JPH02180760A

JPH02180760A - 立方晶窒化硼素焼結体およびその製造法

Info

Publication number: JPH02180760A
Application number: JP63334019A
Authority: JP
Inventors: Haruo Yoshida; 吉田　晴男; Masaichi Kume; 正市粂
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1988-12-28
Filing date: 1988-12-28
Publication date: 1990-07-13
Anticipated expiration: 2011-02-07
Also published as: JPH0811712B2

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）本発明は、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）を含有する高密度
な焼結体およびその製造法に関する。

（従来の技術）立方晶窒化硼素（ｃＩＩＮ）は、共有結合性が強いため
、ｆｉ焼結性であり、しかも高圧安定相である。

立方晶窒化硼素は、熱力学的に非安定な低圧力・高温度
下では低圧安定相である六方晶窒化硼素（ｈＢＮ）に相
転移する。そこで、当該六方晶窒化硼素への相転移を防
止しつつ、高硬度な焼結体を得るために立方晶窒化硼素
が熱力学的に安定な圧力・温度領域で、コバルト（Ｃｏ
）等の金属を結合材とする液相焼結が行われてきた。

こうして得られた焼結体は、立方晶窒化硼素粒子間が主
に融点の低い金属相で満たされて結合しているため、高
温では当該金属の軟化に起因して硬度等の機械的特性の
劣化が著しい、また、結合１金属′は、焼結体中で集ま
ってツールを形成し、焼結体の強度をも低下させる原因
にもなり易い。

一方、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族遷移金属を初め、
高融点物質を焼結助剤として固相で焼結を行う場合は、
上記欠点を除くことは出来るが、添加された当該焼結助
剤が焼結過程で大きな移動がないため、特に均一な添加
が問題となる。

（発明が解決しようとする問題点）焼結助剤として前記高融点物質を粉体状で添加した場合
、理想的に均一な添加、即ち均一な分散が実現されたと
しても添加量が少ないと焼結体中に添加粉体粒子が存在
し得ない部分が出来る。しかも現実には、当該焼結助剤
の粉体が凝集して焼結体中に塊状に存在したり、或は焼
結体中で偏在することが多いため、焼結の促進に大きな
効果は望めない。

従って、前記焼結助剤の効率的な新しい添加法が望まれ
ていた。

（問題点を解決するための手段）鋭意研究を行った結果、以下の特徴的な焼結体層びその
製造法を得た。

即ち、本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、体積で１５〜
０．１％の周期律表第４ａ、５ａまたは６ａ族の遷移金
属、硼素、シリコン若しくは７にミニラム或はこれらの
炭化物および／またはこれらの窒化物のうち少なくとも
１種類以上が均一にコーティングされた立方晶窒化硼素
原料粉体粒子を超高圧高温下で固相で焼結せしめてなる
焼結体により構成され、立方晶窒化硼素を体積で８５〜
９９．９％含有し、残部が上記コーティング物質からな
ることを特徴とするものである。

また２本発明の立方晶窒化硼素焼結体の製造法は、立方
晶窒化硼素原料粉体粒子表面に、物理的蒸気凝縮法（Ｐ
’ｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
法：以下、ＰＶＤ法と略記する。）により周期律表第４
ａ　、　５ａまたは６ａ族の遷移金属、硼素、シリコン
若しくはアルミニウム或はこれらの炭化物および／また
はこれらの窒化物のうち少なくとも１種類以上を均一に
コーティングし、これを粉末状で、若しくは型押し成形
後、熱力学的に立方晶窒化硼素の安定領域の超高圧高温
下で固相で焼結せしめることを特徴とするものである。

本発明について更に詳細に説明すると、本発明に係る立
方晶窒化硼素焼結体およびその製造法においては、先ず
、前述した従来の立方晶窒化硼素焼結体において用いら
れている粉体状の焼結助剤に代えて、周期律表第４ａ、
５ａまたは６ａ族の遷移金属、硼素、シリコン若しくは
７にミニラム或はこれらの炭化物および／またはこれら
の窒化物のうち少なくとも１種類以上を用い、それをＰ
ＶＤ法、好適にはイオンスパッタリング法またはイオン
フレーテインク法で体積で１５〜０．１ｘを立方晶窒化
硼素原料粉体粒子表面に均一にコーティングした上で、
粉末状若しくは型押し成形した状態において、熱力学的
に立方晶窒化硼素の安定領域の超高圧高温下で固相で焼
結せしめてなる焼結体により構成され、立方晶窒化硼素
を体積で８５〜９９．９′Ｘ含有し、残部が上記コーテ
ィング物質からなるものである。即ち、上記遷移金属、
硼素、シリコン若しくはアルミニウム或はこれらの炭化
物および／またはこれらの窒化物のうち少なくとも１種
類以上からなる添加物質は、それらが固相で反応を伴わ
ずに拡散して焼結するか、或は固相で反応を伴って拡散
して焼結することにより、六方晶窒化硼素への相転移の
抑制と焼結促進の効果を併せ持ち、高温でも硬度等の機
械的特性の低下の少ない、高硬度な立方晶窒化硼素焼結
体が得られる。

