(57)【要約】  複合焼結体は、平均粒径が１０μｍ以下のダイヤモンド粒子と、平均粒径が２μｍ以下の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部は互いに結合しており、結合相はコバルトを含み、複合焼結体中において、ダイヤモンド粒子の含有率が３０体積％以上９４体積％以下であり、立方晶窒化ホウ素粒子の含有率が３体積％以上４０体積％以下であり、コバルトの含有率が３体積％以上３０体積％以下である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径が１０μｍ以下の複数のダイヤモンド粒子と、平均粒径が２μｍ以下の複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、
隣り合う前記ダイヤモンド粒子の少なくとも一部は互いに結合しており、
前記結合相はコバルトを含み、
前記複合焼結体中において、前記ダイヤモンド粒子の含有率が３０体積％以上９４体積％以下であり、前記立方晶窒化ホウ素粒子の含有率が３体積％以上４０体積％以下であり、前記コバルトの含有率が３体積％以上３０体積％以下である複合焼結体。
【請求項２】
前記ダイヤモンド粒子の平均粒径が２μｍ以下であり、前記立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径が１μｍ以下であり、
前記複合焼結体中において、前記ダイヤモンド粒子の含有率が５０体積％以上７０体積％以下であり、前記立方晶窒化ホウ素粒子の含有率が１０体積％以上３０体積％以下であり、前記コバルトの含有率が１０体積％以上２０体積％以下である請求項１に記載の複合焼結体。
【請求項３】
前記結合相は、タングステン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム、アルミニウム、シリコンおよびモリブデンからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分をさらに含み、
前記結合相中において、前記コバルトの含有率が５０質量％以上９９．５質量％以下であり、前記化学成分の含有率が０．５質量％以上５０質量％以下である請求項１または請求項２に記載の複合焼結体。
【請求項４】
前記結合相中に含まれる前記化学成分の少なくとも一部は、炭化物、炭窒化物、窒化物、酸化物、ホウ化物および酸窒化物の少なくともいずれかである請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の複合焼結体。
【請求項５】
熱伝導率が１００Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の複合焼結体。
【請求項６】
平均粒径が２μｍ以下の複数のダイヤモンド粒子と、平均粒径が１μｍ以下の複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、
隣り合う前記ダイヤモンド粒子の少なくとも一部は互いに結合しており、
前記結合相は、タングステン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム、アルミニウム、シリコンおよびモリブデンからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分と、コバルトと、を含み、
前記複合焼結体中において、前記ダイヤモンド粒子の含有率が５０体積％以上７０体積％以下であり、前記立方晶窒化ホウ素粒子の含有率が１０体積％以上３０体積％以下であり、前記コバルトの含有率が１０体積％以上２０体積％以下であり、
前記結合相中において、前記コバルトの含有率が５０質量％以上９９．５質量％以下であり、前記化学成分の含有率が０．５質量％以上５０質量％以下であり、
前記結合相中に含まれる前記化学成分の少なくとも一部は、炭化物、炭窒化物、窒化物、酸化物、ホウ化物および酸窒化物の少なくともいずれかであり、
熱伝導率が１００Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上である複合焼結体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合焼結体に関する。本出願は、２０１６年１０月２１日に出願した日本特許出願である特願２０１６−２０６９０３号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
特開２００５−２３９４７２号公報（特許文献１）は、平均粒径が２μｍ以下の焼結ダイヤモンド粒子と、残部の結合相とを備えた高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体であって、ダイヤモンド焼結体中の焼結ダイヤモンド粒子の含有率は８０体積％以上９８体積％以下であり、結合相中の含有率が０．５質量％以上５０質量％未満であるチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、およびモリブデンからなる群から選ばれる少なくとも１種以上の元素と、結合相中の含有率が５０質量％以上９９．５質量％未満であるコバルトとを結合相は含み、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、およびモリブデンからなる群から選ばれる少なくとも１種以上の元素の一部または全部が平均粒径０．８μｍ以下の炭化物粒子として存在し、炭化物粒子の組織は不連続であり、隣り合う焼結ダイヤモンド粒子同士は互いに結合している高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体を開示する。【０００３】
