JP4106574B2 - 立方晶窒化ホウ素焼結体およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結体およびその製造方法に関するもので、特に鉄系材料の切削加工に有用な、高温下でも強度が低下しないｃＢＮ焼結体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ｃＢＮは、ダイヤモンドに次ぐ硬度を有し、熱的化学的安定性の高い物質であり、従来より鉄系材料の切削工具として用いられている。
現在、切削工具として用いられているｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮの粉末を、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｃｏなどのバインダーを用いて超高圧下で焼結されたもので、焼結体には１０〜４０体積％程度のバインダーが含まれる。このバインダーが、焼結体の強度、耐熱性、熱放散性に大きく影響を与え、特に鉄系材料を高速で切削加工する場合に、刃先の欠損や亀裂が生じやすく、工具としての寿命が非常に短くなる。焼結体にバインダーが含まれている限り、このような問題はさけられない。
【０００３】
一方、バインダーを含まないｃＢＮ焼結体として、ホウ窒化マグネシウムなどの触媒を用いて六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）を原料として、反応焼結させた焼結体がある。この焼結体はバインダーがなくｃＢＮ粒子が強く結合しているため熱伝導率が６〜７Ｗ／ｃｍ℃と高く、ヒートシンク材やＴＡＢボンディングツールなどに用いられている。しかし、この焼結体の中には触媒がいくらか残留しているため、熱を加えるとこの触媒とｃＢＮとの熱膨張差による微細クラックが入りやすい。このため、その耐熱温度は７００℃程度と低く、切削工具としては大きな問題となる。また、粒径が１０μｍ前後と大きいため、熱伝導率が高いものの、強度が十分でなく、負荷の大きい切削には対応出来ない。
【０００４】
他方、ｃＢＮは、ｈＢＮなどの常圧型ＢＮを超高圧高温下で、無触媒で合成（直接変換）することが可能である。このｈＢＮ→ｃＢＮ変換と同時に焼結させることで、バインダーを含まないｃＢＮ焼結体を作製できることが知られている。たとえば、特開昭４７−３４０９９号や特開平３−１５９９６４号にｈＢＮを超高圧高温下でｃＢＮに変換させ、ｃＢＮ焼結体を得る方法が示されている。
【０００５】
また、特公昭６３−３９４号や特開平８−４７８０１号には熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）を原料にして、ｃＢＮ焼結体を作製する方法が示されている。これらは、７ＧＰａ、２１００℃以上の厳しい圧力温度条件が必要である。
【０００６】
よりマイルドな条件で直接変換によりｃＢＮを得る方法として例えば、特公昭４９−２７５１８号に、一次粒子の平均粒径が３μｍ以下の六方晶系窒化ホウ素を原料とする方法が示されている。これにより６ＧＰａ、１１００℃の条件でｃＢＮが得られる。しかし、六方晶窒化ホウ素が微粉であるため、数％の酸化ホウ素不純物や吸着ガスを含み、そのため焼結が十分に進行せず、また、酸化物を焼結体内に多く含むため、高硬度、高強度で耐熱性に優れた焼結体が得られず、切削工具に用いることができない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のｈＢＮなどの常圧型ＢＮを超高圧高温下で、無触媒で直接変換焼結されたｃＢＮ焼結体は、切削工具としてある程度使用可能であるが、８００℃以上の高温下での強度が十分でなく、高速で、負荷の大きい切削条件では、切削中の刃先のチッピングが問題であった。従来のバインダーを含むｃＢＮ焼結体も、高温下で強度が大幅に低下する。
【０００８】
本発明者は上記のような問題を解決するため、先に特願平８−３１７６９９号により、ｈＢＮ→ｃＢＮ直接変換、焼結を行うに当り、用いるｈＢＮを特定することや、ｃＢＮ焼結体の結晶面間のＸ線回折強度比を特定することを提案した。
【０００９】
この提案は、同出願明細書に記載した要件により、同明細書に記載した効果を奏するものであるが、更に試作研究を重ねた結果、新たな観点に立った次項以下に示す発明に到達することができた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
