JP5574566B2 - 立方晶系窒化硼素成形体 - Google Patents

Description

本発明は、立方晶系窒化硼素研磨材成形体を製造するのに用いられる組成物、特に摩耗抵抗が増大し、欠損抵抗(chip resistance)が増大した成形体(compact)に関する。

窒化硼素は、典型的には三種類の結晶形態、即ち、立方晶系(cubic)窒化硼素（ＣＢＮ）、六方晶系窒化硼素（ｈＢＮ）、及びウルツ鉱型立方晶系窒化硼素（ｗＢＮ）で存在する。立方晶系窒化硼素はダイヤモンドの構造に類似した構造を有する窒化硼素の固い閃亜鉛鉱型をしている。ＣＢＮ構造では、原子間に形成された結合が強く、即ち、共有四面体結合である。ＣＢＮの製造方法は当分野でよく知られている。そのような方法の一つは、ｈＢＮをアルカリ金属、アルカリ土類金属、鉛、錫、及びそれらの金属の窒化物を含めた特定の触媒添加剤物質を存在させて非常に高い圧力及び温度にかけることである。温度及び圧力が低下した後、ＣＢＮを回収することができる。

ＣＢＮは、機械加工用具等で広い商業的用途を有する。それは砥石車、切削工具等の研磨材粒子として用いることもでき、或いは慣用的電気メッキ法を用いて工具挿入体を形成するため、工具本体に結合させることもできる。

ＣＢＮは、ＣＢＮ成形体のような結合した形態で用いることもできる。ＣＢＮ成形体は良好な研磨材耐久性を有する傾向があり、熱安定性を持ち、大きな熱伝導度、良好な衝撃抵抗、及び鉄含有金属と接触している時に小さい摩擦係数を有する。

ダイヤモンドは、ＣＢＮよりも固いことが知られている唯一の物質である。しかし、ダイヤモンドは鉄のような或る材料と反応する傾向があるため、鉄含有金属と一緒に作業する場合には用いることができず、従って、そのような場合にはＣＢＮを使用することが好ましい。

ＣＢＮ成形体は、ＣＢＮ粒子の焼結物体を含む。ＣＢＮ含有量が成形体の８０体積％を越えると、かなりの量のＣＢＮ対ＣＢＮ(CBN-to-CBN)接触及び結合が存在する。ＣＢＮ含有量が低くなると、例えば、成形体の４０〜６０体積％の領域になると、直接ＣＢＮ対ＣＢＮ接触及び結合の度合いは低くなる。ＣＢＮ成形体は、一般に結合相、例えば、アルミニウム、珪素、コバルト、ニッケル、及びチタンも含有するであろう。

成形体のＣＢＮ含有量が７０体積％より低くなると、一般に別の硬質相、第二相が存在し、それはセラミックの性質を持つことがある。適当なセラミック硬質相の例は、第４、５、又は６族遷移金属（新しいＩＵＰＡＣ図表による）の炭化物、窒化物、硼化物、及び炭窒化物、酸化アルミニウム、及び炭化タングステンのような炭化物、及びそれらの混合物である。マトリックスは、ＣＢＮを除いた組成物中の全ての成分を構成する。

ＣＢＮ成形体は、工具挿入体又は工具を形成するのに工具本体に直接結合してもよい。しかし、多くの用途では、成形体を基体／支持体材料に結合し、支持された成形構造体を形成し、次にその支持された成形構造体を工具本体に結合するのが好ましい。基体／支持体材料は、典型的には、コバルト、ニッケル、鉄、又はそれらの混合物又は合金のような結合剤で一緒に結合された焼結金属炭化物である。金属炭化物粒子は、タングステン、チタン、又はタンタルの炭化物粒子又はそれらの混合物を含むことがある。

ＣＢＮ成形体及び支持された成形構造体を製造するための既知の方法は、ＣＢＮ粒子の未焼結物体を高温及び高圧条件に、即ち、ＣＢＮが結晶学的に安定である条件に適当な時間を付すことが含まれる。粒子の結合を促進するため、結合剤相を用いてもよい。用いられる高い温度及び圧力（ＨＴＨＰ）の典型的な条件は、１１００℃以上の範囲の温度及び２ＧＰａ以上の程度の圧力である。それらの条件を維持する時間は、典型的には約３〜１２０分である。

