JP2008208027A

JP2008208027A - ｃＢＮ焼結体

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Publication number: JP2008208027A
Application number: JP2008133578A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Fukaya; 朋弘深谷; Junichi Shiraishi; 順一白石; Akira Kukino; 暁久木野
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2008-09-11

Abstract

【課題】耐クレーター性および強度を最適化することにより、耐欠損性に優れたｃＢＮ焼結体を提供する。
【解決手段】ｃＢＮ粒子を結合相で焼結した焼結体である。この結合相は二次元的に見て連続した構成となっている。また、この結合相は周期律表4a,5a,6a族遷移金属の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、Ａｌの窒化物，硼化物，酸化物、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも1種の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、およびこれらの相互固溶体よりなる群から選択される1種以上を含む。結合相厚みの平均値は１．０μｍ以下で、その標準偏差は０．７以下である。ｃＢＮの含有率は体積％で４５〜７０％である。そして、ｃＢＮ粒子の平均粒度は０．０１以上２μｍ未満である。
【選択図】なし

Description

本発明は立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）焼結体に関するものである。特に、耐摩耗性および耐欠損性が改良された切削工具用のｃＢＮ焼結体に関するものである。

ｃＢＮはダイヤモンドに次ぐ高硬度物質であり、ｃＢＮ基焼結体は種々の切削工具、耐摩耗部品、耐衝撃部品などに使用されている。

この種の焼結体として、例えば、下記の特許文献に記載のものが挙げられる。

特公昭62-25630号公報特公昭62-25631号公報特開平5-186272号公報

しかし、上記の各技術においても、強度の面で必ずしも十分ではない。例えば、上記の焼結体をバイトに用いた場合、強い衝撃が刃先に加わるような用途では、衝撃により刃先が欠損しやすく、その結果、工具寿命が安定しないという問題があった。

従って、本発明の主目的は、強度を向上することにより、耐欠損性に優れたｃＢＮ焼結体を提供することにある。

本発明焼結体はｃＢＮ粒子を結合相で焼結した焼結体である。この結合相は二次元的に見て連続した構成となっている。また、この結合相は周期律表4a,5a,6a族遷移金属の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、Ａｌの窒化物，硼化物，酸化物、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも1種の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、およびこれらの相互固溶体よりなる群から選択される1種以上を含む。さらに、結合相厚みの平均値は１．０μｍ以下で、その標準偏差は０．７以下である。ここで、結合相厚みとは焼結体中の任意の直線上で、ｃＢＮ粒子とｃＢＮ粒子の間の距離を意味する。一方、ｃＢＮの含有率は体積％で４５〜７０％である。そして、ｃＢＮ粒子の平均粒度は０．０１以上２．０μｍ未満である。この平均粒度とは、累積体積％が５０％となる粒径のことをいう。

従来のｃＢＮ焼結体（ｃＢＮ粒子が平均粒度０．０１〜２μｍ）は結合相厚みの標準偏差が０．７を越えている。すなわち、結合相の厚みのばらつきが大きく、結合相だけで大きな体積を占める部分がある。この部分は焼結体中で強度が弱い部分（欠陥）である。焼結体に衝撃が加わったときに、この部分は応力が集中しやすく、かつ強度が弱いため、ここを起点に破壊が発生しやすく、工具の耐欠損性が十分でない。

刃先に衝撃が加わる用途では、上述したように、衝撃により上記の欠陥の部分に応力が集中し、かつこの部分の強度が弱いために、ここと起点として破壊が発生し、刃先が欠損すると考えられる。

そこで、本発明焼結体では結合相厚みのバラツキを従来の焼結体より小さくすることで、欠陥となる部分を少なくし、耐欠損性の改善を図っている。結合相の平均厚みとその標準偏差が上記規定値を越えると、結合相だけで大きな体積を占める部分が増え、耐欠損性の改善効果が少ない。また、結合相の平均厚みの下限は、結合相としての機能を発揮するため、０．２μm程度が好ましい。さらに、ｃＢＮ粒子が上記規定よりも微粒では粒子の耐熱性が劣って摩耗が発達しやすくなり、規定よりも粗粒ではｃＢＮ粒子自体が衝撃により劈開し、刃先が欠損して工具の耐欠損性が不足するので、ｃＢＮ粒子の粒度は０．０１−２μｍが適している。

本発明焼結材を得るには、ｃＢＮに結合相材料を被覆したり、特殊な方法で原料を混合する。結合相材料の被覆は、焼結前に、化学蒸着法（ＣＶＤ法）や物理蒸着法（ＰＶＤ法）、無電解めっき法、あるいは機械的混合時の圧縮せん断力、摩擦力、衝撃力に誘起されたメカノケミカル的な反応を利用する方法が挙げられる。特殊な混合方法については、超音波混合法または分散材を用いたボールミル法が最適である。

