JP2022142894A - ｃＢＮ焼結体 - Google Patents

Abstract

【課題】高硬度鋼等の切削工具として用いたときに、耐摩耗性および耐欠損性をより向上させたｃＢＮ焼結体を得る。
【解決手段】立方晶窒化硼素粒子と結合相を有する立方晶窒化硼素焼結体であって、
前記結合相には、ＶＢおよびＶＣ、ＴａＢおよびＴａＣ、ＮｂＢおよびＮｂＣ、ＣｒＢおよびＣｒＣ、の４つの組み合わせの中からいずれか１つの遷移金属化合物群が含まれ、
前記遷移金属化合物群中の金属硼化物の１１１回折線強度をＩ_ＭＢ、金属炭化物の１１１回折線強度をＩ_ＭＣとしたとき、１．０≦Ｉ_ＭＢ／Ｉ_ＭＣ≦３．０であることを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体。
【選択図】図１

Description

本発明は、硬質複合材料である立方晶窒化硼素焼結体（以下、ｃＢＮ焼結体ということがある）に関する。

ｃＢＮ焼結体は、ダイヤモンドに比して硬度は劣るものの、Ｆｅ系やＮｉ系材料との反応性が低いという性質を有しているため、切削工具としても用いられている。そして、ｃＢＮ焼結体に対して、その性能を向上させるための提案がなされている。

例えば、特許文献１には、ｃＢＮ：４０～８５体積％と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、ＮｉおよびＡｌから選択される少なくとも１種の金属、これら金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、酸化物およびこれらの相互固溶体からなる群より選ばれた少なくとも１種からなる結合相および残部が不可避的不純物からなり、Ｍｏ量が０．２～３．０質量％、Ｎｉ量が０．２～３．０質量％、Ｔａ量が０．５～３．０質量％であるｃＢＮ焼結体が記載され、該焼結体を切削工具として用いると耐摩耗性、耐欠損性に優れるとされている。

また、例えば、特許文献２には、ｃＢＮの表面に突起形態の硼化物が形成されて、その粒子サイズの平均値は４～８μｍ、体積割合は７０～８５体積％であり、前記硼化物は、前記立方晶窒化硼素の粒子の表面１００ｎｍ以内に、０．００１～１μｍのサイズで形成されている多結晶ｃＢＮが記載され、この多結晶ｃＢＮは、耐衝撃性および耐摩耗性に優れているとされている。

特許第５６１４４６０号公報 特許第６７１５３４９号公報

本発明は、前記事情や前記提案を鑑みてなされたものであって、例えば、高硬度鋼の切削工具として用いたときに、耐摩耗性および耐欠損性をより向上させたｃＢＮ焼結体を得ることを目的とする。

本発明の実施形態に係る立方晶窒化硼素焼結体は、
立方晶窒化硼素粒子と結合相を有し、
前記結合相には、ＶＢおよびＶＣ、ＴａＢおよびＴａＣ、ＮｂＢおよびＮｂＣ、ＣｒＢおよびＣｒＣ、の４つの組み合わせの中からいずれか１つの遷移金属化合物群が含まれ、
前記遷移金属化合物群の中の金属硼化物の１１１回折線強度をＩ_ＭＢ、金属炭化物の１１１回折線強度をＩ_ＭＣとしたとき、１．０≦Ｉ_ＭＢ／Ｉ_ＭＣ≦３．０である。

また、前記実施形態に係る立方晶窒化硼素焼結体は、以下の事項（１）～（３）の１または２以上を満足してもよい。

（１）前記遷移金属化合物群に含まれる遷移金属元素を０．１～０．８原子％含むこと
（２）立方晶窒化硼素粒子の含有割合が４０～８０体積％であること。
（３）立方晶窒化硼素粒子の平均粒径が２．０～８．０μｍであること。

前記立方晶窒化硼素焼結体を切削工具として用いたときに、耐摩耗性および耐欠損性をより向上させることができる。

本発明の実施形態に係るｃＢＮ焼結体の組織を示す模式図である。

本発明者は、前述の特許文献に記載された提案を検討した結果、
１）製造工程で意図せずに混入する不純物（不可避不純物）の炭素が、ｃＢＮ粒子界面に付着することにより強度が低下すること、
２）結合相中の化合物もしくは相互固溶体の含有割合が規定されていないため、含有する化合物によって、あるいは、化合物の含有比率によっては、高硬度鋼の高負荷が作用する切削条件には耐えられないこと、
を認識した。

そこで、本発明者は、前記認識を参考にして、耐摩耗性および耐欠損性をより向上させたｃＢＮ焼結体を得るべく鋭意検討を行った。その結果、以下の１）～５）の知見を得た。

１）ｃＢＮ焼結体の結合相を構成するために原料粉末として添加される六方晶の金属２硼化物から熱処理によって、斜方晶の金属硼化物を適切な量で生成すると、ｃＢＮ焼結体の耐摩耗性および耐欠損性が向上すること。

