JPS6242989B2

JPS6242989B2 -

Info

Publication number: JPS6242989B2
Application number: JP55073128A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Nakai; Shuji Yatsu
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1980-05-30
Filing date: 1980-05-30
Publication date: 1987-09-10
Also published as: JPS56169747A

Description

【発明の詳細な説明】

立方晶型窒化硼素（Cubic Boron Nitride、以
下CBNと略す）はダイヤモンドに次ぐ高硬度の
物質であり、超高圧高温下で合成される。現在既
に研削用砥粒として使用されており、また切削用
途にはCBNをCoなどで結合した焼結体が一部に
使用されている。このCBN焼結体は切削工具と
して使用した場合、特に断続切削が存在する場
合、初期の段階で工具の刃先が欠損するといつた
欠点があつた。本発明は、このような欠点を解消
した高靭性を有するとともに耐摩耗性の優れた新
しいCBN焼結体に関するものである。 CBNは前記した如く、高硬度であり、耐熱
性、耐摩耗性に優れた物質である。このCBNの
みを焼結する試みは種々なされているが、これに
は例えば特公昭39−8948に記載されている如く、
約70kb以上、1900℃以上の超高圧高温下で焼結
する必要がある。現状の超高圧高温装置ではこの
ような高圧高温条件を発生させることはできる
が、工業的規模に装置を大型化した場合、高圧高
温発生部の耐用回数が制約され、実用的でない。
またCBNのみの焼結体は硬度は高いが、工具と
して使用した場合の靭性が劣る。発明者等はCBNの結合材として周期律表の第
ａ、ａ、ａ族の遷移金属であるTi、Zr、
Hf、Ｖ、Nb、Ta、Cr、Mo、Ｗの一種または二
種以上の混合物あるいは相互固溶体とAlを含む
化合物を主体としたものにCuまたはCuと鉄族金
属を含有したものを用い、さらに適切な製造条件
を見出すことによつて、従来にない耐摩性、靭性
を有するCBNの含有量が体積で20〜90％の高硬
度の焼結体を得ることができた。また高圧相型窒
化硼素の別の形態であるウルツ鉱型窒化硼素につ
いても同様の検討を行い、CBNを用いた場合と
類似した結果を得た。以下、CBNを硬質耐摩耗成分として使用した
焼結体について詳細を述べるが、ウルツ鉱型もし
くはCBNとウルツ鉱型窒化硼素の混合物を用い
た場合も同様のことが言える。 CBNのみからなる焼結体は前記した如く製造
上の困難さと、焼結体そのものゝ強度不足といつ
た欠点を有している。この為にCBNに適当な結
合材を加えることによつてこのような欠点を改良
することが考えられる。公知の方法の一つは金属結合材を用いる方法で
あり、市販のCBNを金属Coなどで結合した焼結
体がその例である。このCoを結合材として用いた焼結体は前述し
た如く靭性が低い。この原因を調べるため、Co
結合材のCBN焼結体についてＸ線で組成を調査
した。その結果焼結体中にはCBN以外にCoのボ
ライドが多量に検出されたが、金属のCoは観察
されず、このCBN焼結体の結合材はCoのボライ
ドであることが判明した。通常、これらのボライ
ドは硬度は高いが非常にもろい物質であるため、
このような焼結体の靭性が低いものと推定され
る。本発明者等は靭性のある結合相について検討
し、種々の焼結体を作成し、その靭性を調べた。
その結果、CBNの結合材として周期律表の第
ａ、ａ、ａ族遷移金属であるTi、Zr、Hf、
Ｖ、Nb、Ta、Cr、Mo、ＷとAl化合物とCuある
いはCuと鉄族金属のNiまたは／およびCoを用い
れば、靭性と耐摩耗性の優れた焼結体ができるの
を見出した。本発明焼結体が高靭性を有する理由としては次
の如く推測される。すなわち、本発明焼結体はＸ
線回折の結果結合相中に周期律表の第ａ、
ａ、ａ族の遷移金属が金属の状態で存在してい
