JPH02163339A

JPH02163339A - 高精度加工工具用焼結体

Info

Publication number: JPH02163339A
Application number: JP63316008A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Fukaya; 朋弘深谷; Tetsuo Nakai; 哲男中井; Mitsuhiro Goto; 光宏後藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1988-12-14
Filing date: 1988-12-14
Publication date: 1990-06-22
Anticipated expiration: 2009-11-24
Also published as: DE68922195D1; US5092920A; JPH0694580B2; DE68922195T2; EP0373609A1; EP0373609B1; ES2070164T3

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】・［産業上の利用分野］この発明は、立方晶窒化硼素（以下、ｃＢＮと略す）を
用いた高精度加工工具用焼結体の改良に関する。

［従来の技術］ｃＢＮは、ダイヤモンドに次ぐ高硬度物質であり、その
焼結体は種々の切削工具に使用されている。切削工具に
適したこの種のｃＢＮ焼結体の一例が、特開昭５３−７
７８１１号公報に開示されている。

上記先行技術には、ｃＢＮを体積％で８０〜４０％含有
し、残部が周期律表第■ａ、Ｖａ、Ｖｌａ族遷移金属の
炭化物、窒化物、硼化物、硅化物もしくはこれらの混合
物または相互固溶体化合物を主体としたもの、さらにこ
れにＡＮおよび／またはＳｉを添加したものからなる焼
結体が開示されている。この先行技術のｃＢＮ焼結体で
は、上記のような化合物が焼結体組織中において連続し
た結合相をなしている。

上記高硬度工具用焼結体では、結合化合物として、周期
律表第１Ｖａ、Ｖａ、Ｖｌａｌ遺族金属の炭化物、窒化
物、硼化物、硅化物またはこれらの相互固溶体化合物が
用いられている。これらの化合物は熱伝導性に優れ、高
硬度であるため、この焼結体は切削工具として一般的に
高い性能を示す。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上記の特開昭５３−７７８１１号公報に
開示され、現在販売されている焼結体においても、たと
えば、高硬度焼入鋼の高精度加工のような用途では、切
削条件により切削中に披削材の面粗度、寸法精度が悪化
し、したがってその寿命が比較的短くなるという問題が
あった。この被削材の面粗度、寸法精度の悪化は刃先の
強度不足により生じたり、あるいはｃＢＮ粒子が脱落し
ていくことにより摩耗が進行するためと推測される。

そこで、この発明の目的は、上記の従来のｃＢＮ焼結体
よりもさらに強度に優れ、かつｃＢＮ粒子の脱落を抑制
することにより耐摩耗性に優れるとともに、安定して高
精度加工が可能な、高精度加工工具用焼結体を提供する
ことである。

［課題を解決するための手段］本願発明者達は、上述の目的を達成するために鋭意検討
した結果、平均粒径が２μｍ以下の立方晶窒化硼素粉末
を４５〜６０体積％含有し、残部が下記の結合材よりな
る混合粉末を超高圧焼結すれば、従来のｃＢＮ焼結体よ
りも硬度が高く、かつ耐摩耗性に優れるｃＢＮ焼結体の
得られることを見い出した。

すなわち、この発明の焼結体は、ＴｉＮｚ，Ｔｉ　　（
Ｃ＋−ｘ　Ｎｘ　）ｚ　、　　（Ｔｉ、Ｍ）　　（Ｃ＋
　−ｘ　ＮＸ　）２および（Ｔｉ、Ｍ）Ｎｚからなる群
から選択した１種以上のＴｉ化合物（但し、ＭはＴｉを
除く周期律表第１Ｖａ、Ｖａ、Ｖｌａ族の遷移金属元素
であり、０．４５≦ｚ≦０．６５．０，５０≦ｘく１．
０）を含み、含有されるＴｉと周期律表第■ａ、Ｖａ、
ＶＴａ族の遷移金属元素との割合が原子比で２／３〜９
７／１００であり、５〜１５重量％のＡｌを含み、タン
グステンを前記Ｔｉ化合物、ＷＣおよびＷの少なくとも
いずれかの形態で含み、結合材中の全タングステン濃度
が２〜２０重量％である結合材を、平均粒径２μｍ以下
のｃＢＮ粉末と混合し、ｃＢＮの安定な超高圧条件下で
焼結することにより得られる。

