JPH01115873A - 立方晶窒化ホウ素含有焼結体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ドリル、フライス工具又は旋削工具などに用
いる切削工具用材料、もしくはスリッター、ダイスなど
の耐摩耗工具用材料として適する立方晶窒化ホウ素含有
焼結体に関するものである。

（従来の技術） 立方晶窒化ホウ素は、ダイヤモンドに次いで高硬度であ
り、しかもダイヤモンドが鉄との親和性に高いという短
所を有するのに対し、鉄との親和性に低いという長所を
有している。このことから立方晶窒化ホウ素に結合相を
加えてなる立方晶窒化ホウ素基焼結体が主として鉄系材
料を加工する工具材料の１つとして実用化されている。

この実用化されている立方晶窒化ホウ素基焼結体を結合
相成分で大別すると、第１に結合相がセラミックス成分
と金属又は合金とからなる、所謂サーメット系結合相と
、第２に結合相がセラミックス成分からなる、所謂セラ
ミックス系結合相とがある。

この内、サーメット系結合相からなる立方晶窒化ホウ素
箔焼結体の代表的なものとしては、特公昭５７〜４９６
２１号公報及び特開昭５８７１６４７５０号公報があり
、セラミックス系結合相からなる立方晶窒化ホウ素箔焼
結体の代表的なものとしては、特開昭５５−３１５１７
号公報及び特開昭５８−１７６１７３号公報がある。

（発明が解決しようとする問題点） 特公昭５７−　４９６２１号公報は、立方晶窒化ホウ素
を体積％で８０〜２０％含有し残部が周期律表４ａ。

５ａ、　６ａ族遷移金属の炭化物、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
物を第１の結合相とし、Ｎ１．　Ｓｉ、　Ｎｉ、　Ｃｏ
。

Ｆｅまたは、これらを含む合金、化合物を第２の結合相
として、該第１、第２の結合相が焼結体組織中で連続し
た結合相をなし、前記４ａ、　５ａ、　６ａ族金属の化
合物が結合相中の体積で５０％以ｈ　９９．９％以下で
あることを特徴とする立方晶窒化ホウ素箔焼結体である
。この特公昭５７−４９６２１号公報の立方晶窒化ホウ
素箔焼結体は、従来の立方晶窒化ホウ素箔焼結体が金属
又は合金でなる結合相であるために、高温で軟化して耐
摩耗性及び耐溶着性に劣ることから工具用材料として用
いると損傷しやすいという欠点があるのに対し、周期律
表４ａ、　５ａ、　６ａ族遷移金属の化合物とＭ、　Ｓ
ｉ、　Ｎｉ、　Ｇｏ、　Ｆｅ又はこれらの合金、化合物
とでなる結合相にすることにより解決したものであるけ
れども、金属又は１１Ｍ３．ＴｉＡｌ２．　　ＴｉａＡ
９Ｎ、　Ｔ１Ｎｉ、　ＴｉＪｉのような金属間化合物の
残在した焼結体であること、及び他の結合相成分から１
例えば高速切削用工具材料又は高硬度材料を切削するた
めの工具材料として用いると結合相と被削材との相互反
応、結合相の酸化もしくは結合相の軟化などが進行して
耐摩耗性の低下になるという問題がある。また、特公昭
５７−４９６２１号公報の焼結体は、／ｖ２の化合物を
多量に含有させる場合、立方晶窒化ホウ素と結合相との
密着性が低下して欠損しやすくなるという問題がある。

特開昭５８−１６４７５０号公報は、Ｔｉの炭化物、窒
化物及び炭窒化物、さらにＴｉと■の複炭化物及び複炭
窒化物のうちの１種又は２種以上２０〜７０ｗｔ％。

ホウ化アルミニウム１〜１０Ｗシ％、　／’Ａ、　Ｆｅ
、Ｎｉ及びＣｏのうちの１種または２種以上０．５〜１
０ｗｔ％を含有し、残りが立方晶窒化ホウ素と不可避不
純物からなる組成（ただし立方品窒化ホウ素４０〜８０
ｖｏＩ２％含有）を有することを特徴とする切削工具用
超高圧焼結材料である。この特開昭５８−１６４７５（
１号公報の立方晶窒化ホウ素箔焼結体は、靭性及び耐溶
着性を向上させるＴｉの化合物、又はＴｉとＷとでなる
化合物と、耐熱衝撃性を向上させるホウ化アルミニウム
と、さらに必要に応じて耐溶着性及び耐熱衝撃性を向上
させる窒化アルミニウムとでなるセラミックス成分に焼
結性及び靭性な向上させるＮ２．　Ｆｅ、　Ｎｉ、　Ｃ
ｏの金属又は合金を含有した結合相と立方晶窒化ホウ素
とからなる焼結体で、その結果靭性、耐溶着性及び耐熱
衝撃性にすぐれる焼結体になっているものであるけれど
も、Ｉ）ｌ酸化性及び高温における化学的安定性に劣る
こと、及び金属又は合金を多量に含有させた場合は高温
での耐摩耗性に劣るという問題がある。

