JPH11246271A - 立方晶窒化ホウ素焼結体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高強度でしかも高温域でも強度の低下しな
い、鉄系材料の高速切削などに好適なｃＢＮ焼結体を提
供する。 【解決手段】 ｃＢＮが９９．５体積％以上で、各ｃＢ
Ｎ粒子同士が結合し、実質的にバインダーを含まない焼
結体であって、８００℃以上１４００℃以下の温度域に
おいて強度が低下しないことを特徴とするｃＢＮ焼結
体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は立方晶窒化ホウ素
（ｃＢＮ）焼結体およびその製造方法に関するもので、
特に鉄系材料の切削加工に有用な、高温下でも強度が低
下しないｃＢＮ焼結体に関する。

【０００２】

【従来の技術】ｃＢＮ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
として用いられているｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮの粉末
を、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｃｏなどのバインダーを用いて超
高圧下で焼結されたもので、焼結体には１０〜４０体積
％程度のバインダーが含まれる。このバインダーが、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。焼結体にバインダーが含まれている限り、このよう
な問題はさけられない。

【０００３】一方、バインダーを含まない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（ｈＢＮ）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ーがなく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、負荷の大きい切削には対応出来ない。

【０００４】他方、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→ｃＢＮ変換と同時に焼結さ
せることで、バインダーを含まないｃＢＮ焼結体を作製
できることが知られている。たとえば、特開昭４７−３
４０９９号や特開平３−１５９９６４号にｈＢＮを超高
圧高温下でｃＢＮに変換させ、ｃＢＮ焼結体を得る方法
が示されている。

【０００５】また、特公昭６３−３９４号や特開平８−
４７８０１号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
れらは、７ＧＰａ、２１００℃以上の厳しい圧力温度条
件が必要である。

【０００６】よりマイルドな条件で直接変換によりｃＢ
Ｎを得る方法として例えば、特公昭４９−２７５１８号
に、一次粒子の平均粒径が３μｍ以下の六方晶系窒化ホ
ウ素を原料とする方法が示されている。これにより６Ｇ
Ｐａ、１１００℃の条件でｃＢＮが得られる。しかし、
六方晶窒化ホウ素が微粉であるため、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。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のｈＢＮなどの常
圧型ＢＮを超高圧高温下で、無触媒で直接変換焼結され
たｃＢＮ焼結体は、切削工具としてある程度使用可能で
あるが、８００℃以上の高温下での強度が十分でなく、
高速で、負荷の大きい切削条件では、切削中の刃先のチ
ッピングが問題であった。従来のバインダーを含むｃＢ
Ｎ焼結体も、高温下で強度が大幅に低下する。

【０００８】本発明者は上記のような問題を解決するた
め、先に特願平８−３１７６９９号により、ｈＢＮ→ｃ
ＢＮ直接変換、焼結を行うに当り、用いるｈＢＮを特定
することや、ｃＢＮ焼結体の結晶面間のＸ線回折強度比
を特定することを提案した。

【０００９】この提案は、同出願明細書に記載した要件
により、同明細書に記載した効果を奏するものである
が、更に試作研究を重ねた結果、新たな観点に立った次
項以下に示す発明に到達することができた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】即ち本発明の第１の特徴
とするところは、ｃＢＮが９９．５体積％以上で、各ｃ
ＢＮ粒子同士が結合し、実質的にバインダーを含まず、
８００℃以上１４００℃以下の温度域で強度が低下しな
い特性を備えていることである。

【００１１】そして、この特性はｃＢＮの粒子径が１μ
ｍ以下である場合に安定して得られ、更にｃＢＮ焼結体
中に圧縮型ｈＢＮ（compressed hBN）が０．０１〜０．
５体積％含まれることが最も好ましいということを確認
した。

【００１２】また上記に基づいて試験の結果、上記特徴
を備えることにより、本発明のｃＢＮ焼結体は１０００
℃以上１４００℃以下の温度域においては、室温におけ
る強度より高い強度を示し得ると言う驚くべき知見を得
た。

【００１３】本発明の別の特徴は、上記のような特性を
備えたｃＢＮ焼結体を安定して製造する方法を提供する
ことである。即ち酸化ホウ素やホウ酸などのホウ素と酸
素を含む化合物を炭素で還元窒化させた常圧型ＢＮを、
非酸化性雰囲気で加熱して高純度精製処理を施した後、
触媒を添加せず、圧力６〜７ＧＰａ、温度１５５０〜２
１００℃を加えて直接ｃＢＮに変換、焼結せしめること
である。

【００１４】

【作用】本発明のｃＢＮ焼結体は、構成するｃＢＮ粒子
同士の結合力、粒子径および未変換ｈＢＮ（圧縮型ｈＢ
Ｎとして焼結体内に残留）の残留量を制御することによ
り得られる。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ｈＢＮを用い、粒成長の起こらない温度範
囲で変換焼結する。ここで用いる、低結晶性の常圧型Ｂ
Ｎ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。

【００１５】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。

【００１６】これに対し、酸化ホウ素やホウ酸を炭素で
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
上または真空中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。

