JP4558042B2 - ｃＢＮ焼結体、及びそれを用いた切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、鉄系の高硬度難削材の高速・高能率切削において、耐摩耗性、及び耐欠損性に優れるｃＢＮ焼結体及びそれを用いた切削工具に関する。

ｃＢＮ焼結体切削工具は、従来の超硬工具などの切削工具材料と比較し、ｃＢＮ焼結体の化学的安定性や硬度の高さに起因する高能率で長寿命を達成できる材料的な高性能特性と、また切削工具としての研削工具を大きく凌ぐ優れたフレキシビリティーや高環境性が評価され、鉄系難削材料加工、特に焼入れ鋼加工において研削加工を置換してきた。ｃＢＮ焼結体材種は、２つに分類され、１つは特許文献１に記載されているようにｃＢＮ含有率が高く、ｃＢＮ粒子同士が結合し、残部がＣｏやＡｌを主成分とする結合材からなるものであり、もう１つは、特許文献２に記載されているようにｃＢＮ含有率が比較的低く、ｃＢＮ粒子同士が耐摩耗性に優れるＴｉ系セラミックスを介して結合されているもので、それぞれ、鉄系焼結部品や焼入れ鋼の切削加工に適している。

また、特許文献３には、Ａｌなどの金属や、酸素などを不純物ととらえ、これらの不純物を極力低減した高純度のｃＢＮ焼結体の機械特性、及び切削性能が優れる旨の記載があり、高純度のｃＢＮ粒子からなるｃＢＮ焼結体が優れた切削性能を有するとされている。

しかしながら、硬質粒子を多量に含有し、Ｈｖ（ビッカース硬度）で、２．５ＧＰａ以上を有する鉄系焼結材の切削加工や、ＨＲｃ（ロックウェルＣスケール硬度）で４０〜６２の焼入れ鋼浸炭層部を除去する浸炭除去加工や、ＨＲｃ（ロックウェルＣスケール硬度）で５８を超える焼入れ鋼製の歯車部、ボルト穴や切り欠き部を有する部品の仕上げ切削加工においては、従来のｃＢＮ焼結体切削工具では、異常摩耗や欠損の突発的な発生により、安定した連続加工に対する信頼性が不十分であり、止むを得ず研削加工に頼らざるを得ない加工用途が依然として残っている。
特公昭５２−４３４８６号公報 特開昭５３−７７８１１号公報 特開平７−２９１７３２号公報

本発明は、鉄系の高硬度難削材の高速・高能率切削おいて、耐摩耗性、及び耐欠損性に優れるｃＢＮ焼結体、及びそれを用いたｃＢＮ焼結体工具を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記の従来のｃＢＮ焼結体工具では信頼性が不十分であり、適用されていない用途におけるｃＢＮ焼結体工具の刃先損傷メカニズムについて詳細な観察を行ったところ、焼入れ鋼などの高硬度難削材の連続加工では、一般的な、鉄との化学的な反応を主とする摩耗メカニズムとは異なり、ｃＢＮ粒子のｃＢＮ粒子自身の強度不足による破砕や、更にｃＢＮ粒子間の結合力不足によるｃＢＮ粒子の脱落の集積といった、機械的な損傷メカニズムを主要因とするものであると推定される結果が得られた。

上述のように、従来は、高純度のｃＢＮ粒子からなるｃＢＮ焼結体が優れた切削性能を有するとされてきた。しかし、本発明者らが鋭意検討を行った結果、逆に、微量の炭素をｃＢＮ焼結体中に含有させることにより、ｃＢＮ粒子自身、及びｃＢＮ粒子間の結合力を強化する手法を見出し、前記の高硬度焼結部品や、焼入れ鋼の高負荷加工用途において、安定して長寿命を達成できる切削性能を有する本発明のｃＢＮ焼結体を見出した。

