JP2003104775A - 高圧相窒化ホウ素焼結体及びその製造法 - Google Patents

高圧相窒化ホウ素焼結体及びその製造法

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JP2003104775A
JP2003104775A JP2001298760A JP2001298760A JP2003104775A JP 2003104775 A JP2003104775 A JP 2003104775A JP 2001298760 A JP2001298760 A JP 2001298760A JP 2001298760 A JP2001298760 A JP 2001298760A JP 2003104775 A JP2003104775 A JP 2003104775A
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boron nitride
pressure phase
sintered body
phase boron
nitride
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Hiroshi Ishizuka
博 石塚
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ISHIZUKA KENKYUSHO
Ishizuka Research Institute Ltd
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ISHIZUKA KENKYUSHO
Ishizuka Research Institute Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】スローアウェイチップなどの用途で特に高温に
おいてもかかる結合力乃至保持力を示す高圧相窒化ホウ
素焼結体、及びその効果的な製造法を提供する。 【解決手段】高圧相窒化ホウ素粒子を、窒化物及び/又
はホウ化物を形成しうるセラミック形成金属を含有する
第一金属材の粒子と密に混合して焼結材料とし、この焼
結材料を高融点金属容器に収容して、該高圧相窒化ホウ
素が熱力学的に安定な領域内の圧力・温度条に供するこ
とにより上記セラミック形成金属と高圧相窒化ホウ素と
の反応を生起せしめて窒化ホウ素粒子の表面に該セラミ
ック形成金属の窒化物及び/又はホウ化物の被覆および
かかる窒化物及び/又はホウ化物の粒子を形成すると同
時に、該第一金属材が溶融する温度に供して液相を発生
させて浸透させ、液相による該焼結材料の焼結一体化を
行うことを特徴とする、高圧相窒化ホウ素焼結体の製造
法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は高圧相窒化ホウ素
焼結体、特にスローアウェイチップや各種耐摩耗材等の
用途に適する高温強度及び靭性の大きな高圧相窒化ホウ
素焼結体、及びその製造法に関する。
【0002】
【従来技術】 高圧相窒化ホウ素粒子、例えば立方晶窒
化ホウ素(c-BN)を焼き固めた材料は、立方晶窒化ホ
ウ素焼結体(PCBN)の一般名称で、高性能の切削加工用刃
具や耐摩耗材料として広く用いられている。この種の材
料は、高圧相窒化ホウ素粒子同士が相互に結合した多結
晶質または直接結合型焼結体と、マトリックス中に高圧
相窒化ホウ素粒子が分散保持されている分散型焼結体と
に大別される。前者の場合、通常は超硬合金の裏打ち材
(基板)と一体に焼結され、また後者の場合、マトリック
スは一般に各種のセラミック系で構成される。
【0003】直接結合型焼結体は、過酷な使用条件に耐
えることから、切削加工用刃具として広範な用途を持つ
が、反面、高圧相窒化ホウ素含有層の硬度が高いことか
ら、刃具の加工に多くの工数を必要とする。
【0004】一方分散型焼結体においては、刃出しなど
の成形加工が比較的容易であるというメリットを持つも
のの、主として、高圧相窒化ホウ素粒子とマトリックス
材料との間における接合強度が十分に大きくないこと、
及びマトリックスの靭性が充分に高くないことに起因す
る強度不足が、解決を要する課題となっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】 以上のような状況に
おいて、本発明の主な目的は、高圧相窒化ホウ素の直接
結合型及び分散型焼結体における窒化ホウ素粒子同士の
結合力乃至マトリックス材による窒化ホウ素粒子の保持
力を向上させ、かつマトリックス自体の靭性及び強度も
向上させることにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】 本発明による高圧相窒
化ホウ素焼結体は該高圧相窒化ホウ素が熱力学的に安定
な圧力・温度領域での焼結工程で一体化されたものであ
って、第一の発明においては、隣接する高圧相窒化ホウ
素粒子同士が、少なくとも部分的に、該焼結工程におい
て窒化ホウ素粒子の表面に形成されたセラミック形成金
属の窒化物及び/又はホウ化物を介して接合されている
ことを特徴とする。
【0007】また第二の発明においては、高圧相窒化ホ
ウ素粒子が上記焼結工程中に窒化ホウ素との反応により
形成されたセラミック形成金属の窒化物及び/又はホウ
