JPS5819737B2 - 工具用高硬度焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 立方晶型窒化硼化（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防用されており、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
防用されている。

このＣＢＮを金属で結合した焼結体は切削工具として防
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、被剛材金属が溶着し易すい為に工具が損傷す
るといった欠点がある。

本発明は、このような金属で結合した焼結体でなくミ高
強度で耐熱性に優れた硬質化合物を結合相とした工具用
途に適した新らしいＣＢＮ焼結体に関するものである。

ＣＢＮｉ高Ｎｉであるとともに高温下においても金属と
友応し難く、また高い熱伝導率を有する物質である。

これ等の特性は切削工具等の工具材の基本的な要求特性
でもある。

このようなＣＢＨの特徴を年かした焼結体を得る為には
、例えばＣＢＮ粉采のみを焼結することが考えられる。

しかしＣＢＮのみからなる焼結体を得る為には極めて高
い圧力と温度が必要であり、ダイヤモンド合成に用いら
れるような超高圧、高温装置を用いても装置の耐用回数
が制限され、現状では工業的な生産は困難である。

発明者等はＣＢＮに済当な結合材とな名物質を加えて工
業的に生産可能であり、且つＣＢＮの有する優れた特徴
をできる限り生かした焼結体を得ることを考え本発明に
到達した。

本発明あ焼結体ではＣＢＮに窒化アルミニウム（以下Ａ
′ｔＮと記す）を結合材として加える。

Ａ４Ｎはその純粋なものばＢｅＯに匹適する高い熱伝導
率添布し、また鉄属金属等の金属に対して高温でも反応
しない耐熱化合物である。

しかし比較的に高温下での蒸気圧が高く、その純粋なも
のは通常のホットプレスでは緻密な焼結体が得られ難く
、また硬度もマイクロビッカース硬度で約Ｌ２００程度
であり、アルミナやＷＣ，’ＴｉＣ等の工具材に用いら
れる他の化合物に比較すると低く、それ自体では工具用
途に適さない。

発明者等はＣＢＨに各種の化合物を加えた焼結体を試作
したが、ＡｔＮを加えた場合は小量の添加でもＣＢＮの
焼結性が著しく改善され、ＣＢＮの含有量が８０％以上
の緻密な焼結体が容易に得られることを見出した。

第１図はＣＢＮの含有量が異なる焼結体についてその硬
度を測定した結果である。

ＣＢＮは平均粒度３μのものを使用し、酸素含有量が重
量で０．９％のＡＡＮ粉末を混合して超高圧下で焼結し
て試料を作成したものである。

ＣＢＮ含有量が体積で８０％を越えると焼結体の硬度は
顕著に高くなる。

ＣＢＨの含有量が体積で７０％以下のものは硬度２２０
０程度である。

ＡＡＮの添加によってＣＢＮ含有量が犬である緻密で高
硬度の焼結体が得られる理由は次の如く考えられる。

ＡＡＮはＣＢＮに対して高温高圧下では変形し易すく、
焼結時にＣＢＮ粒間の空隙に塑性流動により浸入して緻
密化の役割を果す。

しかしこの作用ばＣＢＮより相対的に高温高圧下で変形
し易い他の物質についても言えることである。

ＡｔＮの特徴的な作用はこの他にあるものと考えられる
。

先ずＡＡＮは大方晶型窒化硼素をＣＢＮが安定な高温、
高圧下でＣＢＮに変換せしめる触媒作用を有すことが知
られている。

ＣＢＮの含有量が犬である粉末を焼結する際には高温、
高圧下における焼結時にはＣＢＮ粒子が相互に接触する
状態まで緻密化されたとしても粒子一つ一つを見ると静
水圧的な応力下におかれているわけではなく、接触点以
外の部分の圧力は低いものと思われる。

このように焼結時においてばＣＢＮ粒子の全体が等しい
圧力、温度下にあるわけではなく、その一部は大方晶型
窒化硼素へ逆変態することが考えられる。

例えば米国特許第３，２３３，９８８号においてはＣＢ
Ｎ粒子のみを超高圧下で焼結した場合、六方晶型窒化硼
素が焼結体中に残留していることが示されている。

発明者等の実験によってもこのことは確認されており、
前記した第１図に示したＡＡＮの含有量の異なる焼結体
と同−ＣＢＮ粉末を開用してＡｔＮを添加せず超高圧下
焼結したものは大方晶型窒化硼素が焼結体中に生成して
いることが検出された。

また本発明のＡＡＮを含むものには六方晶型窒化硼素は
検出されなかった。

このことからＡ４Ｎは焼結時においてＣＢＮの逆変態を
防止する作用を有しているとみられる。

更に発明者等ばＡＡＮを添加した焼結体について詳しく
調べた結果焼結体中の結合相として存在するＡ／ＬＮは
純粋なＡ、／、Ｎではなく、焼結時にＣＢＮと反応して
硼素Ｂを固溶した相であることを見出した。

