JPH07822B2

JPH07822B2 - 高密度金属ホウ化物基セラミックス

Info

Publication number: JPH07822B2
Application number: JP62119561A
Authority: JP
Inventors: 忠彦渡辺; 毅道津; 一久菖蒲; 由紀夫甲斐
Original assignee: 工業技術院長
Priority date: 1987-05-15
Filing date: 1987-05-15
Publication date: 1995-01-11
Anticipated expiration: 2010-01-11
Also published as: JPS63282234A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、切削工具材料、特に木工用切削工具および耐
摩耗材料として好適な、高密度を有する新規金属ホウ化
物基セラミックスに関するものである。

従来の技術これまで、切削工具材料として、主として、タングステ
ンカーバイトが用いられてきたが、最近資源的に原料不
足の傾向があるため、これに代わるべき材料として金属
ホウ化物、例えば二ホウ化チタン焼結体が注目を浴びる
ようになってきた。

ところで、この金属ホウ化物焼結体は、耐熱性、耐酸化
性、高温における強度及び硬度が優れ、資源的にも入手
しやすいものであるが、焼結性に難点がある上に、切削
工具とするには耐衝撃性が低いという欠点がある。

このため、特に難焼結性を改善する目的で、ホウ化物に
対し、Co、Ni、Fe、Cuなどの金属を数10重量％という比
較的多い量で配合することが提案されているが（特開昭
51-30213号公報）、このように多量の金属を配合すると
ホウ化物が金属と反応し、変質するため、所望の耐衝撃
性セラミックスを得ることができない。

また、本発明者らは先にホウ化物の結合剤として、ホウ
化コバルト、ホウ化ニッケル、ホウ化鉄などの鉄族金属
ホウ化物を添加することを提案した。（特公昭56-41690
号公報、特公昭56-45984号公報、特開昭54-72779号公
報、特開昭56-23246号公報）。

このようにして得たセラミックスは、耐衝撃性に関し、
若干の改善はなされたものの、まだ必ずしも満足すべき
ものではないため、さらにこれに炭窒化チタンを添加し
て靭性を向上させたものを開発したが（特開昭61-97169
号公報）、このものも耐衝撃性が不十分で利用分野が制
限される上に、結合剤として用いられるCo、Fe、Niのホ
ウ化物は、それ自体の価格が高いため得られるセラミッ
クスがコスト高のものとならざるを得ないという欠点が
ある。

発明が解決しようとする課題本発明の目的は、切削工具や耐摩耗工具として広範囲に
使用できる安価で耐衝撃性を有する金属ホウ化物セラミ
ックスを提供することである。

課題を解決するための手段本発明者らは、まず安価な結合剤を見つけ出すため、種
々の実験を行ってきたが、Co、Fe、Niを微量添加する
と、これらの金属とホウ化物とは焼結時に反応を起し、
例えばCoはCoB、Co₂B、Co₃Bなどに変化するが、TiB₂を
主体とした六方晶系ホウ化物は六方晶系のままで存在す
ることが判明した。このことからホウ化コバルト、ホウ
化ニッケル、ホウ化鉄を用いないでも安価なCo、Fe、Ni
を用いてもよいことが判明した。その鉄族金属の添加量
は0.1〜５重量％、さらに好ましくは、0.5〜４重量％の
範囲である。

