JPS6270268A - 高硬度工具用焼結体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 立方晶型窒化硼素（Ｃｕｂｔｃ　Ｂｏｒｏｎ　Ｎ１ｔｒ
ｉｄｅ以下ＣＢＮと称す）はその高い硬度と優れた熱伝
導度などの特性故に今后の工具材料として期待されてい
る。現在このＣＢＮ結晶をＣｏを主体とした金属で結合
した焼結体が切削用途に１都市版されている。

このＣＢＮを金属で結合した焼結体は切削工具として使
用した場合、結合金属相の高温での軟化による耐摩耗性
の低下や、被削材金属が溶着し易い為に工具が損傷する
といった欠点がある。

また結合材のＣｏは大部分ＣＢＮと反応し、脆いＣ。

の硼化物に変化していて靭いＣＯの特徴を有していない
。

本発明は、このような金属で結合した焼結体でなく、高
強度で耐熱性に優れた硬質金属化合物を結合相とした切
削工具等の工具用途に適した新しいＣＢＮ焼結体に関す
るものである。本発明者等は共にこのＣＢＮの優れた特
徴を最大に発揮しうる工具用焼結体を発明し既に特許出
願した。この出願は周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族遷移
金属の炭化物、窒化物、硼化物、硅化物、もしくはこれ
等の相互固溶体化合物が連続相をなしてＣＢＮ結晶を結
合しているというものであり、耐熱性、耐摩耗性に冨む
と共に、高温でも高い熱伝導性を維持し、特に熱衝撃特
性に富む高硬度工具用焼結体を提供したものである。

本発明者らは前記出願の焼結体を用いて色々な分野で切
削試験を行った。その結果画期的な工具特性を認識した
と同時にＣＢＮ工具の本質的特徴をも認識した。その認
識の一つに基づいて本出願をするものである。前記出願
の場合、その出願明細書に述べたようにＡｌｔｏｓなど
は耐熱性や強度の点からみて優れているが高温下での熱
伝導率の低下が著しいという理由で除いた。同じ理由で
除いたものがＡＪ　Ｎ、　ＳｉＣ，５ｊｓＮｎ＋ＢｔＣ
である。これらはいずれも切削、研削材料などの工具材
料として使われているか、注目されているものである。

前記出願でこれら化合物を除いたのはＣＢＮの耐熱性に
注目し、工具刃先が高温となる用途に主として焦点を合
わせていたためである。

先程述べたように色々な個所で試験したところＣＢＮは
高速度鋼が現在使われているような低速の切削分野でも
、その優れた耐溶着性の故に極めて秀でた物質であるこ
とを発見した。この場合の切削温度は５００〜６００℃
以下であり、Ｍ２Ｏ，などが十分に高い熱伝導度を有す
る範囲である。また熱伝導度よりも工具材料としての他
の特性、すなわち強度、硬度などの優先する範囲と言え
よう。

特にＩＪ　ｚＯｘ　、５１２Ｎ　、、／Ｖ　ＮをＣｌ５
Ｎの結合材として用いた場合これ等は被削材金属との反
応性の点で周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物
−５窒化物、硼化物、硅化物よりも安定であるという特
性を有しており、加工する被削材の種類及び加工条件に
よってより優れた耐摩耗性を有する場合がある。

なお、刃先が高温となる場合でも熱伝導性よりも強度、
硬度という特性が優先する場合も珍しくない、このよう
な場合にも本発明は当然存用である。

・本出願は以上の主旨にて前記出願を補足するものであ
る。このようにして選択された耐熱性化合物とＣＢＮの
複合焼結体を製造する方法は、先ず、ＣＢＮ粉末と、こ
の耐熱性化合粉末の１種もしくは２種以上をボールミル
等の手段を用いて混合し、これを粉状でもしくは常温下
で所定の形状に型押成型し、超高圧装置を用いて高圧、
高温下で焼結する。用いる超高圧装置はダイヤモンド合
成に使用されるガードル型、ベルト型等の装置である。

