JPS6060977A - 高硬度工具用焼結体 - Google Patents

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】 立方晶型窒化硼素（Ｃｕｂｉｃ　Ｂｏｒｏｎ　Ｎ１ｔｒ
ｉｃｌｅ以下ＣＢＮと略す）は高い硬度、優れた熱伝導
度を有するとノ（にρ１ＰＥＡにνへ鉄族金属との反応
性が少ないということから、その灯り粘体は切削用］二
具祠料として注目されている。

本発明者らは既にこのＣＢＨの優れた特徴を最大限に発
揮しうる工具焼結体を発明し、特エリ出願した。

この内の第１のものは、周期律表ＩＶａ、　Ｖｔ１＋　
Ｖｉａ族遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物、硅化物。

もしくはこれ等の相互固溶体化合物が連続相をなしてＣ
ＢＮ結晶を結合しているというものであり、耐熱性、耐
庁耗性に富むと共に、高温でも高い熱伝導性をｆ１ｆ持
し、”特にりＡ　？１＋７撃特性に；・１１む高硬度工
具用焼結体を提供したものである。

更に発明者らはこれらの焼ｘ、一体を用いて各１重の切
削試験を行ったところ、ＣＢＮは高速１隻鋼が用いられ
るような低速切削に於ても、その優れた耐溶首性の故に
極めて秀でた物質であることを発見し、コノ発見に基づ
イテＡ　Ｉ　２０３１　Ａ　Ｉ　Ｎ＋　Ｓ　ｒ　ｃ＋　
Ｓ　ｌ　３Ｎ４゜Ｂ２Ｏ又はこれらの混合物あるいはこ
れらの相方、化合物を主体としたものが連続相をなして
ＣＢＮ結晶を結合している＋１ア硬度工具用焼結体を特
ａ’ｌ出願した。

さて発明者等は、この第２の発明に基づ＜　ＣＢＮ＋Ａ
ｌ２Ｏ３焼結体を用いて更に詳細な研究を行った結果、
焼結体中のＣＢＮ、　Ａｌ２Ｏ３含有量のみでなく、焼
結体中のＡｌ２Ｏ３（ＩＩＧ）面のＣｕ　ｋ　ａ線のＸ
線回折における半価幅が工具性能と密接な関係を有して
いることを見出した。

本発明はこの発見に基づき出願するものである。

一般にＸ線回折において物質の半価幅は、その物質の結
晶粒度、歪あるいは他の物質との結合状態等に依存する
ものである。

さて第１図は、５０〜ＧＯｋｂの圧力下で焼結したＣＢ
Ｎ−Ａ］２０３焼結体中のＡｌ２Ｏ３（＋’１ｌｌｉ）
面の半価幅と３ｆｔ！を一温度の関係を示した図である
が、半価幅は焼結温度の上昇に伴ってＢ点までは一定で
あるが、以後減少して行く。即ちＡ−Ｂ間ではＣＢＮ−
Ａｌ２Ｏ３あるいはＡｌ２Ｏ３同志の反応がほとんと生
しないため半価幅の減少が見られないが、Ｂ−０間では
ＣＢＮ−Ａｌ２Ｏ３あるいはＡｌ２Ｏ３同志の反応が生
し焼結が進行して行くため、半価幅は減少して行くもの
と考えられる。しかし、Ｃ点より高温になるとＣＢＮ−
ＡｈＯ３あルイハＡ　Ｉ　２０３　同志ノ反応カ牛しる
ものＮ１はとんど半価幅の減少はみられなくなる。

一方、この第１図と同し焼結体を研削加」ニし、切削工
具として成形したものについて各種の被削材を切削した
ところ、第１図Ａ−Ｂの伶囲のもの即ち、？１′１°が
ｏ、６５°程度のものは焼ｘ１１１体Ｒ’（子がボロボ
ロと脱落して行くような摩耗状態を？し、１つ一定時間
切削後の摩耗量もがなり人であった。

