JPH0616476A - 立方晶窒化硼素質焼結体およびその製造方法 - Google Patents

立方晶窒化硼素質焼結体およびその製造方法

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JPH0616476A
JPH0616476A JP4172142A JP17214292A JPH0616476A JP H0616476 A JPH0616476 A JP H0616476A JP 4172142 A JP4172142 A JP 4172142A JP 17214292 A JP17214292 A JP 17214292A JP H0616476 A JPH0616476 A JP H0616476A
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Abstract

(57)【要約】 【構成】cBNを80体積%を越え95体積%以下含有
し、残部が、BNとAlとTi,Zr,Nb,Mo,H
f,Ta,Wの金属のうちの少なくとも一種との反応に
より生成される化合物を主体とするもので、残部の化合
物はAlNとTiB2 を主体とするものが好ましい。 【効果】AlN,TiB2 ,Al2 3 等の耐熱性化合
物を形成し、立方晶窒化硼素質焼結体の耐熱性を損なう
ことなく、cBNと結合相が強固に結合した焼結体を得
ることができる。また、予め調合し処理したcBN−A
l−Ti等の混合粉末を高温高圧下で反応させることに
より、結合相が均一に分散した組織を得ることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば、切削工具等に
使用される高硬度,高靱性に優れた立方晶窒化硼素質焼
結体およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来技術】立方晶窒化硼素(Cubic Boron Nitride 以
下cBNと略す)はダイヤモンドに次ぐ高硬度を有し、
しかもダイヤモンドと異なり、鉄系金属との親和性を持
たないため、特に高硬度焼入鋼の研削工具、切削工具に
用いられている。
【0003】このようなcBNを使用した切削工具とし
ては、cBNをコバルト(Co)からなる金属で結合し
たものや、窒化チタン(TiN)等のセラミックスで結
合した立方晶窒化硼素質焼結体が用いられている(特公
昭52−43846号公報等参照)。
【0004】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、上記
のような切削工具のうちCoを結合材に用いた立方晶窒
化硼素質焼結体では、cBN含有率が高く極めて高硬度
であるが、結合相がCoの金属間化合物を形成している
ため、耐熱性に劣り、刃先温度の上昇する加工には不向
きである。さらに、特公昭52−43846号公報によ
れば、鉄族金属は高温高圧下の溶浸によってcBN中に
分散するものとされているが、このような方法では溶浸
する金属量を一定することが難しいため品質にばらつき
を生じ易く、またCoの偏析が生じ均一な分散組織が得
られないという欠点がある。このため、加工中に突発的
な欠損を生じやすいという問題があった。また、ある条
件下で切削すると、cBN粒子が結合相から脱落するこ
とによって大きな摩耗を引き起こすことがある。これ
は、焼結過程におけるcBNとCoとの反応性が低く、
cBNと結合相との結合力が弱いためと考えられる。
【0005】また、cBNを窒化チタン(TiN)等の
セラミックスで結合した立方晶窒化硼素質焼結体では、
cBNの含有率が低いためcBNの優れた特性が十分に
生かされていないという問題があった。
【0006】
【問題点を解決するための手段】本発明者は、cBNの
含有率を向上して、cBNの高硬度,高耐熱性,高熱伝
導性を十分に生かすべく鋭意研究した結果、BNとの反
応性に富むAl,Ti,Zr,Nb,Mo,Hf,T
a,Wを結合材として用い、AlNとTiB2 等の耐熱
性化合物を生成すると、耐熱性を損なうことなく、cB
Nが結合相と強固に結合した立方晶窒化硼素質焼結体を
得ることができることを見出し、本発明に至った。
【0007】即ち、本発明の立方晶窒化硼素質焼結体
は、立方晶窒化硼素を80体積%を越え95体積%以下
含有し、残部が、窒化硼素とAlとTi,Zr,Nb,
Mo,Hf,Ta,Wの金属のうちの少なくとも一種と
の反応により生成される化合物を主体とすることを特徴
とする。残部の化合物はAlNとTiB2 を主体とする
ものが好ましい。
【0008】立方晶窒化硼素(cBN)を80〜95体
積%含有させたのは、80体積%より少ないと、cBN
本来の特性、即ち、高耐熱性、高熱伝導性などの優れた
特性を生かすことができないからであり、95体積%よ
りも多いとcBN粒子と結合相粒子との粒子間結合力が
低下するからである。
【0009】また、cBNの残部が、窒化硼素(BN)
とAlとの反応により生成される化合物、BNとTi,
Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,Wのうちの少なくとも
一種との反応により生成される化合物を主体として構成
したのは、上記のような反応によりAlN,TiB2
の耐熱性化合物を形成し、立方晶窒化硼素質焼結体の耐
熱性を損なうことなく、cBNと結合相が強固に結合し
た焼結体を得ることができるからである。残部の化合物
はAlNとTiB2 を主体とするものが好ましい。これ
は、AlNとTiB2 は、それぞれ耐酸化性,熱伝導
性,硬度に特に優れた特性を有しているからである。
【0010】窒化硼素(BN)とAlとの反応により生
成される化合物には、AlN,AlB2 ,AlB12など
があり、これらのAlN,AlB2 ,AlB12などは、
3〜12体積%存在することが好ましい。また、BNと
Ti,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,Wのうちの少な
くとも一種との反応により生成される化合物には、Ti
2 ,ZrB2 ,TaB2 ,TiN,ZrN,TaNな
どがあり、これらは2〜7体積%存在することが好まし
い。そして、本発明では、残部に硼化物が生成している
ことが望まれる。
【0011】このような立方晶窒化硼素質焼結体は、c
BN粉末とAl粉末とTi,Zr,Nb,Mo,Hf,
Ta,Wのうちの少なくとも一種の粉末とを混合後、或
いはcBN粉末およびAlとTi,Zr,Nb,Mo,
Hf,Ta,Wのうちの少なくとも一種との合金粉末と
を混合後、この混合粉体を圧力3.0GPa以上、温度
1200℃以上で焼結することにより得られる。これに
より、cBN粒子間に結合相が均一に分散した組織を有
することができ、品質をほぼ一定に保持することができ
る。
【0012】本発明では、特に、cBN粉末とAl粉末
とTi,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,W等の粉末を
混合し、或いは、cBN粉末とAl−Ti合金,Al−
Zr合金,Al−Nb合金,Al−Mo合金,Al−H
f合金,Al−Ta合金,Al−W合金等を混合し、メ
カニカルアロイング処理(合金化処理)し、cBN−A
l−Ti系等の合金粉末を高温高圧で反応させることが
好ましい。これにより、さらにcBN粒子間に結合相が
均一に分散した組織を有することができる。
【0013】メカニカルアロイング処理は、合金化すべ
き粉体を、例えば、超硬合金製の遊星型ボールミルに収
容し、1〜48時間粉砕混合することにより行われる。
【0014】本発明の立方晶窒化硼素質焼結体の具体的
な製造方法としては、原料粉末としてcBN粉末、その
他所望のAl粉末,Ti,Zr,Nb,Mo,Hf,T
a,Wの各粉末等を準備し、或いはcBN粉末、その他
所望のTiAl2 ,ZrAl2 ,NbAl2 ,MoA
l,HfAl2 ,TaAl2 ,WAl粉末を準備し、こ
れらを前述した特定の組成に秤量し、例えば、超硬合金
製の遊星型ボールミルを用いて1〜48時間合金化処理
を行う。この後、必要があれば所定形状に成形する。成
形手段としてはプレス成形,射出成形,鋳込み成形,押
出成形等周知の成形手段を用いることができる。
【0015】次に上記成形体を高温高圧発生装置を用い
て、例えば、特公昭39−8948に開示されるように
高温高圧で焼結する。即ち、圧力3.0GPa以上、温
度1200℃以上で15〜120分間保持し、本発明の
立方晶窒化硼素質焼結体を得る。圧力は3.0〜6.0
GPaが好ましく、温度は1200〜1800℃が好ま
しい。
【0016】また、本発明の立方晶窒化硼素質焼結体
は、立方晶窒化硼素を80体積%を越え95体積%以下
含有し、残部が、酸化硼素(B2 3 ),BNとAlと
Ti,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,Wの金属のうち
の少なくとも一種との反応により生成される化合物を主
体とするものである。
【0017】この場合も上記と同様に、B2 3 と、B
Nと、Alと、Ti,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,
Wとの反応によりAl2 3 ,AlN,TiB2 ,Zr
2,TaB2 ,TiN,ZrN,TaN等の耐熱性化
合物を形成し、立方晶窒化硼素質焼結体の耐熱性を損な
うことなく、cBNと結合相が強固に結合した焼結体を
得ることができる。ここで、残部の化合物がAl
2 3 ,AlNおよびTiB2 を主体とするものが好ま
しい。上記と同様に、Al2 3 ,AlNおよびTiB
2 は、それぞれ耐酸化性,熱伝導性,硬度に特に優れた
特性を有しているからである。
【0018】このような立方晶窒化硼素質焼結体は、表
面酸化処理した立方晶窒化硼素粉末とAl粉末とTi,
Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,Wのうちの少なくとも
