JP5002886B2

JP5002886B2 - 立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法

Info

Publication number: JP5002886B2
Application number: JP2004203709A
Authority: JP
Inventors: 均角谷; 高志原田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: JP2006021977A

Description

本発明は、立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法に関し、特に、鉄系材料の切削加工に用いることができる、高硬度かつ高強度で熱的特性に優れた立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法に関する。

立方晶窒化ホウ素（以下ｃＢＮと称す）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、従来から鉄系材料の切削工具として幅広く用いられている。

ｃＢＮ粒子（粉末）を単独で直接焼結することは非常に困難であるため、一般に切削工具として用いられているｃＢＮ焼結体は、Ａｌ，Ｃｏなどの金属、ＴｉＣやＴｉＮなどのセラミックスをバインダとして用いてｃＢＮの粉末を超高圧下で焼結して製造されている。

このため一般に市販されているｃＢＮ焼結体には１０〜４０体積％程度の上記バインダが含まれる。このバインダが、焼結体の強度、耐熱性、熱放散性に大きく影響を与え、特に鉄系材料を高速で切削加工する場合に、刃先の欠損や亀裂が生じやすく、工具としての寿命が非常に短くなる。焼結体にバインダが含まれている限り、このような問題は避けられない。

一方、バインダを含まないｃＢＮ焼結体として、ホウ窒化マグネシウムなどの触媒を用いて六方晶窒化ホウ素（以下、ｈＢＮと称す）を原料として、反応焼結させた焼結体がある。この焼結体はバインダがなくｃＢＮ粒子が強く結合しているため熱伝導率が６〜７Ｗ／ｃｍ℃と高く、ヒートシンク材やＴＡＢボンディングツールなどに用いられている。

しかし、この焼結体の中には触媒がいくらか残留しているため、熱を加えるとこの触媒とｃＢＮとの熱膨張差による微細クラックが入りやすい。このため、その耐熱温度は７００℃程度と低く、切削工具としては大きな問題となる。

また、粒径が１０μｍ前後と大きいため、熱伝導率が高いものの、強度が十分でなく、負荷の大きい断続的な切削には対応出来ない。

ｃＢＮは、ｈＢＮなどの常圧型ＢＮを超高圧高温下で、無触媒で合成（直接変換）することが可能である。このｈＢＮからｃＢＮに変換すると同時に焼結させることで、バインダを含まないｃＢＮ焼結体を作製できることが知られている。

たとえば、下記特許文献１や下記特許文献２にはｈＢＮを超高圧高温下でｃＢＮに変換させ、ｃＢＮ焼結体を得る方法は示されている。しかし、十分強固な焼結体を得るためには、圧力を７ＧＰａ、温度を２１００℃以上の厳しい条件が必要とされ、工業生産するには、コストや生産性に問題がある。

また、下記特許文献３や下記特許文献４には、熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）を原料にして、ｃＢＮ焼結体を作製する方法が示されている。この場合も強固なｃＢＮ焼結体を得るためには、２１００℃以上の温度を要し、上記と同様の問題があるほかに、原料ｐＢＮは極めて高価あること、圧縮ｈＢＮが残留しやすいこと、配向（異方）性が強くて層状亀裂や剥離の問題が生じやすいことなどの問題がある。

よりマイルドな条件で直接変換によりｃＢＮを得る方法として例えば、下記特許文献５に、平均粒径が３μｍ以下の六方晶系窒化ホウ素粉末を原料とする方法が示されている。これにより圧力を６ＧＰａとし、温度を１１００℃とする条件下でｃＢＮが得られるが、六方晶窒化ホウ素粉末が微粉であるため、数％の酸化ホウ素不純物や吸着ガスを含み、そのため焼結が十分に進行せず、また、酸化物を焼結体内に多く含むため、高硬度、高強度で耐熱性に優れた焼結体が得られず、切削工具に用いることができない。

また、下記非特許文献１には、ｃＢＮの粉末を高温・高圧で直接焼結するには７．７ＧＰａ以上、２３００℃以上の非常に高い圧力温度条件が必要であることが記載され、これは、コストや生産性に問題があった。

非常に高い圧力温度が必要であるのは、次の理由による。すなわち、ｃＢＮが非常に高硬度で、かつ融点が高いため、緩い圧力温度では、原子拡散が不十分となり、十分強固な粒子間結合が得られなくなること、および、原料のｃＢＮ粒子の表面には酸化ホウ素の膜や酸素を含むガスが吸着されており、この酸化物や吸着ガスは焼結の進行を少なからず妨げること、である。これらの理由により、ｃＢＮ多結晶体を得るためには、非常に高温高圧条件を必要とする。
特開昭４７−３４０９９号公報特開平３−１５９９６４号公報特開昭６３−３９４号公報特公平８−４７８０１号公報特公昭４９−２７５１８号公報Ｔ．Ｔａｎｉｇｕｃｈｉ，Ｍ．Ａｋａｉｓｈｉ，Ｓ．Ｙａｍａｏｋａ，Ｔｈｅ３ｒｄＮＩＲＩＭＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ（ＩＳＡＭ’９６），２７５−２８０頁

