JP5092237B2

JP5092237B2 - ｃＢＮ基超高圧焼結体およびその製造方法

Info

Publication number: JP5092237B2
Application number: JP2005369026A
Authority: JP
Inventors: 正樹小林
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: JP2007169107A

Description

本発明は、鋼の浸炭材，焼入れ材など高硬度鋼の高速切削、断続切削に最適なｃＢＮ基超高圧焼結体およびその製造方法に関する。

鋼の浸炭材，焼入れ材など高硬度鋼の切削には、４０〜７０体積％のｃＢＮと残りがＴｉＮを主成分とする結合相とからなるｃＢＮ基超高圧焼結体が一般に使用されている。ＴｉＮ以外の結合相としては、焼結助剤として添加した金属Ａｌから生成したＡｌＮ，Ａｌ₂Ｏ₃や、ｃＢＮとＴｉＮとが反応して生成したＴｉＢ₂などが挙げられる。

最近の加工現場では高速切削あるいは高送り切削による高能率化が求められており、ｃＢＮ基超高圧焼結体においても基本的な要求性能である耐摩耗性、耐欠損性、耐チッピング性の改善が必要となっている。そこで、これらの性能向上のために結合相の成分に関して多数の検討が行われている。

ｃＢＮ基超高圧焼結体の結合相の成分に関する従来技術として、（Ｔｉ，Ｍ）（Ｎ，Ｃ，Ｏ）（ただし、ＭはＺｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの中の少なくとも１種）で表される複合炭窒酸化物を含有させたもの（例えば、特許文献１参照。）、Ｎ／Ｃ≦０．１５であるチタンの炭窒化物と、Ａｌ，Ｗ，Ｃｏ及びＺｒの中の少なくとも１種の金属との金属間化合物からなるもの（例えば、特許文献２参照。）、またＴｉＣＮ，ＷＣ，ＡｌＮ，ＴｉＢ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，の含有量と粒子径を限定したもの（例えば、特許文献３参照。）、さらにＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａの炭化物，窒化物，炭窒化物、Ａｌ化合物、Ａｌ₂Ｏ₃の含有量を限定し、かつｃＢＮ粒子がＡｌ化合物を介して結合した構造からなるもの（例えば、特許文献４参照。）がある。

これらの従来技術の中で、Ｚｒ，Ｈｆの窒化物を含有させたものは、結合相の耐熱性、化学的安定性が向上して耐摩耗性が改善されるものの、靱性，熱伝導性などが不十分なために耐欠損性、耐チッピング性に劣り、硬さが低下するために耐摩耗性の改善も不十分であると言う問題がある。

特開平７−１７２９２４号公報特開平７−２８６２２９号公報特開平８−８１２７０号公報特開平８−２５３８３７号公報

本発明は、上記のような問題点を解決したもので、具体的には、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方とＴｉとを含む複合窒化物および複合炭窒化物の少なくとも１種を原料粉末に使用し、焼結時にｃＢＮと反応させてＺｒおよびＨｆの少なくとも１方とＴｉとを含む複合ホウ化物を含有させることによって、結合相の硬さ，靱性，耐熱性，化学的安定性，熱伝導性などを改善して耐摩耗性と耐欠損性，耐チッピング性を大幅に向上させたｃＢＮ基超高圧焼結体の提供を目的とする。

本発明者は、高硬度鋼切削用のｃＢＮ基超高圧焼結体の寿命向上について検討していたところ、結合相にＺｒおよびＨｆの少なくとも１方の窒化物を含有させると、耐熱性や鋼に対する化学的安定性が増大して耐摩耗性が改善されること、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方のホウ化物を含有させると硬さ，靱性や熱伝導性が増大して耐摩耗性と耐チッピング性が向上すること、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方の窒化物，ホウ化物を含有させるには、Ｔｉとの複合窒化物を出発原料に使用してｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）と焼結させれば良いと言う知見を得て、本発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明のｃＢＮ基超高圧焼結体は、ｃＢＮ：３０〜８０体積％と、残りが周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，ホウ化物，酸化物、Ａｌの窒化物，酸化物、Ｓｉの炭化物，窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる結合相と不可避不純物とでなるｃＢＮ基超高圧焼結体において、結合相は（１）ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方とＴｉとを含む複合窒化物および複合炭窒化物の少なくとも１種の複合化合物と、（２）ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方とＴｉとを含む複合ホウ化物と、（３）ＡｌＮと、（４）Ａｌ₂Ｏ₃とを含有するものである。

