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JP2023030881A - 立方晶窒化硼素焼結体及び被覆立方晶窒化硼素焼結体 - Google Patents

立方晶窒化硼素焼結体及び被覆立方晶窒化硼素焼結体 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することによって、工具寿命を延長することができる立方晶窒化硼素焼結体を提供することを目的とする。【解決手段】立方晶窒化硼素と結合相とを含む立方晶窒化硼素焼結体であって、立方晶窒化硼素の含有量は、４０体積％以上７０体積％以下であり、結合相の含有量は、３０体積％以上６０体積％以下であり、立方晶窒化硼素の平均粒径は、０．１μｍ以上３．０μｍ以下であり、結合相は、ＴｉＮ及び／又はＴｉＣＮと、ＴｉＢ2とを含み、ＡｌＮ及び／又はＡｌ2Ｏ3を実質的に含まず、結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）が４４．２°以上であり、立方晶窒化硼素の（１１１）面のＸ線回折強度をＩ1、結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折強度をＩ2としたとき、Ｉ2／Ｉ1は、０．１０以上０．５５以下である、立方晶窒化硼素焼結体。【選択図】なし

Description

本発明は、立方晶窒化硼素焼結体及び被覆立方晶窒化硼素焼結体に関する。
立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素（以下「ｃＢＮ」とも記す）と結合相とを含む。一般的に、結合相の材料の一部には、Ａｌが使用される。結合相の材料にＡｌが使用されるのは、Ａｌが酸化することによって原料粉の表面に吸着している酸素が除去され、焼結反応を促進することができるためである。
従来の立方晶窒化硼素焼結体は、結合相の材料として、Ｔｉ含有化合物（以下「Ｔｉ化合物」とも記す）及びＡｌ含有化合物（以下「Ａｌ化合物」とも記す）を含む材料を用いている。そのため、従来の立方晶窒化硼素焼結体の焼結過程では、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、及びＴｉＢ2が反応により生成している。
例えば、特許文献１には、立方晶窒化硼素粒子と結合相とを含む焼結体を工具基体とする立方晶窒化硼素焼結体切削工具において、前記焼結体が、立方晶窒化硼素粒子を４０容量％以上６０容量％未満及びＡｌが下限値で２質量％、上限値でＹをＡｌ含有割合（質量％）、Ｘを立方晶窒化硼素粒子含有割合（容量％）としたとき、Ｙ＝－０．１Ｘ＋１０の関係を満足する範囲となるように含有し、前記結合相が、少なくともＴｉ系化合物とＡｌ2Ｏ3と不可避不純物とを含有し、前記Ａｌ2Ｏ3のうち、直径１０ｎｍ～１００ｎｍの微粒Ａｌ2Ｏ3が結合相中に分散、生成しており、前記結合相の断面１μｍ×１μｍの領域において、前記微粒Ａｌ2Ｏ3が３０個以上生成していることを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体切削工具について記載されている。
また、例えば、特許文献２には、原料粉末として、平均粒径が１μｍ未満の水素化チタン粉末と、同１～１０μｍの立方晶窒化硼素粉末とを用い、これら原料粉末を、水素化チタン：０．５～２０重量％、立法晶窒化硼素：残り、からなる配合組成に配合し、通常の条件で混合し、圧粉体に成形した後、この圧粉体を、真空中、１２００～１５００℃の温度に加熱保持し、立方晶窒化硼素と水素化チタンとを反応せしめて窒化チタンと硼化チタンとを生成させ、この生成窒化チタンと硼化チタンとが立方晶窒化硼素と強固に結合した組織を有する多孔質立方晶窒化硼素基セラミック焼結体を形成し、ついで、上記多孔質立方晶窒化硼素基セラミック焼結体に、通常の条件で超高圧高温処理を施して、９８％以上の理論密度比とすることを特徴とする高靭性を有する立方晶窒化硼素基セラミック材の製造法について記載されている。
また、例えば、特許文献３には、立方晶窒化硼素を体積％で８０～２０％含有し、残部が周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物、硅化物若しくはこれ等の混合物又は相互固溶体化合物からなり、この混合物又は化合物が焼結体組織中で連続した結合相をなすことを特徴とする高硬度工具用焼結体について記載されている。
特開２０１５－１９３０７２号公報 特許第２６４３５０３号公報 特開昭５３－０７７８１１号公報
近年の切削加工は高能率化が求められており、高速化、高送り化及び深切り込み化がより顕著となっている。また、近年の切削加工では、従来よりも工具の耐摩耗性を向上させることが求められている。
立方晶窒化硼素焼結体を工具として用いる際、熱伝導性に劣るＡｌ2Ｏ3や機械的強度に劣るＡｌＮは、工具の耐摩耗性を低下させる原因となりやすい。特に、これらのＡｌ化合物は、刃先温度が高くなる高速切削時の耐摩耗性に大きな影響を与える。
このような背景において、特許文献１に記載の立方晶窒化硼素焼結体切削工具は、結合相中のＡｌ化合物の微細化について検討されているが、Ａｌ化合物の微粒子が高密度に分散しており高速加工における耐摩耗性が未だ十分ではない。また、特許文献２に記載の立方晶窒化硼素基セラミック材は、立方晶窒化硼素が８０重量％以上（体積％ではそれ以上）含まれており、焼入れ鋼加工における耐摩耗性が十分ではなく、また、焼結体が多孔質であるため、多孔質の箇所が破壊の起点となる場合があり、耐欠損性が十分でない。また、特許文献３に記載の高硬度工具用焼結体は、立方晶窒化硼素と、窒素比率の低いＴｉＮxとを使用しており、焼結前に１０００℃以上の脱ガス処理を行いｃＢＮ表面の酸素を除去しているが、酸化物（Ｂ2Ｏ3）は処理しきれず、焼結体中にＭＢ2＋ＭＯ（固溶）という形で残存する。また、結合相が不定比化合物を含んでいるために反応摩耗を生じやすく、焼結体の耐摩耗性が低下し易い。