またＢ−Ｃのものは（即ち半価幅ｏ、６°以下のもの）
これに比して、摩耗量も少なくＩ￥ｉ［而も比較的ｌ；
１らかて粒子が脱落したような形跡は認められなかった
。しかしながらＢ−Ｃの１ｌｉｉｊ　Ｉ川内のものをも
う少し詳しく調べてみると、半価幅が０．３°→０．２
°と減少するにつれて１１ｉＩ′ｔ［は増大し、特にゝ
１′１１°が０．１４°以下のものは０．２°のものに
比し、がなり摩耗量は大であった。また、次に第１図中
の焼結体（ａ）とそれと同し半価幅を有するが、第１図
のものとは異なるＡｌ２Ｏ３原ｔ１扮末を用いて、やは
り５０ｋｂの圧力下で焼結した焼結体（１〕）の切削性
能を比較したところ両者はほと同一性能であった。

さて、この半価幅と工具性能との関係が細何なる原因に
よるものかは必ずしも明確ではないが、次のように推定
できる。

半価幅が０．６５°程度で焼結温度によって変化しない
Ａ−Ｂ間のものは先にも述べたようにＡｌ２０３−Ａｌ
２Ｏ３，Ａｌ２０３−ＣＢＨ間の焼結が殆んど進んでい
ないため、切削工具として用いても粒子が脱落して行く
ような厚１［を呈し、１ρｔＬ■も多くなる。一方Ｂ−
Ｃ間では焼結が進行して行くため、半価幅は減少し、０
．ＧＯＯ°以下になると実用上良好な工具性能を得るこ
とができる。一方、焼結現象とともにＡｌ２Ｏ３の粒成
長も同時に進行するため、半価幅０．２００°以下では
却って工具性能が低下するものと考えられる。また、こ
のＣＢＮ−Ａ　１２０３１１結体ではＣＢＮ−Ａｌ２Ｏ
３界面に反応生成物（例えばＡｌＢ２゜ＡＩＢＯｘなど
）が生じ、焼結温度が」１昇するにつれてこの反応物が
増加し、これが脆いため切削中にＣＢＮ粒子が脱落しや
すくなるといったことも考えられる。

従って、本発明のｉＪｔ結体粘体能を十分発揮させるた
めには、焼結体中のＡｌ２Ｏ３（ＩＩＧ）面ノＣｕＫｃ
ｒ線のＸ線回折による半価幅がｏ、Ｂｏｏ°〜０．２０
０°の荀囲になければならない。また、焼結体の性能を
向上させるにはできる限り＠粒な焼結体とすれば良いの
は公知の事実であるが、このためには原料粉末の粒度を
細かくする必要がある。特にＣＢＨの種々の粒度につい
て焼結体を作成し、試験した結果ＣＢＮの粒度が５μ以
下のものはｕ１４常に良い工具性能を示すことがわかっ
た。更に、各種の被削材についての切削性能試験の内、
鋳鉄材１１に対しては焼結体中のＣＢＮの含有♀が体積
％で２θ〜５５％のものが特に優れていた。

本発明の焼結体を切削工具として使用する場合耐１ｖ耗
性に富んだＣＢＮ含仔硬質層が上置刃先を形成しておれ
ば良い。

従ってこの硬質層を超映合金を１２ノ祠としてその上に
接合した複合焼モ一体とする方が、経済性及び工具の強
度等の而からみてずｆ利である。複合焼結体における硬
質層の厚みは、切削工具としての仲用条件とそれに応じ
た工具形状によって変える必要があるが、一般的には０
．５■以上の厚みがあれば本発明の焼結体の場合は充分
である。

