JP4110339B2

JP4110339B2 - 立方晶窒化ホウ素焼結体

Info

Publication number: JP4110339B2
Application number: JP14136598A
Authority: JP
Inventors: 均角谷; 伸哉上坂
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2018-05-22
Also published as: JPH11335175A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は立方晶窒化ホウ素焼結体に関するもので、特に鉄系材料の切削工具として用いた場合に、耐摩耗性、耐欠損性に優れた立方晶窒化ホウ素焼結体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
立方晶窒化ホウ素（以下、ｃＢＮという）は、ダイヤモンドに次ぐ硬度を有し、熱的化学的安定性の高い物質であり、従来より鉄系材料の切削工具として用いられている。現在、切削工具として一般に用いられているｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮの粉末を、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｃｏなどの結合材を用いて超高圧下で焼結されたもので、焼結体には１０〜６０体積％程度の結合材が含まれる。
通常、上記ｃＢＮ焼結体の原料に用いられるｃＢＮ粉末は、六方晶窒化ホウ素（以下、ｈＢＮという）を、アルカリ金属やアルカリ土類金属の窒化物やホウ窒化物を触媒として、高温高圧下で変換して合成されたｃＢＮの単結晶である。
【０００３】
従来より知られている直接変換によるｃＢＮ多結晶体は、例えば特開昭４７−３４０９９号、特開平３−１５９９６４、特公昭６３−３９４号、特開平８−４７８０１号各公報に示されているように、結晶性のよいｈＢＮ（六方晶窒化ホウ素）やｐＢＮ（熱分解窒化ホウ素）を用いていたので、十分なｈＢＮ→ｃＢＮ変換を行うのに２１００℃以上の温度が必要で、その結果、多結晶体を構成するｃＢＮ粒子の粒径が３〜５μｍと大きくなり、粒子間の結合力も弱く、高温での強度は低い。すなわち、従来の方法では、高温下で高い強度を有するｃＢＮ多結晶体は得られない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ｃＢＮはへき開しやすく、また、触媒をインクルージョンとして含むため、強度があまり高くなく、特に高温下で強度が大きく低下してまう。このため、このようなｃＢＮ結晶を原料として作製された従来のｃＢＮ焼結体を切削工具として用いた場合、ｃＢＮ粒子の破壊、へき開によるマイクロチッピングなどにより工具刃先が摩耗したり、欠損（チッピング）しやすいという問題がある。ｃＢＮ焼結体の切削性能、寿命の向上のためには、原料のｃＢＮ粉末をより強靱なものとする必要がある。一部で研削用砥粒として用いられている多結晶体砥粒は、単結晶の砥粒より強度的にやや改善される。しかし、従来の多結晶砥粒は、構成する一次粒子の粒径が数μｍから数十μｍと粗く不揃いで、また、粒子結合が不十分であり、強度的に十分とはいえない。
本発明は、上記の問題を解決するために開発されたもので、高強度で、耐熱性に優れたｃＢＮ単相の多結晶体を作製し、それを粉砕して、ｃＢＮ焼結体の原料とし、耐摩耗性、耐欠損性に優れたｃＢＮ焼結体を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、直接変換によるｃＢＮ多結晶体作製において、出発物質に高純度化が可能な微粒もしくは低結晶性の常圧型ＢＮを用い、粒成長の起こらない温度範囲で変換焼結して、粒子同士の結合力、粒径及び未変換ｈＢＮ（圧縮型ｈＢＮとして焼結体内に残留）の残留量を制御した。その結果、従来にない高強度で耐熱性に優れた焼結体が得られることを見い出した。そして、この焼結体を粉砕したｃＢＮ多結晶体粉末を原料として、結合材を用いて、ｃＢＮ焼結体を作製し、切削工具として性能を評価したところ、耐摩耗性、耐欠損性とも従来のｃＢＮ焼結体に比べ、格段に優れた切削性能を有することがわかり、本発明に至った。本発明のｃＢＮ焼結体と従来のｃＢＮ焼結体のそれぞれの概念図を図１に示す。