焼結したＣＢＮ成形体は、基体があってもなくても、使用される特定の切削又は穿孔工具の希望の大きさ及び／又は形に屡々切断され、次にろう付け技術を用いて工具本体に取付ける。

ＣＢＮ成形体は、肌焼き鋼、ボールベアリング鋼、及び工学的全焼き入れ鋼のような焼き入れ鋼の最終的加工のための切削工具を製造するのに広く用いられている。切削速度、供給及び切削深さ、のような使用条件の外に、ＣＢＮ工具の性能は、加工片の幾何学的形態、特に「連続的切削」のような分野で知られている長時間加工片と工具が一定にかみ合っているか否か、或いは工具が、一般に「間欠的切削」のような分野で知られている間欠的方法で加工片とかみ合っているか否かに依存することが一般に知られている。

加工片の幾何学的形態に依存して、ＣＢＮ工具は、一つの処理サイクル内で連続的及び間欠的の両方の切削を受けるのが普通であり、更に、連続的切削対間欠的切削の比率は、その現場によって広く変化する。この分野での広範な研究により、これらの異なった切削方式が、工具の切削刃を含むＣＢＮ材料に非常に異なった要求を課すことになることが発見されている。主な問題は、工具が破損又は欠損することにより破滅して駄目になる傾向があり、切削速度を増大して一層生産性を大きくすることが市場で益々要求されてきていることにより工具が悪化し、従って、工具の寿命が短くなっていることである。

ＵＳ６，３１６，０９４には、一つの平均粒径のＣＢＮ粒子が結合相により結合されているＣＢＮ焼結物体が記載されている。粉末組成物を焼結して焼結本体を生成させる。この粉末組成物は、超音波混合及び摩擦粉砕(attrition milling)のような種々の混合法を用いて形成する。摩擦粉砕は最も能力の低い混合物法であることが示されている。

ＵＳ４，３３４，９２８には、ＣＢＮ粒子及び種々のチタン含有化合物を含む窒化硼素焼結成形体が開示されている。チタン含有化合物は、典型的には、予め反応し、焼結成形体に形成し、それを次に粉砕する。ＣＢＮ成形体は、更に、一つの平均粒径を有するＣＢＮを含む。ＣＢＮ成形体を製造するのに、焼結処理で比較的低い温度が用いられている。

本発明の第一の態様により、ＣＢＮ成形体を製造するのに用いられる組成物が与えられるが、それは、
約４５〜約７５体積％、典型的には、４５〜７０体積％のＣＢＮで、二つ以上の平均粒径の粒子から構成されたＣＢＮであり、
第４、５、又は６族遷移金属の窒化物、炭窒化物、又は炭化物、又はそれらの固溶体又は混合物を含む化合物を含む第二硬質相であり、
結合剤相を含み、然も、典型的には、前記結合剤相は、前記第二硬質相の約５〜３０重量％の量で存在する、組成物である。

組成物中に存在するＣＢＮの体積は、５０〜６５％であるのが好ましい。ＣＢＮの平均粒径は、通常１０μｍより小さく、好ましくは５μｍより小さい。

ＣＢＮは双峰型であるのが好ましく、即ち、それは二つの平均粒径を有する粒子からなる。細かい方の粒子の平均粒径範囲は、通常約０．１〜約２μｍであり、粗い方の粒子の平均粒径範囲は通常約０．３〜約５μｍである。粗いＣＢＮ粒子対細かい粒子の含有量の比は、典型的には、５０：５０〜９０：１０である。

本発明の組成物は、ＣＢＮ、第二硬質相、及び結合剤相を含み、酸化物相を含めた他の付随的不純物を少量含んでいてもよい。粒子成長開始剤として働く炭化タングステンが、特にその組成物を炭化タングステン・ボールで粉砕した場合に存在することがある。炭化タングステンが存在する場合、それは３体積％を超えないのが典型的である。

窒化物、炭窒化物、又は炭化物の金属は、第４、５、又は６族遷移金属、好ましくはチタンである。

結合剤相は、アルミニウム、場合により珪素、鉄、ニッケル、コバルト、チタン、タングステン、ニオブ、及びモリブデンから選択された他の元素の一種類以上からなっているのが好ましく、それらはアルミニウムと合金化されていてもよく、化合又は固溶体に形成されていてもよい。しかしながら、他の結合剤相を用いてもよい。

