JP2015202981A - 立方晶窒化ホウ素複合焼結体およびその製造方法、ならびに切削工具、耐摩工具および研削工具 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐摩耗性および耐欠損性に優れた立方晶窒化ホウ素複合焼結体、ならびに切削工具、耐摩工具および研削工具を提供する。【解決手段】立方晶窒化ホウ素複合焼結体は、立方晶窒化ホウ素多結晶体と、セラミックス相とを含み、該立方晶窒化ホウ素多結晶体を４０体積％以上８０体積％以下の範囲で含有し、該立方晶窒化ホウ素多結晶体は、平均結晶粒径が５００ｎｍ以下である立方晶窒化ホウ素単結晶と、ウルツ鉱型窒化ホウ素とを含み、該立方晶窒化ホウ素多結晶体は、該ウルツ鉱型窒化ホウ素を０．０１体積％以上含有する。【選択図】図１
Description
本発明は、立方晶窒化ホウ素複合焼結体およびその製造方法、ならびに該立方晶窒化ホウ素複合焼結体を備える切削工具、耐摩工具および研削工具に関する。
立方晶窒化ホウ素（cubic Boron Nitride：ｃＢＮ）焼結体は、非常に高い硬度を有するとともに、熱的安定性、化学的安定性にも優れることから、切削工具や耐摩工具に利用されている。
こうしたｃＢＮ焼結体の原料には、ｃＢＮ単結晶またはｃＢＮ多結晶体等が用いられている〔たとえば、特開昭４７−３４０９９号公報（特許文献１）、特開平３−１５９９６４号公報（特許文献２）、特公昭６３−３９４号公報（特許文献３）、特開平８−４７８０１号公報（特許文献４）、特開平１１−３３５１７４号公報（特許文献５）および特開平１１−３３５１７５号公報（特許文献６）を参照。〕。
従来、切削工具等に用いられるｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ粉末を焼結助剤あるいは結合材とともに４〜５ＧＰａ程度の圧力下で焼結することにより製造されている。すなわちｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ粉末の他、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、コバルト（Ｃｏ）等の結合材や焼結助剤を含むものである。
通常、ｃＢＮ焼結体の原料となるｃＢＮ粉末は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属等の窒化物あるいはホウ窒化物等を触媒として、高温高圧下で六方晶窒化ホウ素（hexagonal Boron Nitride：ｈＢＮ）をｃＢＮに変換したｃＢＮ単結晶である。
しかしｃＢＮ焼結体は、１０〜４０体積％程度の結合材を含有するため、ｃＢＮ単結晶と比較すると硬度や熱伝導率で劣っている。またｃＢＮ単結晶は触媒をインクルージョンとして含むため、強度が十分でなく、特に高温下で強度が低下しやすい。さらにｃＢＮ結晶には、へき開しやすいという性質もある。そのためｃＢＮ焼結体を使用した切削工具では、ｃＢＮ結晶粒の破壊あるいはへき開によるマイクロチッピング等によって、工具刃先が摩耗したり欠損したりする場合がある。
そこで触媒や結合材を含有しないｃＢＮ多結晶体も提案されている（たとえば特許文献１〜特許文献４）。これらの文献では、触媒を使用せずｈＢＮをｃＢＮに直接変換してｃＢＮ多結晶体を製造している。
しかし特許文献１〜特許文献４に開示される方法は、出発物質として結晶性の良いｈＢＮまたは熱分解窒化ホウ素（pyrolytic Boron Nitrde：ｐＢＮ）を使用するため、出発物質からｃＢＮへの変換に２１００℃以上の高温を要している。その結果、多結晶体を構成するｃＢＮ結晶粒の結晶粒径が３〜５μｍ程度まで大きくなり、粒子間の結合力が弱く高温での強度も低い。
以上を踏まえて、ｃＢＮ焼結体の切削性能および寿命を向上させるためには、いっそう強靭なｃＢＮ粉末（原料）が必要である。そうした原料の候補としてｃＢＮ多結晶砥粒がある。ｃＢＮ多結晶砥粒は一部で研削用砥粒として使用されており、単結晶砥粒に比べて強度が改善されている。しかし従来のｃＢＮ多結晶砥粒は、多結晶を構成する一次粒子（単結晶）の粒径が数μｍ〜数十μｍと粗く不揃いであり、強度が十分ではない。
特許文献５および特許文献６は、強靭なｃＢＮ粉末の作製を指向したものである。これらの文献では、高純度、高強度で、さらに耐熱性に優れたｃＢＮ単相の多結晶体を作製し、それを粉砕して焼結体の原料とすることが開示されている。
しかしながらこの方法は、ｃＢＮ多結晶砥粒を高温高圧下で合成し、さらにｃＢＮ多結晶砥粒および結合材を出発物質として再度超高圧高温下での合成を行なうものであり、製造に手間が掛かり経済的ではない。加えてこの方法で得られるｃＢＮ多結晶砥粒は、粒子間の結合力が不十分であり、耐欠損性が低く、その強度は未だ十分とはいえない。
そこで上記の課題に鑑み、耐摩耗性および耐欠損性に優れた立方晶窒化ホウ素複合焼結体、ならびに切削工具、耐摩工具および研削工具を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る立方晶窒化ホウ素複合焼結体は、
立方晶窒化ホウ素多結晶体と、セラミックス相とを含み、
該立方晶窒化ホウ素多結晶体を４０体積％以上８０体積％以下の範囲で含有し、
該立方晶窒化ホウ素多結晶体は、平均結晶粒径が５００ｎｍ以下である立方晶窒化ホウ素単結晶と、ウルツ鉱型窒化ホウ素とを含み、
該立方晶窒化ホウ素多結晶体は、該ウルツ鉱型窒化ホウ素を０．０１体積％以上含有する。
立方晶窒化ホウ素多結晶体と、セラミックス相とを含み、
