JPH0518893B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の技術分野〕 本発明は工具に用いて有用な高硬度焼結体に関
し、更に詳しくは、耐摩耗性、靱性が優れた工具
用高硬度焼結体とその製造方法に関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 高密度相窒化ホウ素である立方晶型窒化ホウ素
（cBNという）とウルツ型窒化ホウ素（wBNと
いう）は、いずれもダイヤモンドについて高硬度
であり、また耐熱性、熱伝導性、耐摩耗性に優れ
た物質であるため、これらを高温、高圧下で焼結
して成る焼結体は高硬度鋼の切削工具として実用
化されている。 この焼結体には大別して以下の２種類のものが
提案されている。第１のものは、高密度相窒化ホ
ウ素が多量に含有されているものであつて、この
BN粒子が相互に結合してスケルトン構造をなす
形態である。第２のものは、BNの含有量が全体
の約60体積％であつて、各BN粒子間が周期律表
ａ，Va，ａ族の元素の炭化物、窒化物、ホ
ウ化物、酸化物又はそれらの相互固溶体などのセ
ラミツクス質物及び／又はその他の金属で結合さ
れた形態である。一般に、前者は高断続切削用又
は超耐熱鋼切削用に使用され、後者は焼入れされ
た低合金鋼切削用として使用されている。 前者、後者のいずれの形態であつても、とりわ
け、前者の場合には、BN粒子の粒間物質として
配合される物質には、焼結時にセラミツクス質
物に転換すること、前記セラミツクス質物と
BN粒子との結合強度が大きくなること、焼結
時にBN粒子の変態を防ぎながらBN粒子相互の
結合強度を大たらしめる作用を有すること、前
記セラミツクス質物の相互の結合強度が大きくな
ること、前記セラミツクス質物自体が、高温で
高硬度、耐酸化性、耐熱性に優れ、被削材との溶
着又は被削材への拡散が少ないこと、などの特性
が要求される。とりわけの特性は重要である。 一方、高硬度物質の１つとして立方晶窒化タン
タル（cTaNという）が知られている。この物質
は、Hv3200と金属窒化物の中で最高の硬度を有
している。しかもこの物質は、Ta／Ｎのモル比
が約1.1以上の場合には非常に安定であつて耐化
学安定性が優れている。 したがつて、このcTaNを上記したBN粒間物
質として使用することは、高硬度焼結体の製造に
とつて非常に大きな魅力である。 しかしながら、このcTaNは、常圧下で1200℃
以上に加熱するとHvが約1200の軟質な六方晶窒
化タンタル（hTaNという）に変態してしまう
（Poroshkovaya Metallugiya，No.３（202），
March 1980，Moscow Engineering and
physical Instituteを参照）。 実際、本発明者は、cBN粉にcTaNをそのまま
又は他の炭窒化物とともに結合材として混合し、
得られた混合粉末を約55kbの圧力下で焼結した
ところ、焼結温度が1350℃になるとcTaNが変態
して軟質化し、高硬度、高靱性、耐摩耗性向上と
いう目的を達成し得ないという事実を確認した。 このように、cTaNは高温安定性が悪いので、
これをこのままの形でBN粒間物質として使用し
ても、得られた焼結体の硬度特性の向上は望めな
い。 〔発明の目的〕 本発明は、上記した先行技術に立脚し、しかも
結合材には後述の物質を用いることにより、前記
先行技術における問題点を解消し、もつて、高硬
度、高靱性、耐摩耗性、熱伝導性が優れた工具用
焼結体とその製造方法を提供することに目的を有
する。 〔発明の概要〕 本発明の工具用高硬度焼結体は、高密度相窒化
ホウ素と、残部が結合相及び不可避的不純物とか
ら成る焼結体において、前記結合相が、Al，Si，
Mn，Ti，Zr，Ｖ，Ta，Cr，Mo，Ｗの１種若し
くは２種以上の金属；前記金属の相互の合金若し
