JP2005532476A - 鋳鉄切削用高硬度焼結体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、高圧相窒化硼素である立方晶系窒化硼素（ＣＢＮ）を含む鋳鉄切削用高硬度焼結体及びその製造方法に関するものであって、ＷＣ／Ｃｏ系超硬基板に立方晶系窒化硼素（ＣＢＮ）粉末とその結合材粉末を焼結して多結晶立方晶系窒化硼素焼結体（ＰＣＢＮ）高硬度層を形成させた高硬度焼結体において、上記結合材はチタニウム、アルミニウム、及びニッケル、並びに、これらの炭化物、窒化物、硼化物、及び炭窒化物、並びに、上記それぞれの相互固溶体化合物から構成されたグループから選ばれる２以上の化合物であり；上記ＰＣＢＮ高硬度層に含まれたＣＢＮの体積％は、８０〜９８体積％であることを特徴として、耐磨耗性と熱的安定性が大きく向上し、より微細なサイズのＣＢＮ粉末を焼結することができるので、被削材の品質特性が向上するという長所がある。
Description
本発明は高硬度焼結体に関するものであって、より具体的には、高圧相窒化硼素である立方晶系窒化硼素（Cubic Boron Nitride: 以下、ＣＢＮという）を含む鋳鉄切削用高硬度焼結体及びその製造方法に関するものである。
ダイヤモンド焼結体工具は高い硬度を有するので、工具材料としては極めて優れているが、鉄金属と高温で反応する欠点がある。このため、鉄金属の切削には適当でない。
一方、高圧相窒化硼素は、触媒を利用して合成される単結晶の立方晶系窒化硼素と、触媒を利用しないで爆薬の爆発等による衝撃超高圧によって合成される多結晶ウルツアイト（wurtzite）型窒化硼素とがある。上記二形態の高圧相窒化硼素は、ダイヤモンドに次ぐ硬度を有し、特に鉄金属の研磨、研削及び切削工具用焼結体の製造原料として有用である。
特に、ＣＢＮは鉄系金属との反応が少なく、高い熱伝導度とダイヤモンドに次ぐ高い硬度を有しているので、ダイヤモンドの代わりに使用することができる優秀な切削工具用材料である。
ＣＢＮを切削工具に使用するためには、ＣＢＮ粉末を焼結して多結晶立方晶窒化硼素焼結体（Polycrystalline Cubic Boron Nitride：以下、ＰＣＢＮという）で作らなければならない。ところが、ＣＢＮは高圧で安定であり、常圧及び高温では機械的特性が極めて低下する六方晶窒化硼素（Hexagonal Boron Nitride）に変態する準安定相であるので、焼結過程では超高圧が必須的に要求される。且つ、ＣＢＮは典型的な共有結合をしている物質である関係で、適切な結合材の添加が要求される。
現在、鋳鉄切削用に商品化されたＰＣＢＮ（例えば、ＧＥ社のＤＺＮ６０００）は、体積％が９０％程度のＣＢＮに、結合材として、アルミニウム（Ａｌ）系化合物と基地金属から拡散して入ってきたコバルト、タングステン（Ｗ）、又はこれら元素の化合物等を使用している。ところが、工具の耐摩耗性を増加させるためには、ＰＣＢＮ中のＣＢＮの含有量（体積％）が大きいほど有利であるが、上記のような結合材だけではＣＢＮを緻密に焼結させるのが難しいので、ＣＢＮの含有量（体積％）を増やすのに限界がある。
さらに、上記結合材成分だけでは、ＰＣＢＮ高硬度層の硬度や耐摩耗性を増加させるのに限界があるので、高強度鋳鉄の切削や灰鋳鉄の高速切削の場合のように、切削条件が苛酷な場合に、工具刃先の磨耗が急激に進行され、工具の寿命が短くなり、切削中に発生される高い熱によって刃先のクレータ磨耗が発生し、刃先が破損する等の耐摩耗性や熱的安定性に問題があった。
