が３０〜９０°であるように構成されている、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ワークピースが、鋼鉄、鋳鉄または超合金材料を含む、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
ワークピースがブレーキディスクの製造に適しており、方法がワークピースを機械加工してブレーキディスクを作製するステップを含む、請求項９から１１までのいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
請求項１から８までのいずれかに記載の複合材料を含む物品を作製する方法であって、
ケイ化物相前駆体を複数のｃＢＮ結晶粒と一緒にして原料組合せを用意するステップであって、ケイ化物相前駆体が、金属がｃＢＮ結晶粒と反応して窒化物またはホウ化物反応生成物を生成できるように選択され；
原料組合せ中のｃＢＮ結晶粒の含量が、複合材料中のｃＢＮ結晶粒の含量が複合材料の少なくとも６５体積パーセントとなるようなものであるステップと；
原料組合せを、ｃＢＮが熱力学的に安定な相である圧力に、ケイ化物相前駆体中に含まれる金属の一部がｃＢＮ結晶粒と反応してｃＢＮ結晶粒と反応的に結合した複数の微細構造を形成するのに十分に高い温度および十分な期間かけるステップであって；残留する金属ケイ化物相が、複合材料の２〜６質量パーセント、またはバインダーマトリクスの２０〜６０パーセントであり、化合物材料中に含まれるｃＢＮ以外の材料からなる残部であるステップと
を含む方法。
【請求項１４】
元素形態の金属とＳｉを、金属とＳｉが互いに反応できるように一緒にして、反応前の組合せを形成させるステップと；
金属がＳｉと反応してケイ化物相を含む反応した材料を形成するように反応前の組合せを処理するステップと；
反応した材料を粉砕してケイ化物相の複数の結晶粒をもたらすステップとによって、ケイ化物相を生産することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
断続モードで鉄ワークピースを機械加工するのに適した機械工作ツールであって、請求項１から８までのいずれかに記載の複合材料を含み、切削エッジ、すくい面およびフランク面が複合材料を含む機械工作ツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、金属ケイ化物材料を含むバインダーマトリクス中に分散された立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）を含む複合材料；複合材料を含む機械工作ツール；断続モードで鉄ワークピース本体を機械加工するためにその材料を含む機械工作ツールを使用する方法；ならびに複合材料およびそれを含む機械工作ツールを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第８，４１９，８１４号は、ｃＢＮ結晶粒を、それらの表面が硝子体状（vitreophillic）になるように処理するステップと、それらをエタノールに懸濁させるステップと、Ｔａ（ＯＣ2Ｈ5）5およびＴｉ（ＯＣ3Ｈ7）4を導入するステップと、各ｃＢＮ結晶粒がチタンおよびタンタルの酸化物化合物の密な混合物でコーティングされるようにその懸濁液およびｃＢＮ結晶粒をさらに処理するステップとを含む方法によって、ｃＢＮ結晶粒の表面上に、ナノサイズの窒化チタン（ＴｉＮ）および窒化タンタル（ＴａＮ）微細構造を固着させることを開示している。コーティングされたｃＢＮ結晶粒を適切な雰囲気下で熱処理されて、その酸化物をナノサイズのＴｉＮおよびＴａＮに転換されている。そのようにコーティングされた複数のｃＢＮ結晶粒を含む凝集体が形成され、これは超高圧および高温で圧力をかけられ、実質的にＴｉＮとＴａＮの混合物からなるバインダーマトリクス中に約８４体積パーセントのｃＢＮを含む、亀裂のないＰＣＢＮ材料がもたらされている。機械加工試験において、ＰＣＢＮサンプルは優れた性能を示している。これは、ホールペッチ（Hall-Petch）ナノ結晶粒サイズに近い結晶粒サイズのバインダーマトリクスに起因している可能性がある。
米国特許第５，２８８，２９７号は、６０〜１０体積パーセントの、主に窒化ケイ素および金属二ホウ化物の密な混合物を含む結合性マトリクスによって結合されている、４０〜９０体積パーセントのｃＢＮ結晶を含むｃＢＮ成形体であって、その金属がチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびハフニウム（Ｈｆ）原子の群から選択されるｃＢＮ成形体を開示している。この窒化ケイ素および金属二ホウ化物はそれぞれ、ｃＢＮ結晶と強力にかつコヒーレントに結合している少なくとも２５体積パーセントの結合性マトリクスを含む。金属ケイ化物化合物をｃＢＮ結晶粒と結合する反応によるｃＢＮ成形体の生産方法が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特に、しかし排他的ではなく、強断続（heavily interrupted）機械加工モードで、鉄ワークピース本体を機械加工するために使用した場合、比較的長い作業寿命を有する、比較的強く耐摩耗性のｃＢＮ複合材料に対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の態様によれば、バインダーマトリクス中に分散された少なくとも６５体積パーセントの立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）結晶粒からなる複合材料であって、バインダーマトリクスが、ｃＢＮ結晶粒と結合した複数の微細構造、およびｃＢＮ結晶粒間の複数の中間区域を含み；微細構造が金属の窒化物またはホウ素化合物を含み；中間区域がケイ素と化学的に結合した金属を含むケイ化物相を含み；ケイ化物相の含量が複合材料の２〜６質量パーセントであり、ｃＢＮ結晶粒が０．２〜２０μｍの平均サイズを有する複合材料を提供することができる。このｃＢＮ複合材料は、多結晶性立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料とも称することができる。
種々の複合材料が本開示によって想定されるが、その中で以下のものは、非限定的で非包括的な例である。
いくつかの例では、複合材料中のケイ化物相の含量は、複合材料のせいぜい約５質量パーセントであり得る。
【０００５】
いくつかの例では、ケイ化物相はセラミック相または金属間相であってよい。
いくつかの例では、金属はチタン（Ｔｉ）であってよい。微細構造は窒化チタン（ＴｉＮ）を含み得るか、または微細構造は二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）を含む。いくつかの例では、ケイ化物は、化学式ＴｉxＳｉy（式中、ｘは０．９〜１．１であり、ｙは０．９〜１．１である（実質的にＴｉＳｉ））を有するケイ化チタン材料を含むことができる。いくつかの例ではケイ化物は、化学式ＴｉxＳｉz（式中、ｘは０．９〜１．１であり、ｚは１．９〜２．１である（実質的にＴｉＳｉ2、二ケイ化チタン））を有するケイ化チタン材料を含むことができる。金属ホウ化物材料は二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）を含むことができ、複合材料中の二ケイ化チタンと二ホウ化チタンの相対量は、ケイ化チタンの（３１１）Ｘ線回折（ＸＲＤ）ピーク対二ホウ化チタンの（１０１）ＸＲＤピークの比が０．２〜１．１となるようなものであってよい。
いくつかの例では、その金属は、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）またはジルコニウム（Ｚｒ）であってよい。
【０００６】
いくつかの例では、ケイ化物相は、微細構造によって、ｃＢＮ結晶粒から間隔をおいて隔てられていてよい。
いくつかの例では、微細構造は、ｃＢＮ結晶粒の表面領域と結合したコーティング層の形態であってよい。
いくつかの例では、ｃＢＮ結晶粒の含量は、複合材料の少なくとも約８０または少なくとも約９０体積パーセントであってよい。
いくつかの例では、ｃＢＮ結晶粒は、０．１〜１０μｍの平均サイズを有する。より特定の例では、ｃＢＮ結晶粒は０．１〜５μｍの平均サイズを有することができる、またはｃＢＮ結晶粒は５〜２０μｍ超の平均サイズを有することができる。それが１つまたは２つ以上のモードを有し得るかどうかなどの、ｃＢＮ結晶粒の平均サイズおよび粒度分布の選択は、そこで複合材料を使用しようとする用途の種類に依存する可能性がある。
