JPH11505770A - 多結晶性立方晶窒化硼素の切削工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 多結晶性立方晶窒化硼素の切削工具は、多結晶性集合体として互いに結合した５０〜８５ｗｔ％の立方晶窒化硼素結晶体である。多結晶性立方晶窒化硼素と混合された支持相は、好ましいチタニウム炭窒化物またはチタニウムアルミニウム炭窒化物である１５〜４０ｗｔ％の耐熱材料である。また、出発組成は、４〜１０ｗｔ％のＣＯ₂Ａｌ₉からなる。これらの要素の混合粉末は、アンモニア中で１１００〜１２５０℃の範囲の温度で処理され、窒素濃度が著しく増加し、且つチタニウム炭窒化物またはチタニウムアルミニウム炭窒化物の炭素濃度を減少させる。出発材料の混合粉末の代わりに、被覆粒子は、チタニウム炭窒化物で被覆した立方晶窒化硼素、またはコバルト、アルミニウム或いはコバルトアルミニウムで被覆したチタニウム炭窒化物を使用できる。六方晶窒化硼素は、立方晶窒化硼素の一部の出発材料として置換できる。

Description

【発明の詳細な説明】 多結晶性立方晶窒化硼素の切削工具 背 景 本発明は、支持相としてチタニウム炭窒化物及びコバルトアルミナイドを含有 する立方晶窒化硼素の多結晶性複合成形物に関し、鉄系金属を機械加工する工具 として特に有効である。この成形物を製造する工程においては、立方晶窒化硼素 （ＣＢＮ）結晶物、チタニウム炭窒化物（ＴｉＣＮ）及びＣｏ₂Ａｌ₉の混合物を アンモニア中で高温度で処理して、酸素と炭素とを還元し且つ窒素を増加させる 。その後混合物はＣＢＮが熱力学的に安定である高温高圧にして、多結晶性立方 晶窒化硼素を形成する。 立方晶窒化硼素として知られる窒化硼素の高圧形成体は、硬度だけがダイヤモ ンドに劣るが、切削工具等としての種々の用途を備える。例えば、多結晶性ＣＢ Ｎは、ダイヤモンドと鉄の反応が問題となる鉄系金属の高速機械加工に適してい る。市販または先行特許記載の切削工具は、チタニウム窒化物、チタニウム炭化 物、チタニウム炭窒化物及びそれらの固溶体のような耐熱物質のバインダー相及 び立方晶窒化硼素を用いる。このような成形物は、切削工具として使用するため に、優れた耐摩耗性、熱的安定性、熱伝導率、耐衝撃性及び摩擦係数を有する。 しかしながら、切削工具として使用するために、品質、信頼性、特性、寿命及 び物質の鋭敏性を改良することが望まれ続けている。 本発明の実施にいて、多結晶性立方晶窒化硼素より成り立つ主組成と、チタニ ウム炭窒化物または類似物及びコバルトアルミナイドから形成された支持相とな る副組成の支持相とから構成される複合 材料は、切削工具に衝撃を与える切削経路の硬質物質または間隙により機械加工 が困難となる鉄系材料及び工作物を切削加工性を相当良好に行いうることが判明 した。 本発明の概要 したがって、目下好ましい実施態様にしたがう本発明の実施において提供され る多結晶性立方晶窒化硼素の切削工具は、多結晶性集合体のように互いに結合す る主組成の立方晶窒化硼素の結晶物を含む。副組成の切削工具は、多結晶性立方 晶窒化硼素と混合された耐熱性支持相を含む。耐熱性物質は、チタニウム炭窒化 物またはチタニウムアルミニウム炭窒化物及びＣｏ₂Ａｌ₉のような副組成のコバ ルトアルミナイドを好ましく含有する。支持相は出発物質によって定義されが、 支持相の最終状態は、完全にはその特性が明らかでない種々の材料の複合体とな っていることに留意されたい。 優れた切削工具は、立方晶窒化物結晶物、チタニウム炭窒化物またはチタニウ ムアルミニウム炭窒化物の粉末及びコバルトアルミナイド粉末の混合物を、アン モニア中で少なくとも１１００℃の温度で前処理することによって作ることがで きる。 図 面 本発明のこれら及び他の特徴及び利点は、添付図面に関連し説明する次の詳細 な説明を参照することにより理解し得る。 図１は、典型的な切削工具の側面図を示す。 