本発明は、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することによって、工具寿命を延長することができる立方晶窒化硼素焼結体を提供することを目的とする。
本発明者は、工具寿命の延長について研究を重ねたところ、立方晶窒化硼素焼結体を特定の構成にすると、その耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが可能となり、その結果、工具寿命を延長することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明の要旨は、以下の通りである。
［１］
立方晶窒化硼素と結合相とを含む立方晶窒化硼素焼結体であって、
前記立方晶窒化硼素の含有量は、４０体積％以上７０体積％以下であり、
前記結合相の含有量は、３０体積％以上６０体積％以下であり、
前記立方晶窒化硼素の平均粒径は、０．１μｍ以上３．０μｍ以下であり、
前記結合相は、ＴｉＮ及び／又はＴｉＣＮと、ＴｉＢ2とを含み、ＡｌＮ及び／又はＡｌ2Ｏ3を実質的に含まず、
前記結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）が４４．２°以上であり、
前記立方晶窒化硼素の（１１１）面のＸ線回折強度をＩ1、前記結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折強度をＩ2としたとき、Ｉ2／Ｉ1は、０．１０以上０．５５以下である、立方晶窒化硼素焼結体。
［２］
前記結合相中のＴｉ化合物（ただし、ＴｉＢ2を除く。）の（２００）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）が４２．１°以上である、［１］に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
［３］
［１］又は［２］に記載の立方晶窒化硼素焼結体と、該立方晶窒化硼素焼結体の表面に形成された被覆層と、を備える、被覆立方晶窒化硼素焼結体。
［４］
前記被覆層全体の平均厚さが、０．５μｍ以上６．０μｍ以下である、［３］に記載の被覆立方晶窒化硼素焼結体。
本発明によれば、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することによって、工具寿命を延長することができる立方晶窒化硼素焼結体を提供することができる。
以下、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明するが、本発明は下記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素（以下「ｃＢＮ」とも記す。）と結合相とを含む立方晶窒化硼素焼結体であって、ｃＢＮの含有量が、４０体積％以上７０体積％以下であり、結合相の含有量が、３０体積％以上６０体積％以下であり、ｃＢＮの平均粒径が、０．１μｍ以上３．０μｍ以下であり、結合相が、ＴｉＮ及び／又はＴｉＣＮと、ＴｉＢ2とを含み、ＡｌＮ及び／又はＡｌ2Ｏ3を実質的に含まず、結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）が４４．２°以上であり、立方晶窒化硼素の（１１１）面のＸ線回折強度をＩ1、結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折強度をＩ2としたとき、Ｉ2／Ｉ1が０．１０以上０．５５以下である。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、このような構成とすることにより、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが可能となり、その結果、工具寿命を延長することができる。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体が、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させた工具寿命の長いものとなる要因は、詳細には明らかではないが、本発明者はその要因を下記のように考えている。ただし、要因はこれに限定されない。すなわち、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、ｃＢＮの含有量が４０体積％以上であることにより、結合相の割合が相対的に少なくなるため、機械的強度が向上し、耐欠損性に優れる。一方、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、ｃＢＮの含有量が７０体積％以下であることにより、鉄との耐反応性が良好となるため、耐摩耗性に優れる。また、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、ｃＢＮの平均粒径が０．１μｍ以上であることにより、熱伝導率が高くなり切削中に放熱しやすくなるため、耐反応摩耗性に優れる。一方、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、ｃＢＮの平均粒径が３．