即ち、本発明は以下のとおりである。
（１）ｃＢＮ粉末、結合材、及び炭素源を含む混合物を焼結することによって得られるｃＢＮ焼結体であって、
重量で、４５％以上９９．９％以下のｃＢＮ成分を有し、
前記ｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子内部、及びｃＢＮ粒子間結合の粒界部にｃＢＮ成分の重量に対し、重量で０．００１％以上０．１５％以下の炭素量を含有し、
該ｃＢＮ成分同士が３次元的に結合した構造を有し、
さらに、該ｃＢＮ成分に加えて、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｌｉ、Ｍｇ、ＬｉＣａＢＮ _２ 、ＷＣ、Ｃｏ及びＡｌの少なくとも一種を結合材として含有することを特徴とするｃＢＮ焼結体。
（２）ｃＢＮ粉末及び炭素源を含む混合物を焼結することによって得られるｃＢＮ焼結体であって、
重量で４５％以上９９．９％以下のｃＢＮ成分を有し、
前記ｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子内部、及びｃＢＮ粒子間結合の粒界部に、ｃＢＮ成分の重量に対し、重量で０．００１％以上０．１５％以下の炭素量を含有し、
該ｃＢＮ成分同士が３次元的に結合した構造を有し、
さらに、該ｃＢＮ成分に加えて、ｃＢＮ成分の重量に対し、重量で０．０７％以上０．１７％以下の酸素を含有することを特徴とするｃＢＮ焼結体。
（３）前記（１）又は（２）記載のｃＢＮ焼結体を、少なくとも切削に関与する部位に用いた切削工具。

本発明の焼結体を細かに分析したところｃＢＮ粒子内部、及びｃＢＮ粒子同士が結合を形成している粒界部に、焼結体中のｃＢＮ成分に対する重量で、０．００１％以上０．１５％以下の炭素が取り込まれており、具体的には炭素原子がｃＢＮ粒子のＢ−Ｎ原子の格子間に、またはＢ、Ｎ原子を置換することによりｃＢＮ粒子内に取り込まれている箇所が観察された。従来のｃＢＮ焼結体ではｃＢＮ粒子同士が結合を形成している粒界にＢとＮの酸化物やアモルファス相が観察される箇所が多かったのに対し、本発明の焼結体では、ｃＢＮ粒子間の粒界には、酸化物やアモルファス相はほとんど観察されず、ｃＢＮ粒子同士が直接結合しているか、あるいはＢＣ_２ＮやＢＣＮなどのＢの炭窒化物と推定されるＢ−Ｃ−Ｎ化合物が形成されている領域がほとんどであった。

本分析結果から、ｃＢＮ粒子内部に炭素が侵入することにより、ｃＢＮ粒子が固溶強化ないしは、粒子表面に圧縮応力が負荷されること、またｃＢＮ粒子間の結合についても、ｃＢＮ粒子間の結合の妨げとなる酸化物が形成されにくくなるか、あるいはＢの炭窒化物の機械特性が優れることにより、本発明のｃＢＮ焼結体工具の切削性能が向上したものと推定される。

本発明のｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ粉末及び炭素源を含む混合物を焼結することによって得られるｃＢＮ焼結体であって、重量で、４５％以上９９．９％以下のｃＢＮ成分を有し、前記ｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子内部、及びｃＢＮ粒子間結合の粒界部にｃＢＮ成分の重量に対し、重量で０．００１％以上０．１５％以下の炭素量を含有し、該ｃＢＮ成分同士が３次元的に結合した構造を有し、さらに、該ｃＢＮ成分に加えて、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｌｉ、Ｍｇ、ＬｉＣａＢＮ _２ 、ＷＣ、Ｃｏ及びＡｌの少なくとも一種を結合材として含有することを特徴としており、ｃＢＮ焼結体を形成しているｃＢＮ粒子自身の強度、及びｃＢＮ粒子同士の結合力が優れている。従って、本発明のｃＢＮ焼結体を切削に関与する部位に用いた工具は、ｃＢＮ焼結体の強度・硬度に優れるために、従来のｃＢＮ焼結体工具と比較し、耐欠損性、及び耐摩耗性が大幅に改善される。

本発明のｃＢＮ焼結体は、重量で、４５％以上９９．９％以下のｃＢＮ成分を有するｃＢＮ焼結体であって、前記ｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子内部、及びｃＢＮ粒子間結合の粒界部に、ｃＢＮ成分の重量に対し、０．００１％以上０．１５％以下の炭素量を含有することを特徴としており、残部にＴｉＮやＴｉＣに代表される４ａ、５ａ、６ａ族の窒化物、炭化物、及びこれらの固溶体からなるセラミックス成分、ＡｌやＣｏに代表される金属成分からなる結合材を出発原料とする結合材や、不可避不純物としての酸素を含有しても良い。