化物で被覆され、かつ該窒化ホウ素粒子同士が、少なく
とも部分的にマトリックス相を介して接合され、該マト
リックス相が、窒化ホウ素との反応により形成された該
セラミック形成金属の窒化物及び/又はホウ化物(粒子)
を含有することを特徴とする。
【0008】本発明の高圧相窒化ホウ素焼結体は次のよ
うにして効果的に得ることができる。すなわち、高圧相
窒化ホウ素粒子を、窒化物及び/又はホウ化物を形成し
うるセラミック形成金属を含有する第一金属材の粒子と
密に混合して焼結材料とし、この焼結材料を高融点金属
容器に収容して、該高圧相窒化ホウ素が熱力学的に安定
な領域内の圧力・温度条件に供することにより上記セラ
ミック形成金属と高圧相窒化ホウ素との反応を生起せし
めて窒化ホウ素粒子の表面に該セラミック形成金属の窒
化物及び/又はホウ化物の被覆およびかかる窒化物及び
/又はホウ化物の粒子を形成すると同時に、該第一金属
材が溶融する温度に供して液相を発生させて浸透させ、
液相による該焼結材料の焼結一体化を行うものである。
【0009】
【発明を実施するための形態】 上記各焼結体におい
て、窒化物及び/又はホウ化物で被覆された高圧相窒化
ホウ素粒子の含有量は、焼結体全体に対する容量比にお
いて10%以上90%以下とするのが適当である。
【0010】上掲両発明において、セラミック形成金属
としては顕著な窒化物及び/又はホウ化物形成能を示す
Ti、Si、Zr、Mo、W、Ta、Nb、V、Cr等が適切
で、これらは単独で又は組み合わせて用いられる。
【0011】焼結体の作製に際してはマトリックスとし
て、上記第セラミック形成金属にさらに、Fe、Co、N
i、Cu、Al又はこれらの金属を主成分とする合金を添
加金属材として、単独又は組み合わせて使用することに
よって、融点乃至液相発生温度を低下させることができ
る。銅を使用する場合には、例えばモネルメタル、ハス
テロイ、Cu-Be合金等のように合金として使用するこ
とにより、銅のマトリックス中での遊離による強度低下
を防止する。
【0012】本発明の焼結体においては、焼結工程にお
いて含有されている高圧相窒化ホウ素との反応によって
セラミック形成金属の窒化物及び/又はホウ化物が形成
されるが、これらの窒化物やホウ化物は、高圧相窒化ホ
ウ素粒子表面のみではなく、マトリックスにも含有させ
てこれを強化することができる。
【0013】本発明の焼結工程においては、第一金属材
として焼結材料中に含有されているチタン、シリコン等
が溶融し、溶融金属と窒化ホウ素との反応により窒化物
及び/又はホウ化物が形成される。これらの反応は発熱
反応であるので、反応熱を金属の溶融に利用することが
できる。
【0014】窒化物及びホウ化物はこのほか、予め形成
されたこれらの物質を、焼結材料に少量添加しておくこ
ともできる。
【0015】本発明において使用する高圧相窒化ホウ素
粒子の粒径は特に制限されないが、公称粒度が0.1〜200
μm、特に0.5〜100μmのものにおいて接合力の向上が
顕著である。
【0016】以上のように構成される高圧相窒化ホウ素
焼結体はさらに全体として、Ti−4Al−4Mn、Ti−6
Al−4V、Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo合金等のよう
に常温において100kgf/mm2以上の引張り強さを持つチ
タン合金の基板と、焼結工程中に一体化焼結し、あるい
は常圧下でのロウ付け等により接合することによって、
強靭さ、軽さ、耐摩耗性を併せ持つ硬質の構造材料を得
ることができる。
【0017】次に本発明を実施例によってより詳細に説
明する。
【0018】
【実施例1】(直接結合型)平均粒径40/60μmの立方
晶窒化ホウ素(c-BN)粒子90容量%と、チタンベースの
金属混合粉末(質量%において60Ti-5Mo-10Cr-25N
i、粒度はすべて40μm以下)10容量%との混合物を調合
し、焼結材料とした。この焼結材料を、内径、高さ、肉
厚がそれぞれ75mm、50mm、0.15mmのチタン製円筒
状容器に入れ、頂部に直径75mmの、金属チタンの円板
を載せ、容器先端を折り曲げて密閉した。
【0019】上記容器を耐火物製反応室に入れ、また周
囲に黒鉛ヒーターを配置して、全体を一軸加圧式のプレ
スに装填し、1550℃、5.5GPaの温度・圧力条件下に20
分間供した。冷却・除圧後プレスから回収した反応物は
耐火物などを除去し、焼結体を単離した。
【0020】容器材を研磨除去して得られた焼結体の表
面の硬さはマイクロビッカース硬度Hvにおいて 3300k
gf/mm2であり、顕微鏡で観察すると、c-BN粒子同士
が、粒子表面の窒化物やホウ化物相を介して良好に接合
されていた。
【0021】
【実施例2】(分散型)各種の窒化物及び/又はホウ化
物形成金属と添加金属との組合せによる焼結反応を行っ
た。焼結工程の圧力・温度条件はすべて5.5GPa及び13
00℃で、基板と一体化したダイヤモンド焼結体を形成す
る反応では焼結体の厚さは1mm以下であった。用いた
配合条件と結果とを、作製した工具の種類と共に下表に
要約する。なお表中Mは金属分、Dはダイヤモンドを表
す。
【0022】
【表1】
【0023】各焼結材料配合例において、冷却・除圧後
反応物をプレスから回収し、耐火物などを除去して焼結
体を単離した。容器材を研磨除去して得られた焼結体の