図２は、このような切削工具で機械加工した岩石ビットジャーナルの破断側面 図を示す。 詳細な説明 実施例の切削工具は、少なくとも一つの面に多結晶性立方晶窒化硼素（ＰＣＢ Ｎ）の層１２を有している慣用の超硬タングステン炭化物基材１１から成ってい る。切削工具の刃は、切れ刃１４から角度を成す逃げすくい面１３を備えること ができる。この切削工具は単なる一例であり、他の切削工具形状が本発明の実施 により製造できることが理解しうる。 切削工具は、一般的に慣用の技術により超硬タングステン炭化物半製品をまず 準備することにより製造される。典型的な超硬タングステン炭化物物体は、コバ ルトと互いに結合されたタングステン炭化物ＷＣの粒子を有する。平均タングス テン炭化物粒子径は、約１〜２５μｍの範囲にあり、５〜１０μｍが最も一般的 である。コバルト含有量は、典型的には重量で約６〜２０％の範囲にある。タン グステン炭化物に関して言及しているが、ＴｉＣ、ＴａＣ及び／またはＮｂＣも 存在できる。 ＰＣＢＮ層を形成する粉末層は、炭化物半製品の一面に近接して配置される。 この半組立品は、ニオブのカップのような保護缶内に配置される。すなわち、混 合粉末の層は缶内に配置され、炭化物は粉末の層上に裁置される。第２のカップ が反転状態で第１のカップの上方に配置され、閉じた缶を形成する。炭化物半製 品と粉末の層を入れた二つのカップ半組立品はダイ型によって加圧され、閉じら れた缶内ゆえに内容物が密に包囲される。炭化物半製品と粉末層のこのような幾 つかの半組立品は缶に入れられて、ニオブ板で仕切られる。その他の形態が、そ の他の形式の工具を形成するために使用できる。 その後閉じられた缶は、適切な加熱器と圧力容器と超高圧プレスに入れられる 。圧力は、立方晶窒化硼素を熱的力学的に安定とする領域まで増加させる。その 後、プレス内のセルが十分な温度と十分 な時間加熱され、ＣＢＮ結晶物から多結晶性立方晶窒化硼素を形成する。超高圧 プレス内の典型的な圧力は５０キロバールであり、１５００℃程度の温度で５分 から１５分間保持される。ＰＣＢＮを形成するためのこのような高圧力高温度工 程は良く知られており、先行技術に記載されている。 このような高温度高圧力工程の際に、立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）の個々の結晶 物は、多結晶性の集合体を形成するために互いに結合するようになる。得られた ＰＣＢＮは連続相であり、耐熱性支持相はＰＣＢＮ相と混合される。支持相はＣ ＢＮ粉末と混合された粉末から形成され、且つ基材の界面近くのその組成は、超 硬タングステン炭化物基材から浸透するコバルトも含むことができる（このよう な浸透は、界面から１０μｍまたはそれ以下に制限されると考えられる。）。 超高圧プレスから取り外したのち、切削工具の最終形状に形成するために必要 であるときは、切削工具は、洗浄、切断、研削及びラッピングが成される。 例示的な実施例においては、ＰＣＢＮ層が、重量で５０〜８５％の立方晶窒化 硼素結晶物を含む混合物から形成される。好ましい実施例では、重量で５５〜６ ５％のＣＢＮを含む。初期平均ＣＢＮ粒子径は、約１μｍから約３０μｍの範囲 にあり、これは完成切削工具に要求される特性に依存する。必要あれば、異なる 範囲の粒子径を有する結晶が使用できる。例えば、全体に渡って均一化された粒 子径とせずにに、異なった「充填」とするために、約３μｍの平均粒子径のＣＢ Ｎを、約１５μｍの平均粒子径のＣＢＮと混合することができる。ＣＢＮは３μ ｍまたはそれ以上の平均粒子径を有することが好ましい。約３μｍより小さい粒 子径を有するＣＢＮから作られる材料は、大きな粒子径よりも硬くならない。 幾つかの経済性は、立方晶窒化硼素原材料の一部分を六方晶窒化硼素で置換す ることにより達成することができる。その上、ウルツ鉱型窒化硼素も使用するこ とができる。初期混合物に含有されるこのような六方晶及び／またはウルツ鉱型 窒化硼素は、超高圧プレスの高圧高温の下で、立方晶窒化硼素に変換される。