【０００７】
いくつかの例では、ｃＢＮ結晶粒の平均サイズおよび／または粒度分布は、ｃＢＮ結晶粒間のバインダーマトリクスの平均体積が多過ぎず少な過ぎないように、ｃＢＮ含量に応じて選択され得る。いくつかの例では、比較的高い含量のｃＢＮ結晶粒（少なくとも約８０または９０体積パーセント）を有する複合材料中に含まれるｃＢＮ結晶粒は、比較的低い含量のｃＢＮ結晶粒を有する複合材料においてより、比較的多くてよい。いくつかの例では、少なくとも８０または少なくとも９０体積パーセントのｃＢＮ結晶粒を含む複合材料中のｃＢＮ結晶粒の平均サイズは５μｍ超または約１０μｍ超であってよい。他の例では、９０未満または８０体積パーセント未満のｃＢＮ結晶粒を含む複合材料中のｃＢＮ結晶粒の平均サイズは、０．１μｍ超または約５μｍ超であってもよく、約１０μｍ未満であってよい。特定の理論に拘泥するわけではないが、ｃＢＮ結晶粒の平均サイズおよび粒度分布は、本開示による残留ケイ化物の総量を達成するように、複合材料中のｃＢＮの含量に対してバランスされていてよい。これは、高過ぎず（潜在的に、ｃＢＮ結晶粒間の区域が大き過ぎる結果として）、低過ぎない（潜在的に、ｃＢＮ結晶粒間の区域が小さ過ぎる結果として）ケイ化物含量を達成する、複合材料のケイ化物含量を制御する助けとなり得る。
【０００８】
いくつかの例では、複合材料の表面上でみて、ｃＢＮ結晶粒の面積分布は、少なくとも２つのモードを有し得る。
いくつかの例では、バインダーマトリクスは、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）を含むことができる。
いくつかの例では、ケイ化物相の含量は、バインダーマトリクスの２０〜６０質量パーセントであってよい。
【０００９】
第２の態様によれば、例として開示された複合材料を使用する方法であって、複合材料を含む切削エッジを含む機械工作ツールを用意するステップと；断続モードで鉄材料を含むワークピースを機械加工するために機械工作ツールを使用するステップであって、ワークピースが、連続した咬合長さが、機械加工操作の間の切削エッジとワークピースの表面の間を横断する距離の３０〜５０パーセントとなるように構成されているステップとを含む方法を提供する。
いくつかの例では、ワークピースは、ワークピースの少なくとも一部が切削ツールに対して咬合角度を提供し、咬合角度が３０〜９０°であるように構成されていてよい。
【００１０】
いくつかの例では、ワークピースは、ロックウェル「Ｃ」硬度スケール（ＨＲＣ）で、少なくとも５０、少なくとも５２、少なくとも６０または少なくとも６２の硬度を有する材料を含み得る。
いくつかの例では、ワークピースは、鋼鉄、鋳鉄または超合金材料を含み得る。例えば、ワークピースは、鋼鉄および／またはねずみ鋳鉄（grey cast iron）材料を含み得る。
いくつかの例では、機械工作ツールは、支持本体と結合した複合材料を含み得る。
いくつかの例では、機械工作ツールは、割出し可能インサート（indexable insert、スローアウェイチップ）を含む。例えば、機械工作ツールは、ターニングまたはミリング操作において使用するために構成することができ、方法は、ターニングまたはミリング操作において機械工作ツールを使用するステップを含むことができる。いくつかの例では、ワークピースはブレーキディスクの製造に適している可能性があり、方法は、ワークピースを機械加工してブレーキディスクを作製することを含むことができる。
【００１１】
第３の態様によれば、例として開示された複合材料を含む物品を作製する方法であって、ケイ化物相前駆体を複数のｃＢＮ結晶粒と一緒にして原料組合せを用意するステップであって、ケイ化物相前駆体が、金属がｃＢＮ結晶粒と反応して窒化物またはホウ化物反応生成物を形成できるように選択され；原料組合せ中のｃＢＮ結晶粒の含量が、複合材料中のｃＢＮ結晶粒の含量が複合材料の少なくとも６５体積パーセントとなるようなものであるステップと；原料組合せを、ｃＢＮが熱力学的に安定な相である圧力に、ケイ化物相前駆体中に含まれる金属の一部がｃＢＮ結晶粒と反応してｃＢＮ結晶粒と反応的に結合した複数の微細構造を形成するのに十分に高い温度および十分な期間かけるステップであって；残留する金属ケイ化物相が、複合材料の２〜６質量パーセントまたはバインダーマトリクスの２０〜６０パーセントであり、化合物材料中に含まれるｃＢＮ以外の材料からなる残部であるステップとを含む方法を提供する。
いくつかの例では、残留する金属ケイ化物相は、複合材料の２〜５質量パーセント、またはバインダーマトリクスの２０〜５０パーセントであり、化合物材料中に含まれるｃＢＮ以外の材料からなる残部である。
【００１２】
いくつかの例では、ケイ化物相前駆体は粉末形態であってよく、ケイ化物相粉末の結晶粒の平均結晶粒サイズは０．１〜５μｍであってよい。
いくつかの例では、ケイ化物相前駆体中に含まれる金属はチタン（Ｔｉ）であってよい。いくつかの例では、ケイ化物は、化学式ＴｉxＳｉy（式中、ｘは０．９〜１．１であり、ｙは０．９〜１．１である（実質的にＴｉＳｉ））を有するケイ化チタン材料を含むことができる。いくつかの例では、ケイ化物は、化学式ＴｉxＳｉz（式中、ｘは０．９〜１．１であり、ｚは１．９〜２．１である（実質的にＴｉＳｉ2、二ケイ化チタン））を有するケイ化チタン材料を含むことができる。
いくつかの例では、ケイ化物相は、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）またはジルコニウム（Ｚｒ）を含むことができる。
いくつかの例では、方法は、元素形態の金属とＳｉを、金属とＳｉが互い反応できるように一緒にして、反応前の組合せを形成させるステップと；金属がＳｉと反応してケイ化物相を含む反応した材料を形成するように反応前の組合せを処理するステップと；反応した材料を粉砕してケイ化物相の複数の結晶粒をもたらすステップとによって、ケイ化物相前駆体を生産することを含むことができる。方法は、摩擦ミリングによって、反応した材料を粉砕するステップを含むことができる。
【００１３】
いくつかの例では、そこで複合材料が超高圧で焼結される温度は、複合材料中での残留ケイ化物相の総含量に影響を及ぼす可能性がある。特に、相対的に低い焼結温度（その他はすべて実質的に等しい）は、より高い含量の残留ケイ化物相に影響をもたらす可能性がある。
【００１４】
第４の態様によれば、鉄ワークピースを断続モードで機械加工するのに適した機械工作ツールであって、例として開示された複合材料を含み、切削エッジ、すくい面（rake face）およびフランク面（flank face）が複合材料を含む機械工作ツールを提供することができる。この機械工作ツールは、ワークピースをターニングまたはミリングするためのものであってよい。
複合材料および機械工作ツールの非限定的な例を、添付の図面を参照して説明することとする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】図１Ａは、以下で説明する例２による複合材料の、１μｍを示す目盛りバーによって示されるような、２つの異なる倍率での走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、以下で説明する例２による複合材料の、１μｍを示す目盛りバーによって示されるような、２つの異なる倍率での走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、そこでエネルギー分散分光法（ＥＤＳ）スペクトルを得た点に対応する参照数字を含む、例示の複合材料の２つのＳＥＭ画像を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、そこでエネルギー分散分光法（ＥＤＳ）スペクトルを得た点に対応する参照数字を含む、例示の複合材料の２つのＳＥＭ画像を示す図である。
【図３】図３は、主ピークが特定されている例示の複合材料のＸ線回折グラフを示す図である。
【図４】図４は、「Ｈ３０強断続ハードパートターニング」と称される機械加工試験におけるカッターエレメントの作業寿命を比較するバーチャートを示す図である（カッターエレメントのうちの６つは例示の複合材料を含み、１つのカッターエレメントは参照複合材料を含んだ）。
【図５】図５は、「Ｋ３０強断続ねずみ鋳鉄ブレーキディスクターニング」と称される機械加工試験において、カッターエレメント中に形成された摩耗傷を比較するバーチャートを示す図である（図４のように、カッターエレメントのうちの６つは同じ例示の複合材料および参照材料を含んだ）。