次に本発明者らは、耐衝撃性をもたせるため、鋭意研究
を重ねてきたが、耐衝撃性は、靭性を高めるだけでな
く、欠陥となる大粒や気孔を除去しなければならないこ
とが判明した。そこで微粒子化したホウ化金属粉原料を
作製し、焼結体を得ようとしたが、微細化したホウ化金
属粉は酸化しやすく、かえって、気孔が多くなり耐衝撃
性を著しく改善することはできなかった。そこで酸素除
去効果のある添加剤を探したのであるが、はからずも、
炭化物や炭窒化物にその効果があること、さらに複炭化
物や複炭窒化物に著しい酸素除去効果があることが判明
し、耐衝撃性も酸素除去により改善できることを確認
し、本発明をなすに至った。すなわち、本発明は、
（Ａ）TiB₂を主体とした六方晶系ホウ化物から成る金属
ホウ化物基本成分に対し、（Ｂ）結合剤用金属成分とし
てCo、Fe及びNiの中から選ばれた少なくとも１種を全重
量に基づき0.1〜５重量％の範囲の量で、また（Ｃ）T
i、Hf、Ｗ及びZrの中から選ばれた少なくとも１種の金
属の炭化物、複合炭化物、炭窒化物又は複合炭窒化物の
中から選ばれた少なくとも１種を全重量に基づき0.1〜1
0重量％の範囲の量で添加した混合物の焼結体から成る
高密度金属ホウ化物基セラミックスを提供するものであ
る。

本発明の（Ａ）成分すなわち基本成分としては、TiB₂が
用いられるが、このものは必ずしも単独である必要はな
く、これまでTiB₂に少量添加してもその六方晶系構造を
保持することが知られ、通常の耐衝撃性セラミックスに
おいてTiB₂と併用されている金属ホウ化物を含んでいて
もよい。このようなTiB₂と併用しうる金属ホウ化物とし
ては、例えばZrB₂、CrB₂、VB₂、TaB₂、MbB₂、MnB₂、MoB
₂、HfB₂、YB₂、AlB₂、MgB₂などの金属二ホウ化物、Cr
B、VB、ZrB、TaB、MbB、MoB、HfB、YB,AlB、MgBなどの
金属一ホウ化物、W₂B₅、Mo₂B₅などの金属五二ホウ化物
を挙げることができる。これらは、単独で用いてもよい
し、また２種以上組合せて用いてもよい。

次に、（Ｂ）成分として用いられる結合剤用金属はこれ
までそのホウ化物が金属ホウ化物基焼結体の結合剤とし
て通常使用されているものであって、Co、Fe、Niがあ
る。これらは単独で用いてもよいし、また２種以上組合
せて用いてもよい。

この結合剤用金属の添加量は、原料組成物全量に基づき
0.1〜５重量％の範囲で選ばれる。この量が0.1重量％未
満の場合には十分緻密化しないし、また５重量％以上で
は焼結時にセラミックス表面に発汗してしまい、これ以
上添加しても意味がない。

本発明においては、前記した（Ａ）成分と（Ｂ）成分と
から成る基本成分に炭化物、複炭化物、炭窒化物および
複炭窒化物の少なくとも１種を添加することが必要であ
る。

この炭化物としては、Ti、Zr、Hfの炭化物がある。

また、複炭化物としては、Ti、Zr、Hf、ＷとＣとからな
る複炭化物である。

また、複炭窒化物としては、Ti、Zr、HfとＣとＮとから
なる複炭窒化物である。炭素と窒素の原子比C/Nが1/9〜
９のものが好ましい。この原子比C/Nが９以上のものを
用いると複炭化物と同じ効果になる。また、1/9以下に
なると複窒化物となり添加効果がない。

また、炭窒化物としてはZr、Hf、Tiの炭窒化物であり、
炭素と窒素の原子比率C/Nは1/9〜９の範囲が好ましい。
これ以外の範囲になると炭化物や窒化物の添加と同様の
効果となる。

本発明のセラミックス、前記した各成分を平均粒径４μ
ｍ以下、好ましくは２μｍ以下に分級した原料を用いる
方が好ましい。また製造法は、これらの原料粉の混合物
を、これまで知られているホットプレス法、普通焼結
体、熱間静水圧焼結法によって製造することができる。