前記ｃＢＮ焼結体中、ｃＢＮ成分の量が４５％未満であると、ｃＢＮ焼結体中に占めるｃＢＮ成分量が少ないために、ｃＢＮ粒子同士の接触できる領域が減少し、十分なｃＢＮ粒子間の結合が生成されない。

ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ成分の量は、結合材を用いた場合は、作製した焼結体をガス分析、及び高周波プラズマ発光分析法（以下ＩＰＣ法と略す）により定量した各種元素の量と、焼結体中の結合材成分を酸処理により除去し、得られたｃＢＮ成分中のＢ量から定量することができる。また、結合材を用いない場合は、焼結体を酸処理し表面に付着しているフリーカーボン等を除去した後、ＩＣＰ法により酸素量、炭素量を定量し、残部をｃＢＮ成分とすることができる。

またｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子内部、及びｃＢＮ粒子間結合の粒界部に含有される炭素とは、上述のように、ｃＢＮ粒子のＢ−Ｎ原子の格子間に、または、Ｂ、Ｎ原子を置換することによりｃＢＮ粒子内部に含有される炭素であって、その含有量は、結合材を用いた場合は、ｃＢＮ焼結体の結合材成分を酸処理により除去し、更に表面に付着しているフリーカーボンを酸処理により除去し、得られたｃＢＮ成分中に含有している炭素量をＩＣＰ法により測定することにより求めることができる。また、結合材を用いない場合は、焼結体の表面に付着しているフリーカーボンを酸処理により除去し、得られたｃＢＮ成分中に含有している炭素量をＩＣＰ法により測定することにより求めることができる。

炭素量がｃＢＮ成分の重量に対し０．１５％を超えると、ｃＢＮ粒子内に余剰な炭素成分が存在し、耐摩耗性、耐欠損性が低下する。ｃＢＮ粒子内部、及びｃＢＮ粒子間結合の粒界部に含有される炭素量は、より好ましくはｃＢＮ成分の重量に対し０．００７％以上０．０３％以下である。

本発明のｃＢＮ焼結体を形成しているｃＢＮ粒子自身の強化、及びｃＢＮ粒子同士の結合力を向上させる前記の炭素の添加方法については、炭素を含有させたｈＢＮを出発原料として炭素を含有するｃＢＮ粒子を合成し、それを用いて焼結体を得ても良いし、ｈＢＮないしはｃＢＮ原料粉のみ、あるいはｈＢＮ−結合材、ないしはｃＢＮ−結合材混合粉末にメラミン（Ｃ_３Ｎ_６Ｈ_６）やポリアミド（[−ＮＨ(ＣＨ_２)_５ＣＯ−]_ｎ）などの有機物を添加したものを、配合組成に応じて熱処理温度、時間、雰囲気をコントロールすることにより、ｃＢＮ成分の重量に対し、重量で０．００１％以上０．１５％以下の炭素量を含有するｃＢＮ焼結体が得られる出発原料として作製し、それを用いて焼結体を得てもよい。

また、結合材としてＴｉＮやＴｉＣなどのセラミックス成分、あるいは金属成分を出発原料とする場合には、ｃＢＮ粒子同士の結合を形成する能力のあるＡｌ、Ｃｏ、ＬｉやＭｇなどの金属やＬｉＣａＢＮ_２やＭｇ_３ＢＮ_３などの触媒成分にあらかじめ、焼結後の炭素量がｃＢＮ成分の重量に対し、重量で０．００１％以上０．１５％以下の炭素量となるように、炭素を含有させても良い。例えば、粒径０．１μｍ以下のメソフェーズ炭素やカーボンブラックのような結晶性の悪い炭素粉末と前記触媒成分とを予め熱処理し、炭素成分を前記触媒成分中に固溶させても良いし、あるいはカーボンナノチューブのようにナノメートルオーダーの細かな炭素粉末であれば、熱処理なしに前記触媒成分と混合しただけのものでも良い。炭素を含有する触媒成分と、ｈＢＮあるいはｃＢＮ粒子を出発原料として用いることによっても、本発明の焼結体を得ることができる。

炭素を本発明のように、適量添加、焼結することにより、ｃＢＮ成分同士が接触している粒界において強固な結合を阻害するアモルファス相や、フリーカーボンの生成が抑制される。また、本作用により、ｃＢＮ粒子の接触率が高くなるｃＢＮ成分の割合が５２重量％を超える範囲にある本発明のｃＢＮ焼結体においては、３次元的な骨格構造を有する強固なｃＢＮ成分同士の結合が形成されるために、更に強度、靭性に優れる焼結体を得ることができる。

