JP3476507B2

JP3476507B2 - 立方晶窒化ホウ素含有焼結体の製造方法

Info

Publication number: JP3476507B2
Application number: JP18184793A
Authority: JP
Inventors: 尚志山崎; 一仁上原
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1993-06-28
Filing date: 1993-06-28
Publication date: 2003-12-10
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: JPH0782031A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高硬度で、かつ高破壊
靭性値を有する立方晶窒化ホウ素含有焼結体の製造方法
に関し、具体的には、切削工具または耐摩耗工具として
最適な立方晶窒化ホウ素含有焼結体の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】立方晶窒化ホウ素は、ダイヤモンドに次
ぐ高い硬度と優れた熱伝導性を持ち、しかもダイヤモン
ドに比べて鉄との親和性が低いという工具材料としての
優れた長所を有している。この優れた長所を有している
立方晶窒化ホウ素と金属やセラミックスの結合相とでな
る立方晶窒化ホウ素含有焼結体についての検討が多数行
われており、その内、結合相成分組成および焼結体の組
織構造から提案されている代表的なものとして、特開昭
５６−１５６７３８号公報，特開昭５８−５８２４７号
公報，特開昭５８−６０６７８号公報，特開昭５８−６
０６７９号公報，特開昭５８−６０６８０号公報および
特開平２−２０８２５９号公報がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】特開昭５６−１５６７
３８号公報には、体積比で、２０〜８０％の立方晶窒化
ホウ素と、残り周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭
化物，窒化物，ホウ化物，ケイ化物もしくはこれらの混
合物または相互固溶体化合物の第１結合相と、Ａｌ，Ｓ
ｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅまたはこれらを含む合金、化合物
の第２結合相とし、第１結合相，第２結合相が焼結体組
織中で連続した結合相をなし、前記周期律表第４ａ，５
ａ，６ａ族金属の化合物が結合相中の体積比で５０％以
上でなる高硬度工具用焼結体について記載されている。

【０００４】同公報に記載の高硬度工具用焼結体は、原
料として用いるミクロンまたはミクロン以下の微粉には
かなり多量の酸素を含有しており、超高圧下においては
酸素が焼結性を低下させるのに対し、非化学論量組成の
Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆの炭化物，窒化物，炭窒化物を用い
て、ガス発生させないで焼結性を高めたというものであ
るが、第１結合相と第２結合相との組み合わせの仕方、
および第２結合相としてのＡｌ化合物の種類や粒径か
ら、耐摩耗性，耐欠損性がまだ満足するまでに至ってい
なく、かつ破壊靭性値が低いという問題がある。

【０００５】特開平２−２０８２５９号公報には、立方
晶窒化ホウ素および／またはウルツ鉱型窒化ホウ素の硬
質相２０〜９０体積％と、残りが結合相と不可避不純物
とからなり、該結合相が周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族
金属の窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくと
も１種と、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属のホウ化
物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種と、
他に酸化アルミニウム，ホウ化アルミニウム，窒化アル
ミニウム，炭化ケイ素，窒化ケイ素の中の少なくとも１
種を含む高密度相窒化ホウ素反応焼結体について記載さ
れている。

【０００６】同公報に記載の高密度相窒化ホウ素反応焼
結体は、窒化ホウ素と周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族の
金属およびこれらの２種以上の合金とを反応焼結して高
密度な窒化ホウ素焼結体としているのであるが、上述の
特開昭５６−１５６７３８号公報のような酸素に対する
積極的な配慮がなされていなく、高硬度な焼入網や合金
鋳鉄を被削材として切削した場合には、耐摩耗性，耐欠
損性が満足するに至っていないという問題がある。