【０００６】
すなわち、本発明は、（１）立方晶窒化ホウ素と、分散した結合材とからなる立方晶窒化ホウ素焼結体であって、該焼結体を構成する立方晶窒化ホウ素が、平均結晶粒径１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下の微細な立方晶窒化ホウ素の結晶からなる多結晶体であり、
（２）前記立方晶窒化ホウ素の結晶からなる多結晶体は、圧縮型六方晶窒化ホウ素を０．０１〜０．５体積％、好ましくは０．０１〜０．３体積％含むことを特徴とする立方晶窒化ホウ素焼結体、
【０００７】
（３）前記立方晶窒化ホウ素の結晶からなる多結晶体は、ホウ素と酸素を含む化合物を、炭素と窒素の存在下で還元窒化することにより合成された低圧相窒化ホウ素を出発物質として、高温高圧下で立方晶窒素ホウ素に直接変換させると同時に焼結させることで作製した立方晶窒素ホウ素単相の焼結体を粉砕することにより得られる多結晶体であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体、
（４）前記立方晶窒化ホウ素への直接変換は、ホウ素と酸素とを含む化合物の沸点以上の温度で、前記低圧相窒素ホウ素を非酸化性雰囲気で加熱したのち行われることを特徴とする上記（３）に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体、
【０００８】
（５）前記立方晶窒化ホウ素の結晶からなる多結晶体が結合し、その連続した多結晶体の粒界に結合相が分散していることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の立方晶窒化ホウ素焼結体、
（６）前記立方晶窒化ホウ素の結晶からなる多結晶体の含有量が、８０〜９５体積％、好ましくは８５〜９５体積％である上記（１）〜（５）のいずれかに記載の立方晶窒化ホウ素焼結体、
【０００９】
（７）前記結合相がＷ又は／及びＣｏを主成分とする化合物からなることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の立方晶窒化ホウ素焼結体、
（８）前記結合相がＡｌを、好ましくは１８〜３０重量％含むことを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の立方晶窒化ホウ素焼結体、
（９）前記結合相がＡｌを主成分とする化合物を含むことを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の立方晶窒化ホウ素焼結体、
【００１０】
（１０）ホウ素と酸素を含む化合物を炭素と窒素の存在下で還元窒化して低圧相窒化ホウ素を合成し、得られた低圧相窒化ホウ素を出発物質として高温高圧下で立方晶窒化ホウ素に直接変換させると同時に焼結し、得られた立方晶窒化ホウ素単相の焼結体を粉砕し、これを結合材と混合して超高圧・高温条件下で焼結することを特徴とする立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法、
（１１）前記立方晶窒化ホウ素への直接変換は、ホウ素と酸素とを含む化合物の沸点以上の温度で前記低圧相窒化ホウ素を非酸化性雰囲気で加熱した後に行うことを特徴とする上記（１０）に記載の立方晶窒化ホウ素の結晶からなる多結晶体の製造方法を提供するものである。