特開昭５５−３１５１７号公報は、周期律表の４ａ、　
５ａ。

６ａ族の金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、
または炭窒酸化物からなる高融点金属化合物５〜５Ｑｖ
ｏ、９％、酸化アルミニウム１０〜７０ｖＯ℃％、立方
晶窒化ホウ素及び不可避不純物２５〜１１５ｖｏｆ１．
％からなる切削工具用焼結体材料である。この特開昭５
５−３１５１７号公報の立方晶窒化ホウ素箔焼結体は、
靭性及び耐摩耗性の両方がすぐれる焼結体ではあるけれ
ども、製造時において、特に窒化アルミニウムが含有し
ていないために立方晶窒化ホウ素の表面が逆変換して六
方晶窒化ホウ素になりやすく、このために立方晶窒化ホ
ウ素と結合相との密着性が低下して欠損しやすくなるこ
と、又は立方／２．窒化ホウ素と結合相との相互拡散が
生じ難いために立方晶窒化ホウ素と結合相との結合強度
が低いという問題がある。

特開昭５８−１７６１７３号公報は、高圧相型窒化ホウ
素を２０〜８０ｖｏＡ％含有し５残結合相においてＡｊ
２２Ｏｆｆを５０〜８０ｗｔ％及び周期律表４ａ、　５
ａ、　６ａ族の金属の１種以上の炭化物、窒化物、炭窒
化物を１５〜４０ｗｔ％及び鳩を５〜２０ｗｔ％含有し
ている工具用高硬度焼結体である。この特開昭５８−１
７６１７３号公報における焼結体は、ＭがＡＡ　Ｂａや
ＡＲＮのＭ化合物を形成することが開示されていること
から上述の成分を出発物として焼結した焼結体と考えら
れる。このことから、特開昭５８−１７６１７３号公報
の焼結体は、結局セラミックス系結合相からなる焼結体
で、強度、耐溶着性、耐熱性及び熱伝導性を考慮したす
ぐれた焼結体であるけれども、高温における結合相強度
が低いことから欠損しやすいという問題、又は高圧相型
窒化ホウ素が焼結工程中に逆変換して、結合相との結合
強度を低下することから欠損しやすいという問題がある
。

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セラミックス系結合相とか
らなる焼結体の結合相組成及びその含有量を制御するこ
とにより、結合相組成の相ｎ：間、及び結合相と１γ方
品窒化ホウ素との相斤間における結合強度を高め、その
結果強度、耐摩耗性、耐酸化性、耐溶着性、耐熱衝撃性
、熱伝導性及び化学的安定性にすぐれるようにしたス１
６方品窒化ホウ累基焼結体の提供を「１的とするもので
ある。

（問題点を解決するための丁段） 本発明考らは、ｑ方晶窒化ホウ素箔焼結体の強度及び耐
摩耗性の両方を高めることについて検討していた所、耐
摩耗性を高めるためにはサーメット系結合相よりもセラ
ミックス系結合相の方がすぐれており、このセラミック
ス系結合相に酸化アルミニウムと高融点金属化合物、特
にＴ１の含有した化合物との両方が一定比率内で含まれ
ていると耐摩耗性及び強度にすぐれる傾向が著しいとい
う第１の知見、と、セラミックス系結合相の中でも酸化
アルミニウムと窒化アルミニウムとホウ化アルミニウム
とを含有していると強度を高める効果があるという第２
の知見と、さらに、ホウ化アルミニウムどホウ化チタン
との両方を含有させて組合わせると高温における強度及
び耐摩耗性が著しくすぐれるという第３の知見を得たも
のである。

この第１の知見と第２の知見と第３の知見に基づいて本
発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の立方晶窒化ホウ素含有焼結体は、立
方晶窒化ホウ素１０〜８０ｖｏ！％と、酸化アルミニウ
ム７．５〜８０ｖｏｌ％と、窒化アルミニウム３〜２０
ｖｏβ％と、ホウ化アルミニウム１〜５ｖｏＩ２％と、
ホウ化チタン１〜５ｖｃ１％と、　Ｔｉ。