特開平９−３１６５８７号公報（特許文献２）は、焼結ダイヤモンド粒子と、残部として結合材とを含み、焼結ダイヤモンド粒子は０．１〜４μｍの範囲内の粒径を有し、結合材はＦｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選ばれた少なくとも１つの鉄族金属を含み、酸素含有量が０．０１〜０．０８重量％の範囲内である高強度微粒ダイヤモンド焼結体を開示する。【０００４】
特開平１−１７８３６号公報（特許文献３）は、体積で６〜０．１％の周期律表第４ａ，５ａまたは６ａ族の遷移金属、ホウ素、もしくはシリコンが均一にコーティングされたダイヤモンド原料紛体粒子を超高圧高温下で焼結せしめてなる焼結体により構成され、ダイヤモンドを体積で９４〜９９．８％含有し、残部が上記コーティング材料の炭化物からなるダイヤモンド焼結体を開示する。【０００５】
特表２０１４−５３１９６７号公報（特許文献４）は、複数の一体になるように結合されたダイヤモンド結晶粒およびダイヤモンド結晶粒の間の間隙領域を含む材料ミクロ構造を含む多結晶質ダイヤモンド本体と、タングステンおよび触媒金属を含む基板と、多結晶質ダイヤモンド本体と基板との間にある、タングステンおよび触媒金属が散在する複数のチタン含有粒子を含む結晶粒成長阻止剤層と、を含み、チタン含有粒子はそのサイズが８００ｎｍ未満であり、結晶粒成長阻止剤層は、その両面が基板と多結晶質ダイヤモンド本体とに結合され、厚さが約２０〜１００μｍであり、ダイヤモンド結晶粒は約１μｍ以下の平均サイズを有する多結晶質ダイヤモンドコンパクトを開示する。【０００６】
国際公開第２００７／０３９９５５号（特許文献５）は、体積％で６０％以上９５％以下のｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）成分を有し、かつ熱伝導率が７０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上のｃＢＮ焼結体の最表面が、４ａ，５ａ，６ａ族元素、およびＡｌの中から選択される少なくとも１種以上の元素と、Ｃ，Ｎ，Ｏの中から選択される少なくとも１種以上の元素の化合物からなる０．５μｍ〜１２μｍの厚みを有する耐熱膜で被覆されている高品位表面性状加工用ｃＢＮ焼結体を開示する。【０００７】
国際公開第２００５／０６６３８１号（特許文献６）は、ｃＢＮ粒子とかかるｃＢＮ粒子を結合するための結合材とを含む立方晶型窒化ホウ素焼結体において、７０体積％以上９８体積％以下のｃＢＮ粒子と、残部結合材がＣｏ化合物、Ａｌ化合物、ＷＣおよびこれらの固溶体からなり、焼結体中のｃＢＮ粒子がＭｇを０．０３重量％以下、かつＬｉを０．００１重量％以上０．０５重量％以下含有する立方晶型窒化ホウ素焼結体を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２３９４７２号公報
【特許文献２】特開平９−３１６５８７号公報
【特許文献３】特開平１−１７８３６号公報
【特許文献４】特表２０１４−５３１９６７号公報
【特許文献５】国際公開第２００７／０３９９５５号
【特許文献６】国際公開第２００５／０６６３８１号
【発明の概要】
【０００９】
本開示の複合焼結体は、平均粒径が１０μｍ以下の複数のダイヤモンド粒子と、平均粒径が２μｍ以下の複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部は互いに結合しており、結合相はコバルトを含み、複合焼結体中において、ダイヤモンド粒子の含有率が３０体積％以上９４体積％以下であり、立方晶窒化ホウ素粒子の含有率が３体積％以上４０体積％以下であり、上記コバルトの含有率が３体積％以上３０体積％以下である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[本開示が解決しようとする課題]
近年の航空機需要の高まりから、インコネル７１８（Ｎｉ基合金）やＴｉ−６Ａｌ−４Ｖに代表される耐熱合金で構成されるジェットエンジンの主要部品であるタービンディスクやブリスクの高速加工が望まれているが、現状は、超硬工具で切削速度５０ｍ／ｍｉｎ程度の低速での仕上げ加工がなされており、高速加工という市場の要求を満たす工具は現れていない。
【００１１】
特開２００５−２３９４７２号公報（特許文献１）、特開平９−３１６５８７号公報（特許文献２）、特開平１−１７８３６号公報（特許文献３）および特表２０１４−５３１９６７号公報（特許文献４）に開示のダイヤモンド焼結体は、それらの主成分であるダイヤモンドが鉄族元素（周期律表上で第４周期の第８、９および１０族の元素、すなわち、鉄、コバルトおよびニッケルの３つの元素の総称。以下同じ。）および／またはチタンを含む合金と親和性が極めて高いため反応性が高く、空気中６００℃以上で炭化が始まり硬度が低下し、空気中８００℃以上では燃焼することから、熱的化学安定性に劣るため、鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工に使用しないのが常識である。
【００１２】
国際公開第２００７／０３９９５５号（特許文献５）および国際公開第２００５／０６６３８１号（特許文献６）に開示の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結体は、それらの主成分であるｃＢＮが鉄族元素および／またはチタンを含む合金と親和性が低く、鉄族元素および／またはチタンを含む合金で形成される耐熱合金の高速加工においても高い耐摩耗性を示す。しかしながら、ｃＢＮ焼結体は、耐欠損性が低いことから、鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工において早期にチッピングが発生するため、工具として実用的な寿命が得られていない。