母材となる超硬合金は剛性が高く、且つ熱伝導性が良く
、靭性も優れているＷＣＣ超超硬合金好ましい。このよ
うな複合焼結体を得る方法は、予め超硬合金で所定の形
状の母材合金を作成しておき、これに接して工具刃先と
なる硬質層を形成するＣＢＮとＡｌ２Ｏ３の混合粉末を
、粉状でまたは型押成型して置き、この全体を超高圧装
置内でホントプレスして硬質層を焼結せしめると同時に
、これと母材超硬合金とを接合する。

このとき超硬合金Ｉ月利はＧｏ等の金属を結合相として
含をしており、ホットプレス時にこの結合金属の液相出
現温度を越えると結合金属は溶融する。硬質層形成粉末
のＣＢＨの含を量が本発明の焼結体の場合より多く、例
えばＣＢＮのみからなるような場合はＣＢＮ粒子が極め
て剛性が高く変形し難い為、超高圧−ド、においても粒
子間に隙間を有しており、この隙間に前述した母材超硬
合金の液相が浸入してしまう。ところが本発明の焼結体
ではＣＢＨの結合材としてＡ　Ｉ　２０３を用いており
、これが焼結体中で連続した結合相を形成するものであ
るが、Ａｌ２Ｏ３はＣＢＮに比較して剛性が低く、超高
圧下では加圧時に変形して母材超硬合金に液相が生ずる
以前に殆んど隙間を何しない圧粉体となっている。この
為本発明の焼結体では超高圧下でのホットプレス中に母
材超硬合金に生しだ液相が硬質層中に浸入して、硬質層
の組成が変動したり、耐１ｖ耗性が低下することはない
。

さて、このＡｌ２Ｏ３とＣＢＮの複合焼結体を製造する
方法は、先ずＣＢＮ粉末と、このＡｌ２Ｏ３粉末をボー
ルミル等の手段を用いて混合し、これを粉状でもしくは
常温下で所定の形状に型押成型し、超高圧装置を用いて
高圧、高温下で焼結する。用いる超高圧装置はダイヤモ
ンド合成に使用されるガードル型、ベルト型等の装置で
ある。発熱体には黒鉛円筒を用い、その中にタルク、　
Ｎａｃｌ等の絶縁物をつめてＣＢＨの混合粉末型押体を
包む。黒鉛発熱体の周囲にはパイロフェライ］・等の圧
力媒体を置く。焼結する圧力、温度条件は第２図に示し
た立方晶型窒化硼素の安定領域内で行うことが望ましい
が、この平衡線は必ずしも正確には分っておらず、一つ
の目安にすぎない。なお、第２図中（Ａ）は立方晶型窒
化硼素安定域、（Ｂ）は六方晶型窒化硼素安定域をそれ
ぞれ示している。

本発明による焼結体の非常に注目すべき、また本発明を
作用ならしめる特徴として前記Ａｌ２Ｏ３の耐熱性化合
物が焼結体組織上で連続した相をなすことが挙げられる
。即ち、本発明の焼結体では強靭な耐熱性化合物が、あ
たかもＷＣ−Ｃｏ超硬合金中の結合相である全屈Ｃｏ相
の如く、高硬度のＣＢＮ粒子間の隙間に侵入して連続し
た結合相の状態を呈し、このことにより焼結体に強靭性
が付与せしめられたものである。

本発明による焼結体中のＣＢＮ相量の下限は体積で２０
％までとある。これ以下ではＣＢＨの特徴を生かした工
具としての性能が発揮されない。特に、鋳鉄切削におい
てはＣＢＮの含仔量が体積で５５〜２０％のものが非常
に優れた性能を示す。

工具材用として考えた時、特に切削工具用途では、焼結
体の結晶粒の大きさは、前述した如く数ミクロン以下が
望ましい。数ミクロンまたはミクロン以下の微粉は、か
なり多量の酸素を含イｆしている。一般に、この酸素は
粉末表面に、はト水酸化物の形に近い化合物の形で存在
するのが大部分である。この水酸化物の形に近い化合物
は加熱時分触１してガスとなって出てくる。ｊｆ＆　＃
ｉ’ｉされる物質が密封されていない時には、このガス
を系外に出すのは困離ではない。