本発明は上記従来の技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、バインダを用いず、穏和な条件下で製造可能な、高硬度かつ高強度の立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法を提供することである。

本発明は、立方晶窒化ホウ素粉末よりなる原料に、炭素および水素からなる化合物を添加して、所定の圧力および所定の温度条件下で処理して、焼結体からなる立方晶窒化ホウ素多結晶体を製造する方法であって、前記所定の圧力は３ＧＰａ以上の圧力であり、前記所定の温度は１４００℃以上の温度であることを特徴とする立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法を提供する。

好ましくは、前記化合物は、前記所定の圧力および前記所定の温度条件下において、立方晶窒化ホウ素粉末の周囲環境に、炭素遊離基および水素遊離基として存在する。

好ましくは、前記化合物は、窒素をさらに含む。

好ましくは、前記化合物は、アミノ基および／またはシアノ基を有し、かつ前記所定の圧力および前記所定の温度条件下において揮発性である。

好ましくは、前記化合物は、前記所定の圧力および前記所定の温度条件下において、立方晶窒化ホウ素粉末の周囲環境に、炭素遊離基、水素遊離基および窒素遊離基として存在する。

好ましくは、前記所定の圧力および前記所定の温度条件が、熱力学的に安定である。

好ましくは、前記化合物は、メラミン、ジシアンジアミドおよびシアナミドからなる群より選択される。

好ましくは、前記立方晶窒化ホウ素粒子は、平均粒径が３μｍ以下である。

好ましくは、前記化合物の添加量が、立方晶窒化ホウ素粉末よりなる原料に対して３質量％以下である。

好ましくは、前記所定の温度は、２１００℃以下である。

本発明の立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法によれば、穏和な条件にすることができ、製造コストおよび生産性に優れる。また、本発明の製造方法により得られた立方晶窒化ホウ素多結晶体は、高硬度かつ高強度であり、優れた工具寿命を示す。

本発明の立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法は、立方晶窒化ホウ素粉末に、炭素および水素からなる化合物を添加して、所定の圧力および温度条件下で処理することを特徴とする。

これにより、従来の製法よりも、温度を低減することができ、さらに圧力も減じることができるので処理条件が大幅に緩和され、その結果、製造コストおよび生産性も向上するものである。

本発明において、立方晶窒化ホウ素（以下、ｃＢＮと称す）粉末は、研磨剤として市販されている高圧合成ｃＢＮパウダーを用いることができる。

本発明の立方晶窒化ホウ素粉末の製造方法は、上述のｃＢＮ粉末に、炭素および水素からなる化合物を添加して処理することに特徴を有する。当該化合物に炭素が存在することにより、ｃＢＮ粒子の表面に水素が吸着し、これがｃＢＮの表面に存在し得るＢ_２Ｏ_３などの酸素不純物を除去することができる。また、当該化合物に水素が存在することにより、ｃＢＮを処理する際の触媒として作用し、処理の際の温度および圧力の条件をマイルドにすることができ、結晶性および種々の特性に優れたｃＢＮ多結晶体を得ることができる。

上記炭素および水素からなる化合物は、飽和または不飽和であってもよく、低級でも高級であってもよい。また、直鎖状であっても分岐鎖状であってもよい。ただし、当該化合物は、ｃＢＮの処理の際に、揮発することが必要である。当該化合物の代表例として、ポリエチレンが挙げられるが、これに限定されるわけではない。

本発明において、上記炭素および水素からなる化合物には、窒素がさらに含まれることが好ましい。すなわち、炭素、水素および窒素からなる化合物とすることができる。当該化合物内に窒素が存在することにより、水素単体より、より触媒能の高い物質が表面に形成できるという効果を得ることができるためである。

また、本発明において、炭素、水素および窒素からなる化合物は、ｃＢＮの処理条件下において揮発性であり、かつ、アミノ基および／またはシアノ基を含有することが好ましい。ｃＢＮの処理条件下において揮発性であることを必要とする理由は、処理の際に気体で存在していないと、ｃＢＮ表面の酸素不純物除去作用が充分でなく、また、水素やアミノ基などのｃＢＮ多結晶化のための触媒物質がｃＢＮ表面に十分に形成されないからである。