０μｍ以下であることにより、結合相の厚みが小さくなるため、機械的強度が向上し、耐欠損性に優れる。また、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、結合相がＴｉＮ及び／又はＴｉＣＮと、ＴｉＢ2とを含み、熱伝導率に劣るＡｌ2Ｏ3及び／又は機械的強度に劣るＡｌＮを実質的に含まないため、耐摩耗性に優れる。また、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）が４４．２°以上であることにより、ＴｉＢ2中にＴｉの酸化物が固溶しておらず結合相が不定比化合物を含まないため、被削材と焼結体との化学反応による耐摩耗性が優れる。また、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、Ｉ2／Ｉ1が０．１０以上であることにより、ｃＢＮと結合相とが、焼結により十分に反応しているため、焼結体の強度が向上することに起因して、耐欠損性に優れる。一方、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、Ｉ2／Ｉ1が０．５５以下であることにより、ＴｉＢ2の割合が少なくなるため、機械的強度が向上し、耐欠損性に優れる。これらの効果が相俟って、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体が、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させた工具寿命の長いものとなる。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、ｃＢＮと結合相とを含む。ｃＢＮの含有量は、４０体積％以上７０体積％以下である。結合相の含有量は、３０体積％以上６０体積％以下である。なお、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体において、ｃＢＮと結合相との合計含有量が１００体積％となる。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、ｃＢＮの含有量が４０体積％以上であることにより、結合相の割合が相対的に少なくなるため、機械的強度が向上し、耐欠損性に優れる。一方、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、ｃＢＮの含有量が７０体積％以下であることにより、鉄との耐反応性が良好となるため、耐摩耗性に優れる。同様の観点から、ｃＢＮの含有量は、４５体積％以上７０体積％以下であることが好ましく、５２体積％以上６７体積％以下であることがより好ましい。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体において、ｃＢＮ及び結合相の含有量（体積％）は、任意の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影し、撮影したＳＥＭ写真を市販の画像解析ソフトで解析することで求めることができる。具体的には、後述の実施例に記載の方法により求めることができる。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、ｃＢＮの平均粒径が、０．１μｍ以上３．０μｍ以下である。本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、ｃＢＮの平均粒径が０．１μｍ以上であることにより、熱伝導率が高くなり切削中に放熱しやすくなるため、耐反応摩耗性に優れる。一方、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、ｃＢＮの平均粒径が３．０μｍ以下であることにより、結合相の厚みが小さくなるため、機械的強度が向上し、耐欠損性に優れる。同様の観点から、ｃＢＮの平均粒径は、０．３μｍ以上３．０μｍ以下であることが好ましい。
なお、本実施形態において、ｃＢＮの平均粒径は、例えば、以下のように求めることができる。
立方晶窒化硼素焼結体の断面組織をＳＥＭによって撮影する。撮影した断面組織内のｃＢＮ粒子の面積を求め、この面積と等しい面積の円の直径をｃＢＮの粒径として求める。複数のｃＢＮ粒子の粒径の平均値を、ｃＢＮの平均粒径として求める。ｃＢＮの平均粒径は、立方晶窒化硼素焼結体の断面組織の画像から、市販の画像解析ソフトを用いて求めることができる。具体的には、後述の実施例に記載の方法により求めることができる。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体において、結合相は、ＴｉＮ及び／又はＴｉＣＮと、ＴｉＢ2とを含み、ＡｌＮ及び／又はＡｌ2Ｏ3を実質的に含まない。結合相が、ＴｉＮ及び／又はＴｉＣＮと、ＴｉＢ2とを含み、熱伝導率に劣るＡｌ2Ｏ3及び／又は機械的強度に劣るＡｌＮを実質的に含まないことにより、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、耐摩耗性に優れる。