くは相互の金属間化合物；又は、窒化アルミニウ
ム；の群から選ばれる少なくとも１種の焼結促進
剤１〜50体積％と、 次式：（Tav，Mw）（Nx，Cy）ｚ （式中、ＭはTi，Zr，Hf，Ｖ，Nb，Cr，
Mo，Ｗの群から選ばれる少なくとも１種の金属
を表わし；ｖ，ｗ，ｘ，ｙはいずれも各元素のモ
ル比であつて、それぞれはｖ＋ｗ＝１，0.95≧ｖ
≧0.4，ｘ＋ｙ＝１，0.6≧ｙ≧０の関係を満足す
る数を表わし；ｚはTaとＭの合計に対するＮと
Ｃの合計のモル比であつて、ｚ≧1.02を満足する
数を表わす） で示される立方晶系化合物50〜99体積％とから成
ることを特徴とし、その製造方法は、高密度相窒
化ホウ素の粉末と、前記した立方晶系化合物の粉
末とを混合し、得られた混合粉末と前記した焼結
促進剤から成る板状体を接触させ、その状態を維
持しつつ前記高密度相窒化ホウ素が分解しない温
度、圧力下で焼結処理を施すことを特徴とする。 本発明の焼結体にあつては、高密度相窒化ホウ
素と後述する結合相とが基本成分であつて、これ
に不可避的不純物が混在している。 まず、高密度相窒化ホウ素としては、cBN，
wBN，又はこれら両者の混合物のいずれであつ
てもよいが、wBNは微結晶質の集合体であつて
結晶構造の均質性に劣るので、cBNであること
が好ましい。 また、特に硬質物質を多量に含有する高硬度材
料を切削する工具として用いる場合、この焼結体
における高密度相窒化ホウ素の存在量は、体積占
有率にして70〜98％であることが好ましく、この
占有率が70体積％未満の場合には、高密度相窒化
ホウ素の量が少なくなる（逆の結合相の量が多く
なる）ので焼結体全体としてはその硬度が
Hv3500以下と低下するようになり、また、98体
積％を超えると、結合相が高密度相窒化ホウ素粒
子の界面を全て漏らすことができず、その結果、
高密度相窒化ホウ素間の結合力が低下するので好
ましくない。 次に、焼結体の残部の基本である結合相は、以
下の２つの成分からなる。 第１は、焼結促進剤である。この焼結促進剤と
しては、Al，Si，Mn，Zr，Ｖ，Ta，Cr，Mo，
Ｗの少なくとも１種の金属；これらの金属の相互
の合金若しくは金属間化合物；又はAlNの群よ
り選ばれる少なくとも１種があげられる。とく
に、Al−Ｗ，AlN−Ｗ、などは本発明にとつて
好適なものである。焼結促進剤の結合相中におけ
る存在量は１〜50体積％に設定される。この値が
１体積％未満の場合には焼結促進効果が発揮され
ず高密度相窒化ホウ素間の結合力の低下を招き、
また、50体積％を超えると後述の立方晶系化合物
の存在量が減少することになるので、結合相の耐
熱性、耐摩耗性の低下を招く。 第２の成分はcTaNを含みかつこのcTaNの高
温安定性が改善された組成の立方晶系化合物であ
つて、それは次式： （Tav，Mw）（Nx，Cy）ｚで示される。ここ
で、ＭはTi，Zr，Hf，Ｖ，Nb，Cr，Mo，Ｗの
１種又は２種以上の金属元素を表わし、ｖ，ｗは
それぞれTa，Ｍのモル比を表わし、ｖ＋ｗ＝１，
0.95≧ｖ≧0.4の関係を満足する数である。また、
ｘ，ｙはそれぞれＮ，Ｃのモル比を表わし、ｘ＋
ｙ＝１，0.6≧ｙ≧０の関係を満足する数である。
更に、ｚは金属元素（TaとＭ）の合計量に対す
る非金属元素（ＮとＣ）の合計のモル比を表わ
し、ｚ≧1.02を満足する数である。 ｖが0.95より大きい（ｗが0.05より小さい）場
合には、他の元素及びそれらの化合物の量が少な
くなり、そのためにcTaNを主体とする立方晶系
化合物が六方晶系化合物へ変態しやすくなつて高
硬度、高靱性の焼結体を得ることが困難になる。
また、ｖが0.4より小さい（ｗが0.6より大きい）
場合には、cTaNの存在量は少ないのでその有用
な特性が他の元素及びそれらの化合物により消去
されて発揮されることが少なくなる。 ｙが0.6より大きい（ｘが0.4より小さい）場合
