(57)【要約】  マトリックス中に分散したｃＢＮ粒からなるＰＣＢＮ材料であって、ｃＢＮ粒の含量が、ＰＣＢＮ材料の約３５〜約７０体積％の範囲内である、ＰＣＢＮ材料。マトリックスは、アルミニウム（Ａｌ）を含む化学化合物の少なくとも１種およびチタン（Ｔｉ）を含む化学化合物の少なくとも１種を含む。ＰＣＢＮ材料の表面に露出したｃＢＮ粒のサイズ分布は、総円相当面積（ＥＣＡ）の少なくとも約５０％が、最大で５μｍのｃＢＮ切片長から生じるようなものである。総ＥＣＡの少なくとも約２０パーセントは、約５μｍ超のｃＢＮ切片長から生じる。
2016520030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス中に分散したｃＢＮ粒からなるＰＣＢＮ材料であって、ｃＢＮ粒の含量は、ＰＣＢＮ材料の約３５〜約７０体積パーセントの範囲内であり、マトリックスは、アルミニウム（Ａｌ）を含む化学化合物の少なくとも１種およびチタン（Ｔｉ）を含む化学化合物の少なくとも１種を含み、複数のｃＢＮ粒表面が、ＰＣＢＮ材料の実質的に平面の表面と境界を共有しており、ｃＢＮ粒のサイズ分布は、総円相当面積（ＥＣＡ）の少なくとも約５０パーセントが、最大で５μｍのｃＢＮ切片長から生じるようなものであり、総ＥＣＡの少なくとも約２０パーセントが、５μｍ超のｃＢＮ切片長から生じる、ＰＣＢＮ材料。
【請求項２】
マトリックスが、炭窒化チタン、炭化チタン、または窒化チタンの１種または複数を含む、請求項１に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項３】
マトリックスが、窒化アルミニウムおよび少なくとも１種のホウ化アルミニウム化合物を含む、請求項１または請求項２に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項４】
マトリックスが、炭窒化チタンおよび窒化アルミニウムを含み、炭窒化チタンおよび窒化アルミニウムの組み合わせた含量が、マトリックスの少なくとも約８０質量パーセントである、請求項１から３のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項５】
マトリックスが、ニオブ、タンタル、バナジウム、またはジルコニウムの炭化物、炭窒化物、または窒化物化合物を含む、請求項１から４のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項６】
マトリックスが炭化タングステン粒を含有し、炭化タングステン粒の含量が、ＰＣＢＮ材料の３質量パーセント超である、請求項１から５のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項７】
金属炭化物粒が、炭化タングステン、炭化バナジウム、炭化モリブデン、炭化タンタル、または炭化クロムを含む、請求項５に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項８】
マトリックスが、少なくとも５０ナノメートル（ｎｍ）、かつ最大で１，０００ナノメートル（ｎｍ）の平均粒度を有する多結晶材料を含む、請求項１から７のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料を含むカッターツール用インサートであって、ＰＣＢＮ材料が使用中にカッターエッジをもたらすことができるように構成されている、インサート。
【請求項１０】
請求項９に記載のインサートを使用する方法であって、少なくとも５２ＨＲｃのロックウェルＣ硬度を有する鋼を切削するためにインサートを使用するステップを含む、方法。
【請求項１１】
鋼が、切削のモードが中断されるように構成されたボディ内に含まれている、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
連続切削と断続切削の比が、少なくとも約５０パーセントかつ最大で約９５パーセントである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
請求項１から８のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料を作製する方法であって、粒の円相当径（ＥＣＤ）に関して質量頻度分布を有する複数のｃＢＮ粒を含むｃＢＮ集合体を準備するステップであり、該頻度分布は、第１の最頻値および第２の最頻値を有し、第１の最頻値は、０μｍ超かつ最大で約３μｍのＥＣＤで起こり、第２の最頻値は、３μｍ超で起こり、０μｍ超〜最大で３μｍのＥＣＤを有するｃＢＮ粒は、ｃＢＮ集合体の少なくとも３０パーセントを占め、３μｍ超のＥＣＤを有するｃＢＮ粒は、ｃＢＮ集合体の質量の少なくとも２０パーセントを占める、ステップと；ｃＢＮ集合体をアルミニウム（Ａｌ）の源およびチタン（Ｔｉ）の源、またはＴｉおよびＡｌの源と組み合わせて、ブレンドされた集合体を準備するステップと；ブレンドされた集合体を含む前焼結体を形成し、該前焼結体を十分な高圧および十分な高温に付して、アルミニウム（Ａｌ）を含む化学化合物の少なくとも１種およびチタン（Ｔｉ）を含む化学化合物の少なくとも１種を含む焼結マトリックス中に分散したｃＢＮ粒からなるＰＣＢＮ材料をもたらすステップであり、ブレンドされた集合体中のｃＢＮ粒の質量は、ＰＣＢＮ材料中のｃＢＮ粒の含量がＰＣＢＮ材料の約３５〜約７０体積パーセントの範囲内であるのに十分である、ステップとを含む方法。
【請求項１４】
ＰＣＢＮ材料中の金属炭化物粒の含量が３質量パーセント超であるように、十分な金属炭化物材料をブレンドされた集合体中に導入するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
第２の最頻値が、最大で約２０μｍのＥＣＤで起こる、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
Ａｌの源が粉末形態である、請求項１３から１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
Ｔｉの源が粉末形態である、請求項１３から１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
ｃＢＮ粒を、摩擦粉砕装置によって、Ａｌの源およびＴｉの源、ならびに／またはＡｌおよびＴｉの源とブレンドするステップを含む、請求項１３から１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
第１のｃＢＮ集合体および第２のｃＢＮ集合体を準備するステップを含み、第１および第２のｃＢＮ集合体のそれぞれが、それぞれの複数のｃＢＮ粒を含み、第１のｃＢＮ集合体の体積平均ＥＣＤ（Ｄ［４，３］）が０超かつ最大で約３μｍであり、第２のｃＢＮ集合体の体積平均ＥＣＤが約３μｍ超である、請求項１３から１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
第２のｃＢＮ集合体の平均体積平均ＥＣＤが、最大で約１５μｍである、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
第１のｃＢＮ集合体の平均体積平均ＥＣＤが、最大で約２μｍである、請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項２２】
ｃＢＮ粒の第１の集合体の平均比表面積が、少なくとも１グラム当たり約５平方メートル（ｍ2／ｇ）である、請求項１９から２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
ｃＢＮ粒の第１の集合体の平均比表面積が、最大で１グラム当たり約０．５平方メートル（ｍ2／ｇ）である、請求項１９から２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
ｃＢＮ集合体の平均比表面積が、最大で１グラム当たり５平方メートル（ｍ2／ｇ）である、請求項１４から２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