一方、ＣＢＮ粒子のサイズが小さいほど鋳鉄の被削面の粗度がよくなるので、被削材の品質のためには、ＰＣＢＮ高硬度層のＣＢＮ粒子サイズを小さくする必要がある。ところが、従来のＰＣＢＮはコバルトがＣＢＮ粒子間の空間に拡散して結合する所謂溶浸（infiltration）現象によって焼結されるが、ＣＢＮ粒子が小さい場合には、コバルトが拡散し得る空間の大きさが小さくなるので、焼結し得るＣＢＮ粒子のサイズは、適切な焼結のためのサイズ以上（即ち、１０μｍ以上）に制限された。
本発明は、上記の問題点を解決するために案出されたものであって、 ＣＢＮにチタニウム系化合物等の適切な結合材を添加して焼結することにより、耐摩耗性及び熱的安定性に優れた鋳鉄切削用高硬度焼結体を提供することを目的とする。
さらに、上記結合材の焼結力を利用して、より細かい粒度を有するＰＣＢＮ高硬度層を備えた高硬度焼結体を提供することも目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に基づく高硬度焼結体は、ＷＣ／Ｃｏ系超硬基板と、この基板上に立方晶系窒化硼素（ＣＢＮ）粉末と結合材粉末を焼結することにより形成した多結晶立方晶系窒化硼素焼結体（ＰＣＢＮ）高硬度層とを備えた鋳鉄切削用高硬度焼結体において、上記結合材は、チタニウム、アルミニウム、及びニッケル、並びに、これらの炭化物、窒化物、硼化物、及び炭窒化物、並びに上記それぞれの相互固溶体化合物から構成されたグループから選ばれる２以上の化合物であり；上記ＰＣＢＮ高硬度層に含まれたＣＢＮの体積％は、８０〜９８体積％であることを特徴とする。
上記ＰＣＢＮ高硬度層に含まれたＣＢＮ粒子のサイズは、２〜６μｍであることが望ましい。
また、上記ＰＣＢＮ高硬度層に含まれた結合材は、チタニウム系化合物、アルミニウム系化合物、及びニッケル系化合物を含み、結合材に対するこれら化合物の体積％が、それぞれ、チタニウム系化合物３〜２０％、アルミニウム系化合物１０〜３０％、アルミニウム系化合物５〜２０％であることが望ましい。
そして、上記ＰＣＢＮ高硬度層は、超硬基板から拡散して入ってきたコバルト及びタングステン化合物を含み、結合材に対するこれら化合物の体積％が、それぞれ３０〜４５％及び２０〜４０％であることが望ましい。
上記超硬基板に含まれたコバルトの重量％は１０〜１６％であることが望ましい。
一方、上記高硬度焼結体を製造する方法は、ＷＣ／Ｃｏ系超硬基板と、立方晶系窒化硼素（ＣＢＮ）粉末と、チタニウム、アルミニウム、及びニッケル、並びに、これらの炭化物、窒化物、硼化物、及び炭窒化物、並びに上記それぞれの相互固溶体化合物から構成されたグループから選ばれる２以上の化合物からなる結合材粉末とを準備する段階；上記結合材粉末とＣＢＮ粉末を混合して混合粉末を作る段階；上記混合粉末を加熱して不純物を除去する段階；及び、上記加熱された混合粉末を超硬基板に焼結して多結晶立方晶系窒化硼素焼結体（ＰＣＢＮ）高硬度層を形成させる段階、を含んで構成される。
上記焼結温度及び圧力は、それぞれ５〜７ＧＰａ、１３００〜１６００℃であることが望ましい。
以下では、本発明について詳しく説明する。
本発明はＣＢＮ粒子を、より密に結合させる結合相であるチタニウム、アルミニウム等を結合材に使用して、ＰＣＢＮ高硬度層中のＣＢＮの体積％を大きく増加させることができるということに主な特徴がある。