【００１３】
そこで、上記問題を解決して、鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工にも適用可能で、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を提供することを目的とする。
[本開示の効果]
本開示によれば、鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工にも適用可能で、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を提供できる。
【００１４】
[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
【００１５】
［１］本発明のある実施形態にかかる複合焼結体は、平均粒径が１０μｍ以下の複数のダイヤモンド粒子と、平均粒径が２μｍ以下の複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部は互いに結合しており、結合相はコバルトを含み、複合焼結体中において、ダイヤモンド粒子の含有率が３０体積％以上９４体積％以下であり、立方晶窒化ホウ素粒子の含有率が３体積％以上４０体積％以下であり、上記コバルトの含有率が３体積％以上３０体積％以下である。本実施形態の複合焼結体は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える。
【００１６】
［２］本実施形態の複合焼結体において、ダイヤモンド粒子の平均粒径を２μｍ以下とし、立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径を１μｍ以下とし、複合焼結体中において、ダイヤモンド粒子の含有率を５０体積％以上７０体積％以下とし、立方晶窒化ホウ素粒子の含有率を１０体積％以上３０体積％以下とし、上記コバルトの含有率を１０体積％以上２０体積％以下とすることができる。かかる複合焼結体は、強度が高くなり、高耐摩耗性および高耐欠損性に加えて、耐チッピング性が高くなる。
【００１７】
［３］本実施形態の複合焼結体において、結合相は、タングステン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム、アルミニウム、シリコンおよびモリブデンからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分をさらに含み、結合相中において、上記コバルトの含有率を５０質量％以上９９．５質量％以下とし、上記化学成分の含有率を０．５質量％以上５０質量％以下とすることができる。かかる複合焼結体は、強度が高くなり、高耐摩耗性および高耐欠損性に加えて、耐チッピング性が高くなる。
【００１８】
［４］本実施形態の複合焼結体において、結合相中に含まれる上記化学成分の少なくとも一部を、炭化物、炭窒化物、窒化物、酸化物、ホウ化物および酸窒化物の少なくともいずれかとすることができる。かかる複合焼結体は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備え、特に耐摩耗性が高い。
【００１９】
［５］本実施形態の複合焼結体において、熱伝導率を１００Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上とすることができる。かかる複合焼結体は、高速加工においても、温度上昇が抑制され、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備えるとともに工具としての寿命が長い。
【００２０】
［６］本実施形態の複合焼結体は、平均粒径が２μｍ以下の複数のダイヤモンド粒子と、平均粒径が１μｍ以下の複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部は互いに結合しており、結合相は、タングステン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム、アルミニウム、シリコンおよびモリブデンからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分と、コバルトと、を含み、複合焼結体中において、ダイヤモンド粒子の含有率を５０体積％以上７０体積％以下とし、立方晶窒化ホウ素粒子の含有率を１０体積％以上３０体積％以下とし、上記コバルトの含有率を１０体積％以上２０体積％以下とし、結合相中において、上記コバルトの含有率を５０質量％以上９９．５質量％以下とし、上記化学成分の含有率を０．５質量％以上５０質量％以下とし、結合相中に含まれる上記化学成分の少なくとも一部を、炭化物、炭窒化物、窒化物、酸化物、ホウ化物および酸窒化物の少なくともいずれかとし、熱伝導率を１００Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上とすることができる。かかる複合焼結体は、高耐摩耗性および高耐欠損性に加えて、耐チッピング性が高くなるとともに、工具としての寿命が長い。
【００２１】
[本発明の実施形態の詳細]
＜複合焼結体＞