また、この発明の１つの局面に従った焼結体は、上記結
合材に鉄族金属を１種以上、１〜１０重量％含有する結
合材を、平均粒径２μｍ以下のｃＢＮ粉末と混合し、ｃ
ＢＮの安定な超高圧条件下で焼結することにより得られ
る。なお、鉄族金属とはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉをいう。

さらに、この発明の焼結体組織においては、平均粒径２
μｍ以下のｃＢＮ結晶が結合相を介して相互に接合され
ている。

この発明の好ましい実施例によれば、焼結体は、その生
成された焼結体中にｃＢＨのほか、ＴｉＮ。

Ｔｉ　（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ、Ｍ）（Ｃ，Ｎ）および（Ｔ
ｉ、Ｍ）Ｎからなる群から選択した１種以上のＴｉ化合
物、硼化チタン、硼化アルミニウム、窒化アルミニウム
、タングステン化合物ならびにタングステンの１種以上
を含むものであればよい。

ｃＢＮの平均粒径が１μｍ以下であることが好ましい。

ＡＮはＡＱ化合物の形態で結合材中に含まれていればよ
い。また、タングステンは硼化タングステンまたは炭化
タングステンの形態で混合されているのが好ましい。さ
らに、上記Ｔｉ化合物の化学式中、Ｍはタングステンで
あることが好ましい。

［作用］この発明の焼結体が強度に優れ、かつｃＢＮ粒子が脱落
しにくく、耐摩耗性に優れているのは、以下の理由によ
るものと推ＯＩＬ得る。

焼結体の強度を向上するには、ｃＢＮの含有量が高い必
要がある。ｃＢＮ含有量が焼結体中の４５体積％未満で
は、焼結体の強度および硬度が低下し、好ましくない。

他方、ｃＢＮ含有量が焼結体中の６０体積％を越えると
、焼結体の靭性が低下し、刃先がチッピングしやすくな
る。

次に、焼結体のｃＢＮ粒子が脱落しにくく、耐摩耗性を
向上させるには、ｃＢＮと結合材または結合材自体が強
固に接合している必要がある。この発明では、結合材中
のＴｉ化合物とＡｌｌが高温高圧下での焼結時にｃＢＮ
と反応し、窒化アルミニウム、硼化アルミニウム、硼化
チタンが生成し、それによってｃＢＮと結合材、あるい
は結合材同士を強固に結合するものと考えられる。

特に、Ｔｉ化合物、ＴｉＮｚ，Ｔｉ　　（Ｃ＋−ｘ　Ｎ
ｘ）ｚ、（Ｔｉ、Ｍ）（Ｃ＋−ｘＮｘ）ｚおよび（Ｔ　
ｔ、　Ｍ）　Ｎｚ　　（但し、ＭはＴｉを除く周期律表
第１Ｖａ、　Ｖａ、　Ｖｉａ族の遷移金属元素）中の遊
離Ｔｉは、ｃＢＮ結晶と反応しやすく、ＴｉＢ２等の硼
化物を形成し、ｃＢＮと強固に結合するものと考えられ
る。

上記化学式における２の値は０．４５≦ｚ≦０゜６５の
範囲内であることが好ましい。２の値が０゜４５未満で
は、遊離Ｔｉの量が増え、結合力は高くなるが、結合材
自体の強度および硬度が低下し、好ましくない。２の値
が０．６５を越えると、結合材自体の硬度が高くなるが
、遊離ＴＬの量が不足し、結合力が低下する。

また、上記化学式におけるＸの値は０．５≦Ｘ＜１．０
であることが必要である。ＴｉＣはＴｉＮよりも強度お
よび硬度に優れるが、ｃＢＮとの反応性が低い。そのた
め、Ｘの値が０．５未満では結合力が不足する。