上記（４）及び（１１）における非酸化性雰囲気としては通常、窒素、アルゴン、真空等を用いるのが好ましい。また、上記（９）におけるＡｌを主成分とする化合物としてはＡｌＮ、ＡｌＢ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＳｉ、ＮｉＡｌ等が挙げられる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のｃＢＮ焼結体の原料となるｃＢＮ多結晶体粉末は、ｈＢＮ→ｃＢＮ直接変換法で、粒子同士の結合力、粒径及び未変換ｈＢＮ（圧縮型ｈＢＮとして焼結体内に残留）の残留量を制御することにより作製された高強度、耐熱性ｃＢＮ多結晶体を粉砕することにより得られる。
この高強度、耐熱性ｃＢＮ多結晶体の作製は具体的には、出発原料に高純度で微粒もしくは低結晶性の常圧相ＢＮを用い、粒成長の起こらない温度範囲でｃＢＮに直接変換焼結することにより行う。
【００１２】
ここで出発原料に用いる高純度で微粒もしくは低結晶性の常圧型ＢＮは、酸化ホウ素やホウ酸を、炭素や有機物で還元し、窒化させて作製されたものが好ましい。通常、常圧型ＢＮの合成方法として、酸化ホウ素やホウ酸をアンモニアと反応させる方法が一般に工業的に行われている。しかし、このようにして得られたＢＮは、高温で熱処理するとｈＢＮへ結晶化、もしくは粒成長する。このため、この方法により微細で低結晶性の常圧型ＢＮを合成しても、不純物の酸化ホウ素を除去するための高温精製処理（窒素ガス中２０５０℃以上、真空中１６５０℃以上など）を行うと、ｈＢＮに結晶化、粒成長してしまう。これに対し、酸化ホウ素やホウ酸を炭素と窒素の存在下で還元窒化させた常圧型ＢＮは、高温で熱処理しても結晶化しない特徴があり、したがって、この方法で微粒で低結晶性の常圧型ＢＮを合成し、窒素ガス中２０５０℃以上又は真空中１６５０℃以上などの高純度精製処理を行うことで、酸化ホウ素や吸着ガスのない直接変換焼結に非常に適した常圧型ＢＮが得られる。上記の還元窒化はメラミンのような窒素と炭素を含む化合物を用いて行うこともできる。
【００１３】
このｃＢＮ多結晶体の合成（焼結）条件は、圧力６〜７ＧＰａ、温度１５５０℃〜２１００℃が好ましい。特に焼結温度が重要で、低いとｃＢＮへの変換が十分でなく、高すぎるとｃＢＮの粒成長が進行し、ｃＢＮ同士の結合力が小さくなる。ｃＢＮの粒成長の起こらない焼結温度は、出発原料の結晶性、粒径により変化する。
【００１４】
上記の適切な焼結温度範囲で焼結したｃＢＮ多結晶体は、平均粒径１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下のｃＢＮからなる緻密な組織を有し、曲げ強度が高い。この多結晶体の破面を見ると、粒内破壊が支配的で、粒子同士の結合力が強いことを示している。１０００℃の高温でも強度が低下せず、むしろ室温より向上する傾向がある。高温下で、粒子内の転位の移動による塑性変形が起こり、それにより亀裂先端での応力集中が緩和され、破壊強度が向上すると考えられる。
【００１５】
一方、これにより高い温度で焼結した多結晶体は、平均粒径が１μｍを越え、破面を見ると主に粒界で破壊し、粒間結合が弱いことを示した。高温下ではさらに強度が低下、１０００℃では室温の約半分程度の強度となる。高温下では弱い粒界が更に弱化し、粒界で不均一な変形がおこるため、高温での強度が低下すると考えられる。
ここで、ｃＢＮ粒径のコントロールは直接変換焼結時の温度で行う。すなわち、１μｍ以下、特に０．５μｍ以下の微粒状態をコントロールするために、出発原料として微粒で低結晶性の常圧型のＢＮを用いそして低温域で直接変換焼結する必要がある。通常のｈＢＮやｐＢＮでは２１００℃以上にしなければｃＢＮに変換しないので１μｍ以下にコントロールできない。
【００１６】
また、このｃＢＮ多結晶体は０．０１〜０．５体積％の圧縮型ｈＢＮを含むのが特徴である。この程度の圧縮型ｈＢＮは多結晶体の強度に影響を及ぼさない。むしろ亀裂の進展を阻止し、靱性を向上させる効果がある。圧縮型ｈＢＮが０．０１体積より少ない多結晶体は靱性が低下し、０．５体積％を越えると、圧縮型ｈＢＮでの応力集中が大きくなり、強度が低下する。