第二硬質相は、準化学量論的(substoichiometric)になっていてもよい。その場合、それは、例えば、アルミニウムのような結合剤相と予め反応させてもよい。それは化学量論的第二硬質相と遷移金属アルミニウム化物との反応生成物及び及び未反応結合剤相をもたらすであろう。

上述の組成物は、摩擦粉砕、特に第二硬質相粒子及び結合剤相を破壊するための第一粉砕段階と、それに続くＣＢＮ及び他のマトリックス材料の均質な混合を行うための第二摩擦粉砕段階の二段階摩擦粉砕のような最適粉末処理を含む方法により製造されるのが好ましい。その後、組成物は、その組成物中の汚染物を最少にするため熱処理にかけてもよい。

本発明の第二態様に従い、ＣＢＮ成形体を製造する方法は、上に記載したような組成物を、ＣＢＮ成形体を生成させるのに適した上昇させた温度及び圧力条件にかけることを含む。そのような条件は、ＣＢＮが結晶学的に安定である条件であり、当分野で知られている。

上昇させた温度及び圧力条件を適用する前に、組成物を基体の表面上に配置してもよい。基体は一般に焼結金属炭化物基体である。

本発明の別の態様によれば、ＣＢＮ及びマトリックス相を含むＣＢＮ成形体が与えられ、この場合、ＣＢＮ粒径頻度体積分布(grain size volume frequency distribution)は、１μｍ以上のｄ９０−ｄ１０として表された分布散布度(distribution spread)を有し、ｄ９０最大値が５μｍ以下、好ましくは３．５μｍ以下、一層好ましくは２．５μｍ以下である。

マトリックス相は、上に記載したような第二硬質相及び結合剤相を、その第二硬質相、結合剤相、及びＣＢＮの反応生成物と一緒に含有するのが好ましいであろう。

結合剤相は、マトリックス中の第二硬質相の約５〜３０重量％の量で存在するのが典型的である。

本発明は、ＣＢＮ研磨材成形体を製造することに関する。ＣＢＮ成形体を製造するのに用いられる組成物又は出発材料は、二つ以上の平均粒径を有する粒子からなるＣＢＮ、窒化物、炭窒化物、又は炭化物、又はそれらの混合物又は固溶体を含めた第４、５、又は６族化合物を含む第二硬質相、及び結合剤相を含む。第二硬質相は、窒化物、炭窒化物、又は炭化物、又はそれらの混合物又は固溶体を含めた第４、５、又は６族化合物からなるのが典型的であろう。組成物は、酸化アルミニウム又は炭化タングステンのような他の微量成分、及びＮｂ、Ｔａ、又はＭｏのような他の付随的不純物を含んでいることがある。粒子成長開始剤として働く炭化タングステンは、特に組成物を炭化タングステン・ボールで粉砕した時に存在するであろう。炭化タングステンが存在する場合、それは３体積％を超えないのが典型的である。

ＣＢＮは、多峰型粒子、即ち、平均粒径が互いに異なる少なくとも二種類のＣＢＮ粒子を含むであろう。「平均粒径」とは、粒子の大部分がその特定化した粒径に近いことを意味するが、その特定化した粒径からずれた粒子も少量存在するであろう。粒子分布のピークが、特定化された粒径を有するであろう。従って、例えば、平均粒径が２μｍである場合、定義により２μｍより大きな粒子がいくらか存在するであろうが、大部分の粒子がほぼ２μｍであり、粒子の分布のピークは２μｍ近辺に存在するであろう。

多峰型、好ましくは双峰型のＣＢＮを組成物で用いることにより、予め焼結した組成物中に存在する必須の粒径の欠陥が起きる可能性を減少するように、マトリックスを微細に粉砕することが確実にできる。これは、組成物から製造された成形体の靭性及び強度の両方にとって有利である。小さな粒径、典型的には０．５μｍのマトリックス材料を得ることは、前処理中の機械的手段により、特に第二硬質相、アルミニウム、他の結合剤金属及び付随的不純物を摩擦粉砕することにより達成される。

粉砕及び分散の手段として一般的粉砕は当分野でよく知られている。セラミック粉末の粉砕で用いられている一般的粉砕技術には、慣用的ボールミル及び回転ボールミル、プラネタリボールミル、及び摩擦ボールミル、及び振動又は撹拌ボールミルが含まれる。