【００１７】本発明のｃＢＮ焼結体の合成（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。

【００１８】上記の適切な焼結温度範囲で焼結したｃＢ
Ｎ焼結体は、粒径１μｍ以下のｃＢＮからなる緻密な組
織を有し、曲げ強度が高い。この焼結体の破面を見る
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と言う驚くべき傾向がある。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。

【００１９】一方、これより高い温度で焼結した焼結体
は、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。従来の直接変換によるｃＢＮ焼結体は、結晶性のよ
いｈＢＮやｐＢＮを用いていたので、十分なｈＢＮ→ｃ
ＢＮ変換を行うのに２１００℃以上の温度が必要で、そ
の結果、焼結体を構成するｃＢＮ粒子の粒径が３〜５μ
ｍと大きくなり、粒子間の結合力も弱く、上記の理由で
高温での強度は低い。すなわち、従来の方法では、本発
明のような高温下で高い強度を有する焼結体は得られな
い。なお、１４００℃を越える高温下では、ｃＢＮはｈ
ＢＮに変換する。

【００２０】また、本発明のｃＢＮ焼結体は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は焼結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体積より少ない焼結体
は、靱性が低下し、０．５体積％を超えると、圧縮型ｈ
ＢＮでの応力集中が大きくなり、強度が低下する。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に本発明の具体的な実施の態様
を実施例によって説明する。

【００２２】

【実施例】窒素雰囲気中で、酸化ホウ素（Ｂ₂ Ｏ₃ ）と
メラミン（Ｃ₃ Ｎ₆ Ｈ₆ ）の混合物を炭素で還元窒化さ
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、平均粒径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
成形し、直径８ｍｍ、厚み３ｍｍの試料体を作製し、こ
の試料体を再度、高周波炉で、Ｎ₂ ガス中、２１００℃
で２時間かけて高純度処理した。

【００２３】次にこの高純度処理した試料体をＭｏカプ
セルに入れ、６．５ＧＰａに保ったベルト型高圧発生装
置中で、表１に記載した実施例１、２、３並びに比較例
１、２の焼結温度に１５分間保持し、ｃＢＮに直接変
換、焼結した。得られた各焼結体は表１に示すようにほ
とんどｃＢＮからなる緻密な焼結体で、０．０３〜０．
３３体積％の圧縮型ｈＢＮを含むことがわかった。また
それぞれの焼結体の破面をＳＥＭ観察したところ、いず
れもｃＢＮ粒子の大きさは約０．１〜０．５μｍと微細
であり、かつ、粒内破壊が支配的で、粒子同士が強固に
結合していることを示していた。

【００２４】これらの焼結体から、６×３×０．７ｍｍ
の試料片を切り出し、ＳｉＣ製の治具を用いて、曲げ強
度（スパン長：４ｍｍ）を測定した。結果を表１に示
す。なお市販されているバインダー約１０％を含むｃＢ
Ｎ焼結体の測定結果も比較例３として同表中に記載し
た。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【発明の効果】以上各項において述べたように、本発明
によるｃＢＮ焼結体は、微粒でｃＢＮ粒子同士が強固に
結合した緻密な組織を有するため、高強度で、高温でも
その強度が低下することがない。

【００２７】特に１０００℃以上１４００℃以下の高温
域での強度は、従来のｃＢＮ焼結体の２倍以上を示すと
言う驚くべき特徴を有する。従って、たとえば本発明の
ｃＢＮ焼結体を鉄系材料の高速切削材料として用いれ
ば、その切削速度、精度寿命を更に向上せしめることが
可能となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｃ０４Ｂ 35/626 Ｃ０４Ｂ 35/58 １０３Ｑ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 立方晶窒化ホウ素が９９．５体積％以上
   で、各立方晶窒化ホウ素粒子同士が結合し、実質的にバ
   インダーを含まない焼結体であって、８００℃以上１４
   ００℃以下の温度域において強度が低下しないことを特
   徴とする立方晶窒化ホウ素焼結体。
2. 【請求項２】 立方晶窒化ホウ素の粒子径が１μｍ以下
   であることを特徴とする請求項１記載の立方晶窒化ホウ
   素焼結体。
3. 【請求項３】 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請求項１または２記
   載の立方晶窒化ホウ素焼結体。
4. 【請求項４】 １０００℃以上１４００℃以下の温度域
   における強度が室温の強度より高いことを特徴とする請
   求項１、２または３記載の立方晶窒化ホウ素焼結体。
5. 【請求項５】 ホウ素と酸素を含む化合物を炭素で還元
   窒化させて得た常圧型窒化ホウ素を、非酸化性雰囲気で
   加熱して高純度精製処理を施した後、触媒を添加せず圧
   力６〜７ＧＰａ、温度１５５０〜２１００℃を加えて直
   接立方晶窒化ホウ素に変換、焼結せしめることを特徴と
   する立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項５記載の方法で、請求項１、２、
   ３または４記載の立方晶窒化ホウ素焼結体を生成するこ
   とを特徴とする立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法。