JPH0337161A - 立方晶窒化硼素焼結体、その砥粒の製造法 - 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】 本発明は切削工具、ヒートシンクなどに用いられる立方
晶窒化硼素（以下ｃ−ＢＮと略記）焼結体の製造法及び
その焼結体を粉砕することからなる砥粒の製造法に関す
る。

【従来の技術ｌ 六方晶窒化硼素（以下ｈ−ＢＮと略記）からＣ−ＢＮ焼
結体を得る方法は種々提案されている。ｈ−ＢＮとして
結晶性である通常のｈ−ＢＮを用いる方法、特公昭４９
−２７５１８％同５２−１７５２０に記載されているよ
うな低結晶性である粒子径の小さいｈ−ＯＮを用いる方
法、さらに特開昭５０−１０４２０　、同５０−１３９
０９９．同５１−３９５９９　、同５１−５９７９８に
記載されているようにｈ−ＢＮに水、アンモニア水、尿
素、硝酸アンモニウム、アルコールなどの添加物を加え
、比較的低圧でｃ−ＢＮに転換させ、焼結体とする方法
がある。

〔発明が解決しようとする課題Ｊ 結晶性が良く粒子サイズの大きいｈ−ＢＮを用いるとｃ
−ＢＮの転換が容易でなく、また得られる焼ｃ−ＯＮへ
の転換はし易いが、通常低結晶性のｈ−ＢＮには酸素が
８２０１等の形で多く含まれており、これが転換後のｃ
−ＯＮ焼結体の粒界に残存し、焼結体の結合力を弱め、
密度の低い、機械的強度の弱い焼結体しか得られない。

このｈ−ＢＮから酸素を除去するため高温処理すると結
晶化が進み、前記の問題が生ずる。また通常のｈ−ＢＮ
に水、アンモニア水、尿素等を添加する方法も酸素がｃ
−ＢＮ焼結体の粒界に残り、酸、素を含む低結晶性のｈ
−ＢＮを用いた場合と同様の問題が生ずる。

本発明は従来に較べ比較的低温、低圧で容易に密度が高
く、機械的強度の大きなｃ　−ＢＮ焼結体及びその砥粒
を製造することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者はいわゆる気相合成法によってつくられたＯＮ
はアモルファスＯＮ　（以下ａ−ＢＮと略記）又はａ−
ＢＮとｃ−ＢＮの混合物であって、ａ−ＢＮは粒径が極
めて小さく、かつ酸素等の不純物が非常に少ないもので
、ｃ−ＢＮの原材料として良好であることを見出し、本
発明に至った。

即ち、本発明はボラジン等の硼素（Ｂ）、窒素（Ｎ）を
含む化合物、ＮａＢ１１．とＮＨ，の混合物、Ｂ或はｈ
−ＢＮとＮ２のようなり、Ｎを含む原料からＰＶＤやＣ
ＶＤなどの気相合成法により得られたａ−ＢＮ又はａ−
ＯＮとｃ−ＯＮの混合物を原材料とし、これを熱力学的
にｃ　−ＢＮの安定な領域で加圧、加熱してａ−ＢＮを
ｃ−ＢＮに転換し、同時に焼結させることからなるｃ−
ＯＮ焼結体及びこれを粉砕することからなる砥粒の製造
法である。

以下本発明の詳細な説明する。

先ずＢ、Ｎを含む原料から気相合成７去によりａ−ＢＮ
又はａ−ＯＮとｃ−ＢＮの混合物をつくる。この方法自
体は公知であって、Ｂ、Ｎを含む原料としてＰＶＤ法で
は硼素源としてＢ、ｈ−ＢＮ、窒素源としてはＮ、、　
Ｎイオン、又ＣＶＤ法では８３Ｎ　３１（６（ボラジン
）、ＢＨ３・ＮＨ，などの一つの化合物中にＢ、Ｎを含
むもの、あるいはＩ（、Ｂ０３、Ｎ　ａ　Ｂ　Ｈ４、Ｂ
、Ｈ，、Ｂ４）１．、、　ＢＦ、　、ＢＣｌ３のような
りを含む化合物とＮＨ３、Ｎ２等のＮを含む化合物、分
子との混合物が用いられている。また通常これらにＰＶ
Ｄ法ではアルゴン（＾ｒ）、ＣＶＤ法では水素（Ｈ）ガ
スが混合される。

