JPS6241306B2

JPS6241306B2 -

Info

Publication number: JPS6241306B2
Application number: JP55075336A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Nakai; Shuji Yatsu
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1980-06-03
Filing date: 1980-06-03
Publication date: 1987-09-02
Also published as: JPS56169748A

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
溶着し易す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
新らしいCBN焼結体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、珪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本発明に到達したものであ
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・高温装置ではこ
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、5a、6a族の炭化物、窒化物、炭窒化物と、
Alを含有する化合物及びCuを主体としたものを
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、靭性を有するCBNの焼結
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
結体について詳細を述べるが、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強靭性が不
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
入れ鋼をフライス切削するといつたような場合に
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−結合材の接合強度を
高める必要がありと考え鋭意研究を重ねた。その
結果、CBNの結合相が周期律表第4a、5a、6a族
金属の窒化物、炭化物、炭窒化物にAlの化合物
と、Cuより成るものを用いれば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周
期律表第4a、5a、6a族の炭化物、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、ｘ≦0.95のものを用いると焼結性は
改善されることがわかつた。特に周期率表第4a族の炭化物、窒化物を用いた
場合焼結性の改善は著しいものであつた。本発明
においてはCu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。この理由を調べるためにCuを含有
していない焼結体のＸ線回折像を調らべたとこ
ろ、結合材中の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
体を作成した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粒子や結合材界面に存在すると
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や結合材の界
面での接合強度を向上させることができたのであ
ろう。またＭとして周期律表第4aの遷移金属を用
いた場合、さらに良好な性能になるが、これは、
次の如く推測される。Cuは、焼結体中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）等の結合材との界面に均一に
侵入する。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は鈍金属
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
材中の重量で50％を超えると、Cu及び鉄族金属
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。また、１％未満ではCu添加の効果が現れな
い。また、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中に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
焼結体では結合材中にAl化合物を存在させるこ
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われるのは、添加Al量
が結合材中の重量で５％以上の場合である。また
Alの含有量が結合材中の重量で50％を越えると
結合材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、靭性のある結合相が
連結した相をなしているため焼結体の靭性は非常
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被削材の断続切削に適してい
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の場合焼結材の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結合材と
反応させて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である結合相の粒度は
１μ以下の極めて微細な結晶粒子からなる。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、靭性、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の含
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65％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TiN₀.₅₅粉末とAl粉末を重量％で各々70％、
30％の割合に混合したものを真空炉中で1000℃、
30分間加熱后粉砕して平均粒度0.3μの微粉末と
したものである。この結合材粉末をＸ線回折によ
つて調べたところTiN以外にTi₂AlN、TiAl₃、
TiAl等のTiNとAlの反応によつて生じた化合物が
検出され、金属Alは検出されなかつた。これは
TiN₀.₅₅のＮに対して相対的に過剰なTiが加えた
Alと反応して生じたものである。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CBNを容積で60％含有
し残部がTiNとAlを重量で３：１含む混合粉末を
塗布したWC−６％Co組成の超硬合金（外径10
mm、高さ２mm）を置いた後、0.30ｇ充填した。こ
の上に厚さ２μのCuを蒸着した超硬合金（外径
10mm、高さ２mm）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℃
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Cuを蒸着した超硬合
金を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摩した。光学顕
微鏡で観察したところ気孔もなく緻密な焼結体で
あつた。この焼結体はCBN含有の接合層を介し
て超硬合金に強固に接合していた。ビツカース硬
度計を用いて荷重５Kgで硬度を測定した結果約
3500の値を示した。またＸ線マイクロアナライザ
を用いて焼結体中の含有元素を調べたところ、
Cuが均一に含まれており、その量は結合材中の
重量の約３％であつた。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CBN、TiN、
AlN等があつたがTiB₂等のボライドはごくわずか
しか検出されなかつた。なおCuを含有しない焼
結体を同様にして製造し、生成物をＸ線回折によ
り調べたがこの生成物はCBN、TiN、AlNの他に
多量のTiB₂とAlB₂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用のチツプを作成し
た。被削材としてはＨ_RC60のSKD11ダイス鋼丸
棒を用いた。切削条件は速度100ｍ／min切り込
み0.2mm送り0.15mm／rev.で逃げ面摩耗巾が0.2mm
になるまで切削したところ、本発明焼結体は40分
切削りできたのに対し、Cuを含有しない焼結体
は23分であつた。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15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。

