JP2006315898A

JP2006315898A - 立方晶窒化硼素焼結体

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Publication number: JP2006315898A
Application number: JP2005139285A
Authority: JP
Inventors: Sukeyuki Takahashi; 祐之高橋; Kazuo Hado; 和雄羽藤
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2006-11-24

Abstract

【課題】焼結金属や鋳鉄などの金属の切削加工において、耐摩耗性に優れた立方晶窒化硼素焼結体を提供する。
【解決手段】立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して８８〜９７体積％と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの金属、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の結合相：残部とからなり、結合相厚みの平均値は０．１〜１．０μｍである立方晶窒化硼素焼結体。

Description

本発明は立方晶窒化硼素焼結体に関し、その中でも特に焼結金属や鋳鉄などの切削工具として好適な立方晶窒化硼素焼結体に関する。

エンジンのバルブシート材、ギア材部品などに焼結金属を使用することが増加している。焼結金属は難削材として知られており、これらを切削加工するために立方晶窒化硼素焼結体を切削工具として用いることが多い。また、鋳鉄を高速で切削する場合にも立方晶窒化硼素焼結体を切削工具として用いることが多い。

立方晶窒化硼素焼結体の従来技術としては、ｃＢＮを結合相で焼結した焼結体であって、ｃＢＮの含有率が体積％で４５−７０％で、ｃＢＮ粒子の平均粒度が０．０１以上２μｍ未満であり、結合相厚みの平均値が１．０μｍ以下で、その標準偏差が０．７以下であることを特徴とするｃＢＮ焼結体がある（例えば、特許文献１参照。）。

また、ｃＢＮを４０〜７０ｗｔ％含有し、残部が結合相の焼結体において、ｃＢＮの粒径が０．０１μｍ以上０．４０μｍ以下であって、かつ、結合相厚みの平均値が０．１０μｍ以上０．７０μｍ以下であることを特徴とする超微粒ｃＢＮ基焼結体がある（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０００−４４３４７号公報特開２００２−３０２７３２号公報

焼結金属や鋳鉄などの金属の切削加工に立方晶窒化硼素焼結体を切削工具として使用すると、立方晶窒化硼素焼結体中の結合相が選択的に摩耗する。結合相が選択的に摩耗すると立方晶窒化硼素粒子を保持できず立方晶窒化硼素粒子が脱落し摩耗が進行する。

このような切削加工においては、ｃＢＮの含有率が体積％で４５−７０％で、ｃＢＮ粒子の平均粒度が０．０１以上２μｍ未満であり、結合相厚みの平均値が１．０μｍ以下であるｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ焼結体の結合相が選択的に摩耗し、工具寿命が短くなるという問題があった。

また、ｃＢＮを４０〜７０ｗｔ％含有し、残部が結合相の焼結体において、ｃＢＮの粒径が０．０１μｍ以上０．４０μｍ以下であって、かつ、結合相厚みの平均値が０．１０μｍ以上０．７０μｍ以下である超微粒ｃＢＮ基焼結体は、結合相が微粒化しているため耐摩耗性は向上しているが、さらなる工具寿命延長の要求には答えられなくなってきた。そこで、本発明は焼結金属や鋳鉄などの金属の切削加工において、耐摩耗性に優れた立方晶窒化硼素焼結体の提供を目的にする。

本発明者らは、立方晶窒化硼素焼結体の耐摩耗性を向上させる研究を行ったところ、結合相厚みの平均値をできる限り小さくすること、および、立方晶窒化硼素の含有量を多くすることによって、耐摩耗性が向上し工具寿命を延長できるとい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、本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して８８〜９７体積％と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの金属、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の結合相：残部とからなり、結合相厚みの平均値は０．１〜１．０μｍである。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して８８〜９７体積％と、結合相：残部とからなる。本発明の立方晶窒化硼素焼結体に含まれる立方晶窒化硼素が８８体積％未満であると耐摩耗性が低下し、９７体積％を超えると相対的に結合相が減少して焼結性が低下する。そこで立方晶窒化硼素の含有量を８８〜９７体積％とした。その中でも、立方晶窒化硼素の含有量は９３〜９５体積％であるとさらに好ましい。

