JP2007254249A

JP2007254249A - ｃＢＮ基超高圧焼結体

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Publication number: JP2007254249A
Application number: JP2006084534A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kobayashi; 正樹小林
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: JP4830571B2

Abstract

【課題】
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の提供を目的とする。
【解決手段】
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、結合相は少なくとも（１）Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの中の少なくとも１種とＴｉとからなる複合窒化物および複合炭窒化物の中の少なくとも１種の複合化合物と、（２）Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの中の少なくとも１種の斜方晶ホウ化物と、（３）ＡｌＮと、（４）Ａｌ₂Ｏ₃とを含有するｃＢＮ基超高圧焼結体。

Description

本発明は、鋼の浸炭材，焼入れ材など高硬度鋼の断続切削に最適なｃＢＮ基超高圧焼結体に関する。

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基超高圧焼結体が使用されている。ＴｉＮ以外の結合相の成分としては、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。

高硬度鋼の加工現場では、断続旋削加工となる複雑形状品への対応やフライス加工での高能率化が求められており、工具として使用されるｃＢＮ基超高圧焼結体においても耐欠損性、耐チッピング性の更なる向上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、アルミニウム含有化合物と、ホウ化チタンと、（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種を示す。）で表されるチタン含有化合物相と、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの炭化物，窒化物、Ｔｉの炭化物，炭酸化物からなる分散強化相とを含有するものがある（例えば、特許文献１参照。）。また、（Ｔｉ，Ｖ）（Ｃ，Ｖ）の複合炭窒化物と、Ｔｉの炭化物，窒化物，炭窒化物と、Ｖの炭化物，窒化物，炭窒化物と、Ａｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮ，ＡｌＢ₂などを含有したものがある（例えば、特許文献２参照。）。これらの結合相には、Ｖ，Ｎｂ，ＴａとＴｉとからなる複合窒化物を含有しているため硬さは改善されるものの、ＴｉＢ₂やＡｌＢ₂など脆弱なホウ化物を含有しているために強度，靱性が低下すると言う問題がある。

ｃＢＮ基超高圧焼結体の結合相にホウ化物を含有させる従来技術として、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物，炭化物，炭窒化物，ホウ化物から選ばれる少なくとも一種、およびＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素とＶＩＩＩ族元素とからなるホウ化物を含む焼結体がある（例えば、特許文献３参照。）。ここに含有されたＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素とＶＩＩＩ族元素とからなるホウ化物は、例えば、ＷＣｏＢ，Ｗ₂ＣｏＢ₂で、これらも脆弱なホウ化物であるために、強度，靱性が低くて、耐欠損性，耐チッピング性に劣ると言う問題がある。

特開平７−１７２９２４号公報特開平９−１３６２０３号公報特開平２００２−２２６２７３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、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの窒化物あるいは金属を添加し、焼結時にｃＢＮと反応させてＶＢ，ＮｂＢ，ＴａＢの斜方晶ホウ化物を含有させることによって、結合相の硬さ，靱性，耐熱性などを改善して耐欠損性，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、高硬度鋼の断続切削に用いる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Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの中の少なくとも１種とＴｉとの複合窒化物を含有させると耐欠損性，耐チッピング性が改善されること、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの中の少なくとも１種の斜方晶ホウ化物を含有させると熱的安定性が増大して耐摩耗性と共に耐チッピング性が向上すると言う知見を得て、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）Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの中の少なくとも１種とＴｉとからなる複合窒化物および複合炭窒化物の中の少なくとも１種の複合化合物と、（２）Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの中の少なくとも１種の斜方晶ホウ化物と、（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、具体的には、（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｔａ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｎｂ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｖ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ）などが挙げられる。そして、これらの複合化合物を（Ｔｉ_1-aＭ_a）（Ｃ_1-bＮ_b）（ただし、ＭはＶ，Ｎｂ，Ｔａの中の少なくとも１種を示す。）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未満では耐熱性に劣り、０．６を超えて大きくなると耐摩耗性が低下する。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、複合化合物の含有量は、結合相全体に対して３０〜８０体積％が好ましい。複合化合物が３０体積％未満では耐摩耗性が低下し、複合化合物が８０体積％を超えて多くなると相対的に斜方晶ホウ化物量が減少して耐チッピングが低下する。

また、複合化合物を（Ｔｉ_1-aＭ_a）（Ｃ_1-bＮ_b）と表した場合のＭがＴａであると、耐摩耗性と耐チッピング性を改善する効果が高くなるので好ましい。Ｔａの窒化物，炭化物，ホウ化物が最も高融点で熱力学的に安定なために、耐摩耗性に優れた（Ｔｉ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ）系複合炭窒化物と靱性に優れたＴａＢを形成するからである。

結合相の必須成分（２）である斜方晶ホウ化物として、具体的には、ＶＢ，ＮｂＢ，ＴａＢ，（Ｖ，Ｔａ）Ｂ，Ｎｂ₃Ｂ₄，Ｔａ₃Ｂ₄などが挙げられる。ここで、Ｖ，Ｎｂ，ＴａにはＢ含有量の異なる多くのホウ化物が存在し、一般的には六方晶のＶＢ₂，ＮｂＢ₂，ＴａＢ₂であるが、熱的に不安定で硬脆いと言う欠点がある。斜方晶ホウ化物の含有量は、結合相全体に対して５〜４０体積％が好ましい。斜方晶ホウ化物が５体積％未満では耐チッピング性を改善する効果が少なく、斜方晶ホウ化物が４０体積％を超えて多くなると相対的に複合炭窒化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５〜３０体積％の範囲が好ましい。ＡｌＮが５体積％未満では焼結性に劣り、ＡｌＮが３０体積％を超えて多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製造工程において混入する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。