表面を顕微鏡で観察すると、c−BN相は、粒子表面の
窒化物及びホウ化物相を介して各マトリックス相に密着
性よく保持されており、窒化物・ホウ化物とマトリック
スとの境界面に、また基板を用いた例ではさらに焼結体
層と基板との境界面にも、化学反応の跡が認められた。
【0024】
【発明の効果】 本発明においては、高圧相窒化ホウ素
粒子の表面に窒化物及び/又はホウ化物の被覆を形成す
ることにより、被覆層を介して、高圧相窒化ホウ素粒子
同士、或いは窒化ホウ素粒子とマトリックス材料との間
に化学結合が得られることから、高圧相窒化ホウ素粒子
と結合材ないしマトリックス材との接合強度が向上し、
焼結体の強度、耐摩耗性能が向上する。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数個の高圧相窒化ホウ素粒子を該高圧相
    窒化ホウ素が熱力学的に安定な圧力・温度条件下での焼
    結工程で一体化した焼結体において、隣接する窒化ホウ
    素粒子同士が、少なくとも部分的に、該焼結工程におい
    て窒化ホウ素粒子の表面に形成された第一金属材の窒化
    物及び/又はホウ化物を介して接合されていることを特
    徴とする高圧相窒化ホウ素焼結体。
  2. 【請求項2】複数個の高圧相窒化ホウ素粒子を該高圧相
    窒化ホウ素が熱力学的に安定な圧力・温度条件下での焼
    結工程で一体化した焼結体において、該窒化ホウ素粒子
    が上記焼結工程中に窒化ホウ素の反応により形成された
    第一金属材の窒化物及び/又はホウ化物で被覆され、か
    つ該窒化ホウ素粒子同士が、少なくとも部分的にマトリ
    ックス相を介して接合され、該マトリックス相が、窒化
    ホウ素との反応により形成された第一金属材の窒化物及
    び/又はホウ化物を含有することを特徴とする、高圧相
    窒化ホウ素焼結体。
  3. 【請求項3】上記窒化物及び/又はホウ化物で被覆され
    た高圧相窒化ホウ素が10%以上90%以下(焼結体全体に
    対する容量比、以下同様)、残部が上記マトリックスで
    ある、請求項1及び2の各項に記載の高圧相窒化ホウ素
    焼結体。
  4. 【請求項4】上記高圧相窒化ホウ素が立方晶窒化ホウ素
    又はウルツ鉱型窒化ホウ素である、請求項1及び2の各
    項に記載の高圧相窒化ホウ素焼結体。
  5. 【請求項5】上記第一金属材がTi、Si、Zr、Mo、
    W、Ta、Nb、V、Crから選ばれる少なくとも1種の
    金属を含有する、請求項1及び2の各項に記載の高圧相
    窒化ホウ素焼結体。
  6. 【請求項6】上記マトリックスがFe、Co、Ni、Cu、
    Alから選ばれる添加金属材を含有する、請求項2に記
    載の高圧相窒化ホウ素焼結体。
  7. 【請求項7】上記高圧相窒化ホウ素粒子が、窒化物及び
    /又はホウ化物で被覆された状態において0.5〜200μm
    の粒径を示す、請求項1及び2の各項に記載の高圧相窒
    化ホウ素焼結体。
  8. 【請求項8】上記高圧相窒化ホウ素焼結体が、全体とし
    て、第一金属材を含有する材質の基板に一体化接合され
    てなる、硬質部材。
  9. 【請求項9】高圧相窒化ホウ素粒子を、窒化物及び/又
    はホウ化物を形成しうるセラミック形成金属を含有する
    第一金属材の粒子と密に混合して焼結材料とし、この焼
    結材料を高融点金属容器に収容して、該高圧相窒化ホウ
    素が熱力学的に安定な領域内の圧力・温度条件に供する
    ことにより上記セラミック形成金属と高圧相窒化ホウ素
    との反応を生起せしめて窒化ホウ素粒子の表面に該セラ
    ミック形成金属の窒化物及び/又はホウ化物の被覆およ
    びかかる窒化物及び/又はホウ化物の粒子を形成すると
    同時に、該第一金属材が溶融する温度に供して液相を発
    生させて浸透させ、液相による該焼結材料の焼結一体化
    を行うことを特徴とする、高圧相窒化ホウ素焼結体の製
    造法。
  10. 【請求項10】上記セラミック形成金属材が、Ti、S
    i、Zr、Mo、W、Ta、Nb、V、Crから選ばれる少な
    くとも1種を含有する、請求項9に記載の高圧相窒化ホ
    ウ素の製造法。
  11. 【請求項11】上記焼結材料が、予め形成されたセラミ
    ック形成金属材の窒化物及び/又はホウ化物を含有す
    る、請求項9に記載の高圧相窒化ホウ素焼結体の製造
    法。
  12. 【請求項12】上記高圧相窒化ホウ素が立方晶窒化ホウ
    素又はウルツ鉱型窒化ホウ素である、請求項9に記載の
    高圧相窒化ホウ素焼結体の製造法。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61142003A (ja) * 1985-11-20 1986-06-28 Toshiba Tungaloy Co Ltd 複合切削体
JPH04367566A (ja) * 1991-06-14 1992-12-18 Toshiba Tungaloy Co Ltd 高靭性高圧相窒化硼素焼結体

Patent Citations (2)

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