【図６】図６は、例示のおよび参照の複合材料でＨ３０機械加工試験を実施するために使用された試験ワークピースの透視図を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、例示の複合材料は、バインダーマトリクス中に分散された複合材料の約９０体積パーセントを構成する複数のｃＢＮ結晶粒１０を含むことができ、このバインダーマトリクスは、ｃＢＮ結晶粒１０と反応的に結合した複数の微細構造１２、およびｃＢＮ結晶粒１０の間の隙間内の複数の中間区域１４の微細構造１２を含む。微細構造１２は窒化チタン（ＴｉＮ）および二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）を含むことができ；特に、微細構造１２は、ＴｉＮより多いＴｉＢ2、および、潜在的に、複合材料の約１〜２体積パーセントを超えない微量でバインダーマトリクス中に存在するようである少量のＳｉ3Ｎ4結晶粒を含むことができる。中間区域１４の一部はチタンケイ化物相、特にＴｉＳｉ2、多分ＴｉＳｉを含むようであり、他の部分はＴｉＢ2を含むようである。他の区域１６は窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）を含むようである。チタンケイ化物相の含量は、複合材料の２〜６質量パーセントまたは２〜５質量パーセントとなる。
【００１７】
図２Ａおよび図２Ｂを参照して、エネルギー分散分光法（ＥＤＳ）分析をインサイチュで実施して、例示の複合材料の表面の領域セクション上の種々の点で、主要元素の目安（indication）を得た。結果を表１にまとめる。検出された元素の相対モル量をもとにして、潜在的な非限定的および非包括的な化合物または相を、いくつかの点について言及する。
【００１８】
【表１】
0006419959.tif 000002
【００１９】
例示のｃＢＮ複合材料を製造する例示の方法を説明することとする。
ケイ素（Ｓｉ）およびチタン（Ｔｉ）を含む混合物または合金は、２Ｔｉ＋３Ｓｉなどの適切な比でＴｉ粉末とＳｉ粉末を一緒にブレンドし、例えば真空下、高温で、ブレンドされた粉末を処理することによって作製することができる。反応生成物は、互いに組み合わせて作製することができる、化合物ＴｉＳｉ、ＴｉＳｉ2またはＴｉ5Ｓｉ3の１つもしくは複数の、１つもしくは複数のケイ化チタン合金または金属間相を含むことができる。ＳｉおよびＴｉ粉末を密にブレンドし、約１，０００〜約１，２００℃の温度での熱処理のために、排気されている石英管または金属ケースに入れた真空炉（例えばモリブデン合金内壁の真空炉）中に密封することができる。例えば、ブレンドされた粉末を、約１，１００℃の温度で約１５〜３０分間、真空下で熱処理することができる。ブレンドされたＴｉおよびＳｉ粉末が、一緒にブレンドされ、１，０００℃の温度で２時間の真空熱処理にかけられる実験において、Ｘ線回折（ＸＲＤ）分析によって、反応生成物材料中にいくらかの残留未反応Ｓｉが明らかに存在するが、熱処理を１，１００℃で２時間実施した場合には未反応Ｓｉが存在する証拠はないことが分かった。
【００２０】
反応生成物材料のバルク組成は、粗い顆粒の形態のＳｉ3Ｔｉ2とおおよそ等しくてよく、これを、最大で約４時間摩擦ミリングすることによって粉砕して、例えば、その粒子がせいぜい約１０μｍまたはせいぜい約３μｍの平均サイズを有する、微細に分散されたブレンド粉末をもたらすことができる。チタンまたは他のケイ化物顆粒を粉砕するために摩擦ミリングを使用することは、比較的強引な高出力の方法であり、顆粒のサイズを、サイズで約１．５〜２．５μｍの平均結晶粒サイズを有する非常に微細な粉末にまで小さくできる可能性がある。金属間のＴｉＳｉ2および他のチタンケイ化物相は元素形態での前駆体ＴｉおよびＳｉより脆弱であり、これは、前駆体元素の他の供給源についてあり得る場合より、摩擦ミリングによって非常に微細に分割された結晶粒を生産するためにケイ化物相の粉砕を制御するのをより容易にする可能性がある。さらに、ケイ化物相は、元素のＴｉおよびＳｉより、酸化に対して実質的により抵抗性である傾向があり；Ｔｉおよび／またはＳｉの酸化は、ｃＢＮ複合材料を形成させるためのｃＢＮでの効果的な焼結または結合を低下させるようである。ＴｉのＳｉとの反応は、存在し得る酸素の除去を促進するために、真空下で実施することができる。
【００２１】
特定の理論に拘泥するわけではないが、約１〜約５μｍの比較的微細なチタンまたは他のケイ化物粉末は、結晶粒のより一様なブレンドをもたらし、結果として、焼結されたｃＢＮ複合材料の、より均一な微細構造および／または優れた特性をもたらす可能性がある。特に、非常に微細に分割されたケイ化物相結晶粒は、ｃＢＮ結晶粒との反応のための比較的大きい比表面積をもつことになり、ｃＢＮ複合材料のより効果的な反応焼結をもたらす可能性がある。比表面積が比較的大きく、酸化物化合物および他の不純物が粉末表面と結合し得るので、約０．１μｍ未満の結晶粒サイズを有するケイ化チタン粉末（またはケイ化ハフニウムもしくはケイ化ジルコニウム粉末などの他の種類のケイ化物粉末）は、原料粉末ブレンド中に過剰な量の表面酸素を導入するリスクを増大させる可能性がある。原料粉末中での過剰な量の酸素の存在は、焼結された複合材料の使用における特定の特性および挙動に有害であるようである。
【００２２】
次いで、微細なケイ化チタン粉末を、０．１〜約５μｍの平均サイズを有してよく、その粒度分布が１つ、２つまたはそれ超のモード（これはピークとも称することができる）を示し得る、複数のｃＢＮ結晶粒とブレンドすることができる。例えば、超音波処理という手段を、ｃＢＮ結晶粒をケイ化チタン粉末とブレンドするために使用することができる。いくつかの例示の方法では、ｃＢＮ結晶粒とケイ化物粉末を、せん断混合によってブレンドすることができる。ここでは、粉末をヘキサンまたは他の適切な液状媒体中で混合し、次いで乾燥し、適切なサイズ、例えば約２２０μｍの結晶粒を選択するためにふるいにかけることができる。いくつかの例示の方法では、ｃＢＮ結晶粒およびケイ化物粉末は、鋼球の助けを得て、振動型混合機（shaker-mixer）（Ｔｕｒｂｕｌａ（商標）ブレンダーなど）で混合することができ、続いて鋼球を取り除き、ブレンドされた粉末がもたらされることになる。超音波処理混合の使用は、焼結されたｃＢＮ複合材料の微細構造において優れた均一性をもたらすことができ、これは、バインダーマトリクスにおいて明らかに、材料のより少なくかつより小さい凝集体を含むか、または材料凝集体を実質的に含まない可能性がある。
【００２３】
ｃＢＮ結晶粒とケイ化チタン粉末の相対量は、所望質量または体積含量のｃＢＮが焼結されたｃＢＮ複合材料中に存在するように選択されることになる。それは、複合材料の少なくとも６５体積パーセントであり、少なくとも７０、少なくとも８０または少なくとも９０質量パーセントであってよい。ｃＢＮ結晶粒をケイ化チタン粉末とブレンドする場合、少量のｃＢＮとＴｉおよび／またはＳｉが反応してＴｉＮおよび／またはＴｉＢ2および／またはＳｉ3Ｎ4を生成することに起因した少量のｃＢＮの損失を考慮することができる。この仕方で損失する可能性があるｃＢＮの量は、ｃＢＮ結晶粒の比表面積に依存することになり、これは、ｃＢＮ結晶粒の形状および粒度分布ならびに品質に依存することになる（言い換えれば、最初に必要と思われる量より少し多いｃＢＮをこの潜在的な影響を埋め合わせるために添加することができる）。
【００２４】
次いで、混合されたケイ化物粉末およびｃＢＮ結晶粒を含む粉末または顆粒を形成させ、圧縮して、ディスクなどの焼結前本体をもたらすことができる。焼結前本体は、超硬合金（cemented carbide）基材にくっつけて配置する必要はなく、耐熱金属ジャケット中に封入し、真空下、約７５０℃で約３０分間ガスを抜くことができる。ガス抜きステップの後、その封入されたディスクを、二重ジャケット化された焼結前本体をもたらすようにジャケット化された追加的な耐熱金属中で密封することができる。封入された焼結前本体は、そこでｃＢＮが熱力学的に安定である高圧、例えば少なくとも約３ギガパスカル（ＧＰａ）、少なくとも約５．５ＧＰａまたは少なくとも約６．５ＧＰａ、およびそこで金属ケイ化物中のチタンまたは他の金属がｃＢＮと反応してＳｉ3Ｎ4、ＴｉＮおよび／またはＴｉＢ2を生成することができる高温にかけられることになる。一般に、３〜８ＧＰａの範囲のより高い焼結圧力は、より高密度の焼結された複合材成形体をもたらし、使用において特定の優れた特性および挙動を示すことができる。いくつかの例では、その圧力は約６．５〜約７．０ＧＰａであってよく、その温度は少なくとも約１，３００〜約１，４５０℃であってよい（一般に、より高い圧力が使用される場合、より高い温度を使用することができ；したがって、約６．８ＧＰａの圧力について約１，４５０℃の温度を使用することができる。