発熱体には黒鉛円筒を用い、その中にタルク、ＮａＣｊ
等の絶縁物をつめてＣＢＨの混合粉末型押体を包む、黒
鉛発熱体の周囲にはパイロフィライト等の圧力媒体を置
く、焼結する圧力、温度条件は第１図に示した立方晶型
窒化硼素の安定領域内で行うことが望ましいが、この平
衡線は必ずしも正確には分かっておらず、一つの目安に
すぎ゛ない。

又ＣＢＮと組合す耐熱性化合物の種類によって条件は変
え得る。なお第１図中（＾）は立方晶型窒化硼素安定域
、（Ｂ）は大方晶型窒化硼素安定域を夫々示している。

本発明による焼結体の非常に注目すべき、また本発明を
有用ならしめる特徴として前記耐熱性化合物が焼結体Ｍ
ｉ繊織上連続した相をなすことが挙げられる。即ち、本
発明の焼結体では強靭な耐熱性化合物が、あたかもＷＣ
−Ｃｏ超硬合金中の結合相である金属Ｃｏ相の如く、高
硬度のＣＢＮ粒子間の隙間に侵入して連続した結合相の
状態を呈し、このことにより焼結体に強靭性が付与せし
められたものである。このような組織を有する焼結体を
得る為にはＣＢＮの含有量を体積で８０％以下とする必
要があることが実験の結果間らかになった。

本発明による焼結体中のＣＢＮ相量の下限は体積で３０
％までである。これ以下ではＣＢＮの特徴を生かした工
具としての性能が発揮されない。第２図は本発明による
体積６０％のＣＢＮ残部がＡＩＮよりなる焼結体の組織
を示したものである。

図中点（見えるＣＢＮ粒子の間隙には白く見える相のＵ
Ｎが侵入して完全に緻密な焼結体となっており、ＭＮ相
は連続してＣＢＮ粒子の結合相となっている。このよう
な組織を呈する理由は、高温下でＣＢＮに比し相対的に
変形し易いＭＮが焼結中にＣＢＮ粒子間に侵入していく
為と考えられる。

工具材用として考えた時、特に切削工具用途では、焼結
体の結晶粒の大きさは、数ミクロン以下が望ましい。数
ミクロンまたはミクロン以下の微粉は、かなり多量の酸
素を含有している。一般に、この酸素は粉末表面に、は
ぼ水酸化物の形に近い化合物の形で存在するのが大部分
である。この水酸化物の形に近い化合物は加熱時分解し
てガスとなって出てくる。焼結される物質が密封されて
いない時には、このガスを系外に放出するのは困難では
ない。しかし本発明の如く、超高圧下で焼結する場合に
は、発生したガスは、加熱系外に脱出することは殆ど不
可能である。一般にかかる場合には、予め脱ガス処理を
する事が粉末冶金業界では常識であるが、脱ガス処理温
度が十分高く出来ない場合には問題である０本件は、ま
さにそれに当たる。即ちＣＢＮの低圧相への変態を考え
ると加熱温度に上限がある。

微粉末の脱ガス過程としては、温度と共に次の各段階が
ある。まず低温では物理吸着しているものと吸湿水分が
除去される０次いで化学吸着しているもの及び水酸化物
の分解が起きる。最後に酸化物が残る。ＣＢＮの場合１
０００℃位までは安定であるので、最低でもこの温度値
には予め加熱出来る。従って、予め加熱脱ガスすれば残
留ガス成分は酸化物の形で残っていると考えてよい、逆
に言えばガス成分は、なるべく焼結体中に残したくない
のだから、水および水素を全て除去することは予備処理
として行うのが好ましい。

本発明では、この考えの下に全て１ｏｏｏ℃以上の脱ガ
ス処理を真空中でしている。

本発明による焼結体ではＣＢＮ（７１結合体として前記
した耐熱性化合物を用いるものであるが、更に必要によ
り耐熱性化合物以外の”　ｉ＋　Ｃｏ　＋　Ｆ　ｅ等の
金属相を第３相として含むものであっても良い。