Ｚｒ、　Ｉｆｆ、　Ｔａ、　Ｎｂ、　Ｖの炭化物、窒化
物、Ｗの炭化物及びこれらの相互固溶体の中の少なくと
も１種の高融点金属化合物３．７５〜４０ｖｏＡ％と、
不可避不純物とからなる焼結体であって、かつ前記酸化
アルミニウムと前記高融点金属化合物との体積比が酸化
アルミニウム：高融点金属化合物＝０．５〜０．９５６
　：　０．５〜０．０４４であることを特徴とするもの
である。

本発明の立方晶窒化ホウ素含有焼結体における立方晶窒
化ホウ素は、平均粒径が１５μｍ以下、特に強度及び耐
摩耗性の両方を高めるために平均粒径が１μｍ〜５μｍ
にあることが好ましいことである。この立方晶窒化ホウ
素の含有量は、　ｌ０ｖｏｊ２％未満では耐摩耗性の低
下が著しく、逆に８０ｖｏｆｉ％を超えて多くなると耐
欠損性の低下が著しくなる。また、立方晶窒化ホウ素の
含有量が１０〜４３ｖｏｆｉ％の場合には、平均粒径［
１，５μｍ〜２μｍの微細な立方晶窒化ホウ素にすると
、特に乾式切削における切削工具材料に適し、立方晶窒
化ホウ素の含有量が４３〜８０ｖｏＡ％の場合には、平
均粒径２〜５μｍの立方晶窒化ホウ素にすると、特に湿
式切削における切削工具材料として適するものである。

本発明の立方晶窒化ホウ素含有焼結体における酸化アル
ミニウムは、平均粒径が１．０μｍ以下、特に緻密な焼
結体にするために平均粒径が０．５μｍ以下であること
が好ましいことである。この酸化アルミニウムの含有量
は、７．５ｖｏｌ％未満では耐摩耗性の低下が著しく、
逆に８０ｖｏＡ％を超えて多くなると立方晶窒化ホウ素
及び他の結合相の含有量が相対的に少なくなり、そのた
めに耐摩耗性及び耐欠損性の低下が著しく短寿命になる
。

本発明の立方晶窒化ホウ素含有焼結体における窒化アル
ミニウムは、昇圧昇温時に立方晶窒化ホウ素の六方品窒
化ホウ素への逆変換を防止し、ホウ化アルミニウムと共
に立方晶窒化ホウ素と他の結合相との結合の媒介的役割
をし、その蚤が３ｖｏ、９％未満ではその効果が弱く、
逆に２０ｖｏｎ％を超えると焼結し難くなる。

本発明の立方晶窒化ホウ素含有焼結体におけるホウ化ア
ルミニウムは、Ａ９Ｂｔ、　ＡｇＢ＋ｘの中の少なくと
も１種からなるもので、この含有量がＩｖｏＪ２％未満
では立方晶窒化ホウ素と結合相との結合強度を低下し、
その結果焼結体の強度を低下する。

逆に、ホウ化アルミニウムの含有量が５ｖｏｌ％を超え
て多くなると焼結性を阻害して緻密な焼結体になり難く
なる。

本発明の立方晶窒化ホウ素含有焼結体におけるホウ化チ
タンは、上述のホウ化アルミニウムと共に適量に組合わ
せることにより高温における耐摩゛耗性及び強度が著し
くすぐれるもので、特にＮ２Ｂ。

と組合わせると強度を高める傾向が強（、Ｎ２１３＋ａ
と組合わせると耐摩耗性を高める傾向が強いものである
。このホウ化チタンが１　ｖａＡ％未満では高温におけ
る耐摩耗性の低下が著しく、逆にＳｖｏβ％を超えて多
くなると強度の低下が著しくなる。

本発明の立方晶窒化ホウ素含有焼結体における高融点金
属化合物は、　ＴｉＣ，ＺｒＣ，１ｌｆｃ、　ＴａＣ，
ＮｂＣ。

ＶＣ，■Ｃ，ＴｉＮ、　ＺｒＮ、　Ｔｉ（Ｃ，Ｎ］、　
　（Ｔｉ、Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ）。

（Ｔｉ、　Ｔａ）　（Ｃ，Ｎ）　、　　（Ｔｉ、　Ｗ）
　Ｃ，（Ｔｉ、Ｗｌ　（Ｃ，Ｎ）、　（Ｔｉ、Ｔａ１ｃ
。

（Ｔｉ、　Ｔａ、　ｗ）　（Ｃ，Ｎ）などを具体的な例
として挙げることができる。この高融点金属化合物は、
特にＴｉの含有した化合物、例えばＴｉＣ，ＴｉＮ、　
Ｔｉ　（Ｃ，Ｎ）　。