第１のｃＢＮ集合体の質量と第２のｃＢＮ集合体の質量の比が、少なくとも１：５かつ最大で１：１である、請求項１９から２４のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料、ＰＣＢＮ材料を作製するための方法、それを含むカッターエレメント、およびそれを使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＣＴ特許出願公開第ＷＯ／２００６／０４６１２８号には、硬化鋼、例えば、浸炭鋼および軸受鋼などの連続、弱断続、および中〜強断続加工で使用するためのＣＢＮ成形体が開示されている。開示された成形体は、約４５〜約７５体積パーセントのＣＢＮ粒を含み、この粒は、１つを超える平均粒度のものであり、１０μｍ未満、好ましくは５μｍの平均サイズを有する。成形体は、窒化物、炭窒化物、またはある特定の金属炭化物化合物の１種または複数を含む第２硬質相、および第２硬質相の約５〜３０質量パーセントの量で存在するバインダー相も含む。成形体は、（成形体の）３体積パーセントを超えない量で炭化タングステンを含有し得る。
ＰＣＴ特許出願公開第ＷＯ／２００６／０４６１２４号には、ＣＢＮ成形体を製造するための粉末原料組成物を作製する方法が開示されている。この方法は、第２硬質材料、バインダー材、およびＣＢＮ粒の粒を摩擦粉砕して、第２硬質材料およびバインダー材の粒が微細である（小さい）混合物を生成するステップを含む。ＣＢＮ粒の平均サイズは、１０μｍ未満、好ましくは５μｍであり得る。超硬炭化タングステンボールを摩擦粉砕に使用することができ、それは、おそらく粉末組成物中に３体積パーセント以下または３質量パーセント未満の炭化タングステンを導入する。摩擦粉砕は、他の粉砕方法より、焼結体中に微細な粒および材料の良好な均質性を実現することができ、約２００〜約５００ナノメートルの間の平均粒径を有するナノサイズ粒を含む均質な混合物を実現することができる。開示された方法によって実現される第２硬質粒子のサイズが小さいことにより、高い強度のＣＢＮ成形体がもたらされる可能性が高い。
米国特許第８，１４８，２８２号には、非ｃＢＮ部分を有する焼結立方晶窒化ホウ素複合成形体であって、約８６〜約９０質量パーセントのｃＢＮを含み、非ｃＢＮ部分は、約１０〜約１４質量パーセントの窒化アルミニウム、二ホウ化アルミニウム、および他のアルミニウムのホウ化物から本質的になる、複合成形体が開示されている。この成形体は、少なくとも二峰性であるｃＢＮ粒度分布を有し、約８０パーセントの約１０〜約６０μｍのサイズ範囲の粗粒子、および約２０パーセントの約１〜約１２μｍのサイズ範囲の微粒子を含む。
【発明の概要】
【０００３】
ＰＣＢＮ材料を含み、特に、鋼ボディの中断続加工に使用されるときに限らず可使時間が増強された切削ツールエレメントの必要性がある。
第１の態様から見ると、マトリックス（言い換えれば、マトリックスは、ｃＢＮ粒以外のＰＣＢＮ材料中に含まれるすべての材料を指す）中に分散したｃＢＮ粒からなるＰＣＢＮ材料であって、ｃＢＮ粒の含量は、ＰＣＢＮ材料の約３５〜約７０体積パーセントの範囲内であり、マトリックスは、アルミニウム（Ａｌ）を含む化学化合物の少なくとも１種およびチタン（Ｔｉ）を含む化学化合物の少なくとも１種を含み、複数のｃＢＮ表面が、ＰＣＢＮ材料の実質的に平面の表面と境界を共有しており、ｃＢＮ粒のサイズ分布が、総円相当面積（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  ｃｉｒｃｌｅ  ａｒｅａ）（ＥＣＡ）の少なくとも約５０パーセントが、最大で５μｍのｃＢＮ切片長から生じるようなものであり、総ＥＣＡの少なくとも約２０パーセントが約５μｍ超のｃＢＮ切片長から生じる、ＰＣＢＮ材料が提供される。
焼結ＰＣＢＮ中のｃＢＮ粒の実際のサイズ分布を測定することにおける重大な実用的な課題のために、直接的に、かつ単刀直入に測定することができ、ＣＢＮ粒のサイズに強く関連する量の観点から少なくとも部分的にサイズ分布を特徴付けることが有用となる可能性が高い。言い換えると、ｃＢＮサイズ分布の代理として見ることができる１つまたは複数の量の観点から焼結ＰＣＢＮ中のｃＢＮ粒のサイズ分布を特徴付けることが有用であり得る。したがって、開示されるＰＣＢＮ材料は、複雑な立体補正を必要とすることなく、ＰＣＢＮ材料の表面で露出したｃＢＮ粒の直接測定可能な寸法から単刀直入に得ることができる量の統計的分布の観点から部分的に特徴付けられることになる。以下に記載するように、これは、ｃＢＮセクションの縁部におけるポイント間の十分に多数の実質的にランダムな「切片長」から計算される、ｃＢＮ粒の露出セクションの「円相当面積」の観点から行われる。
【０００４】
各ＥＣＡは、ｃＢＮ粒の境界であって、ＰＣＢＮ材料の表面と境界を共有している（言い換えれば、表面を交差する、または表面上に位置する）、境界上のポイントのそれぞれの任意の対を接続する一般に任意の直線セグメントの長さであるそれぞれの切片長を使用して計算される。各ＥＣＡは、それぞれの切片長に等しい直径を有する円の面積として計算される。総ＥＣＡは、複数のＥＣＡのすべての合計であり、それぞれのｃＢＮ粒と関連した複数のそれぞれの切片長から計算される（本開示では、別段の明言のない限り、切片長は、ｃＢＮ粒に関連したｃＢＮ切片長を意味する）。一部の例では、ｃＢＮ範囲は、対応するｃＢＮ粒を通じたセクションであり得る。特定の所与の切片長および対応するＥＣＡは、あまり有用になりそうにないが、統計的に十分な数の自由裁量で抜き出された切片長、したがって対応するＥＣＡは、焼結ＰＣＢＮ体内のｃＢＮ粒のサイズ分布と関連した情報をもたらすことができ、ただし、切片およびｃＢＮ粒は、実質的にランダムに選択される。切片長測定および結果として行われるＥＣＡ計算のより詳細な非限定的な例を、添付の図面の説明文を提供した後、以下に記載する。
様々な組成および微細構造の態様が、ＰＣＢＮ材料について想定され、これらの限定されない、かつ非網羅的な例を以下に記載する。
【０００５】
一部の例では、ｃＢＮ粒の含量は、ＰＣＢＮ材料の少なくとも約２７質量パーセントまたは少なくとも約４０質量パーセントであり得る。一部の例では、ｃＢＮ粒の含量は、ＰＣＢＮ材料の最大で約６２質量パーセントまたは最大で約５０質量パーセントであり得る。ｃＢＮ含量は、ＰＣＢＮ材料の約２７質量パーセント〜約６２質量パーセントであり得る。
一部の例では、マトリックスは、炭窒化チタンまたは炭化チタン系材料を含み得、一部の例では、マトリックスは、炭化チタン材料および／または窒化チタン材料を含み得、一部の例では、マトリックスは、ニオブ、タンタル、バナジウム、もしくはジルコニウムの炭化物、および／または炭窒化物、および／または窒化物化合物を含み得る。これらの材料の任意の１種または複数の（組合せでの）含量は、マトリックスの少なくとも約７５質量パーセントもしくは少なくとも約８５質量パーセント、および／またはマトリックスの最大で約９２質量パーセントであり得る。例えば、これらの材料の任意の１種または組合せの含量は、マトリックスの約９０質量パーセントであり得る。
【０００６】
一部の例では、マトリックスは、窒化アルミニウムを含み得る。マトリックスは、少なくとも１種のホウ化アルミニウム化合物および／または二ホウ化チタンを含み得る。
一部の例では、マトリックスは、炭窒化チタンおよび窒化アルミニウムを含み得、炭窒化チタンと窒化アルミニウムの組み合わせた含量は、マトリックスの少なくとも約８０質量パーセントもしくは少なくとも約９０質量パーセントであり得、かつ／または組み合わせた含量は、マトリックスの９７質量パーセント未満もしくは最大で約９５質量パーセントであり得る。一部の例では、炭窒化チタンの含量は、ＰＣＢＮ材料の少なくとも約３５質量パーセントまたは少なくとも約４０質量パーセントであり得、一部の例では、炭窒化チタンの含量は、ＰＣＢＮ材料の最大で約５０質量パーセントであり得る。
一部の例では、ＰＣＢＮ材料は、マトリックス中に含まれる金属炭化物粒を含有する場合があり、金属炭化物粒の含量は、ＰＣＢＮ材料の３質量パーセント超、少なくとも約４質量パーセント、または少なくとも約５質量パーセントである。例えば、金属炭化物粒は、炭化タングステンを含み得、またはそれからなり得る。
【０００７】