但し、結合相の主となる成分は耐熱性化合物相であり、
これ等金属相は焼結体中の体積比で耐熱性化合物相の量
以下とする必要がある。それ以上では焼結体の耐熱性、
耐摩性が低下し、工具としての性能が失われる。また本
発明による焼結体ではＣＢＮの合成に使用され、高温、
高圧下で六方晶型窒化硼素及びＣＢＮに対して熔解性を
有すると信じられる元素、例えばＬｉ等のアルカリ金属
、１等ノアルカリ土類金属、Ｉ’ｂ、Ｓｎ、Ｓｂ、　／
Ｖ、Ｃｄ、Ｓｉ等を添加物として含むものであっても良
い。

本発明の焼結体の原料として使用するＣＢＳは六方晶型
窒化硼素を原料として超高圧下で合成されたものである
。従ってＣＢＮ粉末中には不純物として大方晶型窒化硼
素が残存している可能性がある。また、超高圧下で焼結
する場合においても、結合材がＣＢＮの個々の粒子間に
侵入するまではＣＢＮ粒子は外圧を静水圧的に受けてお
らず、この間の加熱によって大方晶型窒化硼素へ逆変態
を起こす一可能性もある。−このような場合に前記した
六方晶型窒化硼素に対して触媒作用を有する元素が混合
粉末中に添加されていると、この逆変態を防止する効果
があると考えられる０発明者らは、この考えに基づいて
特にＡＮ、Ｓｉについて効果を確認する実験を行った。

焼結体を研摩して組織観察を行うとＪＶ、Ｓｉを含む焼
結体の方が研摩面においてＣＢＳ粒子が焼結体より剥離
することが少なく、ＣＢＮ粒子と結合相との結合強度が
強いと考えられる。また切削工具として性能を比較する
と、やはりＡｊ、Ｓｉを含有する方が耐摩耗性、靭性と
もに優れていた。なお、このような効果が現れるのは焼
結体中に重量％０．１％以上のＭ又はＳｉを含む場合で
あった。

本発明による焼結体は、高硬度で強靭性を存し、耐熱、
耐摩耗性に優れており、切削工具以外に線引きダイスや
皮剥ぎダイス、ドリルビット等の工具用途にも適したも
のである。

以下、実施例を述べる。

実施例１ 平均粒度７μのＣＢＮ粉末と平均粒度１μのＵＮ粉末と
を体積で各々６０％、４０％の割合に配合し乳鉢で充分
混合した。この混合粉末にカンファーを２％加え、外径
１０ＩＩＩＡｌ、高さ１．５＋ｍｍに型押成型した。

これをステンレス製の容器中に挿入した。この容器を真
空炉中で１０　″４　ｍ　ｍ　Ｈｇの真空度で１１００
℃に２０分間加熱して脱ガスした。これをガードル型超
高圧装置に装入した。圧力媒体としてはパイロフィライ
トを、ヒーターとしては黒鉛の円筒を用いた。

なお、黒鉛ヒーターと試料の間はＮａαを充填した。

先ず圧力を５５Ｋｂにあげたのちに温度を１４００℃に
上げ、３０分間保持したのち温度を下げ、圧力を徐々に
おろした。得られた焼結体は外径約１０ｍｍ、厚さは約
ｌｌ１ｌＩであった。これをダイヤモンド砥石で平面に
研削し、更にダイヤモンドのペーストを用いて研摩した
。研摩面を光学顕微鏡を用いて観察したところ第２図に
示した組織を呈していた。即ちの硬度をマイクロビッカ
ース硬度計を用いて測定した。硬度の平均値は２８００
であった。焼結体をダイヤモンド切断刃を用いて切断し
、切削チップを作成し、これを鋼の支持体にロウ付けし
た。比較のために平均粒度３μのＣＢＮを金属Ｃｏで結
合した市販されているＣＢＮ焼結体及びＪＩＳ分［Ｋｏ
ｌの超硬合金で同一形状の切削工具を作成した。