【表】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。この結合材粉末と
平均粒度３μ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製の容器にCBNを容
積で50％含有し、残部がTi（Ｃ・Ｎ）とAlを重
量で５：１含む混合粉末を塗布したWC−10％Co
組成の超硬合金を置き、その上に完粉とCuを
種々の膜厚で蒸着した超硬合金を置いてMo栓を
し、超高圧高温装置を用いて50kb、1250℃で20
分間保持した。各々の硬度測定結果を第２表に示
す。またこれらの焼結体は、中間接合層を介して
超硬合金母材に強固に接合していた。比較例とし
て挙げたＪ、Ｋ、Ｌ、Ｍのうち、CBNの含有量
の少ないＪは、耐摩耗性で劣る。一般的には、
CBNの含有量の増加に伴つて硬度は上昇するが
同じCBN含有量でもCuやAl量が多いＫ、Ｌ、は
Ｂよりかなり硬度が低い。さらに、Alの少ない
Ｍは、耐摩耗性で劣る。また本発明焼結体である
ABCDEFGHIの破面を観察したところこれらの
焼結体は全て、CBNが粒内破壊していた。次にこれらの焼結体を切断し超硬合金のスロー
アウエイチツプの一角にロウ付け后、加工して切
削チツプを作成した。切削性能を評価する為に、
先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HRc62のSKD11
ダイス鋼である。切削速度は200ｍ／分、切込み0.5mmとし、送り
速度を0.07mm／刃、0.12mm／刃、0.19mm／刃と順
次厳しい条件に上げて行き、焼結体の欠損状態を
調べた。なお比較のために市販の体積％で約90％の
CBNを含有しCoを主成分とする金属で結合した
焼結体と、焼結体Ｂと同じ組成でCuの含有しな
い焼結体Ｎの切削チツプも作成し、テストした。
本発明焼結体のABCDEFGHIは0.19mm／刃の送り
速度でも欠損しなかつた。一方市販のCoを結合
材とした焼結体は0.07mm／刃の送りでCuを含有
していない焼結体Ｎは0.19mm／刃の送り速度で欠
損してしまつた。また、これらの切削り用のチツプを用いて熱処
理後のSNCM9種の鋼（HRc₅₄）を用い切削速度
120ｍ／min.、切込み0.2mm送り0.15mm／rev.で切
削テストした。工具の逃げ面摩耗巾が0.2mmに達
するまでの切削り時間を第２表に示した。実施例３

【表】第３表の組成の結合材粉末を作成し、加熱処理
を施した。これらの結合材粉末と平均粒度５μの
CBN粉末を第４表に示したように配合した。次
にMo製容器に、上記完粉を充填し、この上に
WC−10％Co組成の超硬合金を置きMo製の栓を
してこの容器全体を超高圧装置に入れて焼結し
た。Ｘ線回折によりこれらの焼結体を調らべた
が、ボライドの発生は非常に少なかつた。さらに
これらの焼結体の硬度を測定した結果を第４表に
示す。これらの焼結体を用いてチツプを作成し、
チルド鋳鉄を用いて切削速度60ｍ／min、切り込
み0.5mm送り0.20mm／rev.の条件で30分間切削し
た。比較のため市販の体積％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。切削
後のチツプの摩耗を観察した結果も第４表に示
す。