該立方晶窒化ホウ素多結晶体を４０体積％以上８０体積％以下の範囲で含有し、
該立方晶窒化ホウ素多結晶体は、平均結晶粒径が５００ｎｍ以下である立方晶窒化ホウ素単結晶と、ウルツ鉱型窒化ホウ素とを含み、
該立方晶窒化ホウ素多結晶体は、該ウルツ鉱型窒化ホウ素を０．０１体積％以上含有する。
また本発明の一態様に係る立方晶窒化ホウ素複合焼結体の製造方法は、
立方晶窒化ホウ素多結晶体を４０体積％以上８０体積％以下の範囲で含有する立方晶窒化ホウ素複合焼結体の製造方法であって、
常圧型窒化ホウ素と、セラミックスとを混合して混合体を得る第１工程と、
圧力が８ＧＰａ以上かつ温度が１５００℃以上２３００℃未満の条件下において、該混合体を焼結する第２工程と、を備え、
該第２工程において、該常圧型窒化ホウ素は立方晶窒化ホウ素へと直接変換される。
立方晶窒化ホウ素多結晶体を４０体積％以上８０体積％以下の範囲で含有する立方晶窒化ホウ素複合焼結体の製造方法であって、
常圧型窒化ホウ素と、セラミックスとを混合して混合体を得る第１工程と、
圧力が８ＧＰａ以上かつ温度が１５００℃以上２３００℃未満の条件下において、該混合体を焼結する第２工程と、を備え、
該第２工程において、該常圧型窒化ホウ素は立方晶窒化ホウ素へと直接変換される。
上記によれば、耐摩耗性および耐欠損性に優れた立方晶窒化ホウ素複合焼結体が提供される。この立方晶窒化ホウ素複合焼結体は、切削工具、耐摩工具および研削工具に利用できる。
［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、常圧型窒化ホウ素（以下「常圧型ＢＮ」とも記す）とセラミックスとの混合体を出発物質とし、圧力が８ＧＰａ以上かつ温度が１５００℃以上２３００℃未満の条件で、常圧型ＢＮをｃＢＮに直接変換すると同時にセラミックスとともに焼結する方法によれば、高強度のｃＢＮ多結晶体を含むｃＢＮ複合焼結体が製造できることを見出し、本発明の一態様を完成させるに至った。すなわち本発明の一態様に係る立方晶窒化ホウ素複合焼結体は以下の構成を備える。
［１］立方晶窒化ホウ素複合焼結体は、立方晶窒化ホウ素多結晶体と、セラミックス相とを含み、該立方晶窒化ホウ素多結晶体を４０体積％以上８０体積％以下の範囲で含有し、該立方晶窒化ホウ素多結晶体は、平均結晶粒径が５００ｎｍ以下である立方晶窒化ホウ素単結晶と、ウルツ鉱型窒化ホウ素とを含み、該立方晶窒化ホウ素多結晶体は、該ウルツ鉱型窒化ホウ素を０．０１体積％以上含有する。
上記のようにｃＢＮ多結晶体を４０体積％以上８０体積％以下の範囲で含有する複合焼結体は、連続したセラミック相内にｃＢＮ多結晶体が島状に散在した焼結体組織を有する。そしてこの焼結体組織では、ｃＢＮ単結晶同士、ウルツ鉱型窒化ホウ素（wurtzite Boron Nitride：ｗＢＮ）同士およびセラミックス同士がそれぞれ強固に結合している。さらに当該焼結体組織では、ｃＢＮとｗＢＮ、ならびにｃＢＮ多結晶体とセラミックスとが強固に結合して緻密な組織を形成している。
ここでｃＢＮ多結晶体を構成するｃＢＮ単結晶は、平均結晶粒径が５００ｎｍ以下の微細な結晶であるため強度、靭性に優れる。加えてｃＢＮ多結晶体に含まれるｗＢＮは、焼結体組織において亀裂の進展を阻止し、靭性を向上させる作用を有する。そしてこれらが相俟って、ｃＢＮ複合焼結体は優れた耐摩耗性および耐欠損性を示す。
なおｃＢＮ単結晶の平均結晶粒径は、後述する切断法によって測定するものとする。
［２］立方晶窒化ホウ素多結晶体は、圧縮型六方晶窒化ホウ素を０．０１体積％以上０．５体積％以下の範囲でさらに含有することが好ましい。
［２］立方晶窒化ホウ素多結晶体は、圧縮型六方晶窒化ホウ素を０．０１体積％以上０．５体積％以下の範囲でさらに含有することが好ましい。
上記体積含有率での圧縮型ｈＢＮの存在は、亀裂の進展を阻止し靭性を向上させる作用を有するからである。
［３］セラミックス相は、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびタングステン（Ｗ）の炭化物、窒化物、炭窒化物ならびにホウ化物の１種以上を含むことが好ましい。こうしたセラミックス相は耐摩耗性に優れるからである。
［４］セラミックス相は、アルミニウム（Ａｌ）をさらに含むことが好ましい。これにより耐摩耗性がいっそう向上するからである。
本発明の一態様はｃＢＮ複合焼結体の製造方法をも提供する。
［５］すなわち立方晶窒化ホウ素複合焼結体の製造方法は、立方晶窒化ホウ素多結晶体を４０体積％以上８０体積％以下の範囲で含有する立方晶窒化ホウ素複合焼結体の製造方法であって、常圧型窒化ホウ素とセラミックスとを混合して混合体を得る第１工程と、圧力が８ＧＰａ以上かつ温度が１５００℃以上２３００℃未満の条件下において混合体を焼結する第２工程と、を備え、第２工程において、常圧型窒化ホウ素は立方晶窒化ホウ素へと直接変換される。
［５］すなわち立方晶窒化ホウ素複合焼結体の製造方法は、立方晶窒化ホウ素多結晶体を４０体積％以上８０体積％以下の範囲で含有する立方晶窒化ホウ素複合焼結体の製造方法であって、常圧型窒化ホウ素とセラミックスとを混合して混合体を得る第１工程と、圧力が８ＧＰａ以上かつ温度が１５００℃以上２３００℃未満の条件下において混合体を焼結する第２工程と、を備え、第２工程において、常圧型窒化ホウ素は立方晶窒化ホウ素へと直接変換される。
この製造方法によれば、上記［１］〜［４］のいずれか１つに記したｃＢＮ複合焼結体を容易に製造することができる。
