(57)【要約】  切削工具用インサートと、インサートの製造方法が提供される。切削工具用インサートは、本体と基材キャリアとを備えることができる。本体は、上壁と、底壁と、その上壁と底壁とを接続する複数の側壁とを備えることができる。本体は、支持体なしで超硬粒子を含むことができる。基材キャリアは凹部を備えることができる。本体の底壁と側壁は、基材キャリアの凹部に固定される。
2015523222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上壁と、底壁と、該上壁及び該底壁を接続する複数の側壁とを有する残留応力フリー本体と、
凹部を有する基材キャリアと、を備え、
前記残留応力フリー本体が超硬質粒子を含んでおり、前記残留応力フリー本体の前記底壁と前記複数の側壁とが前記基材キャリアの凹部に固定されていることを特徴とする切削工具用インサート。
【請求項２】
前記超硬粒子が、多結晶立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンド、ダイヤモンド複合材料からなるグループの中から選択された請求項１に記載の切削工具用インサート。
【請求項３】
前記超硬粒子が多結晶立方晶窒化ホウ素を３５体積％〜９９体積％の範囲で含む請求項１または２に記載の切削工具用インサート。
【請求項４】
前記超硬粒子が多結晶立方晶窒化ホウ素を３５体積％〜８５体積％の範囲で含む請求項１または２に記載の切削工具用インサート。
【請求項５】
更に、セラミック化合物を１５体積％〜６５体積％の範囲で含む請求項４に記載の切削工具用インサート。
【請求項６】
前記セラミック化合物が、遷移金属のホウ化物、炭化物、窒化物、オキシ炭窒化物からなるグループの中から選択された請求項５に記載の切削工具用インサート。
【請求項７】
前記超硬粒子が多結晶立方晶窒化ホウ素を８６体積％〜９９体積％の範囲で含む請求項１または２に記載の切削工具用インサート。
【請求項８】
更に、セラミック化合物とその他残留物を１％〜１４％の範囲で含む請求項１、２、７の何れか一項に記載の切削工具用インサート。
【請求項９】
前記セラミック化合物が、遷移金属のホウ化物、炭化物、窒化物、オキシ炭窒化物からなるグループの中から選択される請求項８に記載の切削工具用インサート。
【請求項１０】
前記残留物が金属元素または金属化合物を含む請求項８に記載の切削工具用インサート。
【請求項１１】
前記金属元素または金属化合物が、タングステン、コバルト、タングステン−コバルト合金のいずれかを含む請求項１０に記載の切削工具用インサート。
【請求項１２】
コバルトに対するタングステンの比が１．０〜１．８である請求項１１に記載の切削工具用インサート。
【請求項１３】
前記残留応力フリー本体が支持体を有しない請求項１〜１２の何れか一項に記載の切削工具用インサート。
【請求項１４】
前記残留応力フリー本体の厚さが２．０ｍｍ未満である請求項１〜１３の何れか一項に記載の切削工具用インサート。
【請求項１５】
前記残留応力フリー本体の厚さが１．４ｍｍ未満である請求項１４に記載の切削工具用インサート。
【請求項１６】
超硬質粒子をバインダー材料と混合してスラリーにするステップと、
軟質成形体を加熱して原材料の一部を反応させて中間相にすることによって予備焼結硬質体にするステップと、
複数の予備焼結硬質体を高温・高圧セルのコアに装填するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
有機バインダー材料を前記バインダー材料の有機溶媒に添加するステップをさらに含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記スラリーをスプレー乾燥させて顆粒にするステップをさらに含む請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記顆粒を金型プレスによって圧縮して前記顆粒を前記軟質成形体にするステップをさらに含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
高圧・高温条件を適用して予備焼結硬質を高密度の超硬質複合材料製ディスクにするステップさらに含む請求項１６〜１９の何れか一項に記載の方法。
【請求項２１】
