JP3481702B2 - 硬質合金を結合材とする立方晶窒化硼素燒結体及びその製造方法 - Google Patents

硬質合金を結合材とする立方晶窒化硼素燒結体及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、切削工具や耐摩耗工
具、耐摩耗機械部材などに用いる高硬度で耐摩耗性に優
れた立方晶窒化硼素(以下、CBNと略記する。)の複
合硬質燒結体、すなわち、硬質合金を結合材とするCB
N燒結体及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の硬質CBN燒結体は、高度の硬さ
と優れた耐摩耗性を得るために、CBNが六方晶窒化硼
素(以下、HBNと略記する。)に相変態しないことが
必須要件とされている。そのため、通常は超高圧装置を
用いて、CBNが熱力学的に安定な高温高圧で燒結を行
っているが、この方法では大型品や三次元形状品の製作
が困難なうえ、製造コストが非常に高くなる。
【0003】HBNが安定な圧力−温度領域で燒結して
HBNを生成しないようにしたCBN燒結体の公知例も
ある。しかしながら、HBNの安定領域でCBNがHB
Nを生成しないように燒結するためには、燒結条件や結
合材、コ−ティング材などに種々の制約がある。例え
ば、特開平02−302371号公報の方法では、CB
NのHBNへの相転移を促進しない無機材料を結合材と
すれば、HBNを含まない燒結体が得られるとされてい
るが、結合材は酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化物に限
定され、金属は除かれている。また、特開平05−02
4929号公報では、CBN粉末をCBNの相転移を促
進しない物質でコ−ティングすることにより、HBNを
生成しないCBN燒結体が得られるとしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】切削工具や耐摩耗工
具、耐摩耗部材として用いられるCBN燒結体は、高度
の硬さ、優れた耐摩耗性、強度などを要求されるため、
従来はCBNをHBNに相変態させることなく燒結しな
ければならないとされてきた。しかし、たとえある程度
のHBNが生成しても、燒結体が使用条件に必要な特性
と性能を備えていれば、実用上は十分に目的を達成でき
るわけで、HBNへの変態を避けることは好ましくはあ
っても、必ずしも実用上の必須条件とはいえない。そし
て、このHBNに関する制約条件を実用に支障のない範
囲で緩和すれば、組成や燒結条件などの選択の幅が大き
く広がり、より容易にかつ低コストで燒結できると共
に、多様な特性の燒結体が得られることを期待できる。
【0005】本発明の技術的課題は、かかる観点に基づ
き、CBNの部分的なHBN化を一定量まで容認するこ
とによって、HBNが安定な燒結条件においても鉄族金
属を含む結合材の使用を可能にし、さらに従来より低温
・低圧で、大型かつ三次元的に複雑な形状の燒結を容易
に行えるようにし、かつ通常の硬質合金やセラミックス
より硬さや耐摩耗性がはるかに優れたCBN燒結体及び
その製造方法を提供することにある。本発明の他の技術
的課題は、切削工具や耐摩耗工具、耐摩耗部材として優
れた性能と長寿命が期待され、性能的に、また経済的に
大きな効果をもたらすCBN燒結体及びその製造方法を
提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明のCBN燒結体は、基本的には、CBN粉末の
1〜75 Vol%と、結合材としての周期律表のIVa,V
a,VIa族遷移金属の炭化物、窒化物、ホウ化物及びこ
れらの複合化合物の1種または2種以上の硬質相、及
び、鉄、コバルト、ニッケルの1種または2種以上の金
属結合相よりなる硬質合金の原料粉末の99〜25 Vol
%とを混合し、それらを窒化硼素の相図でHBNが安定