慣用的ボールミリング(ballmilling)では、エネルギー入力は、粉砕媒体の大きさ及び密度、粉砕ポットの直径、及び回転速度によって決定される。その方法ではボールが転がることが必要なので、回転速度、従ってエネルギーは限られている。慣用的ボールミリングは、粒子強度が小さいものから中程度のものまでの粉末の粉砕に良く適している。粉末を約１μｍ以上の最終的粒径まで粉砕しなければならない場合には、慣用的ボールミリングを用いるのが典型的である。

プラネタリボールミルでは、粉砕ポットのプラネタリ運動により、重力加速度の２０倍までの加速が可能であり、緻密な媒体を用いた場合、慣用的ボールミリングに比較して実質的に一層大きなエネルギーを粉砕で与えることができる。この技術は、中程度の強度の粒子を約１μｍの最終的粒径まで粉砕するのに良く適している。

摩擦ミル(attritionmill)は、垂直か又は水平の形態で高速度で回転する撹拌器を具えた閉じた粉砕室からなる。用いられる粉砕媒体は０．２〜１５ｍｍの粒径範囲にあるのが典型的であり、粉砕が主な目的である場合、粉砕媒体は高密度を有する焼結炭化物であるのが典型的である。小さな直径の高密度媒体と組合せた撹拌器の大きな回転速度により、極めて大きなエネルギーが与えられる。更に、摩擦粉砕での大きなエネルギーは、スラリーに大きな剪断を与える結果になり、それは非常に成功した粉末の同時分散又は混合を与える。摩擦粉砕は他の言及した方法よりも一層微細な粒子及び一層よい均一性を達成する。

微細な第二硬質相及び結合剤相粒子は、大きな比表面積を有し、従って、大きな反応性を有し、ＣＢＮと第二硬質相粒子との間の非常に良好な焼結をもたらす。同様に、第二硬質相粒子の小さな粒径は、それらに大きな比表面積を与え、従って、同様に第二硬質相粒子間に良好な結合を与える。この大きな比表面積効果は、必要な靭性を犠牲にすることなく、最終的構造体に大きな強度を与える。

典型的な双峰型分布を持つ非常に微細なＣＢＮ粒子は、明らかに、上に記載したような上昇させた温度及び圧力条件で焼結中に粒子界面を固定する(pinning)ことによりマトリックス材料の粒子成長を阻止する利点を更に与える。

予め焼結した組成物で必要な粒径を達成するために、真空炉中で数時間熱処理すると共に摩擦粉砕、特に二段階摩擦粉砕を用いることにより、予め焼結した成形体中の汚染物を実質的に減少させる。

ＣＢＮ成形体を製造するのに必要な上昇させた温度及び圧力の典型的な条件は当分野でよく知られている。これらの条件は、約２〜約６ＧＰａの範囲の圧力及び約１１００℃〜約２０００℃の範囲の温度である。本発明で好ましいことが判明している条件は、約４〜約６ＧＰａ及び約１２００〜約１６００℃の範囲に入る。

多峰型ＣＢＮを使用すると、優れた靭性及び大きな強度を有するＣＢＮ成形体を生ずることが判明している。この成形体は、本発明の別の態様を形成し、ｄ９０−ｄ１０として表された分布散布度が１μｍ以上で、ｄ９０最大値が５μｍ以下、好ましくは３．５μｍ以下、一層好ましくは２．５μｍ以下であるＣＢＮ粒径頻度体積分布を有する。

ＣＢＮ成形体は、第４、５、又は６族遷移金属の窒化物、炭窒化物、又は炭化物、又はそれらの固溶体又は混合物、例えば、炭窒化チタンを含む化合物を含む第二硬質相を含むことがあるマトリックス相を有する。マトリックスは、更に、アルミニウム、及び場合により珪素、鉄、ニッケル、コバルト、チタン、タングステン、ニオブ、及びモリブデンから選択された一種類以上の他の元素からなる結合剤相で、それはアルミニウムと合金化されていてもよく、或は化合又は固溶体に形成されている結合剤相を含んでいてもよい。結合剤相は、マトリックス中の第二硬質相の約５〜３０重量％の量で存在するのが典型的である。成形体の製造中、種々の成分、即ち、ＣＢＮ、第二硬質相、及び結合剤相の間に幾らかの反応が起きているであろう。マトリックスは、これらの反応生成物の幾らかも含んでいるであろう。