即ち本発明の第１の特徴とするところは、ｃＢＮが９９．５体積％以上で、各ｃＢＮ粒子同士が結合し、実質的にバインダーを含まないｃＢＮ焼結体であり、ｃＢＮ焼結体中に圧縮型ｈＢＮ（ compressed hBN ）を０．０１〜０．５体積％含み、８００℃以上１４００℃以下の温度域で強度が低下しない特性を備えていることである。
【００１１】
そして、この特性はｃＢＮの粒子径が１μｍ以下である場合に安定して得られることを確認した。
【００１２】
また上記に基づいて試験の結果、上記特徴を備えることにより、本発明のｃＢＮ焼結体は１０００℃以上１４００℃以下の温度域においては、室温における強度より高い強度を示し得ると言う驚くべき知見を得た。
【００１３】
本発明の別の特徴は、上記のような特性を備えたｃＢＮ焼結体を安定して製造する方法を提供することである。
即ち酸化ホウ素やホウ酸などのホウ素と酸素を含む化合物を炭素で還元窒化させた常圧型ＢＮを、窒素ガス中２０５０℃以上または真空中１６５０℃以上の条件で加熱して高純度精製処理を施した後、バインダー及び触媒を添加せず、圧力６〜７ＧＰａ、温度１５５０〜２１００℃を加えて直接ｃＢＮに変換、焼結せしめ、圧縮型六方晶窒化ホウ素を０．０１〜０．５体積％含めることである。
【００１４】
【作用】
本発明のｃＢＮ焼結体は、構成するｃＢＮ粒子同士の結合力、粒子径および未変換ｈＢＮ（圧縮型ｈＢＮとして焼結体内に残留）の残留量を制御することにより得られる。
具体的には出発原料に高純度で微粒もしくは低結晶性のｈＢＮを用い、粒成長の起こらない温度範囲で変換焼結する。
ここで用いる、低結晶性の常圧型ＢＮは、酸化ホウ素やホウ酸を炭素や有機物で還元し、窒化させて作製されたものが好ましい。
【００１５】
通常、常圧型ＢＮの合成方法として、酸化ホウ素やホウ酸をアンモニアと反応させる方法が一般に工業的に行われている。しかし、このようにして得られたＢＮは、高温で熱処理するとｈＢＮへ結晶化する。このため、この方法により微細で低結晶性の常圧型ＢＮを合成しても、不純物の酸化ホウ素を除去するための高温精製処理（窒素ガス中２０５０℃以上、真空中１６５０℃以上など）を行うと、ｈＢＮに結晶化、粒成長してしまう。
【００１６】
これに対し、酸化ホウ素やホウ酸を炭素で還元窒化させた常圧型ＢＮは、高温で熱処理しても結晶化しない特徴があり、したがって、この方法で微粒で低結晶性の常圧型ＢＮを合成し、窒素ガス中２０５０℃以上または真空中１６５０℃以上などの高純度精製処理を行うことで、酸化ホウ素や吸着ガスのない直接変換焼結に非常に適した常圧型ＢＮが得られる。
【００１７】
本発明のｃＢＮ焼結体の合成（焼結）条件は、圧力６〜７ＧＰａ、温度１５５０℃〜２１００℃が好ましい。特に焼結温度が重要で、低いとｃＢＮへの変換が十分でなく、高すぎるとｃＢＮの粒成長が進行し、ｃＢＮ同士の結合力が小さくなる。ｃＢＮの粒成長の起こらない焼結温度は、出発原料の結晶性、粒径により変化する。
【００１８】
上記の適切な焼結温度範囲で焼結したｃＢＮ焼結体は、粒径１μｍ以下のｃＢＮからなる緻密な組織を有し、曲げ強度が高い。この焼結体の破面を見ると、粒内破壊が支配的で、粒子同士の結合力が強いことを示している。１０００℃の高温でも強度が低下せず、むしろ室温より向上すると言う驚くべき傾向がある。高温下で、粒子内の転位の移動による塑性変形が起こり、それにより亀裂先端での応力集中が緩和され、破壊強度が向上すると考えられる。
【００１９】
一方、これより高い温度で焼結した焼結体は、粒径が１μｍを越え、破面を見ると主に粒界で破壊し、粒間結合が弱いことを示した。高温下ではさらに強度が低下、１０００℃では室温の約半分程度の強度となる。高温下では弱い粒界が更に弱化し、粒界で不均一な変形がおこるため、高温での強度が低下すると考えられる。従来の直接変換によるｃＢＮ焼結体は、結晶性のよいｈＢＮやｐＢＮを用いていたので、十分なｈＢＮ→ｃＢＮ変換を行うのに２１００℃以上の温度が必要で、その結果、焼結体を構成するｃＢＮ粒子の粒径が３〜５μｍと大きくなり、粒子間の結合力も弱く、上記の理由で高温での強度は低い。すなわち、従来の方法では、本発明のような高温下で高い強度を有する焼結体は得られない。なお、１４００℃を越える高温下では、ｃＢＮはｈＢＮに変換する。
【００２０】
