JPH0357171B2

JPH0357171B2 -

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Publication number: JPH0357171B2
Application number: JP55093152A
Authority: JP
Priority date: 1980-07-04
Filing date: 1980-07-04
Publication date: 1991-08-30
Also published as: JPS5719355A

Description

【発明の詳細な説明】

立方晶型窒化硼素（Cubic BN、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を金属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つた欠点
がある。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焼結体の製造方法に関するもので
ある。発明者等は先に高硬度で且つ熱伝導率が極めて
高いというCBNの特徴を生かした工具用焼結体
として、CBNを周期律表第4a，5a，6a族金属の
炭化物、窒化物、硼化物、硅化物からなる化合物
で結合した高硬度の工具用焼結体を開発し特許出
願している（特開昭53−77811号、同53−139609
号）。発明者等は更に工具用焼結体に要求される耐摩
耗性、強靭性の面から広範囲な検討を行い、特に
切削工具材料に適した焼結体の製造方法に到達し
たのである。 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号に記されている如く、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・高温装置でもこ
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率表第4a
族の遷移金属であるTi、Zr、Hfの炭化物、窒化
物、炭窒化物と、Ｗおよび／またはWCと、Al又
はAlとTi、Zr、Hfの金属間化合物、AlN、
AlB₂、Al₂O₃、Ti₂AlN、Zr₂AlNのいずれか一種
以上と、Cu又はCuとTi、Zr、Hfとの金属間化合
物のいずれか一種以上を用い更に適切な製造条件
を見出すことによつて、従来にない耐摩耗性と靭
性を有するCBN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
結体について詳細に述べるが、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焼結体の切削工具としての用途は鋼や鋳
鉄の高硬度材（例えば焼入れ鋼や高硬度のロール
等）の切削加工やスーパーアロイ等の難削材の加
工等が考えられる。一般の鋼や鋳鉄等を切削する
場合も同様であるが、特にこのような用途に対し
ては工具材料が高硬度で耐摩耗性に優れているの
みでなく強靭性にも優れていることが要求され
る。前述したCBNを金属Coで結合した焼結体では
耐摩耗性や耐熱性の点でも実用的に充分な性能を
有しているとは言えないが、特に断続的に衝撃が
加わるような切削加工用途に対しては靭性が不足
しており、殆んど使用できなかつた。発明者等の
先願（特願昭52−113987号）に述べたように、結
合材として周期律表第4a，5a，6a金属の炭化物、
窒化物、炭窒化物を用い、CBNの粒度及び組成
と結合相の分布状態等を適切に制御すれば、この
ような断続切削等の用途にも適用できる高性能の
焼結体が得られる。しかしながら、例えば、複雑な形状の高硬度の
焼入鋼をフライス切削や旋削する場合には、やは
り工具刃先の欠損が生じ問題であつた。本発明者等は、焼結体の靭性を向上させるため
にはCBN−CBN及びCBN−結合相の接合強度を
高めるとともに、結合相自体の靭性を向上させる
必要があると考え鋭意研究を重ねた。その結果、
CBNの結合材として、周期率表の第4a族の遷移
金属であるTi、Zr、Hfの炭化物、窒化物、炭窒
化物と、Ｗおよび／またはWCと、Al又はAlと
Ti、Zr、Hfの金属間化合物、AlN、AlB₂、
Al₂O₃、Ti₃AlN、Zr₂AlNのいずれか一種以上
と、Cu又はCuとTi、Zr、Hf、との金属間化合物
のいずれか一種以上を用いればCBNの低含有領
域（30容積％）のみならず、高CBN含有領域
（80容積％）の焼結体の靭性をも向上させること
が可能であることを発見した。さらに発明者等は上記結合材を主成分とする
CBN焼結体について、性能を改良する方法を
種々検討した。その結果、焼結体製造時に使用す
るTi、Zr、Hfの炭化物、窒化物、炭窒化物をそ
れぞれMCx、MNx、Ｍ（C.N）ｘと表わしたと
き、0.5≦ｘ≦0.95のものを用いると焼結性が改
善されることがわかつた。本発明においては、CuとＷやＷの化合物を焼
結体中に含有させることにより、優れた工具性能
を持つた焼結体を得ることが可能になつたが、ま
ずCu含有の効果についての理由を調べるために
Cuを含有していない焼結体のＸ線回折像を調べ