本実施形態にかかる複合焼結体は、平均粒径が１０μｍ以下の複数のダイヤモンド粒子と、平均粒径が２μｍ以下の複数の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部は互いに結合しており、結合相はコバルトを含み、複合焼結体中において、ダイヤモンド粒子の含有率が３０体積％以上９４体積％以下であり、立方晶窒化ホウ素粒子の含有率が３体積％以上４０体積％以下であり、上記コバルトの含有率が３体積％以上３０体積％以下である。本実施形態の複合焼結体は、ダイヤモンド粒子とｃＢＮ粒子との複合化により、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える。
【００２２】
本発明者らは、ｃＢＮ焼結体で切削工具の１種であるエンドミルを形成して、鉄族元素を含む耐熱合金（たとえばインコネル（登録商標）７１８）を加工した際に、刃先にチッピングが発生する直前のエンドミルを観察したところ、刃先がエンドミル内部に発生した亀裂がｃＢＮ粒子を貫通していることを見出した。これにより、鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金を加工するための工具としては、ｃＢＮ粒子自体の靭性および強度が不足しており、従来のｃＢＮ焼結体の改良の延長線上では大幅な性能向上が見込めないことが分かった。
【００２３】
次いで、本発明者らは、エンドミルによる鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工において１刃当たりの切削距離が短く刃先温度が上昇しにくいと考えて、常識的には使用を避けるダイヤモンド焼結体でエンドミルを形成して、鉄族元素を含む耐熱合金（たとえばインコネル（登録商標）７１８）を加工した。その結果、ダイヤモンド焼結体で形成されたエンドミルは、ｃＢＮ焼結体で形成されたエンドミルで散発するチッピングは発生しなかったが、ｃＢＮ焼結体で形成されたエンドミルに比べて摩耗速度が高く、実用的な寿命が得られなかった。
【００２４】
そこで、本発明者らは、耐摩耗性の高いｃＢＮ粒子と耐欠損性の高いダイヤモンド粒子の複合化を検討した。その検討の結果、ダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して連続したスケルトン構造を形成するとの推定に適した含有量のダイヤモンド粒子と、同スケルトン構造を形成する製造プロセスにより、そのスケルトン構造の隙間に配置するとの推定に適した含有量のｃＢＮ粒子と、を複合化させることにより、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を得ることに成功した。
【００２５】
（ダイヤモンド粒子）
ダイヤモンド粒子の平均粒径は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える高強度の複合焼結体を得る観点から、１０μｍ以下であり、好ましくは２μｍ以下である。ここで、ダイヤモンド粒子の平均粒径は、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ：Cross  section  Polisher）装置などを用いたＣＰ加工により複合焼結体の任意に特定される断面を作製し、その断面においてＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）によりダイヤモンド粒子を判別し、ダイヤモンド粒子が複合焼結体中に均質に分散しているとして、画像解析ソフトを用いて粒子１個ごとの断面積から円相当径とその平均を算出し、平均粒径とする。
【００２６】
複合焼結体中におけるダイヤモンド粒子の含有率は、ダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して連続したスケルトン構造を形成するのに適する観点から、３０体積％以上９４体積％以下であり、好ましくは５０体積％以上７０体積％以下である。ここで、複合焼結体中におけるダイヤモンド粒子の含有率は、複合焼結体の任意に特定される断面において、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）によりダイヤモンド粒子を判別し、ダイヤモンド粒子が複合焼結体中に均質に分散しているとして、その断面の全面積に対するダイヤモンド粒子の断面積の面積％を体積％とみなすことにより算出する。なお、複合焼結体中で隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して形成される連続したスケルトン構造は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察する。
【００２７】
（立方晶窒化ホウ素粒子）
ｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）粒子の平均粒径は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える高強度の複合焼結体を得る観点から、２μｍ以下であり、好ましくは１μｍ以下である。ここで、ｃＢＮ粒子の平均粒径は、ダイヤモンド粒子と同様の方法で算出する。複合焼結体中におけるｃＢＮ粒子の含有率は、ダイヤモンド粒子により形成される上記スケルトン構造の隙間に配置するのに適する観点から、３体積％以上４０体積％以下であり、好ましくは１０体積％以上３０体積％以下である。ここで、複合焼結体中におけるｃＢＮ粒子の含有率は、複合焼結体の任意に特定される断面において、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）によりｃＢＮ粒子を判別し、ｃＢＮ粒子が複合焼結体中に均質に分散しているとして、その断面の全面積に対するｃＢＮ粒子の断面積の面積％を体積％とみなすことにより算出する。
【００２８】
（結合相）