六 方晶窒化硼素を一部使用することが、立方晶窒化硼素より低い価格のために好ま しい。 その硬度と耐摩耗性を著しく低下させることなく、ＰＣＢＮの層に強度または 靭性を付与することが望ましい。したがって、耐熱物質の支持相の形成は、ＰＣ ＢＮと混合させつつ行われる。好ましい耐熱物質は、チタニウム炭化物またはチ タニウムアルミニウム炭化物（ここにおいてはＴｉＣＮまたはＴｉＡｌＣＮとし て言及する）を含有する。これらの耐熱物質は理論的な化合物でないが、炭素と 窒素の割合が変化するとともにチタニウム炭化物及びチタニウム窒化物の固溶体 になると考えられる。典型的に、本発明の実施で使用したチタニウム炭窒化物は 、ほぼ等しい割合の炭素と窒素を有する。 支持相の耐熱材料は、（Ｔｉ_xＭ_y）Ｃ_zＮ_qとして定義できる。合金化元素Ｍは 、アルミニウム、珪素、クロム、コバルト、タングステン、及びアルミニウム、 珪素、タングステンとともにタンタルの１種以上であり、且つ、タンタルは好ま しく、アルミニウムは特に好ましい。耐熱性物質がチタニウム炭窒化物である場 合、ｙは零である。別の方法では、チタニウムに対する合金化金属の割合ｙ／ｘ は、０．０５〜０．３の範囲にある。耐熱材料組成がチタニウムアルミニウム炭 窒化物を含む場合は、アルミニウムは合計金属の約３０％以下存在する。チタニ ウムアルミニウム炭窒化物は、耐化学摩耗性、及び靭性を強めるために好ましい 物質である。 付加的なアルミニウム源が望ましく、コバルトアルミナイド（ＣＯ₂Ａｌ₉の形 が好ましい。 市販のチタニウム炭窒化物は、４９．４原子％のチタニウム、２２．８％の窒 素、２６％の炭素、及び１．８％の酸素の半製品組成を有する。この物質は、酸 化を遅らせるために、ＴｉＣＮに添加された重量で１％程度のワックス被膜を粒 子上に有する。ここで言及する半製品分析は、ワックスを含み且つ恐らくＴｉＣ Ｎ粒子の芯より高い炭素と窒素の成分で歪められる。其にもかかわらず、ＴｉＣ Ｎは見掛けの式、ＴｉＣ_0.52Ｎ_0.46Ｏ_0.04を有することが仮定される。 ＴｉＣＮ粉末の表面分析は、２２．７原子％のチタニウム、１０％の窒素、４ ０．７％の炭素、及び２２．６％の酸素の見掛けの組成を示す。これは、Ｔｉ− Ｃ−Ｎ−Ｏの組成に対しては化学量論的関係から外れるので、表面のワックスに よる誤差が生じることを示唆する。ワックス成分の間接的な測定は、約０．７重 量％の炭素がワックスの形で表面に存在することを示す。表面酸化が、ＴｉＣＮ に見掛け上含有される酸素の部分に由来する。 炭素成分に関しては、耐熱物質の表面で窒素成分を高めることが望ましい。し たがって、物質は、当出願人よって過剰窒化と呼ばれる技術によって処理される 。過剰窒化法は、アンモニア雰囲気で温度を上げてために、ＴｉＣＮを加熱する ことを含む。アンモニアが、活性な水素と窒素とが生じるために分解する。 この熱処理は少なくとも約１１００℃の温度であり、最も好ましくは、１１５ ０〜１２５０℃の温度範囲である。加熱時間は好ましくは１〜５時間の範囲であ るが、時間が長くなるほど温度を低温とすることが必要である。温度は１２５０ ℃より高くできるが、結果が１２５０℃の加熱後の改良は少しであり、高温とす る理由はない 。典型的な実施例において、過剰窒化法は、ＴｉＣＮ粉末を１１５０℃で約１． ５〜２時間加熱することを含む。 このような処理のあと、ＴｉＣＮは、４９．９原子％のチタニウム、１２６． ５％の窒素、２２．７％の炭素、及び１％の酸素の半製品組成を有する。アンモ ニアの分解による活性水素は、炭素と窒素と反応してガス状物として除去される と仮定される。水素は他の物質を活性的に脱炭することが知られている。 ＴｉＣＮ中のける窒素及び炭素の変化は、主に粒子の表面に隣接する層にあり 、恐らく、１／２〜１μｍより少ない深さであることも仮定される。