調査の為原料粉末として粒径１００μ前後の粗粒ＡｔＮ
を用いてＣＢＨ粉と混合しこれを超高圧下で焼結した。

焼結体中の粗粒Ａ７Ｎ相についてオージェ電子分光分析
装置を用いて分析した結果ＡｔＮ相中にＢが存在するこ
とが確認された。

Ｘ線回折による調査ではＣＢＮとＡｔＮに相当する回折
線のみが検出され、焼結体中に存在するＡ４Ｎは結晶型
は純粋なＡｔＮと等しく、Ａ／、原子の一部をＢが置換
した構造のものと推定される。

またこの焼結体中におけるＡＡＮ相のマイクロビッカー
ス硬度を測定したところ、２，０００〜２，２００の値
を示した。

純粋なＡ／、Ｎのみの焼結体では硬度は１，２００程度
であり、この焼結体でばＡ７Ｎ相がＢを固溶することに
より硬度が上昇したものと考えられる。

このことは第１図に示したＣＢＮ含有量を変えた場合の
焼結体の硬度変化からも裏付けられる。

即ち結合相の硬度に大きく依存すると考えられるＣＢＨ
の含量が体積で７０％以下の焼結体の硬度はほぼ２，２
００の一定値に近づいている。

このようにＣＢＮは添加したＡｔＮと焼結時に反応する
。

このことによりまた焼結が促進されるものと考えられる
。

以上述べた如く本発明の焼結体ではＣＢＮの結合材とし
てＡＡＮを用いることにより、焼結性が著しく改善され
、ＣＢＮの有する工具材としての特性を生かした焼結体
が得られる。

更に焼結体の結合相であるＡ４Ｎ相はＢを固溶すること
によ虱硬度の高い化合物に転化し、高硬度の焼結体が得
られる。

切削工具等の工具材として使用される本発明の焼結体は
ＣＢＮの含有量が体積で８０％以上９９％以下のもので
ある。

８０％未満では第１図に見られるように硬度が相対的に
低く、工具としての性能も他の工具材に比較して顕著に
優れているとは言えない。

また９９％を越えると焼結性が悪くなる。

また焼結体中のＣＢＨの粒度が１０μ以下のものが工具
としての性能が優れている。

１０μを越えるとＣＢＮの含有量が９０％を越える焼結
体では焼結性が悪い。

また焼結体を切削工具として用いたときには被削材の面
粗度はＣＢＮ粒子の粒径が細いものほど良い結果が得ら
れる。

本発明の焼結体の製造に当って防用するＡ／ｌ、Ｎ原料
粉末は酸素含有量の少ないものを使用する必要がある。

実験によるとＡ４Ｎ中の酸素含有量が３％を越えると焼
結性が阻害される。

これは恐ら＜ＣＢＮとＡ、ｆｆＮの焼結時における反応
が抑制される為と考えられる。

また超高圧下で焼結する工程においてもできる限り粉末
が酸化することのないように脱気された密閉容器中にＣ
ＢＮとＡＡＮの混合粉末またはその型押体を封入して焼
結する必要がある。

超高圧下焼結に使用する装置はベルト型、ガードル型の
ダイヤモンド合成に用いられる超高圧装置である。

焼結における圧力、温度条件は第２図図に示したＣＢＨ
の安定領域で行なう。

ＡｔＮの添加量やＣＢＮ原料粉末の粒度等によっても異
なるが圧力は約４０ｋｂ以上、温度は約１，２００℃以
上で保持時間は５分以上で行なう方が好ましい。

尚本発明の焼結体の結合相中にはＢを含むＡｔＮ以外の
もの、例えばＦｅ 、Ｃｏ 、Ｎｉ 、Ｃｕ 等の金
属やＷＣ，ＴｉＣ，ＴｉＮ等周期律表第４ａ、５ａ、６
ａ族金属の炭化物、窒化物、硼化物やＡ４０３，８１３
Ｎ４等の耐熱耐摩耗性の化合物を含むものであっても良
い。

但しその量は本発明の焼結体の特性を大きく低下せしめ
ない範囲であり、結合相の体積割合でＡ７Ｎの量以下、
即ち５０％以下０．１％以上が好ましい。

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粉末と一３２５メツシュのＡ７Ｎ
粉末を第１表の組成に配合した。