なお、本発明焼結材の焼結工程には、プラズマ焼結装置、ホットプレス装置または超高圧焼結装置などが利用できる。

本発明によれば、焼結体における結合相の厚みのばらつきを小さくすることで、耐摩耗性および耐欠損性に優れたｃＢＮ焼結体を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

（実施例１）
７６重量％のＴｉの窒化物、１８重量％のＡｌ、３重量％のＣｏおよび３重量％のＮｉを混合し、真空中で１２００℃、３０分熱処理をした化合物を粉砕し、結合相粉末を作製した。この結合相粉末は、ＸＲＤ(X‐ray diffraction)ではＴｉＮ、Ｔｉ₂ＡｌＮ、ＴｉＡｌ₃等のピークがみられた。この結合相粉末と平均粒径１μｍのｃＢＮ粉末を、ｃＢＮの体積含有率が６０体積％になるように表１に記載の方法で混合した。各混合法の詳細な条件は次の通りである。ここで、Ｎｏ．２において、ｃＢＮにＴｉＮを被覆するのは、ＲＦスパッタリングにより行った。被覆の平均厚みは４０ｎｍである。また、Ｎｏ．２の混合において分散材は用いていない。

超音波混合法→アセトン中にｃＢＮと結合材の粉末を投入し、２３．５ｋＨｚの超音波振動を付加して混合した。
ＢＭ法→ポットに直径１０mmのボールとｃＢＮ粉末および結合材粉末を入れ、２３５rpm、３４０分、エチルアルコール中で湿式混合を行った。
分散材→分散材としてポリビニルアルコールを１．５重量％添加した。

そして、その混合粉末を５GPa、１３００℃の超高圧、高温下で焼結した。得られた焼結体のＸＲＤはどれもｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ₂、ＡｌＢ₂、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＷＣが観測された。

これら焼結体の組織を金属組織顕微鏡で1500倍にて撮影したところ、黒く見えるｃＢＮ粒子と白く見える結合相が観察された。この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定した。この測定は、上記任意の直線状における結合相の厚み、つまりｃＢＮ粒子間の距離を２０点以上測定し、測定値の平均を求めることで行う。そして、各測定値から表１に記載の平均値と標準偏差を求めた。

さらに、これら焼結体を切削工具に加工し、下記の条件で切削試験を実施し、欠損に至る工具寿命を測定したところ、表１に記載の結果が得られた。

切削試験条件：
被削材：ＳＣＭ４１５、ＨＲＣ５８−６２、φ１００mm×Ｌ３００mmで長手方向にＶ形状の溝が６本付けられた形状。
工具形状：ＳＮＧ４３２ＮＬ−２５＊０．１５−０．２
ホルダー：ＦＮ１１Ｒ
切削条件：Ｖ＝１００m／min、ｄ＝０．２mm、ｆ＝０．１３mm／rev、ｄｒｙ

この結果から明らかなように、結合相厚さの平均値が１．０μm以下、その標準偏差が０．７以下の場合に工具寿命が倍程度に向上していることがわかる。また、このような結合相厚さを有する焼結体を作製するには、結合相材料を混合する際に、超音波混合法または分散材を用いたボールミル法が好ましいことがわかる。

（実施例２）
７３重量％のＴｉの窒化物、１９重量％のＡｌ、４重量％のＣｏおよび４重量％のＮｉを混合し、真空中で１２４０℃、３２分熱処理をした化合物を粉砕し、結合相粉末を作製した。ＸＲＤではＴｉＮ、Ｔｉ₂ＡｌＮ、ＴｉＡｌ₃等のピークがみられた。この結合相粉末と平均粒径０．５μmのｃＢＮ粉末を、ｃＢＮの体積含有率が６５％になるように超音波混合法と分散材を用いないボールミル（ＢＭ）法とで混合した。各混合法の詳細な条件は次の通りである。

超音波混合法→エチルアルコール中にｃＢＮと結合材の粉末を投入し、２２．３ｋＨｚの超音波振動を付加して混合した。
ＢＭ法→ポットに直径１０mmのボールとｃＢＮ粉末および結合材粉末を入れ、２１５rpm、４５０分、アセトン中で湿式混合を行った。