【００２５】
原料粉末を焼結させるために使用される温度は、ｃＢＮと反応していない残留ケイ化物の相対量に対して影響を及ぼすことになり；一般に、かつそれ以外が等しい場合、焼結温度が低ければ低いほど、焼結された複合材料中の残留金属ケイ化物の含量はより高い可能性がある。
【００２６】
上記した例示の方法では、主にケイ化チタンに言及してきたが、ケイ化ハフニウムまたはケイ化ジルコニウムなどの他の金属ケイ化物相を含む原料を作製するための方法は、実質的に同様であろう。
特定の例示のｃＢＮ成形体は、少なくとも５０または少なくとも５２ＨＲＣの硬度（ロックウェルＣスケールでの硬度）を有する焼入れ鋼鉄および／またはねずみ鋳鉄などの鋳鉄のターニングまたはミリングなどの強断続機械加工操作における使用のために特に効果的であるようである。
【００２７】
特定の理論に拘泥するわけではないが、ｃＢＮ結晶粒の、ケイ化物相粉末からの元素との化学反応は、ｃＢＮ結晶粒とバインダーマトリクスの間に強い結合をもたらすことができる。例えば、金属ホウ化物および／または金属窒化物反応生成物の微細構造はｃＢＮ表面と強固に結合することができる。そうした反応結合が起こるためには、ｃＢＮ複合材料を焼結させるための原料として使用されるケイ化物相は、ホウ素源と反応して金属ホウ化物化合物を生成する、かつ／または、窒素源と反応して金属窒化物化合物を生成することができる金属を含むことが必要となる。潜在的に、そうした金属およびｃＢＮの窒化物および／またはホウ化物反応生成物は、ｃＢＮ結晶粒と結合した層またはコーティング様の微細構造の形態であってよい。ｃＢＮ結晶粒と反応していなかった残留するケイ化物相などの少量の比較的脆性の材料の存在は、ｃＢＮ複合材料の耐衝撃性および強度を増進させることができる。ケイ化チタンなどのケイ化物化合物は、比較的脆い可能性があり、窒化チタンおよび／またはホウ化チタン、および／またはバインダーマトリクス中に存在する他の材料より潜在的により脆い（強さまたは丈夫さがより小さい）可能性がある金属間相として存在していてよい。潜在的に、少量の比較的脆い材料の存在は、ｃＢＮ複合材料の耐衝撃性および／または強度、特に衝撃強度を改善するのに効果的である可能性がある。衝撃強度は、ワークピースの断続機械加工のために使用される材料の重要な特性であるようである。特定の理論に拘泥するわけではないが、これは、ケイ化物相内で亀裂がまん延する、実際には、ケイ化物相を「粉々にする（shattering）」ことによって衝撃エネルギーを消費するケイ化物相によって起こる可能性がある。例えば、ｃＢＮ複合材料を通って伝搬する亀裂がケイ化物相の区域または結晶粒に到達する場合、そのエネルギーの相当な量はそうした「粉々にする」ことに消費され、したがって、そのさらなる伝搬を減衰させるまたは防止することができる。ケイ化物相があまりに多過ぎた場合、「粉々にする」効果が、ますます長い範囲を有し、複合材料の著しく大きい体積において起こる可能性があるので、複合材料の全般的耐衝撃性は低下する可能性がある。追加的にまたは代替的に、ケイ化物相の含量が高すぎると、化学的耐性または他の耐摩耗性などの複合材料の特定の他の特性に有害な影響を及ぼす可能性がある。相の存在が少なすぎると、潜在的な亀裂減衰または抑制効果は、重要性がずっと小さくなるかまたは無視できることになり得る。
【００２８】
特定の理論に拘泥するわけではないが、例として開示されたｃＢＮ複合材料は、ｃＢＮ結晶粒とバインダーマトリクスの間の強い反応結合の態様を、断続機械加工に特に助けとなり得る耐衝撃性などの複合材料の特定の機械的特性を増進させるのに効果的である残留ケイ化物材料の量と結びつけるようである。
【００２９】
特定の理論に拘泥するわけではないが、それをｃＢＮ結晶粒とブレンドする前に金属ケイ化物材料を摩擦ミリングし、微細な分割された金属ケイ化物原料粉末をもたらすステップを含む、複合材料を作製するために使用される例示の方法は、バインダー微細構造の均一性を増進させる、または、いくつかの他の仕方で、バインダー微細構造を変化させる態様を有することができる。
非限定的で非包括的な例を、ここでより詳細に説明することとする。
【００３０】
（例１〜６）
以下で説明するような２種類の断続機械加工試験を実行するために、同じ焼結されたディスクから切り出された例示のｃＢＮ複合材料を含む６対の試験機械ツールを作製した。参照ｃＢＮ複合材料を含む１対の参照ツールも作製し試験した。例示の切削ツールはすべて、同じ構造を有し、名目上同じｃＢＮ複合材料を含んだ。これは、９０体積パーセントのｃＢＮ結晶粒、ＴｉＮ、ＴｉＢ2、Ｓｉ3Ｎ4ならびにケイ化チタン金属間相ＴｉＳｉおよびＴｉＳｉ2を含んだ。
【００３１】
参照材料は、強断続ハードターニングのために使用されるＡＭＢ９０（商標）ＰＣＢＮ、エレメントシックス（Element Six）製品であった。参照材料は、約６μｍの平均結晶粒サイズを有するアルミニウム（Ａｌ）粉末とブレンドされたｃＢＮ結晶粒を焼結させることによって作製した。そのｃＢＮの質量含有率はブレンドされた粉末の約９０パーセントであり、残部はＡｌ粉末からなる。ｃＢＮ結晶粒は、３〜８μｍの範囲の平均サイズを有していた。ブレンドされた粉末を圧縮して焼結前ディスクを形成させ、これを、約５．５ＧＰａの焼結圧力、約１，２５０℃の焼結温度に約３０分間かけた。
例示のｃＢＮ複合材料は以下の通り作製した。ＴｉとＳｉ粉末を、３Ｔｉと２Ｓｉのモル比で一緒にブレンドし、１０-3〜１０-6ミリバール（ｍｂａｒ）に減圧した真空炉中で、約１，１００℃の熱処理にかけた。反応生成物は、少なくともＴｉＳｉおよびＴｉＳｉ2を、比較的大きなピースの形態で含み、これを粉砕し、約２１２μｍまでのふるいにかけ、次いで、ヘキサン中、４時間の摩擦ミリングによって粉砕して約１．５〜２．５μｍの平均結晶粒サイズを有する十分にブレンドされた粉末を得た。摩擦ミリングされた粉末を回収し、ロータリーエバポレーターで乾燥し、次いで、オーブン中、６０℃で終夜さらに乾燥した。
種々の例について表４に示すように、微細なケイ化チタン粉末を、９０質量パーセントの２〜２０μｍの平均サイズを有するｃＢＮ結晶粒とブレンドした。例１〜６について、粉末をブレンドするために種々の方法を使用した。例１、２および６では、ｃＢＮおよびＴｉ−Ｓｉ反応生成物粉末をヘキサン中での超音波処理によってブレンドし；例４では、（Ｔｕｒｂｕｌａ（商標））振動型混合機および鋼球によってブレンドし；例５では、プラネタリーボールミキサーによってブレンドした。
【００３２】
例１、２および６における超音波処理混合は、ヘキサンをＴｉ−Ｓｉ反応生成物粉末に添加するステップと、得られた懸濁液中に超音波プローブを導入するステップと、２５％の振幅（２，０００ｂｄｃを有するＢｒａｎｓｏｎ（商標）装置を使用して、２０ｋＨｚの最大周波数、２．２ｋＷの最大出力および全波５０ｍｍ直径チタンホーン）で５分間超音波処理にかけるステップを含んだ。次いで、ｃＢＮ含量が一緒にしたＴｉ−Ｓｉ粉末およびｃＢＮの混合物の９０質量パーセントとなるような量のｃＢＮ粉末を懸濁液中に導入し、一緒にした懸濁液を、同じ振幅で１０分間超音波処理にかけた。懸濁液をロータリーエバポレーター中で乾燥させ、次いでオーブン中、６０℃で少なくとも５時間乾燥させた。混合粉末を窒素雰囲気中で約２５℃に冷却させ、約２１２μｍ未満までのふるいにかけた。
【００３３】
例４の振動型混合は、９０質量パーセントのｃＢＮ粉末を１０質量パーセントのＴｉ−Ｓｉ反応生成物粉末と一緒にするステップと、それぞれが８ｍｍ直径である８ＷＣボールを導入するステップを含んだ。粉末を１時間振動型混合させ、続いてＷＣボールを取り除いた。
【００３４】
例５のプラネタリーボール混合は、９０質量パーセントのｃＢＮ結晶粒を１０質量パーセントのＴｉ−Ｓｉ反応生成物粉末と一緒にするステップと、一緒にされた粉末とボールの質量比が１：２．５となるように３ｍｍの直径を有するＷＣボールを導入するステップを含んだ。粉末の体積とヘキサンの体積が約２：１となるように、混合された粉末にヘキサンを添加した。この懸濁液を、１分間当たり９０回転（ｒｐｍ）で３０分間プラネタリーボールミリングにかけた。ボールを取り除き、そのスラリーまたは懸濁液をロータリーエバポレーター中で乾燥し、続いて、オーブン中、６０℃で少なくとも５時間乾燥させた。混合された粉末を窒素雰囲気中で約２５℃に冷却し、約２１２μｍ未満にまでふるいにかけた。