本発明の結合相は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの金属、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる。本発明の結合相は立方晶窒化硼素を結合して耐摩耗性を高くする作用がある。その中でも結合相は、Ｗ、Ｃｏ、Ａｌの金属、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなるとさらに好ましい。

本発明の結合相厚みの平均値は０．１〜１．０μｍとした。これは、結合相厚みの平均値が１．０μｍを超えて大きくなると、結合相が選択的に摩耗するため耐摩耗性が低下し、結合相厚みの平均値を０．１μｍ未満にすると工具の強度低下を招くためである。

結合相厚みの平均値を０．１〜１．０μｍにするためには、立方晶窒化硼素を平均粒径１．０μｍ以下の微粒にするとよい。しかしながら結合相が少なく立方晶窒化硼素が微粒であると焼結性が低下する傾向がみられる。微粒立方晶窒化硼素に適切な量の粗粒立方晶窒化硼素を添加すると焼結性が向上する。すなわち、本発明の立方晶窒化硼素焼結体に含まれる立方晶窒化硼素は、粒径が０．０１〜１．０μｍの微粒立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して３４〜６２体積％と、粒径が１．０μｍ超〜１０μｍの粗粒立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して２６〜６３体積％とからなり、微粒立方晶窒化硼素と粗粒立方晶窒化硼素との合計は、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して８８〜９７体積％となるようにすると、結合相厚みを薄く、焼結性を上げることができるため、さらに好ましい。これは、粒径が０．０１〜１．０μｍの微粒立方晶窒化硼素が６２体積％を超えて多くなると、または、粒径が１．０μｍ超〜１０μｍの粗粒立方晶窒化硼素が２６体積％未満になると焼結性が低下し、粒径が０．０１〜１．０μｍの微粒立方晶窒化硼素が３４体積％未満になると、または、粒径が１．０μｍ超〜１０μｍの粗粒立方窒化硼素が６３体積％を超えて多くなると、結合相厚さの平均値を１．０μｍ以下にすることが困難になるためである。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体の製造方法としては、平均粒径０．０１〜１．０μｍの微粒立方晶窒化硼素粉末と、平均粒径１．５〜１０μｍの粗粒立方晶窒化硼素粉末と、結合相粉末とを用意し、次に、微粒立方晶窒化硼素粉末：３０〜７０体積％、粗粒立方晶窒化硼素粉末：２０〜６５体積％、ただし微粒立方晶窒化硼素粉末と粗粒立方晶窒化硼素粉末との合計が８８〜９７体積％、残りが結合相粉末となるように混合粉末を配合して湿式混合等によって混合し、得られた混合粉末を金属カプセルに充填した後、超高圧発生装置の容器内に装入し、圧力６〜７ＧＰａ、温度１６００〜１７００℃、保持時間１０〜６０分という条件で焼結する方法を挙げることができる。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体の用途の一つとして、切削工具を挙げることができる。その中でも焼結金属用立方晶窒化硼素焼結体切削工具または鋳鉄用立方晶窒化硼素焼結体切削工具として用いると、耐摩耗性に優れ、工具寿命を延長できるため、さらに好ましい。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、金属の切削加工において優れた耐摩耗性を示す。その中でも特に焼結金属切削加工または鋳鉄切削加工において優れた耐摩耗性を示す。その結果として従来の立方晶窒化硼素焼結体より工具寿命を延長できる。