高圧・高温セルのコアから前記高圧・高温条件を取り除くステップをさらに含む請求項１６〜２０の何れか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記高密度の超硬質複合材料製ディスクを前記高圧・高温セルのコアから回収するステップをさらに含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記高密度の超硬質複合材料製ディスクを研磨して望む厚さにするステップをさらに含む請求項２０または２２に記載の方法。
【請求項２４】
望む切削工具用インサートのチップにするために、望む厚さを有する前記高密度の超硬質複合材料製ディスクを切断するステップを含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記高圧・高温セルのコアの中で、予備焼結硬質体が硬質金属対向保持ディスクによって分離される請求項１６〜２４の何れか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記硬質金属対向保持ディスクがサーメット製対向保持ディスクである請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記有機溶媒がエタノールである請求項１６〜２６の何れか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記有機バインダー材料がポリエチレングリコール（ＰＥＧ）である請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
予備焼結硬質体を焼結して高密度の超硬質複合材料製ディスクにする前記高温が１０００℃未満である請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
前記バインダー材料が、ＴｉＣＮＯと、化学量論的量未満の（ｓｓ）Ｔｉ化合物と、アルミニウム粉末を含む請求項１６に記載の方法。
【請求項３１】
前記軟質成形体を１０００℃未満で加熱して予備焼結硬質体にする請求項１６に記載の方法。
【請求項３２】
前記望む厚さが２．０ｍｍ未満である請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、切削工具に関するものであり、その中でも特に、残留応力を有さない焼結体（ｓｉｎｔｅｒｅｄ  ｂｏｄｉｅｓ）、および例えば超硬合金などの硬質金属からなる適切な切削工具キャリア（ｃｕｔｔｉｎｇ  ｔｏｏｌ  ｃａｒｒｉｅｒ）上に固定された自立型（ｆｒｅｅ  ｓｔａｎｄｉｎｇ）超硬質複合材料（ｓｕｐｅｒｈａｒｄ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）である切削工具に関するものである。
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年５月３１日に出願された仮出願第６１／６５３，６９９号の優先権を主張する。本出願は、「切削工具用の超硬質焼結コンパクトとその製造方法」という名称で２０１２年５月３１日に出願された仮出願第６１／６５３，７７９号の優先権を主張する同時係属中の出願と関連している。本出願はさらに、「ｃＢＮ材料の製造方法」という名称で２０１２年５月３１日に出願された仮出願第６１／６５３，６８６号の優先権を主張する同時係属中の出願とも関連している。
【背景技術】
【０００２】
例えば金属加工に用いられる切削工具の超硬質切れ刃を作るのに多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）、ダイヤモンド、ダイヤモンド複合材料が一般に用いられている。
【０００３】
高硬度材旋削加工のための薄いｃＢＮ複合材料ブランクは、現在、超硬合金に対して焼結され、又は超硬合金上で“支持されて”製造されている。そのブランクは、最初にｃＢＮ複合材料粉末混合物が超硬合金製ディスクとともに耐火性カプセルの中に装填されて、高圧・高温（ＨＰＨＴ）プロセスで製造される。通常は、そのようないくつかのカプセルが１つの高圧セルのコアの中に集められる。ＨＰＨＴプロセスの間、材料は、少なくとも４０，０００気圧の圧力と、１３００〜１４５０℃の範囲の温度に曝される。こうした条件下で、ｃＢＮ複合材料粉末混合物が焼結して十分に密になり、超硬質ディスクは、その中に含まれるコバルトが融解するために融解するか、少なくとも軟らかくなる。