そして、この粉末を４．８５GPa、１３１０℃の超高圧、高温下で焼結した。得られた焼結体のＸＲＤはどれもｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ₂、ＡｌＢ₂、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＷＣが観察された。これら焼結体の組織を下記の方法で観察した。なお、下記の各方法において、結合相厚みの測定方法は実施例１と同様である。
1）金属組織顕微鏡にて1500倍で写真撮影したところ、黒く見えるcＢＮ粒子と白く見える結合相が観察された。この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定した。

2）SEM(Scanning Electron Microscope)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。この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定した。

3）TEM(Transmission Electron Microscope)にて10000倍で写真撮影したところ、ｃＢＮ粒子と結合相が観察された。この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定した。

4）オージェ（Auger Electron Spectroscopy）にて10000倍で写真撮影したところ、ｃＢＮ粒子と結合相が観察された。この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定した。

5）金属組織顕微鏡にて1500倍で撮影したところ、黒く見えるｃＢＮ粒子と白く見える結合相が観察された。これを画像解析し、ｃＢＮ粒子にあたる黒くみえる粒子の面積比率がｃＢＮの体積含有率と等しくなるように二値化し、結合相に相当する部分を特定し、結合相厚みを測定した。

6）金属組織顕微鏡にて1000倍で撮影したところ、黒く見えるｃＢＮ粒子と白く見える結合相が観察された。これを画像解析し、任意の直線上の輝度を測定したところ周期性が見られた。ある輝度で暗い部分（ｃＢＮ粒子に当たるところ）と明るい部分（結合相に当たるところ）にわけた場合、その比率がｃＢＮの体積含有率と等しくなるように輝度を決定し、明るい部分の長さを結合相厚みとした。

このようにして測定した結合相厚みの平均値と標準偏差を計算したところ表2のようになった。

これら焼結体を切削工具に加工し、下記の条件で切削試験を実施し、欠損に至る工具寿命を測定したところ、超音波混合法の焼結体は約２０分、ボールミル法の焼結体は約５分で欠損した。従って、分散材を用いないボールミル法よりも超音波混合法により結合相材料を混合することが好ましいことがわかる。

切削試験条件：
被削材：ＳＣＭ４２０、ＨＲＣ５９−６１、φ100mm ×Ｌ300mmで長手方向にＶ形状の溝が８本付けられた形状。
工具形状：ＳＮＧ４３２ＮＬ−２５＊０．１５−０．２
ホルダー：ＦＮ１１Ｒ
切削条件：Ｖ＝９０m／min、ｄ＝０．２３mm、ｆ＝０．１４mm／rev、dry

（実施例３）
９２重量％のＴｉの窒化物と１８重量％のＡｌを混合し、真空中で１２００℃、３０分熱処理をした化合物を粉砕し、結合相粉末を作製した。この粉末はＸＲＤではＴｉＮ、Ｔｉ₂ＡｌＮ、ＴｉＡｌ₃等のピークがみられた。この結合相粉末を平均粒径１．５μｍのｃＢＮ粉末にｃＢＮの体積含有率が表３に記載の割合となるように被覆した。被覆はＲＦスパッタリングＰＶＤ装置を用いて行った。この被覆粉末をＴＥＭで観察したところ、ｃＢＮ粉末にＴｉＮが平均層厚４５ｎｍでほぼ均質に被覆されていることがわかった。このＴｉＮ被覆ｃＢＮ粒子および前記結合相粉末をボールミルで分散材を用いずに混合した。ＢＭ法による混合は、ポットに直径１０mmのボールとｃＢＮ粉末および結合材粉末を入れ、２３５rpm、５５０分、エチルアルコール中で湿式混合により行った。そして、この混合粉末を４．９GPa、１３８０℃の超高圧、高温下で焼結した。得られた焼結体のＸＲＤはどれもｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ₂、ＡｌＢ₂、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＷＣが観測された。

これら焼結体の組織を金属組織顕微鏡にて1500倍で撮影したところ、黒く見えるｃＢＮ粒子と白く見える結合相が観察された。また、この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定したところ、表３に示す平均値と標準偏差が得られた。

さらに、これら焼結体を切削工具に加工し、下記の条件で切削試験を実施し、欠損に至る工具寿命を測定した。その結果も表３に示す。

切削試験条件：
被削材：ＳＣＭ４１５、ＨＲＣ５８−６２、φ100mm×Ｌ300mmで長手方向にＶ形状の溝が６本付けられた形状。
工具形状：ＳＮＧ４３２ＮＬ−２５＊０．１５−０．２
ホルダー：ＦＮ１１Ｒ
切削条件：Ｖ＝１１０m／min、ｄ＝０．１５mm、ｆ＝０．０９mm／rev、dry