一種の粉末とを混合後、或いは表面酸化処理した立方晶
窒化硼素粉末およびAlとTi,Zr,Nb,Mo,H
f,Ta,Wのうちの少なくとも一種との合金粉末とを
混合後、この混合粉体を圧力3.0GPa以上、温度1
200℃以上で焼結することにより得られる。この混合
粉体は、合金化処理した後、焼結すること望ましい。ま
た、B2 3 粉末と、BN粉末を添加することによって
も、本発明の立方晶窒化硼素質焼結体を得ることができ
る。
【0019】cBN粉末を表面酸化処理することによ
り、Ti,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,Wと反応し
て、耐熱性化合物を生成し易いB2 3 をcBN粒子の
周囲に生成することができる。
【0020】本発明の立方晶窒化硼素質焼結体の具体的
な製造方法としては、原料粉末として、大気中で700
〜1100℃で加熱し表面酸化処理したcBN粉末、そ
の他所望のAl粉末,Ti,Zr,Nb,Mo,Hf,
Ta,W等の各粉末等を準備し、或いは大気中で700
〜1100℃で加熱し表面酸化処理したcBN粉末、そ
の他所望のTiAl2 ,ZrAl2 ,NbAl2 ,Mo
Al,HfAl2 ,TaAl2 ,WAl等を準備し、こ
れらを前述した特定の組成に秤量し、例えば、超硬合金
製の遊星型ボールミルを用いて1〜48時間合金化処理
を行う。この後、所望により成形する。成形手段として
はプレス成形,射出成形,鋳込み成形,押出成形等周知
の成形手段を用いることができる。
【0021】次に上記成形体を高温高圧発生装置を用い
て、例えば、特公昭39−8948に開示されるように
高温高圧で焼結する。即ち、圧力3.0〜6.0GP
a、温度1200〜1800℃で15〜120分間保持
し、本発明の立方晶窒化硼素質焼結体を得る。
【0022】
【作用】本発明の立方晶窒化硼素質焼結体では、B2
3 ,BNとAl、B2 3 ,BNとTi,Zr,Nb,
Mo,Hf,Ta,Wとの反応によりAl2 3 ,Al
N,TiB2 等の耐熱性化合物を形成し、立方晶窒化硼
素質焼結体の耐熱性を損なうことなく、cBNと結合相
が強固に結合した焼結体を得ることができる。これは、
cBNと結合相が単に固相焼結しているのではなく、c
BNの一部が反応して結合相となっているからと考えら
れる。
【0023】また、結合金属を高温高圧下で溶浸によっ
てcBN中に分散させるのではなく、例えば、予め調合
し処理したcBN−Al−Ti(cBN−B2 3 −A
l−Ti)等の混合粉末を高温高圧下で反応させること
により、cBN粒子間に結合相が均一に分散した組織を
有することができ、品質をほぼ一定に保持することがで
きる。
【0024】
【実施例】
実施例1 原料粉末として、cBN粉末(平均結晶粒径2〜4μ
m)及びAl粉末と,Ti,Zr,Nb,Mo,Hf,
Ta,W粉末を、表1に示す割合で混合し、この粉体を
超硬合金製の遊星型ボールミルに収容し、6時間粉砕混
合した。
【0025】この粉体を圧力1ton/cm2 で加圧成形し、
この成形体を超高温高圧発生装置を用いて、表1に示す
圧力, 温度で所定時間保持し、焼成し、本発明の立方晶
窒化硼素質焼結体を得た。
【0026】
【表1】
【0027】そして、立方晶窒化硼素質焼結体を取り出
し鏡面加工し、SEM(走査型電子顕微鏡)により組織
観察したところ、ポアのない緻密な組織を示した。
【0028】また、得られた焼結体に対してビッカース
硬度、ビッカース硬度用ダイヤモンド圧子を用いて荷重
20kgで圧痕法により破壊靱性を測定した。さらに、
X線回折法による結晶相の同定と、ICP発光分光分析
による定量分析を行い、焼結体組成を決定した。鏡面を
SEM(走査型電子顕微鏡)で観察しところ、本発明の
試料は何れも偏析のない均質微細な組織が生成している
ことを確認した。さらに、破面をSEM観察したとこ
ろ、本発明の焼結体の破壊様式は粒内破壊であり、粒子
間結合が強固であることが裏付けられた。この焼結体を
用いて工具を作製し、各試料を用いて下記に示す切削条
件で切削評価試験を行った。評価は、15分間切削後の
工具逃げ面摩耗幅を測定することにより行った。
【0029】(切削試験) 被削材 SKD11(HRC60) 切削速度 100m/min 切り込み 0.5mm 送り 0.1mm/rev 切削時間 15min 上記の実験結果を表2に示す。
【0030】
【表2】
【0031】表1及び表2により、本発明の立方晶窒化
硼素質焼結体は、硬度が3700以上で、靱性が5.5
MPa・m1/2 以上であった。また、15分間切削した
工具逃げ面摩耗幅は0.166mm以下という優れた特
性を有していることが確認された。
【0032】一方、本発明者は、市販の立方晶窒化硼素
質焼結体の焼結体組成,硬度,破壊靱性,工具逃げ面摩
耗幅を測定したところ、焼結体組成はcBN82.5体
積%、Co212 6 17.5体積%からなり、硬度は
3800、破壊靱性は4.7、工具逃げ面摩耗幅が0.