【０００４】
ＨＰＨＴ焼結プロセスの間、ｃＢＮ複合材料は硬質金属に対して融合する。ＨＰＨＴ焼結の後、圧力と温度を周囲圧力と周囲温度まで下げる。するとこのプロセスの間にｃＢＮ複合材料と超硬合金の両方が堅固な一体物になる。ｃＢＮ複合材料と超硬合金は力学的特性（例えばバルクの弾性係数）と熱特性（例えば熱膨張係数）が異なっているため、残留応力の発生が避けられない。これは特に、たいていの場合に熱膨張係数が超硬合金材料よりも著しく大きいセラミック系バインダーを含む高硬度材旋削加工用ｃＢＮ複合材料の場合に起こる。その結果として、ｃＢＮ複合材料層は引張応力を受けた状態になる。図１に、超硬合金に支持されたｃＢＮ複合材料層を示す。Ｘ線回折（ＸＲＤ）による残留応力解析から、ｃＢＮ複合材料層は引っ張り応力が６６０ＭＰａであることがわかる。この引張応力によって材料の力学的強度が低下し、図１に示した鉛直方向の割れ目につながる可能性がある。これは、切削工具の性能にとって好ましくない。
【０００５】
ｃＢＮ複合材料層における好ましくない引張応力は、ｃＢＮ複合材料層を支持するのに超硬合金の代わりにサーメットディスクを用いることによって回避できる。サーメットはより大きな熱膨張係数を持つ設計にできるため、ｃＢＮ複合材料が圧縮残留応力を持つようにすることが可能である。適度な圧縮残留応力は利点をもたらす可能性があるが、過度に大きいと、ｃＢＮ複合材料層／支持層の界面に平行な割れ目がｃＢＮ複合材料層に生じることになりかねない。
【０００６】
図２に、サーメットに支持されたｃＢＮ複合材料層の割れ目を示す。この層の残留応力は約１，４００ＭＰａ（圧縮性）である。加工におけるような力学的負荷のもとでは、その層が剥離し、支持しているサーメットが小片に砕ける可能性がある。最も確実なのは、サーメットの組成を調整してその熱特性と力学的特性をさまざまなｃＢＮ複合材料の特性と一致させることにより、当業者がそうした問題を回避することである。しかしそうすることは、製造法とコストの観点からすると特に望ましい解決法であるとは考えられない。それに加え、サーメットで支持された材料を超硬合金基体に蝋付けせねばならないという問題が生じる。その場合には、サーメットと超硬合金の間の熱膨張係数が異なる結果として割れ目が生じる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、例えば高硬度材旋削加工などの耐久性が要求される加工で使用する残留応力フリー超硬質複合材料でできた切削工具が必要とされている。
【０００８】
一実施態様では、切削工具用インサートは、上壁と、底壁と、その上壁と底壁を接続する複数の側壁とを有する本体と、それに加えて凹部を有する基材キャリアとを備えていて、本体はサポートを有しない焼結超硬質材料であり、本体の底壁と側壁は基板キャリアの凹部に固定されることができる。
【０００９】
別の一実施態様では、切削工具用インサートは、上壁と、底壁と、その上壁と底壁を接続する複数の側壁とを有する残留応力フリー本体と、それに加えて凹部を有する基材キャリアとを備えており、残留応力フリー本体は超硬質複合材料を含み、本体の底壁と側壁は、基材キャリの凹部に固定されることができる。
【００１０】
さらに別の一実施態様では、切削工具用インサートを製造する方法は、超硬質粒子と、バインダー材料との混合物、例えばセラミック粉末および／または金属粉末と有機バインダーなどの混合物を混合してスラリーにするステップと、そのスラリーをスプレー乾燥させて組成が一様な顆粒にし、その顆粒を金型プレスによってあらかじめ圧縮して、“軟質成形体”と言われるそれを望む形とサイズにし、その軟質成形体を１０００℃未満に加熱して原材料の一部を反応させることによって予備焼結硬質体にすることで、”硬質成形体”と言われる中間相を含む約５０％密度のディスクにするステップと、複数の硬質成形体を高圧・高温（ＨＰＨＴ）セルのコアに装填するステップと、高圧・高温条件を適用して予備焼結硬質体を高密度の超硬質複合材料ディスクにするステップと、高圧・高温セルのコアから高圧・高温条件を取り除くステップと、高密度の超硬質複合材料ディスクを高圧・高温セルから回収するステップと、超硬質複合材料ディスクを研磨して望む厚さにするステップと、望む厚さになった超硬質複合材料ディスクを切断して望む切削工具用インサートのチップにするステップと、例えば蝋付けによってそのチップを基材キャリアの凹部に固定して切削工具用インサートを形成するステップと、その切削工具用インサートを研磨により望む厚さと切れ刃形状にするステップを含んでいる。望む厚さとして２．０ｍｍ未満が可能である。いくつかの実施態様では、望む厚さとして１．４ｍｍ未満が可能である。
