(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具の製造における使用のための焼結された成形体であって、
２４ｖｏｌ％の立方晶窒化ホウ素、及び
結合相、を含み、
前記結合相は、２．５ｖｏｌ％〜４．９ｖｏｌ％のグラフェンを含み、
前記結合相が、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、Ｙ2Ｏ3を含み、第４族元素を含まない、焼結された成形体。
【請求項２】
前記立方晶窒化ホウ素が約２０ミクロン未満の粒径を有する、請求項１に記載の焼結された成形体。
【請求項３】
前記グラフェンが約１．２％〜約２．０％の酸素含有量を有する、請求項１に記載の焼結された成形体。
【請求項４】
切削工具の製造における使用のための焼結された成形体の製造方法であって、
粉末ブレンドを混合する工程であって、粉末ブレンドは、２４ｖｏｌ％の立方晶窒化ホウ素、及び結合相を有し、前記結合相は、２．５ｖｏｌ％〜４．９ｖｏｌ％のグラフェンを含み、前記結合相が、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、Ｙ2Ｏ3を含み、第４族元素を含まない、工程、
該粉末ブレンドをプレスして錠剤にする工程、及び
該錠剤を高圧かつ高温で焼結させる工程、を含む、方法。
【請求項５】
前記立方晶窒化ホウ素が約２０ミクロン未満の粒径を有する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
焼結が約７５ｋＢａｒ未満の圧力で実施される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記焼結が約４５ｋＢａｒの圧力でかつ約１５００℃の温度で約３０分の間実施される、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記グラフェンが約１．２％〜約２．０％の酸素含有量を有する、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１１年１２月５日に出願された先の米国仮特許出願第６１／５６６７９８号の優先権の利益を主張するものである。
【０００２】
本開示は、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）切削工具並びに向上した耐摩耗性及び強度を有するｃＢＮ切削工具の製造方法に関し、より具体的には立方晶窒化ホウ素及び単層又は複層のナノスケール材料、例えばグラフェンを含む結合相を含む、焼結された成形体から作られる切削工具に関する。
【背景技術】
【０００３】
以下の背景技術の考察の中では、特定の構造及び／又は方法について言及されている。しかしながら、以下の言及は、これらの構造及び／又は方法が先行技術を構成することを認めるものとして解釈されるべきでない。出願人は、そのような構造及び／又は方法を先行技術として認定しない旨の説明をする権利を明確に有する。
【０００４】
立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の合成は、高圧かつ高温で、通常は６０ｋＢａｒ以上の圧力かつ１３５０℃以上の温度で実施される。アルミニウム及びその合金は、多くの場合、いくらか低い圧力、例えば約４５ｋＢａｒ〜７５ｋＢａｒの圧力での六方晶系窒化ホウ素（ｈＢＮ）からｃＢＮへの変態を触媒するのに使用される。結果生じるｃＢＮ粉末（すなわち、多結晶質ｃＢＮ）の成形体は、ｃＢＮ粒子間に直接ボンディングが存在して硬く強靭な固体の塊を形成しており、例えば金属の機械加工において有用である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
多結晶質ｃＢＮ（ＰＣＢＮ）の成形体は、成形体を硬く強靭な状態にするため、高含有量（例えば約６０ｖｏｌ％超）のｃＢＮで製造されている。しかしながら、幾つかの機械加工の用途では、そのような成形体は良い性能を示さないことが見出されている。例えば、硬い（例えば、５０ＨＲｃ超）鋼鉄又は圧縮黒鉛鉄（ＣＧＩ）を加工する場合、工具先端で起きた摩擦によって生み出された熱は、工具先端の温度を１０００℃超まで上昇させることがある。この高温がｃＢＮからその六方晶への結晶学的形態の後方変換を促進させると考えられ、早い摩耗及びＰＣＢＮ工具の故障をもたらす。これは通常「化学摩耗」と呼ばれており、ｃＢＮの量を、例えば約５０ｖｏｌ％未満まで減らし、それを従来の耐熱性セラミック、例えばＡｌ2Ｏ3、ＴｉＮ、Ｓｉ3Ｎ4等に置き換えることで軽減することができる。しかし、これらの従来のセラミックは硬度が低く一般にかなりもろいので、組成中にそれらの材料を含むＰＣＢＮ成形体は、機械加工の用途において破損によってより故障しやすい傾向にある。