な温度−圧力領域において加圧燒結してなるCBN燒結
体であって、該燒結体中にCBNと燒結時にCBNから
変態して生成したHBNとが存在し、該CBNとHBN
の比が、X−線回折におけるCBNの(111)面とH
BNの(002)面の回折線の強度IC111及びI
H002の比で0.04≦H002/IC111
1.0であり、硬さをHv1000以上でかつ結合材の
成分の硬質合金単体より硬くしたことを特徴とするもの
である。
【0007】また、硬質合金における硬質相がWCを
成分とし、金属結合相がコバルトを主成分としたものと
することができ、あるいは、硬質合金における金属結合
相を、鉄族金属に、50原子%未満のCu,Ti,C
r,Alの1種以上を添加した合金からなるものとする
ことができる。
【0008】さらに、上述したCBN燒結体を得るため
の本発明の製造方法は、CBN粉末の1〜75 Vol%
と、結合材としての周期律表のIVa,Va,VIa族遷移
金属の炭化物、窒化物、ホウ化物及びこれらの複合化合
物の1種または2種以上の硬質相、及び、鉄、コバル
ト、ニッケルの1種または2種以上の金属結合相よりな
る硬質合金の原料粉末の99〜25 Vol%とを混合し、
それらを、窒化硼素の相図でHBNが安定な温度−圧力
領域内において、900〜1500℃の温度と10MP
a〜4.5GPaの圧力で加圧燒結し、燒結体中のCB
Nと燒結時にCBNから変態して生成したHBNの比
が、X−線回折におけるCBNの(111)面とHBN
の(002)面の回折線の強度IC111及びI
H002の比で0.04≦H002/IC111
1.0となるようにすることを特徴とするものである。
【0009】さらに具体的に説明すると、本発明者は、
CBNのHBN変態にとらわれることなく、高硬度高強
度の燒結体を低圧・低温で得るために、金属の炭化物、
窒化物、硼化物などの硬質相と、コバルト、ニッケルな
どの金属結合相からなる硬質合金に着目したが、これら
の硬質化合物は共有結合性が強いので、単体で緻密な燒
結体を得ることは極めて困難である。鉄属金属は、これ
らの硬質化合物に対して良好な結合材であり、燒結を促
進すると共に燒結体の強度を向上させることができる。
これらの代表的なものは、超硬合金やサーメットの名で
工具や耐摩耗部材として広く使用されている。上記硬質
合金は、硬さや耐摩耗性に優れると共に、金属結合相を
有するので、セラミックスより高強度、高靭性であるう
え、より低温で焼結できるという特徴がある。
【0010】一方、鉄族金属はCBN合成の触媒として
は用いられておらず、CBNはダイヤモンドに比較する
と高温でも鉄族金属と反応しにくいとされている。しか
し硬質合金を結合剤とした燒結体を作製する場合、HB
N安定領域での燒結では鉄族金属によりCBNのHBN
化が促進するため、この領域でHBNを含まない燒結体
を得ようとする場合には、鉄族金属を含む結合剤を使用
することができない。しかしながら、実用的な見地にお
いては、HBN変態の防止自体は究極の目的ではなく、
目的とするところは、HBNの生成による硬さや耐摩耗
性などの性能の低下を防止することにある。従って、あ
る程度のHBNが生成したとしても、要求される性能水
準を維持できれば、実用的には十分に目的を達成するこ
とができる。
【0011】本発明者は、このような観点から、CBN
の部分的HBN化を容認したうえで、実用性能を十分に
達成できるような高性能燒結体を提供すべく、研究開発
を行い、その結果、燒結中にCBNの一部がHBN化し
ても、その量が一定の限界値以下であれば、燒結体の硬
さは結合材の硬質合金より高く、切削工具や耐摩耗工
具、耐摩耗部材として十分な硬さや耐摩耗性を有する緻
密かつ高強度の燒結体が得られることを見出だしたもの
である。
【0012】研究経過を含めて本発明を具体的に説明す
ると、まず、燒結体のマトリックスとなる結合材には、