上記Ｔｉの窒化物、炭窒化物に周期律表第１Ｖ　ａ　。

Ｖａ、Ｖｆａ族遷移金属の窒化物、炭窒化物を固溶また
は混合すれば、結合材の強度は大きくなり、Ｔｉ化合物
のみを結合材として用いた場合よりもさらに特性が改善
される。この結合材中のＴｉ含有量は、Ｔｉと、周期律
表第１Ｖａ、Ｖａ、Ｖｌａ族金属の原子比で２／３〜９
７／１００となることが必要である。Ｔｉの含有量が２
／３未満では、結合材とｃＢＮとの結合力が低下し、好
ましくない。他方、上記原子比が９７／１００を越える
と、結合材の耐摩耗性および強度が低下する。

Ａｌｌの結合材中における含有量は、５〜１５重量％が
好ましい。Ａｉの含有量が５重量％未満の場合には、Ａ
ＩとｃＢＮとの反応が不十分であり、結合材によるｃＢ
Ｎ結晶の保持力が弱くなる。他方、Ａｌの含有量が結合
材中の１５重置火を越えると、ｃＢＮと結合材との結合
強度が高くなるものの、結合材自体の硬度が低下するた
め好ましくない。

本願発明者等は、純タングステン、タングステン化合物
および／またはＴｉを含有する窒化物もしくは炭窒化物
の形態で、タングステンを結合材中の重量で２〜２０重
量％含存させれば、耐摩耗性を改善し得ることを見い出
した。タングステン含有量が結合材中において２重量％
未満では耐摩耗性を改善することはできない。他方、タ
ングステン含有量が２０重量％を越えると、Ｔｉ化合物
の含有量が低下し、ｃＢＮと結合材との接合強度が弱く
なり好ましくない。特に、上述の化学式においてＭとし
てＷを用いた場合には、結合材の耐摩耗性および強度が
改善され、良好な特性を示すことがわかった。

また、鉄族金属を１種以上、結合材中に１〜１ｏ！！ｒ
ｎ％含有させることにより、結合材の強度および硬度が
高くなり、焼結体の特性はさらに改善される。これは、
鉄族金属とＴｉＢ２．ＡＩＢｚなどの硼化物との反応性
が高いため、焼結体中の硼化物がより強く結合するため
と考えられる。鉄族金属の含有量が１重量％未満の場合
には、特性の改善は見られず、１０重量％を越えると結
合材自体の一強度および硬度が低下し好ましくない。

この発明の焼結体では、上述のような結合材よりなる結
合相を介してｃＢＮ結晶が相互に接合しており、微粒の
ｃＢＮが充填されている組織を有する。そのため、ｃＢ
Ｎの含有量を多くすることが可能とされている。それに
よって、焼結体の強度および耐摩耗性も改善されている
。また、粗粒のｃＢＮが脱落することによって、被削材
の面粗度が悪化するため、ｃＢＮの粒度は２μｍ以下の
微粒であることが必要であり、好ましくは１μｍ以下で
あればよい。

［実施例］実施例ＩＴｉを含有する窒化物または炭窒化物粉末と、アルミニ
ウム粉末およびＷＣ粉末とを混合し、これを超硬合金製
ポットおよびボールを用いて、平均粒度１μｍ以、下の
第１表に示される組成を有する結合材粉末を作製した。

第１表中、試料Ｎｏ。

１〜７は本発明例の試料を示し、試料Ｎ００８〜１１は
比較例の試料を示す。なお、比較例において、アンダー
ラインが引かれた箇所は、本発明の組成から外れている
組成を示す。これらの結合材粉末と、平均粒度１，５μ
ｍ以下のｃＢＮ粉末とを体積比で５０対５０となるよう
に混合し、混合粉末を作製した。Ｍｏ製の容器にＷＣ−
１０重１％Ｃｏ組成の超硬合金からなる円板を入れた後
、これらの混合粉末を充填した。次に、この容器を超高
圧・高温装置に入れ、圧力５３ｋｂＳ温度１３５０℃で
３０分間焼結した。