【００１１】
上記の発明の概要と、実施態様に関する以下の説明は、添付の図面と合わせて読むことによってよりよく理解されよう。説明する実施態様は、図面に示した詳細な配置および手段に限定されないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】超硬合金で支持されたチップの断面の光学顕微鏡写真であり、ＰＣＢＮ層の中の残留引張応力に起因する鉛直方向の割れ目が示されている断面である。
【図２】超硬合金で支持されたチップの断面の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）であり、ＰＣＢＮ層の中の圧縮応力に起因する水平な割れ目が示されている断面である。
【図３】切削工具に固定された自立型ＰｃＢＮ製チップを有するインサートの一実施態様の斜視図である。
【図４ａ】マイカ箔ディスクによって分離された１つの硬質成形体（ｈａｒｄ  ｇｒｅｅｎ）ディスクと１つの超硬合金ディスクが内部に収容された耐火性カプセルの一実施態様の概略図である。
【図４ｂ】対向保持ディスクが耐火性カプセルの中にあるコアの一実施態様の概略図である。
【図５ａ】マイカ箔ディスクをサーメットディスクのそれぞれの側に配置することによって形成されたサーメットブロックの一実施態様の概略図である。
【図５ｂ】Ｍｏ箔ディスクを硬質成形体ディスクのそれぞれの側に配置することによって形成された硬質成形体ブロックの一実施態様の概略図である。
【図５ｃ】マイカ箔ディスクをグラファイト箔ディスクのそれぞれの側に配置することによって形成された分離ブロックの一実施態様の概略図である。
【図５ｄ】対向保持ディスクが耐火性カプセルの外部にあるセルのコアの別の一実施態様の概略図である。
【図６】自立型ＰＣＢＮ製チップの断面の光学顕微鏡写真であり、好ましい残留応力フリー条件になっているために欠陥がないことを示している。
【図７】実施例１と２のフランク摩耗の進行を市販の高硬度材旋削用インサートのものと比較したグラフである。
【図８ａ】実施例３と４のフランク摩耗の進行のグラフである。
【図８ｂ】実施例３と４のクレータ摩耗の進行のグラフである。
【図８ｃ】実施例３と４の耐久性試験結果のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
この明細書では、“インサート”という用語は、ダイスまたは基材キャリアの所定の位置に物理的に保持されるか、蝋付けされるか、ハンダ付けされるか、溶接されていて、摩耗したときには廃棄されて代わりのものがその位置に取り付けられる、超硬合金またはそれに代わる切削材料からなる小片を意味する。一例を図３に示す。『加工の事典』（Ｅｒｉｃ  Ｎ．  Ｓｉｍｍｏｎｓ、フィロソフィカル・ライブラリ社、ニューヨーク、１９７２年）も参照のこと。
【００１４】
この明細書では、“基材キャリア”という用語は、１つまたは複数の刃先を所定の位置にしっかりと保持する剛性体を意味する。これにより、その刃先を旋削加工、フライス加工、穴繰り加工、切削、穴明け加工の用途で使用できる。
【００１５】
一実施態様は、例えば超硬合金製の切削工具用インサートなどの基材キャリアに、この分野で知られている蝋付け技術によって適切な固定された残留応力フリー本体からなる。残留応力フリー本体は超硬質粒子を含むことができる。超硬質粒子の選択は、多結晶立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンド、ダイヤモンド複合材料からなるグループの中から行なうことができる。残留応力フリーｃＢＮ複合材料は、例えば硬質金属支持体などがないそれ自体自立した薄いディスクとして製造される。硬質金属支持体は、超硬合金支持体を含むことができる。一実施態様では、残留応力フリーｃＢＮ複合材料は厚さを例えば２．０ｍｍ未満にすることができる。別の一実施態様では、残留応力フリーｃＢＮ複合材料は、例えばＨＰＨＴプロセスの後に測定した厚さを１．４ｍｍ以下にすることができる。
【００１６】