この立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素を体積で
、８５〜９９．９％含有し、残部が上記遷移金属、硼素
、シリコン若しくはアルミニウム或はこれらの炭化物お
よび／または窒化物のうち少なくとも１種類以上からな
るものである。

ここで特記すべきことは、ＰＶＤ法で立方晶窒化硼素粉
体粒子表面に均一にコーティングするため、従来の粉体
を用いた固相焼結の場合に問題となっていた助剤の均一
な添加が可能となり、高効率に焼結助剤がその役割を果
たしていることである。そのため、固相焼結でありなが
ら、従来の液相焼結と同程度の工業的に容易に実現容易
な焼結条件で、しかも当該助剤の添加量を少量としても
効率よく、緻密でしかも高硬度に焼結出来る。

このような、本発明によれば１例えば立方晶窒る添加量
が体積で５ｘで且つ５．２ＧＰａ、１５００　’Ｃとい
う工業的に実現容易な焼結条件でもＨｖ（０，５／１０
）が約７０００と高硬度な立方晶窒化硼素焼結体が得ら
れる、また、体積で、０．１Ｘの極微量添加においても
添加効果が顕著に認められる。

しかし、必要に応じて体積で１５％まで上記焼結助剤を
被覆添加しても差し支えない。

このような特徴的な立方晶窒化硼素焼結体を製造するに
は、例えば、立方晶窒化硼素原料粉体の適量を皿にとり
、これに周期律表第４ａ、５ａまたは６ａ族の遷移金属
、硼素、シリコン若しくはフルミニラム或はこれらの炭
化物および／またはこれらの窒化物のうち少なくとも１
種類以上をＰＶＤ法（好適には立方晶窒化硼素原料粉体
粒子表面に強固に被覆添加出来るイオンスパッタリンク
法、イオンッレーティンク　法）　にょ　リ＊ｊｌ（好
適には体積で１５〜０．１％）を前記立方晶窒化硼素粉
体粒子表面に均一に被覆添加する。その被覆添加が行わ
れた立方晶窒化硼素粉体は、粉末状で、若しくは常温に
おいて金型などで成形し、超高圧装置を用いて、立方晶
窒化硼素が４切４的に安定な超高圧・高温下で固相で焼
結する。超高圧装置は、　キュービック型、　テトラ　
型、　乃−ドル型、　ベルト　型等何れでも差し支えな
い。

一例として、キュービック型超高圧装置による製造につ
いて説明すると、先ず、前記焼結助剤を被覆添加された
立方晶窒化硼素原料粉体をペレット状に型押し成形し、
これをジル冗つム（Ｚｒ）箔で包み、更に六方晶窒化硼
素（ｈＢＮ）成形体で囲って、その外側に黒鉛管ヒータ
を設置する。このし−タの外側には、７００’Ｃで加熱
処理することにより、結晶水を除いたパイロフィライト
が固体圧力媒体として配置される。焼結のための圧力お
よび温度は、熱力学的に立方晶窒化硼素が安定な領域が
望ましいが、立方晶窒化硼素に対して触媒作用のない物
質を焼結助剤として用いているので、前記立方晶窒化硼
素の安定領域から若干外れた条件でも差し支えない、し
がしながら、圧力４．０ＧＰａ　〜６．０ＧＰａ、温度
１３００〜１６００’Ｃ程度の前記液相焼結と同程度の
工業的に実現容易な条件が好適である。

（実施例）以下に、本発明の実施例を示す。

（第１実施例）粒径０〜２μｍの立方晶窒化硼素原料粉体約０゜５ｇに
対し、チタン（Ｔ＋）をイオンスパッタ替ング法によ　
り体積で帆９ｘ被覆添加した。この粉体を外径６層贈、
高さ２ｍ〜に型押し成形し、これをジルコニウム（Ｚｒ
）箔で包み、更にその外側に六方晶窒化硼素（ｈＢＮ）
成形体を配置した圧力媒体に埋め込み、２００℃、１θ
−’ｔｏｒｒで一昼夜真空乾燥して、低沸点不純物を除
去した。これをキュービック型超高圧装置にセットし、
先ず、室温で５．２６Ｐａまで昇圧し、その後１５００
℃に昇温し、３０分保持後に降温し、圧力を下げた。得
られた焼結体の表面をダイヤモンドペーストで研磨し、
ビッカース微小硬度を測定したところ）Ｉｖ（０，５／
１０）が約７０００と高硬度であった。

この焼結体の結晶相を粉末Ｘ線回折により調べたところ
、六方晶窒化硼素は認められず、立方晶窒化硼素、窒化
チタン（ＴｉＮ）、硼化チタン（ＴｉＢ、　）が認めら
れた。この焼結体は、液相焼結に用いるような低融点物
質を含まないので、高温でも硬度等の機械的特性の劣化
が少ない。