こうして得られたｃＢＮ多結晶体は、微粒で、ｃＢＮ粒子同士が強固に結合して緻密な組織を有するため、高強度で、高温下でもその強度が低下することがない。１０００℃を越える温度では強度が向上するという従来のｃＢＮ焼結体にみられない特徴を有す。１０００℃以上の強度は、従来のｃＢＮ焼結体の強度の２倍以上となる。
この多結晶体を粉砕することで、従来のｃＢＮ結晶粒にない高強度で耐熱性の高いｃＢＮ多結晶粒が得られる。このｃＢＮ多結晶粒を切削工具用ｃＢＮ焼結体の原料とすることで、本発明の耐摩耗性、耐欠損性に優れたｃＢＮ焼結体が得られる。
本発明の焼結体組織はｃＢＮ多結晶体粉末の粒度、結合材の粒度及びそれ等の混合比率に応じて図１（ａ）に示されるように多結晶体の粒界に結合材が分散した相を形成している。このような焼結体を切削工具として用いると耐摩耗性、耐欠損性に優れた切削性能が得られる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例をあげ、本発明の効果を一層明らかにする。
（実施例１）
窒素雰囲気中で、酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）とメラミン（Ｃ₃Ｎ₆Ｈ₆）を反応させて微細なｈＢＮの粉末を合成し、さらに、窒素雰囲気中、２１００℃で２時間処理した。得られたｈＢＮ粉末は、平均粒度０．１μｍで酸素含有量は０．１重量％であった。このｈＢＮ粉末を６ｔｏｎ／ｃｍ²で型押し成形、この成形体を再度、高周波炉で、Ｎ₂ガス中、２１００℃で２時間処理した。
次にこの高純度化処理した試料をＭｏカプセルに入れ、ベルト型高圧発生装置で圧力６．５ＧＰａで１７００℃〜２１００℃の温度条件で１５分処理し、ｃＢＮに変換焼結した。
得られたｃＢＮ焼結体は表１に示す結晶粒子の大きさと圧縮型ｈＢＮを含む緻密な焼結体で、粒子同士が強固に結合した構造を有している。これらの焼結体を振動ミルで粉砕し、分級して、粒径２〜４μｍのｃＢＮ多結晶体粉末を得た。
次にＷ粉末を３２重量％、Ｃｏ粉末を５０重量％、Ａｌ粉末を１８重量％を混合し、これを超硬合金製ポット及びボールを用いて平均粒度１μｍ以下の結合材粉末を作製した。
【００１８】
これらのｃＢＮ多結晶体粉末と結合材粉末を体積比で９０対１０となるように混合し、混合粉末を作製した。次に、Ｍｏ製の容器にＷＣ−１０重量％Ｃｏ組成の超硬合金からなる円盤を挿入した後、これらの混合粉末を充填し、真空炉にて１０^-4Ｔｏｒｒ、１０００℃で１０分間加熱して脱気した。次にこの容器を超高圧・高温装置に入れ、圧力５３ｋｂ、温度１４００℃で３０分間保持して焼結体を得た。
次に、これらの焼結体の組織を走査型電子顕微鏡で観察したところ、ｃＢＮ多結晶粒子が相互に結合し、その粒界に結合材が分散していることが認められた。
【００１９】
上記各焼結体を切削加工用チップに加工した。これらの切削加工用チップを用いて、直径が１２０ｍｍ長さ３００ｍｍであり、外周面に軸方向に垂直な６本の溝が等間隔に形成された、ＨＢ２００のＦＣ３００種からなる丸棒を切削した。切削条件は、切削速度１０００ｍ／ｍｉｎ、切り込み０．３ｍｍ、送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ．、湿式である。溝で分割された外周面を１パスとし、刃先が欠損するまでの切削時間を表１に示す。
【００２０】
【表１】

【００２１】
（実施例２）
実施例１の焼結体で粒径０．５μｍ以下の結晶からなる焼結体を振動ミルで粉砕、分級して、粒径０．５〜２μｍのｃＢＮ多結晶体粉末を得た。
次にＷ、Ｃｏを主成分とした粉末に、Ａｌ粉末、ＷＣ粉末等を混合し、これを超硬合金製ポット及ボールを用いて、表２に示される組成を有する結合材粉末を作製した。
これらのｃＢＮ多結晶粉末と結合材粉末を表２に示す体積比で混合し、混合粉末を作製した。Ｍｏ製の容器にＷＣ−１０重量％Ｃｏ組成の超硬合金からなる円盤を挿入した後、これらの混合粉末を充填し、真空炉にて１０^-4Ｔｏｒｒ、１０００℃で１０分間加熱して脱気した。次にこの容器を超高圧・高温装置に入れ、圧力５３ｋｂ、温度１４００℃で３０分間保持して焼結体を得た。