には、必然的にcTaNの存在量が少ないので
cTaNの有用な特性が発揮され難くなる。 また、この立方晶系化合物に化学量論以上に過
剰なＮを存在させると、この過剰Ｎは焼結時に、
焼結促進剤とりわけAlを呼び込んで全体の焼結
性を向上せしめ、もつて高硬度の焼結体製造に有
効であるため、ｚは1.02以上とする。しかも、ｚ
≧1.02にすることによつて立方晶系化合物の六方
晶系化合物への変態を防ぐ効果が著しくなる。 本発明にかかる結合相の１成分である立方晶系
化合物は、上記した組成において、cTaNの高温
安定剤を可能にしてそのhTaNへの変態を抑制し
もつてcTaNの有用な特性を発揮せしめることが
できる。 このような化合物としては、例えば、cTaN70
モル％とTiC30モル％の各成分を高温・高圧下で
処理して得られる次式：（Ta_0.7，Ti_0.3）N_0.7，
C_0.3）_1.08で示さる固溶体、又はcTaN60モル％と
TiN20モル％とTiC20モル％を高温・高圧下で処
理して得られる次式：（Ta_0.6，Ti_0.4）N_0.8，C_0.2）
_1.12で示される固溶体のような固溶体を好適なも
のとしてあげることができる。とくに、第１図に
示すcTaN−TiN−TiC三元系組成図の斜線部で
あるcTaN40〜95モル％、TiN ０〜60モル％、
TiC ０〜60モル％から成るcTaN−TiN−TiCの
三元系相互固溶体は有用である。 これらのcTaN又はその固溶体のうち、cTaN
は、例えば、金属Taをオートクレーブ中でN₂ガ
ス圧1000Bar、温度2000℃、反応時間８時間窒化
処理して製造され、また、cTaN−TiN−TiCの
三元系固溶体は、各成分をオートクレーブ中で、
N₂ガス圧30Bar以上、好ましくは100Bar以上、
温度1600℃以上、好ましくは1800℃以上、反応時
間３時間以上、好ましくは８時間以上処理するこ
とにより製造することができる。 これら立方晶系化合物の結合相中における存在
量は50〜99体積％に設定される。この量が50体積
％未満の場合（焼結促進剤が50体積％以上の場
合）には、前述したように、結合相の耐熱性、耐
摩耗性が低下する。また、99体積％を超える（焼
結促進剤が１体積％以下）と、焼結促進効果が低
下して高密度相窒化ホウ素間の結合力が低下す
る。 本発明の焼結体は次のようにして製造される。 すなわち、まず高密度相窒化ホウ素の粉末と上
記立方晶系化合物の粉末を所定の体積比で例えば
ボールミルのような適宜な混合機を用いて充分に
混合する。各粉末の粒径は、それぞれ高密度相窒
化ホウ素粉末が２〜6μｍ、立方晶系化合物粉末
が0.1〜1μｍであることが好ましい。 ついで、この混合粉末を例えばMo，Zrのよう
な高融点金属材料で製造した容器の中に充填し、
その充填粉末の上に前述した焼結促進剤の板状体
を例えば載置したのち全体を密封した状態で焼結
する。 焼結促進剤は、粉末状のものを前述した出発原
料と混合して用いてもよいが、しかし、粉末状の
ものはその表面積が大きく、酸素が吸着又は化合
している可能性があるので、特に板状体のものを
用いることが好ましい。焼結促進剤に酸素が含有
されている場合には焼結過程で酸素又は酸素を含
むガスが生じ、焼結促進の作用を阻たげるために
緻密で高靱性の焼結体が得られ難くなる。 焼結時、板状体を構成する焼結促進剤は融解又
は拡散して立方晶系化合物と反応し全体としての
結合相を形成する。とくに、板状体がAlの場合、
前述したように立方晶系化合物中に過剰に存在す
るＮ原子によりAlが高密度相窒化ホウ素又は立
方晶系化合物の表面、つまり両者の界面に呼び込
まれて両者間の結合性を高める。 焼結は、例えばダイヤモンド製造用の超高圧発
生装置を用いて行なわれる。このときの圧は５万
気圧以上、好ましくは5.5〜７万気圧温度は1350