なお、本実施形態において、結合相がＡｌＮ及び／又はＡｌ2Ｏ3を実質的に含まないとは、結合相におけるＸ線回折測定で、ＡｌＮ及び／又はＡｌ2Ｏ3が検出されないことを意味する。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体において、結合相は、ＴｉＮ及び／又はＴｉＣＮと、ＴｉＢ2と、からなることが好ましく、ＴｉＮ及びＴｉＢ2からなることがより好ましい。結合相がこのようなＴｉ化合物からなることにより、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、鉄系被削材（例えば、焼入れ鋼）との耐反応性に優れ、一層耐摩耗性に優れる傾向にあり、また、Ｔｉ化合物がＴｉＢ2を含む場合、立方晶窒化硼素と結合相とが十分に反応しているため、耐欠損性にも優れる傾向にある。また、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、焼入れ鋼の切削加工に用いる場合、結合相がＴｉＣを実質的に含まないことが好ましい。本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、結合相がＴｉＣを実質的に含まない場合、焼入れ鋼との耐反応性に優れるため、焼入れ鋼の切削加工に用いる場合に一層耐摩耗性に優れる傾向にある。
なお、本実施形態において、結合相がＴｉＣを実質的に含まないとは、結合相におけるＸ線回折測定で、ＴｉＣが検出されないことを意味する。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体において、立方晶窒化硼素及び結合相の含有量（体積％）は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した立方晶窒化硼素焼結体の組織写真から、市販の画像解析ソフトで解析して求めることができる。より具体的には、立方晶窒化硼素焼結体を、その表面に対して直交する方向に鏡面研磨する。次に、ＳＥＭを用いて、鏡面研磨して現れた立方晶窒化硼素焼結体の鏡面研磨面の反射電子像を観察する。この際、ＳＥＭを用いて５，０００～２０，０００倍に拡大した立方晶窒化硼素焼結体の鏡面研磨面を反射電子像にて観察する。ＳＥＭに付属しているエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）を用いることにより、黒色領域を立方晶窒化硼素と、灰色領域及び白色領域を結合相と特定することができる。その後、ＳＥＭを用いて立方晶窒化硼素の上記断面の組織写真を撮影する。市販の画像解析ソフトを用い、得られた組織写真から立方晶窒化硼素及び結合相の占有面積をそれぞれ求め、その占有面積から含有量（体積％）を求める。
ここで、立方晶窒化硼素焼結体の鏡面研磨面とは、立方晶窒化硼素焼結体の表面又は任意の断面を鏡面研磨して得られた立方晶窒化硼素焼結体の断面である。立方晶窒化硼素焼結体の鏡面研磨面を得る方法としては、例えばダイヤモンドペーストを用いて研磨する方法を挙げることができる。
結合相の組成は、市販のＸ線回折装置を用いて同定することができる。例えば、株式会社リガク製のＸ線回折装置（製品名「ＲＩＮＴ ＴＴＲIII」）を用いて、Ｃｕ－Ｋα線を用いた２θ／θ集中光学系のＸ線回折測定を、下記条件で測定すると、結合相の組成を同定することができる。ここで測定条件は、
出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、
入射側ソーラースリット：５°、
発散縦スリット：１／２°、
発散縦制限スリット：１０ｍｍ、
散乱スリット２／３°、
受光側ソーラースリット：５°、
受光スリット：０．１５ｍｍ、
ＢＥＮＴモノクロメータ、
受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、
サンプリング幅：０．０２°、
スキャンスピード：１°／ｍｉｎ、
２θ測定範囲：３０～９０°という条件であるとよい。
なお、本実施形態において、立方晶窒化硼素及び結合相の含有量並びに結合相の組成は、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）が４４．２°以上である。本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）が４４．２°以上であることにより、ＴｉＢ2中にＴｉの酸化物が固溶しておらず結合相が不定比化合物を含まないため、被削材と焼結体との化学反応による耐摩耗性が優れる。同様の観点から、結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）は、４４．２°以上４４．６°以下であることが好ましく、４４．３°以上４４．５°以下であることがより好ましい。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素の（１１１）面のＸ線回折強度をＩ1、前記結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折強度をＩ2としたとき、Ｉ2／Ｉ1は、０．１０以上０．５５以下である。本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、Ｉ2／Ｉ1が０．１０以上であることにより、ｃＢＮと結合相とが、焼結により十分に反応しているため、焼結体の強度が向上することに起因して、耐欠損性に優れる。一方、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、Ｉ2／Ｉ1が０．５５以下であることにより、ＴｉＢ2の割合が少なくなるため、機械的強度が向上し、耐欠損性に優れる。同様の観点から、Ｉ2／Ｉ1は、０．１１以上０．５４以下であることが好ましく、０．１２以上０．５３以下であることがより好ましい。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、結合相中のＴｉ化合物（ただし、ＴｉＢ2を除く。）