過剰窒化の 速度限定因子は、反応が活性な水素と反応できる粒子の内部から表面への炭素の 拡散、及び炭素によって開けられた格子サイトを充填するための窒素のＴｉＣＮ への拡散と関連すると考えられる。水素は高温度でチタニウムに溶融しやすいこ とが知られていて、且つ水素の拡散は、炭素または窒素、或いは、水素とこれら の元素の反応生成物のいずれよりもＴｉＣＮ中で恐らく非常に高くなる。 炭素によって占拠される結晶格子内のサイトが、炭素が空にされたとき、窒素 によって占拠されることが考えられる。過剰窒化に続いて結晶格子定数の測定を したが、この測定によっては格子定数の変化は明らかとならなかった。これによ り、過剰窒化の効果は炭素の犠牲で表面近くで窒素成分の増加することであると いう解釈が確認された。表面層は比較的薄く、且つＸ線測定により内部芯材料に よりダイヤモンド化すると考えられる。 表面での窒素成分の増加は、高圧高温工程の際に、ＴｉＣＮと立方晶窒化硼素 粒子との結合を強めると信じられる。チタニウム炭窒化物の表面被膜は主として チタニウム窒化物からなり、且つその成分量は炭素と窒素の拡散によって、芯と 最外面との間に勾配をもっ ていると仮定される。表面近傍及びＣＢＮ内の窒素の駆動力が結合を強める。す なわち、過剰窒化後、明らかにＴｉＣＮの粒子は不変化ＴｉＣＮ芯とＣＢＮと容 易に結合する薄い表面層とから構成される。芯物質の特性が、ＰＣＢＮ複合材料 の機能を高める。 過剰窒化後の、ＴｉＣＮ粒子の表面は、ワックスの分解により存在するグラフ ァイトまたは非晶質の炭素も有することができる。 過剰窒化は、ＰＣＢＮ組成においてＴｉＣＮの優れた特性の品位を落とすこと なく結合を強める。これは、複合ＰＣＢＮ物質と、市販ＣＢＮとチタニウム窒化 物を使用する切削工具材料との比較から明らかにできる。工具に衝撃荷重を付与 する非常に難切削性材料の旋削試験において、新規な工具材料で旋削しうる部品 の平均個数は、出願前の公知の最良の材料によって旋削しうる数のほぼ二倍であ る（２２個に対し１２個である）。 過剰窒化前に、ＣＢＮ、ＴｉＣＮ及びＣｏ₂Ａｌ₉の粉末予備混合物を作ること が好ましい。例えば、好ましい組成は、１０μｍ以下の平均粒子径を有する３０ 〜４０ｗｔ％のＴｉＣＮ粉末、１０μｍ以下の平均粒子径を有する５０〜６５ｗ ｔ％のＣＢＮ、及び小さな粒子径を有する４〜１０ｗｔ％のコバルトアルミナイ ド、を混合することによって用意することができる。粉末混合物は、その後アン モニア中で１時間半から２時間の間１１２５℃で加熱される。 ＴｉＣＮを過剰窒化するに加え、この処理はＣＢＮを強化すると考えられる。 特に、ＣＢＮ表面上の酸化硼素が非常に活性な水素によって還元される。活性な 窒素は、窒素中で時には不足する窒化硼素の理論量を確実にする。 過剰窒化は、ＣＢＮ−ＣＢＮ粒内結合並びにＣＢＮとＴｉＣＮとの結合を強め ることが考えられる。ＣＢＮ相内並びにＴｉＣＮ相の表面で存在できる付加的な 窒素は、移送機構を促進することが信じ られている。 この過剰窒化処理がコバルトアルミナイドを含有する混合物に有効であること は意外であった。Ａｌ−Ｃｏの相図によれば、Ｃｏ₂Ａｌ₉は、９４４℃の分解温 度を有し、その温度で液相と高温度で非常に安定なγ相とになる。１１００℃あ たりで、Ｃｏ₂Ａｌ₉組成は、完全に溶融すると考えられている。しかしながら、 説明できない幾つかの理由により、コバルトアルミナイド粒子が無傷のまま残る と考えられる。２０００℃を越える融点の強くて安定なアルミニウム窒化物表面 の形成が行われ、粒子の一部分が溶融しても無傷の粒子が維持されるという可能 性がある。以下に指摘するように、この仮定を支持する幾つかの証拠がある。 もう一つの可能性は、ＴｉＣＮとコバルトアルミナイドとの間で反応があり、 非理論的なＴｉＡｌＣＮである物質を生成することである。コバルトアルミナイ ドは、１１７２℃で分解するδ相として、或いは約１６５０℃の融点を有するＣ ｏＡｌとして存在し残留する。