℃以上、好ましくは1400〜1450℃である。 このような高圧下にあつては、前述したように
容器内に密封されている立方晶系化合物が変態せ
ずにそのままcTaNを主体とする立方晶系化合物
を含む焼結体を構成する。 〔発明の実施例〕 実施例 １ 平均粒径3μｍのcBN粉末を用意した。つぎに、
cTaN，TiN，TiCの各粉末をモル比で60：20：
20に混合したのちこれを加圧成形して圧粉体と
し、この圧粉体をHIP装置内でN₂ガス圧500Bar、
温度1800℃の条件で処理し、窒素含有量が理論量
の1.13倍である粉末を調製した。 両者の粉末を体積比70：30でボールミルにい
れ、これを充分混合し、得られた混合粉末を、底
にWC−Co合金の板を敷いたMo製の有底円筒の
中に充填し、この混合粉末圧粉体の表面に0.15mm
の厚さのAl円板を載せてMoのふたで密封した。 全体をダイヤモンド製造用装置内にセツトし、
食塩を圧力媒体として、圧力55KBar、温度1400
℃で30分間焼結した。 得られた焼結体をワイヤ放電切断機で切断し、
超硬合金（WC−５％Co）のスローアウエイチツ
プの一角にロー付けして切削用チツプとした。被
削材として外径50mm、円周に２ケ所の溝を有する
SCM−３（H_RC61、表面焼入れ）の高硬度鋼を用
い、切削速度100ｍ／mm、切込み0.3mm、送り0.2
mm／revの条件で、乾式の切削試験を行なつた。
本発明の焼結体を有するチツプは、その刃先欠損
までの切削時間が30分であつた。市販の90％
cBN含有の焼結体のチツプは５分、約60％cBN
含有のものは約13分の切削試験で刃先が欠損し
た。 また、外径100mmのSKD−11ダイス鋼（H_RC62）
を切削速度120ｍ／mm、切込み0.5mm、送り0.1
mm／revの条件で切削し、切削時間15分後の逃げ
面摩耗幅を測定したところ、本発明の材料の場合
はV_B＝0.12、市販の60％cBN含有のものの場合
はV_B＝0.16であつた。 実施例 ２ cBN粉末の平均粒径が３〜5μｍであつたこと、
cTaNとTiNとの各粉末をモル比で５：２に混合
し、100Bar、2000℃で窒化処理して調製した固
溶体の粉末を用いたこと、前者と後者の混合割合
が体積比で93：７であつたこと、を除いては実施
例１と同様にして焼結体を製造した。このように
して得た本発明品と市販のcBN焼結体を下記の
旋削試験によつて比較した。 外径150mmφのFC35（硬度H_S32〜34）を切削速
度35ｍ／mm、切込み0.3mm、送り0.032mm／rev，
乾式で切削し、切削時間40分後の逃げ面摩耗幅を
測定したところ本発明の材料の場合はV_B＝0.2市
販の90％cBN含有のものの場合はV_B＝0.3であつ
た。 また鉄系焼結金属（外径100mmφ、内径30mmφ）
の円筒の端面をＶ＝200ｍ／mm（一定）、切込み
0.3mm、送り0.1mm／rev、湿式で切削したところ
本発明品は300パス（pass）でV_B＝0.25、市販の
ものは200パス（pass）で大きく欠損した。 尚、本発明品の硬さは、400ヌープであつたの
に対し市販品の硬さは3500ヌープであつた。 実施例 ３ 実施例１と同様にして第１表に示す配合組成で
立方晶系化合物を製造し、この立方晶系化合物
と、cBNと、焼結促進剤とを第１表の如く配合
して圧粉体とし、実施例１と同様に焼結した後各
試料を切削用チツプに仕上げた。このようにして
製造した、本発明品と本発明から外れたものに市
販のcBN焼結体を比較例として加えて、実施例
１のSCM−３による断続旋削試験と実施例２の
FC35による旋削試験を行なつた。この切削試験
結果を第１表に併記した。

【表】

【表】 実施例 ４ ３〜5μｍのcBN粉末と、実施例１と同様にし
て製造した立方晶系化合物と、焼結促進剤とをそ
れぞれ第２表に示すように配合した。これをそれ