得られた焼結体のＸ線回折結果を第２表に示す。

すべての焼結体において、ｃＢＮと、Ｔｉを含む窒化物
および炭窒化物のピークが観察された。上記の物質以外
に、ＴｉＢ２．Ａ之Ｂ２．Ａ見ＮとＷの硼化物、炭化物
もしくはＷと思われるピークが認められた。

次に、これらの焼結体の組織を走査型電子顕微鏡で観察
したところ、微細なｃＢＮ粒子は結合相を介して相互に
接合していることが認められた。

また、これらの焼結体のビッカース硬度を測定したとこ
ろ、第３表に示す結果が得られた。

上記各焼結体を切削加工用チップに加工した。

これらの切削加工用チップを用いて、直径が１００ｍｍ
のＳＵＪ　２　（ＨＲｃ　５９〜６１）からなる丸棒を
切削した。切削条件は、切削速度：１００ｍ／分、切込
み：０．１ｍｍ５送り：０．０５ｍｍ／回転、乾式であ
る。１時間切削後の刃先の逃げ面摩耗幅と被削材の面粗
度の最大高さを測定したところ、第３表に示す結果が得
られた。なお、第１表において、原子比［Ｔ　ｔ　：　
Ｍ］は、Ｔｉと、Ｔｉを除く周期律表第■ａ、Ｖａ、Ｖ
ｌａ族遷移金属との原子比を示す。

（以下余白）第１表第２表第表実施例２Ｔ　ｉ　　（ＧＯ，＋　Ｉ’Ｊ０．９　）　０．ｉ　ｏ
　ｓ　Ａ　ＩＩおよびＷＣ粉末を混合し、平均粒度１μ
ｍ以下の結合材粉末を得た。この結合材粉末の組成は、
重量％で、７５％Ｔ　ｉ　　（ＣＯ，Ｉ　Ｎｏ、ｓ　）
　（１，ｇ　ｏ　−７％Ａｌ１８％ＷＣである。なお、
結合材中のＴｉとＷとの原子比は９３．６対６，４であ
る。この結合材粉末とｃＢＮ粉末とを第４表に示すよう
に混合し、混合粉末を作製した。なお、第４表において
、試料Ｎｏ、１２〜１５は本発明例の試料を示し、試料
Ｎｏ、１６〜１８は比較例の試料を示す。試料Ｎｏ、１
８は粒度３〜５μｍのｃＢＮ粉末を用いている。第４表
中、比較例において、アンダーラインが引かれた箇所は
、ｃＢＮ粒度または含有量が本発明に従った範囲から外
れていることを示している。

得られた混合粉末を実施例１と同様にして超高圧焼結し
、焼結体を得た。さらに、これらの焼結体を加工し、切
削加工用のチップを作製した。

上記のようにして得られたチップを用いて、直径１００
ｍｍ、長さ３００ｍｍであり、外周面に軸方向に垂直な
５本の溝が等間隔に形成された、５ＫＤ１１種（ＨＲｏ
６０〜６２）からなる丸棒を切削した。切削条件は、切
削速度：８０ｍ／分、切込み：０．０７ｍｍ、送り：０
．０５ｍｍ／回転、乾式である。溝で分割された外周面
を１バスとし、刃先が欠損するまでのバス回数と、刃先
が欠損する直前のバスにおける、被削材の面粗度の最大
高さを第４表に示す。

第表（以下余白）実施例３第５表に示す粒度１μｍ以下の結合材粉末を作製した。

なお、第５表中、原子比［Ｔｉ：Ｍ］は、Ｔｉと、Ｔｉ
を除く周期律表第１Ｖａ、　Ｖａ、　Ｖｌａ族金属との
原子比を示す。これらの結合材粉末と、粒度１μｍ以下
のｃＢＮ粉末を体積比で５０対５０の割合となるように
混合し、混合粉末を得た。