生じる現象がどうあれ、過剰窒化処理は、前処理 が粉末化合物の融点を越えるべきでない従来から信じられてきたことと反する。 粉末は別々に過剰窒化されるか、または部分的混合物が過剰窒化される。例え ば、チタニウム炭窒化物とＣｏ₂Ａｌ₉との予備混合物が作られ、且つ公知の方法 で加圧するために別々に準備されたＣＢＮ粉末と混合される前に過剰窒化される 。 混合した粉末を過剰窒化したのちに、他結晶性立方晶窒化硼素成形物が、実質 的に慣用の技術によって製造される。混合粉末の層が、ニオブのような耐熱性金 属「缶」内で、超硬タングステン炭化物基材に接して形成される。その後、この 組立物が、超高圧プレス内で高温度で、立方晶窒化硼素が熱力学的に安定である 圧力で、加圧される。５〜１５分の加圧が、ＰＣＢＮに機械的支持を与える散在 するチタニウム炭窒化ダイヤモンドを有する他結晶性ＣＢＮ集合体を形成する。 コバルトアルミナイドは、ＣＢＮの再結晶及び結合に触媒反応を及ぼすととも に、ＣＢＮとＴｉＣＮの強い界面結合を促進する。最終複合材料の研究を基に、 他のコバルト及びアルミニウム源は、出発材料と等しくできる。混合物内の他の 粒子上のコバルト及び／またはアルミニウムの被膜は適切になる。 ＣＢＮ以外の他の窒素源が良好な粒内結合に対して有意義な結果を得ることが できると信じられる。これはさらにＴｉＣＮの結合を促進する。アルミニウム窒 化物は安定な窒素源である。過剰窒化されたコバルトアルミナイドは、高圧高温 圧縮中に窒素源として役立つアルミニウム窒化物を生成する。アルミニウム窒化 物粉末は、組成中に含有してもよい。また、珪素窒化物は窒素源として組成中に 含んでよく、或いはアルミニウム−珪素合金粉末に含まれる組成の過剰窒化によ って形成される。そのたの同等の窒素源が使用できる。 立方晶窒化硼素は出発材料によって特性を表すので、よく知られている。高圧 高温加圧後の複合材料は全く複雑で、完全に特性を明らかにされていない。例え ば、典型的な実施例においては、複合材料はＣＢＮ結晶物、チタニウム炭窒化物 、及びＣｏ₂Ａｌ₉から作られる。後者の物質は最終複合材料が判明されていなく 、その構成要素は少なくとも二つの別の相に見掛け上は存在する。 複合材料の顕微鏡観察と解析とが、ＰＣＢＮのような互いに結合したＣＢＮ結 晶物、及びチタニウム炭窒化物に豊富な点在ドメインを含むことが示される。Ｔ ｉＣＮドメイン自体が、分離されたある相でできている。 ＣＢＮは、測定するかぎり、見掛け上純ＢＮである。いくぶん不 規則な粒子は、典型的に約１〜５μｍの大きさ範囲にある。 また、ＴｉＣＮドメインは、ＴｉＣＮ粒子と、かつコバルトを豊富に含有する バインダーと思われるものを含んでいる。これらのドメインは、不規則な形状を しており、約１〜１０μｍの範囲の大きさを有する。コバルト含有量は種々のド メインの間で広く変化し、おそらく、初期のＴｉＣＮとＣｏ₂Ａｌ₉との粒子の不 均分布の結果による。ＴｉＣＮ中の炭素と窒素の割合は、その物に密接に関係す ると考えられる。酸素濃度は非常に低く、見掛け上は１原子％以下である。 ＴｉＣＮ豊富ドメインは、コバルト中に溶融されると考えられる少量のタング ステンを含有する。また、わずかな領域においては、タングステンが検出されコ バルトは存在しなかった。後者のタングステンはタングステン炭化物として存在 できる。タングステン炭化物は粉末混合技術の採用により２重量％未満といった 少量存在するようにさせることができる。この粉末は、ＣＢＮ結晶物、ＴｉＣＮ 粒、及びＣｏ₂Ａｌ₉粒子を混合することにより配合される。見掛け上均一な混合 物は、超硬タングステン炭化物を内張りしたボールミル中で混転することによっ て、及び超硬タングステン炭化物ボールを含ませることによって製造される。少 量のタングステン炭化物及びさらに少ないコバルトが、ボールとボールライナー により浸食するため導入される。 コバルトの豊富なバインダー相が、形状及びタングステン含有量に大きな変化 を示す。約５０ナノメーター〜５μｍの形状範囲が観察された。