JPS62983B2 - - Google Patents

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を合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を含有する化合物と、Cu及び鉄族金属の化合
物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等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及鉄族金属の化合物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、0.5≦×≦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。即ち、CBN
粒子との反応に寄付する余剰金属の存在が望まし
いが、ｘの値が0.5未満であると、遊離金属が過
剰に存在するため焼結体の硬度が低下する一方、
0.95を越えると、遊離金属が少なすぎるため、焼
結性の改善が見られないからである。 特に周期律表第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及び鉄族金属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及び鉄族金属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及び微量の鉄族金属を添加した焼結体を
作成し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及び鉄族金属を含有させて、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及び鉄族金属は、
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及びＭ―鉄族金属は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及び鉄族
金属は純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及び鉄族金属
の含有量が結合材中の重量で20％を越えると、
Cu及び鉄族金属がHC、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。一方、Cu及び鉄族金属の含有
量が１％未満であると、前述したボライドの生成
を抑制する効果が見られない。また、Cuと鉄族
金属の比率は１／２〜５の範囲が適当である。
１／２未満であると、Cuの含有率が少なすぎ
て、ボライドの発生を抑制することができず、一
方５を越えると、Cuが多くなり過ぎて焼結体の
硬度が低下するからである。 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30％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％〜30％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％以下
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加工に適している。 AlあるいはCu及び鉄族金属を添加する方法は
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及び鉄族金属を添加する方法は
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の場合結
合材の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及び鉄族金属の場合、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TiN₀.₈₃粉末とAl粉末を重量％で各々80％、
20％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Ti₃AlN、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
TiN₀.₈₃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9Cu―1Ni合金を蒸着した超硬
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―Niを
蒸着した超硬合金を高硬度焼結体が現われるまで
切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3200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、Niが均一に含まれており、そ
の量はCu、Ni合計で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及び鉄族金属を含有しない焼結
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が存在していた。これら２種類の焼結
体を用いて切削し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30分切削りで
きたのに対し、Cu及びNi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】 実施例１と同様にしてMo製容器に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8Cu―2Ni合金を
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、1280℃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CBNを含有する中間
接合層を介して超硬合金母材に強固に接合してい
た。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―Niの量が26％で
あるＥはＢよりかなり硬度が低い。これは焼結体
中に純CuやNiとして残存している部分があるた
めである。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が粒内破壊をしているのが観
察された。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及びNiの含
有しない焼結体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とCu及びNiを含有しない焼
結体は0.19mm／刃の送り速度になると欠損してし
まつた。 またBCE焼結体の切削用チツプを作成した。
被削材としては熱処理後のSNCM9種の鋼
（HRc54）を用い、切削り速度120ｍ／min、切込
み0.2mm、送り0.15mm／rev.で切削試験した。なお
比較のため市販の金属Coで結合した焼結体もテ
ストした。本発明による焼結体B.Cは工具逃げ面
の摩耗巾が0.2mmに達するまでにそれぞれ30分、
40分間切削可能であつたのに対し、Ｅは10分、
Co結合の焼結体は５分で同一摩耗巾に達した。 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３μの
CBN粒子を体積でそれぞれ第４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CBNを容積で50％含有し残部
がTiNとHfNとAlを重量で５：４：１含む混合粉
末を塗布したWC―10％Co組成の超硬合金を置
き、Mo製の栓をして、この容器全体を超高圧装
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ほとんどボライドは認めら
れなかつた。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。 またこれらの焼結体はCBNを含有する中間接
合層を介して超硬合金母材に強固に接合してい
た。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】 結体
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
調べたがボライドはほとんど認められなかつた。
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３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、この粉末を実施例１と同じ構成で充
てんした後、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 (1)

1. 【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
   期律表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％以上、30％以下
   でかつ、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及び鉄族金属
   元素を重量で１％以上、20％以下含有し、Cuと
   鉄族金属の比が1/2〜５であることを特徴とする
   工具用高硬度焼結体。 ２ 上記残部の結合相が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、及びAlの化合物より
   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、周期律表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で表したとき、ｘの値が0.5以上0.95以
   下の範囲の化合物粉末とAl又はAlを含む合金又
   は化合物粉末を結合材中のAlの重量で５〜30％
   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およ
   び鉄族金属あるいはこれらを含む合金または化合
   物を結合材中のCuおよび鉄族金属が１重量％以
   上、20重量％以下の範囲で1/2〜５の比率になる
   ごとく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％以下であ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
   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
   と周期律表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で表したときｘの値が0.5〜0.95の化合物粉
   末とAl又はAlを含む合金又は化合物粉末を結合
   材中のAlの重量で５〜30％とCu及び鉄族金属又
   はこれらを含む合金又は化合物粉末を結合材中の
   Cu及び鉄族金属の重量で１〜20％、比率で1/2〜
   ５の範囲になるごとく混合し、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％以下であ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。