【０００７】特開昭５８−５８２４７号公報および特開
昭５８−６０６８０号公報には、０．１〜２μｍの平均
層厚さでなるＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｍｏのホウ化物で立方
晶窒化ホウ素を包囲し、他にセラミックスおよび金属の
含有した立方晶窒化ホウ素焼結体について記載されてお
り、特開昭５８−６０６７８号公報および特開昭５８−
６０６８０号公報には、０．１〜２μｍの平均層厚さで
なるＴｉ，Ｈｆ，Ｓｉの窒化物で立方晶窒化ホウ素を包
囲し、他にセラミックスおよび金属の含有した立方晶窒
化ホウ素焼結体について記載されている。

【０００８】これら４件の公報に記載されている立方晶
窒化ホウ素焼結体は、立方晶窒化ホウ素粒子の表面を結
合相で包囲することにより、立方晶窒化ホウ素粒子の表
面における微小な凹み等によるボイドがなくなり、立方
晶窒化ホウ素と結合相との密着性に優れ、靭性と耐摩耗
性を兼ね備えた焼結体になっているというものである
が、破壊靭性値および高温時における耐欠損性がまだ充
分でなく、短寿命になるという問題がある。

【０００９】本発明は、上述のような問題点を解決した
もので、具体的には、立方晶窒化ホウ素と反応焼結する
ような結合相前駆体物質を選定し、反応焼結により緻密
な焼結体にすると共に、結合相組成成分の選定およびそ
の粒径の調製から耐摩耗性を低下させずに、耐欠損性お
よび破壊靭性値を高めることに成功した立方晶窒化ホウ
素含有焼結体の製造方法の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、立方晶窒
化ホウ素と結合相とでなる焼結体の耐摩耗性および耐欠
損性の向上について検討していたところ、焼結体を作製
するための出発物質として、立方晶窒化ホウ素と反応焼
結する結合相前駆体物質、具体的には、Ｔｉの炭酸化
物，窒酸化物，炭窒酸化物の１種以上とＡｌとの結合相
前駆体物質を用いて、結合相前駆体物質と立方晶窒化ホ
ウ素とでもって反応焼結を起させると、緻密で耐摩耗
性，耐欠損性および破壊靭性値に優れた焼結体が得られ
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。

【００１１】すなわち、本発明の焼結体の製造方法
は、立方晶窒化ホウ素粉末と、Ｔｉの炭酸化物，窒酸化
物，炭窒酸化物の中の少なくとも１種の酸素含有化合物
粉末でなり、かつ該酸素含有化合物粉末における非金属
元素中の酸素元素の含有比が０．２〜０．８モルでなる
粉末と、Ａｌ粉末とでなる混合粉末を圧粉成形体とする
第１工程、該圧粉成形体を１×１０^ー３Ｔｏｒｒ以上の
真空中、７００℃〜１０００℃で熱処理する第２工程、
次いで圧力４〜６ＧＰａ，温度１４００〜１６００℃の
超高圧高温でもって反応焼結し、体積比で、１０〜７０
％の立方晶窒化ホウ素と、酸化アルミニウム５〜３０％
と、窒化アルミニウムおよび／またはホウ化アルミニウ
ム３〜２０％と、炭化チタン，窒化チタンまたは炭窒化
チタンの中の１種以上１０〜４０％と、ホウ化チタン３
〜３０％とからなり、かつ該酸化アルミニウムが１μｍ
以下の粒径でなる焼結体とする第３工程からなることを
特徴とするものである。

【００１２】本発明の焼結体における結合相は、酸化ア
ルミニウムと、窒化アルミニウムおよび／またはホウ化
アルミニウムと、炭化チタン，窒化チタンまたは炭窒化
チタンの中の１種以上と、ホウ化チタンとからなり、さ
らに必要に応じて周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭
化物，窒化物，ホウ化物，ケイ化物およびこれらの相互
固溶体（但し、Ｔｉの炭化物，窒化物，炭窒化物は除
く）の中の１種以上を４０体積％以下またはＦｅ，Ｃ
ｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ等の金属、合金の中の１種以
上の含有したものである。この内、結合相中に金属，合
金を含有させる場合には、耐摩耗性の低下が顕著になる
ことから、結合相中の３０体積％以下、好ましくは１０
体積％以下である。