ｄ１０は、測定した粒子の１０％（体積）が入る粒径を表す。同様に、ｄ９０は、測定した粒子の９０％（体積）が入る粒径を表す。従って、分散度は、分析した粒径の８０体積％が入る粒径範囲、即ち、ｄ９０値とｄ１０値の差（即ち、ｄ９０−ｄ１０）として定義される。ｄ１０値よりも細かく、ｄ９０値よりも粗いＣＢＮ粒子は、分布にとって非典型的なもの、即ち、逸脱粒子になるであろう。従って、与えられたＣＢＮ成形体のためには、分布散布度は、ｄ１０値とｄ９０値の間に入る粒径範囲として選択される。

ｄ１０、ｄ９０、及びｄ９０−ｄ１０値を得るためには、試料片をワイヤーＥＤＭを用いて切断し、研磨する。ＣＢＮ成形体の研磨表面を走査電子顕微鏡を用いて分析する。平均推定ＣＢＮ粒径により、適当な倍率、３０００、５０００、及び７０００倍の倍率で後方散乱電子像を選択する。もし平均粒径が１μｍより小さいならば、７０００倍の倍率を用いる。もし平均粒径が１μｍより大きく、２μｍより小さいならば、５０００倍の倍率を用いる。もし平均粒径が２μｍより大きく、３μｍより小さいならば、３０００倍の倍率を用いる。試料を統計的に表すためには、少なくとも３０の像（イメージ）を分析のために用いる。

収集したグレー・スケール像を段階毎に分析する。先ずグレー・スケール像を電気的に処理して微細構造中のＣＢＮ粒子を同定する。次に、同定したＣＢＮ粒子を、更に分離し、最後に個々の粒子面積を測定し、等価の円直径（ＥＣＤ）に変換する。典型的には１０，０００のＣＢＮ粒径測定を、与えられた材料について行う。

等価円直径測定データーを、更に等価球体積に変換する。次に０．１μｍの粒径から初めて、累積体積％分布曲線を、慣用的な統計的データー処理を用いて得る。ｙ軸上で１０体積％と９０体積％の直線を引き、累積体積％分布曲線のｘ軸からの対応する粒径を読むことにより、ｄ１０値及びｄ９０値についての対応する粒径を得る。

本発明の組成物から上に記載したように製造された成形体は、肌焼き鋼及びボールベアリング鋼のような焼き入れ鋼の連続的機械加工、僅かに中断される機械加工、及び中程度から重度に中断される機械加工で特に用途を有する。

次に本発明を次の実施例を参照して例としてのみ記述するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

実施例１
平均粒径１．４μの準化学量論的炭窒化チタン粉末、Ｔｉ（Ｃ_０．３Ｎ_０．７）_０．８を、平均粒径５μｍのＡｌ粉末とタンブラー混合機を用いて混合した。Ｔｉ（Ｃ_０．３Ｎ_０．７）_０．８とＡｌとの質量比は、９０：１０であった。その粉末混合物をチタンカップ中にプレスし、圧粉体を形成し、真空中で１０２５℃へ３０分間加熱し、次に破砕し、粉砕した。その粉末混合物を次に４時間摩擦粉砕した。平均粒径が０．７μｍの約３０重量％のＣＢＮ及び平均粒径が２μｍの残余のＣＢＮを含むＣＢＮ粉末混合物を、６０全体積％のＣＢＮが得られるような或る量でスラリーに添加した。ＣＢＮ含有スラリーを、摩擦粉砕を用いて１時間粉砕混合した。スラリーを真空中で乾燥し、圧粉体へ成形し、５５キロバール（５．５ＧＰａ）で約１３００℃で焼結し、ＣＢＮ成形体を形成した。

比較例１
材料１Ａ：
平均粒径１．４μｍの準化学量論的炭窒化チタン粉末、Ｔｉ（Ｃ_０．３Ｎ_０．７）_０．８を、平均粒径５μｍのＡｌ粉末とタンブラー混合機を用いて混合した。Ｔｉ（Ｃ_０．３Ｎ_０．７）_０．８とＡｌとの質量比は、９０：１０であった。その粉末混合物をチタンカップ中にプレスし、圧粉体を形成し、真空中で１０２５℃へ３０分間加熱し、次に破砕し、粉砕した。その粉末混合物を次に４時間摩擦粉砕し、平均粒径が０．７μｍのＣＢＮを添加し、ヘキサン中で１時間摩擦粉砕した。混合物中の計算したＣＢＮの全体積％が約６０体積％になるような仕方でその量のＣＢＮを添加した。スラリーを真空中で乾燥し、圧粉体へ成形し、５５キロバール（５．５ＧＰａ）で約１３００℃で焼結し、ＣＢＮ成形体を形成した。