２）ただし、単純に金属硼化物を生成するだけでは、ｃＢＮ焼結体の耐摩耗性および耐欠損性の向上が不十分であること。

３）前記２）の解決のためには、斜方晶の金属硼化物の生成時に不可避的に含有される炭素は、炭素単体で存在するのではなく、立方晶の金属炭化物として存在することが好ましいこと。
ただし、立方晶の金属炭化物自体は脆化物であるため、生成量が多すぎる場合は逆に、耐摩耗性および耐欠損性が低下するため、生成量を制御しないと、耐摩耗性および耐欠損性が向上しないこと。

４）そのためには、結合相中には、ＶＢおよびＶＣ、ＴａＢおよびＴａＣ、ＮｂＢおよびＮｂＣ、ＣｒＢおよびＣｒＣ、の４つの組み合わせの中からいずれか１つの成分群を含有させること。

５）そして、前述のとおり金属炭化物は脆化物であるため、生成量が多すぎる場合は逆に、耐摩耗性および耐欠損性が低下し、一方、斜方晶の金属硼化物は高硬度鋼の切削において摩耗しにくいが、生成量が多すぎる場合は耐欠損性が低下するため、この金属硼化物とこの金属炭化物の生成量を適切な比率に制御する必要があり、その指標として、前記遷移金属化合物群において、１１１回折線の強度の比較によって、生成量の定量的に評価が可能であること。

以下では、本発明の実施形態に係るｃＢＮ焼結体について、詳述する。
なお、本明細書、特許請求の範囲の記載において、数値範囲を「Ａ～Ｂ」（Ａ、Ｂは共に数値）と表現する場合、「Ａ以上Ｂ以下」と同義であって、その範囲は上限値（Ｂ）と下限値（Ａ）を含むものである。また、上限値と下限値の単位は同じである。
さらに、数値には公差を含む。

本実施形態では、図１に示すように、ｃＢＮ粒子（１）と結合相（２）を有しており、結合相（２）中には、ＶＢおよびＶＣ、ＴａＢおよびＴａＣ、ＮｂＢおよびＮｂＣ、ＣｒＢおよびＣｒＣ、の４つの組み合わせの中からいずれか１つの成分群から選択される金属炭化物粒子（３）と金属硼化物物粒子（４）が分散している。
以下、これらについて説明する

１．立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）粒子
ｃＢＮ粒子の平均粒径と、ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合について説明する。

（１）平均粒径
本実施形態で用いるｃＢＮ粒子の平均粒径は、特に限定されるものではないが、２．０～８．０μｍの範囲にあることがより好ましい。

その理由は、ｃＢＮ粒子が焼結体内に含まれることにより耐欠損性が高められることに加えて、平均粒径が２．０～８．０μｍであれば、切削工具として使用されても工具表面のｃＢＮ粒子が脱落して生じる刃先の凹凸形状を起点とする欠損、チッピングをより確実に抑制するだけでなく、使用中に刃先に加わる応力により生じるｃＢＮ粒子と結合相との界面から進展するクラック、あるいはｃＢＮ粒子が割れて進展するクラックの伝播がより抑制され、より優れた耐欠損性を有することができるためである。平均粒径は３．０～６．０μｍがより一層好ましく、３．５～５．０μｍがさらに一層好ましい。

ここで、ｃＢＮ粒子の平均粒径は、以下のとおりにして求めることができる。
ｃＢＮ焼結体の断面を鏡面加工し、鏡面加工した面に対して走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下、ＳＥＭという）による組織観察を実施し、二次電子像を得る。次に、得られた画像内のｃＢＮ粒子の部分を画像処理にて抜き出し、画像解析より求めた各粒子の最大長を基に、後述する平均粒径を算出する。

ここで、画像内のｃＢＮ粒子の部分を画像処理にて抜き出すにあたり、ｃＢＮ粒子と結合相とを明確に判断するため、画像は０を黒、２５５を白の２５６階調のモノクロで表示し、ｃＢＮ粒子部分の画素値と結合相部分の画素値の比が２以上となる画素値の像を用いてｃＢＮ粒が黒となるように２値化処理を行う。

また、ｃＢＮ粒子部分の画素値を求めるための領域として、０．５μｍ×０．５μｍ程度の領域を選択し、少なくとも同一画像領域内から異なる３個所より求めた平均の値をｃＢＮの前述の画素値とすることが望ましい。

なお、２値化処理後はｃＢＮ粒同士が接触していると考えられる部分を切り離すような処理、例えば、ウォーターシェッド（ｗａｔｅｒｓｈｅｄ）法を用いて接触していると思われるｃＢＮ粒同士を分離する。