結合相は、隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部を互いに結合させる観点から、コバルト（Ｃｏ）を含む。複合焼結体中におけるＣｏの含有率は、隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部を互いに結合させる観点から、３体積％以上３０体積以下であり、好ましくは１０体積％以上２０体積％以下である。ここで、複合焼結体中におけるＣｏの含有率は、複合焼結体の任意に特定される断面において、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）によりＣｏを判別し、Ｃｏが複合焼結体中に均質に分散しているとして、その断面の全面積に対するＣｏと判別される断面積の面積％を体積％とみなすことにより算出する。
【００２９】
結合相は、複合焼結体の強度を高くする観点から、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）およびモリブデン（Ｍｏ）からなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分をさらに含むことが好ましい。隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部を互いに結合させて複合焼結体の強度を高くする観点から、結合相中におけるＣｏの含有率は、５０質量％以上９９．５質量％以下が好ましく、５５質量％以上７０質量％以下がより好ましい。また、複合焼結体の強度を高くする観点から、結合相中における上記化学成分（Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、ＳｉおよびＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分）の含有率は、０．５質量％以上５０質量％以下が好ましく、３０質量％以上４５質量％以下がより好ましい。結合相中におけるＣｏおよび上記化学成分の含有率は、複合焼結体の任意に特定される断面をＣＰ処理して、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）の定量分析により測定されたＣｏと化学成分との質量比をとることにより算出する。
【００３０】
複合焼結体の耐摩耗性を高くする観点から、結合相中に含まれる上記化学成分（Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、ＳｉおよびＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分）の少なくとも一部は、炭化物、炭窒化物、窒化物、酸化物、ホウ化物および酸窒化物の少なくともいずれかであることが好ましい。たとえば、ＴｉＣなどの炭化物、ＴｉＣＮなどの炭窒化物、ＴｉＮなどの窒化物、Ａｌ2Ｏ3などの酸化物、ＴｉＢ2などのホウ化物、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）などの酸窒化物などが挙げられる。上記化学成分の種類は、ＸＲＤ（Ｘ線回折）の回折ピークパターンにより判別する。
【００３１】
（熱伝導率）
鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工に複合焼結体を長寿命で用いることができるように、複合焼結体の温度上昇を抑制する観点から、複合焼結体の熱伝導率は、１００Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上が好ましく、１２０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上がより好ましい。ここで、複合焼結体の熱伝導率は、レーザフラッシュ法により測定される熱拡散率および比熱と、アルキメデス法により測定される密度と、により算出する。
【００３２】
本実施形態の複合焼結体は、平均粒径が２μｍ以下の複数のダイヤモンド粒子と、平均粒径が１μｍ以下の複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部は互いに結合しており、結合相は、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、ＳｉおよびＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分と、Ｃｏと、を含み、複合焼結体中において、ダイヤモンド粒子の含有率が５０体積％以上７０体積％以下であり、立方晶窒化ホウ素粒子の含有率が１０体積％以上３０体積％以下であり、上記コバルトの含有率が１０体積％以上２０体積％以下であり、結合相中において、上記コバルトの含有率が５０質量％以上９９．５質量％以下であり、上記化学成分の含有率が０．５質量％以上５０質量％以下であり、結合相中に含まれる上記化学成分の少なくとも一部が、炭化物、炭窒化物、窒化物、酸化物、ホウ化物および酸窒化物の少なくともいずれかであり、熱伝導率を１００Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上とすることが好ましい。かかる複合焼結体は、高耐摩耗性および高耐欠損性に加えて、耐チッピング性が高くなるとともに、工具としての寿命が長い。
【００３３】
＜複合焼結体の製造方法＞
本実施形態にかかる複合焼結体の製造方法は、特に制限がないが、本実施形態の複合焼結体を効率よく製造する観点から、ダイヤモンド粉末の各粒子の表面の少なくとも一部にＣｏを含む結合材を被覆することにより結合材被覆ダイヤモンド粉末を形成する第１工程と、結合材被覆ダイヤモンド粉末とｃＢＮ粉末とを混合することにより混合物を形成する第２工程と、混合物を焼結することにより複合焼結体を形成する第３工程と、を備えることが好ましい。