これらの結果からｃＢＮの含有率は４５から７０体積％が好ましいことがわかる。

（実施例４）
種々の組成の結合相原料粉末を混合し、真空中で１２７０℃、２８分熱処理をした化合物を粉砕し、結合相粉末を作製した。この結合相粉末と平均粒径１．８μmのｃＢＮ粉末をｃＢＮの体積含有率が６４％になるように分散材を用いたボールミル法で混合した。ＢＭ法による混合は、ポットに直径１０mmのボールとｃＢＮ粉末および結合材粉末を入れ、２４５rpm、７５０分、エチルアルコール中で湿式混合により行った。分散材としては、ポリビニルアルコールを1.8重量％添加した。そして、混合粉末を４．８GPa、１３３０℃の超高圧、高温下で焼結した。得られた焼結体のＸＲＤには表４に記載の化合物のピークが観測された。

これら焼結体の組織を金属組織顕微鏡にて1000倍で観察したところ黒く見えるｃＢＮ粒子と白く見える結合相が観察された。この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定したところ、表４に記載の平均値と標準偏差が得られた。

さらに、これら焼結体を切削工具に加工し、下記の条件で切削試験を実施し、欠損に至る工具寿命を測定したところ表４に記載の結果が得られた。

切削試験条件：
被削材：ＳＣＭ４１５、ＨＲＣ５８−６２、φ100mm×Ｌ300mmで長手方向にＶ形状の溝が６本付けられた形状。
工具形状：ＳＮＧ４３２ＮＬ−２５＊０．１５−０．２
ホルダー：ＦＮ１１Ｒ
切削条件：Ｖ＝１９０m／mｉn、ｄ＝０．１５mm、ｆ＝０．１１mm／rｅv、dry

Ｎｏ．１８〜２５のいずれの試料も、結合相厚さの平均値が１μｍ以下で、その標準偏差が０．７以下である。そして、工具寿命はいずれも３０分前後と好結果が得られている。また、これからわかるように、結合相として周期律表4a,5a,6a族遷移金属の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、Ａｌの窒化物，硼化物，酸化物、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも1種の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、およびこれらの相互固溶体よりなる群から選択される1種以上のものが良いことがわかる。

（実施例５）
７８重量％のＴｉの窒化物、１６重量％のＡｌ、４重量％のＣｏおよび２重量％のＮｉを混合し、真空中で１２６０℃、２０分熱処理をした化合物を粉砕し、結合相粉末を作製した。この粉末はＸＲＤではＴｉＮ、Ｔｉ₂ＡｌＮ、ＴｉＡｌ₃等のピークがみられた。この結合相粉末と表5に記載の平均粒径のｃＢＮ粉末をｃＢＮの体積含有率が５７％になるように超音波混合法により混合した。超音波混合は、エチルアルコール中にｃＢＮと結合材の粉末を投入し、２０．５ｋＨｚの超音波振動を付加して行った。そして、この混合粉末を５．０GPa、１４００℃の超高圧、高温下で焼結した。得られた焼結体のＸＲＤはどれもｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ₂、ＡｌＢ₂、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＷＣが観察された。

これら焼結体の組織を金属組織顕微鏡にて1500倍で撮影したところ黒く見えるｃＢＮ粒子と白く見える結合相が観察された。この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定したところ、表５に記載の平均値と標準偏差が得られた。

さらに、これら焼結体を切削工具に加工し、下記の条件で切削試験を実施し、欠損に至る工具寿命を測定したところ表５に記載の結果が得られた。

切削試験条件：
被削材：ＳＣＭ４１５、ＨＲＣ５８−６２、φ100mm×Ｌ300mmで長手方向にＶ形状の溝が６本付けられた形状。
工具形状：ＳＮＧ４３２ＮＬ−２５＊０．１５−０．２
ホルダー：ＦＮ１１Ｒ
切削条件：Ｖ＝１００m／mｉn、ｄ＝０．２１mm、ｆ＝０．１２mm／rev、dry

この結果から明らかなように、ｃＢＮの平均粒径が０．１μｍ以上２μｍ未満の場合に欠損を抑制できていることがわかる。

本発明のｃＢＮ焼結体は、耐欠損性が求められる切削工具として好適に利用できる。

Claims

ｃＢＮ粒子を結合相で焼結した焼結体であって、
前記結合相が二次元的に見て連続しており、
この結合相は、
周期律表4a,5a,6a族遷移金属の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、
Ａｌの窒化物，硼化物，酸化物、
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも1種の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、
およびこれらの相互固溶体よりなる群から選択される1種以上を含み、
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２．０μｍ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。