尚Ａ／、Ｎ粉末の不純物酸素の含有量は０．９重量％で
ある。

溶媒としてアセトンを使用してボールミル混合後、粉末
を２ｔ／ｉで型押成型し直径１０ｍｍ厚さ１．５ｍｍの
ペレットを作成した。

この粉末をＴｉ製の容器に入れ、脱気後型子ビームによ
り溶接密閉した。

この容器をガードル型超高圧装置内に装入した。

圧力媒体としてはパイロフィライトを用い、加熱には黒
鉛ヒーターを使用した。

先ず圧力を５５ｋｂに昇圧し、次いで温度を１５００℃
に十−けた。

１０分間保持したのちに温度を下げ、降圧して試料を回
収した。

得られた焼結体をダイヤモンド砥石で研削後ダイヤモン
ドペーストでラッピングし、ビッカース硬度を測定した
。

測定荷重は１０ｋｇである。

結果は第１表及び第１図に示した。本発明の焼結体Ｆを
使用して切削加工用のバイトを作成した。

圧延ロールに用いられるショアー硬度８０のチルド鋳鉄
をこのバイトを用いて切削速度１ｏ ｏ ｍ／ｆ’ｒ、
切込み１ｍｍ、送り０．５ｍｍ／回転で切削した。

比較の為に市販のＣｏを主体とする金属を結合材とする
ＣＢＮ焼結体で作成したバイトを用いて同一条件でテス
トした。

本発明の焼結体Ｆを用いたものは２０分間切削してバイ
トの逃げ面摩耗中が０．２籠であった。

比較した市販のＣＢＮ焼結体は１０分で同一摩耗に達し
た。

実施例 ２ 第２表の組成に各粉末を配合した。

防用したＣＢＮ原料粉末及びＡｔＮ粉末は実施例１と同
一のものである。

実施例１と同様にして圧力５５ｋｂ、温度１４００℃に
２０分間保持して焼結体を得た。

各々の焼結体について荷重１０ｋｇで測定したビッカー
ス硬度を第２表に示した。

実施例 ３ 平均粒度１μのＣＢＮ粉末と酸素含有量１．９％の一３
２５メツシュＡ４Ｎ粉末を体積％で９５％。

５％の割合に配合し、湿式ボールミル混合した〇この混
合粉末を２ｔ／ｉの圧力で型押成型し、直径１０龍、厚
さ］、、５ｍｍのベレットを作成した。

実施例１と同様のＴｉ製容器に予じめ焼結された直径１
０１ｎｒ／Ｌ１厚さ３ｍｍのＷＣ−７％Ｃｏ超硬合金円
板を入れ、これに接して直径１０ｍｇ、厚さ５０μのＴ
ａ板を置き、その上ζこ前記型押体を重ねて置いた。

容器を脱気後密閉し、実施例１と同様にして圧力５５ｋ
ｂ、温度１５００℃で１０分間保持して焼結した。

回収された焼結体は厚さ約１ ｍｍのＣＢＮ焼結体の層
がＷＣ−７％Ｃｏ超硬合金の円板ζこ強固に接合されて
いた。

これを切断して断面を観察したところ、ＣＢＮ焼結体層
と超硬合金の接合界面はＴａＣの厚さ約５０μの層が介
在していた。

ＣＢＮ焼結体部を研摩してビッカース硬度を測定したと
ころ、硬度は４，２００であった。

【図面の簡単な説明】

第１図はＡＡＮを結合材とするＣＢＮ焼結体についてＣ
ＢＨの含有量と硬度の関係を示したものである。 第２図は本発明の焼結体の製造条件を説明する為のもの
でＣＢＨの圧力、温度相図上の安定存在領域を示す。 第２図中人は立方晶窒化硼素安定域、Ｂは六方晶窒化硼
素安定域である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 粒度１０μ以下の立方晶型窒化硼素を容積で８０％
   以上９９％以下含有し、残部が硼素を固溶した窒化アル
   ミニウムまたは更に体積割合で該窒化アルミニウムの５
   ０％、以下０．１％以上のＦｅ。 Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの金属や周期律表４ａ、５ａ、６ａ族
   金属の炭化物、窒化物、硼化物やＡ４！０３．Ｓｉ３Ｎ
   ４の耐熱性化合物を含む結合相からなる工具用高硬度焼
   結体。 ２ 粒度１０μ以下の立方晶型窒化硼素粉末と酸素含有
   量が重量で３％以下の窒化アルミニウム粉末、または該
   窒化アルミニウムの体積量５０％以下０．１％以上のＦ
   ｅ ｓ Ｎ ｉｓ Ｃｏ ｓ Ｃｕの金属や周期律表
   ４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、硼化物、Ａ
   ４０３，８１３Ｎ４から選ばれた耐熱性化合物粉末を混
   合し、これを粉状でもしくは型押成型後、容器内に密閉
   し、この容器を超高圧装置に装入し、立方晶型窒化硼素
   が安定な、圧力４０ｋｂ以上、温度１２００℃以上の超
   高圧、高温下において立方晶型窒化硼素と窒化アルミニ
   ウムを反応せしめると同時に焼結することを特徴とする
   立方晶型窒化硼素を容積で８０％以上９９％以下で残部
   が硼素を固溶した窒化アルミニウムまたは窒化アルミニ
   ウムを主体とし、この窒化アルミニウムに上記割合の上
   記金属寸たは上記化合物を含む結合相からなる工具用高
   硬度焼結体の製造方法。