本発明のｃＢＮ基超高圧焼結体における結合相の必須成分（１）である複合化合物としては、具体的には、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｈｆ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）（Ｃ，Ｎ）などが挙げられる。そして、これらの複合窒化物，複合炭窒化物などの複合化合物を（Ｔｉ_1-aＭ_a）（Ｃ_1-bＮ_b）（ただし、ＭはＺｒおよびＨｆの少なくとも１方を示す。）と表した場合に、ａはＴｉとＭとの合計に対するＭの原子比を示し、ｂはＣとＮとの合計に対するＮの原子比を示し、ａ，ｂはそれぞれ、０．１≦ａ≦０．６、０≦ｂ≦０．７を満足すると好ましい。ａの値が０．１未満では耐摩耗性に劣り、０．６を超えて大きくなると耐チッピング性が低下する。ｂの値が０．７を超えて大きくなると鋼に対する化学的安定性が急減して耐摩耗性が低下する。また、複合窒化物，複合炭窒化物などの複合化合物の含有量は、結合相全体に対して４０〜７５体積％が好ましい。４０体積％未満では耐摩耗性の改善効果が少なく、７５体積％を超えて大きくなると相対的に複合ホウ化物量が減少して耐チッピング性が低下する。

結合相の必須成分（２）である複合ホウ化物は、具体的には、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｂ₂，（Ｔｉ，Ｈｆ）Ｂ₂，（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）Ｂ₂が挙げられる。ここで、複合ホウ化物は、必須成分（１）の複合化合物が焼結反応によってホウ化物に変化したものであるため、ＴｉとＺｒ，Ｈｆとの割合はほぼ複合化合物に一致する。そして、これらの複合ホウ化物を（Ｔｉ_1-cＭ_c）Ｂ₂（ただし、ＭはＺｒおよびＨｆの少なくとも１方を示す。）と表した場合に、ｃはＴｉとＭとの合計に対するＭの原子比を示し、ｃは、０．１≦ｃ≦０．６を満足すると好ましい。ｃの値が０．１未満では耐摩耗性に劣り、０．６を超えて大きくなると耐チッピング性が低下する。また、複合ホウ化物の含有量は、結合相全体に対して１０〜４０体積％が好ましい。１０体積％未満では耐チッピング性の改善効果が少なく、４０体積％を超えて大きくなると相対的に複合窒化物，複合炭窒化物などの複合化合物量が減少して耐摩耗性が低下する。

結合相の必須成分（３）であるＡｌＮは、焼結助剤である金属ＡｌとｃＢＮとの反応によって生じるもので、その量は結合相全体に対して１０〜３０体積％の範囲が好ましい。１０体積％未満では焼結性に劣り、３０体積％を超えて大きくなると硬さと靱性が低下して耐摩耗性と耐チッピング性が共に劣る。また、必須成分（４）であるＡｌ₂Ｏ₃は、焼結助剤である金属Ａｌと原料粉末中あるいは工程混入の酸素との反応によって生じるもので、結合相全体に対して２〜２０体積％が好ましい。

以上の４つの必須成分以外に、ＺｒＣ，ＨｆＮ，ＶＢ，ＴａＢ，ＣｒＢ，ＷＣ，ＺｒＯ₂，ＳｉＣ，Ｓｉ₃Ｎ₄などの周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，ホウ化物，酸化物、Ｓｉの炭化物，窒化物を含有しても良い。これら化合物の含有量は、結合相全体に対して総量で２０体積％以下が好ましい。

本発明のｃＢＮ基超高圧焼結体におけるｃＢＮの含有量は、３０体積％未満では強度、靱性が低下してチッピングを起こし易く、逆に８０体積％を超えて大きくなるとｃＢＮと鋼との反応摩耗が増大するために、３０〜８０体積％と定めた。

本発明のｃＢＮ基超高圧焼結体の製造方法の一つは、ｃＢＮ粉末と、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方とＴｉとを含む複合窒化物，複合炭窒化物および複合炭酸窒化物の中の少なくとも１種の粉末と、金属アルミニウム粉末とを混合粉砕する第１工程、第１工程で得られた混合粉末を圧力３〜７ＧＰａ，温度１３００〜１６００℃の超高圧高温下で焼結する第２工程を含むものである。また、本発明のｃＢＮ基超高圧焼結体の製造方法の一つは、ｃＢＮ粉末と、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方とＴｉとを含む複合窒化物，複合炭窒化物および複合炭酸窒化物の少なくとも１種の粉末と、金属アルミニウム粉末と、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，ホウ化物，酸化物、Ａｌの窒化物，酸化物およびＳｉの炭化物，窒化物の中の少なくとも１種の結合相形成粉末とを混合粉砕する第１工程、第１工程で得られた混合粉末を圧力３〜７ＧＰａ，温度１３００〜１６００℃の超高圧高温下で焼結する第２工程を含むものである。