周期律表のIVa,Va,VIa族遷移金属の炭化物、窒化
物、ホウ化物、及びそれらの複合化合物の1種または2
種以上の硬質相と、鉄、コバルト、ニッケルの鉄族金属
のうちの1種または2種以上の金属結合相よりなる硬質
合金を選択した。
【0013】硬質合金の硬質相を形成する上記炭化物と
しては、TiC,ZrC,HfC,VC,NbC,Ta
C,Cr32 ,Mo2 C,WC,W2 C,(W,T
i)C,(W,Ti,Ta)C,(Ta,Nb)C,
(W,Ti,Ta,Nb)Cなどがあり、同窒化物とし
ては、TiN,ZrN,HfN,VN,NbN,Ta
N,(Ti,Ta)N,(Ta,Nb)N,(Ti,T
a,Nb)Nなどがあり、さらに同ホウ化物としては、
TiB2 ,ZrB2 ,HfB2 ,VB2 ,NbB2 ,T
aB2 ,Crb2 ,α−MoB,α−WBなどがある。
【0014】また、それらの複合化合物である炭窒化物
としては、Ti(C,N),Ta(C,N),(Ta,
Nb)(C,N)などがあり、同炭ホウ化物としては、
Ti(C,B),Ta(C,B),(Ta,Nb)
(C,B)などがあり、同ホウ窒化物としては、Ti
(N,B),Ta(N,B),(Ta,Nb)(N,
B)などがあり、さらに同炭窒ホウ化物としては、Ti
(C,N,B),(Ta,Nb)(C,N,B)などが
ある。なお、これらの化合物の2種以上は、焼結中に反
応して、例えば、次のように変化することがある。 WC+TiC=(W,TiC) TiC+TiN=Ti(C,N)
【0015】結合材としての1種または2種以上の硬質
相、及び1種または2種以上の金属結合相よりなる硬質
合金は、上述したところを任意に選択して組み合わせる
ことにより形成でき、例えば、WC−Co,TiC−T
iN−Mo2 C−Ni等である。硬質合金の粒度や組成
は、燒結体の緻密化、特性、CBNのHBN化などに影
響し、CBNの粒度や添加量も、燒結体の緻密化、特
性、HBN化に影響するので、これらについては詳細な
研究を行った。
【0016】粉末混合、成形、半燒結などは、超硬合金
などで広く使われている粉末治金の手法を用いることが
できる。また、加圧燒結には、黒鉛型による通常のホッ
トプレス、通電加圧燒結、放電加圧燒結、熱間静水圧燒
結(HIP)、超高圧装置による燒結などをはじめ、数
多くの方法が知られている。本発明における燒結は、特
定の加圧燒結法に限定されるものではなく、実施する燒
結条件に好適な加圧燒結法を適宜に選択することができ
る。また、HIP燒結では、圧粉体のカプセルHIP法
のほか、他の加圧燒結法で気孔が閉鎖する密度以上に燒
結したのちカプセルなしでHIP処理することもでき
る。
【0017】CBNの安定領域における燒結では、HB
N化を起こさず、CBN粒子同士が直接結合した高密度
高硬度の燒結体が最も確実に得られるが、通常5GPa
以上の圧力が必要なため、装置が高価であるうえ、大型
品や三次元形状品の燒結体を得ることが極めて困難で、
通常は、円板状または円柱状に限定されている。本発明
をなすに至る過程においては、燒結圧力を下げてこれら
の問題点を解決するため、HBNの安定領域における燒
結について、圧力、温度、時間等の条件と燒結体の緻密
化、特性、CBNのHBN化等の関係を詳細に研究し
た。
【0018】HBN安定領域の燒結では、CBN粒子の
直接結合を期待するのは困難であるため、結合剤の硬質
合金を緻密に燒結させてCBN粒子を強固に把握させる
必要がある。そのための燒結温度は、一般的に、900
℃以上、より好ましくは1000℃以上である。一方、
高温ではCBNのHBN化や硬質合金の粒成長が促進す
るので、燒結温度の上限は1500℃、好ましくは14
00℃である。硬質合金を結合材として、CBNのHB
N化を許容限界内に制御し、低温で緻密な燒結体を得る
には、加圧燒結が必要であり、圧力は10MPa以上、
好ましくは50MPa以上が必要である。圧力の上限