また、本発明のｃＢＮ焼結体は０．０１〜０．５体積％の圧縮型ｈＢＮを含むのが特徴である。この程度の圧縮型ｈＢＮは焼結体の強度に影響を及ぼさない。むしろ亀裂の進展を阻止し、靱性を向上させる効果がある。圧縮型ｈＢＮが０．０１体積より少ない焼結体は、靱性が低下し、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。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に本発明の具体的な実施の態様を実施例によって説明する。
【００２２】
【実施例】
窒素雰囲気中で、酸化ホウ素（Ｂ₂ Ｏ₃ ）とメラミン（Ｃ₃ Ｎ₆ Ｈ₆ ）の混合物を炭素で還元窒化させて微細なｈＢＮの粉末を合成し、さらに、窒素雰囲気中、２１００℃で２時間処理した。得られたｈＢＮ粉末は、平均粒径０．１μｍで、酸素含有量は０．１重量％であった。このｈＢＮ粉末を６ｔｏｎ／ｃｍ² で型押し成形し、直径８ｍｍ、厚み３ｍｍの試料体を作製し、この試料体を再度、高周波炉で、Ｎ₂ ガス中、２１００℃で２時間かけて高純度処理した。
【００２３】
次にこの高純度処理した試料体をＭｏカプセルに入れ、６．５ＧＰａに保ったベルト型高圧発生装置中で、表１に記載した実施例１、２、３並びに比較例１、２の焼結温度に１５分間保持し、ｃＢＮに直接変換、焼結した。
得られた各焼結体は表１に示すようにほとんどｃＢＮからなる緻密な焼結体で、０．０３〜０．３３体積％の圧縮型ｈＢＮを含むことがわかった。またそれぞれの焼結体の破面をＳＥＭ観察したところ、いずれもｃＢＮ粒子の大きさは約０．１〜０．５μｍと微細であり、かつ、粒内破壊が支配的で、粒子同士が強固に結合していることを示していた。
【００２４】
これらの焼結体から、６×３×０．７ｍｍの試料片を切り出し、ＳｉＣ製の治具を用いて、曲げ強度（スパン長：４ｍｍ）を測定した。結果を表１に示す。
なお市販されているバインダー約１０％を含むｃＢＮ焼結体の測定結果も比較例３として同表中に記載した。
【００２５】
【表１】

【００２６】
【発明の効果】
以上各項において述べたように、本発明によるｃＢＮ焼結体は、微粒でｃＢＮ粒子同士が強固に結合した緻密な組織を有するため、高強度で、高温でもその強度が低下することがない。
【００２７】
特に１０００℃以上１４００℃以下の高温域での強度は、従来のｃＢＮ焼結体の２倍以上を示すと言う驚くべき特徴を有する。従って、たとえば本発明のｃＢＮ焼結体を鉄系材料の高速切削材料として用いれば、その切削速度、精度寿命を更に向上せしめることが可能となる。

Claims (6)

1. 立方晶窒化ホウ素が９９．５体積％以上で、各立方晶窒化ホウ素粒子同士が結合し、実質的にバインダーを含まない焼結体であって、圧縮型六方晶窒化ホウ素を０．０１〜０．５体積％含み、８００℃以上１４００℃以下の温度域において強度が低下しないことを特徴とする立方晶窒化ホウ素焼結体。
2. 立方晶窒化ホウ素の粒子径が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の立方晶窒化ホウ素焼結体。
3. １０００℃以上１４００℃以下の温度域における強度が室温の強度より高いことを特徴とする請求項１または２記載の立方晶窒化ホウ素焼結体。
4. ホウ素と酸素を含む化合物を炭素で還元窒化させて得た常圧型窒化ホウ素を、窒素ガス中２０５０℃以上または真空中１６５０℃以上の条件で加熱して高純度精製処理を施した後、バインダー及び触媒を添加せず圧力６〜７ＧＰａ、温度１５５０〜２１００℃を加えて直接立方晶窒化ホウ素に変換、焼結せしめ、圧縮型六方晶窒化ホウ素を０．０１〜０．５体積％含む焼結体を得ることを特徴とする立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法。
5. 前記常圧型窒化ホウ素の粉末を高純度精製処理して得られる粉末の酸素含有量および平均粒径が０．１重量％以下および０．１μｍ以下である常圧型窒化ホウ素の粉末を出発原料に用いたことを特徴とする請求項４記載の立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法。
6. 請求項４または５記載の方法で、請求項１、２または３記載の立方晶窒化ホウ素焼結体を生成することを特徴とする立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法。