一部の例では、マトリックスは、多結晶材料を含み得、またはそれからなり得、マトリックス材料中に含まれる粒の平均サイズは、約１μｍ未満である（いくつかの例示的なＰＣＢＮ材料中のマトリックス材料の粒度を測定するのに透過型電子顕微鏡法、ＴＥＭをおそらく使用する必要がある）。一部の例では、焼結マトリックス材料の平均粒度は、少なくとも約５０ナノメートル（ｎｍ）および／または最大で約１，０００ナノメートル（ｎｍ）であり得る。これは、マトリックス材料を生産するのに非常に微細な原料粉末を使用することから生じ得、一部の例では、粉末の平均粒度は、最大で約１μｍであり得る。
一部の例では、ＥＣＡおよび／または切片長頻度分布は、二峰性であり得る。例えば、１つの最頻値は、５μｍ未満で起こり得、別の最頻値は、約８μｍ〜約１０μｍの範囲内で起こり得る。一部の例では、ＥＣＡおよび／または切片長頻度分布は、単一最頻値を有する単峰性であり得る（実質的により小さいピークに対応する軽微な最頻値も存在し得る）。
【０００８】
開示されるＰＣＢＮ材料は、少なくとも約５２ＨＲｃのロックウェルＣ硬度を有する硬化鋼のＨ０５〜Ｈ３０ハードターニングにおそらく適していることなる。例えば、開示されるＰＣＢＮ材料は、このような硬化鋼の中程度またはＨ１５ハードターニングにおそらく適していることになる。
第２の態様から見ると、開示されるＰＣＢＮ材料を含み、ＰＣＢＮ材料が使用中にカッターエッジをもたらすことができるように構成されたカッターツールのインサートが提供される。インサートは、インサートの作業面に隣接するＰＣＢＮ材料の境界に付着したセラミック膜（これは、コーティングと呼ばれる場合もある）を含み得る。例えば、セラミック膜は、チタン、アルミニウム、窒素、および／またはケイ素を含む１種または複数の化学化合物を含み得る。
【０００９】
第３の態様から見ると、開示されるインサートを使用する方法であって、少なくとも５２ＨＲｃのロックウェルＣ硬度を有する鋼を切削するためにこのインサートを使用するステップを含む、方法が提供され得る。ボディ中に含まれる鋼は、切削のモードが中断されるように構成され得る。連続切削と断続切削の比は、少なくとも約５０パーセントかつ最大で約９５パーセントであり得る。本方法は、Ｈ０５〜Ｈ３０ハードターニング操作でインサートを使用するステップを含み得る。例えば、本方法は、Ｈ１５ハードターニング操作でインサートを使用するステップを含み得る。
【００１０】
第４の態様から見ると、開示されるＰＣＢＮ材料を作製する方法であって、粒の円相当径（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  ｃｉｒｃｌｅ  ｄｉａｍｅｔｅｒ）（ＥＣＤ）に関して質量頻度分布を有する複数のｃＢＮ粒を含むｃＢＮ集合体を準備するステップであり、頻度分布は、第１の最頻値および第２の最頻値を有し、第１の最頻値は、０μｍ超かつ最大で約３μｍのＥＣＤで起こり、第２の最頻値は、３μｍ超で起こり、０μｍ超〜最大で３μｍのＥＣＤを有するｃＢＮ粒は、ｃＢＮ集合体の少なくとも約３０パーセントを占め、３μｍ超のＥＣＤを有するｃＢＮ粒は、ｃＢＮ集合体の質量の少なくとも約２０パーセントを占める、ステップと；ｃＢＮ集合体をアルミニウム（Ａｌ）の源およびチタン（Ｔｉ）の源、ならびに／またはＴｉおよびＡｌの源と組み合わせて、ブレンドされた集合体を準備するステップと；ブレンドされた集合体を含む前焼結体を形成し、前焼結体を十分な高圧および十分な高温に付して、アルミニウム（Ａｌ）を含む化学化合物の少なくとも１種およびチタン（Ｔｉ）を含む化学化合物の少なくとも１種を含む焼結マトリックス中に分散したｃＢＮ粒からなるＰＣＢＮ材料をもたらすステップであり、ブレンドされた集合体中のｃＢＮ粒の質量は、ＰＣＢＮ材料中のｃＢＮ粒の含量がＰＣＢＮ材料の約３５〜約７０体積パーセントの範囲内であるのに十分である、ステップとを含む方法が提供される。
【００１１】
原料のｃＢＮ粒は、実質的に自由流動性の粉末の形態で提供され得るので、ｃＢＮ原料粒度分布の様々な態様を測定するための公知の方法を使用することができる。先述したように、これはｃＢＮ粒が、これらがおそらく非常に強く結合されている硬質マトリックス全体にわたって分散している場合にｃＢＮ粒度分布を測定することが相対的に困難であることとは対照的である。したがって、開示されるＰＣＢＮ材料は、ｃＢＮ粒を通じた切片長の実質的にランダムな集団から計算される、実際のｃＢＮサイズ分布のＥＣＡ代理型量の統計的分布の観点から少なくとも部分的に特徴付けられる。しかし、一方における焼結ＰＣＢＮ材料中のｃＢＮ粒のＥＣＡ分布と、ｃＢＮ原料粉末の実際の粒度分布の所与の態様との間の正確な数学的関係は提供されておらず、理由は、それは、ＰＣＢＮ材料のある特定の態様を測定し、特徴付けるのに必要でないはずであるためである。したがって、一方における焼結ＰＣＢＮ材料中のｃＢＮ粒度分布、および一方におけるｃＢＮ原料粒の特徴付けは、適切に異なる。
一部の例では、圧力は、少なくとも約４ギガパスカル（ＧＰａ）であり得、温度は、少なくとも約１，０００℃であり得る。
一部の例では、本方法は、ＰＣＢＮ材料中の金属炭化物粒の含量が、ＰＣＢＮ材料の３質量パーセント超、少なくとも約４質量パーセント、または少なくとも約５質量パーセントであるように、ブレンドされた集合体中に十分な金属炭化物材料を導入するステップを含み得る。
【００１２】
一部の例では、例示的なＰＣＢＮ材料中に含有される金属炭化物は、例示的なＰＣＢＮ材料を製造するプロセス中で実施され得る、粉砕デバイスを使用して相対的に粗いｃＢＮ粒を混合し、分散させ、または細かく砕くプロセスから生じ得る。一部の例では、例示的なＰＣＢＮ材料を製造するプロセスは、ｃＢＮ粒を含む原料粉末を摩擦粉砕するステップを含み得る。粉砕デバイスは、ｃＢＮ粒を接触させるための超硬炭化タングステンエレメントを備える場合があり、このエレメントは、特に、開示されるＰＣＢＮ材料用の原料粉末中の相対的に粗いｃＢＮ粒の含量が相対的に高いために、相対的に高い程度の磨損を受けやすい。一部の例では、相対的に粗いｃＢＮ粒を粉砕する直接の結果としてのＰＣＢＮ材料中に存在する金属炭化物材料の量は、例示的なＰＣＢＮ材料中に少なくとも３質量パーセントの金属炭化物材料を導入するのに十分であり得る。
一部の例では、第２の最頻値は、最大で約２０μｍのＥＣＤで起こり得る。
一部の例では、Ａｌの源および／またはＴｉの源、ならびに／またはＡｌおよびＴｉの源（例えば、Ａｌ3ＴｉなどのＡｌおよびＴｉの両方を含有する化学化合物を含む材料）は、粉末形態であり得る。
一部の例では、本方法は、摩擦粉砕装置によって、ｃＢＮ粒をＡｌの源、およびＴｉの源、ならびに／またはＡｌおよびＴｉの源とブレンドするステップを含み得る。
【００１３】
一部の例では、本方法は、第１のｃＢＮ集合体および第２のｃＢＮ集合体を準備するステップを含み得、第１および第２のｃＢＮ集合体はそれぞれ、複数のｃＢＮ粒を含み、第１のｃＢＮ集合体の体積平均ＥＣＤ（Ｄ［４，３］）は、０超かつ最大で約３μｍであり、第２のｃＢＮ集合体の体積平均ＥＣＤは、約３μｍ超である。
一部の例では、第２のｃＢＮ集合体の平均体積平均ＥＣＤは、最大で約１０μｍであり得、かつ／または第１のｃＢＮ集合体の平均体積平均ＥＣＤは、最大で約２μｍであり得る。
一部の例では、ｃＢＮ粒の第１の集合体の平均比表面積は、少なくとも１グラム当たり約５平方メートル（ｍ2／ｇ）であり得、かつ／またはｃＢＮ粒の第１の集合体の平均比表面積は、最大で１グラム当たり約０．５平方メートル（ｍ2／ｇ）であり得る。    一部の例では、ｃＢＮ集合体の平均比表面積は、最大で１グラム当たり約５平方メートル（ｍ2／ｇ）であり得る。
一部の例では、第１のｃＢＮ集合体の質量と第２のｃＢＮ集合体の質量の比は、少なくとも１：５かつ最大で１：１であり得る。
非限定例を添付の図面を参照して以下に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】例示的なＰＣＢＮ材料の研磨面の範囲の概略の走査電子顕微鏡写真を示す図である。この中で、粒の切片長を測定するための線が顕微鏡写真上に重ねられている。
【図２Ａ】５つのそれぞれの例示的なＰＣＢＮ材料のＥＣＡ分布対粒の切片長の５つのグラフを示す図である（これらの例示的なＰＣＢＮ材料は、特許請求の範囲の射程内に入らない）。
【図２Ｂ】２つのそれぞれの例示的なＰＣＢＮ材料のＥＣＡ分布対粒の切片長のグラフを示す図である。