たところ、結合相中のMC、MN、Ｍ（C.N）と
CBNの界面にMB、MB₂等のボライドが多量に
形成されていた。さらにこの焼結体の破面を観察
したところ、特にCBNの含有量が多い場合など
CBN粒子が脱落したりしている箇所が認められ
た。一方、このCBN焼結体の組成にCuを添加し
た焼結体を作成し生成物と破面を調べた結果、
MB、MB₂等のボライドの生成は抑制されてお
り、破面では、CBN粒子の大部分が粒内破壊し、
CBN粒子の脱落は認められなかつた。通常MB、
MB₂等のボライドは硬度は高いが、脆い材料で
あるため、多量にCBN粒子や結合相界面に存在
すると破壊の起源になり易いものと考えられる。
したがつて本発明焼結体はCuを含有させて、ボ
ライドの発生を抑制することによりCBNや結合
相の界面での接合強度を向上させることができた
のであろう。さらにCuは、焼結体中のMCx、
MNx、Ｍ（C.N）ｘの余剰の第4a族遷移金属のＭ
と反応し低融点の液相が生じCBNとMC、MN、
Ｍ（C.N）等の結合相との界面に均一に侵入し、
この界面に侵入したＭ−CuはCBNや結合相であ
るMC、MN、Ｍ（C.N）との親和性が良好なため
CBN−CBNあるいはCBN−MC、MN、Ｍ（C.
N）との接合強度を高めるためと考えられる。ま
た本発明焼結体は前述した如く焼結時に低融点の
液相が出現するため低温焼結が可能である。本発明焼結体においてはこれらのCuは純金属
として存在するものでなく、MC、MN、Ｍ（C.
N）等の結合相中に固溶したりあるいはMCx、
MNx、Ｍ（C.N）ｘの余剰のＭやAlと反応し金属
間化合物の形で存在するため高温での強度低下は
生じない。しかしCuの含有量が結合相中の重量
で50％を越えると、CuがMC、MN、Ｍ（C.N）
の結合相中に固溶したり余剰のＭやAlと反応し
て金属間化合物を形成したりしきれず純金属の状
態で焼結体中に存在するため焼結体の硬度は低下
し工具性能は悪くなる。一方Cuの含有量が１％
未満であると前述のようなボライド抑制等の効果
があがらない。また、本発明においては、MCx、MNx、Ｍ
（C.N）ｘのｘの値が0.95を越えると、余剰のＭ
とAlやCuとの反応が抑制され、結合相の靱性が
低下し、0.5未満であると、余剰のＭが結合相中
に残存し、硬度を低下させる。次にＷやＷの化合物含有の効果について考えて
みる。本発明焼結体にビツカース硬度計により圧痕を
与え圧痕部からの亀裂の伝播状態を観察した。比
較のため同時に上記本発明焼結体の組成でＷを含
有しない焼結体についても同様に調べた。本発明
焼結体の亀裂の長さはＷを含有しない焼結体の亀
裂の長さの約1/2であり亀裂の伝播はＷの存在す
るところで阻止されているのが観察された。本発明焼結体においては、このように亀裂が伝
播しにくいため靱性が向上したものと推測され
る。さらにCBNの結合材であるTi、Zr、Hfの炭
化物、窒化物や炭窒化物にＷの一部が固溶するこ
とにより結合相の強度や耐摩耗性が向上し、焼結
体の靱性や耐摩耗性が改良できたものと考えられ
る。本発明の焼結体における結合相中のTi、Zr、
Hfの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種もしくは
これらの混合物または相互固溶体化合物の含有量
は、30〜91重量％が好ましい。含有量が30重量％
未満であると、結合相の強度と硬度が低下して耐
摩耗性、靱性とも低下する。一方この含有量が91
重量％を越えると、前述のようなAl化合物、Ｗ
やＷの化合物、Cu化合物の含有量が減少するた
め、目標とする性能の焼結体が得られない。本発明焼結体におけるＷ、WC、WB₂の含有量
は結合相中に３重量％以上含有する必要がある。
このようなＷやＷの化合物の含有量が３重量％未
満であるとその効果は現われない。またＷやＷの
化合物の含有量が30重量％を越えると、Ti、Zr、
Hfの炭化物、窒化物、炭窒化物の性能を発揮す
ることができない。さらに、本発明焼結体の性能を向上させている
他の要因としては結合材として、前記Al又はAl
化合物を用いていることが考えられる。例えば
WC−Co超硬合金の液相焼結の如く硬質粒子の結
合相への溶解と再析出現象があれば結合相と硬質
粒子、又は硬質粒子相互の結合強度の高いものが
得られよう。本発明焼結体では結合相中に、Al
とTi、Zr、Hfとの金属間化合物、AlN、AlB₂、
Al₂O₃、Ti₃AlN、Zr₂AlNの一種以上を存在させ
ることによつて、これと類似した現象が生じるこ
とを見出したものである。結合材としてMCx、
MNx、Ｍ（C.N）ｘにAl又はAl化合物を添加し
ていくと、その量が増すに従つて焼結性が改善さ
れ、低温で焼結しても高硬度の焼結体が得られ
る。 Al含有の効果が充分表れるのは、添加Al量が
結合相中の重量で５％以上の場合である。また
Alの含有量が結合相中の重量で50％を越えると
結合相の強度が低下するため好ましくなく最適合
含有量は５％〜50％である。また本発明焼結体のCBNの含有量は体積で30
〜80％である。CBNの含有量が体積で30％未満
であると、焼結体の硬度は低くCBN含有の効果
があまりない。さらにCBNの含有量が体積で80
％以下特に70％以下の場合、靱性のある結合相が