の（２００）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）が４２．１°以上であることが好ましい。本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、結合相中のＴｉ化合物（ただし、ＴｉＢ2を除く。）の（２００）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）が４２．１°以上であることにより、鉄系材料との耐反応性に劣るＴｉＣを含まないため、耐反応性に一層優れる傾向にある。同様の観点から、結合相中のＴｉ化合物（ただし、ＴｉＢ2を除く。）の（２００）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）は、４２．１°以上４２．７°以下であることが好ましい。
なお、本実施形態において、立方晶窒化硼素及び結合相中の各化合物のＸ線回折強度は、市販のＸ線回折装置を用いて測定することができる。例えば、Ｘ線回折強度は、株式会社リガク製のＸ線回折装置（製品名「ＲＩＮＴ ＴＴＲIII」）を用いて測定することができる。測定条件の例は、以下のとおりである。
Ｃｕ－Ｋα線を用いた２θ／θ集中光学系のＸ線回折測定
出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ
入射側ソーラースリット：５°
発散縦スリット：１／２°
発散縦制限スリット：１０ｍｍ
散乱スリット：２／３°
受光側ソーラースリット：５°
受光スリット：０．１５ｍｍ
ＢＥＮＴモノクロメータ
受光モノクロスリット：０．８ｍｍ
サンプリング幅：０．０２°
スキャンスピード：２°／ｍｉｎ
２θ測定範囲：３０～５５°
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、多孔質ではないことが好ましい。本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、多孔質でない場合、破壊の起点となる孔が存在せず、耐欠損性が一層優れる傾向にある。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、不純物を不可避的に含有してもよい。不純物の例としては、特に限定されないが、例えば、原料粉末に含まれるリチウムなどが挙げられる。通常、不可避的不純物の含有量は、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して１質量％以下である。したがって、不可避的不純物が、立方晶窒化硼素焼結体の特性値に影響を及ぼすことはほとんどない。
本実施形態の被覆立方晶窒化硼素焼結体は、上述した立方晶窒化硼素焼結体と、該立方晶窒化硼素焼結体の表面に形成された被覆層と、を備える。
立方晶窒化硼素焼結体の表面に被覆層が形成されることによって、立方晶窒化硼素焼結体の耐摩耗性がさらに向上する。被覆層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とを含むことが好ましい。また、被覆層は、単層構造、又は、２層以上を含む積層構造を有してもよい。被覆層がこのような構造を有する場合、本実施形態の被覆立方晶窒化硼素焼結体は、耐摩耗性が一層向上する。
被覆層を形成する化合物の例として、特に限定されないが、例えば、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、及び、ＣｒＡｌＮなどを挙げることができる。被覆層は、組成が異なる複数の層を交互に積層した構造を有してもよい。この場合、各層の平均の厚みは、例えば５ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
被覆層全体の平均厚さは、０．５μｍ以上６．０μｍ以下であることが好ましい。本実施形態の被覆立方晶窒化硼素焼結体は、被覆層全体の平均厚さが０．５μｍ以上である場合、耐摩耗性が向上する傾向があり、一方、被覆層全体の平均厚さが６．０μｍ以下である場合、剥離を起因とした欠損の発生を抑制することができる傾向がある。同様の観点から、被覆層全体の平均厚さは、１．０μｍ以上５．５μｍ以下であることがより好ましく、１．０μｍ以上５．０μｍ以下であることがさらに好ましい。
被覆層を構成する各層の厚さ及び被覆層全体の厚さは、被覆立方晶窒化硼素焼結体の断面組織から光学顕微鏡、ＳＥＭ、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などを用いて測定することができる。なお、被覆立方晶窒化硼素焼結体における各層の平均厚さ及び被覆層全体の平均厚さは、金属蒸発源に対向する面の刃先から当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、３箇所以上の断面から、各層の厚さ及び被覆層全体の厚さを測定して、その平均値を計算することで求めることができる。
また、被覆層を構成する各層の組成は、被覆立方晶窒化硼素焼結体の断面組織から、ＥＤＳや波長分散型Ｘ線分析装置（ＷＤＳ）などを用いて測定することができる。