焼結方法は、従来公知の焼結方法でも良いが、１，８００℃を超える高温条件での焼結が特に好ましい。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
実施例１
平均粒径２μｍのｃＢＮ粉末と結合材粉末とを準備した。この結合材粉末は、６０重量％のＣｏ、３０重量％のＡｌ、及び１０重量％のＷＣとを混ぜ合わせて作製される。この結合材とｃＢＮ粉末にメラミン粉末を、超硬合金製ポット及びボールを用いて表１記載の量、及び熱処理条件で混合した。
この混合粉末を超硬合金製容器に充填し、圧力７．０ＧＰａ、温度１，８２０℃で３０分間焼結した。この焼結体についてＸ線回折分析を行ったところ、いずれの試料からもｃＢＮ以外に、Ｃｏ化合物やＡｌ化合物などが同定された。

ｃＢＮ粉末と結合材粉末、及び炭素源となるメラミンの比率、及び熱処理条件を変化させて作製したｃＢＮ焼結体を表１に示す。作製した各ｃＢＮ焼結体をガス分析、及び高周波プラズマ発光分析法（以降ＩＣＰ法と略す）により分析し、各種元素を定量した。次に前記各種ｃＢＮ焼結体を、密閉容器中で、濃度６０％以上６５％未満の硝酸を２倍希釈したもの４０ｍｌと、濃度４５％以上５０％未満のフッ化水素酸１０ｍｌを混合したフッ硝酸にて、１２０℃以上１５０℃未満で４８時間処理を行い、残渣成分と溶液成分を得た。ＩＣＰ法により、残渣成分中のＢ量を定量し、残渣成分中のＢ量と前記各元素量からｃＢＮ成分の含有率を定量した。この残渣についてＸ線回折分析を行ったところ、いずれの試料の残渣からもＣｏ、Ａｌ、及びＷの化合物は同定されなかった。更に、前記残渣の一部を、密閉容器中で濃硫硝酸にて、２００℃程度で５時間処理し、残渣表面に付着しているフリーカーボンを除去した上で、残渣中のｃＢＮ成分内部、ないしはｃＢＮ成分間の粒界部に存在している炭素をＩＣＰ法により定量し、ｃＢＮ成分に対する炭素量を求めた。

表１中、ｃＢＮ含有率は焼結後のｃＢＮ成分の含有率を、メラミン量は焼結前に混合粉末に添加したメラミン量を表す。
試料番号１５の焼結体は、メラミン粉末を添加していない、ｃＢＮ焼結体である。

表１の１〜１５に示す組成の異なるｃＢＮ焼結体を、切削に関与する表面に有する切削工具を用意し、下記の条件にて切削評価を行った。
本実施例で用いた切削工具は、ＩＳＯ型番でＣＮＭＡ１２０４０８に分類されるチップ形状のもので、いずれの工具も刃先処理を−２５°の角度で、幅０．１３ｍｍのチャンファー形状とし、刃切刃傾き角、横すくい角、前逃げ角、横逃げ角、前切刃角、横切刃角が、それぞれ、−５°、−５°、５°、５°、５°、−５°となるようにした。
また、各試料の機械特性についても明確にするため、ヌープ硬度と抗折力を測定した。抗折力についてはこの焼結体から、長さ６ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ０．４〜０．４５ｍｍの測定試験片を切り出し、４ｍｍスパンの条件で３点曲げ強度測定による抗折力を測定した。
被削材：鉄系焼結部品ＳＭＦ４０４０（ＪＩＳ Ｚ ２５５０）製ローター部品の端面
断続加工
被削材硬度：Ｈｖ２．５ＧＰａ
切削速度：Ｖ＝２００ｍ／ｍｉｎ．
切り込み：ｄ＝０．３ｍｍ
送り量：ｆ＝０．１２ｍｍ／ｒｅｖ．
クーラント：なし

本切削用途では、ｃＢＮ粒子間の結合力不足によると推定されるｃＢＮ粒子の脱落の集積により、逃げ面摩耗が発達し、最後には欠損に至り、工具寿命に達する。
いずれの工具も切削開始後、４５ｍｉｎの時点で逃げ面摩耗量を測定し、刃先に０．０３０ｍｍ以上の欠損が生じた時点で、寿命とした。結果を表１に示す。