出発原料として使用するＺｒおよびＨｆの少なくとも１方とＴｉとを含む複合窒化物および複合炭窒化物の少なくとも１種の粉末は、例えば、ＺｒＮ，ＨｆＮとＴｉＮ，ＴｉＣＮとＴｉＨ2との混合粉末を真空加熱により固溶体化したものである。この粉末の組成式を（Ｔｉ，Ｍ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ）x（但し、ｘはＴｉとＭとの合計に対するＣとＮとＯとの合計の原子比を示す。）で表した場合、ｘの値は０．６５〜０．７３の範囲が好ましい。ｘの値が０．６未満であると、焼結反応で生じる複合ホウ化物の割合が高く、逆に０．９を超えて大きくなると複合ホウ化物の割合が低くなるからである。

本発明のｃＢＮ基超高圧焼結体は、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方とＴｉとを含む複合窒化物、複合炭窒化物が耐熱性や鋼に対する化学的安定性を増大させる作用をし、反応生成したＺｒおよびＨｆの少なくとも１方とＴｉとを含む複合ホウ化物が硬さ，靱性や熱伝導性を増大させる作用をし、結果として得られたｃＢＮ基超高圧焼結体の耐摩耗性と耐チッピング性とを同時に改善する作用をしているものである。

本発明のｃＢＮ基超高圧焼結体は、従来のｃＢＮ基超高圧焼結体工具に比べて、特に高硬度鋼の高速断続旋削で約２倍の寿命を達成できると言う効果を有する。

まず、市販されている平均粒径１．７μｍのＺｒＮ，平均粒径２．３μｍのＨｆＮ，平均粒径１．５μｍのＴｉＮ，平均粒径１．５ｍのＴｉＣおよび平均粒径５μｍのＴｉＨ₂の各粉末を用いて、表１に示す配合組成に秤量し、ステンレス製ポットに外掛けで０．２重量％のパラフィンワックスとヘキサン溶媒を超硬合金製ボ−ルと共に挿入し、２４時間のボールミル後、乾燥して混合粉末とした。これらの混合粉末をジルコニア製ルツボに軽く充填し、加熱炉に挿入した後、約５Ｐａの真空中で昇温して１６００℃で１時間の加熱処理を施した。そして、この処理粉末を解砕し、上記ボールミルによる４８時間の粉砕を行って（Ａ）〜（Ｄ）の複合炭酸窒化物粉末を得た。得られた粉末の平均粒径（ＦＳＳＳ）と窒素量，炭素量，酸素量の測定結果から計算で求めた組成式を表１に併記した。尚、Ｘ線回折により、全ての粉末がほぼ均一な固溶体であることを確認した。

そして、得られた複合炭酸窒化物粉末（Ａ）〜（Ｄ），前記のＺｒＮ，ＨｆＮ，ＴｉＣおよび市販されている平均粒径３．０μｍのｃＢＮ，平均粒径１．２μｍのＴｉＮ_0.7，平均粒径０．９μｍの金属Ａｌ，平均粒径０．５μｍのＷＣ，３モル％のＹ₂Ｏ₃を固溶した平均粒径０．２μｍのＺｒＯ₂の各粉末を用いて、表２に示す組成に秤量し、これをウレタン内張りしたステンレスポットに超硬合金製ボールとヘキサン溶媒，パラフィンと共に挿入し、窒素中乾燥を行って混合粉末とした。

次に、得られた混合粉末のプレス成形体を超硬合金製の台金上に置いてジルコニウムカプセル中に埋設し、真空加熱炉に挿入して８００℃で１時間の脱ガス処理を行った後、このカプセルを超高圧高温発生装置にセットし、５．５ＧＰａの圧力、１４５０℃の温度、３０分の保持時間の条件でもって焼結して本発明品１〜９および比較品１〜５のｃＢＮ基超高圧焼結体を得た。そして、放電加工による切断とダイヤモンドによる研削、ラップ加工して測定用試料を作製し、ヌープ硬さ（荷重：４．８Ｎ）を測定した。その結果を表２に併記した。

また、各試料の成分をＸ線回折法により同定した後、走査電子顕微鏡で撮影した組織写真の画像解析結果とＸ線回折法による定量分析結果を照合して各成分の含有量を求めた。そして、結合相成分に関しては、その割合を算出した。これらの結果を表３に示す。尚、本発明品に含有される複合窒化物，複合炭窒化物，複合ホウ化物中のＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ量をＥＤＳで分析したところ、配合に用いた複合炭酸窒化物粉末の組成式（表１中）にほぼ一致した。

表３の結果から、複合炭酸窒化物を結合相の出発原料に用いた本発明品では、複合ホウ化物を含有しているのに対して、ＴｉＮとＺｒＮ，ＨｆＮを別々に用いた比較品では、生成するホウ化物はＴｉＢ₂であり、また複合窒化物を形成していないことが分かる。