しかし本発明の如く、超高圧下で焼結する場合には、発
生したガスは、加ｒＥＪｊ系外に脱出するこきは殆んど
不可能である。一般にか＼る場合には、予め脱ガス処理
をする事が粉末冶金業界−Ｃは常識であるが脱ガス処理
ｌＫｋ　＋Ｕが十分高く出来ない場合には間１芭である
。本件は、まさにそれに当る。即ち、ＣＢＮの低圧相へ
の変態を考えると加ｆＪζ温度に」１限がある。

微粉末の脱ガス過程としては、温度と共にυこの各段階
がある。まず低温では物理吸着しているものと吸温水分
が除去される。次いで化学吸着しているもの及び水酸化
物の分Ｍが起る。最後に酸化物が残る。ＣＢＨの場合夏
０００℃位までは安定であるので、最低でもこの温度位
には予め加熱できる。

従って、予め脱ガス加熱すれば残留ガス成分は酸化物の
形で残っていると考えてよい。逆に言えばガス成分はな
るべく焼結体中に残した（ないのだから、水および水素
を全て除去することは予備処理として行うのが好ましい
。

本発明では、この考えの下に全て１０００℃以」二の脱
ガス処理を真空中てしている。また、本発明によるクプ
を粘体ではＣＢＮの合成に使用され、高温、高圧下で六
方晶型窒化硼素及びＣＢＮに対して溶解性を佇すると信
しられる元素、例えばＬｉ等のアルカリ金属９Ｍｇ等の
アルカリ土類金属、　Ｐ、　Ｓｎ、　Ｓｌ）。

ＡＩ＋　Ｃｄ、　ＳｉあるいはＭｇＯ，ＡＩＮなどの化
合物を添加物として含むものであっても良い。

本発明の焼結体の原料として使用するＣＢＮは六方晶型
窒化硼素−を原料として超高圧下で合成されたものであ
る。従ってＣＢＮ粉末中には不純物として六方晶型窒化
硼素が残イ１している可能性がある。

また、超高圧下で焼結する場合においても、＆＋−合月
がＣＢＨの個々の粒子間に侵入するまではＣＢＮ粒子は
外圧を静水圧的に受けておらす、この間の加ｐ６によっ
て六方晶型窒化硼素へ逆変態を起す可能性もある。この
ような場合に１１１１記したへ方品型窒化硼素に対して
触媒作用を有する元素が混合扮宋中に添加されている表
、この逆変態を防市する効果があると考えられる。

本発明による焼結体は高硬度で強￥ノ目１１をイ】シ、
耐熱、耐）￥耗性に優れており、切削工具以外に線引き
ダイスや皮９すぎダイス、ドリルピット等のＩＶ↓用途
にも適したものである。

以下、実施例を述へる。

実施例は全て立方晶型窒化硼素（ＣＢＮ）を原１゛１と
しているが、ＣＢＮの一部をウルツ鉱型窒化硼素（ＷＢ
Ｎ）又はダイヤモンドにｉ＆き換えても、はと同様の結
果が得られる。

実施例１ 平均粒度２μのＣＢＮ粉末き平均粒度１　／ｌのＡｌ２
Ｏ３粉末とを体積でそれぞれ４５％、５５％の割合に配
合し、乳鉢で充分混合した。この粉末をステンレス製の
内径１０．０ｗ、外径１４．０ｍｍの底付きの容器に充
填し、外径９．９１で厚さ３ＷＩＩＩのＷＣ−１５％Ｃ
Ｏ合金の円板をその上に置いた。更にその上に一１００
メッシュ＋２００メノンユの鉄粉を型押した外径１０．
０ｍｍで厚さ２關の通気性を有する型押体を置き、ステ
ンレス製円筒に栓をし、この」二に純銅板をのせ、全体
を真空炉に入れて１０−’ｔｏｒｒの真空下で１０００
°Ｃに加熱し、１時間保持して脱ガスした後、温度を１
１００°Ｃに昇温し１０分間保持し、銅をａ、圧粉体中
に含浸させ原料粉末を気密な状態に保った。