本実施形態の被覆立方晶窒化硼素焼結体における被覆層の製造方法は特に限定されるものではないが、例えば、化学蒸着法や、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法及びイオンミキシング法などの物理蒸着法が挙げられる。その中でも、アークイオンプレーティング法は、被覆層と立方晶窒化硼素焼結体との密着性に一層優れるので、さらに好ましい。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体又は被覆立方晶窒化硼素焼結体は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れるため、切削工具や耐摩耗工具として使用されると好ましく、その中でも切削工具として使用されると好ましい。本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体又は被覆立方晶窒化硼素焼結体は、焼結金属用切削工具や鋳鉄用切削工具として使用されるとさらに好ましい。本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体又は被覆立方晶窒化硼素焼結体を切削工具や耐摩耗工具として用いた場合、従来よりも工具寿命を延長することができる。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、例えば、以下の方法によって製造することができる。
原料粉末として、ｃＢＮ粉末、ＴｉＮ粉末、ＴｉＮ0.8粉末、Ｔｉ（ＣＮ）0.8粉末、ＴｉＣ0.8粉末、ＴｉＢ2粉末、及びＡｌ粉末を準備する。ここで、原料のｃＢＮ粉末の平均粒径を適宜調整することにより、得られる立方晶窒化硼素焼結体におけるｃＢＮの平均粒径を上記特定の範囲に制御することができる。また、各原料粉末の割合を適宜調整することにより、得られる立方晶窒化硼素焼結体におけるｃＢＮ及び結合相の含有量を上記特定の範囲に制御することができる。次に、準備した原料粉末を、超硬合金製ボールと溶媒とパラフィンとともにボールミル用シリンダーに入れて混合する。ボールミルで混合した原料粉末を、例えば、以下の条件で水素還元処理を行う。
（水素還元処理条件）
雰囲気：水素ガス気流中
処理温度：６００～９００℃
処理時間：０．５～２時間
水素還元処理を行うことにより、原料粉末表面の酸素が除去されているため、焼結体中に酸化物が生成することを抑制することができる。また、通常、微粒ｃＢＮ粉末は表面積が大きく酸化物が多いために焼結することが困難であるが、水素還元処理を行うことにより、これらを使用することが可能となる。なお、本実施形態において、原料粉末表面の酸素を除去する方法は、水素還元処理に限定されず、他の公知の方法も使用することができる。
水素還元処理した原料粉末を、グローブボックス内にて窒素雰囲気下でＺｒ製の高融点金属カプセル内に充填し、次に、カプセルを密封し、カプセルに充填されている原料粉末を高圧で焼結させる。高圧焼結の条件は、例えば、圧力：４．０～７．０ＧＰａ、温度：１２００～１５００℃、焼結時間：２０～６０分である。
立方晶窒化硼素の（１１１）面のＸ線回折強度をＩ1、前記結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折強度をＩ2としたときのＩ2／Ｉ1を上記特定の範囲に制御する方法としては、特に限定されないが、例えば、原料粉末の種類や配合割合を適宜調整したり、原料粉末を焼結させる温度を適宜調整する方法が挙げられる。具体的には、原料粉末として、ＴｉＮ0.8粉末及び／又はＴｉ（ＣＮ）0.8粉末を使用して、ＴｉＮ0.8粉末及び／又はＴｉ（ＣＮ）0.8粉末の配合割合を大きくするほど、Ｉ2／Ｉ1が大きくなる傾向にある。また、例えば、原料粉末として、ＴｉＢ2を配合すると、Ｉ2／Ｉ1が大きくなる傾向にある。また、例えば、原料粉末を焼結させる温度を高くすると、Ｉ2／Ｉ1が大きくなる傾向にある。
また、結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）を上記特定の範囲に制御する方法としては、特に限定されないが、例えば、混合した原料粉末を、上記特定の条件で水素還元処理する方法が挙げられる。具体的には、混合した原料粉末を、上記特定の条件で水素還元処理することにより、ＴｉＢ2中にＴｉの酸化物が固溶することが抑制され、結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）が高くなる傾向にある。
また、結合相中のＴｉ化合物（ただし、ＴｉＢ2を除く）の（２００）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）を上記特定の範囲に制御する方法としては、特に限定されないが、例えば、原料粉末の種類や配合割合を適宜調整する方法が挙げられる。具体的には、原料粉末として、ＴｉＮ粉末、ＴｉＮ0.8粉末を使用することにより、結合相中のＴｉ化合物（ただし、ＴｉＢ2を除く）の（２００）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）が高くなる傾向にあり、原料粉末として、Ｔｉ（ＣＮ）0.8粉末を使用することにより、結合相中のＴｉ化合物（ただし、ＴｉＢ2を除く）の（２００）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）が低くなる傾向にある。また、原料粉末として、ＴｉＣ粉末を使用することにより、結合相中のＴｉ化合物（ただし、ＴｉＢ2を除く）の（２００）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）が一層低くなる傾向にある。
また、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体をレーザーカット加工機などにより所定の形状に加工して、立方晶窒化硼素焼結体を備えた切削工具又は耐摩耗工具を製造することができる。