【００１３】結合相の構成成分の内、酸化アルミニウム
が、焼結体の全体比で５体積％未満になると、耐摩耗性
および耐熱性の低下が著しく、逆に３０体積％を超えて
多くなると、靭性の低下が著しくなり、窒化アルミニウ
ムおよび／またはホウ化アルミニウムが３体積％未満に
なると、緻密な焼結体になり難く、逆に２０体積％を超
えて多くなると、強度および靭性の低下が著しくなり、
炭化チタン，窒化チタン，炭窒化チタンの１種以上が１
０体積％未満になると、強度および靭性の低下が著し
く、逆に４０体積％を超えて多くなると、他の結合相成
分含有量が相対的に少なくなり、耐熱性および耐摩耗性
の低下が著しく、ホウ化チタンが３体積％未満になる
と、高温における強度低下が著しく、逆に３０体積％を
超えて多くなると、あまり高くない温度領域での強度お
よび靭性の低下が著しくなる。

【００１４】本発明の焼結体における立方晶窒化ホウ素
は、７０体積％を超えて多くなると、相対的に結合相が
３０体積％未満となり、結合相の組成成分を考慮した効
果が弱く、特に、できるだけ多くの立方晶窒化ホウ素の
粒子をホウ化チタンおよび／または窒化チタンのＴｉ化
合物で囲繞して焼結体の強度および靭性を高めるために
は、粒径との関係もあることながら、立方晶窒化ホウ素
の含有量は７０体積％が好ましく、逆に立方晶窒化ホウ
素が１０体積％未満になると、立方晶窒化ホウ素の高硬
度が充分に生かしきれなく、焼結体の耐摩耗性の低下が
顕著になる。

【００１５】本発明の焼結体を作製するには、従来から
行われている各種の製造方法でもって作製することもで
きるが、次の方法で行うと緻密で高強度高靭性の焼結体
が得られやすく好ましいことである。

【００１６】本発明の焼結体の製造方法は、立方晶窒化
ホウ素粉末と、Ｔｉの炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物
の中の少なくとも１種の酸素含有化合物粉末と、Ａｌ粉
末とでなる混合粉末を圧粉成形体とする第１工程、必要
に応じて、該圧粉成形体を１×１０^ー3Ｔｏｒｒ以上の
真空中、７００℃〜１０００℃で熱処理する第２工程、
次いで圧力４〜６ＧＰａ，温度１４００〜１６００℃の
超高圧高温でもって反応焼結する第３工程とからなるも
のである。

【００１７】本発明の焼結体の製造方法における酸素含
有化合物粉末は、立方晶窒化ホウ素粉末とＡｌ粉末とに
よる反応焼結を行わせる重要な因子であり、具体的に
は、酸素含有化合物粉末とＡｌ粉末との反応焼結でもっ
て、酸素含有化合物粉末中の酸素とＡｌとが結合し、酸
化アルミニウムとなり、さらに酸素含有化合物粉末中の
酸素を除いた他の元素と立方晶窒化ホウ素との反応焼
結、または酸素含有化合物粉末中の酸素を除いた他の元
素と立方晶窒化ホウ素とＡｌとの反応焼結を行わせるこ
とにより、焼結体中の結合相として、酸化アルミニウム
と、窒化アルミニウムおよび／またはホウ化アルミニウ
ムと、炭化チタン，窒化チタン，炭窒化チタンの中の１
種以上と、ホウ化チタンとを含有するものである。

【００１８】この反応焼結によって得られる焼結体中の
立方晶窒化ホウ素は、立方晶窒化ホウ素と酸素含有化合
物との反応焼結によって形成されたホウ化チタンおよび
／または窒化チタンのＴｉ化合物により囲繞されること
になり、さらに反応焼結により形成された１μｍ以下の
微細な酸化アルミニウムが結合相中に分散し、強度およ
び靭性を一層高めることになる。この反応焼結の関係か
ら、立方晶窒化ホウ素は、平均粒径３μｍ以上のものが
好ましい。