ｃＢＮおよびケイ化チタン結晶粒を含むブレンドされた原料粉末を圧縮して、複数のディスクを形成させた。圧縮されたディスクを、超高圧炉（超高圧プレスと称することもできる）用の反応カプセル内に封入し、約６．８ＧＰａの超高圧および約１，４５０℃の温度に約１０分間かけてｃＢＮ複合材料からなる焼結されたディスクを得た（例３を焼結させるためにはやや低い温度を用いた）。ディスクを細かく切断してカッターエレメント前駆体本体を形成させ、次いで、これを、ダイヤモンド研削によってさらに処理して、６つの例示の切削ツールのための６つのカッターエレメントを得た。
【００３５】
図３を参照して、ＸＲＤスペクトルでの、４５．７７°の約２Θ近傍のケイ化チタン（ＴｉＳｉ2）（３１１）Ｘ線回折ＸＲＤピークの高さ対５２．１°の２Θの二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）（１０１）ピークの高さの比を、例２および６について測定した。これらの比は約０．３７と測定され、これは、この複合材料が、比較的低い含量のＴｉＳｉ2および多分他のケイ化チタン材料を有していることを示しているようである（以下で説明する他の例７および９において、ここでは、ｃＢＮ含量は６５体積パーセントであり、この比は約１．０であった）。これは、ケイ化チタン材料の含量がｃＢＮ複合材料の約２〜３質量パーセントであり得ることを示していると推定される。
例示のｃＢＮ複合材料を含む例示的なターニングツールを作製した。焼結されたｃＢＮ複合材ディスクを、それぞれが３．２ｍｍの厚さを有する寸法１０×１０ｍｍをもつピースにカットした。ツール切削エッジを、２５°の食付き角（chamfer angle）、２０μｍのエッジホーンおよび−６°のレーキ角を形成させることによって調製した。このツールを、Ｋ３０ねずみ鋳鉄の鋳鉄試験（ブレーキディスク機械加工と同様）およびいわゆるＨ３０「Ｏ１クロック試験」で試験した。
【００３６】
例示のツールの各対の１つをターニング試験で試験した。ここで、カッターインサートを、Ｈ２５またはＨ３０ハードターニングと類似性があるように選択された条件下で、焼入れ鋼鉄からなる本体を機械加工（ターニングする）するために使用した。破壊傷のサイズが（切削速度ベクトルと平行に測定して）フランク摩耗傷の平均サイズより大きい、またはフランク摩耗傷の長さが少なくとも０．３ミリメートルに達する程度まで、例示のｃＢＮ複合材料によって規定されるカッターのエッジが破壊されたときに、各試験を終了した。これらの発生のいずれかの発生は、寿命基準の終わりであり、これは、測定された切削力の比較的急激な変化で明らかである。壊滅的なエッジ破壊は、０．３ミリメートル（ｍｍ）のフランク摩耗幅寸法が形成される前に起こる可能性がある。ｃＢＮ複合材料の性能は、達成すべき寿命基準が終わるのに要するパスの数に関連して報告することができる；インサート寿命が長ければ長いほど、試験でのｃＢＮ複合材料の性能はより良好である。この結果は、鋼鉄本体の断続切削を含む特定の工業用機械加工用途における、ＢＮ複合材料の潜在的な作業寿命の目安を提供すると期待される。
【００３７】
試験ワークピースは、円板の外周から軸方向に突き出ている一連のバー３０を含む図６に示されている（したがって名称は「クロック試験」）。バーのそれぞれは、ツールに対して９０°の咬合角度を提示しており、そのボリュームにわたって実質的に同じ硬度を有しており（これは、「通し焼入れされた（through hardened）」とも称することができる）、ロックウェルＣ硬度は、約６０〜６０ＨＲＣの範囲内にあり、ＡＩＳＩ４３４０規格による焼入れ鋼鉄材料である。この試験は、実際面での多くの用途における、機械加工ケースの焼入れ鋼鉄におけるＰＣＢＮ材料の潜在的性能のかなり良い目安を提供していると考えられる（特に、しかし排他的ではなく）。試験ワークピースおよび切削条件は、そのツールを、特定の比の連続的切削条件と断続切削条件にかけるように構成され、この比は、各切削サイクルについて実質的に一定である（これを「パス（pass）」と称することができる）。特に、この比は、一定の表面速度制御での面ターニングアプローチを採用することによって、試験を通して実質的に一定に保持された。バー３０の間の一連の正確な間隔は、試験ワークピース軸の回転の縦軸と平行に提供され、したがって、穴部の直径およびピッチ間隔は、工業界における特定の一般的なハードターニング操作を代表するようなターニング条件を提示すると予想される。
【００３８】
例示のツールの各対の他方を、ワークピースがねずみ鋳鉄からなるＫ３０断続機械加工試験において使用し、その応答変数は、特定の距離の切削の後の摩耗傷のサイズであった（ワークピースから取り除かれた材料）。Ｈ３０およびＫ３０試験のさらなる詳細を以下に示す。Ｏ１ツール鋼鉄を用いて「ブレーキディスク」Ｋ３０およびＨ３０「クロック試験」において使用した試験パラメーターを表２に示す。Ｋ３０試験で使用したねずみ鋳鉄材料のグレードについての情報を表３に示す。使用したグレードは、他のグレードＧＧ２０およびＧＧ２５と比較して比較的良好な耐摩耗性、強度および熱処理応答を提供し、妥当な機械加工性および優れた表面仕上げを有する。使用したねずみ鋳鉄のグレードのブリネル硬度は１９０〜２６０であった。表２に示すように、一般に、ＰＣＢＮツールは、比較的高い切削速度でねずみ鋳鉄を機械加工するために使用される。
【００３９】
【表２】
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【００４０】
【表３】
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【００４１】
走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）およびＸ線回折（ＸＲＤ）分析により、ｃＢＮ結晶粒とチタン（Ｔｉ）およびケイ素（Ｓｉ）の供給源との間の反応結合によって生じたようである、相当な量の二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）および窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）相の存在を確認した。例示のツールは、Ｈ３０用途におけるツール寿命に関して最大で約１００パーセント、およびＫ３０用途における耐摩耗性に関して３０パーセントの改善を示した。
【００４２】
例示のツールの６つの対のそれぞれのＨ３０およびＫ３０切削試験の結果を、参照材料を使用して達成された対応する結果と合わせて、表４にまとめる。機械加工試験結果は、図４および図５にグラフでも示す。これは、両方の試験において、例示のｃＢＮ複合材料が、参照サンプルより実質的に良く機能していることを示している。Ｈ３０試験において、例示のカッターによって示されたパスの平均数は約６の標準偏差で約７６であり、他方、参照カッターについてのパス数は約３８であった。Ｋ３０試験において、例示のカッターで形成された平均摩耗傷サイズは約４μｍの標準偏差で約６８μｍであり、他方、参照カッターでの摩耗傷は約８５μｍであった。
【００４３】
【表４】
0006419959.tif 000005
【００４４】
これらの結果は、少量の１つまたは複数のケイ化チタン金属間相を含むバインダーマトリクスと反応結合した９０体積パーセントのｃＢＮ結晶粒を含むｃＢＮ複合材料は、比較的高い強度および強靱性を有しており、焼入れ鋼鉄およびねずみ鋳鉄の断続機械加工を含む機械加工操作において良好に機能しそうであることの強力な証拠を提供しているようである。
【００４５】
（例７〜１０）
約３０〜５０μｍの平均結晶粒サイズならびにそれぞれ９９．５および９９パーセントの純度を有するチタン（Ｔｉ）およびケイ素（Ｓｉ）粉末を、モル比２Ｔｉ＋３Ｓｉ（５３パーセントＴｉおよび４７パーセントＳｉの質量比）で、鋼球の助けを得て振動型混合機によって１時間混合した。混合された粉末を真空下、１，１００℃で２時間熱処理にかけ、Ｔｉ−Ｓｉ反応生成物材料を４時間摩擦ミリングにかけた。Ｔｉ−Ｓｉ反応生成物材料のＸ線回折（ＸＲＤ）分析により、酸素の平均含量が約８質量パーセント（±約５質量パーセント）であることが示された。
【００４６】
種々の例において、摩擦ミリングされたケイ化物反応生成物材料を、振動型混合機（Ｔｕｒｂｕｌａ（商標）混合機）および鋼球によって、表５に示したような平均サイズを有するｃＢＮ結晶粒と約１時間ブレンドし、混合された粉末を圧縮して、それぞれ５０グラム（ｇ）の質量を有するディスクにした。原料中のｃＢＮ含量は９０質量パーセントであり、残部はＴｉＳｉ反応生成物材料であった。各ディスクを耐熱金属ジャケット中に封入し、真空下、７５０℃で３０分間ガス抜きし、追加的な耐熱金属ジャケット中に密封し、約１，２５０℃の温度、約５．５ギガパスカル（ＧＰａ）での加圧にかけて例７〜１０を得た。
【００４７】