試料番号１〜１１は、重量で、４５％以上のｃＢＮ成分を有するｃＢＮ焼結体であって、酸処理により、結合材成分を除去した後の炭素、すなわち前記ｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子内部、及びｃＢＮ粒子間結合の粒界部に存在している炭素量が、ｃＢＮ成分全体の重量に対し、重量で０．００１％以上０．１５％以下であることを特徴とする本発明のｃＢＮ焼結体であり、これらのｃＢＮ粒子自身、及びｃＢＮ粒子同士の結合力が向上したと推定される本発明のｃＢＮ焼結体を切削に関与する部位に用いた工具は、従来のｃＢＮ焼結体工具と比較し、耐欠損性、及び耐摩耗性が大幅に改善されていることがわかる。

試料番号１４の焼結体は、メラミンを添加しており、重量で０．００８％の炭素を含有しているものの十分な切削性能が得られていないが、これは試料番号１４の焼結体では、ｃＢＮ焼結体中に占めるｃＢＮ成分量が少ないために、ｃＢＮ粒子同士の接触できる領域が減少し、十分なｃＢＮ粒子間の結合が生成されなかったためと推定される。

炭素量が、重量で０．１５％を超えている試料番号１３の焼結体は、機械特性、及び切削性能ともに低下しているが、これは、余剰な炭素成分がｃＢＮ粒子内に取り込みきれなかったか、Ｂ、及びＮと反応できなかったフリーカーボンとして粒界に存在しているためと推定される。

実施例２
平均粒径３μｍのｃＢＮ粉末と結合材粉末とを準備した。この結合材粉末は、７０重量％のＴｉＮ、１５重量％のＡｌ、及び１５重量％のＴｉとを混ぜ合わせて作製される。この結合材とｃＢＮ粉末にポリアミド（[−ＮＨ(ＣＨ_２)_５ＣＯ−]_ｎ）粉末を、超硬合金製のポット及びボールを用いて、表２記載の量、及び熱処理条件で混合した。
この混合粉末を超硬合金製容器に充填し、圧力６．０ＧＰａ、温度１，８５０℃で３０分間焼結した。この焼結体についてＸ線回折分析を行ったところ、いずれの試料からもｃＢＮ以外に、ＴｉＮ、ＴｉＢ_２、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３などが同定された。
ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ成分の含有量と、この焼結体中のｃＢＮ成分に対する炭素量については、実施例１と同様に測定した。
表２中ｃＢＮ含有率は焼結後のｃＢＮ成分の含有率を、ポリアミド量は焼結前に混合粉末に添加したポリアミド量を表す。
試料番号１４、１５の焼結体は、ポリアミド粉末を添加していないｃＢＮ焼結体である。

次に得られた表２の１〜１５に示す組成の異なるｃＢＮ焼結体を、切削に関与する表面に有する切削工具を用意した。いずれの工具もＩＳＯ型番でＣＮＭＡ１２０４１２に分類されるチップ形状のもので、刃先処理を−２５°の角度で、幅０．１５ｍｍのチャンファー形状とし、刃切刃傾き角、横すくい角、前逃げ角、横逃げ角、前切刃角、横切刃角が、それぞれ、−５°、−５°、５°、５°、５°、−５°となるようにし、下記の条件にて切削評価を行った。
また、各試料の機械特性についても明確にするため、ヌープ硬度と破壊靱性値を測定した。
被削材：ＳＣＲ４１５Ｈ（ＤＩＮ型番：１５Ｃｒ３相当品）製シャフト部品の外径部の
連続加工（浸炭層除去加工）
被削材硬度：ＨＲｃ４０〜６０（表面から、深さ方向に硬度分布があり、切り込み
１．２ｍｍのところの硬度がＨＲｃ４０となる）
切削速度：Ｖ＝１１０ｍ／ｍｉｎ．
切り込み：ｄ＝１．２ｍｍ
送り量：ｆ＝０．１１ｍｍ／ｒｅｖ．
クーラント：エマルジョン２０倍希釈

本切削用途では、ｃＢＮ粒子自体の強度不足による破砕、及びｃＢＮ粒子間の結合力不足によると推定されるｃＢＮ粒子間での亀裂を前駆とし、その亀裂の進展により、最後には欠損に至り、工具寿命に達する。
いずれの工具も切削開始後、３０ｍｉｎの時点で逃げ面摩耗量を測定し、刃先に０．０３０ｍｍ以上の欠損が生じた時点で、寿命とした。結果を表２に示す。