このようにして得られた混合粉末を実施例１と同様にし
て、超高圧焼結し、焼結体を得た。さらに、これらの焼
結体を加工し、切削加工用のチップを作製した。

上記のようにして作製されたチップを用いて、直径１０
０ｍｍのＳＮＣＭ４１１　（Ｈｚ　ｅ　５８〜６１）か
らなる丸棒の端面を切削した。切削条件は、切削速度：
１５０ｍ／分、切込み：０．２ｍｍ１送り：０．０７ｍ
ｍ／刃、乾式である。この切削試験において、切削可能
であった回数と、切削可能であった最終回における被削
材の面粗度の最大高さを第６表に示す。

なお、第５表および第６表においては、試料Ｎ０．１９
〜２３は本発明例の試料を示し、試料Ｎｏ、２４．２５
は比較例の試料を示す。また、第５表中、比較例におい
て、アンダーラインが引かれた箇所は、結合材組成が本
発明に従った組成から外れていることを示している。

（以下余白）第５表第６表［発明の効果］以上のように、この発明によれば、ｃＢＮにＴｉ化合物
、Ａ乱、ＷＣを含む結合材、もしくはさらに鉄族金属を
１種以上含む結合材を混合し、超高圧下で焼結すること
により、ｃＢＮを４５〜６０体積％含有し、ＴｉＮ、Ｔ
ｉ　　（Ｃ，Ｎ）、　　（Ｔｉ、　Ｍ）　　（Ｃ，Ｎ）
および（Ｔｉ、Ｍ）Ｎ、硼化チタン、硼化アルミニウム
、窒化アルミニウム、タングステン化合物ならびに／ま
たはタングステン、もしくはさらに鉄族金属を１種以上
含む焼結体を得ることができる。すなわち、結合材中に
はＡｌｌが５〜１５重量％含有されており、このＡｌｌ
は焼結体中で硼化アルニウムおよび窒化アルミニウムを
形成している。また、この結合材中にはタングステンが
２〜２０重量％含有されており、このタングステンは、
純タングステン、タングステン化合物および／またはＴ
ｉを含有する窒化物、または炭窒化物の形態で焼結体中
に存在している。

あるいはこの焼結体にさらに鉄族金属をＩＦｉ以上含有
する焼結体が提供される。この発明の焼結体は、強度に
優れ、かつｃＢＮ粒子の脱落を抑制することにより耐摩
耗性に優れている。したがりて、この発明の焼結体は高
精度加工用工具の材料に用いられる焼結体に適している
。また、この発明の焼結体は高硬度焼入鋼の断続切削や
、鋳鉄、耐熱性合金の切削にも好適に使用され得る。