チタニウムはＣＢＮ粒子間の反応性を向上させ、ＣＢＮ粒子等がより強く結合するようにするので、ＣＢＮの含有量を極大化させることができる。また、チタニウムは超高圧焼結時に、ＣＢＮに含まれた窒素や硼素原子と反応して、ＣＢＮ粒子と堅固な結合を形成することにより、焼結体の強度を向上させると共に、新しいチタニウム窒化物、硼化物、炭化物、炭窒化物を形成する。このような新しい反応生成物等は、焼結体に耐熱性と耐酸化性を付与して、上記焼結体に作る工具の刃先に、鋳鉄切削等に因る高温が発生しても耐えるようにする等、焼結体が高温安定性を有するようにする。
結合材としての、アルミニウム、又は、アルミニウム窒化物若しくは硼化物等のアルミニウム系化合物もまた、ＣＢＮ粒子を互いに強く結合させる結合相の役割をしている。
さらに、上記化合物の外に、ニッケルやニッケル系化合物を添加して焼結を一層緻密に作ることもできる。ニッケルは結合材に対して濡れ性が良いので、焼結が円滑で緻密に進行されるようにし、焼結体の脆性を低下させる役割をするからである。
本発明によれば、このようなチタニウム若しくはチタニウム系化合物、アルミニウム若しくはアルミニウム系化合物、又は、ニッケル若しくはニッケル系化合物を添加して、ＰＣＢＮ高硬度層中のＣＢＮ体積％を９８％まで増加させることができる。
一方、ＰＣＢＮ高硬度層中のＣＢＮの体積％が８０％未満である場合には、チタニウム、アルミニウム等の結合材を添加したとしても、耐磨耗性が大きく減少するようになり、ＰＣＢＮ高硬度層中のＣＢＮの体積％が９８％を超える場合には、ＣＢＮ粒子と結合材間の結合が十分でないので、却って、耐摩耗性が劣るようになる。したがって、望ましいＣＢＮ体積％は８０〜９８％であるのが良い。
そして、チタニウム系化合物、アルミニウム系化合物、ニッケル系化合物を結合材とすれば、超硬基板から拡散して入ってくるコバルト及びタングステンカーバイドと共にＣＢＮを一層緻密に結合させ、チタニウム系化合物等が新しい炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物等の化合物を形成するので、従来の焼結体より更に小さい粒子サイズ（即ち、１０μｍ未満）のＣＢＮ粉末に対しても焼結が可能である。即ち、本発明の結合材は従来のコバルトを主成分とした結合材に比べて、より強い焼結力を有するので、コバルトが拡散し得る空間が小さい、より微細な粒子の場合にも焼結が可能になる。
しかし、ＣＢＮ粒子のサイズが２μｍ未満である場合、粒子のサイズが度を過ぎて小さいので、焼結体の耐摩耗性が急激に減少するようになる。また、ＣＢＮ粒子のサイズが６μｍを超える場合、超硬基板から拡散するコバルトの拡散性は良くなるが、ＣＢＮ粒子を取り囲んで結合するチタニウム等の結合力が弱化され、耐摩耗性が減少して工具欠損が発生するおそれがある。
よって、望ましいＣＢＮ粒子のサイズは２〜６μｍの範囲にあるものが良い。
チタニウム系化合物によって上記のような効果を得るためには、少なくとも、ＰＣＢＮ 高硬度層に、チタニウム系化合物の体積％が３％以上である必要がある。そして、チタニウム系化合物がＰＣＢＮ高硬度層にあまり多く存在する場合、却って、脆性が大きくなるので、チタニウム系化合物の体積％は２０％以下であるのが望ましい。
アルミニウム系化合物もまた、許容値以上含まれると、脆性と耐摩耗性を共に落とすので、ＰＣＢＮ高硬度層中のアルミニウム系化合物の体積％は１０〜３０％であるのが良い。