以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
［原料粉末の調製］
立方晶窒化硼素（以下「ｃＢＮ」とも記す）粉末、ＴｉＮ粉末、ＴｉＮ0.8粉末、Ｔｉ（ＣＮ）0.8粉末、ＴｉＣ0.8粉末、ＴｉＢ2粉末、及びＡｌ粉末を、以下の表１に示す比率で混合した。ｃＢＮ粉末の平均粒径は、表１に示すとおりであった。また、ＴｉＮ粉末、ＴｉＮ0.8粉末、Ｔｉ（ＣＮ）0.8粉末、ＴｉＣ0.8粉末、ＴｉＢ2粉末の平均粒径は、１．０μｍであった。また、Ａｌ粉末の平均粒径は、０．５μｍであった。なお、原料粉末の平均粒径は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格Ｂ３３０に記載のフィッシャー法（Fisher Sub-Sieve Sizer（FSSS））により測定した。
Figure 2023030881000001
［原料粉末の混合］
原料粉末を、超硬合金製ボールとヘキサン溶媒とパラフィンとともにボールミル用のシリンダーに入れてさらに混合した。ボールミルで混合した原料粉末を、以下の条件で水素還元処理を行った。なお、比較品８については、水素還元処理を行わなかった。
（水素還元処理条件）
雰囲気：水素ガス気流中
処理温度：８００℃
処理時間：１時間
水素還元処理した原料粉末（水素還元処理を行わなかった場合は混合して得られた原料粉末）を、グローブボックス内にて窒素雰囲気下でＺｒ製の高融点金属カプセル内に充填し、その後、カプセルを密封した。なお、比較品８については、混合して得られた原料粉末を、大気中でＺｒ製の高融点金属カプセル内に充填し、その後、カプセルを密封した。
［高圧焼結］
その後、カプセルに充填されている原料粉末を高圧で焼結させた。高圧焼結の条件を、以下の表２に示す。
Figure 2023030881000002
［ＳＥＭ画像による分析］
高圧焼結によって得られた立方晶窒化硼素焼結体について、立方晶窒化硼素及び結合相の含有量（体積％）を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した立方晶窒化硼素焼結体の組織写真から、市販の画像解析ソフトで解析して求めた。より具体的には、立方晶窒化硼素焼結体を、その表面に対して直交する方向に鏡面研磨した。次に、ＳＥＭを用いて、鏡面研磨して現れた立方晶窒化硼素焼結体の鏡面研磨面の反射電子像を観察した。この際、ＳＥＭを用いて、立方晶窒化硼素の粒子が２００個以上含まれるように、１０００～１００００倍の範囲で選択した倍率で拡大した立方晶窒化硼素焼結体の鏡面研磨面を反射電子像にて観察した。ＳＥＭに付属しているエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）を用いることにより、黒色領域を立方晶窒化硼素と、灰色領域及び白色領域を結合相と特定した。その後、ＳＥＭを用いて立方晶窒化硼素の上記断面の組織写真を撮影した。市販の画像解析ソフトを用い、得られた組織写真から立方晶窒化硼素及び結合相の占有面積をそれぞれ求め、その占有面積から含有量（体積％）を求めた。
ここで、立方晶窒化硼素焼結体の鏡面研磨面とは、立方晶窒化硼素焼結体の表面又は任意の断面を鏡面研磨して得られた立方晶窒化硼素焼結体の断面とした。立方晶窒化硼素焼結体の鏡面研磨面を得る方法は、ダイヤモンドペーストを用いて研磨する方法とした。
また、結合相の組成は、株式会社リガク製のＸ線回折装置（製品名「ＲＩＮＴ ＴＴＲIII」）を用いて同定した。具体的には、Ｃｕ－Ｋα線を用いた２θ／θ集中光学系のＸ線回折測定を、下記条件で測定して、結合相の組成を同定した。
出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、
入射側ソーラースリット：５°、
発散縦スリット：１／２°、
発散縦制限スリット：１０ｍｍ、
散乱スリット２／３°、
受光側ソーラースリット：５°、
受光スリット：０．１５ｍｍ、
ＢＥＮＴモノクロメータ、
受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、
サンプリング幅：０．０２°、
スキャンスピード：１°／ｍｉｎ、
２θ測定範囲：３０～９０°。
また、ＳＥＭで撮影した立方晶窒化硼素焼結体の組織写真の画像解析により、断面組織内のｃＢＮ粒子の面積を求め、この面積と等しい面積の円の直径をｃＢＮの粒径とした。組織写真内に存在するｃＢＮ粒子の粒径の平均値を、ｃＢＮの平均粒径として求めた。これらの測定結果を、以下の表３に示す。
［Ｘ線回折（ＸＲＤ）による分析］
高圧焼結によって得られた立方晶窒化硼素焼結体に含まれるＴｉ化合物及びＡｌ化合物についてＸ線回折（ＸＲＤ）による分析を行った。具体的には、ＸＲＤによるＴｉ化合物の（２００）面の最大のピーク位置が４１．７°以上４２．１°未満の場合は、Ｔｉ化合物はＴｉＣであると見なし、同ピーク位置が４２．１°以上４２．４°以下の場合は、Ｔｉ化合物はＴｉＣＮであると見なし、同ピーク位置が４２．４°以上４２．８°以下の場合は、Ｔｉ化合物はＴｉＮであると見なした。ＸＲＤによるＴｉ化合物及びＡｌ化合物の分析結果を、以下の表３に示す。
また、得られたＸ線回折図形から、ＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）、及び、Ｔｉ化合物（ただし、ＴｉＢ2を除く。）の（２００）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）を求めた。また、得られたＸ線回折図形から、ｃＢＮの（１１１）面のＸ線回折強度Ｉ1、及びＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折強度Ｉ2を求め、それらの比（Ｉ2／Ｉ1）を算出した。なお、Ｘ線回折強度比は、ピーク高さの比によって求めた。これらの結果を、以下の表４に示す。