【００３４】
（第１工程）
第１工程において、ダイヤモンド粉末の各粒子の表面の少なくとも一部にＣｏを含む結合材を被覆することにより結合材被覆ダイヤモンド粉末を形成する。結合材被覆ダイヤモンド粉末とｃＢＮ粉末との混合物を後工程で焼結することにより、本実施形態の複合焼結体が得られる。
【００３５】
第１工程において用いられるダイヤモンド粉末の平均粒径は、特に制限はないが、高強度であり高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を形成する観点から、１０μｍ以下であり、好ましくは２μｍ以下である。ダイヤモンド粉末の各粒子の表面の少なくとも一部にＣｏを含む結合材を被覆する方法は、特に制限はないが、不純物が少なく均一に被覆する観点から、無電解めっき法、アーク蒸着法、粉末スパッタ法などが好ましい。結合材は、高強度であり高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を形成する観点から、Ｃｏに加えて、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、ＳｉおよびＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分を含むことが好ましい。結合材は、後工程により、複合焼結体中の結合相を形成する。
【００３６】
（第２工程）
第２工程において、結合材被覆ダイヤモンド粉末とｃＢＮ粉末とを混合することにより混合物を形成する。かかる混合物を後工程で焼結することにより、本実施形態の複合焼結体が得られる。また、焼結体中の結合材量を調整する観点から本工程で結合材を添加することもできる。第２工程で結合材を添加する場合は、第１工程を省略することもできるが、第１工程があることが好ましい。
【００３７】
第２工程において用いられるｃＢＮ粉末の平均粒径は、特に制限はないが、高強度であり高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を形成する観点から、２μｍ以下であり、好ましくは１μｍ以下である。結合材被覆ダイヤモンド粉末とｃＢＮ粉末とを混合する方法は、特に制限はないが、効率よく均質に混合する観点から、ボールミル混合、ビーズミル混合、遊星ミル混合、ジェットミル混合などが好ましい。また、上記のように、このとき結合材も同時に混合することが可能である。結合材被覆ダイヤモンド粉末の量（すなわちダイヤモンド粉末の量およびダイヤモンド粉末に対する結合材の量）、ｃＢＮ粉末の量、結合材中のＣｏおよび上記化学成分の含有率を調節することにより、複合焼結体中におけるダイヤモンド粒子の所望の含有率、ｃＢＮ粒子の所望の含有率およびＣｏの所望の含有率、ならびに結合相中におけるＣｏの所望の含有率および上記化学成分の所望の含有率が得られる。
【００３８】
（第３工程）
第３工程において、混合物を焼結することにより複合焼結体を形成する。混合物を焼結する条件は、特に制限はないが、効率よく本実施形態の複合焼結体を得る観点から、焼結圧力が好ましくは４ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下であり、より好ましくは６ＧＰａ以上８ＧＰａ以下であり、焼結温度が好ましくは１４００℃以上２０００℃以下であり、より好ましくは１５００℃以上１８００℃以下である。ダイヤモンド粒子のスケルトン構造を形成するためには焼結時間は長いほうが好ましく、１５分以上６０分以下が好ましい。通常、微粒のダイヤモンド粒子を６ＧＰa以上および１５００℃以上の高圧高温で長時間焼結すると異常粒成長が生じるが、本実施形態ではｃＢＮ粒子をダイヤモンド格子間に配することで異常粒成長を抑制し、従来より長時間での焼結が可能となる。
【実施例】
【００３９】
（実施例Ｉ）
本実施例は、表１のＮｏ．Ｉ−１〜Ｎｏ．Ｉ−１２に示すように、ダイヤモンド粒子およびｃＢＮ粒子の平均粒径と含有率、ならびに結合材の含有率を変化させた複合焼結体を作製し、硬度、破壊靭性値および熱伝導率を測定した。さらに、それらの複合焼結体で切削工具を作製して、インコネル（登録商標）７１８を高速切削したときの刃先の逃げ面摩耗幅を測定し、寿命を評価した。【００４０】
複合焼結体の作製は、以下のようにして行なった。平均粒径が１μｍのダイヤモンド粉末の各粒子の表面に、無電解めっき法で、結合材としてＣｏをダイヤモンド粒子に対して６質量％被覆した。その後、Ｃｏを被覆したダイヤモンド粉末と平均粒径が１μｍのｃＢＮ粉末とを、ボールミル法で湿式混合して混合物を作製し、粒子表面に付着したガスを除去するために１２００℃で３０分間真空熱処理した。この混合物をＷＣ−６％Ｃｏの超硬合金製円盤とＣｏ箔に接した状態でＴａ（タンタル）製の容器に充填し、ベルト型超高圧高温発生装置を用いて、６ＧＰａの圧力および１６５０℃の温度で３０分間保持して焼結することにより複合焼結体を作製した。【００４１】
上記焼結の際に、ＷＣ−６％Ｃｏの超硬合金製円盤とＣｏ箔とから、ＷＣ−６％ＣｏとＣｏとの共晶融液が、複合焼結体に溶浸して焼結が進むため、複合焼結体中のダイヤモンド粒子およびｃＢＮ粒子の含有率ならびに結合相の組成は混合物の仕込み組成と若干変わる。このため、上記共晶融液の溶浸分を予想して、混合物の仕込み組成を設計した。【００４２】