なお「直接変換される」とは、無触媒の下で出発物質がｃＢＮに直接的に変換されることを示すものである。上記製造方法はこの直接変換と同時に混合体を焼結するものであり、いわば「直接変換焼結」ともいうべき製造方法である。この直接変換焼結を経ることにより、ｃＢＮ複合焼結体における粒間結合は強固なものとなる。また合成される焼結体においてｃＢＮ単結晶の平均結晶粒径を５００ｎｍ以下に制御するとともに、ｗＢＮを生成することができる。
本発明の一態様は切削工具、耐摩工具および研削工具にも係わる。
［６］本発明の一態様に係る切削工具は、上記［１］〜［４］のいずれか１つに記した立方晶窒化ホウ素複合焼結体を備える。
［６］本発明の一態様に係る切削工具は、上記［１］〜［４］のいずれか１つに記した立方晶窒化ホウ素複合焼結体を備える。
この切削工具は、上記したｃＢＮ複合焼結体の性質に基づき、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有する。
［７］本発明の一態様に係る耐摩工具は、上記［１］〜［４］のいずれか１つに記した立方晶窒化ホウ素複合焼結体を備える。
この耐摩工具は、上記したｃＢＮ複合焼結体の性質に基づき、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有する。
［８］本発明の一態様に係る研削工具は、上記［１］〜［４］のいずれか１つに記した立方晶窒化ホウ素複合焼結体を備える。
この研削工具は、上記したｃＢＮ複合焼結体の性質に基づき、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有する。
なおこれらの工具は、工具全体がｃＢＮ複合焼結体から構成されるものであってもよいし、その一部（たとえば切削工具の刃先部）がｃＢＮ複合焼結体から構成されるものであってもよい。
［本発明の実施形態の詳細］
以下、本発明の実施形態（以下「本実施形態」とも記す）について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。
以下、本発明の実施形態（以下「本実施形態」とも記す）について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。
＜ｃＢＮ複合焼結体＞
本実施形態のｃＢＮ複合焼結体はｃＢＮ多結晶体とセラミックス相とを含む。図１は本実施形態のｃＢＮ複合焼結体における焼結体組織の一例を示す平面模式図である。こうした焼結体組織は、たとえば走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）によって確認できる。
本実施形態のｃＢＮ複合焼結体はｃＢＮ多結晶体とセラミックス相とを含む。図１は本実施形態のｃＢＮ複合焼結体における焼結体組織の一例を示す平面模式図である。こうした焼結体組織は、たとえば走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）によって確認できる。
本実施形態のｃＢＮ複合焼結体は、ｃＢＮ多結晶体を４０体積％以上８０体積％以下の範囲で含有する。かかる範囲でｃＢＮ多結晶体を含有するｃＢＮ複合焼結体は、図１に示すようにマトリックス状に連続したセラミックス相２内にｃＢＮ多結晶体１０が島状に散在した組織を有する。こうしたｃＢＮ複合焼結体を切削工具に適用した場合、被削材を切削する役割を担うのは専らセラミックス相２であり、ｃＢＮ多結晶体１０は焼結体組織を支える骨格としての役割を担う。セラミックス相２はその組成によって金属（被削材）との反応性を制御できる。したがって上記体積含有率でｃＢＮ多結晶体を含有するｃＢＮ複合焼結体は、たとえば焼入れ鋼等の高硬度鋼の切削に有効である。なおｃＢＮ多結晶体の体積含有率の範囲は、より好ましくは４０体積％以上６０体積％以下であり、特に好ましくは５０体積％以上６０体積％以下である。
（ｃＢＮ多結晶体）
ｃＢＮ多結晶体１０は、平均結晶粒径が５００ｎｍ以下であるｃＢＮ単結晶１から構成される。このようにｃＢＮ単結晶１が微細であるため、ｃＢＮ多結晶体１０は強度、靭性に優れる。図２は参考例（従来）の焼結体組織の一例を示す平面模式図である。この焼結体組織では、セラミックス相１２内に結晶粒径が大きいｃＢＮ単結晶１１が分散している。こうした組織では切削時にｃＢＮ単結晶１１が破壊されたり、へき開したりするため、強度および靭性が十分ではない。これに対して本実施形態のように微細なｃＢＮ単結晶１から構成されるｃＢＮ多結晶体１０は、一部でｃＢＮ単結晶１の破壊等が起こっても、破壊の進展をｃＢＮ多結晶体１０内で食い止めることができる。また微細なｃＢＮ単結晶１はそれ自体が破壊され難く高強度を有する。したがって本実施形態のｃＢＮ複合焼結体は、図２に示すｃＢＮ焼結体と比較して耐摩耗性および耐欠損性に優れる。
ｃＢＮ多結晶体１０は、平均結晶粒径が５００ｎｍ以下であるｃＢＮ単結晶１から構成される。このようにｃＢＮ単結晶１が微細であるため、ｃＢＮ多結晶体１０は強度、靭性に優れる。図２は参考例（従来）の焼結体組織の一例を示す平面模式図である。この焼結体組織では、セラミックス相１２内に結晶粒径が大きいｃＢＮ単結晶１１が分散している。こうした組織では切削時にｃＢＮ単結晶１１が破壊されたり、へき開したりするため、強度および靭性が十分ではない。これに対して本実施形態のように微細なｃＢＮ単結晶１から構成されるｃＢＮ多結晶体１０は、一部でｃＢＮ単結晶１の破壊等が起こっても、破壊の進展をｃＢＮ多結晶体１０内で食い止めることができる。また微細なｃＢＮ単結晶１はそれ自体が破壊され難く高強度を有する。したがって本実施形態のｃＢＮ複合焼結体は、図２に示すｃＢＮ焼結体と比較して耐摩耗性および耐欠損性に優れる。
