多結晶立方晶窒化ホウ素の作製と応用研究

立方晶窒化ホウ素（cBN）は、1957年にウェンドルフによって高温高圧条件下で初めて合成された。これは、ダイヤモンドに次ぐ硬度を持つ人工結晶ですが、熱安定性と化学的安定性はダイヤモンドよりも優れています。鉄系金属、耐熱合金、チタン合金など、ダイヤモンド工具では加工が困難な材料の加工に広く用いられている。単結晶の立方晶窒化ホウ素はサイズが小さく、劈開面を持つ異方性があるため、機械技術や航空宇宙技術などの主要な産業分野での応用が制限されている。そのため、国内外の科学者は、多結晶立方晶窒化ホウ素の開発に大きな関心を寄せています。

1.調製法の多様性

多結晶窒化ホウ素は、その結晶性から、窒化ホウ素の結晶性を高めることができる。

多結晶立方晶窒化ホウ素（PcBN）は立方晶窒化ホウ素のバルク材料で、サイズが大きく、等方性があり、劈開面がないという利点があります。現在、その主な製造方法は高温高圧焼結であり、窒化ホウ素粉末を原料として、バインダーの添加の有無にかかわらず、高温高圧で一緒に焼結し、非純水相焼結体または純水相焼結体のいずれかの複合体を形成する。

非純水相焼結体では、主に焼結条件を緩和するためにバインダーが添加される。結合剤は主に3つのカテゴリーに分けられます。

1.金属または合金のバインダーは、機械的な耐摩耗性は良いが、高温高圧下で軟化し、耐摩耗性に影響を与える可能性がある。

2.セラミックバインダー。

2.セラミック・バインダー：高温硬度は良好だが、耐衝撃性と熱伝導性が悪く、断続切削には適さない。

3.金属-セラミック・バインダー：高温硬度は良好だが、耐衝撃性と熱伝導性が悪く、断続切削には適さない。

3.金属セラミックバインダーは、上記の2つのタイプの欠点を部分的に克服することができます。

一般に、非純水相焼結PcBNは、より高い耐摩耗性、靭性、および優れた性能に向かっている。

一般に、非純水相焼結 PcBN は、より高い耐摩耗性、靭性、および優れた性能に向かっています。しかし、この方法では硬度が低下し、純水相焼結で得られる PcBN に劣ります。純相焼結は主に、六方晶窒化ホウ素 (hBN)、熱分解窒化ホウ素 (pBN)、タマネギ状窒化ホウ素 (oBN)、および cBN などの異なる初期材料を使用し、バインダーを使用せずに高温高圧で焼結します。

現在、純相ナノ立方晶窒化ホウ素には主に2つのタイプがあります。

-1つ目は、hBNを初期粉末として使用し、高温高圧下で相変態させて多結晶立方晶窒化ホウ素に変換するものです。

- 2つ目は、cBNを初期粉末として使用し、高温高圧下で焼結して多結晶立方晶窒化ホウ素を形成する方法である。SOLOZHENKOらは、低結晶性のpBNを初期材料として使用し、20GPa、1500℃の条件で多結晶立方晶窒化ホウ素を調製し、85GPaのビッカース硬度を達成した。

ICHIDAは熱分解窒化ホウ素を出発材料とし、25GPa、1950℃の条件下で1～6分間加熱することにより、粒径100nm以下の超硬質多結晶立方晶窒化ホウ素を合成し、最高55.2GPaのヌープ硬度を達成した

TIANはタマネギ状の六方晶窒化ホウ素を初期材料として用い、12～25GPa、1600～2200℃の条件でナノ多結晶立方晶窒化ホウ素を作製し、100GPaを超えるビッカース硬度、1294℃までの熱安定性、12MPa・m^1/2を超える破壊靭性を達成した

TAKASHIは、高純度の六方晶窒化ホウ素を原料とし、高圧直接相変態プロセスを採用することで、高純度のcBN焼結体と高配向のウルツ鉱窒化ホウ素（wBN）結晶を得ました。cBN焼結体は61GPaの硬度を達成し、wBNの硬度はcBN焼結体の約80%～90%であった。

メカニズム分析によると、hBNからcBNへの相変態の間に、hBNからwBNへの拡散のない相変態が起こる。合成条件が高くなるにつれて、wBNの安定した相変態が現れます。