焼結が円滑で緻密に進行されるようにし、焼結体の脆性を低めるために、ＰＣＢＮ高硬度層中に、ニッケル又はその化合物の体積％が５％以上になるように含まれるのがよい。しかしながら、ニッケルの体積％が２０％を超えると焼結体の耐磨耗性を急激に減少させるので、２０％以下の体積％であるのが望ましい。
一方、基地金属である超硬基板中に含まれたコバルトは高温高圧の焼結過程で溶けてＣＢＮ粒子と結合材間に急速に拡散するようになり、この液相のコバルトが拡散経路となり、基地金属のタングステンカーバイドがやはりＣＢＮ粒子と結合材の間に拡散するようになり、これに因り、焼結体の耐磨耗性及び耐衝撃性が向上される。
しかし、度を過ぎて多くの量のコバルト及びタングステンカーバイドが拡散して入ってくると、相対的にチタニウム、アルミニウム及びニッケル系化合物の体積％が減少して、却って耐摩耗性を低下させるようになるので、コバルト及びタングステンカーバイドの体積％はそれぞれ３０〜４５％、２０〜４０％であるのが良い。
コバルト及びタングステンカーバイドが上記のような体積割合を維持するためには、超硬基板中のコバルトの重量％は１０〜１６％であるのが望ましい。
上記の構成を有する高硬度焼結体を製造する方法は次のとおりである。
まず、ＷＣ／Ｃｏ系超硬基板と、立方晶系窒化硼素（ＣＢＮ）粉末と、チタニウム、アルミニウム、及びニッケル、並びに、これらの炭化物、窒化物、硼化物、及び炭窒化物、並びに上記それぞれの相互固溶体化合物から構成されたグループから選ばれる２以上の化合物からなる結合材粉末とを準備する。
上記結合材粉末とＣＢＮ粉末を、ボールミリング等によって混合した後、それぞれの粉末を還元雰囲気下で加熱して、表面の水分と不純物を除去する。
上記の工程によって製造された混合粉末を、ＷＣ／Ｃｏ系超硬基板に所定厚さになるように塗布し、高温及び高圧下で焼結させて多結晶立方晶系窒化硼素焼結体（ＰＣＢＮ）高硬度層を形成させる。
焼結体をより緻密に形成するために、焼結温度及び圧力はそれぞれ５〜７ＧＰａ、１３００〜１６００℃範囲の高温、高圧であるのがよい。
焼結段階において、液相になった結合材がＣＢＮ粒子を覆い被せて結合するか、ＣＢＮ粒子同士で直接結合させる。また、超硬基板中のコバルト及びタングステンカーバイドが、毛細管現象によってＣＢＮ粉末の間に溶浸される。
本発明は、ＣＢＮと反応性が優れた結合材が使用されるので、操業条件で浸透した液相の結合材によって硼素原子と窒素原子の早い移動が誘発されることにより、ＣＢＮ粒子が直接的に堅固に結合され得る。
以下、添付の図面を参照して本発明の望ましき実施例について説明する。
平均粒度３μｍであるＣＢＮ粉末、チタニウム系化合物、アルミニウム系化合物、及びニッケル金属粉末を超硬材質の容器に装入し、超硬材質のボールを使用して湿式混合した。
混合された粉末を水素雰囲気下、１０００℃で６時間加熱して、表面の水分と不純物を除去した後、ＷＣ−１３重量％ Ｃｏ超硬基板上に塗布した後、圧力媒体としては、パイロフィライト（pyrophylite）、 発熱体としては、黒鉛円筒を使用して５ＧＰａ、１４００℃下で焼結体を製造した。
上記の工程を通じて得られた焼結体のＰＣＢＮ高硬度層をダイヤモンド砥石で平たく研削し、再度微細なダイヤモンド粒子を利用して研磨した。
焼結体の研磨面を電子顕微鏡で観察した結果、図１のような組織構造を有することを分かった。図１に示されるように、黒色の粒子はＣＢＮ粒子であって、上記粒子等が互いに直接的に結合されており、残り部分は結合材で満たされている。