は、HBNの安定領域内という限定から、1000℃で
約3GPa、1500℃で約4.5GPaである。
【0019】CBNのHBN化は、燒結温度が低く、燒
結圧力が高く、保持時間は短いほど抑制されるが、燒結
体を緻密化して十分な特性を得るためには、上述の温度
やある程度の時間が必要であり、かつ技術的経済的観点
からは、圧力が低い方が好ましい。これらの燒結条件を
上述した範囲内で適正に選択することにより、燒結体を
十分緻密化したうえでHBN化量を許容限度内に制御で
きることを確かめている。好適な燒結時間は、温度、圧
力、燒結方法、原料組成、原料粒度などによって変わる
ので、一概に特定することは困難であるが、ホットプレ
ス、通電加圧燒結、HIPなどでは、一般に、30mi
n〜数時間であり、一方、GPa級の高圧下では、10
min程度でも十分な場合もあり、放電加圧燒結では5
〜15minの場合が多い。
【0020】硬質合金中の鉄族金属はCBNのHBN化
を促進するので、この観点からは鉄族金属ができるだけ
少ないことが望ましい。一方、燒結性や強度は鉄族金属
が多いほど向上するが、鉄族金属量が硬質合金中におい
て1 Vol%程度の少量でも緻密化や強度の向上に十分な
効果がある。また、燒結条件やCBNの粒径などを適切
に選べば、通常の硬質合金と同様の鉄族金属量の範囲で
HBN化量を許容限度以内に制御することが十分に可能
で、それにより燒結体の強度が向上することを確認して
いる。
【0021】CBNは、数 Vol%の少量添加でも燒結体
の硬さや耐摩耗性の向上に顕著な効果がある。一方、混
合則的には、CBNの含有量は高いほど燒結体の硬さや
耐摩耗性が向上するはずであるが、実際には、CBN粒
子の直接結合が困難な本発明の燒結体では、あまりCB
N量が多いと結合剤の把握力が低下して、緻密な燒結体
が得られなくなる。従って、効果的なCBN添加量は1
〜75 Vol%、好ましくは5〜60 Vol%である。
【0022】また、CBN粒子の粒径が大きい場合は、
HBN化の制御が比較的容易であるが、粒子が微細で比
表面積が大きくなるに従って、HBN化が速くなる。従
って、微粒CBNにおいては、燒結条件や鉄族金属量等
でより注意深い制御が必要であるが、粒径1μmクラス
の微粒でも目的とする燒結体が得られることを確認して
いる。しかし、本発明では粒径の範囲を特に限定するも
のではなく、各種工具や機械部材に要求される性能や面
粗さなどに応じて、適切な粒径を選択することができ
る。
【0023】CBNのHBN化量と燒結体の硬さの関係
を調べた結果では、次の点が明らかになった。すなわ
ち、燒結体のX−線回折において、CBNの(111)
面とHBNの(002)面の回折線の強度IC111
H002の比IH002/IC111が約1.0以下
であれば、一般的に、燒結体の硬さは、その燒結体の結
合材に用いた硬質合金のCBNを含まない単体の硬さと
同等以上になるという知見を得た。従って、本発明の目
的を達成するためには、CBNの相変態で生成したHB
N量の許容限界がIH002/IC111<1.0であ
り、さらに好ましくは0.5以下である。また、後述す
る本発明の実施例の表1〜表2に示すように、上記I
H002 /I C111 は0.04以上とすることができ
る。また、上記の結果は、CBNのHBN化が起こらな
いかそれが僅かな燒結体においては、相変態によるHB
Nとの合計量が上記の許容限を超えない範囲のHBN粉
末を添加しても、硬質合金より硬さが高い燒結体が得ら
れることを示すものである。
【0024】さらに、摩耗試験の結果では、CBNのH
BN化量が上記の許容範囲内の硬質複合燒結体は、超硬
合金やセラミックスよりはるかに優れた耐摩耗性と低い
摩擦係数を持つことが明らかとなっている。
【0025】以上のように、本発明では、HBNの安定
領域で燒結するCBN複合燒結体において、CBNのH
BN化量を、性能を大きく低下させない範囲で一定限度
