JPS6228111B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、高硬度、並びにすぐれた耐摩耗性
および靭性を有し、特にこれらの特性が要求され
る高硬度鋼やNi基あるいはCo基スーパーアロイ
などの切削に用いられる切削工具の刃先として、
また同じくダイスやノズルなどの耐摩耗工具とし
て使用するのに適した立方晶炭窒化硼素基焼結材
料の製造法に関するものである。 近年、例えば高速度鋼や、Ni基あるいはCo基
スーパーアロイのような材料の切削には、ダイヤ
モンドと並んで硬度の高い立方晶窒化硼素（以下
ｃ−BNという）を主成分とする焼結材料が切削
工具の刃先として使用されているが、前記ｃ−
BN基焼結材料はダイヤモンドに比して硬さが低
いために、苛酷な条件下での使用に際しては、摩
耗しやすい上に、靭性不足が原因のチツピングを
起し易いという問題点を有している。このｃ−
BN基焼結材料の靭性不足の原因は、ｃ−BN粒子
と添加含有粒子間での熱膨脹係数の差が大きすぎ
ることによる残留歪、さらに異種粒子間における
著しい濃度変化による焼結性の低下、ひいては粒
子界面強度の低下にあると思われる。 一方、ダイヤモンドは、硬さがｃ−BN基焼結
材料より硬いものの、これを、例えば上記のよう
な高硬度鋼や、Ni基あるいはCo基スーパーアロ
イの切削に切削工具刃先として使用すると、これ
らの被削材が主として鉄族金属からなるため、非
常に大きな摩耗を生じ、実用的使用に供し得ない
のが現状である。 そこで、本発明者等は、上述のような観点か
ら、すぐれた耐摩耗性と靭性とを兼ね備え、かつ
例えば、高速度鋼やNi基あるいはCo基スーパー
アロイなどの切削に切削工具刃先として、またダ
イスやノズルなどの耐摩耗工具として使用した場
合に、すぐれた性能を発揮する材料を得べく、特
に四面体構造を有する窒化硼素（BN）に炭素を
固溶したものからなり、ｃ−BNのもつ化学的安
定性を保持しつつ、ｃ−BNよりも高い硬さを有
する立方晶炭窒化硼素（以下ｃ−Ｂ（CN）で示
す）に着目し研究を行なつた結果、 (a) 従来、ｃ−Ｂ（CN）粉末は、研摩材として
使用されており、例えば特開昭53−101000号公
報に記載されるような方法、すなわち六方晶系
または無定形の炭窒化硼素化合物を、周期律表
の８族の金属であるCo、Ni、あるいはFeと、
Alとの混合物、またはこれらの合金からなる
溶媒の存在下において、圧力：50Kb（キロバ
ール）以上、温度：1300℃以上の条件で相変態
させる方法によつて製造されているが、これら
の従来方法によつて製造された研摩材用ｃ−Ｂ
（CN）粉末を原料粉末として使用して切削工具
刃先や耐摩耗工具などを製造しても、焼結性が
著しく劣ることから、これを実用に供した場合
満足する性能を発揮しないこと。 (b) しかし、上記従来方法におけるような溶媒金
属を使用しない条件下でｃ−Ｂ（CN）粉末を
合成すると、この結果得られたｃ−Ｂ（CN）
粉末は前記溶媒金属などの混入がなく、比較的
純度の高いものとなつており、このような不純
物の少ないｃ−Ｂ（CN）粉末はきわめて良好
な焼結性を有すること。 (c) ｃ−Ｂ（CN）粉末は、微粒で結晶性の悪い
ものが良好な焼結性を示すこと。 (d) 微粒で結晶性の悪いｃ−Ｂ（CN）粉末は、
溶媒金属を使用しない条件下で容易に合成でき
ること。 (e) 緻密なｃ−Ｂ（CN）基焼結材料が、ｃ−Ｂ
（CN）粉末に、ボロン（以下Ｂで示す）粉末
と、六方晶炭窒化硼素（以下ｈ−Ｂ（CN）で
示す）とを配合したものからなる混合粉末を原
料粉末として使用することによつて得られるこ
と。 (f) 焼結時の加圧、昇温に際して形成されるｃ−
Ｂ（CN）粒子同士のブリツジ部分は、そのま
ま焼結した場合にはブリツジ部でのくびれが成
長しないままの状態で残るので、脆い焼結材料
しか得られないが、ｃ−Ｂ（CN）粒子表面