タングステン含 有量は変化し、、ある領域ではコバルト中に１〜５原子％のタングステンを含み 、且つ他の領域では３０原子％以下のタングステンを含む。コバルトが豊富な相 の結晶組織は不明であるが、あるものの低タングステン含有コバルトは面心立方 であり、且つ高タングステン領域はη相である。 また、アルミニウムが豊富な相は、約１〜１０μｍの大きさ範囲を有すること が判明した。これらの比較的大きな範囲は、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、及び可能性とし てＡｌＮ_xＯ_yを含有することが見られる。少なくともこれらの大きなアルミニウ ムドメインのあるものは、アルミニウムの豊富な相で囲まれたコバルトの豊富な 芯を有する。さらに、非常に小さな、例えば、約５０ナノメーター未満のアルミ ニウムの豊富な相は、またチタニウム炭窒化物ドメインに取り囲まれることが分 かった。 すなわち、ＰＣＢＮ複合材料は加圧後は複雑であり、最終複合材料よりも、出 発材料による特徴を有する。 別の望ましいＰＣＢＮ複合材料成形物は、８０ｗｔ％のＣＢＮ（六方晶窒化硼 素（ＨＢＮ）の約半分以下）、１５ｗｔ％のＴｉＣＮ、及び５ｗｔ％のＣｏ₂Ａ ｌ₉から作られる。荒切削加工用の良好なＰＣＢＮ組成は、約９３〜９４ｗｔ％ のＣＢＮ（ＨＢＮの半分以下）、約４〜５％のアルミニウム、及び約２％のコバ ルトアルミナイドを含む。約８０％のＣＢＮ、２５％のＴｉＣＮ、及び５％のコ バルトアルミナイドを含んでなる組成は、荒及び仕上げの双方の切削加工作業に 対して硬度、耐摩耗性及び衝撃強度の優れた組み合わせを有し、それによって、 双方の機械加工に使用できる単一工具が可能となった。 上述のように製造された実施例の工具は、非常に困難な機械加工作業に使用さ れ、優れた商業的に入手できる立方晶窒化硼素工具を提供する。一般的な工具は 、原材料として５７ｗｔ％の立方晶窒化硼素結晶物３５％のＴｉＣＮ、８％のＣ ｏ₂Ａｌ₉、及び初期粒子混合物を形成するためにボールミルする際に、不純物と して拾い上げる重量で約２％までのタングステン炭化物を含む。ＣＢＮ、Ｔｉ ＣＮ及びＣｏ₂Ａｌ₉の混合粒子は、上記所望のように過剰窒化された。混合粉末 が、超硬タングステン炭素基材上で多結晶性立方晶窒化硼素になって形成された 。 機械加工作業は、岩石ビットの脚の鋼ジャーナルに関する仕上げを行った切削 加工をした。このジャーナルは、岩石ビットの脚２０の端部を図２に示す。脚の 近くの、ジャーナル端部は、Ｏ−リングのようなものを受け入れるシール表面２ １である。次が環状ジャーナル支持表面２２と玉軸受け２３である。ジャーナル の端部面２４及びスピンドル２５は、硬質表面材料２６を備え、ジャーナルの鍛 造された鋼の硬度よりさらに大きな硬度を有する。 機械加工作業は、周囲部分に沿って存在するジャーナル支持表面が硬質表面材 料の差し込みパッド２７を有するので、特に困難となり、且つ潤滑財通路２９に 接する環状表面の対抗側上に中断点２８がある。ＣＢＮ切削工具は、硬質表面物 質及び鋼を切削するだけでなく、ジャーナルが回転するように中断点と硬質表面 パッドとに出合うことに基づく、衝撃型の負荷を受けなければならない。 先行技術の切削工具は、工具が役立たなくなるまでに、工具当たりこのような 岩石ビットジャーナルを平均約１２個機械加工する。ＰＣＢＮとＴｉＣＮの上記 所望のように製造された切削工具は、工具当たりこのような岩石ビットジャーナ ルを平均約２２個機械加工する。 上記のような複合ＰＣＢＮ成形物を製造する技術は、粉末混合物から出発する 。代わりのものは、ＣＢＮ結晶物を混合する以前に、コバルト及び／またはアル ミニウムまたはコバルトアルミナイドの薄い層で、チタニウム端窒化物、チタニ ウム炭化物、チタニウム窒化物またはチタニウムアルミニウム炭窒化物粒子を被 膜する。コバルトアルミナイド、コバルトまたはアルミニウムが、プラズマ蒸着 、または金属化学的蒸着によりこれらの粒子に蒸着することができる。