なお本明細書では、図１のようにｃＢＮ単結晶１がｃＢＮ多結晶体１０を構成し、ｃＢＮ多結晶体１０がセラミックス相２内に分散した組織を有するものを「ｃＢＮ複合焼結体」と称し、図２のようにｃＢＮ単結晶１１がセラミックス相１２内に分散した組織を有するものを「ｃＢＮ焼結体」と称するものとする。
（平均結晶粒径）
本実施形態においてｃＢＮ単結晶の平均結晶粒径は、５００ｎｍ以下であることを要する。かかる平均結晶粒径は、好ましくは４７０ｎｍ未満であり、より好ましくは２００ｎｍ以下であり、特に好ましくは１００ｎｍ以下である。強度の観点から平均結晶粒径は小さいほど望ましく下限値は特に制限されないが、生産性を考慮するとその下限は２０ｎｍ程度であることが好ましい。
本実施形態においてｃＢＮ単結晶の平均結晶粒径は、５００ｎｍ以下であることを要する。かかる平均結晶粒径は、好ましくは４７０ｎｍ未満であり、より好ましくは２００ｎｍ以下であり、特に好ましくは１００ｎｍ以下である。強度の観点から平均結晶粒径は小さいほど望ましく下限値は特に制限されないが、生産性を考慮するとその下限は２０ｎｍ程度であることが好ましい。
（平均結晶粒径の測定方法）
ｃＢＮ単結晶の平均結晶粒径は切断法によって測定するものとする。測定の手順は次の通りである。まず焼結体組織をＳＥＭで撮像してＳＥＭ画像を得る。次にＳＥＭ画像において円を描き、さらに円の中心から８本の直線を放射状に円の外周まで引く（このとき隣り合う２つの直線のなす角は４５°である。）。次に円の中で各直線が結晶粒界（すなわちｃＢＮ単結晶同士の境界）を横切る回数を計数する。そして直線の長さを横切る回数で除することにより平均切片長さを求め、さらに平均切片長さに１．１２８を乗ずることにより平均結晶粒径を算出できる。
ｃＢＮ単結晶の平均結晶粒径は切断法によって測定するものとする。測定の手順は次の通りである。まず焼結体組織をＳＥＭで撮像してＳＥＭ画像を得る。次にＳＥＭ画像において円を描き、さらに円の中心から８本の直線を放射状に円の外周まで引く（このとき隣り合う２つの直線のなす角は４５°である。）。次に円の中で各直線が結晶粒界（すなわちｃＢＮ単結晶同士の境界）を横切る回数を計数する。そして直線の長さを横切る回数で除することにより平均切片長さを求め、さらに平均切片長さに１．１２８を乗ずることにより平均結晶粒径を算出できる。
測定に際して、ＳＥＭの撮像倍率は３００００倍とすることが望ましい。３００００倍未満とすると、画像内に含まれる結晶粒の数が多くなって粒界の判別が容易ではなくなり、３００００倍を超えると、画像内に含まれる結晶粒の数が過度に少なくなって正確な平均結晶粒径を算出できないからである。
より正確を期すため、ＳＥＭ画像を複数（たとえば別々の３箇所）準備し、それぞれの画像において平均結晶粒径を算出し、それらの平均値を平均結晶粒径とすることも望ましい態様である。
円の大きさ（円の直径）は、円内に含まれるｃＢＮ単結晶の数を考慮して決定される。すなわち１本の直線が横切る結晶粒界の数が１０個以上となるように円を描くものとする。１本の直線が横切る結晶粒界の数は多いほど、測定の信頼性の観点から望ましい。しかし作業の煩雑さを避けるため、１本の直線が横切る結晶粒界の数の上限は、たとえば５０個程度とすることができる。
なおｃＢＮ単結晶の平均結晶粒径が５００ｎｍ以下の場合、３００００倍の倍率で撮像されたＳＥＭ画像の中心を円の中心として、画像内に収まるように可能な限り大きな円を描けば、１本の直線が横切る結晶粒界の数は通常１０個以上となる。また上記の手順で測定される結晶粒径の分布は、通常、平均値（平均結晶粒径）を中心として左右対称な釣鐘型の分布（正規分布）に近いものとなる。したがって本明細書における平均結晶粒径とは、正規分布を前提とした平均値といえる。
（ウルツ鉱型窒化ホウ素）
本実施形態のｃＢＮ複合焼結体は、ｗＢＮを０．０１体積％以上含有する。ｗＢＮを含有することにより、亀裂の進展が抑制され靭性が向上する。ｗＢＮの含有量は多いほど好ましく上限値は特に制限されないが、組織の均一性を考慮すると、その上限は６０体積％程度とすることが好ましい。ｗＢＮの含有量は、より好ましくは０．１体積％以上であり、特に好ましくは１．０体積％以上であり、最も好ましくは２．０体積％以上である。
本実施形態のｃＢＮ複合焼結体は、ｗＢＮを０．０１体積％以上含有する。ｗＢＮを含有することにより、亀裂の進展が抑制され靭性が向上する。ｗＢＮの含有量は多いほど好ましく上限値は特に制限されないが、組織の均一性を考慮すると、その上限は６０体積％程度とすることが好ましい。ｗＢＮの含有量は、より好ましくは０．１体積％以上であり、特に好ましくは１．０体積％以上であり、最も好ましくは２．０体積％以上である。
なお、ｃＢＮ、ｗＢＮ、および後述する圧縮型ｈＢＮの体積含有率は、従来公知の方法、たとえばＸ線回折法によって測定できる。
（圧縮型六方晶窒化ホウ素）
ｃＢＮ多結晶体は、圧縮型ｈＢＮを０．０１体積％以上０．５体積％以下の範囲で含有できる。圧縮型ｈＢＮとは、周囲の物質（たとえばｃＢＮ等）から応力が加わり圧縮されているｈＢＮである。たとえば、圧縮型ｈＢＮの（００２）面の面間隔は通常のｈＢＮ（常圧型ｈＢＮ）の面間隔（０．３３３ｎｍ）よりも短い。
ｃＢＮ多結晶体は、圧縮型ｈＢＮを０．０１体積％以上０．５体積％以下の範囲で含有できる。圧縮型ｈＢＮとは、周囲の物質（たとえばｃＢＮ等）から応力が加わり圧縮されているｈＢＮである。たとえば、圧縮型ｈＢＮの（００２）面の面間隔は通常のｈＢＮ（常圧型ｈＢＮ）の面間隔（０．３３３ｎｍ）よりも短い。