連続した相をなしているため焼結体の靱性は非常
に優れている。特にこの焼結体はダイス鋼、一般
焼入鋼などの高硬度の被削材の断続切削加工に適
している。 AlあるいはCuを添加する方法は種々考えられ
る。焼結前のCBNとの混合粉末中にAlあるいは
Cuを添加する方法は最も簡単であるが、これら
の金属の1μ以下の微粉末は得難く、粗い粒子で
は焼結体の組織が不均一になり易い。最も好まし
い方法は、Alの場合、結合材のMCx、MNx、Ｍ
（C.N）ｘの過剰なＭと予め金属Alを反応せしめ
ておき、Ｍ−Alの金属間化合物を形成させて、
これを粉砕使用する方法である。この場合は結合
材MCx、MNx、Ｍ（C.N）ｘとAlの金属間化合
物からなる極めて微細な1μ以下の結合材粉末が
容易に得られる。この他予め金属Ｍと金属Alを
反応せしめて合成したＭ−Al金属間化合物の粉
砕し易い粉末を用いても良い。また別の形のAl
化合物であるAlN、Ti₃AlN、Zr₂AlN等の窒素
を含む化合物の形で加えても良い。またCuの場合、最も好ましい方法は、焼結時
に、焼結体外部から拡散により浸入させたりある
いは、上記Alを添加する場合と同様にTi、Zr、
Hfと反応させて金属間化合物の形で添加するこ
とである。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。本発明のもう一つの特徴は、結合材の粒度が、
大部分1μ以下の極めて微細な結晶粒子からなる
ことである。このことにより焼結体は、結合相が
均一にCBN粒子間に分散した組織となり高強度
の焼結体が得られる。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℃以上で行なう。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
なう必要がある。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、靱性、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。しかし超硬合金に直接接合すればCBN含有
量が多い場合などは接合強度が弱く断続切削など
には使用できないこともある。十分な接合強度を
得るにはCBNを容積で70％未満含有し、残部が
Ti、Zr、Hfの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種
もしくはこれらの混合物や相互固体化合物からな
る中間層を用いて接合すればよい。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3μのCBN粒子を体積％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TiN_0.55粉末と、WC粉末とAlを重量％で各々
60％、10％、30％の割合に混合したものを真空炉
中で1000℃、30分間加熱後粉砕して平均粒度0.3μ
の微粉末としたものである。このCBNと結合材
の混合粉末を外径14mm内径10mmのMo製の容器
に、WC−６％Co組成の超硬合金（外径10mm、高
さ２mm）を置いた後0.3g充填した。その上に厚さ
3μのCuを蒸着した超硬合金（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50kbに加圧し、次いで温度1250度まで加熱
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、更にダイヤモンドペーストを用いて研
磨した。この焼結体中に含有される元素をＸ線マ
イクロアナライザにより調べた結果、Ｗ、Al、
Cu、Tiが均一に含まれており、Cuの含有量は結
合相中の重量に換算すると約５％であつた。この
Cuは前記超硬合金に蒸着したものが浸入したの
である。さらに、この焼結体の生成物をＸ線回折
により調査した結果、主としてCBN、TiN、
AlN等が検出されたが、TiB₂等はごくわずかし
か検出されなかつた。なお、上記組成のもので
Cuを含有しない組成の焼結体を同様にして製造
し、生成物をＸ線回折により調査したが、CBN、
TiN、AlNの他に多量のTiB₂が存在していた。
これら２種類の焼結体を用いて、切削加工のチツ
プを作成した。被削材としては円周方向に４箇所
Ｖ溝を有したSKD11ダイス鋼（HRc60）を用い
た。切削条件は速度100m／min、切込み0.2mm、
送り0.35mmで刃先が欠損に到るまで切削した。本
発明焼結体は25分切削可能であつたのに対し、
Cuを含有しない焼結体は10分であつた。また、
比較の為市販の体積％で約90％のCBNをCoを主
成分とする金属で結合した焼結体で作成したチツ
プを用いて同一条件でテストした。その結果切削
可能時間は、２分であつた。実施例２第１表に示した結合材粉末を作成した。これら
の組成は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】この結合材粉末と平均粒度5μ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。