まで容認することによって、燒結体の製造条件や性能な
どの選択肢を大きく広げることが可能になり、そのた
め、鉄族金属などの使用が可能となって、燒結性が向上
し、従来より低温、低圧、短時間で、容易に緻密な燒結
体を得ることが可能となった。
【0026】一方、得られた燒結体は、従来の超硬合金
やセラミックスより高い硬さや耐摩耗性を有し、さらに
金属結合相により燒結体の強度も向上し、各種切削工具
や、金型、ダイス、切断刃、ビット等の耐摩耗工具、あ
るいは、軸受、ノズル、ワークレスト、バルブ等の各種
の耐摩耗機械部材としてその利用が大きく期待できるも
のである。また、本発明の燒結体の他の長所として、導
電性があるので放電加工が可能であること、直接ろう付
けが可能であること、既存の超高圧燒結CBNに比べて
研削加工が容易であること、大型品や三次元形状品を作
りやすいこと等が挙げられる。
【0027】
【実施例】本発明の実施例を以下に示す。なお、本発明
は以下の実施例の範囲に限定されるものではない。
【0028】実施例1 平均粒径1μmのWC99重量%とCo1重量%をボー
ルミル混合した後、粒径が6〜12μmのCBN50 V
ol%を乳鉢で混合した。混合粉は金型で成形し、非酸化
性雰囲気で成形助剤の除去と半燒結を行った。この半燒
結体は、その周囲をHBNで包んでガラス容器に真空封
入した。次いで、1250℃,200MPaで60mi
nのHIP条件で、10φ×2mm,10×15×5m
m,25×4×2mmなどの燒結体を作製した。燒結体
は緻密で光学顕微鏡で有害なポアは認められなかった。
CBNの一部は燒結中にHBNに変態し、燒結体のX−
線回折による回折線の強度比はIH002/IC111=0.0
8であった。Hv硬さは3000で、同時に燒結したW
C−1%Co合金の硬さ2000よりもはるかに高かっ
た。抗折力は、700MPaと機械部材として十分に使
用できる強度を示した。
【0029】また、10mmのアルミナボールを相手材
としたピンオンブロックの往復摩耗試験を、摩擦速度7
2m/h,荷重2kgの条件で行った。比較に用いた市
販のK20超硬合金及びCBN超高圧燒結体、並びに本
実施例の燒結体では、1hの試験で比摩耗量が各49×
10-7mm3 /Nm,18×10-7mm3 /Nm,5×
10-7mm3 /Nmで、摩擦係数は各0.35,0.
5,0.4であった。このように本発明の燒結体は市販
の超硬合金やCBN超高圧燒結体より優れた摩擦摩耗特
性を示した。
【0030】実施例2 実施例1と同様の方法で各種の燒結体を種々のHIP条
件で作製した。実施例1と同様の測定結果を比較例と共
に表1に示す。IH002/IC111≦1.0の燒結体はいず
れも高い硬さと優れた摩耗特性を示した。
【表1】
【0031】実施例3 実施例1と同様にして、平均粒径1μmのWCとCoの
重量比で97:3の混合粉に、粒径1〜2μmのCBN
を50 Vol%添加した半燒結体を作製した。これをジル
コニウム箔に包んで、超高圧燒結体の製造で通常行われ
ている方法により、ベルト型高圧装置を用いて、135
0℃,3GPaで30minの条件で、4φ×2mmの
燒結体を作製した。得られた燒結体は緻密で、光学顕微
鏡で有害なポアは認められなかった。X−線回折による
H002/IC111=0.06であった。Hv硬さは320
0で、硬質合金単体の硬さよりもはるかに高かった。
【0032】実施例4 実施例3と同様の方法で各種の試料をベルト型高圧装置
を用いて種々の条件で加圧燒結した。それらの結果を表
2に示す。
【表2】
【0033】実施例5 実施例1の燒結体からJISのSNGN120408相
当の切削用インサートを作成し、普通鋳鉄丸棒の端面を
切削速度450〜150m/min、切り込み0.5m
m、送り0.2mm/revで切削した。逃げ面摩耗幅
はK10超硬合金が2パスの切削で0.33mmであっ
たのに対し、本実施例の燒結体では5パスの切削で0.