（Ｔｉ、ｌ１ｌ）Ｃ，（Ｔｉ、Ｗｌ　（Ｃ，Ｎ）、　　
（Ｔｉ、Ｔａｌ　（Ｃ，Ｎ）などを主成分とすると耐摩
耗性及び耐欠損性にすぐれるもので好ましいことである
。この高融点金属化合物が３．７５ｖｏ！％未満になる
と結合相中の酸化アルミニウムとの相互作用により耐摩
耗性を高めるという効果が弱くなり、逆に４０ｖｏｌ％
を超えて多くなると強度が低下して短寿命になる。

本発明の立方晶窒化ホウ素含有焼結体における立方晶窒
化ホウ素を除いた他成分からなる結合相は、結合相の相
互間及び結合相と立方晶窒化ホウ素との相互間の結合強
度を最適にするためのもので、この結合相の組成の他に
組成比率も耐摩耗性及び強度に及ぼす影響が大きく、特
に酸化アルミニウムと高融点金属化合物との体積比が酸
化アルミニウム：高融点金属化合物＝０．５〜０．９５
６　：０．５〜０．０４４の範囲にあることが重要なこ
とである。

この本発明の立方晶窒化ホウ素含有焼結体を構成してい
る立方晶窒化ホウ素及び結合相は、後述する出発物を含
めた製造条件により、化学量論的化合物や非化学量論的
化合物でなっているものである。

本発明の立方晶窒化ホウ素含有焼結体は、従来から行わ
れている立方晶窒化ホウ素箔焼結体の製造方法により作
成することができる０例えば、出発物としての立方晶窒
化ホウ素は、平均粒径１５μｍ以下の粉末、好ましくは
平均粒径５μｍ以下の粉末を用い、他の結合相となるも
のはできるだけ微細なサブミクロンの粉末を用いること
が好ましく、特に八２□０．は焼結性の促進から微細粉
末を用いることが必要である。

焼結体中に含有する窒化アルミニウムは、焼結工程の昇
温時における立方晶窒化ホウ素の逆変換を防＋ｈするた
めに出発物中に窒化アルミニウムの粉末として混在して
おく必要があるけれども、窒化アルミニウム粉末の他に
Ｍ粉末を出発物中に含有しておいて、焼結工程において
Ｍと立方晶窒化ホウ素との相互反応から窒化アルミニウ
ムの１部を析出させるという方法でもよい。また、焼結
体中に含有するホウ化アルミニウムは、ホウ化アルミニ
ウム粉末を出発物とする方法、ホウ化アルミニウム粉末
とＭ粉末とを出発物とする方法又はＭ粉末のみを出発物
とする方法がある。ここで、Ｍ粉末を出発物として用い
て焼結体中にホウ化アルミニウムを形成させるのは、焼
結工程でのＭと立方晶窒化ホウ素との相互反応、例えば ３Ａ９＋２８Ｎ→２ＡＱＮ　＋ｓａ＊の反応により形成
されるものである。出発物としてＭ粉末を用いる場合は
、焼結を促進させるという効果があるけれども、特にＭ
粉末の表面に付着又は結合している酸素を除去するため
に還元処理するなど前処理をして５Ｍ粉末とＴｉの含有
した化合物との反応が起らないようにすることが重要で
ある。

さらに、焼結体中に含有するホウ化チタン及び高融点金
属化合物は、それぞれとも焼結体中に含有させる化合物
からなる粉末を出発物として用いることが焼結体の組成
及び焼結体の諸特性の安定性から好ましいことである。

これらの出発物を所定量に配合した後、従来の粉末冶金
法による混合、乾燥、篩別及び成形を行い１次いで従来
の高圧高温装置でもって立方晶窒化ホウ素含有焼結体を
作製するという製造方法により行うことができる。

（作用） 本発明の立方晶窒化ホウ素含有焼結体は、結合相中の、
特に窒化アルミニウムが立方晶窒化ホウ素の六方昌窒化
ホウ素への逆変換を防止する作用をし、ホウ化アルミニ
ウムとホウ化チタンとを適量に組合わせたことにより結
合相の相互間並びに結合相と立方晶窒化ホウ素との相互
間における結合強度を高める作用をし、酸化アルミニウ
ムと高融点金属化合物とを最適比率にしたことにより耐
摩耗性及び強度を高める作用をしているものである。