に、ｈ−Ｃ（BN）粒子とＢ粒子とを接触存在
させた状態で焼結を行なうと、前記ｃ−Ｂ
（CN）粒子間のブリツジ部での焼結が促進され
て、くびれがなくなることからｃ−Ｂ（CN）
粒子同士の接合が著しく強固になること。以上
(a)〜(f)に示される知見を得たのである。 この発明は、上記知見にもとづいてなされたも
のであつて、容量％で、 Ｂ粉末：0.1〜２％、 ｈ−Ｂ（CN）粉末：１〜30％、 ｃ−Ｂ（CN）粉末：残り、 からなる配合組成を有し、かつ前記ｃ−Ｂ
（CN）粉末の80％以上が粒径３μｍ以下の微細で
あり、一方前記ｈ−Ｂ（CN）粉末は、その平均
粒径が前記ｃ−Ｂ（CN）粉末の平均粒径よりも
小さく、しかもその50％以上が粒径１μｍ以下の
微粉で構成された混合粉末より、通常の条件にて
圧粉体を成形し、ついで前記圧粉体を、温度
（T₁）：1800℃以下、圧力（P₁）：50Kb以上にし
て、温度（T₁）と圧力（P₁）の関係が、T₁−10P₁
＞800を満足する条件下で第１段加圧焼結した
後、さらに引続いて温度（T₂）：1300℃以上、圧
力（P₂）：100Kb以下にして、温度（T₂）と圧力
（P₂）の関係が、T₂−10P₂≦800を満足する条件下
で第２段加圧焼結を行なうことによつて、 Ｂ：0.1〜２％、 ｃ−Ｂ（CN）および不可避不純物：残り、 からなる組成を有し、耐摩耗性および靭性にすぐ
れ、かつ特に高速度鋼やNi基あるいはCo基スー
パーアロイなどの被削材の切削工具刃先や、ダイ
スおよびドリルなどの耐摩耗工具などの製造に使
用した場合に著しくすぐれた性能を発揮するｃ−
Ｂ（CN）基焼結材料を製造することに特徴を有
するものである。 なお、この発明のｃ−Ｂ（CN）基焼結材料の
製造に際して、上記の加熱加圧条件下での保持時
間は、ｃ−Ｂ（CN）粉末およびｈ−Ｂ（CN）粉
末の安定性を確保する上で10分〜２時間が適当で
ある。 ついで、この発明のｃ−Ｂ（CN）基焼結材料
の製造条件および成分組成を上記の通りに限定し
た理由を説明する。 Ａ 製造条件 (a) Ｂ粉末およびｈ−Ｂ（CN）粉末の配合量 この発明にかかる圧粉体においては、ｃ−
Ｂ（CN）粉末同士が連続したスケルトン構
造（粉末同士が接触部をもつて形成される骨
組構造）をとり、その微小間隙にＢ粉末とｈ
−Ｂ（CN）粉末とが入り込んだ状態にある
のがよく、これによつて焼結時に、Ｂ粉末は
ｃ−Ｂ（CN）粉末およびｈ−Ｂ（CN）粉末
の表面に付着している酸素分を酸化ボロンの
形で除去して、その表面を活性化し、もつて
焼結性の促進をはかると共に、前記両Ｂ
（CN）粉末におけるＢ成分と相互置換反応を
起して粉末相互間の結合強度を向上させ、一
方、ｈ−Ｂ（CN）粉末は、ｃ−Ｂ（CN）に
変換しながらｃ−Ｂ（CN）粒子間の接触部
のくびれをなくする形で、ｃ−Ｂ（CN）粒
子間の接触部で焼結を促進させる方向に作用
することから、ｃ−Ｂ（CN）粒子が強固に
結合したｃ−Ｂ（CN）基焼結材料が得られ
るようになるのである。 しかし、Ｂ粉末（望ましくは平均粒径３μ
ｍ以下をもつのがよい）の配合量が0.1％未
満では、上記作用に所望の効果が得られず、
一方２％を越えて配合すると、上記のＢ成分
のもつ作用が強くなり過ぎて所望の特性を確
保することができなくなることから、Ｂ粉末
の配合量を0.1〜２％とした。 また、ｈ−Ｂ（CN）粉末の配合量が１％
未満でも上記のｈ−Ｂ（CN）粉末によつて
もたらされる作用に所望の効果が得られず、
一方30％を越えて配合すると、相対的にｈ−
Ｂ（CN）粉末の配合量が多くなりすぎて、
ｈ−Ｂ（CN）粉末自体が連続した構造をと
りやすくなり、この状態で焼結を行なうと、
体積変化が大きくなるばかりでなく、未変換
のｈ−Ｂ（CN）が残留してｃ−Ｂ（CN）粒
子相互の強固な粒子結合が損なわれるように
なることから、その配合量を１〜30％と定め
た。 (b) ｃ−Ｂ（CN）粉末の粒径 一般に、原料粉末の粒径は小さい方が焼結