以上の必須成分（１）〜（４）以外に、ＺｒＮ，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＷＣ，ＳｉＣ，ＺｒＯ₂，ＴｉＢ₂，ＣｒＢおよびＶ₂Ｎ，Ｔａ₂Ｎ，Ｎｂ₂Ｎなどの周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，酸化物，ホウ化物、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。なお、Ｖ，Ｎｂ，ＴａおよびＮを多く添加すると、結合相にＶ₂Ｎ，Ｔａ₂Ｎ，Ｎｂ₂Ｎが含まれることがあるが、これらの含有量は少ないほど好ましい。

本発明のｃＢＮ基超高圧焼結体におけるｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）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％を超えて多くなると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基超高圧焼結体は、従来の超高圧高温発生装置を用いた製造方法で製造できる。すなわち、立方晶窒化ホウ素粉末と、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの金属あるいは窒化物粉末と、ＴｉＮ，ＴｉＣＮ粉末と、金属アルミニウム粉末などを出発原料とし、混合粉末を超高圧かつ高温下で焼結するものである。

出発原料として、Ｖ，Ｎｂ，ＴａとＴｉとを含有した複合炭窒化物を予め作製して添加すると、ＴｉＢ₂，Ｖ₂Ｎ，Ｔａ₂Ｎ，Ｎｂ₂Ｎを生じ難くて、かつＶＢ，ＮｂＢ，ＴａＢの斜方晶ホウ化物を生成し易くなるので好ましい。例えば、ＴｉＮと金属Ｔａ、あるいはＴｉＮとＴａＮとＴｉＨ₂との混合粉末を真空加熱し、非化学量論組成となる（Ｔｉ，Ｔａ）Ｎｘの均一な固溶体粉末としたものである。ここで、ｘはＴｉとＴａとの合計に対するＮの原子比を示すもので、０．８〜０．９５の範囲が好ましい。ｘの値が０．８未満であると、焼結反応で生じる斜方晶ホウ化物の割合が高くなるがＴｉＢ₂も生じ易くなり、逆に０．９５を超えて大きいと斜方晶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、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの中の少なくとも１種とＴｉとからなる複合窒化物が耐摩耗性と耐欠損性を改善させる作用をし、反応生成したＶ，Ｎｂ，Ｔａの中の少なくとも１種の斜方晶ホウ化物が耐チッピング性を増大させ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、高硬度鋼の断続切削で約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２．７μｍのＶＮ，平均粒径２．３μｍのＮｂＮ，３２５＃の金属Ｔａ，平均粒径１．９μｍのＴａＮ，平均粒径１．５μｍのＴｉＮ，平均粒径１．５μｍ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、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Ｘ線回折の結果と、平均粒径（ＦＳＳＳ）および窒素量，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。

＊複合窒化物以外に生成した少量のＮｂ₂Ｎ，Ｔａ₂Ｎを含めて組成式とした。

そして、得られた複合炭酸窒化物粉末（Ａ）〜（Ｇ），前記のＶＮ，ＮｂＮ，金属Ｔａ，ＴａＮ，ＴｉＮ，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_0.9，平均粒径０．９μｍの金属Ａｌ，平均粒径２．２μｍのＴａＢ₂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、窒素中で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１〜１０および比較品１〜６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（印加荷重：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、走査型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、結合相の成分に関しては、その割合を算出した。これらの結果を表３に示す。なお、本発明品に含有される複合化合物中のＴｉ量，Ｚｒ量，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、ＶＮ，ＮｂＮ，金属Ｔａの添加量が少ない本発明品１〜３、および複合炭酸窒化物を用いた本発明品４〜１０は、斜方晶ホウ化物を含有しているのに対して、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａを添加していない比較品１、ＴｉＣ量の多い比較品２、ＶＮ，ＮｂＮ，ＴａＮの添加量が多い比較品３〜５、およびＴａＢ₂を添加した比較品６では、斜方晶ホウ化物を含有せず、他のホウ化物，炭化物，低級窒化物が残留あるいは生成していることが分かる。

実施例１で得られた本発明品３〜８および比較品１〜６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およびＳＮＧＮ１２０４０８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）外周断続湿式旋削；チップ形状：ＴＮＭＡ１６０４０８、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）フライス乾式加工；チップ形状：ＳＮＧＮ１２０４０８、被削材：ＳＫＤ１１焼入れ材（ＨＲＣ＝６０）、切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ、切込み量：０．１ｍｍ、送り量：０．０５ｍｍ／刃、評価基準：平均逃げ面摩耗量ＶB＝０．１ｍｍになる又は欠損，チッピングまでの切削可能な距離。

表４の結果から、比較品に比べて本発明品は、浸炭焼入鋼の断続旋削では平均で１．５倍、金型鋼のフライス加工では２．７倍の寿命があり、高硬度鋼の断続切削において効果が高いことが分かる。

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）Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの中の少なくとも１種とＴｉとからなる複合窒化物および複合炭窒化物の中の少なくとも１種の複合化合物と、（２）Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの中の少なくとも１種の斜方晶ホウ化物と、（３）ＡｌＮと、（４）Ａｌ₂Ｏ₃とを含有する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Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの中の少なくとも１種を示し、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：３０〜８０体積％と、ＭＢ（ただし、ＭはＶ，Ｎｂ，Ｔａの中の少なくとも１種を示す。）で表される斜方晶ホウ化物：５〜４０体積％と、ＡｌＮ：５〜３０体積％と、Ａｌ₂Ｏ₃：２〜２０体積％とからなるｃＢＮ基超高圧焼結体。
上記ＭはＴａである請求項２に記載のｃＢＮ基超高圧焼結体。