例えば、原料粉末混合物を型に充てんして0.5〜10ton/c
m²程度のプレス圧により冷間圧縮し、次いでラバープレ
スによりさらに0.5〜10ton/cm²程度の静水圧で形成す
る。もちろん、どちらか一方で成形してもよいし、また
泥漿法により成形してもよい。次に、このようにして得
られた圧粉体を真空中又はアルゴン、水素、二酸化炭素
ガスなど中性若しくは還元性雰囲気中において、1300〜
2000℃好ましくは1400〜1700℃の温度で30〜300分間焼
結する。さらに必要であれば、熱間静水圧焼結法によ
り、アルゴンガスなどによる2ton/cm²以下程度の圧力の
もとで1200〜1700℃で５〜300分間焼結する。この際、
圧粉体を金属缶中に入れることにより普通焼結工程を省
略することもできる。

また、別の方法によると、原料粉末混合物を例えば黒鉛
型などの型に充てんしたのち、真空中又はアルゴン、水
素、二酸化炭素ガスなどの中性若しくは還元性雰囲気中
において、ダイ圧力50〜300kg/cm²、温度1300〜2000
℃、好ましくは、1400〜1700℃の条件で、10〜200分間
加熱焼結する、いわゆるホットプレス法を用いて焼結す
る。

このようにして、各種切削工具として好適な金属ホウ化
物基セラミックスが得られる。

実施例次に実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に説明
する。

実施例１粒径４μｍ以下に分級してTiB₂ 95重量％、Co 1重量％
及びTiCN 4重量％から成る粉末混合物を、混合機により
十分に混合したのち、黒鉛型に充てんし、真空中、ダイ
圧力200kg/cm²、温度1600℃において60分間加熱焼結し
た。このようにして、靭性値（K₁C）3.5MPa^1/2、空隙率
0.3Vol％、硬度（Hv）2100kg/mm²の焼結体が得られた。

比較例１〜５ TiB₂に対し、TaB₂ 5重量％とNi 0〜６重量％を含み、炭
化物、複合炭化物、炭窒化物又は複合炭窒化物を含まな
い混合物を原料とし、真空中、ダイ圧力200kg/cm²、温
度1500℃において60分間加熱焼結させた。このようにし
て得た焼結体の物性を第１表に示す。

この表から明らかなように、（Ｃ）成分又は（Ｂ）成分
と（Ｃ）成分を欠くものは空隙率が大きく、緻密になら
ない。

実施例２〜５、比較例６ TiB₂に対し、TaB₂ 6重量％とCo 1重量％を含ませた混合
物に、TiCN 0〜６重量％を添加したものを原料として用
い、真空中、ダイ圧力200kg/cm²、温度1500℃において6
0分間加熱焼結させた。このようにして得た焼結体の物
性を第２表に示す。

この表から明らかなように、（Ｃ）成分を含まないもの
は空隙率が大きく密度が低くなる。

実施例６〜15 第３表に示す組成の原料を用い、実施例２〜５と同じ焼
結条件で焼結して得た焼結体の物性を第３表に示す。

発明の効果本発明によると、微細粉体を原料とした気孔のないホウ
化金属系セラミックスが得られ、安価な上に耐衝撃性に
優れた切削工具材や耐摩耗材料として用いることができ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菖蒲一久佐賀県鳥栖市宿町字野々下807番地１九州工業技術試験所内 (72)発明者甲斐由紀夫福岡県大牟田市浅牟田町３の１東京高級炉材株式会社技術開発研究所内 (56)参考文献特開昭60−165340（ＪＰ，Ａ) 特公昭61−50909（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（Ａ）TiB₂を主体とした六方晶系ホウ化物
から成る金属ホウ化物基本成分に対し、（Ｂ）結合剤用
金属成分としてCo、Fe及びNiの中から選ばれた少なくと
も１種を全重量に基づき0.1〜５重量％の範囲の量で、
また（Ｃ）Ti、Hf、Ｗ及びZrの中から選ばれた少なくと
も１種の金属の炭化物、複合炭化物、炭窒化物又は複合
炭窒化物の少なくとも１種を全重量に基づき0.1〜10重
量％の範囲の量で添加した混合物の焼結体から成る高密
度金属ホウ化物基セラミックス。