走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）分析によれば、これらの例示の複合材料のいずれにおいても実質的な凝集の証拠は示されなかった。これは、微細に分割されたＴｉ−Ｓｉ反応生成物材料が、ｃＢＮ結晶粒と非常に効果的にかつ均一にブレンドされていることを示唆している。ｃＢＮ結晶粒のバインダーマトリクスとの反応焼結の明らかな証拠が明白であった。
【表５】
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例示のｃＢＮ複合材料のそれぞれを含む例示の機械工作ツールを作製し、Ｋ３０型の用途での試験にかけた。これは、ブレーキディスクの機械加工における複合材料の目安を提供するようである。この試験の応答変数は、特定の数の切削パス（いわゆる「Ｖｂ」長さ）の後に、機械工作ツールの切削エッジで形成される摩耗傷のサイズであった。これを、例示のツールのそれぞれについて表５に示す。性能のこの尺度に関して、例７〜１０のすべてが、参照ＡＭＢ９０（商標）ＰＣＢＮ材料に対して、優れた性能を示した。
【００４８】
（例１１〜１５）
６５、８０および９０体積パーセントを含む例示のｃＢＮ複合材料を、例１５を焼結させるための用いた温度が、他の例のために使用した温度より約１００〜２００℃低いと推定されたこと以外は、実質的に例１〜６に関して説明したような方法を使用して作製した。
【００４９】
この材料をＸＲＤ分析にかけた。ＸＲＤスペクトルで、４５．７７°の約２Θでのケイ化チタン（ＴｉＳｉ2）（３１１）Ｘ線回折ＸＲＤピーク（ＴｉＳｉ2について最も強いピーク）の高さ対約５２．１°の２Θでの二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）（１０１）の最も強いピークの高さの比を測定した。結果を表６に示す。
【表６】
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【００５０】
複合材料中に残る残留ケイ化物の量は、ｃＢＮ結晶粒の少なくとも平均サイズおよび潜在的に粒度分布、複合材料中のｃＢＮ結晶粒の含量ならびに複合材料が焼結される温度によって影響されるようである。この後者の点は、その傾向がその比が比較的低いｃＢＮ含量についてより高く、比較的高いｃＢＮ含量についてより低いので、例１５についてのＴｉＳｉ2／ＴｉＢ2比が、他のデータの検査によって予想されるものより高いという事実によって示される。特定の理論に拘泥するわけではないが、例１５についての焼結温度の低下は、より高い比（すなわち、比較的高いケイ化物相の含量）をもたらすようである。
【００５１】
本明細書で使用する特定の用語および概念を以下で簡単に説明する。
本明細書で使用する、機械工作ツールは、ワークピースからの材料の選択的除去によって部品を製造する（機械加工と称することができる工程）ために使用し得る動力付き機械的デバイスである。物品の製造において機械加工されることになる本体は、ワークピース材料と称することができ、一般に、金属、合金、複合材料、木材、炭素繊維強化ポリマーを含むポリマーを含むことができる。切削ツールは、その上に、ワークピースからのチップがある表面または表面（複数）であるすくい面を有することができ、このすくい面は、新たに形成されたチップの流れを方向づける。「チップ」は、使用している機械工作ツールによって本体のワーク表面から除かれる本体のピースである。カッターインサートのフランクは、カッターインサートによって本体上に作られる機械加工された表面上を通る表面である。フランクは、本体からのクリアランスを提供することができ、２つ以上のフランク面を含むことができる。切削エッジは、本体の切削を実行しようとするすくい面のエッジである。
本明細書で使用する、「荒削り（roughing）」は、大きい切削深さおよび送り速度を用いることによって、ワークピース材料が比較的高い速度で除かれる攻撃的な形態の機械加工を指す。これは、そこで、対象物が高い許容範囲の仕上げをもたらすことになり、切削深さおよび送り速度がより小さくなる「仕上げ（finishing）」とは区別される。荒削り操作では、ツールの切削エッジ上の負荷は、仕上げ操作でのそれよりずっと大きく、したがって、切削エッジは、荒削り操作において、特にレーキ角が正である場合、ずっと強い必要性がある。これは、困難または極めて困難なものになるが、比較的脆性の材料は一般に、特定の機械加工が困難なワークピース材料、例えばチタン合金を荒削りするのに適していない。例えば、ＰＣＤ、ＰＣＢＮまたは高度なセラミックは、これらの材料の高い耐摩耗性にもかかわらず、機械加工が困難な材料の荒い削りの機械加工のためには一般に使用されない。
【００５２】
荒い機械加工操作では、送り速度および切削深さは比較的大きく、ツールの切削エッジに対する負荷は大きく、しばしば約５〜１０ｋＮ（キロニュートン）の範囲に及ぶ。荒い機械加工は、意図的であっても意図的でなくても「断続（interrupt）」局面を含むワークピースにおいてしばしば行われる。例えば、断続は、鋳造の間に発生したガス、スラグまたは砂粒子からの「Ｖ」字型の溝または空隙の形態であってよい。荒い機械加工では、寸法許容差は仕上げ操作の場合ほど重要ではなく、１ｍｍに及びそれを超えるフランク摩耗値が許容され得る。結果として、摩耗ではなくむしろチップ抵抗は、荒い機械加工における支配的な破壊モードであるようである。
ＰＣＢＮ材料などのｃＢＮ複合材料を含む切削ツールは、３つの広範な鉄材料のグループ、すなわち、焼入れ鋼鉄（「ハードターニング」）、比較的柔らかいマトリクス中にハード結晶粒を含む焼結粉末金属ならびにねずみ鋳鉄およびハード鋳鉄を機械加工するのに使用することができる。例示の種類の焼入れ鋼鉄は、少なくとも５０ＨＲＣまたは少なくとも５２ＨＲＣのロックウェル「Ｃ」硬度を有することができる。
【００５３】
機械加工操作は、全体的操作を通して、ワークピース物品（言い換えれば、機械加工されている本体）と係合されたままの切削ツールを含むことができ、また、その操作の間に、ワークピースとの係合と係合解除を繰り返すことができる。例えば、ワークピースは、潜在的に窪み部および突起部を有する比較的複雑な形状を有することができる、かつ／または機械加工操作は、切削ツールの回転が、回転の弧を介してのみワークピースと繰り返し係合することになるミリングを含むことができる。切削ツールがワークピースと係合し、操作の一部によってそれから材料を取り除き、その操作の残りについてそれから係合解除されることになる機械加工のモードを、「断続機械加工」または「断続切削」と称することができる。ワークピースの構成に付随する様々な因子が、機械加工過程ならびに切削エッジのための適切な切削ツールおよび材料の選択に影響を及ぼすことになるようである。特に、そうした因子は、「咬合角度」、断続切削の割合および「連続した咬合長さ」を含み得る。機械加工操作に付随する因子は、いくつか挙げるとすると、「送り速度」、「レーキ角」、「切削速度」および「切削深さ」を含むことができる。
【００５４】
咬合角度および連続的なエッジ長さは、ターニングにかけられる細長いワークピースを通した側部横断面の形状を説明する助けとなるパラメーターであり、ここで、ワークピースは、ワークピースの反対端と連結する中央縦軸の周りを急速に回転することになり、切削ツールは、ワークピースの表面に近接している材料と係合し、それを切削するように配置される。切削操作の結果として、ワークピースの外側半径方向寸法が小さくなってくるので、切削ツールも半径方向内向きに動くことができ、ワークピースの側部に沿って、後者の縦軸と一列に並んだ方向に移動することができる。
【００５５】
機械加工しようとする試験ワークピース本体は、そこから複数のスポーク形成物が半径方向に外へ突き出ている中心丸形コアの一般的形状を有することができる（示され説明されているワークピース構造は、簡単にするために使用されており、説明されている概念は、一般に不規則なまたは非対称のワークピースを含むワークピース構造に適用されることになる）。咬合角度Φは、切削エッジと、切削ツールによって係合させ、切削しようとするアプローチングスポークの側部表面との間のものである。例えば、ワークピースが、スポーク形成物の側部が中心縦軸に向かう放射面上に横たわるように構成されている場合、その咬合角度は９０°となり；スポーク形成物の側部が放射面と一列に並ぶのではなく内側に傾いている場合、咬合角度は９０°未満となる。９０°の咬合角度は、断続切削操作において、切削ツールに特に厳しい影響を与えることになる。反対に極端な場合では、０°の咬合角度は、実質的に、断続が全くないことに相当し、このツールは、少なくとも、ワークピースの回転のその部分について、実質的に、ワークピースを連続的なモードで機械加工することになる。完全に連続的な機械加工では、切削エッジは、後者の全回転を通して、ワークピースと係合されたままになることになる（ターニングは、咬合角度の概念を説明するための例として用いられる。これは他の種類の機械加工操作にも適用され得る）。