作製された複合焼結体の任意に特定される断面をアルゴンイオンビームで研磨し、ＳＥＭ（電子顕微鏡）で複合焼結体の組織を観察したところ、Ｎｏ．Ｉ−１〜Ｎｏ．Ｉ−８、Ｎｏ．Ｉ−１１およびＮｏ．Ｉ−１２については、ダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して連続したスケルトン構造が観察された。また、複合焼結体中のダイヤモンド粒子、ｃＢＮ粒子および結合相のＣｏの含有率は、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）によりダイヤモンド粒子、ｃＢＮ粒子および結合相を判別し、ダイヤモンド粒子が複合焼結体中に均質に分散しているとして、その断面の全面積に対するダイヤモンド粒子の断面積の面積％を体積％とみなすことにより、画像解析ソフト（三谷商事株式会社製ＷｉｎＲＯＯＦ）を用いて算出した。粒子径に関しても、含有率測定と同様にＥＤＸで各粒子を判別し、画像解析ソフト（三谷商事株式会社製ＷｉｎＲＯＯＦ）を用いて、各粒子毎の断面積から円相当径を算出することにより平均粒径を算出した。【００４３】
また、作製された複合焼結体について、それらの強度はビッカース硬度計を用いて荷重５０ｋｇｆで測定し、それらの破壊靭性値はＪＩＳ  Ｒ１６０７：２０１０に規定するＩＦ法により算出し、それらの熱伝導率はレーザフラッシュ法で熱拡散率と比熱を測定し、アルキメデス法により密度を測定し、熱伝導率を算出した。結果を表１にまとめた。【００４４】
上記の複合焼結体で、ＲＳＸ１２０３２ＥＳ型（加工径３２ｍｍ）のエンドミルタイプのカッタとＲＤＥＴ１２０４Ｍ０型のチップとで構成される切削工具を作製した。作製した切削工具を用いて、外径９５ｍｍの円盤状のインコネル（登録商標）７１８（大同スペシャルメタル株式会社製、溶体化・時効硬化処理材、ロックウエル硬度ＨＲＣ４４、ＡＳＴＭ（米国材料試験協会）のＥ１１２に規定される粒度番号９の粒度のもの）のワークの上面を切削した。切削条件は、切削速度Ｖｃが６００ｍ／ｍｉｎ、送り量ｆが０．１５ｍｍ／刃、切込みａｐが０．５ｍｍ、径方向切込みａｅが０．１２ｍｍ、クーラント：ＷＥＴ（エマルジョン２０倍希釈）であった。結果を表１にまとめた。表１中の「逃げ面の摩耗および／またはチッピングの幅」は、ワークの切削長が０．４５ｍ時点での値とした。また、表１中の「寿命」は、逃げ面の摩耗および／またはチッピングの幅が０．１ｍｍを超えた時点のワークの切削長とした。【００４５】
【表１】
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【００４６】
表１のＮｏ．Ｉ−１〜Ｎｏ．Ｉ−７およびＮｏ．Ｉ−１１で作製された複合焼結体で作製された切削工具は、鉄族元素を含む合金で形成される耐熱合金であるインコネル（登録商標）７１８の高速加工において、逃げ面に欠損はなく、逃げ面の摩耗および／またはチッピングの幅は小さく、寿命は摩耗およびチッピングのいずれによるものであっても長かった。すなわち、平均粒径が１０μｍ以下のダイヤモンド粒子と、平均粒径が２μｍ以下の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備え、隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部は互いに結合しており、結合相はコバルトを含み、複合焼結体中において、ダイヤモンド粒子の含有率が３０体積％以上９４体積％以下、立方晶窒化ホウ素粒子の含有率が３体積％以上４０体積％以下、コバルトの含有率が３体積％以上３０体積％以下である複合焼結体は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備え、かかる複合焼結体で形成された切削工具は、鉄を含む合金で形成される耐熱合金であるインコネル（登録商標）７１８の高速加工においても長い寿命を有していた。ここで、表１および後述の表２において、（ｃ）で示される「チッピング」とは、切削可能な微小な欠けを意味する。また、表１に示される「欠損」とは、切削が不可能となる大きな欠けを意味する。【００４７】
（実施例ＩＩ）
本実施例は、表２のＮｏ．ＩＩ−１〜Ｎｏ．ＩＩ−１２に示すように、結合材として、Ｃｏに加えて、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、ＳｉおよびＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分を用いたこと以外は、実施例Ｉと同様にして、複合焼結体および切削工具を作製して、それらの物性を評価した。ここで、上記の化学成分の原料は、アトマイズ法を用いて得られた平均粒径が２μｍ以下の微粒金属粉末を用いた。Ｎｏ．ＩＩ−１〜Ｎｏ．ＩＩ−１２で作製した複合焼結体の結合相中には、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、ＳｉおよびＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素の単体もしくはＣｏとの合金、それらの炭化物、ホウ化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、および酸窒化物などが形成されていた。これらの単体および化合物の形成は、複合焼結体のＸＲＤにより確認した。ＸＲＤは、Ｃｕ−Ｋα線のＸ線光源を用いて２０°〜８０°の範囲で、スキャンステップ０．０２°で測定した。結合相中の組成比率はＥＤＸの定量分析を用いてコバルトとその他の化学成分との比をとることで算出した。【００４８】