なお、ＸＲＤ測定は、株式会社リガク製のＸ線回折装置（製品名「ＲＩＮＴ ＴＴＲIII」）を使用して、Ｃｕ－Ｋα線を用いた２θ／θ集中光学系で行った。測定条件は、以下のとおりとした。
出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ
入射側ソーラースリット：５°
発散縦スリット：１／２°
発散縦制限スリット：１０ｍｍ
散乱スリット：２／３°
受光側ソーラースリット：５°
受光スリット：０．１５ｍｍ
ＢＥＮＴモノクロメータ
受光モノクロスリット：０．８ｍｍ
サンプリング幅：０．０２°
スキャンスピード：２°／ｍｉｎ
２θ測定範囲：３０～５５°
Figure 2023030881000003
Figure 2023030881000004
［切削工具の作製］
得られた立方晶窒化硼素焼結体を、放電加工機を用いてＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８で定められたインサート形状の工具形状に合わせて切り出した。切り出した立方晶窒化硼素焼結体を、超硬合金からなる台金にろう付けによって接合した。ろう付けした工具にホーニング加工を施して、切削工具を得た。
［切削試験］
得られた切削工具を用いて、下記の条件で切削試験を行った。
被削材：ＳＣＭ４１５浸炭焼入れ鋼（ＨＲＣ６０）
被削材形状：丸棒、φ８０ｍｍ×２００ｍｍ、
加工方法：外径旋削、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み深さ：０．１５ｍｍ、
クーラント：使用（水系）、
評価項目：逃げ面の摩耗幅又はコーナの摩耗幅が０．１５ｍｍに至ったとき、あるいは、切削工具が欠損したときを工具寿命とし、工具寿命までの加工時間を測定した。測定結果を表５に示す。
Figure 2023030881000005
表５に示す結果から分かるとおり、発明品の立方晶窒化硼素焼結体を用いた切削工具は、比較品の立方晶窒化硼素焼結体を用いた切削工具よりも耐摩耗性及び耐欠損性に優れており、工具寿命が長かった。
（実施例２）
次に、表６に示すとおり、実施例１で得られた発明品２、発明品３、発明品６及び発明品７の立方晶窒化硼素焼結体の表面に、イオンボンバードメント処理を施した後、アークイオンプレーティング法により、被覆層を形成した。第１層及び第２層を形成する場合、立方晶窒化硼素焼結体の表面にこの順で形成した。それぞれの処理条件は、以下のとおりとした。また、被覆層の組成及び平均厚さは、以下の表６に示すとおりとした。
［イオンボンバードメント処理の条件］
基材の温度：５００℃
圧力：２．７ＰａのＡｒガス雰囲気
電圧：－４００Ｖ
電流：４０Ａ
時間：３０分
［被覆層形成条件］
基材の温度：５００℃
圧力：３．０Ｐａの窒素（Ｎ2）ガス雰囲気（窒化物層）、又は３．０Ｐａの窒素（Ｎ2）ガスとアセチレンガス（Ｃ2Ｈ2）ガスとの混合ガス雰囲気（炭窒化物層）
電圧：－６０Ｖ
電流：１２０Ａ
Figure 2023030881000006
表面に被覆層が形成された被覆立方晶窒化硼素焼結体を用いて、実施例１と同様に切削試験を行った。その結果を以下の表７に示す。
Figure 2023030881000007
表７に示す結果から分かるとおり、その表面に被覆層が形成された被覆立方晶窒化硼素焼結体（発明品１１～３０）は、被覆層が形成されていない立方晶窒化硼素焼結体（発明品１～１０）よりもさらに耐摩耗性に優れており、工具寿命が長かった。
本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れることにより、従来よりも工具寿命を延長できるので、その点で産業上の利用可能性が高い。

Claims (4)

  1. 立方晶窒化硼素と結合相とを含む立方晶窒化硼素焼結体であって、
    前記立方晶窒化硼素の含有量は、４０体積％以上７０体積％以下であり、
    前記結合相の含有量は、３０体積％以上６０体積％以下であり、
    前記立方晶窒化硼素の平均粒径は、０．１μｍ以上３．０μｍ以下であり、
    前記結合相は、ＴｉＮ及び／又はＴｉＣＮと、ＴｉＢ2とを含み、ＡｌＮ及び／又はＡｌ2Ｏ3を実質的に含まず、
    前記結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）が４４．２°以上であり、
    前記立方晶窒化硼素の（１１１）面のＸ線回折強度をＩ1、前記結合相中のＴｉＢ2の（１０１）面のＸ線回折強度をＩ2としたとき、Ｉ2／Ｉ1は、０．１０以上０．５５以下である、立方晶窒化硼素焼結体。
  2. 前記結合相中のＴｉ化合物（ただし、ＴｉＢ2を除く。）の（２００）面のＸ線回折における最大のピーク位置（２θ）が４２．１°以上である、請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
  3. 請求項１又は２に記載の立方晶窒化硼素焼結体と、該立方晶窒化硼素焼結体の表面に形成された被覆層と、を備える、被覆立方晶窒化硼素焼結体。
  4. 前記被覆層全体の平均厚さが、０．５μｍ以上６．０μｍ以下である、請求項３に記載の被覆立方晶窒化硼素焼結体。
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