【００５６】
ワークピース材料での咬合角度の急激さ（abruptness）は、０〜３０にわたるスケールによって特徴づけることができる。ここで、３０は最も厳しい断続条件を表す。例えば、焼入れ鋼鉄の断続切削はＨ５〜Ｈ３０のスケールであってよく、自動車または他の車輌用のブレーキディスクで使用されるねずみ鋳鉄またはノジュラー鋳鉄のそれは、Ｋ０５〜Ｋ３０のスケールであってよい。
切削ツールの動きは、種々のパラメーターに関して特徴づけることができる。例えば、いわゆる「ＯＤ」（外径）機械加工において、ツールは、回転するワークピースの側部に沿って長手方向に、一方の端部から離れて反対側の端部に向かってフィードされることになり；「面ターニング」では、切削されているワークピースの直径が小さくなるのにしたがって、ツールは半径方向に内側に向くことになる。
連続した咬合長さは、距離の単位で、またはワークピースの径方向断面を囲む円の外周のパーセンテージとして、スポーク形成物の最も外側の部分の弧の長さを指す。これを、切削ツールがそれにわたってスポーク形成物と係合している時間に関して表すこともできる。連続した咬合長さは、距離、時間の単位で、または全回転のパーセンテージとして表される、個々のスポーク形成物についての長さ、またはすべてのスポークを一緒にした長さを指すこともできる。
【００５７】
焼入れ鋼鉄の断続機械加工（「ハードターニング」と称することもできる）におけるツールについての機械加工試験は、おおまかに、Ｈ０５〜１０（９０〜１００パーセント連続的な切削およびより低い咬合角度）、Ｈ１５〜Ｈ２０（このツールは、表面仕上げ（facing）およびターニング用途において、単位長さ当たり約６０〜８０パーセントの時間、中間咬合角度まで低くワークピースと接触している）、およびＨ２５〜Ｈ３０（連続的な機械加工は、変動しながら、しかし面または外側に沿っておよそ等距離のギャップで、単位長さ当たり約３０〜５０パーセントである）に分けることができる。ワークピースの構造に応じて、９０°に近い高い咬合角度はしばしば用いられる。
【００５８】
本明細書で使用する、超硬質材料は、少なくとも約２５ギガパスカル（ＧＰａ）のヴィッカース硬度を有する。ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）材料は、超硬質材料の例である。超硬質カッターセグメントは、その切削エッジが超硬質材料によって少なくとも部分的に規定される超硬質材料を含むことになる。多結晶性立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料は、バインダーマトリクス中に分散され、それと結合している立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の結晶粒を含む様々なグレード（または種類）の範囲の硬質複合材料を含む。ＰＣＢＮ材料のいくつかの例では、ｃＢＮ結晶粒の含量は、少なくとも約６０体積パーセント、少なくとも約７０体積パーセントまたは少なくとも約８０体積パーセントである。
【００５９】
ＰＣＢＮは、２つの広いグループ、すなわち、そこでｃＢＮ含量がそれぞれ約３０〜７０体積パーセントおよび約７０〜９５体積パーセントである「低ｃＢＮ」および「高ｃＢＮ」に分けることができる。高ＣＢＮ材料は、ワークピースまたはその中に含まれる材料の形状の特徴の結果として生じ得る、より高度な断続切削を含む操作のために使用されるようである。より高いｃＢＮ含量はより強いＰＣＢＮをもたらす傾向があり、これは、断続操作のために特に重要である。
超硬質材料は極めて硬いが、それらは一般に、超硬合金材料より強さおよび頑丈さが劣り、結果として、それらは破砕およびチップ化をより受けやすい。超硬合金切削ツールは、ＰＣＤおよびＰＣＢＮが摩耗に対して著しく耐性があるという事実にもかかわらず、それらのより高い強靱性およびチップ耐性に起因して、ＰＣＤおよびＰＣＢＮツールより良好なツール寿命をもたらすことができる。例えば、標準的な教科書は、可能である場合、チタン合金の荒い機械加工または荒削りのためには、負のレーキ角を有する炭化物ツールを使用すべきであると指示している。超硬合金ツールではなくＰＣＢＮツールを使用する利点は、ＰＣＢＮ材料の優れた耐火性の「高温硬度」に起因しており、これは、その速度が１分当たり少なくとも１５０メートル（ｍ／ｍｉｎ）であり、切削ツールとワークピースの接触面で比較的高い温度が発生することになる、より高速の切削操作において特に有利であるようである。
【００６０】
ｃＢＮは鉄類と比較的非反応性であるが、ＰＣＢＮ材料中に含まれるＣＢＮ結晶粒の化学的摩耗は、連続的な機械加工において到達する高温で明白なようである。したがって、比較的高い含量のｃＢＮ結晶粒を含む高いＰＣＢＮは、そこでツールインサート材料が比較的強く、比較的高温でその硬度を維持する必要がある、断続機械加工などの操作において使用されるようである。比較的低い含量のｃＢＮ結晶粒を含むＰＣＢＮ材料は、そこでツールインサート材料が化学的摩耗に対して比較的耐性がある必要がある、連続的な機械加工などの操作において使用されるようである。比較的大きなｃＢＮ結晶粒を含むＰＣＢＮ材料の強度は、一般に、比較的小さい（微細な）ｃＢＮ結晶粒を含むＰＣＢＮ材料の強度より低く、その他はすべて同等であるようである（これは、ｃＢＮの含量が比較的高い場合に特に明白である）。したがって、微細な結晶粒ＰＣＢＮはより強いようであり、粗い結晶粒ＰＣＢＮ材料より良好なワークピース表面仕上げをもたらす。
【００６１】
一般に、比較的粗いｃＢＮ結晶粒を含むＰＣＢＮ材料は、いくつかの用途において、ワークピースの非常に劣った表面仕上げをもたらすことになると予期される。したがって、機械加工操作のためのＰＣＢＮ材料中に含まれるｃＢＮは実質的に約４μｍよりは大きくない傾向を有しており、市場で最も使用されているＰＣＢＮ材料は、約１μｍ〜約２μｍの範囲のｃＢＮ結晶粒を含む。開示されている例示のＰＣＢＮ材料（ｃＢＮ複合材料とも称される）は、２〜２０μｍの平均（ｄ５０）値を有するより広い範囲の結晶粒サイズに及ぶ。
【００６２】
高い機械加工速度と組み合わせたある程度の断続切削を含む中間機械加工操作は、ＰＣＢＮ材料を設計するために難題をもたらす。特定の用途、例えば、ＰＣＢＮ材料が、中間断続モード（いわゆる「ドリルされた４３／４０」で特徴づけられるような）で焼入れ鋼鉄を機械加工するために使用される用途では、ＰＣＢＮ中に含まれるｃＢＮのある程度の化学的ならびに研削的摩耗がある傾向がある。そうした用途における、主な破壊モードは、化学的（クレーター）摩耗とワークピースの断続的な性質に伴う衝撃の組合せによってもたらされると考えられるチップ化である。
【００６３】
本明細書で使用する、特定の構成要素「から実質的になる」材料は、その材料が、実際的には避けられない少量の不純物を別としたその構成要素からなることを意味する。
本明細書で使用する、金属が具体的に言及されている金属ケイ化物または金属ホウ化物という語句は、一般に、１つまたは複数の金属原子、および１つもしくは複数のケイ素またはホウ素原子をそれぞれ含む化合物を指すことになる。例えば、別段の記述のない限り、金属ケイ化物相は、対応するケイ化物および／または二ケイ化物化合物および／または３つ以上のケイ素原子を含む化合物を含むことができる。特に、ケイ化チタンは一般にＴｉＳｉおよびＴｉＳｉ2を含み、ホウ化チタンはＴｉＢ2を含むことになる。しかし、具体的な化合物を挙げることができ、これらは、一般に、別段の記述のない限り、化学量論的、サブおよびスーパー化学量論的形態の化合物を指すことになる。
本発明のまた別の態様は、以下のとおりであってもよい。
〔１〕バインダーマトリクス中に分散された少なくとも６５体積パーセントの立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）結晶粒からなる複合材料であって、
バインダーマトリクスが、
ｃＢＮ結晶粒と結合した複数の微細構造、および
ｃＢＮ結晶粒間の複数の中間区域
を含み；
微細構造が金属の窒化物またはホウ素化合物を含み；
中間区域がケイ素と化学的に結合した金属を含むケイ化物相を含み；
ケイ化物相の含量が複合材料の２〜６質量パーセントであり；
ｃＢＮ結晶粒が０．２〜２０μｍの平均サイズを有する