また、切削条件は、切削速度Ｖｃが３００ｍ／ｍｉｎ、送り量ｆが０．１５ｍｍ／刃、切込みａｐが０．５ｍｍ、径方向切込みａｅが０．１２ｍｍ、クーラント：ＷＥＴ（エマルジョン２０倍希釈）であった。結果を表２にまとめた。表２中の「逃げ面の摩耗および／またはチッピングの幅」は、ワークの切削長が０．４５ｍ時点での値とした。また、表２中の「寿命」は、逃げ面の摩耗および／またはチッピングの幅が０．１ｍを超えた時点のワークの切削長とした。また、実施例ＩＩにおいては、複合焼結体についての追加の評価として、抗折力（ＴＲＳ（３点曲げ強度））測定を行なった。抗折力（ＴＲＳ）は、複合焼結体の長さ６ｍｍ×幅３ｍｍ×厚さ０．４〜０．４５ｍｍの試験片を用いて４ｍｍのスパンで測定した。【００４９】
【表２】
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【００５０】
表２のＮｏ．ＩＩ−１〜Ｎｏ．ＩＩ−１１で作製された複合焼結体で作製された切削工具は、鉄族元素を含む合金で形成される耐熱合金であるインコネル（登録商標）７１８の高速加工において、逃げ面に欠損はなく、逃げ面の摩耗および／またはチッピングの幅は小さく、寿命は摩耗およびチッピングのいずれによるものであっても長かった。すなわち、平均粒径が１０μｍ以下のダイヤモンド粒子と、平均粒径が２μｍ以下の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備え、隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部は互いに結合しており、結合相はＷ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、ＳｉおよびＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分およびコバルトを含み、複合焼結体中のダイヤモンド粒子の含有率が３０体積％以上９４体積％以下、複合焼結体中の立方晶窒化ホウ素粒子の含有率が３体積％以上４０体積％以下、複合焼結体中のコバルトの含有率が３体積％以上３０体積％以下、結合相中のコバルトの含有率が５０質量％以上９９．５質量％以下、かつ結合相中の化学成分の含有率が０．５質量％以上５０質量％以下である複合焼結体は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備え、かかる複合焼結体で形成された切削工具は、鉄族元素を含む合金で形成される耐熱合金であるインコネル（登録商標）７１８の高速加工においても長い寿命を有していた。【００５１】
（実施例ＩＩＩ）
本実施例は、表３のＮｏ．ＩＩＩ−１〜Ｎｏ．ＩＩＩ−７に示すように、結合材として、Ｃｏに加えて、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、ＳｉおよびＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素の化合物を含む化学成分を用いたこと以外は、実施例Ｉと同様にして、複合焼結体および切削工具を作製して、それらの物性を評価した。ここで、上記の化学成分の原料は、平均粒径が０．５μｍ程度までビーズミル粉砕した化合物粉末を用いた。【００５２】
また、切削条件は、切削速度Ｖｃが８００ｍ／ｍｉｎ、送り量ｆが０．１５ｍｍ／刃、切込みａｐが０．５ｍｍ、径方向切込みａｅが０．１２ｍｍ、クーラント：ＷＥＴ（エマルジョン２０倍希釈）であった。結果を表３にまとめた。表３中の「逃げ面の摩耗および／またはチッピングの幅」は、ワークの切削長が０．４５ｍ時点での値とした。また、表３中の「寿命」は、逃げ面の摩耗および／またはチッピングの幅が０．１ｍを超えた時点のワークの切削長とした。【００５３】
【表３】
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【００５４】
表３のＮｏ．ＩＩＩ−１〜Ｎｏ．ＩＩＩ−７で作製された複合焼結体で作製された切削工具は、鉄族元素を含む合金で形成される耐熱合金であるインコネル（登録商標）７１８の高速加工において、逃げ面に欠損はなく、逃げ面の摩耗および／またはチッピングの幅は小さく、寿命は摩耗およびチッピングのいずれによるものであっても長かった。すなわち、平均粒径が１０μｍ以下のダイヤモンド粒子と、平均粒径が２μｍ以下の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備え、隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部は互いに結合しており、結合相はＷ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、ＳｉおよびＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素の炭化物、炭窒化物、窒化物、酸化物、ホウ化物および酸窒化物の少なくともいずれかを含む化学成分およびコバルトを含み、複合焼結体中のダイヤモンド粒子の含有率が３０体積％以上９４体積％以下、複合焼結体中の立方晶窒化ホウ素粒子の含有率が３体積％以上４０体積％以下、複合焼結体中のコバルトの含有率が３体積％以上３０体積％以下、結合相中のコバルトの含有率が５０質量％以上９９．５質量％以下、かつ結合相中の化学成分の含有率が０．５質量％以上５０質量％以下である複合焼結体は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備え、かかる複合焼結体で形成された切削工具は、鉄族元素を含む合金で形成される耐熱合金であるインコネル（登録商標）７１８の高速加工においても長い寿命を有していた。【００５５】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【国際調査報告】
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