【図２Ｃ】２つのそれぞれの例示的なＰＣＢＮ材料のＥＣＡ分布対粒の切片長のグラフを示す図である。
【図３】例示的なＰＣＢＮ材料を作製するための原料粉末中のｃＢＮ粒の２つの例示的な質量頻度分布対円相当径のグラフを示すである。
【図４】旋回試験において寿命の基準の最後が満たされるまでのパスの数の観点から表現された、例示的なＰＣＢＮを含むカッターツールの可使時間Ｌ対５μｍ超の切片長に対応する相対的に大きいｃＢＮ粒と関連した合計ＥＣＡのグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本開示によるＰＣＢＮ材料は、ＰＣＢＮ材料の研磨面で露出したｃＢＮ粒表面と関連したそれぞれの切片長を使用して計算される円相当面積（ＥＣＡ）の観点から特徴付けられる。各切片長は、ＰＣＢＮ材料の表面と境界を共有する露出したｃＢＮ粒表面の境界上のポイントの対を接続する概念的な直線セグメントの長さとなる。ＥＣＡは、切片長に等しい直径を有する円の面積として計算される。測定値の総ＥＣＡは、測定したすべての切片長にわたってＥＣＡ分布を積分する（合計する）ことによって得られる。
表面は、例えば、ＰＣＢＮ材料を切削もしくは研削することによってもたらすことができ、または表面は、実質的に、ＰＣＢＮ材料を含む物品の表面であり得る。
【００１６】
複数のＥＣＡは、ｃＢＮ粒の実質的にランダムに選択された露出面のそれぞれの境界上に位置するポイントの実質的にランダムに選択されたそれぞれの対を使用して複数の切片長を測定することによって、ＰＣＢＮ材料の表面の拡大像から得ることができる。切片長の数、したがってＥＣＡの数は、これらの用語でＰＣＢＮ材料を特徴付けるのに十分に統計的に有意であるように十分に大きいことになる。一部の例では、約１，０００超の切片長（したがってＥＣＡ）が使用され得る。
複数の切片長は、表面の一範囲の電子顕微鏡画像を準備し、画像をランダムに横断して１つまたは複数の直線を引くことによって、例示的なＰＣＢＮ材料の研磨面から得ることができる。これは、手作業で、または画像解析ソフトウェアなどのソフトウェアアプリケーションを活用して行うことができる。複数のＥＣＡは、複数のそれぞれの切片長を使用して計算され得る。異なる切片長は、おそらく異なる頻度で起こる。切片長頻度分布は、切片長のある特定の間隔（ビン）内にある測定された切片長の事例の数として、または各間隔内に入る切片長の組み合わせたＥＣＡとして表すことができる。
【００１７】
実際には、最大切片長値は、一連の等間隔、またはビンに分類することができ、各ビンは、上限および下限を有する。測定された切片長のそれぞれは、切片長がビンの下限より大きく、かつ最大でビンの上限であるようにビンに割り当てることができる。したがって、各ビンは、ビンに対応する切片長の頻度である測定された切片長の数を割り当てることができる。すべての測定された切片長の頻度分布を、ビン化された切片長軸に対してグラフでプロットすることができる。切片長頻度分布は、すべてのビンに対応するすべての値を合計することによって得られる合計値のパーセンテージとして各ビンに対応する切片長頻度値を表現することによって正規化され得る。
【００１８】
それぞれのＥＣＡ頻度は、各ビンの平均切片長値に等しい直径を有する円の面積として、面積値に、ビンに対応する切片長の頻度値を乗じて計算することができる。各ビンと関連する平均切片長は、ビンの上限と下限の合計の半分として計算される。したがって、各ビンは、それぞれのビンに対応する複数のＥＣＡを割り当てるこができ、係数は、それぞれのビンに対応する数値またはパーセンテージ頻度である。すべての測定された切片長から計算されるすべてのＥＣＡの分布を、ビン化された切片長軸に対してグラフでプロットすることができる。ＥＣＡ頻度分布は、すべてのビンに対応するすべての値を合計することによって得られる合計値のパーセンテージとして各ビンに対応するＥＣＡ頻度値を表現することによって正規化され得る。何らかの閾値値未満または少なくともその値である切片長に対応する総ＥＣＡパーセンテージは、それぞれ閾値値未満または少なくともその値である切片長に対応するすべてのＥＣＡ頻度パーセンテージを合計することによって計算することができる。
【００１９】
ＥＣＡ頻度分布は、以下の手順によって判定され得る：
ａ）ＰＣＢＮ材料を含み、またはそれからなるボディを準備する。
ｂ）ＰＣＢＮ材料の実質的に平面の表面を、ＰＣＢＮ材料を切削することによって、または実質的に平面の表面を既に有するボディを提供することによって準備する。
ｃ）電子顕微鏡によって得られる表面の画像に適するように表面を研磨し、ＰＣＢＮ表面の少なくとも１つのそれぞれの範囲の少なくとも１つの顕微鏡写真画像を得る。
ｄ）画像の少なくとも拡大率、解像度、およびコントラストを、表面で露出したｃＢＮ材料をマトリックス材料から識別することができ、少なくとも約１００のｃＢＮ表面が画像中で明白であるように選択する。デジタルまたはマニュアル画像処理を使用して識別を増強してもよく、ただし、画像上の正確な長さスケールおよびｃＢＮ表面形状（境界）の完全性が保存される。
【００２０】
適当な画像が準備された後、以下の測定を、手作業で、または画像処理および解析ソフトウェアによって１つまたは複数の画像を使用して実施する。図１を参照すると、ｃＢＮ粒の範囲は、黒色の範囲として示されており、マトリックスは、白色の範囲として示されている。
ｅ）１つまたは複数の直線Ｌ（実際のまたは概念的な）を、１つまたは複数の画像を横断してランダムに引く。
ｆ）線Ｌが通過するすべてのそれぞれのｃＢＮ粒セクションの境界を線が交差するポイントａ−ｂの間の各線セグメントＩの長さを測定し、少なくとも１，０００の切片長のリストを準備する（１つを超える線および１つを超える画像が使用される必要があり得る）。
ｇ）それぞれが長さの上限および下限を有する、等間隔の切片長に対応する一連の連続したビンの１つに各切片長Ｉを配分することによって、数頻度分布を得る。連続したビンの対の１つは、５μｍの上限を有し、他のビンは、５μｍの下限を有することになる（５μｍの測定切片長は、前者のビンに割り当てられるべきである）。
ｈ）その直径としてビンの平均切片長を有する円の面積として、各ビンについてそれぞれのＥＣＡを計算する（本開示で使用する円相当面積の概念は、ｃＢＮ粒の境界上でポイントａ−ｂを接続するそれぞれの切片長Ｉに対応する円ＥＣとして図１に概略的に例示されている）。
ｉ）切片長のビンに対するＥＣＡ分布を、各ビンに対応するＥＣＡに、そのビン内に入る切片長の頻度（言い換えれば、そのビン内に入る測定された切片長の数またはパーセンテージ）を乗じることによって計算する。得られた面積値を合計して測定についての総ＥＣＡを得、それぞれのパーセンテージ面積値を各ビンについて計算する。ここで各面積値は、総面積値によって除され、パーセンテージとして表現される。こうして正規化されたＥＣＡ頻度分布を得る。
ｊ）最大で５μｍの上限を有するすべてのビン、および少なくとも５μｍの下限を有するすべてのビンに対応するＥＣＡ値のパーセンテージを、それぞれの切片長のビンに対してそれぞれのＥＣＡ値を合計することによって計算する。
【００２１】
切片長に対する立体解析学的補正は、上述した手順を使用して実施されないので、切片長およびＥＣＡ頻度分布は、ＰＣＢＮ材料の体積全体にわたって分散したｃＢＮ粒の実際のサイズ分布を直接的にもたらさない。むしろ、これらは、本開示によるＰＣＢＮ材料を特徴付けるのに使用されるｃＢＮ粒度分布に関連した代理値として使用される。この手法は、これを複雑な画像解析アプリケーションを必要とすることなくＰＣＢＮ表面の拡大像から直接適用することができ、立体解析学的補正を実施することから生じる数学的複雑性を回避するという利点を有する。それでもやはり、本開示によって得られる分布は、ＰＣＢＮ材料の特徴付けに有用である。
【００２２】
異なるそれぞれのｃＢＮ粒度分布からなる異なるｃＢＮ集合体を使用して、様々なＰＣＢＮ材料を作製した。例示的なＰＣＢＮ材料のすべては、炭窒化チタンおよび炭窒化アルミニウムを含むマトリックス中に分散した６０体積パーセントの粒、ならびに約５〜６質量パーセントの炭化タングステン粒を含んでいた（体積および質量パーセンテージはともに、ＰＣＢＮ材料のパーセンテージである）。酸化物化合物などの少量の不純物が存在した。炭窒化チタン材料の含量は、マトリックスの質量パーセントの観点から、窒化アルミニウム材料の含量の約９倍であった。