前述の２値化処理後に得られた画像内のｃＢＮ粒子にあたる部分（黒の部分）を粒子解析し、求めた各粒子の最大長をそれぞれ各粒子の直径とする。最大長を求める粒子解析としては、１つのｃＢＮ粒子に対してフェレ径を算出することより得られる２つの長さから大きい長さの値を最大長とし、その値を各粒子の直径とする。

各粒子をこの直径を有する理想球体と仮定して、計算より求めた体積を各粒子の体積として累積体積を求め、この累積体積を基に縦軸を体積百分率（％）、横軸を直径（μｍ）としてグラフ描画させ、体積百分率が５０％のときの直径をｃＢＮ粒子の平均粒径とする。これを３観察領域に対して行い、その平均値をｃＢＮ粒子の平均粒径（μｍ）とする。

この粒子解析を行う際には、あらかじめＳＥＭにより分かっているスケールの値を用いて、１ピクセル当たりの長さ（μｍ）を設定しておく。画像処理に用いる観察領域として、ｃＢＮ粒子の平均粒径が４．０μｍ程度の場合、４０μｍ×４０μｍ程度の視野領域が望ましい。

（２）含有割合
ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合（体積％）は、４０～８０体積％がより好ましい。

その理由は、４０体積％未満では、ｃＢＮ焼結体中に硬質物質が少なく、切削工具として使用した場合に、耐欠損性が低下することがあり、一方、８０体積％を超えると、ｃＢＮ焼結体中にクラックの起点となる空隙が生成し、耐欠損性が低下することがあるためである。ｃＢＮ粒子の含有割合は、５０～７５体積％がより一層好ましい。

ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合は、以下のとおりにして求めることができる。すなわち、ｃＢＮ焼結体の断面組織をＳＥＭによって観察し、得られた二次電子像内のｃＢＮ粒子の部分を画像処理によって抜き出し、画像解析によってｃＢＮ粒子が占める面積を算出し、少なくとも３観察領域の画像を処理し求めた値の平均値をｃＢＮ粒子の含有割合（体積％）とする。画像処理に用いる観察領域として、ｃＢＮ粒子の平均含有割合が５０体積％程度となる場合は、４０μｍ×４０μｍ程度の視野領域が好ましい。

２．結合相
結合相は、ＶＢおよびＶＣ、ＴａＢおよびＴａＣ、ＮｂＢおよびＮｂＣ、ＣｒＢおよびＣｒＣ、の４つの組み合わせの中からいずれか１つの遷移金属化合物群を含むことが好ましく、これ以外の他の成分に特段の制約はない。

他の成分として、Ａｌの硼化物、窒化物、酸化物の１または２以上、およびＴｉの硼化物、窒化物、炭化物、炭窒化物の１または２以上を例示することができる。

そして、前記遷移金属化合物群の硼化物と炭化物について、金属硼化物の１１１回折線強度をＩ_ＭＢ、金属炭化物の１１１回折線強度をＩ_ＭＣとしたとき、１．０≦Ｉ_ＭＢ／Ｉ_ＭＣ≦３．０であるとき、耐摩耗性および耐欠損性が向上する。

ここで、前記Ｉ_ＭＢ、前記Ｉ_ＭＣは、Ｘ線源としてＣｕ－Ｋα線を用いて測定する。Ｘ線の波長は１．５４Åとする。

また、前記遷移金属化合物群に含まれる遷移金属元素の含まれる割合は、特段の制約はないが、０．１～０．８原子％であることがより好ましい。この範囲であれば、確実に前述の目的を達成することができる。
ここで、前記原子％は、ｃＢＮ焼結体に含まれる全ての原子に対する前記遷移金属化合物群に含まれる遷移金属原子の占める割合をいう。

ｃＢＮ焼結体中の遷移金属元素の含有割合は、ｃＢＮ焼結体中に電子線マイクロアナライザー（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ：ＥＰＭＡ）を用いて分析を行い、検出された元素についてＺＡＦ定量分析法により、ｃＢＮ焼結体に占める遷移金属元素の含有割合（原子％）を得る。

次に、実施例について記載する。ただし、本発明は実施例に何ら限定されるものではない。

本実施例は、以下の（１）～（４）の工程により製造した。

（１）前記遷移金属化合物群の金属硼化物を得るべくその原料粉末として、平均粒径０．１μｍ～６．０μｍの金属２硼化物粉末（表１に示すＶＢ_２、ＮｂＢ_２、ＴａＢ_２、ＣｒＢ_２から選ばれた１種類）を準備し、超硬合金で内張りされた容器内に超硬合金製ボールとアセトンと共に充填し、蓋をした後にボールミルを用いて粉砕を実施後、混合したスラリーを乾燥させた後、遠心分離装置を用いて分級することにより平均粒径が２０～３００ｎｍの金属２硼化物原料粉を得た。