０．０１体積％以上０．５体積％以下である圧縮型ｈＢＮの存在は、ｃＢＮ複合焼結体の強度に影響を及ぼさない。そればかりか、むしろ亀裂の進展を阻止し靭性を向上させる作用をもたらす。また圧縮型ｈＢＮの存在を許容することで、広い温度範囲で焼結が可能となり、生産性が向上する。ただし圧縮型ｈＢＮが０．５体積％を超えると、圧縮型ｈＢＮでの応力集中が大きくなり強度が低下する場合もある。したがってｃＢＮ複合焼結体が圧縮型ｈＢＮをさらに含む場合、その上限は０．５体積％である。圧縮型ｈＢＮの体積含有率は、より好ましくは０．０１体積％以上０．１体積％以下であり、特に好ましくは０．０５体積％以上０．１体積％以下である。
（セラミックス相）
セラミックス相は、１種以上のセラミックスから構成される。セラミックス相は、Ｔｉ、Ｈｆ、ＺｒおよびＷの炭化物、窒化物、炭窒化物ならびにホウ化物の１種以上を含むことが好ましい。これらの化合物を含むことにより、耐摩耗性が向上するからである。こうした化合物の具体例としては、たとえば、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＢ2、ＨｆＣ、ＨｆＮ、ＨｆＣＮ、ＨｆＢ2、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＺｒＣＮ、ＺｒＢ2、ＷＣ、Ｗ2Ｃ、ＷＢ2等を例示できる。ｃＢＮ複合焼結体におけるセラミックス相の体積含有率の範囲は、たとえば２０体積％以上６０体積％以下程度であり、好ましくは４０体積％以上６０体積％以下であり、より好ましくは４０体積％以上５０体積％以下である。
セラミックス相は、１種以上のセラミックスから構成される。セラミックス相は、Ｔｉ、Ｈｆ、ＺｒおよびＷの炭化物、窒化物、炭窒化物ならびにホウ化物の１種以上を含むことが好ましい。これらの化合物を含むことにより、耐摩耗性が向上するからである。こうした化合物の具体例としては、たとえば、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＢ2、ＨｆＣ、ＨｆＮ、ＨｆＣＮ、ＨｆＢ2、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＺｒＣＮ、ＺｒＢ2、ＷＣ、Ｗ2Ｃ、ＷＢ2等を例示できる。ｃＢＮ複合焼結体におけるセラミックス相の体積含有率の範囲は、たとえば２０体積％以上６０体積％以下程度であり、好ましくは４０体積％以上６０体積％以下であり、より好ましくは４０体積％以上５０体積％以下である。
なお本明細書において、上記のように化合物を化学式で表わす場合、原子比を特に限定しない場合は従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のものに限定されない。たとえば「ＴｉＮ」と記す場合、「Ｔｉ」と「Ｎ」の原子比は５０：５０の場合のみに限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする。
セラミックス相は、Ａｌをさらに含むことができる。これにより耐摩耗性がいっそう向上するからである。セラミックス相内においてＡｌは、たとえば、ＡｌＮ、ＡｌＢ2のように窒化物やホウ化物等を構成していてもよいし、ＴｉＡｌＮのようにＴｉ等との複合化合物を構成していてもよい。
＜ｃＢＮ複合焼結体の製造方法＞
上記したｃＢＮ複合焼結体は以下に説明する方法によって製造できる。図３は本実施形態の製造方法の概略を示すフローチャートである。図３を参照して当該製造方法は、第１工程（Ｓ１０１）および第２工程（Ｓ１０２）を備える。以下、各工程について説明する。
上記したｃＢＮ複合焼結体は以下に説明する方法によって製造できる。図３は本実施形態の製造方法の概略を示すフローチャートである。図３を参照して当該製造方法は、第１工程（Ｓ１０１）および第２工程（Ｓ１０２）を備える。以下、各工程について説明する。
（第１工程）
第１工程（Ｓ１０１）では、常圧型ＢＮとセラミックスとを混合して混合体を得る。第１工程では、まず常圧型ＢＮ粉末（たとえばｈＢＮ粉末）とセラミックス粉末とを準備する。
第１工程（Ｓ１０１）では、常圧型ＢＮとセラミックスとを混合して混合体を得る。第１工程では、まず常圧型ＢＮ粉末（たとえばｈＢＮ粉末）とセラミックス粉末とを準備する。
セラミックス粉末は、目的とするセラミックス相の組成に合わせて選択される。たとえば、ＴｉＮ0.6粉末、ＴｉＣ粉末、ＨｆＮ粉末、ＺｒＮ粉末、ＷＣ粉末等を使用できる。これらとともにＡｌ粉末を混合してもよい。
次にこれらの粉末原料を混合する。混合に際して各原料の配合は、最終的に得られるｃＢＮ複合焼結体において、ｃＢＮ多結晶体の体積含有率が４０体積％以上８０体積％以下となるように調整される。混合には、たとえばボールミル、アトライタ等の混合装置を使用できる。混合時間は、たとえば５時間以上２４時間以下程度である。
こうして得られた混合体では、ｈＢＮ粉末が混合中に表面酸化の影響で生成される酸化ホウ素や水分等の吸着ガスを含み得る。これらの不純物はｃＢＮへの直接変換を阻害し、あるいは触媒となって粒成長を引き起こしｃＢＮ単結晶同士の結合を弱化させる。そこで高温精製処理を行なって不純物を除去することが好ましい。たとえば、窒素ガス中２０５０℃以上の条件、または真空中１６５０℃以上の条件等で熱処理して酸化ホウ素や吸着ガスを除去する。こうして得られた混合体は不純物が非常に少なく、直接変換焼結に適する。
（第２工程）