【０００６】
添加剤は、例えばジルコニア（ＺｒＯ2）を１５ｖｏｌ％まで加えることによりアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）セラミック成形体の破壊靱性を向上させることが考えられている。セラミックホイスカー、例えばＳｉＣホイスカーもまたホットプレスアルミナセラミックに加えられている。
【０００７】
最近では、グラフェン（すなわち、個々の原子層のグラファイトシートが分離されているナノスケールのグラファイト粒子）が、１．５ｖｏｌ％までのグラフェンを加えることにより窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）セラミックの破壊靱性を強化することについて研究されている。しかしながら、Ｓｉ3Ｎ4材料は放電プラズマで焼結され、方法はＰＣＢＮ成形体の形成には適用できなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１つの実施態様において、切削工具の製造における使用のための焼結された成形体であって、該焼結された成形体が約１０ｖｏｌ％〜約９０ｖｏｌ％の立方晶窒化ホウ素、及び約０．１ｖｏｌ％〜約１０ｖｏｌ％の単層又は複層のナノスケール材料を含む結合相を含む、焼結された成形体を記載する。
【０００９】
別の実施態様において、切削工具の製造における使用のための焼結された成形体の製造方法を記載する。この方法は、約１０ｖｏｌ％〜約９０ｖｏｌ％の立方晶窒化ホウ素及び約０．１ｖｏｌ％〜約１０ｖｏｌ％の単層又は複層のナノスケール材料を有する粉末ブレンドを混合する工程、該粉末ブレンドをプレスして錠剤にする工程、並びに該錠剤を高温かつ高圧で焼結させる工程を含む。
【００１０】
別の実施態様において、焼結された切削工具であって、約１０ｖｏｌ％〜約９０ｖｏｌ％の立方晶窒化ホウ素、並びに従来のセラミック材料、例えばアルミナ、窒化チタン又は窒化ケイ素等を含み、かつ約０．１ｖｏｌ％〜約１０ｖｏｌ％の単層又は複層のナノスケール材料を含む結合相を含み、該単層又は複層のナノスケール材料が約２．０％未満の酸素含有量を有する、焼結された切削工具を記載する。
【００１１】
上述の一般的な説明及び以下の詳細な説明はいずれも例示的でかつ説明的なものであり、特許請求の範囲に記載される発明のさらなる説明を提供することを意図するものと解されるべきである。
【００１２】
以下の詳細な説明は、同様の数字が同様の構成要素を示す添付図面と関連付けて読むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】耐摩耗性試験から測定した、他の焼結された立方晶窒化ホウ素切削工具と比較した典型的な実施態様の工具性能のグラフを示す。
【図２】他の焼結された立方晶窒化ホウ素切削工具と比較した典型的な実施態様の衝撃靱性についての工具試験結果を示す。
【図３】典型的な実施態様の代表的なＸ線回折パターンを示す。
【図４】幾つかの典型的な実施態様において使用したグラフェンのラマンスペクトルを示す。
【図５】典型的な実施態様の代表的なラマンスペクトルを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の方法、システム、及び材料を記載するに当たり、本開示は、記載される特定の方法論、システム、及び材料に制限するものではなく、これらは変更可能であるということが理解されるべきである。また、本記載において使用される専門用語は、特定の変形態様又は実施形態のみを記載することを目的とするものであり、特許請求の範囲を限定することを意図したものではないことも理解されるべきである。例えば、ここで使用される単数形（「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」）は、文脈が明確に他の意味を示さない限り、複数の意味を含む。更に、ここで使用される「含む」という語は、「含むが、これに限られない」を意味するものである。別段の定めがない限り、ここで使用される全ての技術的及び科学的な用語は、当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。
【００１５】