【００２３】
例示的なＰＣＢＮ材料のそれぞれを、ディスクの形態で作製し、これを放電加工（ＥＤＭ）によって切削して、ディスクを通じてそれぞれの断面を得た。断面（ｓｅｃｔｉｏｎ  ｓｕｒｆａｃｅ）を研磨し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用して、ＰＣＢＮ表面のそれぞれの拡大像を得た。図１に例示したように、線のそれぞれが少なくとも１０個のｃＢＮ粒表面を横断し、２つのポイントで各ｃＢＮ粒の境界を交差する直線を、画像のそれぞれの上でランダムに引いた。それぞれのｃＢＮ粒の境界における交点間の切片長を、画像を得るのに使用した拡大率による適切な長さスケールを使用して測定した。こうして少なくとも約１，０００の切片長を例示的なＰＣＢＮ材料のそれぞれについて得、１０の切片長のビンの１つに割り当てた。各ビンは、１μｍの広さであり、順次組み合わせると、１０μｍの組み合わせた長さに対応する。各ビン内の切片長の測定された事例の数をこうして得た。各ビンに対応するＥＣＡを、ビンに対応する平均切片長に等しい直径を有する円の面積として計算し、各ビン中の事例の数にそのビンの対応するＥＣＡを乗じて、すべてのビンにわたるＥＣＡ分布を得た。すべてのビンにわたって合計した合計の組み合わせたＥＣＡが１００パーセントであるように、ＥＣＡ分布を正規化した。
【００２４】
図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃ中に示したグラフは、様々な例示的なＰＣＢＮ材料のＥＣＡ分布を示し、この中で、円相当面積Ａは、切片長Ｄのそれぞれのビンのそれぞれに対応するパーセンテージとして表現されている。５μｍ以下の上限を有するビンに対応する合計したパーセンテージＥＣＡは、垂直の点線（５μｍで横軸を交差する）の左側に示されており、５μｍ以上の下限を有するビンに対応する合計したパーセンテージＥＣＡは、垂直の点線の右側に示されている。
図２Ａに示したグラフに対応するＰＣＢＮ材料は、特許請求の範囲の射程内ではなく、理由は、総ＥＣＡの実質的に２０パーセント未満が、これらの例において５μｍ超のｃＢＮ切片長から生じるためである。グラフの４つにおいて、５μｍ超に対応する切片長のビンのいずれも、総ＥＣＡに実質的に寄与せず、グラフの１つにおいて、５μｍ超かつ最大で６μｍの切片長に対応するビンが、ＰＣＢＮ材料の総ＥＣＡの約９パーセントに寄与する。
図２Ｂおよび図２Ｃに対応する例示的なＰＣＢＮ材料は、本開示によるＰＣＢＮ材料の例である。これらの例示的なＰＣＢＮ材料中に含まれるｃＢＮ粒のサイズ分布は、総ＥＣＡの、それぞれ約８０パーセント（図２Ｂ）および６８パーセント（図２Ｃ）が最大で５μｍのｃＢＮ切片長から生じ、総ＥＣＡの、それぞれ約２０パーセント（図２Ｂ）および約３２パーセント（図２Ｃ）が５μｍ超のｃＢＮ切片長から生じるようなものである。
【００２５】
例示的なＰＣＢＮ材料を作製する非限定的な例示的方法を記載する。それぞれ、表１に示した特性を有する単一のそれぞれの最頻値およびサイズ分布を有する、ｃＢＮ粒からなる第１および第２の実質的に単峰性のｃＢＮ集合体（主要な（ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）最頻値より実質的に小さい他の軽微な最頻値も存在し得る）。この特定の例では、第１および第２のｃＢＮ集合体を、組み合わされた二峰性のｃＢＮ集合体をもたらすように質量比（ｍａｓｓ  ｒａｔｉｏｎ）７０：３０で組み合わせた。例示的なＰＣＢＮを作製するための２つの例示的なｃＢＮ集合体の質量サイズ分布を図３に示す。これらの集合体はともに、約１μｍで第１の最頻値Ｍ１および約７μｍで第２の最頻値Ｍ２を有する二峰性であり、第２の最頻値を画定するピークは、第１の最頻値を画定するピーク（ｐｅａ）より粒度の観点から実質的に広い。
【００２６】
【表１】
2016520030.tif 000003
【００２７】
Ａｌ3Ｔｉ材料を含む粉末を、所望の質量比でアルミニウム粉末および準化学量論的な炭窒化チタン粉末をブレンドし、約１，０２５℃にて真空で粉末が化学的に反応して、Ａｌ3Ｔｉ（炭窒化チタン粉末の準化学量論比は、約０．８であった。）、炭素を含む化学化合物、および窒素を含む化学化合物を含む反応済み粉末を形成するのに十分な期間にわたってブレンドした粉末ブレンドを加熱することによって作製した。反応済み粉末を、押し砕き、ふるいにかけ、次いで、ヘキサン溶媒および少量の分散剤材料を使用して４時間、摩擦粉砕機によって粉砕した。次いでｃＢＮ粒を粉砕した粉末中に導入し、組み合わせた粉末を、最大で１時間の様々な期間にわたって摩擦粉砕機によってさらに粉砕し、得られたスラリーをロータリーエバポレーターによって乾燥させて前焼結粉末ブレンドを得た。次いで前焼結粉末ブレンドを圧縮して前焼結ディスクを得、これを１，１１６℃で脱気した。前焼結ディスクを超高圧炉（ＨＰＨＴプレス）用カプセル中に集め、およそ約５ギガパスカルの圧力および約１，４００℃の温度で焼結して粉末を焼結し、例示的なＰＣＢＮ材料を含むディスクを得た。マトリックスが炭化チタンまたは窒化チタンを含むＰＣＢＮ材料は、それぞれ炭化チタンまたは窒化チタンをアルミニウムと予め反応させることを含む同様のプロセスによって作製することができる。
【００２８】
それぞれのｃＢＮ集合体中に含まれるｃＢＮ粒のそれぞれのサイズ分布が異なる、異なるＰＣＢＮディスク中に含まれる様々な例示的なＰＣＢＮ材料を上述したように作製した。ＰＣＢＮディスクを切削および処理して、国際規格ＩＳＯ１８３２（Fourth Edition, 15 June 2004, “Indexable inserts for cutting tools − designation”, ISO 2004, Geneva）（この命名法の下で、刃先交換式インサートの寸法および他の態様は、少なくとも９つの記号を含むコードによって指定される）によってエッジ形状ＳＮＭＮ０９０３０８  Ｓ０２０２０を有するカッターインサートを得た。
【００２９】
各カッターインサートを旋回試験（「掘削４３４０試験（ｄｒｉｌｌｅｄ  ４３４０  ｔｅｓｔ）」と呼ばれる）で試験し、ここでカッターインサートを、Ｈ１５ハードターニングと類似性を有するように選択された条件下で、硬化鋼からなるボディを機械加工（旋削）するのに使用した。各試験は、例示的なＰＣＢＮ材料によって画定されるカッターのエッジが、破損痕のサイズ（切削速度ベクトルに平行に測定した）が逃げ面摩耗痕の平均サイズより大きい、または逃げ面摩耗痕の長さが少なくとも０．３ミリメートルに到達する程度に破損した状態になったとき終わらせた。これらの出来事のいずれかの発生は、寿命の基準の最後であった。これは、測定される切削力の相対的に急激な変化において明白であり得る。破局的なエッジ破損が、０．３ミリメートル（ｍｍ）の逃げ面摩耗ランド寸法が形成される前に起こり得る。ＰＣＢＮ材料の性能は、実現される寿命の基準の最後に必要とされるパスの数の観点から報告することができる。インサートの寿命が長いほど、試験におけるＰＣＢＮ材料の性能は良好である。この結果は、鋼ボディの断続切削を伴うある特定の産業用機械加工用途におけるＰＣＢＮ材料の潜在的な可使時間の目安をもたらすことが予期される。
【００３０】
ワークピースは、その体積全体にわたって実質的に同じ硬度を有しており（それは、「完全硬化された」とも呼ばれる場合がある）、ロックウェルＣ硬度は、約５２〜５４ＨＲＣの範囲内であり、ＡＩＳＩ４３４０仕様による硬化鋼材料であった。この試験は、実際には多くの用途における浸炭鋼（特に、しかしもっぱらではない）を機械加工することにおけるＰＣＢＮ材料の潜在的な性能の合理的に良好な目安をもたらすと考えられている。ワークピースおよび切削条件は、特定の比の連続および断続切削条件にツールを付すように構成し、この比は、各切削サイクル（これは、「パス」と呼ばれる場合がある）について実質的に一定であった。特に、この比は、一定の表面速度制御を用いた面旋削（ｆａｃｅ−ｔｕｒｎｉｎｇ）手法を採用することによって、試験全体にわたって実質的に一定に保った。ワークピースは、壁を通じた径方向に硬化の均一性を増強するように（硬化性曲線に従って）均一な厚さの管壁を有する管として構成した。管中の一連の穴は、穴の直径およびピッチ間隔が、産業におけるある特定の一般的なハードターニング操作をおそらく代表する旋削条件をもたらすことが予期されるように管軸に平行に提供した。旋削パラメータは、１分当たり１５０メートルの速度（ｍ／分）、０．１ミリメートル（ｍｍ）のフィード、および０．２ミリメートル（ｍｍ）の切削の深さであった。