この成形体及び実施例１で製造した成形体（今後材料１Ｂと呼ぶ）を分析し、機械加工試験で比較した。

各材料からの試料片をワイヤーＥＤＭを用いて切断し、研磨した。ＣＢＮ成形体の研磨表面を走査電子顕微鏡を用いて分析した。５０００及び７０００倍の倍率での後方散乱電子像を材料１Ｂ及び材料１Ａについてそれぞれ取り、少なくとも３０の像を、前に記載したように画像分析を用いて分析した。それらの結果を表１に要約する。材料１Ｂは、材料１Ａよりもかなり広いＣＢＮ粒径範囲（１．３８８μｍの分布分散度を有する）を持っていた。

焼結した成形体は、両方共ワイヤーＥＤＭを用いて切断し、研磨して切削用挿入体を形成した。６０ＨＲＣのＳＡＥ８６２０肌焼き鋼を、１５０ｍ／分の切削速度、０．１ｍｍ／回転の供給速度、及び０．２ｍｍの切削深さを用いて連続的に機械加工した。

刃が破損するか又は刃が欠損することにより切削刃が駄目になるまで切削試験を継続し、全切削距離を切削工具性能を示すものとして測定した。試験した工具の中で過度の側面(flank)摩耗の結果として駄目になったものは一つもなかった。

材料１Ａ及び材料１Ｂの切削性能を、上に記載したように１５０ｍｍ／分の切削速度で機械加工試験を用いて評価した。材料１Ａの性能は切削距離として平均４８７２ｍであったのに対し、材料１Ｂは驚異的に平均６６１５ｍの切削距離を示していた。材料１Ｂで達成された改良は、材料１Ａに対し約３６％に相当する。従って、材料１Ｂは、切削工具の欠損又は破損抵抗を改良することにより焼き入れ鋼の連続的切削において著しく工具寿命が改良されていた。

ＩＳＯ標準幾何学的形態、ＳＮＭＮ０９０３０８ Ｓ０２２０に従って材料１Ａ及び材料１Ｂから製造した切削工具挿入体を用いて第二の機械加工試験を行なった。ＳＡＥ１００Ｃｒ６のボールベアリング鋼として、外径４０ｍｍ、内径１８．３ｍｍの管の形の加工片を選択した。加工片の試験部分は長さが５０ｍｍであった。その管の一つの面に径方向の線と平行に二つの四角の溝（断面が１０ｍｍ×１５ｍｍ）を切削した。

機械加工試験は、１５０ｍ／分の切削速度、０．２ｍｍの切削深さ、及び０．１ｍｍの供給速度で行なった。加工片の重度の中断切削(heavy interrupted cutting)は、管状材料の断面に向かって行われた。外径から内径への管状断面の機械加工を「通過(pass)」と定義し、工具性能を、切削の重度の中断性により工具の刃が破損するまでの通過数を数えることにより測定した。切削力は、工具の刃の破損を判定するために監視された。

材料１Ａの平均した性能は７６通過であったのに対し、材料１Ｂは約２５％多い通過数を成し遂げ、平均工具寿命は１０１通過であった。

実施例２
平均粒径１．４μｍの準化学量論的炭窒化チタン粉末、Ｔｉ（Ｃ_０．５Ｎ_０．５）_０．８を、平均粒径５μｍのＡｌ粉末とタンブラー混合機を用いて混合した。Ｔｉ（Ｃ_０．５Ｎ_０．５）_０．８とＡｌとの質量比は、９０：１０であった。その粉末混合物をチタンカップ中にプレスし、圧粉体を形成し、真空中で１０２５℃へ３０分間加熱し、次に破砕し、粉砕した。その粉末混合物を次に４時間摩擦粉砕した。

平均粒径が０．７μｍの約３０重量％のＣＢＮ及び平均粒径が１．４μｍの残余のＣＢＮを含むＣＢＮ粉末混合物を、５５全体積％のＣＢＮが得られるようにスラリー中に添加した。ＣＢＮ含有スラリーを、摩擦粉砕を用いて１時間粉砕混合した。スラリーを真空中で乾燥し、圧粉体へ成形し、５５キロバール（５．５ＧＰａ）で約１３００℃で焼結し、ＣＢＮ成形体を形成した。