適切なＰ ＤＶまたはＭＯＣＶＤ法は良く知られている。また、チタニウム炭窒化物または チタニウムアルミニウム炭窒化物をＣＢＮ結晶物に蒸着してもよい。このような 被膜粒子は、ＰＣＢＮ成形物において優れた粒内結合を促進する。また、被覆さ れた粒子は、混合前後に過剰窒化をすることができる。 上記組成において、窒化硼素出発材料は、立方晶窒化硼素を有する。ＣＢＮの 一部が六方晶窒化硼素（ＨＢＮ）またはウルツ鉱型窒化硼素により置き換えるこ とができることが認識される。これらの物質は、ＣＢＮが熱力学的に適切である 高温高圧でＣＢＮに変態する。 ここに記載した試験に用いたチタニウム炭窒化物は、炭素と窒素を１程度の比 率で含み、すなわち、その式はＴｉＣ_0.5Ｎ_0.5のように記載することができる。 支持相としてチタニウム炭化物及びチタニウム窒化物を有するものは、チタニウ ム炭窒化物を有するものより複合材料中で低い硬度となり且つ硬度が一定でない ことが認められることが判明した。すなわち、炭素と窒素の双方は、強度、耐薬 品性、粒内結合及び有益な工具材料に備わるその他の特性を促進することを相当 もたらせることが判明した。すなわち、この組成中の炭素と窒素の割合、Ｃ：Ｎ は、好ましくは４：１から１：４の範囲にある。この化合物の式は、ＴｉＣ_0.8 Ｎ_0.2からＴｉＣ_0.2Ｎ_0.8の範囲である。炭素と窒素の比が同様の範囲は、チタ ニウムアルミニウム炭窒化物のために好ましい。 本発明の多くの別の改良及び変形が当業者によって認められる。したがって、 例えば、コバルトアルミナイドが複合ＰＣＢＮを製造するに使用されるが、ニッ ケルアルミナイドが別の適用においては等価である。ＰＶＤ及びＭＯＣＶＤが粒 子を被覆する技術として記 載したが、他の被覆技術によって置き換えられる。本発明の実施においてはチタ ニウム端窒化物を使用することが好ましいが、チタニウム炭化物及び／またはチ タニウム窒化物の過剰窒化が、それらに適切に、過剰窒化されたチタニウム炭窒 化物の一部または全体を置き換える。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケシャバン，マダプシ ケー. アメリカ合衆国，ユタ 84092，サンディ, ハイ リッジ レーン 2218 (72)発明者 ライ，ガンシャム アメリカ合衆国，ユタ 84092，サンディ, サウス ロック ビュー サークル 10052

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．多結晶集合体として互いに結合した立方晶窒化硼素結晶物の主組成、及び 多結晶性立方晶窒化硼素と混合し、且つ チタニウム炭化物、チタニウム窒化物、チタニウム炭窒化物及びチタニウムア ルミニウム炭窒化物からなる群から選択された耐熱物質の芯、及び チタニウム炭化物、チタニウム窒化物、チタニウム炭窒化物またはタニウムア ルミニウム炭窒化物の粉末の前記芯より高濃度の窒素を含む表面層、 を有する粉末の形状に初期物質から形成される支持相の副組成を有する多結晶 性立方晶窒化硼素切削工具。 ２．支持相と組合せたＣｏ₂Ａｌ₉の副組成をさらに含有する請求項１記載の多 結晶性立方晶窒化硼素切削工具。 ３．立方晶窒化硼素が、重量で５０〜８５％の範囲に存在し、 チタニウム炭化物、チタニウム窒化物、チタニウム炭窒化物またはチタニウム アルミニウム炭窒化物が、重量で１５〜４０％の範囲に存在す、且つ Ｃｏ₂Ａｌ₉が、重量で４〜１０％の範囲に存在する請求項１記載の多結晶性立 方晶窒化硼素切削工具。 ４．チタニウムの一部が、珪素、タンタル、コバルト、クロム及びタングステ ンからなる群から選択された元素によって置き換えられる請求項４記載の多結晶 性立方晶窒化硼素切削工具。 ５．