【００１９】反応焼結を行わせるための酸素含有化合物
は、周期律表の４ａの金属であるＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆの炭
酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物を用いることも可能であ
るが、中でもＴｉの炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物が
好ましい。この酸素含有化合物の酸素含有量は、同時に
用いるＡｌ粉末の含有量にも影響するが、酸素含有化合
物中の非金属元素を１モルとした場合に約０．８モル以
下、好ましくは０．６モル以下である。この酸素含有化
合物は、非化学量論組成からなることが好ましく、特
に、亜化学量論組成からなることが好ましい。

【００２０】

【作用】本発明の焼結体は、反応焼結により形成された
１μｍ以下の粒径からなる酸化アルミニウムと、他の結
合相成分とによって、結合相の靭性および強度向上作用
をし、特に立方晶窒化ホウ素を囲繞した状態に形成され
るホウ化チタンおよび／または窒化チタンのＴｉ化合物
が立方晶窒化ホウ素と結合相と境界を緻密にする作用、
および結合を強化する作用をしている。

【００２１】また、本発明の焼結体の製造方法は、出発
物質として用いる酸素含有化合物とＡｌと立方晶窒化ホ
ウ素が反応焼結を誘発する大きな役割をし、中でも酸素
含有化合物が酸素含有化合物とＡｌとの反応、酸素含有
化合物と立方晶窒化ホウ素との反応、Ａｌと立方晶窒化
ホウ素との反応という複合反応を誘発する作用をしてい
る。

【００２２】

【実施例】平均粒径４μｍのｃＢＮ粉末、平均粒径１μ
ｍの炭酸化物粉末，窒酸化物粉末，平均粒径１μｍのＡ
ｌ粉末，平均粒径１μｍのＴｉの炭化物粉末，窒化物粉
末，Ｈｆの炭化物粉末，Ｔａの窒化物粉末，Ｚｒの炭化
物粉末，平均粒径０．５μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末を用いて表
１に示す組成に配合し、これを超硬合金製ボールとメタ
ノール溶媒でもって混合粉砕して得た混合粉末を型押し
成形して圧粉体にした後、１×１０^ー5Ｔｏｒｒ、８５
０℃の条件で脱パラフィン処理し、次いで、超高圧高温
装置に設置し、５．５ＧＰａの圧力、１５００℃の温
度、３０分の保持時間の条件でもって焼結し、本発明品
１〜８および比較品１〜４を得た。

【００２３】こうして得た本発明品１〜８および比較品
１〜４をＸ線回折により測定し、その組成成分を表２に
示した。また、これらの焼結体の硬さおよび破壊靭性値
を求めて表２に併記した。次に、顕微鏡でもって焼結体
の組織観察を行ったところ、本発明品１，４，６は、Ｔ
ｉ化合物が立方晶窒化ホウ素を囲繞した状態になってお
り、その平均層厚さは、約１μｍであった。また、本発
明品１〜８は、平均粒径０．１μｍ〜０．２μｍの酸化
アルミニウムが均一に分散していた。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】次いで、本発明品１〜８および比較品１〜４を用いて、
下記条件による切削試験を行い、その結果を表３に示し
た。

【００２６】（Ａ）切削試験条件被削材：ＳＣＭ４１５（ＨＲＣ６０．９〜６１．７）外周連続乾式切削切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ切込量：０．５ｍｍ送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖチップ形状：ＴＮＭＡ１６０４０８ホルダー：ＣＴＧＮＲ２０２０評価：平均逃げ面摩耗量Ｖ_Ｂ＝０．２ｍｍになるまでの切削時間または途中欠損の切削時間（なお、Ｖ_Ｂは５ｍｉｎごとに測定）（Ｂ）切削試験条件被削材：ＦＣ３０（Ｈ_Ｂ２１０〜２３０）外周連続湿式切削切削速度：５００ｍ／ｍｉｎ切り込み量：０．５ｍｍ送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖチップ形状：ＴＮＭＡ１６０４０８ホルダー：ＣＳＢＮＲ２０２０評価：平均逃げ面摩耗量Ｖ_Ｂ＝０．２ｍｍになるまでの切削時間または途中欠損の切削時間（なお、Ｖ_Ｂは１０ｍｉｎごとに測定）