一実施態様では、自立した残留応力フリーｃＢＮ複合材料ディスクは、ｃＢＮの含有量を３５〜８５体積％の範囲にし、セラミック化合物（例えば、遷移金属のホウ化物、炭化物、窒化物、オキシ炭窒化物、またはこれらの混合物）を１５％〜６５％の範囲にすることができる。別の一実施態様では、自立したｃＢＮ複合材料製ディスクは、ｃＢＮを８６〜９９体積％と、金属のホウ化物、炭化物、窒化物、オキシ炭窒化物からなるセラミック化合物とその他（例えばコバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属元素または金属化合物）の混合物を１％〜１４％含むことができる。これらのディスクは実質的に残留応力がまったくなく、望む形に切断することが容易である。一実施態様では、コバルトに対するタングステンの比が１．０〜１．８である。
【００１７】
これまでは、このような自立したディスクを製造することができなかった。従来技術では、ｃＢＮ複合材料は、例えばタンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）からなる耐火性カプセルの中に装填したｃＢＮとバインダー材料相セラミック原材料粉末とを混合することによって製造される。緩い粉末は、圧縮して焼結させたときに十分に平坦にならないため、不均一で厚さにばらつきが生じ、その結果としてディスクが必要な許容誤差内に収まらない可能性がある。一実施態様では、ｃＢＮ原材料を代わりに予備焼結硬質成形体としてＨＰＨＴセルのコアに装填する。一実施態様では、ディスクを均一に圧縮して焼結させることができるため、平坦さと厚さが必要な許容誤差内に収まる。
【００１８】
一実施態様では、自立したｃＢＮ複合材料ディスクは、ｃＢＮとバインダー材料相セラミック粒子を適切な有機溶媒（例えばエタノール）の中で湿式混合してスラリーにするステップと、そのスラリーにポリエチレングリコール（ＰＥＧ）などの有機バインダー材料を添加するステップと、このようにして調製したスラリーをスプレー乾燥させて顆粒にするステップと、その顆粒を金型プレスして、元の原材料を含む軟質成形体にするステップと、流れている水素ガス中でその軟質成形体を１，０００℃未満（例えば４００〜５００℃）に加熱することによって有機バインダー材料を除去し、次いで、真空中にて７００℃超かつ１１００℃未満の温度でその軟質成形体をさらに熱処理して原材料の一部を反応させて中間相にすることで、予備焼結硬質体（すなわち“硬質成形体”）にするステップと、硬質成形体を、サーメット製対向保持ディスクとともに、だがそのディスクから離した状態でＨＰＨＴセルのコアに装填するステップと、ＨＰＨＴ条件を適用して予備焼結硬質体を焼結して十分に高密度のｃＢＮ複合材料ディスクにするステップと、セルのコアからＨＰＨＴ条件を取り除くことで、自立したｃＢＮ複合材料ディスクを容易に回収できるようにするステップと、十分に高密度のｃＢＮ複合材料ディスクを研磨して厚さを望む最終的な許容誤差内にした後、望む基材キャリアに固定するのに適した設計のチップを切り出すステップと、そのチップを例えば蝋付けによって基材キャリアの凹部に固定するステップと、切削工具用インサートを研磨して望む厚さと刃先形状にするステップを含む方法で製造することができる。
【００１９】
いくつかの実施態様では、原材料の一部を反応させて中間相にするステップは、真空中で、軟質成形体が約７００℃超かつ１，０００℃未満になった後、ガス（例えば窒素またはアルゴン）環境中で最終温度が７００℃超〜１，１００℃未満になるまで実施することができる。
【００２０】
一実施態様では、複数の硬質成形体を個別の耐火性カプセルに装填することができる。この実施態様のいくつかの変形例では、そのような個別の耐火性カプセルをいくつか積み重ねて１つの完成したＨＰＨＴセルのコアを構成することができる。一実施態様の１つの重要な特徴となる可能性があるのは、ＨＰＨＴ焼結プロセスを通じて硬質成形体ディスクを一様な厚さに維持するのに役立つ内容物対向保持ディスクをカプセルの中に含めることである。カプセルの中に、硬質成形体と対向保持ディスクの間にあってその両者を隔てておくための材料（例えば無機ディスクまたは非反応性コーティング）が含まれていることも重要であろう。予備焼結硬質体は、高温・高圧セルのコアの中で硬質金属対向保持ディスク（例えばサーメット製対向保持ディスク）によって分離することができる。図４ａは、そのようなカプセルの一例を示している。図４ｂは、硬質成形体ディスクと対向保持ディスクの両方が中に収容された複数のカプセルを備えるＨＰＨＴセルのコアが積み重ねられた一実施態様を示している。