【表】

【表】実施例１と同様にしてMo製容器にWC−10％
Co組成の超硬合金を置き、その上に完粉を充填
した後、Mo栓をし超高圧高温装置を用いて
50kb、1280℃で20分間保持した。各々の硬度測
定結果を第２表に示す。本発明焼結体であるＡ〜
Ｋの破面を走査型電子顕微鏡により観察したとこ
ろ、これらの焼結体は全てCBNが粒内破壊をし
ていた。次にこれらの焼結体を切削し、超硬合金
のスローアウエイチツプの一角にロウ付け後、加
工して切削チツプを作成し、切削性能を評価する
ため、まず正面フライス盤を用いて１枚刃で断続
切削を行つた。被削材は熱処理された外径100mm
のHRc62のSKD11ダイス鋼である。切削速度は
200m／min、切込み0.5mmとし、送り速度は0.07
mm／刃で３回切削し、次に、0.12mm／刃で３回、
その後0.19mm／刃で３回と、順次厳しい条件に上
げていき、焼結体の欠損状態を調べた。なお比較
のため市販の体積％で約90％のCBNを含有し、
Coを主成分とした金属で結合した焼結体のチツ
プも作成しテストした。その結果を第２表に示す。またこれらの切削用のチツプを用いて熱処理後
のSNCM9種の鋼（HRc54）を切削した。切削条
件は速度120m／min、切込み0.2mm、送り0.5mm／
revである。工具逃げ面摩耗巾が0.2mmに達するま
で切削した。その結果も第２表に示す。さらに、第２表の焼結体Ａ〜Ｐのうち次のもの
についてＸ線回折を行ない生成物を調べた結果、ＡはCBN、（Ti、Ｗ）Ｎ、Ｗの他に微量の
AlN、AlB₂、Al₂O₃、TiB₂、WB₂、TiCuと思わ
れるピーク、Ｅは、CBN、ZrNの他に微量のAlN、AlB₂、
ZrB₂、WB₂、ZrTiと思われるピーク、Ｆは、CBN、（Hf、Ｗ）Ｎ、Ｗの他に微量の
AlN、AlB₂、WB₂、HfCuと思われるピーク、ＧはCBN、Ti（Ｃ、Ｎ）の他に微量のAlN、
AlB₂、WB₂、TiB₂、TiCuと思われるピーク、ＨはCBN、（Ti、Ｗ）Ｎ、（Zr、Ｗ）Ｎ、Ｗの
他に微量のAlN、AlB₂、AlB₂、Al₂O₃、WB₂、
TiB₂、TiCu、ZrCuと思われるピーク、ＩはCBN、TiNの他に微量のAlN、AlB₂、
WB₂、Ｗ、TiB₂、TiCuと思われるピークがそれ
ぞれ観察された実施例３粒度1μ以下の衝撃波法によつて合成されたウ
ルツ鉱型窒化硼素粉末を用い、実施例２で使用し
た結合材粉末（へ）とウルツ鉱型窒化硼素粉末75
体積％、結合材粉末25体積％の割合に混合した。
Mo製の容器に、この粉末を実施例１と同じ構成
で充填した後、超高圧、高温装置を用いて焼結し
た。焼結体の硬度はビツカース硬度で3600であつ
た。実施例４第３表に示した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】この結合材粉末と平均粒度8μのCBN粉末とを
混合して第４表の組成の混合粉末を作成した。
Mo製の容器に、CBNを容器で30％含有し、残部
がTiNとAlを重量で５：１混合粉末を塗布、
WC10％Co組成の超硬合金を置きその上に完粉を
充填した後Mo栓をし、超高圧装置を用いて
50kb、1200℃で20分間保持した。各々の硬度を
第４表に示す。またこれらの焼結体の切削用チツ
プを作成しチルド鋳鉄を切削した。切削条件は切
削速度70m／min、切込み0.5mm、送り0.15mm／
rev、で30分間切削した。比較のため、市販の
CBNの含有量が容積90％でCoを結合材とした焼
結体についてもテストした。これらの工具の逃げ
面摩耗巾を第４表に示す。