特許出願人　住友電気工業株式会社　　、−２１゛　　
　＼

Claims

【特許請求の範囲】

（１）平均粒径が２μｍ以下の立方晶窒化硼素粉末を４
５〜６０体積％含有し、残部結合材よりなる混合粉末を
超高圧焼結して得られた焼結体であって、前記結合材は、ＴｉＮ＿ｚ，Ｔｉ（Ｃ＿１＿−＿ｘＮ＿ｘ）＿ｚ，（Ｔ
ｉ，Ｍ）（Ｃ＿１＿−＿ｘＮ＿ｘ）＿ｚおよび（Ｔｉ，
Ｍ）Ｎ＿ｚからなる群から選択した１種以上のＴｉ化合
物（但し、ＭはＴｉを除く周期律表第IVａ，Ｖａ，VIａ
族の遷移金属元素であり、０．４５≦ｚ≦０．６５、０
．５０≦ｘ＜１．０）を含み、含有されるＴｉと周期律表第IVＡ，Ｖａ，VIａ族の遷移
金属元素との割合が原子比で２／３〜９７／１００であ
り、５〜１５重量％のＡｌを含み、タングステンを前記Ｔｉ化合物、ＷＣおよびＷの少なく
ともいずれかの形態で含み、前記結合材中の全タングス
テン濃度が２〜２０重量％であり、前記焼結体組織にお
いて、平均粒径２μｍ以下の立方晶窒化硼素結晶が前記
結合材よりなる結合相を介して相互に接合されている、
高精度加工工具用焼結体。
（２）前記焼結体は、生成物中に立方晶窒化硼素のほか
、ＴｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｍ）（Ｃ，Ｎ）お
よび（Ｔｉ，Ｍ）Ｎからなる群から選択した１種以上の
Ｔｉ化合物、硼化チタン、硼化アルミニウム、窒化アル
ミニウム、タングステン化合物ならびにタングステンの
１種以上を含む、請求項１に記載の高精度加工工具用焼
結体。
（３）前記立方晶窒化硼素の平均粒径が１μｍ以下であ
る、請求項１または２に記載の高精度加工工具用焼結体
。
（４）前記Ａｌは、Ａｌ化合物の形態で結合材中に含ま
れている、請求項１ないし３のいずれかに記載の高精度
加工工具用焼結体。
（５）前記タングステンは、硼化タングステンおよび炭
化タングステンのいずれかの形態で混合されている、請
求項１ないし４のいずれかに記載の高精度加工工具用焼
結体。
（６）前記Ｍはタングステンである、請求項１ないし５
のいずれかに記載の高精度加工工具用焼結体。
（７）平均粒径が２μｍ以下の立方晶窒化硼素粉末を４
５〜６０体積％含有し、残部結合材よりなる混合粉末を
超高圧焼結して得られた焼結体であって、前記結合材は、ＴｉＮｚ，Ｔｉ（Ｃ＿１＿−＿ｘＮ＿ｘ）＿ｚ，（Ｔｉ
，Ｍ）（Ｃ＿１＿−＿ｘＮ＿ｘ）＿ｚおよび（Ｔｉ，Ｍ
）Ｎ＿ｚからなる群から選択した１種以上のＴｉ化合物
（但し、ＭはＴｉを除く周期律表第IVａ，Ｖａ，VIａ族
の遷移金属元素であり、０．４５≦ｚ≦０．６５、０．
５０≦ｘ＜１．０）を含み、含有されるＴｉと周期律表第IVａ，Ｖａ，VIａ族の遷移
金属元素との割合が原子比で２／３〜９７／１００であ
り、５〜１５重量％のＡｌを含み、タングステンを前記Ｔｉ化合物、ＷＣおよびＷの少なく
ともいずれかの形態で含み、前記結合材中の全タングス
テン濃度が２〜２０重量％であり、鉄族金属を１種以上
、１〜１０重量％含み、前記焼結体組織において、平均
粒径２μｍ以下の立方晶窒化硼素結晶が前記結合材より
なる結合相を介して相互に接合されている、高精度加工
工具用焼結体。
（８）前記焼結体は、生成物中に立方晶窒化硼素のほか
、ＴｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｍ）（Ｃ，Ｎ）お
よび（Ｔｉ，Ｍ）Ｎからなる群から選択した１種以上の
Ｔｉ化合物、硼化チタン、硼化アルミニウム、窒化アル
ミニウム、タングステン化合物ならびにタングステンの
１種以上を含む、請求項７に記載の高精度加工工具用焼
結体。
（９）前記立方晶窒化硼素の平均粒径が１μｍ以下であ
る、請求項７または８に記載の高精度加工工具用焼結体
。
（１０）前記Ａｌは、Ａｌ化合物の形態で結合材中に含
まれている、請求項７ないし９のいずれかに記載の高精
度加工工具用焼結体。
（１１）前記タングステンは、硼化タングステンおよび
炭化タングステンのいずれかの形態で混合されている、
請求項７ないし１０のいずれかに記載の高精度加工工具
用焼結体。
（１２）前記Ｍはタングステンである、請求項７ないし
１１のいずれかに記載の高精度加工工具用焼結体。