実施例１で得られた本発明品２，３，５，８，９および比較品１，３，４，５の各焼結体を放電加工による切断、超硬合金製チップ台金へのロー付け、ダイヤモンド砥石による研削加工を経て、切削試験用チップ形状：ＴＮＭＡ１６０４０８を作製した。そして、下記条件による切削試験を行い、その結果を表４に示した。
（Ａ）外周断続湿式切削；被削材：ＳＣＭ４１５の浸炭焼入材（２本溝入り、ＨＲＣ＝６１）、切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、切込み量：０．５ｍｍ、送り量：０．１ｍｍ／ｒｅｖ、評価基準：平均逃げ面摩耗量ＶB＝０．２ｍｍとなる又は欠損，チッピングまでの切削時間。
（Ｂ）端面断続乾式切削；被削材：ＦＣ３０（ＨＢ２１０〜２３０）、切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ、切込み量：０．５ｍｍ、送り量：０．２０ｍｍ／ｒｅｖ、評価基準：平均逃げ面摩耗量ＶB＝０．２ｍｍになる又は欠損，チッピングまでの切削時間。

表４の結果から、比較品に比べて本発明品は、浸炭焼入鋼の高速断続旋削では平均で１．９倍、鋳物の高速旋削では１．４倍の寿命があり、高硬度鋼の高速切削に効果的と分かる。

Claims

ｃＢＮ：３０〜８０体積％と、残りが周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，ホウ化物，酸化物、Ａｌの窒化物，酸化物、Ｓｉの炭化物，窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる結合相と不可避不純物とでなるｃＢＮ基超高圧焼結体において、結合相は（１）ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方とＴｉとを含む複合窒化物および複合炭窒化物の少なくとも１種の複合化合物：結合相全体に対して４０〜７５体積％と、（２）ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方とＴｉとを含む複合ホウ化物：結合相全体に対して１０〜４０体積％と、（３）ＡｌＮ：結合相全体に対して１０〜３０体積％と、（４）Ａｌ₂Ｏ₃：結合相全体に対して２〜２０体積％とを含有し、出発原料として使用するＺｒおよびＨｆの少なくとも１方とＴｉとを含む複合窒化物，複合炭窒化物および複合炭酸窒化物の少なくとも１種の粉末は、固溶体化した粉末の組成式を（Ｔｉ，Ｍ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ）ｘ（ただし、ＭはＺｒおよびＨｆの少なくとも１方を示し、ｘはＴｉとＭとの合計に対するＣとＮとＯとの合計の原子比を示す。）で表した場合、ｘの値は０．６５〜０．７３の範囲であることを特徴とするｃＢＮ基超高圧焼結体。
上記結合相は、結合相全体に対して、（Ｔｉ_1-aＭ_a）（Ｃ_1-bＮ_b）（ただし、ＭはＺｒおよびＨｆの少なくとも１方を示し、ａはＴｉとＭとの合計に対するＭの原子比を示し、ｂはＣとＮとの合計に対するＮの原子比を示し、ａ，ｂはそれぞれ、０．１≦ａ≦０．６、０≦ｂ≦０．７を満足する。）で表される複合化合物：４０〜７５体積％と、（Ｔｉ_1-cＭ_c）Ｂ₂（ただし、ＭはＺｒおよびＨｆの少なくとも１方を示し、ｃはＴｉとＭとの合計に対するＭの原子比を示し、ｃは、０．１≦ｃ≦０．６を満足する。）で表される複合ホウ化物：１０〜４０体積％と、ＡｌＮ：１０〜３０体積％と、Ａｌ₂Ｏ₃：２〜２０体積％とからなる請求項１に記載のｃＢＮ基超高圧焼結体。
ｃＢＮ粉末と、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方とＴｉとを含む複合窒化物，複合炭窒化物および複合炭酸窒化物の中の少なくとも１種の粉末と、金属アルミニウム粉末とを混合粉砕する第１工程、第１工程で得られた混合粉末を圧力４〜６ＧＰａ，温度１４００〜１６００℃の超高圧高温下で焼結する第２工程を含む請求項１または２に記載のｃＢＮ基超高圧焼結体の製造方法。
ｃＢＮ粉末と、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方とＴｉとを含む複合窒化物，複合炭窒化物および複合炭酸窒化物の中の少なくとも１種の粉末と、金属アルミニウム粉末と、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，ホウ化物，酸化物、Ａｌの窒化物，酸化物およびＳｉの炭化物，窒化物の中の少なくとも１種の結合相形成粉末とを混合粉砕する第１工程、第１工程で得られた混合粉末を圧力４〜６ＧＰａ，温度１４００〜１６００℃の超高圧高温下で焼結する第２工程を含む請求項１または２に記載のｃＢＮ基超高圧焼結体の製造方法。