（２）Ｔｉの化合物粉末（表１に示すＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴｉＣＮ粉末、ＴｉＡｌ_３粉末の中から少なくとも１つ選んだ）と、前記（１）により事前に準備した金属２硼化物原料粉(表1にＭＢ₂として示す)と、硬質相用原料としてのｃＢＮ粉末を配合し、湿式混合し、乾燥し、焼結体原料粉末とした。

（３）得られた焼結体原料粉末を、成形圧１ＭＰａで直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法にプレス成形し、ついでこの成形体を、圧力：１Ｐａ以下の真空雰囲気中、９００～１３００℃の範囲内の所定温度に保持して仮焼結した。仮焼結は、湿式混合時の溶媒を除去することが主な目的であった。

（４）（３）で作製した成形体を超高圧焼結装置に装入して、圧力５ＧＰａ、温度１２００～１４００℃、保持時間３０分の条件で超高圧焼結することにより、表２に示す本発明焼結体（実施例１～１２）を得た。

比較のため、結合相中に遷移金属化合物群の化合物を有しないもの、遷移金属化合物として金属硼化物のみまたは金属炭化物のみのもの、および、同じ遷移金属の硼化物と炭化物を有しないもの、ならびに、１．０≦Ｉ_ＭＢ／Ｉ_ＭＣ≦３．０を満足しないもののいずれかである比較焼結体（比較例１’～８’）を（１）～（４）と同様の工程で作製した。

次に、前記で作製した実施例１～１２、比較例１’～８’を、ワイヤー放電加工機で所定寸法に切断した。これを、Ｃｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成を有し、ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製インサート本体のろう付け部（コーナー部）に、Ｃｕ：２６質量％、Ｔｉ：５質量％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ合金のろう材を用いてろう付けし、上下面および外周研磨、ホーニング処理を施すことにより、表２に示す、ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもつ本発明のｃＢＮ基超高圧焼結体切削工具（実施例１～１２）および、比較例のｃＢＮ基超高圧焼結体切削工具（比較例１’～８’）を製造した。

なお、表２には、実施例１～１２および比較例１’～８’において、前述の方法により測定したＩ_ＭＢ／Ｉ_ＭＣ、遷移金属元素の原子％、ｃＢＮ粒子の含有割合、その平均粒径を示す。

次いで、実施例１～１２と比較例１’～８’に対して、以下の切削条件で切削加工を実施し、欠損に至るまでの工具寿命（切削時間）を測定した。
＜切削条件＞
被削材：浸炭焼入鋼（ＪＩＳ・ＳＣＲ４２０、硬さ：ＨＲＣ５８～６２）丸棒
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：０．２ｍｍ
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
の条件での、高硬度鋼の乾式切削加工試験を実施した。

各工具の刃先が欠損に至るまでを工具寿命とし、切削時間３０秒毎に刃先を観察し、刃先の欠損の有無を確認し、寿命に至るまでの時間を求めた。
表３に、前記切削加工試験の結果を示す。

表３に示される結果から、実施例はいずれも、比較例のいずれに比しても、突発的な刃先の欠損が発生することなく工具寿命が延命化されており、靱性が向上したことが分かり、焼入鋼の連続切削加工においても、耐欠損性に優れた効果を奏するものである。

本発明のｃＢＮ焼結体は、切削工具として用いると、欠損を発生することなく長期の使用にわたって、優れた耐欠損性を発揮し、工具寿命の延命化が図られるものであることから、切削加工装置の高性能化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、低コスト化に十分満足に対応できるものである。

１ ｃＢＮ粒子
２ 結合相
３ 金属炭化物粒子
４ 金属硼化物粒子

Claims (4)

1. 立方晶窒化硼素粒子と結合相を有する立方晶窒化硼素焼結体であって、
   前記結合相には、ＶＢおよびＶＣ、ＴａＢおよびＴａＣ、ＮｂＢおよびＮｂＣ、ＣｒＢおよびＣｒＣ、の４つの組み合わせの中からいずれか１つの遷移金属化合物群が含まれ、
   前記遷移金属化合物群中の金属硼化物の１１１回折線強度をＩ_ＭＢ、金属炭化物の１１１回折線強度をＩ_ＭＣとしたとき、１．０≦Ｉ_ＭＢ／Ｉ_ＭＣ≦３．０であることを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体。
2. 前記遷移金属化合物群を構成する遷移金属元素を０．１～０．８原子％含むことを特徴とする請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
3. 前記立方晶窒化硼素粒子の含有割合が４０～８０体積％であることを特徴とする請求項１または２に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
4. 前記立方晶窒化硼素粒子の平均粒径が２．０～８．０μｍであることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体。

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