また、上記炭素、水素および窒素からなる化合物は、アミノ基および／またはシアノ基を含有することにより、ｃＢＮの溶解析出のための触媒作用があり、ｃＢＮ多結晶化を促進することができる。

本発明において、上記炭素および水素からなる化合物、または、炭素、水素および窒素からなる化合物は、ｃＢＮ粉末を処理する際の圧力および温度条件下において、ｃＢＮ粉末の周囲環境に、それぞれ炭素遊離基および水素遊離基、または、炭素遊離基、水素遊離基および窒素遊離基として存在することが好ましい。これにより、炭素遊離基は、ｃＢＮ表面に存在するＢ_２Ｏ_３などの酸素不純物と反応して、ｃＢＮ表面から当該不純物を除去する作用を示し、水素遊離基は、ｃＢＮの多結晶化の触媒作用を示し、窒素遊離基は、水素遊離基とともにｃＢＮの多結晶化の触媒作用を示すことができるからである。また、これらの遊離基が相乗的に作用して、良好なｃＢＮ多結晶体を形成することができるものである。

本発明において、炭素、水素および窒素からなる化合物において、アミノ基および／またはシアノ基を有すものとして、メラミン、ジシアンジアミドおよびシアナミドからなる群より好適に選択されるが、これらに限定されるわけではない。また、これらを単独または複数組み合わせて用いることもできる。

本発明において、上記炭素および水素からなる化合物、または、炭素、水素および窒素からなる化合物のいずれも酸素を含んでいない。酸素を含む化合物とした場合、ｃＢＮの処理の際に、酸素とホウ素または窒素とが反応して、Ｂ_２Ｏ_３やＮＯｘなどの不純物が生じてしまうからである。特に、Ｂ_２Ｏ_３はｃＢＮの表面に形成され、硬度や耐摩耗性などに影響を及ぼすおそれがあり問題である。

本発明において、上記炭素および水素からなる化合物、または、炭素、水素および窒素からなる化合物の添加量は、ｃＢＮホウ素粉末の質量に対して、３質量％以下であることが好ましい。３質量％を超えると、炭素物質が粒界に残留して、強度や硬度が大きく低下してしまうためである。より好ましくは、１質量％以下である。

また、上述したｃＢＮ粉末に含まれる粒子は、平均粒径が３μｍ以下であることが好ましい。３μｍ以下にすることで、焼結性を向上させることができる。一方、３μｍを超えると、粒界に多くの気孔や空隙が残り、機械的特性が劣化する。より好ましくは、１μｍ以下である。

本発明の立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法において、処理するとは、具体的には焼結処理を挙げることができる。また、所定の圧力および温度条件下とは、ｃＢＮが熱力学的に安定であることが好ましい。

また、上記所定の温度は、１４００℃以上２１００℃以下の範囲内であることが好ましい。１４００℃未満であると、上記化合物の触媒作用を得ることが難しく、ｃＢＮ同士を強固に焼結させることが難しいためである。一方、２１００℃を超えると、高圧高温発生装置にかかる負担が過大になるという理由から、安定した製造が困難で、コストが高くなるという問題が生じるおそれがある。好ましくは、１５００℃以上２０００℃以下である。

また、本発明において、上記処理の際の圧力は、３ＧＰａ以上８ＧＰａ以下であることが好ましい。３ＧＰａ未満であると、ｃＢＮが熱力学的に不安定な状態になるという理由から、ｈＢＮに変換してしまうという問題が生じるおそれがあり、８ＧＰａを超えると、高圧発生装置にかかる負荷が過大となるという理由から、安定的な製造が困難となり製造コストが高くなるという問題が生じるためである。

また、本発明の立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法において、処理の際に要する時間は、特に制約はないが、安定した焼結体を得るためには、数秒以上の保持が好ましい。

本発明の製造方法により得られた立方晶窒化ホウ素多結晶体について、切削試験をしてその工具寿命を評価することができる。当該試験は、ＩＳＯ規格のＳＨＧＡ１２０４０８形状の切削チップを作成し、これを用いてＶ字の溝のついたねずみ鋳鉄（ＦＣ３００）丸棒の外径を旋削加工することにより行う。切削条件は、切削速度７００ｍ／分、送り０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み０．５ｍｍで乾式で行う。