多結晶集合体として互いに結合した重量で５０〜８５％の範囲の立方晶窒 化硼素を含有する物体でなる多結晶性立方晶窒化硼素切削工具であって、 前記多結晶性立方晶窒化硼素で取り囲まれ、且つ、 チタニウム炭窒化物及びチタニウムアルミニウム炭窒化物からなる群から選択 された１５〜４０ｗｔ％の物質、及び支持相に組み込まれた４〜１０ｗｔ％のＣ ｏ₂Ａｌ₉で形成される、 ことを特徴とする多結晶性立方晶窒化硼素切削工具。 ６．支持相が、チタニウム炭窒化物またはチタニウムアルミニウム炭窒化物の 粒子の前記芯より、高い窒素濃度の表面層を有するチタニウム炭窒化物またはチ タニウムアルミニウム炭窒化物の粒子の少なくとも一部から形成される請求項５ 記載の多結晶性立方晶窒化硼素切削工具。 ７．前記チタニウム炭窒化物が重量で３０〜４０％の範囲に存在し、且つ前記 立方晶窒化硼素が重量で５０〜６５％の範囲に存在する請求項５記載の多結晶性 立方晶窒化硼素切削工具。 ８．前記チタニウムの一部が、珪素、タンタル、コバルト、クロム及びタング ステンからなる群から選択された元素によって置き換えられる請求項５記載の多 結晶性立方晶窒化硼素切削工具。 ９．前記炭窒化物またはチタニウムアルミニウム炭窒化物中の炭素と窒素の比 率が、４：１から１：４の範囲にある請求項５記載の多結晶性立方晶窒化硼素切 削工具。 １０．多結晶性立方晶窒化硼素切削工具を製造数方法であって、 立方晶窒化硼素結晶体、及び チタニウム炭化物、チタニウム窒化物、チタニウム炭窒化物及びチタニウムア ルミニウム炭窒化物、コバルト源及びアルミニウム源からなる群から選択された 耐熱物質、 の混合物を形成する工程、 前記混合物の要素の少なくとも一部をアンモニウムと少なくとも１１００℃の 温度で処理する工程、及び 前記混合物を、立方晶窒化硼素が熱力学的に安定である高温高圧に十分な時間 晒さして、チタニウム炭化物、チタニウム窒化物、チタニウム炭窒化物またはチ タニウムアルミニウム炭窒化物から形成される支持相を含む立方晶窒化硼素の物 体を形成する工程、 を備える多結晶性立方晶窒化硼素切削工具を製造方法。 １１．前記コバルト源及びアルミニウム源がＣｏ₂Ａｌ₉を含有する請求項１０ 記載の方法。 １２．チタニウム炭化物、チタニウム窒化物、チタニウム炭窒化物またはチタ ニウムアルミニウム炭窒化物の粉末及びコバルトアルミナイド粉末を混合する工 程、 チタニウム炭化物、チタニウム窒化物、チタニウム炭窒化物またはチタニウム アルミニウム炭窒化物及びコバルトアルミナイドの混合物を、立方晶窒化硼素結 晶体と混合する以前に、アンモニア中で少なくとも１１００℃の温度で処理する 工程、 を備える請求項１０記載の製造方法。 １３．前記混合物の全部が少なくとも１１００℃の温度でアンモニア中で処理 される請求項１０記載の方法。 １４．多結晶性立方晶窒化硼素切削工具を製造方法であって、 立方晶窒化硼素結晶体、チタニウム炭化物粉末、チタニウム炭窒化物粉末、チ タニウムアルミニウム炭窒化物粉末及びチタニウム窒化物粉末からなる群から選 択された耐熱粒子を、コバルト、アルミニウム、コバルトアルミナイド及びそれ らの組合せ物からなる群から選択された物質の層で被覆する工程、 チタニウム炭化物粉末、チタニウム炭窒化物粉末、チタニウムアルミニウム炭 窒化物粉末及びチタニウム窒化物粉末からなる群から選択された粉末及び立方晶 窒化硼素結晶体及び粉末の混合物を形成するために、前記被覆した粒子を混合す る工程、及び 耐熱物質及びコバルトアルミナイドからなる支持相を有する立方晶窒化硼素の 多結晶性の物体を形成するために、立方晶窒化硼素が熱力学的に安定である高温 高圧の条件で十分な時間、前記混合物を晒す工程、 を備える多結晶性立方晶窒化硼素切削工具を製造方法。 １５．前記被膜された粒子の少なくとも一部を、アンモニアと１１５０〜１２ ５０℃の温度で処理する工程をさらに備える請求項１４記載の方法。 １６．前記混合物の全部が、アンモニアと少なくとも１１００℃の温度で処理 する工程を備える請求項１４記載の製造方法。 １７．前記混合物中にＣｏ₂Ａｌ₉を混合する工程を備える請求項１４記載の方 法。