第２工程（Ｓ１０２）では、圧力が８ＧＰａ以上かつ温度が１５００℃以上２３００℃未満の条件下において混合体を焼結する。このとき常圧型ＢＮはｃＢＮへと直接変換される。すなわちｈＢＮの変換と同時に混合体を焼結する。焼結時の圧力（以下「合成圧力」とも記す）は８ＧＰａ以上である限り、ｃＢＮが熱力学的に安定な範囲で自由に設定できる。ただし工程上の負担を考慮すると、合成圧力の上限は、たとえば２０ＧＰａ程度であり、好ましくは１６ＧＰａ程度である。
第２工程（Ｓ１０２）では、圧力が８ＧＰａ以上かつ温度が１５００℃以上２３００℃未満の条件下において混合体を焼結する。このとき常圧型ＢＮはｃＢＮへと直接変換される。すなわちｈＢＮの変換と同時に混合体を焼結する。焼結時の圧力（以下「合成圧力」とも記す）は８ＧＰａ以上である限り、ｃＢＮが熱力学的に安定な範囲で自由に設定できる。ただし工程上の負担を考慮すると、合成圧力の上限は、たとえば２０ＧＰａ程度であり、好ましくは１６ＧＰａ程度である。
ｃＢＮが合成可能である焼結温度の範囲は合成圧力によって変化する。たとえば合成圧力が１０ＧＰａである場合、焼結温度は１９００℃以上２３００℃未満が適当であり、合成圧力が２０ＧＰａである場合、焼結温度は１５００℃以上２３００℃未満が適当である。これらの下限温度を下回るとｃＢＮへの変換が不十分となり得る。またいずれの場合も焼結温度が２３００℃以上になると、ｗＢＮが生成されなくなる。したがって焼結温度の範囲は、少なくとも１５００℃以上２３００℃未満であることを要する。焼結温度の範囲は１８００℃以上２２００℃以下が好ましく、１９００℃以上２１００℃以下がより好ましい。
以上の工程を実行することにより、ｃＢＮ単結晶同士あるいはｃＢＮ多結晶体とセラミックス相との結合力、さらにはｃＢＮ単結晶の結晶粒径を適切に制御することが可能であり、本実施形態のｃＢＮ複合焼結体を容易に製造することができる。
＜切削工具、耐摩工具および研削工具＞
本実施形態のｃＢＮ複合焼結体は、前述のように優れた耐摩耗性および耐欠損性を有するため、切削工具、耐摩工具および研削工具に利用できる。
本実施形態のｃＢＮ複合焼結体は、前述のように優れた耐摩耗性および耐欠損性を有するため、切削工具、耐摩工具および研削工具に利用できる。
本実施形態のｃＢＮ複合焼結体は、従来公知の切削工具、耐摩工具および研削工具に幅広く適用可能である。こうした工具としては次のようなものを例示できる。切削工具としては、たとえば、切削バイト、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切り工具、リーマまたはタップ等を例示できる。また耐摩工具としては、たとえば、ダイス、スクライバー、スクライビングホイールまたはドレッサー等を例示できる。さらに研削工具としては、たとえば研削砥石等を例示できる。
本実施形態のｃＢＮ複合焼結体は、これらの工具の全体を構成していてもよいし、一部を構成するものであってもよい。ここで「一部を構成する」とは、たとえば切削工具の場合に、超硬合金製の基材の所定位置にｃＢＮ複合焼結体をロウ付けして刃先部とする態様等を示している。
以下、実施例を用いて本実施形態をより詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。
〔ｃＢＮ複合焼結体の製造〕
以下のようにしてＮｏ．１〜Ｎｏ．９、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２ならびにＮｏ．１６〜Ｎｏ．１８に係るｃＢＮ複合焼結体を製造した。またＮｏ．１３〜Ｎｏ．１５に係るｃＢＮ焼結体を調達した。ここでＮｏ．１〜Ｎｏ．９が実施例に相当し、その他が比較例に相当する。
以下のようにしてＮｏ．１〜Ｎｏ．９、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２ならびにＮｏ．１６〜Ｎｏ．１８に係るｃＢＮ複合焼結体を製造した。またＮｏ．１３〜Ｎｏ．１５に係るｃＢＮ焼結体を調達した。ここでＮｏ．１〜Ｎｏ．９が実施例に相当し、その他が比較例に相当する。
＜Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１２＞
（第１工程）
まず出発物質（原料）として、平均粒子径１０μｍのｈＢＮ粉末と、表１に示す各種セラミックスとを準備した。表１に示す質量比でセラミックスを配合し、さらにボールミルを使用してｈＢＮとセラミックスとを５時間に亘って混合した。これにより混合体を得た。そして混合体を窒素雰囲気下２０５０℃の温度で熱処理して不純物を除去した（高温精製処理）。
（第１工程）
まず出発物質（原料）として、平均粒子径１０μｍのｈＢＮ粉末と、表１に示す各種セラミックスとを準備した。表１に示す質量比でセラミックスを配合し、さらにボールミルを使用してｈＢＮとセラミックスとを５時間に亘って混合した。これにより混合体を得た。そして混合体を窒素雰囲気下２０５０℃の温度で熱処理して不純物を除去した（高温精製処理）。
（第２工程）
高温精製処理を経た混合体を高融点金属からなるカプセルに入れ、超高圧高温発生装置を使用して表１に示す圧力および温度条件下で２０分間保持して、出発物質であるｈＢＮをｃＢＮへと直接変換させた。なお混合段階においてｈＢＮ粉末およびセラミックス粉末の配合量は、ｈＢＮをｃＢＮに変換した際に複合焼結体におけるｃＢＮ多結晶体の体積含有率が表１に示す値となるように調整した。