以下実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるわけではない。

（実施例１）
研磨剤として市販されている、１〜３μｍのｃＢＮ粉末に、メラミンをｃＢＮの粉末に対して１質量％添加し、これらを十分に均一混合した。これをＭｏカプセルに入れてベルト型超高圧発生装置を用いて、６ＧＰａ、１８００℃の温度で１５分間処理した。ｃＢＮ粒子が強固に焼結した多結晶体が得られた。この多結晶体について切削テストを行ったところ、市販のバインダーを含むｃＢＮ焼結体に比べ、２倍以上の工具寿命を有することがわかった。

（実施例２）
研磨剤として市販されている、０〜１μｍのｃＢＮ粉末に、メラミンをｃＢＮの粉末に対して３質量％添加し、これらを十分に均一混合した。これをＭｏカプセルに入れてベルト型超高圧発生装置を用いて、６ＧＰａ、１６００℃の温度で１５分間処理した。ｃＢＮ粒子が強固に焼結した多結晶体が得られた。この多結晶体について切削テストを行ったところ、市販のバインダーを含むｃＢＮ焼結体に比べ、２倍以上の工具寿命を有することがわかった。

（実施例３）
研磨剤として市販されている、１〜３μｍのｃＢＮ粉末と０〜１μｍのｃＢＮ粉末の質量比１：１の混合粉末に、メラミンを上記ｃＢＮおよびｃＶＢの合計質量に対して２質量％添加し、十分に均一混合した。これをＭｏカプセルに入れてベルト型超高圧発生装置を用いて、６ＧＰａ、１６００℃の温度で１５分間処理した。ｃＢＮ粒子が強固に焼結した多結晶体が得られた。この多結晶体について切削テストを行ったところ、市販のバインダーを含むｃＢＮ焼結体に比べ、２倍以上の工具寿命を有することがわかった。

（実施例４）
研磨剤として市販されている、１〜３μｍのｃＢＮ粉末に、ジシアンジアミドを１体積％添加し、十分に均一混合し、これを実施例１と同様の方法で、６ＧＰａ、１８００℃の温度で１５分間処理した。ｃＢＮ粒子が強固に焼結した多結晶体が得られ、この多結晶体を用いて切削工具を作成し、切削試験を実施したところ、通常の焼結助剤を含むｃＢＮ焼結体に比べ、２倍以上の工具寿命を有することがわかった。

（実施例５）
研磨剤として市販されている、１〜３μｍのｃＢＮ粉末に、シアナミドを１体積％添加し、十分に均一混合し、これを実施例１と同様の方法で、６ＧＰａ、１８００℃の温度で１５分間処理した。ｃＢＮ粒子が強固に焼結した多結晶体が得られ、この多結晶体を用いて切削工具を作成し、切削試験を実施したところ、通常の焼結助剤を含むｃＢＮ焼結体に比べ、２倍以上の工具寿命を有することがわかった。

（実施例６）
研磨剤として市販されている、１〜３μｍのｃＢＮ粉末に、ポリエチレン粉末を１体積％添加し、十分に均一混合し、これを実施例１と同様の方法で、６ＧＰａ、１８００℃の温度で１５分間処理した。ｃＢＮ粒子が強固に焼結した多結晶体が得られ、この多結晶体を用いて切削工具を作成し、切削試験を実施したところ、通常の焼結助剤を含むｃＢＮ焼結体に比べ、２倍以上の工具寿命を有することがわかった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims

立方晶窒化ホウ素粉末よりなる原料に、ポリエチレン、メラミン、ジシアンジアミドおよびシアナミドからなる群より選択された化合物を添加して、所定の圧力および所定の温度条件下で処理して、焼結体からなる立方晶窒化ホウ素多結晶体を製造する方法であって、前記所定の圧力は３ＧＰａ以上の圧力であり、前記所定の温度は１４００℃以上の温度であることを特徴とする、立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法。
前記化合物は、前記所定の圧力および前記所定の温度条件下において、立方晶窒化ホウ素粉末の周囲環境に、炭素遊離基および水素遊離基として存在す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多結晶体の製造方法。
前記化合物は、アミノ基および／またはシアノ基を有し、かつ前記所定の圧力および前記所定の温度条件下において揮発性であることを特徴とする、請求項１または２に記載の立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法。
前記化合物は、前記所定の圧力および前記所定の温度条件下において、立方晶窒化ホウ素粉末の周囲環境に、炭素遊離基、水素遊離基および窒素遊離基として存在することを特徴とする、請求項３に記載の立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法。
前記所定の圧力および前記所定の温度条件が、熱力学的に安定であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法。
前記立方晶窒化ホウ素粒子は、平均粒径が３μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法。
前記化合物の添加量が、立方晶窒化ホウ素粉末よりなる原料に対して３質量％以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法。
前記所定の温度は、２１００℃以下であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の立方晶窒化ホウ素多結晶体の製造方法。