ＰＶＤ法としてはアークプラズマイオンブレーティング
法、レーザー蒸着法、イオン化蒸着法などが、ＣＶＤ法
としては熱フイラメント法、高周波誘導加熱、マイクロ
波、プラズマジェット法、直流アーク法などが用いられ
る。気相合成の条件により殆んどａ−ＢＮからｃ−ＢＮ
がかなり含有したａ−ＢＮまで得られる。一般的にはガ
ス中のＢ、　Ｎ原料を少なくして、その分解、ＯＮの生
成量を抑えればｃ−ＢＮの含有率は高まる。反対に殆ん
どがａ−ＯＮとする場合はＢＮの析出速度を早める。す
なわち原料のガス圧を高める等励起状態を低くすること
で生成する。

ａ　−ＢＮ又はａ−ＢＮとｃ−ＢＮの混合物は、シリコ
ン等の金属、セラミック等の基材の表面に膜状となって
析出する。ａ−ＢＮとｃ−ＢＮの混合物の場合、ｃ−Ｂ
Ｎの含有量には特に制限ないが、通常気相合成法ではｃ
　−ＢＮの含有量は７０重量％以下である。このｃ−Ｂ
Ｎは多結晶の微細な粒子である。

本発明において、ａ−ＢＮは■結晶構造が六方晶と異な
りＣ軸方向の層の重なり方が乱れているいわゆるｔ−Ｂ
Ｎ（乱層構造ＯＮ）　、■六方晶ではあるが格子欠陥（
主には窒素空孔）が多く存在するもの、■六方晶で粒子
サイズが極小さいため、非晶質に似たＸ線回折ピークを
有するものである。

このａ−ＢＮは粒子径が大部分０．０１ｕｍ以下の粒子
が集まって膜状を形成している。この膜状物は純度が高
く、ＯＮとして通常９９．９重量％以上である。

本発明はこのａ−ＢＮ又はａ−ＢＮとｃ−ＢＮの混合物
を用い、ｃ−ＢＮの熱力学的な安定な領域で加圧、加熱
してＣＢＮ焼結体とする。このときの圧力、温度は前記
領域であれば可能であるが、装置上等から望ましい範囲
は圧力５５〜７０ｋｂ、温度１５００〜１８００℃であ
る。この間の時間は５〜６０分程度でよい。加圧、加熱
は通常の超高圧装置が用いられる。膜状物は解砕あるい
は粉砕し、これを成形して超高圧装置に装填する。

超高圧装置に装填する原材料の組立構成の−例を断面図
として図１に示す。原材料の成形体ｌをＴａスリーブ２
に入れ、その上下をＴａディスク３で封じ、これをｈ−
ＢＮ充填材４で囲み、その外側に黒鉛発熱体５、上下に
Ｍｏ通電板６を配置したものである。これを超高圧装置
でＭｏ通電板、黒鉛発熱体により所定の温度に加熱し、
同時に加圧して原材料成形体をｃ　−ＢＮ焼結体に転換
する。

本発明において、原材料粉末中に単結晶ｃ　−ＢＮを添
加しておけば、焼結体を切削工具として、あるいはそれ
を粉砕して砥粒として使用する場合に切れ味が向上する
。単結晶ｃ−ＢＮは粒径１０〜６０μｍ、添加量は１０
〜５０重量％が好ましい。なお、粒径は切削工具、砥粒
以外については特に限定はない。

粒径が１０４ｍ未満あるいは添加量が１０％未満だと切
れ味向上の効果が小さく、６０μｍを越えると逆に単結
晶的な挙動を示し、焼結体としての靭性の向上が薄れる
。また添加量が５０％を越えると焼結体の微細結晶のマ
トリックス部が少なくマクロ的な焼結体の強度が低下す
る。

さらに本発明において原材料粉末にＣ，Ｈ，Ｎを含む有
機物を少量添加しておくとその理由は明らかでないが焼
結温度、圧力を下げる効果がある。有機物としてはメラ
ミン、イミダゾール、プロパンジアミンなどが挙げられ
、添加量は０．０５〜１重遣％が最適である。

上記のようにして得られたｃ　−ＯＮ焼結体は密度は代
表的には３．４０〜３．４８ｇ／ｃｒｔ？、曲げ強度は
５０〜３００ｋｇ　／　ｍ　ｒｎ”である。

この焼結体を粉砕すれば砥粒として使用できる。粉砕は
例えばスタンプミルで行い、分級等により所定の粒度に
する。砥粒としては広範囲の粒度のものが使用されるが
、多いのは５０〜１０００μｍの範囲のものである。