他に示されていない限り、明細書及び特許請求の範囲で使用される成分、特性、例えばサイズ、重さ、反応条件などの量を表現する全ての数は、全ての場合において「約」という用語によって修飾されているものとして理解されるべきである。従って、そうでないと示されない限り、以下の明細書及び添付した特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、概算値であり、発明によって見出される所望の性質に依存して変更可能である。少なくとも、均等論の適用を特許請求の範囲に制限することを意図せず、各数値パラメータは、報告された有効数字の数に照らし、通常の丸み付け技術を適用することによって解釈されるべきである。
【００１６】
ここで使用される「約」という用語は、使用される数値のプラス又はマイナス１０％を意味する。従って、約５０％は４５％〜５５％の範囲を意味する。
【００１７】
ここで使用される「超砥粒粒子」という語は、５０００ＫＨＮ以上のヌープ硬度を有する超硬粒子を意味することができる。超砥粒粒子としては、例えばダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素を挙げることができる。
【００１８】
ここで使用される「グラフェン」という語は、黒鉛状炭素の形態であって、炭素原子が二次元六方格子に配置されており、１原子層と同程度の薄さ（＜１ｎｍ）であることができる形態を意味する。これらの層は複層にスタックされたシートとして存在してもよい。グラフェン粒子は、厚さ（ｚ軸）がおよそ１００ｎｍ（ナノメートル）であることができる一方で、「ｘ」及び「ｙ」寸法がおよそ１００μｍ（ミクロン）であることができるように非常に高いアスペクト比を有する。材料の酸素含有量は約１．０％〜約５．０％、ある幾つかの実施態様においては約１．２％〜約２．０％、ある幾つかの実施態様においては約１．４％であることができる。
【００１９】
六方晶系窒化ホウ素（ｈＢＮ）は、グラファイトと類似する原子構造を有し、「ホワイトグラフェン」として知られるグラフェンの類似体を形成することができる。ホワイトグラフェンは、構造的にグラフェンと類似する単層又は複層のシートで形成することができる。ホワイトグラフェンは、立方晶窒化ホウ素粒子と混合され、ＨＰＨＴで焼結された場合に類似の有利な性質を示すことができる。それゆえ、ここで記載する例は、特にグラフェンに関し説明しているが、ホワイトグラフェンを使用する類似の例を実施することができる。
【００２０】
他の材料、例えばＭＸｅｎｅは、またグラフェンと類似しており、一般化学式Ｍn+1Ｘnを有し、式中、Ｍは第４族又は５族の遷移金属であり、ＸはＣ又はＮである。例としてはＴｉ2Ｃ又はＴｉ3ＣＮが挙げられる。それらは２次元の金属カーバイド又は金属炭窒化物のシートとして記載することができる。それゆえ、ここで記載する例は、特にグラフェンに関し説明しているが、ＭＸｅｎｅを使用する類似の例を実施することができることが想定される。
【００２１】
炭素をグラフェンの形態で工具中に組み込むことにより、現在入手可能な材料で作られた切削工具よりも高速で操作することができ、かつ長持ちすることができる立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）切削工具を記載する。立方晶窒化ホウ素切削工具中の少量のセラミックをグラフェンに置き換えるだけでも、工具の破壊靭性は向上し、向上した切削性能及び寿命を有する材料をもたらす。組成パラメーターが最適化されるならば、均一性を高める粉末ブレンド法、例えば超音波混合、磨砕機混合及び噴霧乾燥を使用することにより、この向上はさらに増進される。
【００２２】
１つの典型的な実施態様において、切削工具は、約１０ｖｏｌ％〜約９０ｖｏｌ％の立方晶窒化ホウ素及び結合相を含み、該結合相が約０．１ｖｏｌ％〜約１０ｖｏｌ％の単層又は複層のナノスケール材料を含む、焼結された成形体を含む。幾つかの典型的な実施態様において、成形体は約３０ｖｏｌ％〜約８０ｖｏｌ％の立方晶窒化ホウ素を含み、結合相は約１ｖｏｌ％〜約３ｖｏｌ％の単層又は複層のナノスケール材料を含む。単層又は複層のナノスケール材料はグラフェン、Ｍｘｅｎｅ、ホワイトグラフェンのうちの少なくとも１種を含む。１つの実施態様において、Ａｎｇｓｔｒｏｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｄａｙｔｏｎ，Ｏｈｉｏ，ＵＳＡにより製造されるグラフェン（製品番号Ｎ００８−１００−Ｐ−１０）を使用した。結合相はまた、例えばＡｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ又はこれらの混合物を含むことができる。幾つかの実施態様において、立方晶窒化ホウ素は約２０ミクロン未満の粒径を有する。