これをガーｌ″ル型超高圧装置に装入した。圧力媒体と
してはパイロフェライトを、ヒーターとしては黒鉛の円
筒を用いた。なお、黒鉛ヒーターと試料の間はＮａＣｌ
を充ＩＱ　シた。先ず圧力を５５ｋｂに」−げ、のちに
４１λ度を１１００°Ｃに」二げ、２０分間保持したち
温度を下−げ、圧力を除々におろした。得られた焼結体
は外径約Ｉ　Ｏ＋ｉｍ−、厚さは約１ｍｌ１でＷＣ−１
５％ＣＯ超硬合金に強固に付着したものであった。

これをダイヤセン１！砥石で甲面に研削し、史にダイヤ
モンドのペーストを用いて研磨した。研磨前を光学顕微
鏡を用いて観察したところＡｌ２Ｏ３がＣＢＨ間に侵入
し、完全に緻密な組織のりプを粘体てあった。焼結体の
Ａｌ２Ｏ３（ＪＩＧ）面のＣｕ　Ｋａ線の回折による半
価幅を測定すると０．５２５’であった。また、焼結体
の硬度をマイクロビ・ノカース硬度計を用いて１ｌｔｌ
＋定した。硬度の平均値は３４００てあった。

焼結体をダイヤモンド切断刃を用いて切断し、切削チッ
プを作成し、これを銅の支持体にロウ付けした。

比較のためにＪＩＳ分類Ｉ（１０の超硬合金で同一形状
の切削］−只を作成した。被削ＨにはＦｅ１２（ｉＴｊ
のタノ１υ、を用いた。被削材の硬度はＨ＋ｕ＋２２０
である。

切削条イ１１はリノ削速度１００ｍ／　ｍｍ　、切込み
０．２ｍｍ＋送り０　、　Ｉ　ｎ＋Ｉｌ／　Ｉ’　ｅ　
Ｖとした。この条（’ｌで切削試験しｔコところＫＩＯ
による被削面粗さはＩ　５　ｔｈｎ　Ｒｍａｘであった
のに対し、本発明による合金は４　ｕｍ　Ｒｍａｘであ
り、１２０分切削後も６μｍ　Ｒ＋口ａＸとや＼悪化し
た程度であった。又、切削後の工具刃先を観察したとこ
ろ、ＫＩＯでは工具すくい面上に強固な刃先滞留物があ
ったが、本発明焼結体では全く認められなかった。

実施例２ 第１表の組成にＣＢＮ粉末とＡｌ２Ｏ３粉末を混合した
。使用したＡｌ２Ｏ３粉末の平均粒度は１μであった。

これらの混合粉末を実施例１と同様に前処理を行った後
、超高圧装置を用いて第１表の条件で焼結した。加熱保
持時間はいずれも２０分である。

第　１　表 これらの焼結体のＡｌ２０３（目６）面のＣｕ　Ｋａ線
の回折による半価幅を測定した結果と、切削試験の結果
を第２表に示す。なお、切削試験としては被削材ＦＣ２
５種の鋳鉄材で硬さＨＲ［１２５０，外径＋５０■、内
径７０＋１１１１のパイプ状のものを用い、切削速度４
００ｍ７　ｍｍ　、切込み０．１１１１１１．送り０．
１５１１１１１１　／　ｒ　ｅＶて１５分比較のため市
販のＡｌ２Ｏ３を主成分としたセラミソク工具（自セラ
ミック）及びＴｉＣを含むＡｌ２Ｏ３セラミノク工具（
黒セラミック）の試験結果も第２表に付は加えた。Ａ（
２０３（ＩＩＧ）面の半価幅がｏ　、　ｅ　ｏ　ｏ’〜
０．２００°にある本発明焼結体は優れた切削性能を仔
することがわかった。