が進行しやすく、かつ製造された焼結材料に
おいても個々の結晶粒の劈開強度が高いので
靭性に富んだ焼結材料が得られるものであ
り、したがつて、ｃ−Ｂ（CN）粉末の粒径
が３μｍを越えると、粗い粉末同士でブリツ
ジ（粉末同士が均一に圧縮されない、あるい
は同じく均一に焼結されない結果生ずる棚吊
り現象）を作つて大きな隙間空間ができやす
くなり、この空間内では相対的に圧力が低い
ために均一な焼結の進行が困難になることか
ら、３μｍを越えた粒径にしてはならない。
ただし、３μｍ以下の粒径のｃ−Ｂ（CN）
粉末を80％以上配合してあると、残りに３μ
ｍを越えた粗粒のｃ−Ｂ（CN）粉末が含ま
れていても、上記のブリツジを組まず、この
結果均一な焼結が行なわれるようになること
から、粒径３μｍ以下のｃ−Ｂ（CN）粉末
を80％以上配合する必要があるのである。 (c) ｈ−Ｂ（CN）粉末の粒径 ｈ−Ｂ（CN）粉末の平均粒径がｃ−Ｂ
（CN）粉末の平均粒径より大きいと、混合粉
末中にｈ−Ｂ（CN）粉末が局在しやすくな
ると共に、焼結後においても、焼結材料中に
未変換のｈ−Ｂ（CN）が残存しやすくなる
ことから、ｈ−Ｂ（CN）粉末の平均粒径を
ｃ−Ｂ（CN）粉末の平均粒径より大きくし
てはならない。 また、ｈ−Ｂ（CN）粉末の50％以上が１
μｍより大きい粒径をもつようになると、ｈ
−Ｂ（CN）粉末とｃ−Ｂ（CN）粉末相互間
に大きな形状的および寸法的差異がなくな
り、ｃ−Ｂ（CN）粒子相互のスケルトン形
成頻度が低下するようになつて強固な粒子結
合を確保することができなくなることから、
ｈ−Ｂ（CN）粉末の50％以上を１μｍ以下
の粒径をもつ微粉としなければならない。 (d) 加圧焼結時の温度および圧力 焼結にあたつて、原料混合粉末をまず、ｈ
−Ｂ（CN）粉末の安定条件下で、かつｃ−
Ｂ（CN）粉末の安定条件に遠すぎない条件
下におくことにより、ｃ−Ｂ（CN）粉末の
表面付近の一部を、ｈ−Ｂ（CN）に相変換
しておき、ついでｃ−Ｂ（CN）粉末の安定
条件下で焼結を行なうと、ｃ−Ｂ（CN）粒
子同士の強固な接合が得られるようになるの
である。しかし、第１段加圧焼結時に、圧力
が50Kb未満で、温度が1300℃未満では、ｃ
−Ｂ（CN）粉末の表面付近部の相変換がほ
とんど生ぜず、一方圧力が100Kbを越えた
り、温度が1800℃を越えて高い場合には焼結
の進行が早くなりすぎて、局部的に焼結が進
行しやすく、この結果一部に焼結完了後もｈ
−Ｂ（CN）が残存したり、粒成長が大きく
なつたりして組織的に不均一になりやすくな
ることから、上記の不都合な温度範囲および
圧力範囲を除いた温度−圧力範囲にしなけれ
ばならない。しかし、上記の不都合な温度−
圧力範囲を除いた温度−圧力範囲には、さら
にｈ−Ｂ（CN）の不安定域を含むので、こ
れをも除いた温度−圧力範囲にしなければな
らない。すなわち、縦軸に圧力P₁、横軸に温
度T₁を取つた第１図に示すグラフにおい
て、圧力：50Kbで温度：1300℃の点と、圧
力：100Kbで温度：1800℃の点とを結ぶ直線
よりも高温で低圧の側、すなわち、不等式：
T₁−10P₁＞800を満足する温度−圧力範囲、
つまり第１図の斜線を付した範囲の焼結条件
を、第１段加圧焼結において守らなければな
らないのである。 また、第２段加圧焼結時に、圧力が50Kb
未満で、温度が1300℃未満の場合には、ｈ−
Ｂ（CN）のｃ−Ｂ（CN）への相変換がほと
んど生ぜず、一方圧力が100Kbを越え、温度
が1800℃を越えた場合には、やはり粒成長が
大きくなつて組織的に不均一になりやすい。
そして、この場合も温度と圧力が上記の不都
合な範囲を除いた範囲内にあつても、ｃ−Ｂ
（CN）の安定域からはずれてはいけないの
で、第２図において斜線を付した範囲、すな
わち、1300℃以上の温度で、100Kb以下の圧
力の範囲のうちの、さらに不等式：T₂−