【００３１】
様々な例示的なＰＣＢＮ材料を含むカッターインサートを使用する旋回試験の結果が図４に示されており、図中、寿命の基準の最後までのパスの数の観点からのカッター寿命Ｌが、５μｍ超の切片長に対応する合計ＥＣＡパーセンテージＡに対してプロットされている。明白な傾向は、寿命Ｌについて、この合計ＥＣＡパラメータが少なくとも最大で約３５パーセントの値まで増大するにつれて増大することである。物理的観点では、これは、一定数の相対的により粗いｃＢＮ粒の存在が、少なくとも、ドリル加工４３４０試験（ｄｒｉｌｌｉｎｇ  ４３４０  ｔｅｓｔ）が広く代表的である旋削用途において有益な効果を有することを示唆する。
【００３２】
最大で５μｍの切片長に対応する合計ＥＣＡが実質的に約５０パーセント未満である場合、ＰＣＢＮ材料の強度がおそらく低すぎ、かつ／またはワークピースに対する表面仕上げがある特定の用途に対して低品質すぎる。
５μｍ超の切片長に対応する合計ＥＣＡが実質的に２０パーセント未満である場合、ＰＣＢＮ材料を含むカッターインサートの可使時間は、おそらくそれほど高くならず、使用中のＰＣＢＮ材料の化学的耐摩耗性は、相対的に芳しくない場合がある。
相対的に小さいｃＢＮ粒を含むＰＣＢＮが一般に、ハードターニング用途に使用されているので、意外にも、開示されるＰＣＢＮ材料は、相対的に粗いｃＢＮ粒が存在するにもかかわらず、ハードターニングを行うのに十分な強度を有すると思われる。やはり意外にも、相対的に粗い原料ｃＢＮ粒が原料粉末ブレンド中に存在する開示される方法は、焼結されたＰＣＢＮ材料製品まで粗いｃＢＮ粒画分を実質的に保存すると思われる（摩擦粉砕は、高出力粉砕方法であり、摩耗され、原料粉末ブレンド中に導入される粉砕エレメントからより高い量の金属炭化物材料をおそらくもたらすことになる）。
【００３３】
別の例示的なＰＣＢＮ材料は、約３５体積パーセントのｃＢＮ粒（この特定の例では、ＰＣＢＮ材料の約２７質量パーセント）、約６０〜約６２質量パーセントの炭窒化チタン材料、および約３質量パーセント〜約５質量パーセントの窒化アルミニウムなどのアルミニウムを含む化学化合物を含み得る。マトリックスの残りは、約３質量パーセント〜約６質量パーセントの炭化タングステン材料を含み得る。
別の例示的なＰＣＢＮ材料は、約７０体積パーセントのｃＢＮ粒（この特定の例では、ＰＣＢＮ材料の約６２質量パーセント）、約３０質量パーセントの炭窒化チタン材料、および最大で約３質量パーセントの窒化アルミニウムなどのアルミニウムを含む化学化合物を含み得る。マトリックスの残りは、約３質量パーセント〜約６質量パーセントの炭化タングステン材料を含み得る。
【００３４】
ＰＣＢＮは、２つの広い群、すなわち、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」に分類され得る。ＰＣＢＮツールインサートは、３つの広い群の材料、すなわち硬化鋼（「ハードターニング」）、相対的に軟質のマトリックス中に硬質粒を含む焼結粉末金属、ならびにグレーおよびハード鋳鉄を機械加工するのに使用される。断続切削の程度は、Ｈ５〜Ｈ３０の漸増中断重大度（ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ  ｓｅｖｅｒｉｔｙ）のスケールで格付けされ得る。高ＣＢＮ材料は、ワークピースの形状特徴またはそれに含まれる材料の結果として行われ得るより高い程度の断続切削を伴う操作に使用される可能性が高い。より高いｃＢＮ含量およびより低い平均ｃＢＮ粒サイズは、より強いＰＣＢＮをもたらす傾向があり、これは、断続操作に特に重要である。
【００３５】
ｃＢＮは、鉄金属と相対的に非反応性であるが、ＰＣＢＮ材料中に含まれるｃＢＮ粒の化学的摩耗は、連続加工で達する高温で明白となる可能性が高い。したがって、相対的に高い含量のｃＢＮ粒を含む高ＰＣＢＮは、ツールインサート材料が相対的に強く、相対的に高温でその硬度を維持する必要がある断続加工などの操作で使用される可能性が高い。相対的により低い含量のｃＢＮ粒を含むＰＣＢＮ材料は、ツールインサート材料が化学的摩耗に相対的に耐性である必要がある連続加工などの操作で使用される可能性が高い。相対的に大きいｃＢＮ粒を含むＰＣＢＮ材料の強度は、一般におそらく、相対的に小さい（微細な）ｃＢＮ粒を含むＰＣＢＮ材料の強度より低く、他のすべては同等である（これは、ｃＢＮの含量が相対的に高い場合に特に明白であり得る）。したがって、微細な粒のＰＣＢＮは、おそらくより粗い粒のＰＣＢＮ材料より、強く、良好なワークピース表面仕上げをもたらす。しかし、より微細な粒をしたＰＣＢＮは、おそらく、ＰＣＢＮ材料の単位体積当たりのｃＢＮ粒のより高い表面積のために化学的摩耗に対してより感受性であり、他のすべては同等である。したがって一般に、一方では、高含量の微細ｃＢＮ粒を含むＰＣＢＮは、おそらく、強断続加工に適しており、他方では、低含量のより粗いｃＢＮ粒を含むＰＣＢＮは、おそらく高速連続加工に適している（ただし、ｃＢＮ粒サイズは、実現されるべき所望の表面仕上げにとって十分に小さい）。
【００３６】
一般に、相対的に粗いｃＢＮ粒を含むＰＣＢＮ材料は、いくつかの用途において低品質すぎるワークピースの表面仕上げをもたらすことが予期され得る。したがって、機械加工操作用ＰＣＢＮ材料中に含まれるｃＢＮは、約４μｍより実質的に大きくない傾向となっており、最も商業的に使用されるＰＣＢＮ材料は、約１μｍ〜約２μｍの範囲内のｃＢＮ粒を含む。
【００３７】
高機械加工速度と組み合わせてある程度の断続切削を伴う中間機械加工操作は、ＰＣＢＮ材料の設計に課題をもたらす。ある特定の用途、例えば、ＰＣＢＮ材料が、中間断続モード（いわゆる「掘削４３／４０」を特徴とする）で硬化鋼を機械加工するの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摩耗および摩損がある傾向がある。このような用途における主要な破損モードは、化学的（クレーター）摩耗とワークピースの中断された性質に関連した衝撃との組合せから生じると考えられるチッピングである。
開示されるＰＣＢＮ材料を含むカッターインサートは、少なくとも約５２ＨＲＣ（ロックウェル硬度スケールＣ）の硬度を有する硬化鋼を機械加工するのに使用され得る。開示されるＰＣＢＮ材料は、化学的摩耗に対する耐性、高靭性、および高強度の良好な組合せを有し得る。
【００３８】
本明細書で使用するある特定の用語および概念を以下で簡単に説明する。
本明細書において、分布の最頻値は、最頻値を含む範囲内で他の値が起こるよりデータ中でより頻繁に起こる極大値である。視覚的には、サイズ分布グラフ中の最頻値は、ピークとして明白になる。例えば、単峰性分布では、ただ１つのピークが明白であり、極大がまったくなく、または非常に軽微な、かつごくわずかな他のピークのみがあり、二峰性分布では、２つあり、２つのピークのみが明白であり、その一方は全体の最大であり得、他方は極大であり得、または両方が頻度において実質的に等しい場合がある。一般に、多峰性分布は、少なくとも２つの最頻値を含む。
【００３９】
本明細書において、複数の緩い、非結合の、かつ塊になっていない粒のＥＣＤ分布は、レーザー回折によって測定することができ、レーザー回折では、粒が入射光の経路中にランダムに配置され、粒による光の回折から生じる回折パターンが測定される。回折パターンは、それが複数の球状粒によって生成されたかのように数学的に解釈することができ、その直径分布は、ＥＣＤの観点から計算および報告される。粒度分布の様相は、様々な用語および記号を使用して様々な統計的性質の観点から表現され得る。このような用語の特定の例としては、平均値、中央値、および最頻値がある。サイズ分布は、一連のそれぞれのサイズのチャネルに対応する一連の値Ｄｉとして考えることができ、ここで各Ｄｉは、使用されるチャネルの１〜数ｎの範囲内の整数であるそれぞれのチャネルｉに対応する幾何平均ＥＣＤ値である。