高温精製処理を経た混合体を高融点金属からなるカプセルに入れ、超高圧高温発生装置を使用して表１に示す圧力および温度条件下で２０分間保持して、出発物質であるｈＢＮをｃＢＮへと直接変換させた。なお混合段階においてｈＢＮ粉末およびセラミックス粉末の配合量は、ｈＢＮをｃＢＮに変換した際に複合焼結体におけるｃＢＮ多結晶体の体積含有率が表１に示す値となるように調整した。
表１に示す通り、こうして得られた各ｃＢＮ複合焼結体にはｃＢＮの他、ｗＢＮ等の高圧相ＢＮと、セラミックスとＢＮとの反応により生成された窒化物、ホウ化物等が含まれていた。
各ｃＢＮ複合焼結体に含まれるＢＮの組成（すなわちｃＢＮ、ｗＢＮおよび圧縮型ｈＢＮの体積含有率）ならびにセラミックス相の組成は、Ｘ線回折装置を使用して同定した。このときＸ線の線源はＣｕとし、特性Ｘ線はＫα線（波長：１．５４Å）とした。
表１に示すｃＢＮ単結晶の平均結晶粒径は前述のように切断法によって測定した。この際ＳＥＭ画像の倍率は３００００倍とした。また本実験では１つの試料について、別々の３箇所においてＳＥＭ画像を撮影し、それぞれのＳＥＭ画像から切断法によって平均結晶粒径を求め、さらに、そうして得られた３つの値の算術平均値を平均結晶粒径とした。
ＳＥＭ観察の際、各ｃＢＮ複合焼結体においてセラミックス相は連続的に繋がっており、ｃＢＮ多結晶体がセラミックス相を介して相互に接合している様子が確認された。
＜Ｎｏ．１３〜Ｎｏ．１５＞
Ｎｏ．１３〜Ｎｏ．１５として、市販のｃＢＮ焼結体からなる切削加工用チップを調達した。これらの試料は、平均粒子径が１０００〜２０００ｎｍであるｃＢＮ単結晶（粉末）とセラミックス粉末とを原料として製造されたものである。これらの試料におけるセラミックス相の組成、ｃＢＮ単結晶の含有率およびｃＢＮ単結晶の平均結晶粒径を表２に示す。表２中の平均結晶粒径およびセラミックス相の組成は、前述の方法で測定、同定したものである。
Ｎｏ．１３〜Ｎｏ．１５として、市販のｃＢＮ焼結体からなる切削加工用チップを調達した。これらの試料は、平均粒子径が１０００〜２０００ｎｍであるｃＢＮ単結晶（粉末）とセラミックス粉末とを原料として製造されたものである。これらの試料におけるセラミックス相の組成、ｃＢＮ単結晶の含有率およびｃＢＮ単結晶の平均結晶粒径を表２に示す。表２中の平均結晶粒径およびセラミックス相の組成は、前述の方法で測定、同定したものである。
＜Ｎｏ．１６〜Ｎｏ．１８＞
Ｎｏ．１６〜Ｎｏ．１８は次のようにして製造した。まず出発物質として平均粒子径が２〜４μｍであるｃＢＮ多結晶粉末と各種セラミックス粉末とを準備した。このｃＢＮ多結晶粉末は、平均結晶粒径が５００ｎｍ以下である微細なｃＢＮ単結晶が凝集した多結晶体（二次粒子）からなる粉末である。使用したセラミックス粉末の組成は表３に示す通りである。これらの原料を、ボールミルを使用して５時間に亘って混合して混合体を得た。得られた混合体は真空中１０００℃の温度で熱処理して、粉末表面に付着した水分等の吸着ガスを除去した（高精製処理）。
Ｎｏ．１６〜Ｎｏ．１８は次のようにして製造した。まず出発物質として平均粒子径が２〜４μｍであるｃＢＮ多結晶粉末と各種セラミックス粉末とを準備した。このｃＢＮ多結晶粉末は、平均結晶粒径が５００ｎｍ以下である微細なｃＢＮ単結晶が凝集した多結晶体（二次粒子）からなる粉末である。使用したセラミックス粉末の組成は表３に示す通りである。これらの原料を、ボールミルを使用して５時間に亘って混合して混合体を得た。得られた混合体は真空中１０００℃の温度で熱処理して、粉末表面に付着した水分等の吸着ガスを除去した（高精製処理）。
高精製処理を経たｃＢＮ多結晶体とセラミックスとの混合体を高融点金属からなるカプセルに入れ、超高圧高温装置を使用して表３に示す圧力および温度条件下で２０分間保持した。これによりｃＢＮ複合焼結体を得た。これらの試料におけるｃＢＮ多結晶体の含有率およびセラミックス相の組成を表３に示す。表３中のＢＮおよびセラミックス相の組成は、前述の方法で同定したものである。
〔切削工具の製造および切削性能の評価〕
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１２ならびにＮｏ．１６〜Ｎｏ．１８に係るｃＢＮ複合焼結体を切削加工用チップに加工した。これらの切削加工用チップ、ならびにＮｏ．１３〜Ｎｏ．１５に係る切削加工用チップ（ｃＢＮ焼結体）を使用して、次の切削条件Ａで切削試験を行なって耐摩耗性を評価した。結果を表４に示す。
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１２ならびにＮｏ．１６〜Ｎｏ．１８に係るｃＢＮ複合焼結体を切削加工用チップに加工した。これらの切削加工用チップ、ならびにＮｏ．１３〜Ｎｏ．１５に係る切削加工用チップ（ｃＢＮ焼結体）を使用して、次の切削条件Ａで切削試験を行なって耐摩耗性を評価した。結果を表４に示す。
（切削条件Ａ）
切削方式：乾式切削
被削材：焼入鋼ＳＣＭ４１５Ｈ（硬さ：ＨＲＣ５８〜６２）の丸棒
切削速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ
切り込み量：０．２ｍｍ
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ．
評価方法：５ｋｍ切削した際の逃げ面摩耗量（単位：ｍｍ）。
切削方式：乾式切削
被削材：焼入鋼ＳＣＭ４１５Ｈ（硬さ：ＨＲＣ５８〜６２）の丸棒
切削速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ
切り込み量：０．２ｍｍ
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ．