【００２３】
特定の鋳鉄合金、例えば圧縮黒鉛鉄（ＣＧＩ）又はダクタイル鉄の機械加工は、機械加工プロセス中に生み出される高い摩擦熱のために困難である。摩擦による工具先端の発熱（しばしば１０００℃を超える）は、高ｃＢＮ含有ＰＣＢＮ工具（一般的に約６０ｖｏｌ％超のｃＢＮを有する）を、ｃＢＮと鉄との化学反応により速く摩耗させる。ｃＢＮをより不活性のセラミック、例えばアルミナに置き換えることで、熱によるこの問題を軽減することができるが、低減された破壊靭性という犠牲を払うこととなる。ｃＢＮ含有量が約４０％を大きく下回る場合、摩耗は脆性破壊により支配される。それゆえ、低ｃＢＮ含有量を有するが、優れた破壊靭性特性を有するＰＣＢＮ工具を提供するニーズが存在する。
【００２４】
理論に縛られることを望まないが、グラフェンが強化剤として働いてセラミック相中の亀裂の伝播を阻むと仮定する。ｃＢＮの組成に加えてグラフェンの量から形成される工具はその結果、破壊靭性を向上させることにより性能を向上させることができる材料を組み込むことにより、現在入手可能な材料よりも高速で操作することができ、かつより長持ちすることができる。
【００２５】
次の実験の説明において、特定の供給源及び設備は例示的なもので、実施例を説明するものであって、説明するパラメータに限定すること、あるいは縛られることを意図するものではない。他の適した供給源及び装置を、特許請求の範囲で定義された発明の範囲内において使用することができる。
【実施例】
【００２６】
［実験手順−ブレンド］
グラフェン（Ａｎｇｓｔｒｏｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｄａｙｔｏｎ，Ｏｈｉｏ，ＵＳＡにより製造される（製品番号Ｎ００８−１００−Ｐ−１０））をｃＢＮ母材に組み込んで、幾つかの工具を製造した。磨砕ミルを使用して粉末ブレンドとイソプロパノールとを、２５０ｍｌ容量のジャー中でＷＣ磨砕媒体とともに、２００ｒｐｍで１０分間混合した。結果生じたスラリーをオーブン中で、空気中で数時間乾燥し、次いで４０網目スクリーンを通過させた。３種の例示的な粉末ブレンドについての配合を表１に示す。
【００２７】
【表１】
0006293669.tif 000002
【００２８】
［実験手順−焼結体］
焼結された成形体を、従来法で粉末ブレンドをプレスして錠剤にすることにより製造した。立方晶窒化ホウ素は約２０ミクロン未満の粒径を有していた。グラフェンは約２．０％未満の酸素含有量を有していた。錠剤を高圧セルに充填し、ベルトタイプの高圧高温（ＨＰＨＴ）装置でプレスし、約６５ｋＢａｒかつ約１５００℃で約１５分間焼結して成形体を製造した。幾つかの場合、焼結は約７５ｋＢａｒ未満の圧力で約１５〜３０分の間実施することができる。他の幾つかの典型的な実施態様においては、焼結は約４５ｋＢａｒの圧力でかつ約１５００℃の温度で約１５〜３０分の間実施することができる。
【００２９】
焼結された成形体を、３．２ｍｍの全厚まで研磨することにより仕上げ、次いで工具試験に適している０．００４インチ（０．１ｍｍ）×３０°面取り＋０．００１インチ（２５ミクロン）のホーンである刃の形状を有する、正方形のＣＮＧＡ−４３２工具インサートに切り分けた。
【００３０】
［実験手順−機械加工試験］
機械加工試験を行い、耐摩耗性及び破壊靭性を下に示すように評価した。
【００３１】
（１）耐摩耗性試験−８６２０浸炭鋼：耐摩耗性を表面硬度がＨＲｃ５５〜６３の範囲である８６２０鋼の上で評価した。一定の６５６ｓｆｍ（２００ｍ／分）の表面速度、０．００８ｉｐｒ（０．２ｍｍ／回転）の供給量及び０．００６インチ（０．１５ｍｍ）の切削の深さを維持した。インサートの逃げ面摩耗を通過するたびに測定した。逃げ面摩耗が型の指定した摩耗限度である０．００８インチ（０．２ｍｍ）に達した時、又は端部の破損が生じた時に試験を終了させた。工具寿命は型の指定した摩耗限度又は刃の先端の破損に達するまでに要した時間として定義した。
【００３２】
（２）衝撃靱性試験−５２１００鋼、ＨＲｃ６０：衝撃抵抗（靱性）をＨＲｃ６０であ５２１００鋼上で断続端面加工することにより測定した。断続はワークピースにおいて幅０．４００インチ（１０ｍｍ）×深さ０．８４０インチ（２１ｍｍ）のスロットにより与えた。一定の３９４ｓｆｍ（１２０ｍ／分）の表面速度を維持しつつ、切削の深さ及び供給量を徐々に増加させた。失敗の基準は刃の先端の破損であった。もしインサートが失敗した場合、その供給量は失敗供給量であると決定した。