【００２１】
一実施態様では、対向保持具を耐火性カプセルの外部に配置することができる。図５ａは、そのような対向保持具（この実施例ではサーメット製ブロックと呼ぶ）の一例を示している。図５ｂは、そのようなカプセル（この実施例では硬質成形体ブロックと呼ぶ）の一例を示している。図５ｃは、ＨＰＨＴ焼結プロセスの間を通じて硬質成形体ブロックを分離しておくため、グラファイト箔ディスクとマイカ箔ディスクで形成された分離ブロックを示している。図５ｄは、対向保持具が耐火性カプセルの外部に位置する実施態様の一例を示している。それぞれの硬質成形体ディスクを、個別のカプセルとして機能する耐火性金属ホイルで取り囲むことができる。
【００２２】
そのような実施態様では、対向保持材料は、対向保持ディスクが耐火性カプセルの中に含まれている場合よりも重要である。超硬合金ディスクは、耐火性カプセルの外部の対向保持具としては適していない可能性がある。なぜならＨＰＨＴ条件下では超硬合金に含まれるコバルトが融解してディスクが塑性変形する可能性があるからである。この場合には、ｃＢＮ複合材料ディスクは焼結して堅固なディスクになる一方で、超硬合金ディスクは相変わらず軟らかいままである。しかしＨＰＨＴ条件での焼結の後に冷却している間に超硬合金ディスクは再度固化するため、圧力除去プロセス中のｃＢＮ複合材料と超硬合金ディスクの間の相対運動によってｃＢＮ複合材料ディスクが割れる可能性がある。セラミックディスクは、耐火性カプセルの外部の対向保持具としては適していない可能性がある。なぜならセラミックディスクは脆く、圧力上昇段階の前に割れる可能性があるからである。鋼鉄製対向保持具は、超硬合金と同様、高温では軟らかすぎる。まとめると、ｃＢＮ複合材料をＨＰＨＴで焼結させるにあたって、対向保持材料は、圧力が上昇している間を通じて完全な状態を維持するのに十分な耐久性と圧縮強度を有する必要があり、焼結温度の範囲では、ディスクの平坦さが損なわれるほど塑性変形してはならない。サーメットでできた対向保持ディスクは、堅固さと圧縮強度が十分であり、ＨＰＨＴプロセスの間、ｃＢＮ複合材料と同様の膨張、融解、再固化のパターンを示すことがわかる。サーメット製対向保持具を用いて設計された高圧セルは、平坦で残留応力フリーのｃＢＮ複合材料製ディスクを生み出すことができる。
【００２３】
さらに別の一実施態様では、複数の硬質成形体を、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂや、それ以外の耐火性金属からなる単一の耐火性カプセルの中に装填することができる。そのような実施態様では、耐火性カプセルは、複数の対向保持ディスクを収容することができる。それらの対向保持ディスクは、予備焼結硬質ディスクを適切な無機材料製ディスクまたは非反応性コーティングによって他のディスクおよび／または耐火性金属製ディスクから分離できるような順番で積み重ねられる。分離用耐火性金属製ディスクを用いる実施態様では、その金属製ディスクを予備焼結硬質ディスクと直接接触させて配置し、ｃＢＮ複合材料の上に、ＨＰＨＴ後の処理（例えば研磨または蝋付け）に適していると考えられる接着性の金属表面層を作り出すことができる。
【００２４】
図６は、図５のセルを用いたＨＰＨＴセルの中で製造されたｃＢＮ複合材料の断面を示している。ｃＢＮ複合材料は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で測定した残留応力が約２５ＭＰａであり、これは、使用したＸＲＤ法の精度内で残留応力フリーであると考えられる値である。実際、測定したすべての残留応力の絶対値が１００ＭＰａ未満であるというのは、本発明の目的にとって残留応力フリーと見なすことができる。
【００２５】
図３を参照すると、切削工具４０は、凹部４４と開口部４５を有する基材キャリア４２を備えている。基材キャリア４２は、多数の材料から製造することができ、材料として例えば超硬合金が挙げられる。残留応力フリー本体４６は、上壁５２と、底壁５０と、上壁５２と底壁５０を接続する複数の側壁５４（または側面）とを有する。本体４６の底壁５０と側壁５４は、基材キャリア４２の凹部４４に固定することができる。底壁５０と側壁５４は、例えば蝋付け用合金によって基材キャリア４２の凹部４４に蝋付けすることができる。