【表】

【表】【図面の簡単な説明】

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10μ以下の高圧相型窒化硼素粉末を
体積で30％以上80％以下と、残部の結合材として
大部分が1μ以下の粒子径から成るTi、Zr、Hfの
炭化物、窒化物、炭窒化物をそれぞれMCx、
MNx、Ｍ（C.N）ｘで表わしたとき、ｘの値が
0.5以上0.95以下の化合物粉末を結合材中の重量
で30〜91％と、Ｗおよび／またはWCの粉末を重
量で３〜30％と、Al又はAlとTi、Zr、Hfとの金
属間化合物又はAlN、Ti₃AlN、Zr₂AlNの１種
以上の粉末と、Cu又はCuとTi、Zr、Hfとの金属
間化合物の一種以上の粉末をそれぞれAlの重量
で５〜50％、Cuの重量で１〜50％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、70kb以下、温度900℃以上1500
℃以下で焼結することから成る工具用高硬度焼結
体の製造方法。２平均粒度10μ以下の高圧相型窒化硼素粉末を
体積で30％以上80％以下と、残部の結合材として
大部分が1μ以下の粒子径から成るTi、Zr、Hfの
炭化物、窒化物、炭窒化物をそれぞれMCx、
MNx、Ｍ（C.N）ｘで表わしたとき、ｘの値が
0.5以上0.95以下の化合物粉末を結合材中の重量
で30〜91％と、Ｗおよび／またはWCの粉末を重
量で３〜30％と、Al又はAlとTi、Zr、Hfとの金
属間化合物又はAlN、Ti₃AlN、Zr₂AlNの１種
以上の粉末をAlの重量で５〜50％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70kb以下、温度900℃以上1500℃
以下で焼結させるとともに焼結体外部よりCuを
結合材中のCuの重量で１〜50％焼結体内に侵入
させることから成る工具用高硬度焼結体の製造方
法。３高圧相型窒化硼素が立方晶型窒化硼素である
特許請求の範囲第１項記載の工具用高硬度焼結体
の製造方法。４高圧相型窒化硼素が立方晶型窒化硼素である
特許請求の範囲第２項記載の工具用高硬度焼結体
の製造方法。