〔作用１ 気相合成法によるａ−ＢＮは結晶構造がランダムであっ
たり、格子欠陥があるため、ｃ　−ＢＮに転換する際の
原子の再配列に必要なエネルギーが少なくてすみ、その
ため比較的低温、低圧でｃ　−ＢＮに転換するものと考
えられる。またこのａ−ＢＮは酸素不純物が極めて少な
く、ｃ　−ＢＮに転換焼結後の結晶粒界に不純物が存在
しない。さらにａ−ＯＮは粒子サイズが小さいので、ｃ
　−ＢＮに転換後の結晶サイズも小さく、それが粒界に
酸素等の不純物が存在しない状態で結合しているので、
焼結体は機械的強度が大きく、また靭性も高いものと考
えられる。

気相合成法により得られたものがａ−ＯＮとＣ−ＢＮの
混合物である場合はｃ−ＢＮが核となるので、温度等さ
らに低い条件でｃ−ＢＮ焼結体となる。

Ｃ，Ｈ，Ｎを含む有機物の作用については明らかでない
点が多い、しかし実験によれば有機物を添加することに
よりａ−ＢＮからｃ　−ＢＮへの転換が容易になり、ま
たｃ−ＢＮ粒子の焼結も助長している。気相合成法によ
るａ−ＢＮは殆んど酸素を含まないが、取扱い中にａ−
ＢＮが酸素やｌ−１２０を吸着し、これらが焼結中に有
機物のＣ，Ｈによって除去されることは考えられる。な
お有機物中にＣ９Ｈ以外に窒素が含まれているものがよ
いが、その理由は明らかでない。

〔発明の効果］ 本発明によれば比較的低温、低圧で酸素等の不純物が少
なく、機械的強度の大きなｃ−ＢＮ焼結体が得られる。

この焼結体に単結晶ｃ−ＯＮを混合しておけば更に切削
性能が向上する。

実施例Ｉ 図２のＤＣプラズマジェット法装置を用い、原料ガスは
８ｚＨａ　（５ｖａ１％）、ＮＨ３（５ｖｏ１％）、Ｈ
２（６０ｖｏ１％）　、Ａｒ　（３０ｖｏ１％）の混合
ガスを用いた。Ａｒはアークの安定のために用いたもの
である。混合ガスは導入口１１より２０Ｉ２／分で供給
した。なお図２の装置は１３ＫＰａに減圧したケース内
に納められている。タングステン電極９．１０間に電源
１３から電圧５５０■を印加してアークを発生させ、プ
ラメマ１４を形成した。

基１’ｆｆ１１２にはＳｉウェハーを用い約７００℃と
した。この条件で粒径が０．０１ｇｍ以下で１００％ａ
−ＢＮの膜が２００μｆｆｉ／分の堆積速度で得られた
。

ａ−ＢＮの同定は赤外分光により分析した。図２で７は
セラミック筒体、８は石英管である。

ＨＦによりＳｉウェハーを溶解させ、ａ−ＢＮの膜を得
た。これを図１の試料成形体ｌとして充填し、６０ｋｂ
、１７５０℃で３０分高圧、高温処理をした。生成物は
ｃ−ＢＮ多結晶体で結晶サイズは０．１ｇｍ以下であっ
た。見掛比重は３，４６、ビッカース硬度は約５８００
ｋｇ／　ｍ　ｒｎ’、曲げ強度は約１５０ｋｇ／ｍｒｎ
”であった。

実施例２ 実施例１のａ−ＢＮ膜をメノウ乳鉢で粉砕した。

このａ−ＢＮ粉末１００重量部にｃ−ＢＮ単結晶（平均
２０ｕｍ）を３０重量部を混合した。混合物を圧縮成形
し、図１の試料部に充填し５５ｋｂ、　１７００℃で３
０分高圧、高温処理をした。生成物はＣＢＮ多結晶焼結
体であり、見掛比重３，４６、ビッカース硬度は約５７
００ｋｇ／　ｍ　ｍ’、曲げ強度は約１２０ｋｇ／　ｍ
　ｒｎ”であった。