試料番号１〜１０は、重量で、４５％以上のｃＢＮ成分を有するｃＢＮ焼結体であって、酸処理により、結合材成分を除去した後の炭素、すなわち前記ｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子内部、及びｃＢＮ粒子間結合の粒界部に存在している炭素量が、ｃＢＮ成分全体の重量に対し、重量で０．００１％以上０．１５％以下であることを特徴とする本発明のｃＢＮ焼結体であり、これらのｃＢＮ粒子自身、及びｃＢＮ粒子同士の結合力が向上したと推定される本発明のｃＢＮ焼結体を切削に関与する部位に用いた工具は、従来のｃＢＮ焼結体工具と比較し、耐欠損性、及び耐摩耗性が大幅に改善されていることがわかる。

本発明のｃＢＮ焼結体の中でも、結合材を酸処理後により除去した後でも粉末状に形状崩れを起こさない試料番号３〜１０のｃＢＮ焼結体は、特に切削性能に優れ、添加炭素により、ｃＢＮ粒子自身が強化されている上に、ｃＢＮ粒子間の結合が特に強化されていることを示していると推定される。

試料番号１１、１２の焼結体は、ポリアミドを添加しているものの、ｃＢＮ成分中に含まれている炭素量がそれぞれ重量％で、０．００１％未満、及び０．１５％を超過と本発明の範囲外であり、ポリアミドを添加していない従来のｃＢＮ焼結体である試料番号１４、１５と同等寿命であった。

試料番号１３の焼結体は、ポリアミドを添加しており、ｃＢＮ成分全体の重量に対して、０．００１％の炭素量を有しているが、切削性能の向上は見られなかった。これはｃＢＮ焼結体中に占めるｃＢＮ成分量が少ないために、ｃＢＮ粒子同士の接触できる領域が減少し、十分なｃＢＮ粒子間の結合が生成されなかったためと推定される。

参考例１
平均粒径０．５μｍのｈＢＮ粉末と０．１μｍ以下の粒径を有するメソフェーズ炭素粉末の混合粉末に、重量で、混合粉末の０．５％のポリビニルアルコールと、０．１％のポリエチレングリコール、及び０．１％のパラフィンを添加し、エタノール溶媒を用いてテフロン（登録商標）容器中で混合し、自然乾燥後に円盤状の成型体を作製した。その際成型体中の炭素量が重量で、０．００３％から０．５％以下となるように数種類の成型体を、メソフェーズ炭素粉末の添加量で調整した。
この各種ｈＢＮ成型体について高周波炉を用いて、窒素ガス中雰囲気で、２，０００℃に加熱しながら２時間の熱処理を行った後、タングステン製容器に充填し、圧力７．５ＧＰａ、温度２，０００℃で３０分間焼結した。この焼結体について、組織を透過型電子顕微鏡で、また生成物についてもＸ線回折分析を行ったところ、いずれの試料からも平均粒径１μｍのｃＢＮが同定され、Ｗなどの金属成分は同定されなかった。本焼結体には、ＴｉＮなどセラミックスやＣｏ、Ａｌなどの金属からなる結合材成分を添加していないので、フッ硝酸処理による結合材の除去を行わずに、本焼結体を密閉容器中で濃硫硝酸にて、２００℃程度で５時間処理し、表面に付着しているフリーカーボンを除去した上で、酸素量、及び炭素量をＩＣＰ法により定量し、残部をｃＢＮ成分とし、ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ成分の含有量とした。
試料番号７の焼結体は、メソフェーズ炭素を添加していないｃＢＮ焼結体である。

次に得られた表３の１〜７に示す炭素量の異なるｃＢＮ焼結体を、切削に関与する表面に有する切削工具を用意した。いずれの工具もＩＳＯ型番でＣＮＭＡ１２０４０８に分類されるチップ形状のもので、刃先処理を−２５°の角度で、幅０．１５ｍｍのチャンファー形状とし、刃切刃傾き角、横すくい角、前逃げ角、横逃げ角、前切刃角、横切刃角が、それぞれ、−５°、−５°、５°、５°、５°、−５°となるようにし、下記の条件にて切削評価を行った。
また、各試料の機械特性についても実施例１と同様に測定し、またレーザーフラッシュ法により、熱伝導率についても測定した。
被削材：鉄系焼結部品ＳＭＦ４０５０（ＪＩＳ Ｚ ２５５０）製ギヤ部品の端面断続加工
被削材硬度：Ｈｖ３．０ＧＰａ
切削速度：Ｖ＝１２０ｍ／ｍｉｎ．
切り込み：ｄ＝０．３ｍｍ
送り量：ｆ＝０．１ｍｍ／ｒｅｖ．
クーラント：なし