高温高圧下でhBNを初期材料として多結晶立方晶窒化ホウ素を合成する際、相変態は一定の体積収縮を伴い、その結果、合成されたサンプルの成形特性が悪くなる。この問題に対処するため、研究者らはcBNマイクロパウダーを初期材料として用いた多結晶立方晶窒化ホウ素バルク材料の合成を研究した。

王永海（Yongkai Wang）、張向発（Xiangfa Zhang）らは、hBNを初期材料として、15GPa、1500～2100℃で直接転換法を用いて多結晶立方晶窒化ホウ素を合成した。彼らは、X線回折、走査型電子顕微鏡、ビッカース硬度計を用いて、多結晶立方晶窒化ホウ素バルク材料の微細構造と機械的特性を評価した。

研究の結論は、適切な温度と圧力条件下で、純相の半透明ナノ多結晶立方晶窒化ホウ素バルク材料の作製に成功した。試料の粒子はナノ結晶とフレーク状粒からなり、粒径は70～130nm、フレーク状粒の大きさは約2μmであった。同じ圧力で、多結晶立方晶窒化ホウ素バルク材料の粒径は合成温度とともに大きくなり、硬度は合成温度の上昇とともに低下した。最大硬度は64.43GPaに達し、破壊靭性は10.47MPa・m^1/2であった。

ナノ多結晶立方晶窒化ホウ素は、高い硬度と等方性を有し、効率的でグリーンな加工の要求を満たし、鉄鋼業における高精度機械産業用の新世代の工具材料の自己制御開発を可能にする。直接変換による高品質で大型のバルクナノ多結晶立方晶窒化ホウ素材料の開発は、研究のホットスポットになるだろう。

cBNの硬度と熱伝導率はダイヤモンドに次いで高く、熱安定性に優れ、大気中で1000℃まで加熱しても酸化せず、鉄金属に対する化学的不活性も極めて安定しているため、切削工具材料として大きな注目を集めている。cBN超硬切削工具材料は、その高硬度、高熱安定性、良好な化学的不活性により、単結晶劈開の傾向を大幅に低減する。切削工具が摩耗するにつれて、新しい切れ刃が絶えず露出するため、高速切削、硬質加工、ドライ切削、グリーン加工に広く使用されている切削工具材料の1つである。2.1 グリーン低炭素経済とPcBN工具 先端製造技術が追求する2大目標は、高い生産効率と高品質である。現代の機械加工の主流の方向性を示す高速切削は、21世紀の機械加工における高能率、高精度、フレキシブル、グリーンというトレンドに沿って急速に発展してきた。

高速切削の特徴：

1.

1.切削速度が速くなり、単位時間あたりの材料除去率が向上する。切削ゾーンの温度が高くなるため、靭性が向上し、送り速度もそれに応じて上げることができるため、切削効率が指数関数的に向上し、エネルギー消費が減り、コストが下がります。

2.切削速度がある臨界値を超えると、切削熱の95％以上が切りくずによって速やかに持ち去られ、被削材は本質的に冷たいままである。

3.高速切削では、工作機械の振動と加振周波数が非常に高く、工作機械-工具-工作物システムの固有周波数範囲をはるかに超えるため、切削が安定し、振動が少なく、加工品質が向上し、加工工程が短縮される。高速切削における工具の要件：

1.