Ｘ線回折装置を利用して製造された焼結体のＰＣＢＮ高硬度層を調査した結果、図２に示されるように、チタニウムの各種窒化物及び硼化物、アルミニウムの硼化物及び窒化物、並びに、超硬基板から拡散したコバルト及びタングステンカーバイドが存在しているのが分かる。
該焼結体を利用して鋳鉄切削工具を製作した後、ＧＣ２５０鋳鉄を被削材にし、切削速度１２００ｍｍ／ｍｉｎ、切削深さ０．２５ｍｍ、移送速度０．１ｍｍ／ｒｅｖで１０分間、湿式切削して耐磨耗性を評価した結果を表１に表した。
表１に示されるように、ＣＢＮ体積％が増加する程、耐磨耗性が増加していることを分かる。しかしながら、ＣＢＮ体積％が７５％である場合（試料１）、工具磨耗が大きく増加し、９９％である場合（試料６）もまた、結合材の量に比べてＣＢＮの量が度を過ぎて多いので、結合力が劣るので、工具磨耗が大きく増加している。
さらに、アルミニウム系化合物の体積％が３５％の過量である場合（試料１１）、脆性が増加し、耐磨耗性が減少している。試料１１の場合、タングステン化合物及びコバルトの量も適正量以下であるので、工具に欠損が発生している。
そして、ニッケル化合物が含まれていないか（試料１０）、過量に含まれた場合（試料１２）も耐磨耗性が減少している。
組成を異にして、上記実施例１と同一な方法で製造した焼結体の組成を下記表２に示した。また、該焼結体を利用して鋳鉄切削工具を製作した後、ＧＣＤ４００鋳鉄を被削材とし、切削速度４００ｍｍ／ｍｉｎ、切削深さ０．２ｍｍ、移送速度０．１ｍｍ／ｒｅｖで５分間、湿式切削して耐磨耗性を評価した。
表２の試料１４及び試料１５のように、チタニウム系化合物が２０体積％を超えるか、含まれない場合には、工具磨耗が大きく増えることを分かる。
一方、試料１８の従来のＣｏ結合材を含有した焼結体と本発明の焼結体の工具磨耗量を比較すると、本発明の焼結体が耐磨耗性が１．５〜２．５倍程度優れていることを分かる。
平均粒度１μｍ，３μｍ，６μｍ,１０μｍであるＣＢＮ粉末とチタニウム系化合物、アルミニウム系化合物及びニッケル金属粉末を超硬材質の容器に装入し、超硬材質のボールを使用して湿式混合した。
混合された粉末を水素雰囲気下、１０００℃で６時間加熱して表面の水分と不純物を除去した後、ＷＣ−１３重量％ Ｃｏ超硬基板上に塗布した後、圧力媒体としては、パイロフィライト、発熱体としては、黒鉛円筒を使用して、５ＧＰａ、１５００℃下で焼結体を製造した。
該焼結体を利用して鋳鉄切削工具を製作した後、ＧＣ２５０鋳鉄を被削材とし、切削速度８００ｍｍ／ｍｉｎ、切削深さ０．５ｍｍ、移送速度０．１ｍｍ／ｒｅｖで１０分間湿式切削して耐磨耗性を評価した結果を表３に示した。
表３において、ＣＢＮ粒子サイズが１μｍ（試料１９）、１０μｍ（試料２２）の場合は、急激に工具磨耗が発生するか、結合材がＣＢＮ粒子と堅固な結合をなすことができず欠損が発生している。
平均粒度３μｍのＣＢＮ粉末とチタニウム系化合物、アルミニウム系化合物及びニッケル金属粉末を超硬材質の容器に装入し、超硬材質のボールを使用して湿式混合した。
混合された粉末を水素雰囲気下、１０００℃で６時間加熱して表面の水分と不純物を除去した後、Ｃｏ重量％が６，１０，１３，１６，２０％の超硬基板上に塗布した後、圧力媒体としてはパイロフィライト、発熱体としては、黒鉛円筒を使用して５ＧＰａ、１５００℃下で表４のような焼結体を製造した。
該焼結体を利用して鋳鉄切削工具を製作した後、ＧＣ２５０鋳鉄を被削材とし、切削速度８００ｍｍ／ｍｉｎ、 切削深さ０．５ｍｍ、移送速度０．１ｍｍ／ｒｅｖで１０分間湿式切削して耐磨耗性を評価した。