25mmで、CBN超高圧燒結体の0.22mmにほぼ
匹敵する耐摩耗性を示した。
【0034】
【発明の効果】以上に詳述したように、本発明によれ
ば、高硬度、高耐摩耗性のCBN複合燒結体において、
CBNの部分的なHBN化を一定量まで容認することに
よって、HBNが安定な燒結条件においても鉄族金属を
含む結合材の使用を可能にし、さらに従来より低温・低
圧で、大型かつ三次元的に複雑な形状の燒結を容易に行
えるようにし、かつ通常の硬質合金やセラミックスより
硬さや耐摩耗性がはるかに優れたCBN燒結体及びその
製造方法を得ることができる。そして、本発明によれ
ば、工具や耐摩耗部材として優れた性能と長寿命が期待
され、性能的に、また経済的に大きな効果をもたらすC
BN燒結体及びその製造方法を得ることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 29/16 C22C 1/05 C22C 29/00 C22C 29/08

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】立方晶窒化硼素粉末の1〜75 Vol%と、
    結合材としての周期律表のIVa,Va,VIa族遷移金属
    の炭化物、窒化物、ホウ化物及びこれらの複合化合物の
    1種または2種以上の硬質相、及び、鉄、コバルト、ニ
    ッケルの1種または2種以上の金属結合相よりなる硬質
    合金の原料粉末の99〜25 Vol%とを混合し、それら
    を、窒化硼素の相図で六方晶窒化硼素が安定な温度−圧
    力領域において加圧燒結してなる立方晶窒化硼素燒結体
    であって、 該燒結体中に立方晶窒化硼素と燒結時に立方晶窒化硼素
    から変態して生成した六方晶窒化硼素とが存在し、該立
    方晶窒化硼素と六方晶窒化硼素の比が、X−線回折にお
    ける立方晶窒化硼素の(111)面と六方晶窒化硼素の
    (002)面の回折線の強度IC111及びIH002
    の比で0.04≦H002/IC111<1.0であ
    り、硬さをHv1000以上でかつ結合材の成分の硬質
    合金単体より硬くした、 ことを特徴とする硬質合金を結合材とする立方晶窒化硼
    素燒結体。
  2. 【請求項2】硬質合金における硬質相がWCを主成分と
    し、金属結合相がコバルトを主成分としたものである請
    求項1に記載の硬質合金を結合材とする立方晶窒化硼素
    燒結体。
  3. 【請求項3】硬質合金における金属結合相が、鉄族金属
    に、50原子%未満のCu,Ti,Cr,Alの1種以
    上を添加した合金である請求項1に記載の硬質合金を結
    合材とする立方晶窒化硼素燒結体。
  4. 【請求項4】請求項1ないし3に記載のいずれかの立方
    晶窒化硼素燒結体を製造するための方法であって、 立方晶窒化硼素粉末の1〜75 Vol%と、結合材として
    の周期律表のIVa,Va,VIa族遷移金属の炭化物、窒
    化物、ホウ化物及びこれらの複合化合物の1種または2
    種以上の硬質相、及び、鉄、コバルト、ニッケルの1種
    または2種以上の金属結合相よりなる硬質合金の原料粉
    末の99〜25 Vol%とを混合し、それらを、窒化硼素
    の相図で六方晶窒化硼素が安定な温度−圧力領域内にお
    いて、900〜1500℃の温度と10MPa〜4.5
    GPaの圧力で加圧燒結し、燒結体中の立方晶窒化硼素
    と燒結時に立方晶窒化硼素から変態して生成した六方晶
    窒化硼素の比が、X−線回折における立方晶窒化硼素の
    (111)面と六方晶窒化硼素の(002)面の回折線
    の強度IC111及びIH002の比で0.04≦
    H002/IC111<1.0となるようにする、 ことを特徴とする硬質合金を結合材とする立方晶窒化硼
    素燒結体の製造方法。
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