【００２６】
自立した本体は超硬質粒子を含むことができる。その粒子の選択は、多結晶立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンド、ダイヤモンド複合材料からなるグループの中から行なうことができる。自立した本体は、超硬合金製支持体を含む支持体（例えば超硬合金製支持体）を必要としない。自立した本体は、残留応力フリーの本体になることができる。
【００２７】
蝋付け後、インサートに対して標準的なインサート仕上げプロセス（例えば上壁と底壁の研磨、および／または周辺部の研磨、および／または望む切れ刃の準備、および／またはコーティング）を施すことができる。
【００２８】
（実施例１）
ロールミルの中で、アルミニウム（６重量％）、ＺｒＮ（６重量％）、ｓｓＴｉＮ（５８重量％）、ｃＢＮ（３０重量％）の粉末をエタノール中にて超硬合金製粉砕体を用いて２時間にわたって粉砕した。粉砕後、得られたスラリーをＰＥＧ溶液と混合し、スプレー乾燥させて球形の顆粒にした。顆粒をあらかじめ圧縮して軟質成形体ディスクにした後、それを真空中で７００℃〜９００℃の温度に加熱して硬質成形体ディスクを形成した。硬質成形体ディスクを図５に示したようなＨＰＨＴセルのコアに装填した。次に、このコアをＭｏ金属製カプセルの中に閉じ込めた後、約１３００℃〜１４５０℃の温度で少なくとも２ＧＰａというＨＰＨＴ条件で焼結させた。ＨＰＨＴ条件での焼結後、ディスクの厚さは約１．３ｍｍであった。これらのディスクは二重ディスクであり、研磨によって１ｍｍの厚さにし、ワイヤ放電加工（ワイヤ−ＥＤＭ）によって切断して三角形のチップにした。そのチップをクリーンにし、活性のある蝋付け用合金を用いて８００〜８５０℃の温度で超硬合金製キャリアに蝋付けした。蝋付け後、インサートを標準的な仕上げ手続きで処理した。
【００２９】
（実施例２）
ミルの中で、アルミニウム（５重量％）、ＴｉＣＮ（３２重量％）、ｓｓＴｉＮ（３２重量％）、ｃＢＮ（３１重量％）の粉末をエタノール中にて超硬合金製粉砕体を用いて５時間にわたって粉砕した。粉砕後、得られたスラリーをＰＥＧ溶液と混合し、スプレー乾燥させて球形の顆粒にした。顆粒をあらかじめ圧縮するとともに予備焼結させた後、実施例１と同様にしてＨＰＨＴ条件で焼結させた。実施例１に記載したのと同様にしてチップを切断し、蝋付けし、インサートを仕上げた。
【００３０】
図７は、実施例１と２でのフランク摩耗試験の結果を、市販の高硬度材旋削用のもの（図７では“比較例”と呼ぶ）と比較して示している。試験は、８６２０鋼を連続的に切削して実施した。２〜４分ごとに切削を停止し、フランク摩耗を測定して記録した。比較品はフランク摩耗が最大であり、実施例２はフランク摩耗が最小であり、実施例１は中間であることがわかる。実施例１と２それぞれからの１つのサンプルについてと、同じ比較品のものについて、切削時間を延長して同じ摩耗試験を実施した。約４５分間の切削の後、フランク摩耗が実施例１は０．０８ｍｍであり、実施例２は０．０６ｍｍであるのに対し、比較品のものは約０．１０ｍｍであった。
【００３１】
（実施例３）
ロールミルの中で、アルミニウム（５重量％）、化学量論的量未満のＴｉＮ（５９重量％）、ＺｒＮ（６重量％）、ｃＢＮ（３０重量％）の粉末をエタノール中にて超硬合金製粉砕体を用いて２時間にわたって粉砕した。粉砕後、得られたスラリーをＰＥＧ溶液と混合した。その後にスプレー乾燥させ、あらかじめ圧縮し、予備焼結させるプロセスは、実施例１に記載したのと同じであった。硬質成形体ディスクを個別に、対向保持具としての超硬合金製ディスクとともにＴａ耐火性材料製カプセルに装填した。各カプセルの中の硬質成形体ディスクと対向保持ディスクの間に分離用材料はなかった。このような４つのカプセルをセルに装填し、約１３００℃〜１４５０℃の温度で少なくとも２ＧＰａというＨＰＨＴ条件で焼結させた。ＨＰＨＴ条件での焼結後、ｃＢＮ複合材料層と超硬合金製ディスクを互いに融合させた。これらのディスクを支持されたディスクと名づけた。支持されたディスクにＯＤ研磨と表面研磨を施し、厚さが１ｍｍのＰＣＢＮ層を有する全厚さが３．２ｍｍのディスクにした。
【００３２】
（実施例４）