（実施例） 実施例１ 平均粒径１μｍの立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮＩ粉末と平
均粒径０．５μｍのＡＡａＯｓ粉末と平均粒径１．０〜
Ｌ、５ｕ　ｍのＡ９Ｎ粉末、Ｎ２Ｂ、粉末、　ＴｉＢｚ
粉末９Ｍ粉末、高融点金属化合物粉末を出発物として、
それぞれを用いて所定ｍに配合し、超硬合金で内張すし
た混合容器に配合粉末とボールとヘキサンとを入れて混
合粉砕した。混合粉砕時間は、出発物としてのＣＢＮを
短時間にし、Ａｌ２Ｏ，を最も長時間混合粉砕するよう
な方法で行った。こうして得た混合粉末を従来の粉末冶
金の方法でもって、乾燥、篩別及び成形した後、従来と
同様に高圧高温装置にセットして圧力４５〜５０ｋｂ、
温度１３５０〜１５５０℃、保持時間５〜１５分の条件
で焼結体を作成した。こうして得た焼結体をＸ線回折に
よる解析と配合組成から判断して各試料の焼結体組成と
して第１表に示した。この第１表の内、本発明品Ｎｏ３
及び本発明の範囲から外れた比較品Ｎｏ２は、出発物と
してＭ粉末を使用し、他は第１表に示した成分を出発物
としたものである。また、４５ｖｏｆ２％ＣＢＮ−セラ
ミックス系結合相でなる市販の焼結体と上述の方法でも
って作成した焼結体をそれぞれ切断して超硬合金の刃先
部になるようにロー付けして、被削材ＳにＤｌｌＩＲＣ
６０〜６２）、切削速度１５０ｍ／１ＩＩｉｎ、切り込
み１０，５ｍｍ、送り速度０．１ｍｍ／ｒｅｖ、乾式に
よる連続旋削試験を行い、平均逃げ面摩耗量が０．３＋
ｎｍ又は欠損寿命になる迄の切削時間を求めて、その結
果を第１表に併記した。

以下余白 実施例２ １１均粒径４μｍのＣＢＮ粉末と実施例１で用いた出発
物により所定量配合した後、実施例１と同様にして焼結
体を作成した。この焼結体及び６０ＶＯβ％Ｃ［ＩＮ−
セラミックス系結合相の市販品、　８１ｖｏｌ２％Ｃｌ
１Ｎ−セラミックス系結合相の市販品、９０ｖｏｊ２％
−ＣＢＮ−金属系結合相の市販品をそれぞれ実施例１と
同様に超硬合金にロー付けして、被削材、切削速度、切
り込み量、送り速度は実施例Ｉと同条件で切削油を用い
る湿式による連続旋削試験を行い、実施例１と同様に寿
命になる迄の切削時間を求めた。ここで作成した焼結体
の組成及び切削試験結果を第２表に示した。

以下余白 （発明の効果） 以上の結果から、本発明の立方晶窒化ホウ素含有焼結体
は、本発明の焼結体組成から外れた比較品及び従来の立
方品窒化ホウ素箔焼結体に比較して耐摩耗性及び耐欠損
性にすぐれているために約２倍〜２３倍も長寿命になる
という効果がある。

このことから、本発明の立方晶窒化ホウ素含有焼結体は
、例えばＮＣ機械用切削工具材料又は自動加工機用の加
工工具材料として適応できる産業上有用な材料である。

特許出願人　東芝タンガロイ株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）立方晶窒化ホウ素１０〜８０ｖｏｌ％と、酸化ア
   ルミニウム７．５〜８０ｖｏｌ％と、窒化アルミニウム
   ３〜２０ｖｏｌ％と、ホウ化アルミニウム１〜５ｖｏｌ
   ％と、ホウ化チタン１〜５ｖｏｌ％と、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈ
   ｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖの炭化物，窒化物，Ｗの炭化物及び
   これらの相互固溶体の中の少なくとも１種の高融点金属
   化合物３．７５〜４０ｖｏｌ％と、不可避不純物とから
   なる焼結体であって、かつ前記酸化アルミニウムと前記
   高融点金属化合物との体積比が酸化アルミニウム：高融
   点金属化合物＝０．５〜０．９５６：０．５〜０．０４
   ４であることを特徴とする立方晶窒化ホウ素含有焼結体
   。
2. （２）上記酸化アルミニウムは、平均粒径が１．０μｍ
   以下であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の立方晶窒化ホウ素含有焼結体。
3. （３）上記高融点金属化合物は、Ｔｉの含有した化合物
   を主成分とすることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の立方晶窒化ホウ素含有焼結体。