1.高い信頼性。

2.熱的、衝撃的、高温機械的特性が高いこと

3.難削材や新しい加工法のニーズに適応できること

。

低炭素経済とグリーン製造技術と応用は、中国の工作機械産業の将来の発展方向である。グリーン製造、省エネルギー、省資源、汚染の最小化、環境保護の概念に従い、切削油剤の悪影響を排除する最も理想的で効果的な加工方法は乾式切削である。湿式切断に比べ、乾式切断は生産効率を大幅に向上させることができる。そのメカニズムは、切削速度が速い場合、発生する熱が工具の前面に集中し、切削部付近の材料の温度が赤熱状態に上昇し、降伏強度が低下するため、切削効率が向上する。乾式切削加工を採用する前提条件として、比較的高い切削温度下では被削材の強度が著しく低下し、切削しやすくなると同時に、同条件下で工具材料の赤色硬度、耐摩耗性、密着性が良好である必要がある。PcBN工具は、高硬度材料の高速切削に非常に適しており、1000℃に達する切削温度でも高い硬度を維持するため、高精度部品の長時間加工（寸法ばらつきの少ない加工）が可能です。このため、工具交換の頻度や工具摩耗補正に必要なダウンタイムが大幅に削減され、CNC工作機械や高度に自動化された加工装置に適している。金属切削加工の多くの場合、旋盤加工、中ぐり加工、フライス加工などの工程が研削加工に取って代わることができるため、加工部品は高精度と良好な表面品質を達成しながら、生産効率を大幅に向上させることができる。例えば、表面溶射（コーティング）された材料の加工では、他の材料で作られた工具を使用すると、工具寿命が極端に短くなり、研削方法が実行不可能になるが、PcBNは唯一の適切な工具材料である。機械加工は、高速化、複合化、インテリジェント化、環境に優しい方向へと進んでいる。グリーン切削技術の開発動向は、高速切削、高安定性加工、硬質加工がグリーン加工の特性に最も合致することを示している。乾式切削と高速切削の有機的な組み合わせは、環境汚染を最小限に抑え、総合的な利点を持つ、理想的で効率的、低消費、高品質な加工方法となり、将来の機械加工の主流となるだろう。現代の切削加工の重要な手段として、PcBN超硬工具は加工精度、切削効率、工具寿命の面で比類のない優位性を持っている。PcBN超硬工具は、高速切削、高安定性加工、硬質加工などの高度な加工プロセスで広く使用されており、グリーンカッティングの重要な構成要素になるであろう。

2.2 PcBN：

2.2.1 高速切削と超高速切削

高速切削は、切削が困難な材料に適した工具材料です。

高速切断は、切断効率を向上させ、加工時間を短縮し、生産コストを下げることができる。日本の住友の BN7000 はねずみ鋳鉄の加工で最高速度 2000 m/min を達成でき、三菱の MBC010 は焼き入れ鋼の加工で 400 m/min を達成できます。

2.2.2 硬質切削

2.2.2 硬質切削

2.2.3ドライカット

ウェットカットでは、冷却液を使用する必要がありません。

湿式切断工程では、切断液の使用、輸送、リサイクル、ろ過による生産コストの増加、切断熱から発生するミストによる健康被害、漏出や流出による環境汚染など、切断液の使用からさまざまな問題が発生し、安全性や品質事故につながる可能性があります。ドライカット技術は、地球環境に対する要求の高まりと持続可能な開発戦略に対応して開発された。省資源、環境保護、コスト削減の面で大きな意義がある。近年、ドライカット法は、機械製造業界において焦点となる研究テーマとなっています。

2.2.4自動処理

PcBNは高い耐熱性を持っています。

PcBNは高い硬度と耐摩耗性を持っているため、高速切削条件下で長時間にわたって高精度部品（寸法ばらつきが少ない）を製造することができ、工具交換の頻度と工具摩耗補正に費やす時間を大幅に減らすことができます。そのため、CNC工作機械や高度に自動化された設備に非常に適しており、設備の効率的な性能をフルに活用することができます

2.2.5 難削材の加工

難削材の加工

難削材の加工では、工具の摩耗を補正する必要があります。

超合金、ステンレス鋼、チタン合金のような難削材では、他の工具材料は極端に低い工具寿命を示します。しかし、PcBN の優れた特性により、卓越した利点を発揮します。例えば、石油発電所設備で使用される高温合金耐摩耗鋳鉄を加工する場合、PcBN工具は超硬工具に比べて4倍以上の切削効率を達成し、1個当たりのコストは5分の1にまで低下する。したがって、PcBN材料は、これらの難削材を加工するのに適した工具材料となっています。

2.3硬化鋼のPcBNドライ切削

消費電力を削減するために、PcBNを使用します。

電力消費を削減し、生産効率を向上させるために、機械製造業界ではより多くのメーカーがPcBN工具を利用して、特に焼き入れ鋼の機械加工において、旋盤加工を研削加工に、フライス加工を研削加工に置き換えるプロセスを実施しています。焼入れ鋼の加工では、工具の刃先は大きな切削圧力に耐えなければならず、マイクロチッピングや工具の破損につながり、工具寿命が不安定になる。焼入れ鋼の加工の特徴には以下が含まれる:

1.