10P₂≦800の条件を満足する温度−圧力範囲
での焼結を行なう必要がある。 つぎに、この発明を実施例により比較例と対比
しながら具体的に説明する。 原料粉末として、それぞれ第１表に示される粒
径分布を有するｃ−Ｂ（CN）粉末およびｈ−Ｂ
（CN）粉末、さらに平均粒径２μｍのＢ粉末を用
意し、同じく第１表に示される割合にこれらの原
料粉末を配合し、混合した後、この混合粉末より
通常の圧縮条件にて圧粉体を成形し、ついでこれ
らの圧粉体を同じく第１表に示される加圧焼結条
件にて第１段および第２段加圧焼結を行なうこと
によつて本発明焼結材料１〜４および比較焼結材
料１〜６をそれぞれ製造した。 なお、上記比較焼結材料１〜６は、第１表に示
される諸条件のうち、※印の付された条件がこの
発明の範囲から外れた条件で製造したものであ
る。 この結果得られた比較焼結材料１〜６は、いず
れも市配のｃ−BN基焼結材料によつて容易に引
つかき傷がつくものであり、耐摩耗性の著しく劣
るものであつた。しかも比較焼結材料１〜３には
微量、また比較焼結材料４〜６にはかなり大量の
ｈ−

【表】 Ｂ（CN）がそれぞれ観察された。 これに対して、上記本発明焼結材料１〜４は、
いずれも実質的に配合量と同じ含有量のＢ成分
と、ｃ−Ｂ（CN）および不可避不純物からな
り、市販のｃ−BN基焼結材料でこすつても全く
傷のつかないものであつた。 つぎに、上記本発明焼結材料１、３から切刃を
切出し、炭化タングステン基超硬材料製台金上に
ろう付けし、研削加工を施すことによつて本発明
焼結材料１、３を刃先として使用した切削工具
Ａ，Ｂを製造した。 この切削工具Ａ，Ｂと、市販のｃ−BN基焼結
材料より同一の条件で製造した従来切削工具とを
用いて、Co基スーパーアロイであるヘインズア
ロイステライトNo.６の切削を行なつたところ、従
来切削工具は400個の加工数で寿命に達したのに
対して、上記切削工具Ａは1800個、上記切削工具
Ｂは2700個でそれぞれ寿命に至るものであつた。 上述のように、この発明によれば、高硬度を有
し、かつ耐摩耗性および靭性にすぐれたｃ−Ｂ
（CN）基焼結材料を製造することができ、しかも
このｃ−Ｂ（CN）基焼結材料を、例えば高速度
鋼やNi基あるいはCo基スーパーアロイなどの切
削に切削工具切刃として、さらにダイスやノズル
などの耐摩耗工具の製造に使用した場合に、著し
くすぐれた性能を発揮するなど工業上有用な効果
がもたらされるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は第１段および第２段加圧
焼結条件に関して、この発明の範囲を示すグラフ
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ボロン粉末：0.1〜２容量％、 六方晶炭窒化硼素粉末：１〜30容量％、 立方晶炭窒化硼素粉末：残り、 からなる配合組成を有し、かつ前記立方晶炭窒化
   硼素粉末の80容量％以上が粒径３μｍ以下の微粉
   であり、一方前記六方晶炭窒化硼素粉末は、その
   平均粒径が前記立方晶炭窒化硼素粉末の平均粒径
   よりも小さく、しかもその50容量％以上が粒径１
   μｍ以下の微粉で構成された混合粉末より、通常
   の成形条件にて圧粉体を成形し、ついで前記圧粉
   体を、温度（T₁）：1800℃以下、圧力（P₁）：50
   キロバール以上にして、温度（T₁）と圧力（P₁）
   の関係が、T₁−10P₁＞800を満足する条件にて第
   １段加圧焼結した後、引続いて、温度（T₂）：
   1300℃以上、圧力（P₂）：100キロバール以下にし
   て、しかも温度（T₂）と圧力（P₂）の関係が、T₂
   −10P₂≦800を満足する条件にて第２段加圧焼結
   を施すことを特徴とする靭性および耐摩耗性を具
   備した立方晶炭窒化硼素基焼結材料の製造法。