【００２７】

【表３】

【００２８】

【発明の効果】本発明の製法方法による焼結体は、従来
の立方晶窒化ホウ素含有焼結体に比べて、破壊靭性値が
高く、耐熱衝撃性，高温での耐欠損性および耐酸化性等
に優れていることから、切削工具として用いた場合に長
寿命となり、特に立方晶窒化ホウ素がＴｉ化合物で囲繞
された焼結体の場合には、よりその効果が高くなる傾向
にある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−17233（ＪＰ，Ａ) 特開平２−310334（ＪＰ，Ａ) 特開平１−115873（ＪＰ，Ａ) 特開平２−208259（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−38379（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 35/583

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】立方晶窒化ホウ素粉末と、Ｔｉの炭酸化
物，窒酸化物，炭窒酸化物の中の少なくとも１種の酸素
含有化合物粉末でなり、かつ該酸素含有化合物粉末にお
ける非金属元素中の酸素元素の含有比が０．２〜０．８
モルでなる粉末と、Ａｌ粉末とでなる混合粉末を圧粉成
形体とする第１工程、該圧粉成形体を１×１０^ー３Ｔｏ
ｒｒ以上の真空中、７００℃〜１０００℃で熱処理する
第２工程、次いで圧力４〜６ＧＰａ，温度１４００〜１
６００℃の超高圧高温でもって反応焼結し、体積比で、
１０〜７０％の立方晶窒化ホウ素と、酸化アルミニウム
５〜３０％と、窒化アルミニウムおよび／またはホウ化
アルミニウム３〜２０％と、炭化チタン，窒化チタンま
たは炭窒化チタンの中の１種以上１０〜４０％と、ホウ
化チタン３〜３０％とからなり、かつ該酸化アルミニウ
ムが１μｍ以下の粒径でなる焼結体とする第３工程から
なる立方晶窒化ホウ素含有焼結体の製造方法。
【請求項２】立方晶窒化ホウ素粉末と、Ｔｉの炭酸化
物，窒酸化物，炭窒酸化物の中の少なくとも１種の酸素
含有化合物粉末でなり、かつ該酸素含有化合物粉末にお
ける非金属元素中の酸素元素の含有比が０．２〜０．８
モルでなる粉末と、Ａｌ粉末と、周期律表４ａ，５ａ，
６ａ族金属の炭化物，窒化物およびこれらの相互固溶体
の中の少なくとも１種の粉末とでなる混合粉末を圧粉成
形体とする第１工程、該圧粉成形体を１×１０^ー３Ｔｏ
ｒｒ以上の真空中、７００℃〜１０００℃で熱処理する
第２工程、次いで圧力４〜６ＧＰａ，温度１４００〜１
６００℃の超高圧高温でもって反応焼結し、体積比で、
１０〜７０％の立方晶窒化ホウ素と、酸化アルミニウム
５〜３０％と、窒化アルミニウムおよび／またはホウ化
アルミニウム３〜２０％と、炭化チタン，窒化チタンま
たは炭窒化チタンの中の１種以上１０〜４０％と、ホウ
化チタン３〜３０％と、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金
属の炭化物，窒化物およびこれらの相互固溶体４０％以
下（但し、Ｔｉの炭化物，窒化物，炭窒化物は除く）と
からなり、かつ該酸化アルミニウムが１μｍ以下の粒径
でなる焼結体とする第３工程からなる立方晶窒化ホウ素
含有焼結体の製造方法。