本切削用途では、実施例１と同様に、ｃＢＮ粒子間の結合力不足によると推定されるｃＢＮ粒子の脱落の集積により、逃げ面摩耗が発達し、最後には欠損に至り、工具寿命に達する。
いずれの工具も切削開始後、３０ｍｉｎの時点で逃げ面摩耗量を測定し、刃先に０．０３０ｍｍ以上の欠損が生じた時点で、寿命とした。結果を表３に示す。

試料番号２〜５は、重量で、９９．７％以上のｃＢＮ成分を有するｃＢＮ焼結体であって、前記ｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子内部、及びｃＢＮ粒子間結合の粒界部に存在している炭素量が、ｃＢＮ成分全体の重量に対し、重量で０．００１％以上０．１５％以下であることを特徴とする本発明のｃＢＮ焼結体であり、これらのｃＢＮ粒子自身、及びｃＢＮ粒子同士の結合力が向上したと推定される本発明のｃＢＮ焼結体を切削に関与する部位に用いた工具は、従来のｃＢＮ焼結体工具と比較し、耐欠損性、及び耐摩耗性が大幅に改善されていることがわかる。

試料番号１のｃＢＮ焼結体は、メソフェーズ炭素を添加しているものの炭素量が重量％で、０．０００５％と本発明の範囲外であり、メソフェーズ炭素を添加していない従来のｃＢＮ焼結体である試料７と同等の工具寿命に過ぎない。
逆に重量で０．２％と炭素量の多い試料番号６のｃＢＮ焼結体は、機械特性、及び切削性能ともに低下しているが、これは、余剰な炭素成分がｃＢＮ粒子内に取り込みきれなかったか、Ｂ、及びＮと反応できなかったフリーカーボンとして粒界に存在しているためと推定される。
メソフェーズ炭素を添加したいずれの試料も、焼結体中の酸素量が低下している傾向があり、この酸素量の低下により、熱伝導特性が向上したと考えられるが、添加炭素の還元作用も、切削性能、機械特性、及び熱特性の向上に奏功した可能性が高い。

実施例３
平均粒径１μｍ、あるいは３μｍのいずれかのｃＢＮ粉末を、テフロン（登録商標）製ポット及びボールを用い、エタノール溶媒中で、解砕した粉末を、厚み０．０５〜０．２ｍｍのポリアミド（［−ＮＨ（ＣＨ２）５ＣＯ−］ｎ）シートと積層してモリブデン容器に充填した。
前記容器ごと真空炉を用いて、ＮＨ３雰囲気中で、１，０００℃で２時間、その後真空雰囲気で１時間の熱処理後、圧力８．０ＧＰａ、温度２，０００℃で３０分間焼結した。
これらの焼結体について実施例３と同様に分析を行ったところ、いずれの試料からも原料として用いたｃＢＮ粉末と同様に、平均粒径１μｍ、ないしは３μｍのｃＢＮが同定された。

ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ成分の含有量と、この焼結体中のｃＢＮ成分に対する炭素量については、実施例３と同様に測定した。
試料番号７の焼結体は、実施例３に記載の製法で作製した本発明のｃＢＮ焼結体である。
試料番号８、９の焼結体は、それぞれ粒径の異なるｈＢＮ粉末を出発原料として、ポリアミドシートを使用せずに、試料番号１〜５と同じ手法、条件で、ｃＢＮへの直接変換をしながら焼結した従来のｃＢＮ焼結体である。