評価方法：５ｋｍ切削した際の逃げ面摩耗量（単位：ｍｍ）。
また上記切削加工用チップを使用して、次の切削条件Ｂで切削試験を行なって耐欠損性を評価した。結果を表４に示す。
（切削条件Ｂ）
切削方式：乾式切削
被削材：焼入鋼ＳＣＭ４１５Ｈの丸棒（Ｖ字型の溝を８個有するもの）
切削速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ
切り込み量：０．２ｍｍ
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ．
評価方法：刃先が欠損するまでの切削時間（単位：分）。
切削方式：乾式切削
被削材：焼入鋼ＳＣＭ４１５Ｈの丸棒（Ｖ字型の溝を８個有するもの）
切削速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ
切り込み量：０．２ｍｍ
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ．
評価方法：刃先が欠損するまでの切削時間（単位：分）。
〔結果と考察〕
表１〜表４より、ｗＢＮを含まないｃＢＮ複合焼結体（Ｎｏ．１１およびＮｏ．１２）、あるいはｃＢＮ単結晶を出発物質（原料）として焼結されたｃＢＮ焼結体（Ｎｏ．１３〜Ｎｏ．１５）は、十分な耐摩耗性および耐欠損性を有していないことが分かる。
表１〜表４より、ｗＢＮを含まないｃＢＮ複合焼結体（Ｎｏ．１１およびＮｏ．１２）、あるいはｃＢＮ単結晶を出発物質（原料）として焼結されたｃＢＮ焼結体（Ｎｏ．１３〜Ｎｏ．１５）は、十分な耐摩耗性および耐欠損性を有していないことが分かる。
これに対して、ｃＢＮ多結晶体とセラミックス相とを含み、ｃＢＮ多結晶体を４０体積％以上８０体積％以下の範囲で含有し、ｃＢＮ多結晶体は平均結晶粒径が５００ｎｍ以下であるｃＢＮ単結晶と、ｗＢＮとを含み、ｃＢＮ多結晶体はｗＢＮを０．０１体積％以上含有する、ｃＢＮ複合焼結体（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９）は、耐摩耗性および耐欠損性に優れていることが分かる。
また同結果から、常圧型ＢＮとセラミックスとを混合して混合体を得、該混合体を焼結すると同時に常圧型ＢＮをｃＢＮに直接変換することにより製造されたｃＢＮ複合焼結体（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９）は、単にｃＢＮ多結晶体を原料として焼結されたｃＢＮ複合焼結体（Ｎｏ．１６〜Ｎｏ．１８）よりも耐摩耗性および耐欠損性に優れることが実証できたといえる。この理由は、直接変換焼結を経ることにより、ｗＢＮが生成されるとともに、ｃＢＮ単結晶およびｃＢＮ多結晶体とセラミックス相との粒間結合が強固になるためであると考えられる。
なお今回の実験では切削工具を以って評価を行なったが、以上の結果に鑑みれば耐摩工具あるいは研削工具であっても同様の結果が得られるものと推測される。
以上、本実施形態および実施例について説明したが、今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１，１１ ｃＢＮ単結晶
１０ ｃＢＮ多結晶体
２，１２ セラミックス相
１０ ｃＢＮ多結晶体
２，１２ セラミックス相
Claims (8)
- 立方晶窒化ホウ素多結晶体と、セラミックス相とを含み、
前記立方晶窒化ホウ素多結晶体を４０体積％以上８０体積％以下の範囲で含有し、
前記立方晶窒化ホウ素多結晶体は、平均結晶粒径が５００ｎｍ以下である立方晶窒化ホウ素単結晶と、ウルツ鉱型窒化ホウ素とを含み、
前記立方晶窒化ホウ素多結晶体は、前記ウルツ鉱型窒化ホウ素を０．０１体積％以上含有する、立方晶窒化ホウ素複合焼結体。 - 前記立方晶窒化ホウ素多結晶体は、圧縮型六方晶窒化ホウ素を０．０１体積％以上０．５体積％以下の範囲でさらに含有する、請求項１に記載の立方晶窒化ホウ素複合焼結体。
- 前記セラミックス相は、Ｔｉ、Ｈｆ、ＺｒおよびＷの炭化物、窒化物、炭窒化物ならびにホウ化物の１種以上を含む、請求項１または請求項２に記載の立方晶窒化ホウ素複合焼結体。
- 前記セラミックス相は、Ａｌをさらに含む、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の立方晶窒化ホウ素複合焼結体。
- 立方晶窒化ホウ素多結晶体を４０体積％以上８０体積％以下の範囲で含有する立方晶窒化ホウ素複合焼結体の製造方法であって、
常圧型窒化ホウ素とセラミックスとを混合して混合体を得る第１工程と、
圧力が８ＧＰａ以上かつ温度が１５００℃以上２３００℃未満の条件下において前記混合体を焼結する第２工程と、を備え、
前記第２工程において、前記常圧型窒化ホウ素は立方晶窒化ホウ素へと直接変換される、立方晶窒化ホウ素複合焼結体の製造方法。 - 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の立方晶窒化ホウ素複合焼結体を備える、切削工具。
- 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の立方晶窒化ホウ素複合焼結体を備える、耐摩工具。
- 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の立方晶窒化ホウ素複合焼結体を備える、研削工具。
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