【００４０】
レーザー回折法によって得られる平均値は、粒体積の分布に基づいて最も容易に表現することができ、体積平均値は、周知の数式によってＤ［４，３］として表すことができる。結果を表面積分布に変換することができ、その平均値は、周知の数式によってＤ［３，２］である。別段の記載のない限り、本開示で使用するサイズ分布の平均値は、体積ベース平均値Ｄ［４，３］を指す。サイズ分布の中央値Ｄ５０は、複数の粒を２つの等しい集団に分割する値であり、一方は、その値を超えるＥＣＤサイズを有する粒からなり、他方の半分は、最大でその値のＥＣＤサイズを有する。サイズ分布の最頻値は、粒の最高頻度に対応する値であり、これは、分布のピークとして視覚化され得る（分布は、１つを超える極大頻度を含み得、多峰性であると言われる場合がある）。それ未満で複数の粒の画分ｙが分布中に存在するサイズを表現する様々な他の値ｄ（ｙ）を提供することができる。例えば、ｄ（０．９）は、それ未満で９０パーセントの粒が存在するＥＣＤサイズを指し、ｄ（０．５）は、それ未満で５０パーセントの粒が存在するＥＣＤサイズを指し、ｄ（０．１）は、それ未満で１０パーセントの粒が存在するＥＤＣサイズを指す。
【図１】
2016520030.tif 000004
【図２Ａ】
2016520030.tif 000005
【図２Ｂ】
2016520030.tif 000006
【図２Ｃ】
2016520030.tif 000007
【図３】
2016520030.tif 000008
【図４】
2016520030.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成27年11月10日(2015.11.10)
【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】
マトリックス中に分散したｃＢＮ粒からなるＰＣＢＮ材料であって、ｃＢＮ粒の含量は、ＰＣＢＮ材料の３５〜７０体積パーセントの範囲内であり、マトリックスは、アルミニウム（Ａｌ）を含む化学化合物の少なくとも１種およびチタン（Ｔｉ）を含む化学化合物の少なくとも１種を含み、複数のｃＢＮ粒表面が、ＰＣＢＮ材料の実質的に平面の表面と境界を共有しており、ｃＢＮ粒のサイズ分布は、総円相当面積（ＥＣＡ）の少なくとも５０パーセントが、最大で５μｍのｃＢＮ切片長から生じるようなものであり、総ＥＣＡの少なくとも２０パーセントが、５μｍ超のｃＢＮ切片長から生じる、ＰＣＢＮ材料。
【請求項２】
マトリックスが、炭窒化チタン、炭化チタン、または窒化チタンの１種または複数を含む、請求項１に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項３】
マトリックスが、窒化アルミニウムおよび少なくとも１種のホウ化アルミニウム化合物を含む、請求項１または請求項２に記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項４】
マトリックスが、炭窒化チタンおよび窒化アルミニウムを含み、炭窒化チタンおよび窒化アルミニウムの組み合わせた含量が、マトリックスの少なくとも８０質量パーセントである、請求項１から３のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項５】
マトリックスが、ニオブ、タンタル、バナジウム、またはジルコニウムの炭化物、炭窒化物、または窒化物化合物を含む、請求項１から４のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項６】
マトリックスが炭化タングステン粒を含有し、炭化タングステン粒の含量が、ＰＣＢＮ材料の３質量パーセント超である、請求項１から５のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項７】
マトリックスが、少なくとも５０ナノメートル（ｎｍ）、かつ最大で１，０００ナノメートル（ｎｍ）の平均粒度を有する多結晶材料を含む、請求項１から６のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料を含むカッターツール用インサートであって、ＰＣＢＮ材料が使用中にカッターエッジをもたらすことができるように構成されている、インサート。
【請求項９】
請求項８に記載のインサートを使用する方法であって、少なくとも５２ＨＲｃのロックウェルＣ硬度を有する鋼を切削するためにインサートを使用するステップを含む、方法。
【請求項１０】
請求項１から７のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料を作製する方法であって、粒の円相当径（ＥＣＤ）に関して質量頻度分布を有する複数のｃＢＮ粒を含むｃＢＮ集合体を準備するステップであり、該頻度分布は、第１の最頻値および第２の最頻値を有し、第１の最頻値は、０μｍ超かつ最大で３μｍのＥＣＤで起こり、第２の最頻値は、３μｍ超で起こり、０μｍ超〜最大で３μｍのＥＣＤを有するｃＢＮ粒は、ｃＢＮ集合体の少なくとも３０パーセントを占め、３μｍ超のＥＣＤを有するｃＢＮ粒は、ｃＢＮ集合体の質量の少なくとも２０パーセントを占める、ステップと；ｃＢＮ集合体をアルミニウム（Ａｌ）の源およびチタン（Ｔｉ）の源、またはＡｌおよびＴｉの源と組み合わせて、ブレンドされた集合体を準備するステップと；ブレンドされた集合体を含む前焼結体を形成し、該前焼結体を十分な高圧および十分な高温に付して、アルミニウム（Ａｌ）を含む化学化合物の少なくとも１種およびチタン（Ｔｉ）を含む化学化合物の少なくとも１種を含む焼結マトリックス中に分散したｃＢＮ粒からなるＰＣＢＮ材料をもたらすステップとを含み、ブレンドされた集合体中のｃＢＮ粒の質量は、ＰＣＢＮ材料中のｃＢＮ粒の含量がＰＣＢＮ材料の３５〜７０体積パーセントの範囲内であるのに十分である、方法。
【請求項１１】
ＰＣＢＮ材料中の金属炭化物粒の含量が３質量パーセント超であるように、十分な金属炭化物材料をブレンドされた集合体中に導入するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
第２の最頻値が、最大で２０μｍのＥＣＤで起こる、請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
Ａｌの源が粉末形態である、請求項１０から１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
Ｔｉの源が粉末形態である、請求項１０から１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
第１のｃＢＮ集合体および第２のｃＢＮ集合体を準備するステップを含み、第１および第２のｃＢＮ集合体のそれぞれが、それぞれの複数のｃＢＮ粒を含み、第１のｃＢＮ集合体の体積平均ＥＣＤ（Ｄ［４，３］）が０超かつ最大で３μｍであり、第２のｃＢＮ集合体の体積平均ＥＣＤが３μｍ超である、請求項１０から１４のいずれかに記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
第４の態様から見ると、開示されるＰＣＢＮ材料を作製する方法であって、粒の円相当径（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  ｃｉｒｃｌｅ  ｄｉａｍｅｔｅｒ）（ＥＣＤ）に関して質量頻度分布を有する複数のｃＢＮ粒を含むｃＢＮ集合体を準備するステップであり、頻度分布は、第１の最頻値および第２の最頻値を有し、第１の最頻値は、０μｍ超かつ最大で約３μｍのＥＣＤで起こり、第２の最頻値は、３μｍ超で起こり、０μｍ超〜最大で３μｍのＥＣＤを有するｃＢＮ粒は、ｃＢＮ集合体の少なくとも約３０パーセントを占め、３μｍ超のＥＣＤを有するｃＢＮ粒は、ｃＢＮ集合体の質量の少なくとも約２０パーセントを占める、ステップと；ｃＢＮ集合体をアルミニウム（Ａｌ）の源およびチタン（Ｔｉ）の源、ならびに／またはＴｉおよびＡｌの源と組み合わせて、ブレンドされた集合体を準備するステップと；ブレンドされた集合体を含む前焼結体を形成し、前焼結体を十分な高圧および十分な高温に付して、アルミニウム（Ａｌ）を含む化学化合物の少なくとも１種およびチタン（Ｔｉ）を含む化学化合物の少なくとも１種を含む焼結マトリックス中に分散したｃＢＮ粒からなるＰＣＢＮ材料をもたらすステップとを含み、ブレンドされた集合体中のｃＢＮ粒の質量は、ＰＣＢＮ材料中のｃＢＮ粒の含量がＰＣＢＮ材料の約３５〜約７０体積パーセントの範囲内であるのに十分である、方法が提供される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