る部分と小量の遷移金属のボライドが存在してい
た。CBNと結合材の接着強度が高ければ、発生
した亀裂はCBNや結合相の粒内を伝播していく
が、結合相中の遷移金属は高靭性であるため焼結
体中に亀裂が発生しても、この金属で亀裂の伝播
が阻止されて亀裂は進展せず高靭性になつたもの
と考えられる。実際ビツカース圧子により圧痕を焼結体に与え
亀裂の伝播の様子を観察したところ、亀裂の伝播
は非常に少なく亀裂はそのほとんどが結合相中の
遷移金属により止められていることが確認され
た。またCBN粒子と結合材の接合界面に沿つて
の亀裂は皆無であつた。以上の如くCBNと結合材の結着強度を高め、
さらに結合材中に遷移金属を金属の状態で残存さ
せることにより靭性と耐摩耗性の優れた焼結体を
製造することができたが、この理由について以下
考察してみる。本発明の焼結体の製造においては高圧中で温度
を上昇させるが、このときCuまたはCuと鉄族金
属M₁はAlと遷移金属M₂と反応し、低融点の液相
が生じ、CBNや遷移金属の界面に均一に侵入す
る。この界面に伸入したM₂−Al−CuまたはM₂−
M₁−Al−CuはCBNや遷移金属との親和性が良好
であり、さらにこの液相の一部とCBNや遷移金
属が反応し、CBNと遷移金属との接合強度を高
めたのであろう。また焼結中にCuを含有した液相がCBNや遷移
金属を取り包むことにより、CBNと遷移金属の
直接接触を防ぎ、硼素の遷移金属内への拡散を抑
制するため遷移金属は金属の状態で結合相中に存
在することが可能になつたものと考えられる。実
際、CBNと遷移金属とAlあるいはこれに鉄族金
属を添加したようなCuを含有しない焼結体は遷
移金属のボライドが多量に発生し、靭性の劣つた
焼結体であつた。本発明焼結体におけるCBNの含有量は体積で
20％以上90％以下が良い。CBNの含有量が20％
未満であると、CBN含有の効果を十分発揮する
ことができない。またCBNの含有量が90％を越
えると遷移金属の量が少なくなりすぎて、高靭性
の焼結体を得ることができない。次にAlの含有
量としては５％以上30％以下が好ましい。Alの
含有量が５％未満になると、CBN界面と液相の
親和性が失われCBNと遷移金属との接合強度が
低下する。また、Alの含有量が30％を越えると
焼結体の硬度が低下する。またCuまたはCuと鉄族金属の含有量は重量で
１％以上50％以下が望ましい。CuまたはCuと鉄
族金属の含有量が１％未満であると、焼結体中の
遷移金属のボライドの発生を充分に抑制すること
ができず、50％を越えると焼結体の硬度が低下し
工具性能は悪くなる。特に遷移金属として周期律
表の第ａ族のCr、Mo、Ｗを用いた場合、Cuは
これらの遷移金属との親和性が良好でないため、
Cr、Mo、Ｗと親和性の良好な鉄族金属を含有さ
せることにより、これらの遷移金属との接着性が
改善され靭性耐摩耗性共向上する。含有される鉄
族金属の量は重量でCuの同量以下が良い。これ
を越えると鉄族金属とのボライドを多量に生成す
るため、靭性や耐摩耗性は低下する。周期律表第ａ、ａ、ａ族金属の含有量は
20〜94重量％が良い。含有量が20％未満であると
強度の高いこれらの金属量が減るため結合材の強
度が低下する。一方94％を越えるとAl、Cu、
Ni、Co等の含有量が減少するため好ましくな
い。 Al、CuあるいはCuと鉄族金属を添加する方法
は種々考えられる。焼結前のCBNと遷移金属と
の混合粉末中に金属のまゝ、あるいは化合物の形
で添加する方法は最も簡単である。またAl、Cu
あるいはCuと鉄族金属を焼結時に焼結体外部か
ら溶融させて侵入させることもできる。本発明で用いるCBN結晶の粒度は焼結体の工
具としての性能からみて10μ以下とする必要があ
る。結晶粒子が粗いと焼結体の強度が低下し、ま
た特に切削工具として使用する場合は結晶粒子の
細いものが良い加工面が得られる。焼結体の製造に当つてはダイヤモンド合成に用
いられる超高圧高温装置を使用して圧力20kb以
上、温度900℃以上で行う。特に好ましい焼結圧
力、温度条件は圧力30kb〜70kb、温度1100℃〜
1500℃である。この圧力、温度条件の上限はいず