実施例３ 原料ガスをＢａｔ（ｓ　（ｌｖｏ１％）　、　　Ｎ１１
．　（ｌｖｏ１％）、Ｈａ　（６８ｖｏ１％）　、Ａｒ
　（３０ｖｏ１％）の混合ガスを用いた他は実施例１と
同条件でｃ　−ＢＮ：１０ｗｔ％、ａ　−８Ｎ７０ｗｔ
％から成る膜を得た。これを図１の試料部に充填し５５
ｋｂ、　１７００℃で３０分高圧、高温処理をした。生
成物は結晶サイズが０．１ｇｍｍ以下のＣ−１３Ｎ多結
晶焼結体であった。見掛比重３．４７、ビッカース硬度
的５９００ｋｇ／　ｍ　ｒｎ”を示した。曲げ強度は約
２２０ｋｇ／　ｍ　ｒｎ”であった。

実施例４ 実施例１と同じａ−ＢＮ膜をメノウ乳鉢で粉砕し、その
粉末１００重量部にメラミン０．５重量部をテフロンラ
イニングのボットミルでｌ　Ｈｒ混合した。混合物を圧
縮成形し、図１の試料部に充填し５５ｋｂ、　１７００
℃で３０分高圧高温処理をした。生成物はＣＢＮ多結晶
焼結体であり、結晶サイズは０．１μｍ以下であった。

又見掛比重は３．４８、ビッカース硬度は約５８００ｋ
ｇ／　ｍ　ｍ″、曲げ強度は約２００ｋｇ／ｍｒｎ”で
あった。

実施例５ 実施例４と同様に処理をしたａ−ＢＮ粉末１００重量部
とｃ−ＯＮ単結晶（３０ｕｍ　）を４０重量部とをテフ
ロンライニングボットミルでｌＨｒ混合した。混合物を
圧縮成形し、図１の試料部に充填し６０ｋｂ、１７５０
℃で３０分高圧、高温処理をした。生成物を粉砕し、＃
８０／　１００を精粒した。この焼結砥粒と同粒度の単
結晶ｃ−ＢＮ砥粒の電着砥石を製作し、湿式研削試験を
実施した。研削条件としては被削材５ＫＨ−５１（Ｈ，
ｃ６３）砥石周速度２０００ｍ／ｍｉｎ　、テーブル速
度１５ｍ／ｗｉｎで行なった。結果は使用動力が単結晶
の場合を１００としたとき、当該砥粒は８５と切れ味の
よい砥粒であった。

比較例１ 市販のｈ−ＯＮ（平均粒径５μｍ）を２０００℃窒素雰
囲気下で熱処理し含有酸素置を除去したものを圧縮成形
し、図１の試料部に充填し、７０ｋｂ、　１８００℃で
３０分高圧、高温処理をしたが、一部ＣＢＮに変換した
が、ｈ−ＯＮが残存しており焼結体は得られなかった。

比較例２ 比較例１と同様な処理をしたｈ−ＢＮ１００重量部にｃ
−ＯＮ単結晶（ＩＬＬｌｌ）３０重量部をテフロンライ
ニングのボットミルでｌＨｒ混合した。混合物を圧縮成
形し、図１の試料部に充填し７０ｋｂ、　１８００℃で
３０分高圧、高温処理をした。

生成物はＣＢＮ多結晶焼結体になっていたが結晶サイズ
は５ｕｍであり、見掛比重は３．３８、ビッカース硬度
は約４２００ｋｇ／　ｍ　ｒｎ”、曲げ強度は約１５ｋ
ｇ／　ｍ　ｍ”であった。

【図面の簡単な説明】

図１は試料成形体を高温、高圧するための組立断面図、
図２はプラズマジェット法によりａ−ＢＮをつくる装置
の断面図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒素、硼素を含む原料から気相合成法により得ら
   れたアモルファスの窒化硼素、又は該窒化硼素と立方晶
   窒化硼素の混合物を原材料とし、これを熱力学的に立方
   晶窒化硼素の安定な領域で加圧、加熱することを特徴と
   する立方晶窒化硼素焼結体の製造法。
2. （２）原材料に単結晶の立方晶窒化硼素を添加すること
   を特徴とする請求項１記載の立方晶窒化硼素焼結体の製
   造法。
3. （３）原材料にＣ，Ｈ，Ｎから構成される有機物を添加
   することを特徴とする請求項１又は２記載の立方晶窒化
   硼素焼結体の製造法。
4. （４）請求項１〜３で得られた焼結体を粉砕することを
   特徴とする砥粒の製造法。