（第２実施例）粒径Ｏ〜２μ鳳の立方晶窒化硼素原料粉体約０゜５ｇに
対し、　窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）　　をイオンスパ
ッタリング法により体積で４．５ｘ被覆添加した。この
粉体を外径６ＩＩ１１高さ２■に型押し成形し、第１実
施例と同様に、キュービック型超高圧装置にセットし、
先ず、室温で５．０ＧＰａまで昇圧し、そのｆ＆１４８
０’ｃに昇温し、３０分保持後に降温し、圧力を下げた
。得られた焼結体の表面をダイヤモンドペーストで研磨
し、ビッカース微小硬度を測定　したところＨｖ（０，
５／１０）が約７６００と高硬度であった、この焼結体
の結晶相を粉末Ｘ線回折により調べなところ、大方晶窒
化硼素は認められず、立方晶窒化硼素、窒化ジルコニウ
ム（ＺｒＮ）が認められた。第２実施例の焼結体も第１
実施例と同様に、低融点物質を含まないので、高温でも
機械的特性の低下が少ない。

（第３実施ＰＡ＞粒径Ｏ〜２μ麿の立方晶窒化硼素原料粉体約０５ｇに対
し、　炭化チタン（ＴｉＣ）をイオンスパッタリンク法
によ　り体、　キュービック型超高圧装置にセット　し
、　５．０ＧＰａ、　　１６００℃、３０分の条件で固
相で焼結した。得られた焼結体の表面をダイヤモンドペ
ーストで研磨し、ビッカース微小硬度を測定したところ
Ｈｖ（０，５／１０）が約６８００と高硬度であった。

この焼結体の結晶相を粉末Ｘ線回折により調べたところ
、六方晶窒化硼素は認められず、立方晶窒化硼素、炭化
チタン（Ｔｉｅ）が認め・６れた。

（第４実施例）粒径０〜２μ重の立方晶窒化硼素原料粉体的０゜５ｇに
対し、　窒化アルミニウム（ＡＩＮ）　　をイオンスパ
ッタリング法により体積で１０．２％被覆添加した。こ
の粉体をキュービック型超高圧装置にセットし、５．０
ＧＰａ、１６００℃、３０分の条件で固相で焼結した。

得られた焼結体のビッカース微小硬度を測定したところ
Ｈｖ（０，５／１０）が約５８００と高硬度であった。

この焼結体の結晶相を粉末Ｘ線回折により調べたところ
、六方晶窒化硼素は認められず、立方晶窒化硼素、窒化
アルミニウム（ＡＩＮ）が認められた。

（第５実施例）粒径０〜２μ脂の立方晶窒化硼素原料粉体的０゜５ｇに
対し、　窒化チタン（ＴｉＮ）をイオンスパッタリンク
法によ　り体積で３．６％被覆添加した。この粉体をキ
ュービック型超高圧装置にセットし、　５．０ＧＰａ、
　１６００℃、３０分の条件で固相で焼結した。得られ
た焼結体のビッカース微小硬度を測定したところＨｖ（
０，５／１０）が約７４００と高硬度であった。この焼
結体の結晶相を粉末Ｘ線回折により調べたところ、六方
晶窒化硼素は認められず、立方晶窒化硼素、窒化チタン
（ＴｉＮ）が認められた（発明の効果）以上に、詳述した本発明の立方晶窒化硼素焼結体および
その製造法によれば、適切な焼結助剤の利用により、工
業的に比較的容易に実現可能な圧力・温度領域内で、六
方晶窒化硼素への相転移を防止しつつ、高硬度な焼結体
を形成出来るばかりでなく、高硬度で、且つ高温での機
械的特性の劣化の少ない立方晶窒化硼素焼結体の製造法
を得ることが出来る。

Claims

【特許請求の範囲】

１．体積で、１５〜０．１％の，周期律表第４ａ，５ａ
または６ａ族の遷移金属、硼素、シリコン若しくはアル
ミニウム或はこれらの炭化物および／またはこれらの窒
化物のうち少なくとも１種類以上が均一にコーティング
された立方晶窒化硼素原料粉体粒子を超高圧高温下で固
相で焼結せしめてなる焼結体により構成され、立方晶窒
化硼素を体積で８５〜９９．９％含有し、残部が上記コ
ーティング物質からなる立方晶窒化硼素焼結体。
２．立方晶窒化硼素原料粉体粒子表面に、物理的蒸気凝
縮法により周期律表第４ａ，５ａまたは６ａ族の遷移金
属、硼素、シリコン若しくはアルミニウム或はこれらの
炭化物および／またはこれらの窒化物のうち少なくとも
１種類以上を均一にコーティングし、これを粉末状で、
若しくは型押し成形後、立方晶窒化硼素の熱力学的安定
領域の超高圧高温下で固相で焼結せしめることを特徴と
する立方晶窒化硼素焼結体の製造法。