れも工業的規模の超高圧高温装置の実用的な運転
条件の範囲内である。更に圧力、温度条件は第１
図に示した高圧相型窒化硼素の安定域内で行う必
要がある。このような優れた焼結体を切削工具として使用
する場合、高硬度焼結体は切れ刃となる部分にの
みあれば良く、この高硬度焼結体を強度、靭性、
熱伝導に優れた超硬合金に接合して使用すればそ
の性能を十分発揮することができる。以下実施例により更に具体的に説明する。実施例１平均粒度５μｍのCBN粉末を体積％で70％と
残部結合材粉末からなる混合粉末を作成した。結
合材粉末はＷ、Al、Cu、Niを重量でそれぞれ80
％、10％、６％、４％の組成で混合したものを
1000℃30分間加熱後粉砕したものを用いた。この
CBNと結合材の混合粉末を、外径14mm、内径10
mmのMo製の容器にWC−６％Co組成の超硬合金
（外径10mm、高さ2.5mm）を置いた後0.4ｇ充填し
た。さらにこの上に超硬合金（外径10mm、高さ２
mm）を置き、Mo製の栓をして、この容器全体を
ダイヤモンド合成に用いる超高圧装置に入れた。
圧力を50kbに加圧し、次いで温度1350℃まで加
熱し、20分間保持した。取り出した焼結体をダイ
ヤモンド砥石を用いて高硬度焼結体が現われるま
で研削加工し、さらにダイヤモンドペーストを用
いて研摩した。光学顕微鏡で観察したところ気孔
もなく緻密な焼結体であつた。この焼結体の生成
物をＸ線回折により調査した結果、CBN、Ｗ、
AlN、Cuの他に微量のNi、AlB₂およびNi、Ｗの
ボライドが検出された。なお比較のため上記組成
のうちCuを抜いた焼結体も同条件で試作しＸ線
回折で調べた。その結果CBN、Ｗ、AlN、AlB₂と多量のNiWの
ボライドが観察された。これら２種類の焼結体と
市販の体積で90％のCBNを含有し、Coを主成分
とする金属で結合した焼結体の切削用チツプを作
成し、外径100mmで円周に４ケ所の溝を有する
SKD11ダイス鋼（Ｈ_RC61）を、切削速度100ｍ／
min、切込み0.3mm、送り0.5mm／rev乾式でテスト
した。その結果、Cuを含有した本発明焼結体は刃先
が欠損するまで20分間切削可能であつたのに対
し、Cuを含有しない焼結体及び市販の焼結体は
双方共５分切削した時点で刃先は欠損してしまつ
た。実施例２平均粒度５μｍのCBN粉末を体積％で60％と
結合材粉末からなる混合粉末を作成した。結合材
粉末はMoとAlを重量でそれぞれ75％と25％の組
成で混合したものである。このCBNと結合材の
混合粉末を内面に50μｍの厚さのTa箔を巻いた
外径14mm、内径10.1mmのMo製容器にWC−10％
Co組成の超硬合金台金（外径10mm、高さ３mm）
を置いた後、0.4ｇ充填しその上に外径10mm、厚
さ１mmのCu−Ni−Co（重量比で６：３：１）型
押体を置いた。さらにこの上にWC−10％Co組成
の超硬合金（外径10mm、高さ２mm）を置き、Mo
製の栓をした。この容器を実施例１と同様にして
圧力55kb、温度1400℃で焼結した。取り出した
焼結体をダイヤモンド砥石を用いて高硬度焼結体
が現われるまで研削加工した。この焼結体の組成
をＸ線マイクロアナライザにより調べた。Cu、
Co、Niは均一に焼結体に含まれており、その含
有量は結合材中の重量％でそれぞれ約３％、約２
％、約１％であつた。またＸ線回析により焼結体
中の生成物を調べたところ、CBN、Mo、AlN、
Cuと少量のNi、Coと微量のAlB₂とNi、Co、Mo
のボライドが検出された。この焼結体と市販の体
積で90％のCBNを含有し、Coを主成分とする金
属で結合した焼結体の切削用チツプを作成しＶ溝
を円筒方向に２ケ所有する熱処理後のSNCM9種
の鋼を切削した。被削材の硬度はＨ_RC54、切削条
件は切削速度120ｍ／min、切り込み0.2mm、0.45
mm／rev乾式で行つた。その結果、本発明焼結体
は60分切削加能であつたのに対し、市販のCBN
工具は10分しか切削できなかつた。実施例３第１表に示す組成の結合材粉末を作成した。こ
れらの組成の結合材粉末を実施例１と同様にして
加熱処理を施し粉砕した。