被削材には熱処理後のＳＮＣＭ　９種の鋼を用いた。被
削材の硬度はＨＲＣ５４である。

切削条件は切削速度５０ｍ／ｗｉｎ、切り込み０．１ｍ
ｍ。

送り０．０２＋＊＠／ｒｅｖとした。この条件で切削試
験したところ本発明による合金は被削面状態悪化まで１
８０分間切削できたが、金属Ｃｏで結合したＣＢＮ焼結
体工具では２０分で被削面が悪化した。即ち、本発明の
工具寿命は９倍である。また超硬合金工具では始めから
良好な被削面が得られなかった。

実施例２ 第１表の組成にＣＢＮ粉末と耐熱性化合物粉末とを混合
した。使用したＣＢＳ粉末は平均粒度４μのもので、粒
径範囲が３〜６μに１分級されたランピング加工用に市
販されているミクロンパウダーであ名。このＣＢＮ中に
は分析の結果ダイヤモンドの粉末が体積で約６％混入し
ていた。

実施例１と同様に混合粉末の型押体を作成し、Ｍ。

製の容器に入れ、実施例１と同様に前処理を行った後、
超高圧装置を用いて第１表の条件で焼結した。加熱保持
時間はいずれも２０分間である。

いずれの場合も緻密な焼結体が得られた。

第　　　１　　　表 この焼結体より切削チップを作成し、実施例１の切削試
験と同一条件で切削性能を評価した。被削面状態が悪化
するまでの切削可能時間はＡ、Ｂ。

Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇの順に４０．２０．１８０．２００
．１２０゜４０、２０分であった。即ちＭ　、０．を結
合材とする焼結体が性能が良く、且つＣＢＮの体積％が
６０％の焼結体りが最も高性能であった。ＣＢＮの体積
％が７０％になるとかえって性能は低下している。

実施例３ 平均粒度７μのＣＢＮ粉末を用いて、これを体積で６０
％残部が第２表のものからなる混合粉末を作成した。

実施例１と同様にしてＭＯ製容器に入れた混合粉末型押
体を第２表の条件で焼結した。焼結体をダイヤペースト
で研摩し＆ｌｌ織観察を行ったところ、緻密な組織をい
ずれも示していた。

実施例４ 平均粒度１μのＭ２Ｏ，粉末に重量で平均粒度３０μの
Ｍ粉末を２％加え、これに平均粒度４μのＣＢＮ粉末を
体積％で各々６５％、３５％配合し、実施例１と同様に
して外径１０ｍｍ、厚みＩＲＩｌｌの焼結体を作成した
。但し、焼結時の圧力は５０にｂで温度は１３００℃と
した。

実施例１と同様にして切削工具を作成し、市販のＡｌ、
０．　３０％Ｔ１Ｃｕ成の黒セラミックと切削性能を比
較した。被削材としては５５０Ｃを用い、切削速度４０
０ｍ／分、切込み２ｍｍ　％送り０．３６ｍ５＋／回転
で３０分切削した。黒セラミックの逃げ面摩耗幅が０．
３０１であったのに対し、本発明のそれはＣＢＮ６５％
のもので０．２１ｍｍ、　　ＣＢ　Ｎ　３５％で０．１
９ｍｍであった。

なお、市販のＣｏ結合ＣＢＮ焼結体では２分切削后刃先
が欠は落ちてしまった。

実施例５ 平均粒度３μのＣＢＩＩＪＦＡ末と平均粒度ｌμのＴｉ
ｃ。

Ｍ　Ｎ　ｌ）末及び平均粒度０，３μのＡｊ　、０３粉
末とを第３表の組成に配合した。

以下実施例１と同様にして外径ｉｏａｍ、厚さ１．５１
に型押成型し、別に作成したＷＣ−１０％Ｃｏ合金製の
外径１０ｍｍ、厚さ３ＩＩＩ１１の円盤に接しておき、
これをステンレス製の容器に入れた。

真空炉中で加熱脱ガス后超高圧装置を用いて圧力５０Ｋ
ｂ、　’１４度１２００℃で２０分間保持して焼結した
。焼結体の側面を研摩して観察したところＣＢＮを含有
する厚さ約１鶴の層が連結した結合相により超硬合金の
円盤に強固に固着していた。ＣＢＮを含有する焼結体部
の硬度をピンカース硬度計を用いて荷重１０Ｋｇで測定
したところ第３麦の如き値を示した。焼結体を鋼製のシ
ャンクにロウ付けして実施例４と同様の切削性能試験を
行−ったところ、工具の逃げ面摩耗中は焼結体に、Ｌ、
Ａｌ、Ｎ、Ｏの麺に０．２５．０．１５．０．１３．０
．２０．０．１６ｍｍであった。