上記各焼結体を切削加工用チップに加工した。これらの切削加工用チップを用いて、直径が１２０ｍｍ、長さ２００ｍｍであり、ＨＲＣ５８の耐熱合金インコネル７１８の丸棒を切削した。切削条件は、切削速度１５０ｍ／ｍｉｎ、切り込み０．１５ｍｍ、送り０．０８ｍｍ／ｒｅｖ．、湿式である。工具が欠損又は逃げ面摩耗が０．２ｍｍを超えるまでの切削可能な時間を表２に示す。
【００２２】
【表２】

【００２３】
（実施例３）
実施例１の焼結体で粒径０．５μｍ以下の結晶からなる焼結体を振動ミルで粉砕、分級して、粒径２〜６μｍのｃＢＮ多結晶体粉末を得た。
次にＡｌを主成分とする表３に示される組成を有する結合材粉末を作製した。Ｔａ製の容器に上記の多結晶ｃＢＮ粉末を充填した後、表３の組成比になる量の結合材粉末をｃＢＮ粉末の上に積層して充填した後、この容器を超高圧・高温装置に入れ、圧力５３ｋｂ、温度１４００℃で３０分間保持して焼結体を得た。上記各焼結体を切削加工用チップに加工した。これらの切削加工用チップを用いて、直径が１００ｍｍ、長さ３００ｍｍであり、ＨＲＣ６２のＳＫＨ５１種の丸棒を切削した。切削条件は、切削速度６０ｍ／ｍｉｎ、切り込み０．３ｍｍ、送り０．１２ｍｍ／ｒｅｖ．、湿式である。工具が欠損するまでの時間を表３に示す。
【００２４】
【表３】

【００２５】
【発明の効果】
本発明によると多結晶体を粉砕することで、従来のｃＢＮ結晶粒にない高強度で耐熱性の高いｃＢＮ多結晶粒が得られ、このｃＢＮ結晶粒を切削工具用ｃＢＮ焼結体の原料とすることにより、本発明の耐摩耗性、耐欠損性に優れたｃＢＮ焼結体が得られる。本焼結体は、特に鉄系材料の切削工具として用いる場合に、耐摩耗性、耐欠損性について優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明のｃＢＮ焼結体と従来のｃＢＮ焼結体の組織を示す模式図である。

Claims

立方晶窒化ホウ素と、分散した結合材とからなる立方晶窒化ホウ素焼結体であって、該焼結体を構成する立方晶窒化ホウ素が、立方晶窒化ホウ素の結晶からなる多結晶体であり、
この多結晶体は、平均結晶粒径１μｍ以下の微細な立方晶窒化ホウ素の結晶からなると共に、圧縮型六方晶窒化ホウ素を０．０１〜０．５体積％含むことを特徴とする立方晶窒化ホウ素焼結体。
前記立方晶窒化ホウ素の結晶からなる多結晶体は、ホウ素と酸素を含む化合物を、炭素と窒素の存在下で還元窒化することにより合成された低圧相窒化ホウ素を出発物質として、高温高圧下で立方晶窒素ホウ素に直接変換させると同時に焼結させることで作製した立方晶窒素ホウ素単相の焼結体を粉砕することにより得られる多結晶体であることを特徴とする請求項１に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体。
前記立方晶窒化ホウ素への直接変換は、ホウ素と酸素とを含む化合物の沸点以上の温度で、前記低圧相窒素ホウ素を非酸化性雰囲気で加熱したのち行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体。
前記立方晶窒化ホウ素の結晶からなる多結晶体が結合し、その連続した多結晶体の粒界に前記結合材が分散していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体。
前記立方晶窒化ホウ素の結晶からなる多結晶体の含有量が、８０〜９５体積％（８０体積％を除く）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体。
前記結合材がＷ又は／及びＣｏを主成分とする化合物からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体。
前記結合材がＡｌを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体。
前記結合材がＡｌを主成分とする化合物を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体。