【表】この結合粉末と平均粒度５μｍのCBN粉末と
を混合して第２表の組成の混合粉末を作成した。なお、トはCuよりもNiが多く、またチはAl量
が少なく、またリはCuがないのでト、チ、リは
いずれも比較例である。なお、また第２表におけ
るＪ、Ｋ、Ｌ、Ｍも比較例である。実施例１と同様にして、Mo製容器にWC−６
％Co超硬合金を置き、その上に完粉と超硬合金
を置いてMo製の栓をし、超高圧高温装置を用い
て

【表】第２表に示す条件で焼結した。これらの焼結体を
用いて切削用のチツプを作成し、外径80mmの
SKD11（Ｈ_RC61）の端面をスライス切削した。
切削条件は切削速度200ｍ／min（回転数
430rpm）、切込み0.5mm、送り50mm／min乾式であ
つた。なお市販の体積で90％のCBNを合有し、
Coを主成分とする金属で結合した焼結体の切削
チツプも作成しテストした。これらの結果も第２
表に示す。また、外径100mmのSKD11を切削速度
100ｍ／min、切込み0.2mm、送り0.1mm／rev乾式
で切削し、工具逃げ面摩耗巾が0.2mmに達するま
での切削可能時間も第２表に示す。実施例４第１表に示す結合材粉末のホと粒度１μｍ以下
のWBN粉末を体積比で１：１になるように混合
し、この粉末を実施例１と同様にしてMo製容器
にWC−６％Coの超硬合金を置いた後充填し、さ
らにこの上に超硬合金を置いてMo製の栓をし、
超高圧高温装置を用いて圧力50kb、温度1400℃
で15分間焼結した。この焼結体を用いてＨ_RC58〜
60のSNCM435で外周にＵ形の溝を４ケ所有する
丸棒を切削速度100ｍ／分、切込み0.2mm、送り
0.1mm／rev、乾式で切削した。比較のため市販の
CBNを体積で90％含有し、Coを主成分とする金
属で結合した焼結体の切削チツプも作製しテスト
した。その結果、本発明焼結体は10分切削しても欠損
しなかつたのに対し、比較材は30秒切削して欠損
した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明焼結体の製造条件を説明する為
のもので高圧相型窒化硼素の圧力−温度相図上に
おける熱力学的な安定領域を示したものである。

Claims

【特許請求の範囲】１平均粒度が10μｍ以下の高圧相型窒化硼素を
体積で20〜90％含有し、残部の結合相中に周期律
表の第ａ、ａ、ａ族の遷移金属である
Ti、Zr、Hf、Ｖ、Nb、Ta、Cr、Mo、Ｗの一種
または二種以上の混合物あるいは相互固溶体を該
結合相中で20〜94重量％、およびAlの化合物よ
り成り、結合相中のAl含有量が重量で５〜30％
であり、さらに該結合相中にCu1〜50重量％、ま
たはCuとNiまたは／およびCoを１〜50重量％含
有し、Cuの含有量の方が多いことを特徴とする
工具用高硬度焼結体。２高圧相型窒化硼素が立方晶型窒化硼素である
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の工
具用高硬度焼結体。３平均粒度10μｍ以下の高圧相型窒化硼素粉末
を体積で20〜90％と周期律表の第ａ、ａ、
ａ族の遷移金属であるTi、Zr、Hf、Ｖ、Nb、
Ta、Cr、Mo、Ｗの粉末の一種あるいは二種以上
の混合粉末または相互固溶体粉末を該結合相中で
20〜94重量％とAlまたはAlを含む化合物粉末を
結合相中で５〜30重量％であり、さらに該結合相
中にCu1〜50重量％、またはCuとNiまたは／お
よびCoを１〜50重量％含有しCuの含有量の方が
多く混合した後、粉末状もしくは型押成型後超高
圧装置を用いて圧力20kb以上、温度900℃以上で
焼結させることを特徴とする工具用高硬度焼結体
の製造方法。４高圧相型窒化硼素粉末として立方晶型窒化硼
素を用いることを特徴とする特許請求の範囲第３
項記載の工具用高硬度焼結体の製造方法。５平均粒度10μｍ以下の高圧相型窒化硼素粉末
を体積で20〜90％と周期律表の第ａ、ａ、
ａ族の遷移金属であるTi、Zr、Hf、Ｖ、Nb、
Ta、Cr、Mo、Ｗの粉末の一種あるいは二種以上
の混合粉末または相互固溶体粉末を結合相中で20
〜94重量％とAlまたはAlを含む化合物粉末を結
合相中で５〜30重量％混合し、これを粉末状もし
くは型押成型後超高圧装置を用いて圧力20kb以
上、温度900℃以上で焼結するか、焼結と同時に
外部より該結合相中のCuを１〜50重量％、また
はCuとNiまたは／およびCoを１〜50重量％でCu
の含有量の方が多く焼結体内に侵入させることを
特徴とする特許請求の範囲第３項または第４項記
載の工具用高硬度焼結体の製造方法。