ぞれ実施例１と同様にして55Kbar，1400℃、30
分保持の条件で焼結した後切削用チツプに仕上げ
た。このようにして製造した本発明品に市販の
CBN焼結体を比較例として加えて、SKD−11
（H_RC62）を切削速度120ｍ／mm、切込み0.5mm、送
り0.1mm／rev乾式切削で15分間切削した後の各工
具の逃げ面摩耗量を測定し、その結果を第２表に
併記した。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明の焼結体
は、従来市販されている窒化ホウ素含有の焼結体
に比べて、高硬度であり、靱性が向上して工具に
使用したときその耐欠損性に優れ、また耐摩耗性
も約25％向上して、高硬度鋼等の切削工具用の材
料としてその工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明にかかる好適な立方晶系化合物で
あるcTaN−TiN−TiC三元系相互固溶体におい
て各成分の好適な組成範囲を示す（斜線の部分）
三元系組成図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高密度相窒化ホウ素と、残部が結合相及び不
   可避的不純物とから成る焼結体において、前記結
   合相が、 Al，Si，Mn，Ti，Zr，Ｖ，Ta，Cr，Mo，Ｗ
   の１種若しくは２種以上の金属；前記金属の相互
   の合金若しくは相互の金属間化合物；又は、窒化
   アルミニウム；の群から選ばれる少なくとも１種
   の焼結促進剤１〜50体積％と、 次式：（Tav，Mw）（Nx，Cy）ｚ （式中、ＭはTi，Zr，Hf，Ｖ，Nb，Cr，
   Mo，Ｗの群から選ばれる少なくとも１種の金属
   を表わし；ｖ，ｗ，ｘ，ｙはいずれも各元素のモ
   ル比であつて、それぞれはｖ＋ｗ＝１，0.95≧ｖ
   ≧0.4，ｘ＋ｙ＝１，0.6≧ｙ≧０の関係を満足す
   る数を表わし；ｚはTaとＭの合計に対するＮと
   Ｃの合計のモル比であつて、ｚ≧1.02を満足する
   数を表わす） で示される立方晶系化合物50〜99体積％とから成
   ることを特徴とする工具用高硬度焼結体。 ２ 前記高密度相窒化ホウ素の体積占有率が70〜
   98％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。 ３ 前記立方晶系化合物が、立方晶窒化タンタル
   40〜95モル％、窒化チタン０〜60モル％及び炭化
   チタン０〜60モル％（ただし窒化チタンと炭化チ
   タンとが同時に０であることはない）から成る相
   互固溶体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。 ４ 高密度相窒化ホウ素の粉末と、 次式：（Tav，Mw）（Nx，Cy）ｚ （式中、ＭはTi，Zr，Hf，Ｖ，Nb，Cr，
   Mo，Ｗの群から選ばれる少なくとも１種の金属
   を表わし；ｖ，ｗ，ｘ，ｙはいずれも各元素のモ
   ル比であつて、それぞれはｖ＋ｗ＝１，0.95≧ｖ
   ≧0.4，ｘ＋ｙ＝１，0.6≧ｙ≧０の関係を満足す
   る数を表わし；ｚはTaとＭの合計に対するＮと
   Ｃの合計のモル比であつて、ｚ≧1.02を満足する
   数を表わす） で示される立方晶系化合物の粉末とを混合し、得
   られた混合粉末と、 Al，Si，Mn，Ti，Zr，Ｖ，Ta，Cr，Mo，Ｗ
   の１種若しくは２種以上の金属；前記金属の相互
   の合金若しくは相互の金属間化合物；又は、窒化
   アルミニウム；の群から選ばれる少なくとも１種
   から成る板状体とを接触させ、その状態を維持し
   つつ前記高密度相窒化ホウ素が分解しない温度、
   圧力下で焼結処理を施すことを特徴とする工具用
   高硬度焼結体の製造方法。