比較例２
材料２Ａ：
平均粒径１．４μｍの準化学量論的炭窒化チタン粉末、Ｔｉ（Ｃ_０．５Ｎ_０．５）_０．８を、平均粒径５μｍのＡｌ粉末とタンブラー混合機を用いて混合した。Ｔｉ（Ｃ_０．５Ｎ_０．５）_０．８とＡｌとの質量比は、９０：１０であった。その粉末混合物をチタンカップ中にプレスし、圧粉体を形成し、真空中で１０２５℃へ３０分間加熱し、次に破砕し、粉砕した。その粉末混合物を次に４時間摩擦粉砕し、平均粒径が０．７μのＣＢＮを添加し、ヘキサン中で１時間摩擦粉砕した。混合物中のＣＢＮの全体積％が約５５％になるような仕方でその量のＣＢＮを添加した。スラリーを真空中で乾燥し、圧粉体へ成形し、５５キロバール（５．５ＧＰａ）で約１３００℃で焼結し、ＣＢＮ成形体を形成した。

この成形体及び例２で製造した成形体（今後材料２Ｂと呼ぶ）を分析し、機械加工試験で比較した。

各材料からの試料片を、比較例１に記載したように画像分析により分析した。それらの結果を表２に要約する。材料２Ｂは、材料２Ａよりもかなり広いＣＢＮ粒径範囲（１．２５４μｍの分布分散度を有する）を持っていた。

焼結した成形体は、両方共ワイヤーＥＤＭを用いて切断し、研磨して、ＳＮＭＮ０９０３０８として標準ＩＳＯ挿入体幾何学的形態を有する切削挿入体で、２００μの面取り幅及び角度２０°及び１５〜２０μｍのヘッジホーン(hedge hone)を有するものを形成した。

５２ＨＲＣのＳＡＥ４３４０焼き入れ鋼を、１５０ｍ／分の切削速度、０．１５ｍｍ／回転の供給速度、及び０．２ｍｍの切削深さを用いて機械加工した。加工片材料は、外径１１０ｍｍ、内径５５ｍｍの円筒状をしていた。それは、外径と内径との間の等しい距離で１０ｍｍの直径を有する六つの孔を、等間隔で持っていた。機械加工操作は、加工片の直径に亙り切削速度を一定に保持する面回転操作であった。機械加工操作は連続的切削と中断切削とを交互に行い、切削工具の刃が加工片材料の孔及び連続的部分を通過するものであった。

刃が破損するか又は刃が欠損することにより切削刃が駄目になるまで切削試験を継続し、回転切削(facing cut)数（一つの回転切削は、加工片の外径から内径への全切削距離に等しい）を切削工具性能を示すものとして数えた。試験した工具の中で過度の側面摩耗の結果、駄目になったものは一つもなかった。

材料２Ａ及び材料２Ｂの切削性能を、上に記載したように１５０ｍｍ／分の切削速度で機械加工試験を用いて評価した。材料２Ａの性能は回転切削１９であったのに対し、材料２Ｂは平均２８の回転切削の間継続し、驚異的であった。材料２Ｂで達成された改良は、材料２Ａに対し約５０％の工具性能の改良に相当する。双峰型ＣＢＮ粒径を有する材料２Ｂは、切削工具の欠損又は破損抵抗を改良することにより厳しい中断切削及び連続的切削を含む切削操作で著しく工具寿命を改良していた。

実施例３
平均粒径１．４μｍの準化学量論的窒化チタン、ＴｉＮ０．７を、平均粒径５μｍのＡｌ粉末とタンブラー混合機を用いて混合した。ＴｉＮ０．７とＡｌとの質量比は、９０：１０であった。その粉末混合物をチタンカップ中にプレスし、圧粉体を形成し、真空中で１０２５℃へ３０分間加熱し、次に破砕し、粉砕した。

その粉末混合物を次に４時間摩擦粉砕した。平均粒径が０．７μｍの約３０重量％のＣＢＮ及び平均粒径が２μｍの残余のＣＢＮを含むＣＢＮ粉末混合物を、６０全体積％のＣＢＮが得られるような或る量でスラリーに添加した。ＣＢＮ添加混合物をヘキサン中で１時間摩擦粉砕した。スラリーを真空中で乾燥し、圧粉体へ成形し、５５キロバール（５．５ＧＰａ）で約１３００℃で焼結し、ＣＢＮ成形体を形成した。