比較例： ４０ｕＩ−積％のウルツ型窒化硼素（ＷＢＮ）、立方晶
型窒化硼素（ＣＢＮ）を残部Ａｌ、０．との組合せで上
記実施例に述べた方法で２種類の焼結体を製作し組織、
硬度及び工具特性を比較した。

倍率１５００倍の光学顕微鏡による組織写真を第３図に
示す０図中黒色部がＷＢＮ結晶の凝集体であり、灰色の
Ａｌ、Ｏｆｆ相の中にも細かく分散する。

このようにＣＢＳを基にした焼結体とは組織が全く異な
る。

〔硬度〕

Ｈｖ　（１０Ｋｇ）　　ヌープ硬す（５Ｋｇ）ＣＢＮ＋
ＪＶ、○、：２３８０　　２１８０ｗＢＮ十Ａｌ、ｏ、
：　１８００　　　　　測定不能〔耐摩耗性〕 硬度（ＨＲＣ）が６３の浸炭鋼を被削材とし、速度Ｌｏ
ｏｍ／ｍｉｎ、切込み０．２Ｎ、送り　０．１　ｔｍ　
／　ｒｅｖの条件で乾式切削を行った時の摩耗幅Ｖ、は
２α分間でＣＢＮ焼結体：　０．１５＋＋ｍ　、　Ｗ　
Ｂ　Ｎ焼結体が０　、２　鶴であった。

Ｃ靭性〕 上記耐摩耗性試験に用いた同じ材質でＵａ付の丸材を被
削材とし、速度：　　１００ｍ　／　ｌ１ｉｎ、切込み
：０・３龍・送り０・４１關／ｒｅｖの乾式切削を行っ
たところ、ＣＢＮ焼結体が３２秒で欠けたのに対し比較
例のＷＢＮ焼結体は１９秒で欠けた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の焼結体の製造条件に関するもので立方
晶型窒化硼素の圧力、温度相図上での安定存在領域を示
す。 第２図は本発明焼結体の組織的特徴を示すもので実施例
１に詳細を述べた焼結体の＆［ｌ織写真である（倍率１
５００倍）。黒（見える粒子が立方晶型窒化硼素の結晶
粒子で連続した結合相をなしているのがＭＮである。 第３図は比較例におけるウルツ型窒化硼素を主体とした
焼結体の組織写真（倍率１５００倍）である。 代理人　弁理士　　上代言回ｆＬ１゛ｆ、″奪。 −Ｉ＋、　、　！φ ＝Ｊ 第１図 遍Ｍ　ｃＣ） 手続補正書彷式） ％式％ 許庁長官　黒　１）明　雄殿　　　　　　　　　−、ハ
１、事件の表示 昭和６１年　特許願　第６３３８６号 、発明の名称 高硬度工具用焼結体 、補正をする者 事件との関係　　　　特　許　出　願　人件　　所　　
　　大阪市東区北浜５丁目１５番地名　称（２１３）　
　住友電気工業株式会社社長　用上哲部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）立方晶型窒化硼素を体積％で８０〜３０％含有し
   残部が、Ａｌ＿２Ｏ＿３、ＡｌＮ、Ｓｉ＿３Ｎ＿４また
   はそれらの混合物、あるいはそれらの相互化合物を主体
   としたものからなり、この残部が焼結体組織中で連続し
   た結合相をなすことを特徴とする高硬度工具用焼結体。
2. （２）焼結体中の連続した結合相中に上記化合物以外に
   Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等の金属相を含むことを特徴とする特
   許請求の範囲第（１）項記載の高硬度工具用焼結体。
3. （３）焼結体中にアルカリ金属、アルカリ土類金属また
   はＰｂ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｓｉを上記化合物以
   外に含むことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記
   載の高硬度工具用焼結体。