複合材料。
〔２〕ケイ化物相がセラミック相または金属間相である、前記〔１〕に記載の複合材料。
〔３〕金属がチタン（Ｔｉ）である、前記〔１〕または〔２〕に記載の複合材料。
〔４〕微細構造が窒化チタン（ＴｉＮ）を含む、前記〔３〕に記載の複合材料。
〔５〕微細構造が二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）を含む、前記〔３〕または〔４〕に記載の複合材料。
〔６〕ケイ化物が、化学式ＴｉxＳｉy（式中、ｘは０．９〜１．１であり、ｙは０．９〜１．１である（実質的にＴｉＳｉ））を有するケイ化チタン材料を含む、前記〔３〕から〔５〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔７〕ケイ化物が、化学式ＴｉxＳｉz（式中、ｘは０．９〜１．１であり、ｚは１．９〜２．１である（実質的にＴｉＳｉ2、二ケイ化チタン））を有するケイ化チタン材料を含む、前記〔３〕から〔６〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔８〕金属ホウ化物材料が二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）を含み、複合材料中の二ケイ化チタンと二ホウ化チタンの相対量が、ケイ化チタンの（３１１）Ｘ線回折（ＸＲＤ）ピーク対二ホウ化チタンの（１０１）ＸＲＤピークの比が０．２〜１．１となるようなものである、前記〔７〕に記載の複合材料。
〔９〕金属が、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）またはジルコニウム（Ｚｒ）である、前記〔１〕または〔２〕に記載の複合材料。
〔１０〕ケイ化物相が、微細構造によって、ｃＢＮ結晶粒から間隔をおいて隔てられている、前記〔１〕から〔９〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔１１〕微細構造が、ｃＢＮ結晶粒の表面領域と結合したコーティング層の形態である、前記〔１〕から〔１０〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔１２〕ｃＢＮ結晶粒の含量が、複合材料の少なくとも８０体積パーセントである、前記〔１〕から〔１１〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔１３〕ｃＢＮ結晶粒の含量が、複合材料の少なくとも９０体積パーセントである、前記〔１〕から〔１２〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔１４〕ｃＢＮ結晶粒が、０．１〜１０μｍの平均サイズを有する、前記〔１〕から〔１３〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔１５〕複合材料の表面上でみたｃＢＮ結晶粒の面積分布が、少なくとも２つのモードを有する、前記〔１〕から〔１４〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔１６〕バインダーマトリクスが窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）を含む、前記〔１〕から〔１５〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔１７〕ケイ化物相の含量が、バインダーマトリクスの２０〜６０質量パーセントである、前記〔１〕から〔１６〕までのいずれかに記載の複合材料。
〔１８〕前記〔１〕から〔１７〕までのいずれかに記載の複合材料を使用する方法であって、
複合材料を含む切削エッジを含む機械工作ツールを用意するステップと；
断続モードで鉄材料を含むワークピースを機械加工するために機械工作ツールを使用するステップであって、
ワークピースが、連続した咬合長さが、機械加工操作の間の切削エッジとワークピースの表面の間を横断する距離の３０〜５０パーセントとなるように構成されているステップと
を含む方法。
〔１９〕ワークピースが、ワークピースの少なくとも一部が切削ツールに対して咬合角度を提供し、咬合角度が３０〜９０°であるように構成されている、前記〔１８〕に記載の方法。
〔２０〕ワークピースが、ロックウェル「Ｃ」硬度スケール（ＨＲＣ）で少なくとも５０の硬度を有する材料を含む、前記〔１８〕または〔１９〕に記載の方法。
〔２１〕ワークピースが、鋼鉄、鋳鉄または超合金材料を含む、前記〔１８〕から〔２０〕までのいずれかに記載の方法。
〔２２〕ワークピースが鋼鉄を含む、前記〔１８〕から〔２１〕までのいずれかに記載の方法。
〔２３〕ワークピースがねずみ鋳鉄材料を含む、前記〔１８〕から〔２２〕までのいずれかに記載の方法。
〔２４〕機械工作ツールが、支持本体と連結された複合材料を含む、前記〔１８〕から〔２３〕までのいずれかに記載の方法。
〔２５〕機械工作ツールがスローアウェイチップを含む、前記〔１８〕から〔２４〕までのいずれかに記載の方法。
〔２６〕機械工作ツールがターニングまたはミリング操作で使用するように構成されており、方法がターニングまたはミリング操作において機械工作ツールを使用するステップを含む、前記〔１８〕から〔２５〕までのいずれかに記載の方法。
〔２７〕ワークピースがブレーキディスクの製造に適しており、方法がワークピースを機械加工してブレーキディスクを作製するステップを含む、前記〔１８〕から〔２６〕までのいずれかに記載の方法。
〔２８〕前記〔１〕から〔１７〕までのいずれかに記載の複合材料を含む物品を作製する方法であって、
ケイ化物相前駆体を複数のｃＢＮ結晶粒と一緒にして原料組合せを用意するステップであって、ケイ化物相前駆体が、金属がｃＢＮ結晶粒と反応して窒化物またはホウ化物反応生成物を生成できるように選択され；
原料組合せ中のｃＢＮ結晶粒の含量が、複合材料中のｃＢＮ結晶粒の含量が複合材料の少なくとも６５体積パーセントとなるようなものであるステップと；
原料組合せを、ｃＢＮが熱力学的に安定な相である圧力に、ケイ化物相前駆体中に含まれる金属の一部がｃＢＮ結晶粒と反応してｃＢＮ結晶粒と反応的に結合した複数の微細構造を形成するのに十分に高い温度および十分な期間かけるステップであって；残留する金属ケイ化物相が、複合材料の２〜６質量パーセント、またはバインダーマトリクスの２０〜６０パーセントであり、化合物材料中に含まれるｃＢＮ以外の材料からなる残部であるステップと
を含む方法。
〔２９〕ケイ化物相前駆体が粉末形態であり、ケイ化物相粉末の結晶粒の平均結晶粒サイズが０．１〜５μｍである、前記〔２８〕に記載の方法。
〔３０〕ケイ化物相前駆体中に含まれる金属がチタン（Ｔｉ）である、前記〔２８〕または〔２９〕に記載の方法。
〔３１〕ケイ化物前駆体が、化学式ＴｉxＳｉy（式中、ｘは０．９〜１．１であり、ｙは０．９〜１．１である（実質的にＴｉＳｉ））を有するケイ化チタン材料を含む、前記〔３０〕に記載の方法。
〔３２〕ケイ化物前駆体が、化学式ＴｉxＳｉz（式中、ｘは０．９〜１．１であり、ｚは１．９〜２．１である（実質的にＴｉＳｉ2、二ケイ化チタン））を有するケイ化チタン材料を含む、前記〔３０〕または〔３１〕に記載の方法。
〔３３〕ケイ化物相前駆体中に含まれる金属が、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）またはジルコニウム（Ｚｒ）のいずれかを含む、前記〔２８〕または〔２９〕に記載の方法。
〔３４〕元素形態の金属とＳｉを、金属とＳｉが互いに反応できるように一緒にして、反応前の組合せを形成させるステップと；
金属がＳｉと反応してケイ化物相を含む反応した材料を形成するように反応前の組合せを処理するステップと；
反応した材料を粉砕してケイ化物相の複数の結晶粒をもたらすステップとによって、ケイ化物相を生産することを含む、前記〔２８〕から〔３３〕までのいずれかに記載の方法。
〔３５〕摩擦ミリングによって、反応した材料を粉砕するステップを含む、前記〔３４〕に記載の方法。
〔３６〕断続モードで鉄ワークピースを機械加工するのに適した機械工作ツールであって、前記〔１〕から〔１７〕までのいずれかに記載の複合材料を含み、切削エッジ、すくい面およびフランク面が複合材料を含む機械工作ツール。
〔３７〕ワークピースをターニングまたはミリングするための、前記〔３６〕に記載の機械工作ツール。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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