次に得られた表４の１〜９に示すｃＢＮ粒径・組成の異なるｃＢＮ焼結体を、切削に関与する表面に有する切削工具を用意した。いずれの工具もＩＳＯ型番でＣＮＭＡ１２０４１２に分類されるチップ形状のもので、刃先処理を−２５°の角度で、幅０．１５ｍｍのチャンファー形状とし、刃切刃傾き角、横すくい角、前逃げ角、横逃げ角、前切刃角、横切刃角が、それぞれ、−５°、−５°、５°、５°、５°、−５°となるようにし、下記の条件にて切削評価を行った。
また、各試料の機械特性についても明確にするため、ヌープ硬度と破壊靭性値を測定した。
被削材：ＳＣＲ４１５Ｈ（ＤＩＮ型番：１５Ｃｒ３相当品）のシャフト部品の外径スプ
ライン部（φ３０×Ｌ５０ｍｍの外径部に２５溝を有する）の断続加工
被削材硬度：ＨＲｃ５８
切削速度：Ｖ＝２００ｍ／ｍｉｎ．
切り込み：ｄ＝０．２ｍｍ
送り量：ｆ＝０．１ｍｍ／ｒｅｖ．
クーラント：なし

本切削用途では、ｃＢＮ粒子の破砕、及びｃＢＮ粒子間の結合力不足によると推定される亀裂の伝播による微小チッピングの集積により、クレーター摩耗が機械的に発達し、刃先楔角が低下し、最後には欠損に至り、工具寿命に達する。
いずれの工具も切削開始後、１０ｍｉｎの時点でクレーター摩耗部の深さを測定し、刃先に０．０３０ｍｍ以上の欠損が生じた時点で、寿命とした。
また、焼結体の残留応力特性についても、Ｘ線回折法により、ｃＢＮ成分の格子定数の値から算出した。残留応力の数値のマイナスは圧縮応力を表している。
結果を表４に示す。

試料番号１〜７は、重量で、９９．７７％以上のｃＢＮ成分を有するｃＢＮ焼結体であって、前記ｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子内部、及びｃＢＮ粒子間結合の粒界部に存在している炭素量が、ｃＢＮ成分全体の重量に対し、重量で０．００１％以上０．１５％以下であることを特徴とする本発明のｃＢＮ焼結体であり、これらのｃＢＮ粒子自身、及びｃＢＮ粒子同士の結合力が向上したと推定される本発明のｃＢＮ焼結体を切削に関与する部位に用いた工具は、従来のｃＢＮ焼結体工具と比較し、耐欠損性、及び耐摩耗性が大幅に改善されていることがわかる。

ｈＢＮ粉末を出発原料とした試料番号７の本発明のｃＢＮ焼結体よりも、ｃＢＮ粉末を出発原料とした試料番号２の本発明のｃＢＮ焼結体が、高破壊靭性値を示し、長寿命であるが、これはｈＢＮからｃＢＮへの直接変換をしながらの緻密化による焼結メカニズムと、ｃＢＮ粒子同士の破砕、塑性変形による粒子の再配列による緻密化による焼結メカニズムの違いにより、残留応力やｃＢＮ粒子粒界での結合状態の違いによるものと推定される。

Claims (3)

1. ｃＢＮ粉末、結合材、及び炭素源を含む混合物を焼結することによって得られるｃＢＮ焼結体であって、
   重量で、４５％以上９９．９％以下のｃＢＮ成分を有し、
   前記ｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子内部、及びｃＢＮ粒子間結合の粒界部に、ｃＢＮ成分の重量に対し、重量で０．００１％以上０．１５％以下の炭素量を含有し、
   該ｃＢＮ成分同士が３次元的に結合した構造を有し、
   さらに、該ｃＢＮ成分に加えて、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｌｉ、Ｍｇ、ＬｉＣａＢＮ _２ 、ＷＣ、Ｃｏ及びＡｌの少なくとも一種を結合材として含有することを特徴とするｃＢＮ焼結体。
2. ｃＢＮ粉末及び炭素源を含む混合物を焼結することによって得られるｃＢＮ焼結体であって、
   重量で４５％以上９９．９％以下のｃＢＮ成分を有し、
   前記ｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子内部、及びｃＢＮ粒子間結合の粒界部に、ｃＢＮ成分の重量に対し、重量で０．００１％以上０．１５％以下の炭素量を含有し、
   該ｃＢＮ成分同士が３次元的に結合した構造を有し、
   さらに、該ｃＢＮ成分に加えて、ｃＢＮ成分の重量に対し、重量で０．０７％以上０．１７％以下の酸素を含有することを特徴とするｃＢＮ焼結体。
3. 請求項１又は２に記載のｃＢＮ焼結体を、少なくとも切削に関与する部位に用いた切削工具。