実施例３に記載したのと同様にして４つの硬質成形体ディスクを製造した。実施例３に記載したのと同様にして硬質成形体ディスクを超硬合金製ディスクとともにＴａ製カプセルに装填したが、それぞれの硬質成形体ディスクを、マイカ箔ディスクを間に挟んで硬質金属対向保持ディスク（例えば超硬合金製ディスク）から分離することで、自立したディスクにした。図４に示したように、このような４つのカプセルをＨＰＨＴセルに装填した。実施例３と同じ条件のＨＰＨＴでの焼結後、自立したｃＢＮ複合材料ディスクのマイカ側を研磨して厚さを約１ｍｍにした。
【００３３】
次に、支持されたディスクと自立したディスクの両方をワイヤ放電加工（ワイヤ−ＥＤＭ）によって切断してチップにした。実施例１に記載されているのと同様にしてそのチップを蝋付けし、インサートを仕上げた。
【００３４】
耐摩耗性と耐久性の両方を実施例３と４で試験した。摩耗試験は、８６２０鋼を連続的に切削して実施した。２〜４分ごとに切削を停止し、フランク摩耗とクレータ摩耗を測定して記録した。耐久性試験は硬度Ｒｃが６０〜６２の５２１００鋼で実施した。バリエーションごとに４つのサンプルを試験した。図８に、フランク摩耗（図８ａ）、クレータ摩耗（図８ｂ）、耐久性（図８ｃ）に関する加工結果を示す。図８では、自立したインサートを“ＦＳ”と呼び、支持されたインサートを“ＳＰ”と呼ぶ。これら２つの材料はフランク摩耗に対する耐性が同じである。自立したインサートは、支持されたインサートよりもクレータ摩耗に対する耐性と耐久性が優れているが、どちらもｃＢＮ複合材料の組成は同じである。
【００３５】
（実施例５）
ロールミルの中で、含有量が３８体積％、４７体積％、５５体積％、６５体積％、７５体積％、８５体積％のｃＢＮと、バインダー材料としてのＴｉＣＮＯとＡｌからなる粉末混合物を、超硬合金製粉砕体を用いて２５時間にわたって粉砕することによって製造した。次に、得られたスラリーをポリエチレングリコール（ＰＥＧ）溶液と混合した。その後にスプレー乾燥させ、あらかじめ圧縮し、予備焼結させるプロセスは、実施例１に記載したのと同じであった。それに続くＨＰＨＴ焼結プロセスにおいて、超硬合金で支持されたディスクと超硬合金で支持されない自立したディスクの両方を製造した。超硬合金で支持された複合材料ディスクは、ｃＢＮが８５％のものを除いてすべてがうまく焼結した。ｃＢＮが８５％のものは、ＨＰＨＴ条件での焼結中に超硬合金中のＣｏがｃＢＮ複合材料層に侵入することで焼結品質の改善に役立ったが、自立したディスクの場合には、過剰なＣｏが利用できなかったため、焼結の結果は芳しくなかった。しかし自立の考え方は、ｃＢＮの含有量が８５体積％〜９９体積％と多いものでは、以下のようないくつかの方法によって相変わらず可能である。
【００３６】
１つの方法は、より多いＣｏまたはＣｏ／Ｗの導入を、ＣｏまたはＣｏ／Ｗを含む粉末の中に混合することによって、またはより長時間粉砕して例えば超硬合金またはサーメットからなる粉砕体からの砕粉（砕片）の量を混合物中に増やすことによって、実現するというものである。別の方法として、図４と図５に示したように、ＣｏまたはＣｏ／Ｗを含む材料からなる薄い箔ディスクを追加してコアの中で硬質成形体ディスクと接触させることが考えられる。この場合、ＣｏまたはＣｏ／Ｗを含むホイルはＨＰＨＴ条件下で融解し、ｃＢＮ複合材料層に侵入する。ＨＰＨＴの後、ＣｏまたはＣｏ／Ｗからなる非常に薄い層（ｃＢＮ複合材料層の厚さの１０％にできる）だけがｃＢＮ複合材料ディスクの上部に残る可能性があるが、その薄い層は、ｃＢＮ複合材料ディスクにとって有害な残留応力を生じさせるのに十分な厚さがない。ＣｏまたはＣｏ／Ｗを含む材料からなるその薄い層は、研磨によって容易に除去できる。
【００３７】
具体的な実施態様にこれまで言及してきたが、その実施態様の精神と範囲を逸脱することなく、当業者が他の実施態様やバリエーションを考案できることは明らかである。添付の請求項は、そのような実施態様およびそれと同等なバリエーションをすべて包含するものとする。
【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図１】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【国際調査報告】
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