実施例３ 平均粒度１μのＡｌ２Ｏ３粉末に重量で平均粒度１μの
ＭｇＯ粉末を２％加え、これに平均粒度４μのＣＢＮ粉
末を体積％で５θ％配合した。この混合ｆ５）末にカン
ファーを２％加え、外径１０ｍｍ、晶さ１．５＋＋＋ｉ
に型押成型した。これをＭｏ製の容器に入れ脱ガスした
後、実施例１と同様にして焼結したところ、外径１０ｍ
ｎ、厚さ１龍の焼結体を得ることができた。

但し、焼結時の圧力は５０ｋｂで温度は１３００℃とし
た。この時のＡｌ２Ｏ３（１１８）面の半価幅は０．３
８０であった。焼結体をダイヤモンド切断刃を用いて切
断し、切削チップを作成し、市販のＡ’１２０３主成分
のコールドプレスセラミソクエ只と切削性能を比較した
。被削材としてはＦＣ２０を用い、切削速度４００ｍ／
分、切込み２　＋１１１１．送り０．３６ｍｍ／回転で
３０分切削した。市販セラミックの逃げ面摩耗幅が０．
３０吐であったのに対し、本発明焼結体のそれは０．２
０璽鶴であった。

実施例４ 平均粒度１μのＡｌ２Ｏ３粉末に重量で平均粒度０．５
μのＡＩＮ粉末を１０％加え、これに平均粒度５μのＣ
ＢＮ粉末を体積％で４５％配合した。これをＭｏ製の容
器に入れ脱ガスした後、実施例１と同様にして圧力５５
ｋｂ、ｉ’Ｕ度１２５０℃で焼結した。焼結体中のＡｌ
２Ｏ３（ＩＩ［ｉ）面の半価幅をＣｕ　Ｋａ線の回折に
より１ｊｌｌｌ定した結果０．４００°であった。この
焼結体をダイヤモンド切断刃を用いて切断し、切削チッ
プを作成しＦＣ３５を切削速度３０Ｇ＋ｎ／分、切り込
み１關、送り０．３６ｍｍ／回転で１５分間切削した。

比較のためＴｉＣを含イｊしたＡｌ２Ｏ３セラミックも
切削テストした。その結果、市１ｕのセラミックの逃げ
面摩耗幅が０．４５ｍｍに対し、本発明焼結体のそれは
Ｏ，ＩＯｎ＋１１であった。

【図面の簡単な説明】

第１図は５０〜Ｇｏ　ｋｂの圧力下で焼！−，シたＣＢ
Ｎ−Ａｌ２Ｏ３（Ｊ’６結休粘体結温度と焼結体中のＡ
ｌ２０３（１１６）面のＣｕ　Ｋ　ａ線のＸ線回折にお
けるゝＦ　４１１ｉ幅の関係を示したものであり、図中
（ａ）は１２００″Ｃｉｆｔ結のもの、（ｂ）は使用す
るＡｌ２Ｏ３原料粉末を変え、１０８０℃で焼結したも
のである。 第２図は本発明焼結体の製造条件に関するもの　：介１
図 ＃剌温度（６Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、立方晶型窒化硼素を体積％で５５〜２０％含有し、
   残部がＡｌ２Ｏ３からなり、この残部が坑粘体ｉｌｌ織
   中で連結した相をなす焼結体において、焼結体中のＡｌ
   ２Ｏ３結晶のＣｕ　Ｋａ線のＸ線回折における（＋１［
   ｉ）面の半価幅が０．ＧＯＯ°〜０．２００°の範囲に
   あり、かつ立方晶型窒化硼素の粒度が５ミクロン以下で
   あることを特徴とする高硬度コニ具用ブ１１粘体。 ２、０．５＋ｉｍ以上の厚みで、超硬合金よりなる合金
   に直接接合されている特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の高硬度工具用焼結体。