表１に示す粒度分布を持つ立方晶窒化硼素（以下ｃＢＮと称す。）粉末を用意し、平均粒径２μｍのＷＣ粉末、平均粒径２μｍのＴｉＮ粉末、平均粒径１．５μｍのＣｏ粉末、平均粒径４μｍのＡｌ粉末を用意する。体積比でＷＣ：Ｃｏ：Ａｌ＝２：７：５となるように結合相粉末Ａを配合し、体積比でＴｉＮ：Ａｌ＝５：２となるように結合相粉末Ｂを配合した。さらに表１のｃＢＮ粉末と結合相粉末Ａ，Ｂとを表２の配合組成に配合した。配合した混合粉末を湿式混合し、混合後に乾燥した混合粉末を金属カプセルに充填した後、超高圧発生装置の容器内に装入し、圧力６．５ＧＰａ、温度１６５０℃、保持時間３０分の焼結条件で焼結し、発明品１〜４および比較品１〜３を得た。なお、比較品１は特開２０００−４４３４７号公報の特許請求の範囲に含まれる。比較品２は特開２００２−３０２７３２号公報の特許請求の範囲に含まれる。

得られた焼結体は研磨して、電子顕微鏡にて３０００倍で写真撮影したところ、ｃＢＮ粒子と結合相が観察された。この写真において任意の直線を引き、ｃＢＮの粒径および結合相厚さを測定した。また、電子顕微鏡および付属のＥＤＳ，ＷＤＳを用いて、ｃＢＮの粒径、ｃＢＮの含有量（体積％）、結合相の含有量（体積％）を測定し、組織の均一性を確認した。これらの結果は表３、４に示した。また、試験荷重：４．９０Ｎ、荷重保持時間：１５秒の試験条件でヌープ硬さ（Ｈｋ）測定を行い、その結果を表４に示した。

得られた焼結体は、超硬合金基材に銀ロウ（４５Ａｇ−３０Ｃｕ−２５Ｚｎ、以上重量％）を介して接合し、所定の切削工具形状に研磨加工した。得られた切削工具について切削試験を行った。切削試験結果は表５および表６に示す。

［切削試験１］
被削材：０．５Ｎｉ−０．５Ｍｏ−０．５Ｃ−０．２Ｍｎ−残Ｆｅ（以上重量％）のギア材用焼結金属（HRA69）
形状：ＴＮＧＡ１６０４１２
切削速度：Ｖｃ＝１００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：ａｐ＝０．１５ｍｍ
送り：ｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
工具寿命の判定基準：コーナ摩耗量ＶＢｃが０．３ｍｍに達したとき工具寿命とした。

表５によると、比較品１〜３は発明品１〜４よりも工具寿命に至るまでの加工数が少なかった。これに対して発明品１〜４は耐摩耗性が良好で長寿命であった。

［切削試験２］
被削材：ＦＣ２２０
形状：ＣＮＧＡ１２０４１２
切削速度：Ｖｃ＝８００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：ａｐ＝０．５ｍｍ
送り：ｆ＝０．３ｍｍ／ｒｅｖ
工具寿命の判定基準：コーナ摩耗量ＶＢｃが０．３ｍｍに達したとき工具寿命とした。

表６によると、比較品１〜３は発明品１〜４よりも工具寿命に至るまでの加工数が少なかった。これに対して発明品１〜４は耐摩耗性が良好で長寿命であった。

Claims

立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して８８〜９７体積％と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの金属、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の結合相：残部とからなり、結合相厚みの平均値は０．１〜１．０μｍである立方晶窒化硼素焼結体。
結合相は、Ｗ、Ｃｏ、Ａｌの金属、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
立方晶窒化硼素は、粒径が０．０１〜１．０μｍの微粒立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して３４〜６２体積％と、粒径が１．０μｍ超〜１０μｍの粗粒立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して２６〜６３体積％とからなり、微粒立方晶窒化硼素と粗粒立方晶窒化硼素との合計は、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して８８〜９７体積％である請求項１または２に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
立方晶窒化硼素焼結体は、焼結金属用立方晶窒化硼素焼結体切削工具として用いられる請求項１〜３のいずれか１項に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
立方晶窒化硼素焼結体は、鋳鉄用立方晶窒化硼素焼結体切削工具として用いられる請求項１〜３のいずれか１項に記載の立方晶窒化硼素焼結体。