【００３３】
（３）耐摩耗性試験（ＣＧＩ）：９５％パーライト、１０％小結節及び２００〜２２０ＢＨＮを有する圧縮黒鉛鉄（ＣＧＩ）試験シリンダー（１４５ｍｍ外径）を使用した。回転試験は、一定の１２００ＳＦＭの表面速度、０．０２０インチの切削の深さ及び０．０１０ｉｐｒの供給量で、冷却剤（５％Ｔｒｉｍ  Ｅ２０６  Ｓｏｌｕｂｌｅ  Ｏｉｌ）を使用して行った。逃げ面摩耗を通過するたびに測定した。逃げ面摩耗が０．００８インチに達した時、又は端部の破損が生じた時に試験を終了させた。
【００３４】
インサート上の逃げ面摩耗並びにワークピース上の表面粗さＲａ及びＲｚを通過するたびに測定して記録した。逃げ面上の摩耗及びすくい面状の凹みを通過するたびに撮影して記録し、逃げ面摩耗が０．００８インチ（０．２ｍｍ）に達した時、又は端部の破損が生じた時に試験を終了させた。工具寿命は指定した摩耗限度又は刃の先端の破損に達するまでに要した時間として定義した。各サンプルの３種の刃を試験した。
【００３５】
図１は、耐摩耗性試験から測定した工具性能のグラフを示す。比較のため、標準的な工具材料「１７Ｘ」もプロットする。実験工具の全ては標準よりも良好に機能する。特に、グラフェンを含有する工具１２７−１及び１２７−２はそれぞれ３倍〜４倍良好に機能する。しかしながら、グラフェンを含有しない工具１２８−１も標準的な工具と比較して非常に良好に機能することもわかる。表１を参照すると、全ての３種の実験工具は組成において非常に類似しており、唯一の違いはグラフェンの含有量であった。
【００３６】
次に衝撃靱性試験（段落００３２）の工具試験結果を見てみると、１２７−１及び１２８−２についての結果も、標準的な工具に対して図２にプロットしている。１２８−１は耐摩耗性試験においては非常に良好に機能した一方で、衝撃靱性の性能は標準と比較して５０％未満であったことがわかる。しかしながら、グラフェンとともに配合された工具材料１２７−１は標準の２倍の性能を得た。衝撃靱性及び耐摩耗性の両方における良好な性能が、有用な工具材料においては望ましい。他方、試験の一方のみにおいて良好な結果が得られても、工具材料は実用的な用途には適していない。
【００３７】
図３は、サンプル１２７−１の代表的なＸ線回折パターンを示す。図３のＸＲＤパターンは、グラフェンのうちのいくらかが焼結プロセスを経てなお残り、焼結された成形体中に存在することを示す。特にＸＲＤパターンはアルミナ、窒化ケイ素及びｃＢＮについての強いピーク、並びにグラファイトに対応するより小さいピークの証拠となる。グラフェンはグラファイトと類似するＸＲＤの特徴を有し、かつ焼結された成形体中に存在する他のグラファイト源は想定されないため、これらのグラファイトのピークはグラフェンの存在を示すという結論に達する。回折パターン中のピークはｃＢＮ、アルミナ、窒化ケイ素及び「グラファイト」を示すことができる。グラフェンについての標準的なＸＲＤパターンは存在しないため、グラファイトのピークはグラフェンから生じる。
【００３８】
これらのサンプル中にグラフェンが存在するというさらなる確証を得るため、ラマンスペクトル分析を行った。図４は、これらの実験で使用したグラフェンのラマンスペクトルを示す。グラフェンのラマンスペクトルは、１３００ｃｍ-1付近を中心とした広いピーク及び１５９０ｃｍ-1付近におけるより鋭いピークとして表現することができることがわかる。
【００３９】
サンプル１２７−１の代表的なラマンスペクトル（図５）は、グラフェンに対応するピークも見られることを示す。サンプルの異なる領域でとった２つのスペクトルは非常に類似しており、このことはサンプルが均一であることを示す。サンプルにおいて、幾つかの追加のピークが１０５０ｃｍ-1で、かつ鋭いピークが１３００ｃｍ-1で観測され、これらはｃＢＮのラマンスペクトルに対応する。
【００４０】
これらの好ましい実施態様と関連付けて記載してきたが、特許請求の範囲に定義した発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、特に記載していない追加、削除、変更及び置換をすることができるということが当業者により認識されよう。
【図１】
0006293669.tif 000003
【図２】
0006293669.tif 000004
【図３】
0006293669.tif 000005
【図４】
0006293669.tif 000006
【図５】
0006293669.tif 000007