比較例３
材料３Ａ：
平均粒径１．４μｍの準化学量論的窒化チタン、ＴｉＮ_０．７を、平均粒径５μｍのＡｌ粉末とタンブラー混合機を用いて混合した。ＴｉＮ_０．７とＡｌとの質量比は、９０：１０であった。その粉末混合物をチタンカップ中にプレスし、圧粉体を形成し、真空中で１０２５℃へ３０分間加熱し、次に破砕し、粉砕した。その粉末混合物を次に４時間摩擦粉砕し、平均粒径が０．７μｍのＣＢＮを添加し、ヘキサン中で１時間摩擦粉砕した。混合物中の計算したＣＢＮの全体積％が約６０％になるような仕方でその量のＣＢＮを添加した。スラリーを真空中で乾燥し、圧粉体へ成形し、５５キロバール（５．５ＧＰａ）で約１３００℃で焼結し、ＣＢＮ成形体を形成した。

この成形体及び実施例３で製造した成形体（今後材料３Ｂと呼ぶ）を分析し、機械加工試験で比較した。

各材料からの試料片を、前の実施例のような画像分析を用いて分析した。それらの結果を表３に要約する。材料３Ｂは、材料３Ａよりもかなり広いＣＢＮ粒径範囲（１．４４４μの分布分散度を有する）を持っていた。

焼結した成形体は、両方共ワイヤーＥＤＭを用いて切断し、研磨して、ＳＮＭＮ０９０３０８として標準ＩＳＯ挿入体幾何学的形態を有する切削挿入体で、２００μｍの面取り幅及び角度２０°及び１５〜２０μｍのヘッジホーンを有するものを形成した。

高Ｃｒ鋼材料の粉末冶金合金を連続的切削実験に用いた。加工片材料（Ｋ１９０）は、軟フェライトマトリックス中に約３０体積％の研磨材炭化物相を含んでいる。従って、この材料は非常に研磨性であり、かなりの量の側面摩耗をもたらす。

試験棒を、１５０ｍ／分の切削速度、０．１ｍｍ／回転の供給速度、０．２ｍｍの切削深さを用いて機械加工した。加工片は、丸型試験棒を長手方向に８０ｍｍの部分に分割し、機械加工試験は長さ８０ｍｍの丸型棒を連続的に切削することを含んでいた。切削試験は、切削刃が約３００μｍの最大側面摩耗（Ｖｂmax）に到達するまで継続した。全切削距離を測定し、３００μｍの最大側面摩耗に相当するように標準化した。工具は全て過度の側面摩耗により駄目になった。

材料３Ａ及び材料３Ｂの切削性能を、上に記載したように１５０ｍ／分の切削速度で機械加工試験を用いて評価した。材料３Ａの性能は９９２ｍの切削距離であったのに対し、材料３Ｂは１４７３ｍの切削距離を成し遂げた。材料３Ｂで達成された改良は、材料３Ａに対し約４８％の工具性能の改良に相当する。双峰型ＣＢＮ粒径を有する材料３Ｂは、材料の研磨材摩耗抵抗を改良することにより、厳しい研磨摩耗を含む切削操作で著しく工具寿命を改良していた。

Claims (5)

1. 平均粒子径の異なる２つの粒子群から構成されたＣＢＮ粒子を含む製造組成物を焼結して得られたＣＢＮ成形体であって、
   前記ＣＢＮ成形体が、ＣＢＮ粒子及びマトリックス相を含み、かつ、前記ＣＢＮの粒径頻度体積分布が、１μｍ以上のｄ９０−ｄ１０として表した分布分散度を有し、ｄ９０最大値が２．５μｍ以下である、ＣＢＮ成形体。
2. 前記マトリックス相が、第４族、５族若しくは６族遷移金属の窒化物若しくは炭窒化物を含む化合物、又はそれらの混合物若しくは固溶体を含む第二硬質相を含む、請求項１に記載のＣＢＮ成形体。
3. 前記第４、５、又は６族遷移金属がチタンである、請求項２に記載のＣＢＮ成形体。
4. マトリックス相が、更に、アルミニウムを含む結合剤相を含む、請求項２又は請求項３に記載のＣＢＮ成形体。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のＣＢＮ成形体を含む工具挿入体。