レーザー回折法によって得られる平均値は、粒体積の分布に基づいて最も容易に表現することができ、体積平均値は、周知の数式によってＤ［４，３］として表すことができる。結果を表面積分布に変換することができ、その平均値は、周知の数式によってＤ［３，２］である。別段の記載のない限り、本開示で使用するサイズ分布の平均値は、体積ベース平均値Ｄ［４，３］を指す。サイズ分布の中央値Ｄ５０は、複数の粒を２つの等しい集団に分割する値であり、一方は、その値を超えるＥＣＤサイズを有する粒からなり、他方の半分は、最大でその値のＥＣＤサイズを有する。サイズ分布の最頻値は、粒の最高頻度に対応する値であり、これは、分布のピークとして視覚化され得る（分布は、１つを超える極大頻度を含み得、多峰性であると言われる場合がある）。それ未満で複数の粒の画分ｙが分布中に存在するサイズを表現する様々な他の値ｄ（ｙ）を提供することができる。例えば、ｄ（０．９）は、それ未満で９０パーセントの粒が存在するＥＣＤサイズを指し、ｄ（０．５）は、それ未満で５０パーセントの粒が存在するＥＣＤサイズを指し、ｄ（０．１）は、それ未満で１０パーセントの粒が存在するＥＤＣサイズを指す。
本発明は、更に、以下の態様であり得る。
〔１〕マトリックス中に分散したｃＢＮ粒からなるＰＣＢＮ材料であって、ｃＢＮ粒の含量は、ＰＣＢＮ材料の約３５〜約７０体積パーセントの範囲内であり、マトリックスは、アルミニウム（Ａｌ）を含む化学化合物の少なくとも１種およびチタン（Ｔｉ）を含む化学化合物の少なくとも１種を含み、複数のｃＢＮ粒表面が、ＰＣＢＮ材料の実質的に平面の表面と境界を共有しており、ｃＢＮ粒のサイズ分布は、総円相当面積（ＥＣＡ）の少なくとも約５０パーセントが、最大で５μｍのｃＢＮ切片長から生じるようなものであり、総ＥＣＡの少なくとも約２０パーセントが、５μｍ超のｃＢＮ切片長から生じる、ＰＣＢＮ材料。
〔２〕マトリックスが、炭窒化チタン、炭化チタン、または窒化チタンの１種または複数を含む、前記〔１〕に記載のＰＣＢＮ材料。
〔３〕マトリックスが、窒化アルミニウムおよび少なくとも１種のホウ化アルミニウム化合物を含む、前記〔１〕または前記〔２〕に記載のＰＣＢＮ材料。
〔４〕マトリックスが、炭窒化チタンおよび窒化アルミニウムを含み、炭窒化チタンおよび窒化アルミニウムの組み合わせた含量が、マトリックスの少なくとも約８０質量パーセントである、前記〔１〕から〔３〕のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料。
〔５〕マトリックスが、ニオブ、タンタル、バナジウム、またはジルコニウムの炭化物、炭窒化物、または窒化物化合物を含む、前記〔１〕から〔４〕のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料。
〔６〕マトリックスが炭化タングステン粒を含有し、炭化タングステン粒の含量が、ＰＣＢＮ材料の３質量パーセント超である、前記〔１〕から〔５〕のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料。
〔７〕金属炭化物粒が、炭化タングステン、炭化バナジウム、炭化モリブデン、炭化タンタル、または炭化クロムを含む、前記〔５〕に記載のＰＣＢＮ材料。
〔８〕マトリックスが、少なくとも５０ナノメートル（ｎｍ）、かつ最大で１，０００ナノメートル（ｎｍ）の平均粒度を有する多結晶材料を含む、前記〔１〕から〔７〕のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料。
〔９〕前記〔１〕から〔８〕のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料を含むカッターツール用インサートであって、ＰＣＢＮ材料が使用中にカッターエッジをもたらすことができるように構成されている、インサート。
〔１０〕前記〔９〕に記載のインサートを使用する方法であって、少なくとも５２ＨＲｃのロックウェルＣ硬度を有する鋼を切削するためにインサートを使用するステップを含む、方法。
〔１１〕鋼が、切削のモードが中断されるように構成されたボディ内に含まれている、前記〔１０〕に記載の方法。
〔１２〕連続切削と断続切削の比が、少なくとも約５０パーセントかつ最大で約９５パーセントである、前記〔１１〕に記載の方法。
〔１３〕前記〔１〕から〔８〕のいずれかに記載のＰＣＢＮ材料を作製する方法であって、粒の円相当径（ＥＣＤ）に関して質量頻度分布を有する複数のｃＢＮ粒を含むｃＢＮ集合体を準備するステップであり、該頻度分布は、第１の最頻値および第２の最頻値を有し、第１の最頻値は、０μｍ超かつ最大で約３μｍのＥＣＤで起こり、第２の最頻値は、３μｍ超で起こり、０μｍ超〜最大で３μｍのＥＣＤを有するｃＢＮ粒は、ｃＢＮ集合体の少なくとも３０パーセントを占め、３μｍ超のＥＣＤを有するｃＢＮ粒は、ｃＢＮ集合体の質量の少なくとも２０パーセントを占める、ステップと；ｃＢＮ集合体をアルミニウム（Ａｌ）の源およびチタン（Ｔｉ）の源、またはＴｉおよびＡｌの源と組み合わせて、ブレンドされた集合体を準備するステップと；ブレンドされた集合体を含む前焼結体を形成し、該前焼結体を十分な高圧および十分な高温に付して、アルミニウム（Ａｌ）を含む化学化合物の少なくとも１種およびチタン（Ｔｉ）を含む化学化合物の少なくとも１種を含む焼結マトリックス中に分散したｃＢＮ粒からなるＰＣＢＮ材料をもたらすステップとを含み、ブレンドされた集合体中のｃＢＮ粒の質量は、ＰＣＢＮ材料中のｃＢＮ粒の含量がＰＣＢＮ材料の約３５〜約７０体積パーセントの範囲内であるのに十分である、方法。
〔１４〕ＰＣＢＮ材料中の金属炭化物粒の含量が３質量パーセント超であるように、十分な金属炭化物材料をブレンドされた集合体中に導入するステップを含む、前記〔１３〕に記載の方法。
〔１５〕第２の最頻値が、最大で約２０μｍのＥＣＤで起こる、前記〔１３〕または〔１４〕に記載の方法。
〔１６〕Ａｌの源が粉末形態である、前記〔１３〕から〔１５〕のいずれかに記載の方法。
〔１７〕Ｔｉの源が粉末形態である、前記〔１３〕から〔１６〕のいずれかに記載の方法。
〔１８〕ｃＢＮ粒を、摩擦粉砕装置によって、Ａｌの源およびＴｉの源、ならびに／またはＡｌおよびＴｉの源とブレンドするステップを含む、前記〔１３〕から〔１７〕のいずれかに記載の方法。
〔１９〕第１のｃＢＮ集合体および第２のｃＢＮ集合体を準備するステップを含み、第１および第２のｃＢＮ集合体のそれぞれが、それぞれの複数のｃＢＮ粒を含み、第１のｃＢＮ集合体の体積平均ＥＣＤ（Ｄ［４，３］）が０超かつ最大で約３μｍであり、第２のｃＢＮ集合体の体積平均ＥＣＤが約３μｍ超である、前記〔１３〕から〔１８〕のいずれかに記載の方法。
〔２０〕第２のｃＢＮ集合体の平均体積平均ＥＣＤが、最大で約１５μｍである、前記〔１９〕に記載の方法。
〔２１〕第１のｃＢＮ集合体の平均体積平均ＥＣＤが、最大で約２μｍである、前記〔１９〕または〔２０〕に記載の方法。
〔２２〕ｃＢＮ粒の第１の集合体の平均比表面積が、少なくとも１グラム当たり約５平方メートル（ｍ2／ｇ）である、前記〔１９〕から〔２１〕のいずれかに記載の方法。
〔２３〕ｃＢＮ粒の第１の集合体の平均比表面積が、最大で１グラム当たり約０．５平方メートル（ｍ2／ｇ）である、前記〔１９〕から〔２２〕のいずれかに記載の方法。
〔２４〕ｃＢＮ集合体の平均比表面積が、最大で１グラム当たり５平方メートル（ｍ2／ｇ）である、前記〔１４〕から〔２３〕のいずれかに記載の方法。
〔２５〕第１のｃＢＮ集合体の質量と第２のｃＢＮ集合体の質量の比が、少なくとも１：５かつ最大で１：１である、前記〔１９〕から〔２４〕のいずれかに記載の方法。
【国際調査報告】
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