1.硬度と強度が高く、硬度はHRC 50以上に達し、強度は2600 MPaに達する

2.焼入れ鋼を旋削する場合、刃先はかなりの衝撃力に耐えなければならないため、加工中に切削振動が発生しやすい。

3.焼入れ鋼は熱伝導率が低いため、切削熱が切りくずによって放散されにくく、その結果、工具の切削先端に熱が集中します。

4.焼入れ鋼の切削で発生する長い切りくずは、被削材の表面を巻き込んで傷つけやすいため、工具には切りくずを砕く溝が必要です。これらの特性により、焼入れ鋼は難削材に分類されます。現在、最も先進的な方法は、ドライ加工にPcBN工具を使用することである。溶接されたPcBN工具は、高い切削温度と切削力により先端が欠損しやすく、層チッピングやマイクロ・チッピングを引き起こし、故障の原因となります。ソリッドPcBN工具もまた、マイクロ・チッピングと摩耗が発生する可能性があります。摩耗した工具は、加工中に大きな切削力を発揮し、摩耗を悪化させ、悪循環を生み出します。摩耗を最小限に抑えた均一な耐摩耗性のPcBN工具を製造することが、硬化鋼を加工するための鍵となります。cBNの粒径は非常に重要で、1～5 µmの範囲の微粒子が混在しており、均一な耐摩耗性のPcBN工具を製造するための重要な要因の1つです。

2.4硬質Ni基超合金の旋削におけるPcBN工具の切削性能

硬質Ni基超合金の旋削におけるPcBN工具の切削性能は、これまで比較的知られていませんでした。

Ni基超合金を加工する際のPcBN工具の切削性能に影響する要因に関する体系的な研究は比較的少ない。この分野での応用を促進するために、李廷克氏らは、工具の幾何学的パラメータ、PcBN材料、切削量、および切削工程が切削性能に及ぼす影響について、的を絞った研究を行いました。

2.4.1摩耗に対する工具幾何学的パラメータの影響

単一の工具幾何学的パラメータを使用して、PcBN材料、切削量、および切削プロセスが切削性能に及ぼす影響について研究した。

シングルファクターアプローチを用いて、工具先端半径(0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm)および負の面取りパラメータ(--20度×0.1 mm、--20度×0.2 mm、--28度×0.1 mm)が工具摩耗(工具面の摩耗を評価することにより切削20秒後に測定)に及ぼす影響を調査した。結果を図1と図2に示す。

図1: 工具先端の半径が摩耗に及ぼす影響

図2: 負の面取りパラメータが摩耗に及ぼす影響

図2から、負の面取りパラメータが摩耗に及ぼす影響がわかります。

図 2 から、切削時には、0.1 mm の小さい面取り幅と 28 度の大きい面取り角度を選択すべきであると結論づけることができます。面取りの主な役割は、切れ刃を強化し、工具摩耗を減らすことである。面取り幅が大きすぎると、切りくずが面取りに沿って流れ出し、負の面取りが工具前面の負のすくい角のように作用し、切削抵抗が増大して切削が困難になることがある。面取り角度を適切に大きくすることで、放熱条件を改善することができます

2.4.2摩耗に対するPcBN材料と切削パラメーターの影響

3つの異なるPcBNを使用した。

3つの異なる等級のPcBN工具を使用し、20秒間の切削後、異なる切削速度の下で工具の裏面の摩耗を測定し、その結果を図3に示しました

図3: 異なる切削速度における摩耗の比較

図3から、切削速度は、切削速度によって異なります。

図3から、同じ条件下では、DBW83の摩耗量が最も小さく、次いでBZN6000、BIN100の摩耗量が最も大きいことが視覚的に明らかである。実験の結果、BZN6000とBIN100はいずれも56m/minを超える切削速度でマイクロチッピングと溝加工が発生したが、DBW85は均一な摩耗を示した

2.4.3 切削工程が摩耗に及ぼす影響

2.4.4 切削工程が摩耗に及ぼす影響

図 4: 乾式切削工具における摩耗の比較