表４から分かるように、使用された超硬基板のコバルト重量が６％の場合（試料２３）は、ＰＣＢＮ高硬度層に含まれたコバルトの体積％が許容値以下となり、工具に欠損が発生した。
また、試料２７のように、超基板のコバルト重量が２０％の場合には、ＰＣＢＮ高硬度層に含まれたコバルトの体積％が４５％を超えるようになり、工具の磨耗が急激に増加している。
以上で説明したとおり、本発明に基づく高硬度焼結体は、チタニウム系化合物、アルミニウム系化合物、及びニッケル系化合物中選ばれる２以上の化合物を結合材に添加することにより、耐摩耗性と熱的安定性が大きく向上する効果がある。
さらに、より微細なサイズのＣＢＮ粉末を焼結することができ、被削材の品質特性が向上するという長所がある。
Claims (7)
- ＷＣ／Ｃｏ系超硬基板と、この基板上に立方晶系窒化硼素（ＣＢＮ）粉末と結合材粉末を焼結することにより形成した多結晶立方晶系窒化硼素焼結体（ＰＣＢＮ）高硬度層とを備えた鋳鉄切削用高硬度焼結体において、
上記結合材は、チタニウム、アルミニウム、及びニッケル、並びに、これらの炭化物、窒化物、硼化物、及び炭窒化物、並びに上記それぞれの相互固溶体化合物から構成されたグループから選ばれる２以上の化合物であり；
上記ＰＣＢＮ高硬度層に含まれたＣＢＮの体積％は、８０〜９８体積％であることを特徴とする鋳鉄切削用高硬度焼結体。 - 上記ＰＣＢＮ高硬度層に含まれたＣＢＮ粒子のサイズは２〜６μｍであることを特徴とする請求項１に記載の鋳鉄切削用高硬度焼結体。
- 上記ＰＣＢＮ高硬度層に含まれた結合材は、チタニウム系化合物、アルミニウム系化合物、及びニッケル系化合物を含み、結合材に対するこれら化合物の体積％が、それぞれ、チタニウム系化合物３〜２０％、アルミニウム系化合物１０〜３０％、ニッケル系化合物５〜２０％であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鋳鉄切削用高硬度焼結体。
- 上記ＰＣＢＮ高硬度層は、超硬基板から拡散して入ってきたコバルト及びタングステン化合物を含み、結合材に対するこれら化合物の体積％が、それぞれ３０〜４５％及び２０〜４０％であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鋳鉄切削用高硬度焼結体。
- 上記超硬基板に含まれたコバルトの重量％は１０〜１６％であることを特徴とする請求項４に記載の鋳鉄切削用高硬度焼結体。
- ＷＣ／Ｃｏ系超硬基板と、立方晶系窒化硼素（ＣＢＮ）粉末と、チタニウム、アルミニウム、及びニッケル、並びに、これらの炭化物、窒化物、硼化物、及び炭窒化物、並びに上記それぞれの相互固溶体化合物から構成されたグループから選ばれる２以上の化合物からなる結合材粉末とを準備する段階；
上記結合材粉末とＣＢＮ粉末を混合して混合粉末を作る段階；
上記混合粉末を加熱して不純物を除去する段階；及び、
上記加熱された混合粉末を超硬基板に焼結して多結晶立方晶系窒化硼素焼結体（ＰＣＢＮ）高硬度層を形成させる段階、を含む鋳鉄切削用高硬度焼結体の製造方法。 - 上記焼結温度及び圧力はそれぞれ５〜７ＧＰａ、１３００〜１６００℃であることを特徴とする請求項６に記載の鋳鉄切削用高硬度焼結体の製造方法。
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