【表】

【表】実施例４第５表に示す結合材粉末を作成し、加熱処理を
施した。これらの結合材粉末に平均粒度１μの
CBN粉末を体積でそれぞれ第６表に示したよう
に配合、混合した。次にMo製容器に上記完粉を
充填し、その上にWC−６％Co組成の超硬合金を
置き、Mo製の栓をして超高圧装置に入れ、焼結
した。Ｘ線回折によりこれらの焼結体の生成物を
調べたがボライドの発生は少なかつた。またこれ
らの焼結体の破面を観察したところ、どの焼結体
ともCBN粒子内で破壊しており粒界破壊してい
る個所は認められなかつた。さらにこれらの焼結
体の硬度測定結果を第６表に示す。

【表】

【表】実施例５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、この粉末を充てんした後、厚さ２μ
のCuを蒸着した超硬合金を置き、Mo製の栓をし
て、超高圧、高温装置を用いて焼結した。焼結体
の硬度はピツカース硬度で3600であつた。

【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平均粒度が10μ以下の高圧相型窒化硼素を体
積で30％以上80％以下含有し、残部の結合相が周
期率表4a、5a、6a遷移金属の炭化物、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
互固溶体化合物及びAlの化合物より成り、結合
相中のAlの含有量が重量で５〜50％で、かつ結
合材の結合粒子の大部分が１μ以下の微細粒子よ
り成り、さらに該結合相中にCuを１〜50重量％
含有し、残部が前記遷移金属の炭化物、窒化物、
炭窒化物の１種もしくはこれらの混合物、または
相互固溶体化合物から成ることを特徴とする工具
用高硬度焼結体。２上記結合相残部が、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、または相互固溶体化合物から成ることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の工具用高硬度
焼結体。３前記高圧相型窒化硼素が立方晶型窒化硼素で
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の工具用高硬度焼結体。４平均粒度が10μ以下の高圧相型窒化硼素粉末
と、周期率表4a、5a、6aの遷移金属の炭化物、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0.95以下
の化合物粉末とAl又はAlを含む合金又は化合物
粉末を混合し、これを粉末状もしくは型押成型
後、超高圧高温装置を用いて圧力20kb以上、温
度900℃以上で焼結させるとともに焼結体外部よ
りCuを焼結体内に浸入させることを特徴とする
高圧相型窒化硼素の含有量が焼結体中の体積で30
％以上80％以下含有し、残部の結合相がAlを重
量で５〜50％、Cuを重量で１〜50％含有し、結
合相の残部が前記遷移金属の炭化物、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
互固溶体化合物より成る工具用高硬度焼結体の製
造方法。５上記遷移金属であるＭがTi、Zr、Hfである
ことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の工
具用高硬度焼結体の製造方法。６上記高圧相型窒化硼素粉末として立方晶型窒
化硼素粉末を用いることを特徴とする特許請求の
範囲第４項記載の工具用高硬度焼結体の製造方
法。７平均粒度が10μ以下の高圧相型窒化硼素粉末
と、周期率表4a、5a、6aの遷移金属の炭化物、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0.95以下
の化合物粉末とAl又はAlを含む合金又は化合物
粉末とCu粉末を混合し、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、温度900℃以上で焼結することを特徴とする
高圧相型窒化硼素の含有量が焼結体中の体積％で
30％以上80％以下含有し、残部の結合相がAlを
重量で５〜50％、Cuを重量で１〜50％含有し、
結合相の残部が前記遷移金属の炭化物、窒化物、
炭窒化物の１種もしくはこれらの混合物、または
相互固溶体化合物より成る工具用高硬度焼結体の
製造方法。８上記遷移金属であるＭがTi、Zr、Hfである
特許請求の範囲第７項記載の工具用高硬度焼結体
の製造方法。９上記高圧相型窒化硼素粉末として立方晶型窒
化硼素粉末を用いることを特徴とする特許請求の
範囲第７項記載の工具用高硬度焼結体の製造方
法。