338mmであった。
【0033】実施例2 原料粉末として、cBN粉末(平均結晶粒径2〜4μ
m)を88.8重量%と、TiAl2 合金粉末を11.
2重量%混合し、この粉体を超硬合金製の遊星型ボール
ミルに収容し、6時間粉砕混合した。この粉体を圧力1
ton/cm2 で加圧成形し、この成形体を超高温高圧発生装
置を用いて、圧力5GPa,温度1600℃で15分間
保持し、本発明の立方晶窒化硼素質焼結体を得た。
【0034】そして、上記実施例1と同様にして焼結体
組成および特性を測定したところ、焼結体組成は、cB
Nが84.9体積%、TiB2 が5.9体積%、AlN
が9.2体積%であり、この焼結体の硬度が4150、
破壊靱性が6.0MPa・m1/2 、工具逃げ面摩耗幅が
0.118mmと優れた特性を示した。
【0035】さらに、本発明者は、cBN粉末(平均結
晶粒径2〜4μm)を88.8重量%と、合金粉末の種
類を表3に示すように代え、その焼結体組成および特性
を実施例1と同様にして測定した。
【0036】
【表3】
【0037】表3より、これらの場合にも、優れた特性
を示した。
【0038】実施例3 原料粉末として、大気中において900℃で加熱し表面
酸化処理したcBN粉末を92.3重量%と、Ti粉末
を4.9重量%と、Al粉末を2.8重量%混合し、こ
の粉体を超硬合金製の遊星型ボールミルに収容し、6時
間粉砕混合した。この粉体を圧力1ton/cm2 で加圧成形
し、この成形体を超高温高圧発生装置を用いて、圧力5
GPa,温度1600℃で15分間保持し、本発明の立
方晶窒化硼素質焼結体を得た。
【0039】そして、上記実施例1と同様にして焼結体
組成および特性を測定したところ、焼結体組成は、cB
Nが85.3体積%、TiB2 が5.6体積%、AlN
が4.5体積%、Al2 3 が4.6重量%であり、こ
の焼結体の硬度が3900、破壊靱性が6.5MPa・
1/2 、工具逃げ面摩耗幅が0.130mmと優れた特
性を示した。
【0040】さらに、本発明者は、大気中において90
0℃で加熱し表面酸化処理したcBN粉末を92.3重
量%と、添加粉末の種類を表4に示すように代え、その
焼結体組成および特性を測定した。
【0041】
【表4】
【0042】表4より、これらの場合にも、優れた特性
を示した。
【0043】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、B
2 3 ,cBNと、Alと、Ti,Zr等との反応によ
りAlN,TiB2 等の耐熱性化合物を形成し、立方晶
窒化硼素質焼結体の耐熱性を損なうことなく、cBNと
結合相が強固に結合した焼結体を得ることができる。
【0044】また、結合合金を高温高圧下で溶浸によっ
てcBN中に分散させるのではなく、例えば、予め調合
し処理したcBN−Al−Ti(cBN−B2 3 −A
l−Ti)等の混合粉末を高温高圧下で反応させること
により、均一組成で、かつ、結合相が均一に分散した組
織を得ることができ、これにより、品質をほぼ一定に保
持することができる。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】立方晶窒化硼素を80体積%を越え95体
    積%以下含有し、残部が、窒化硼素とAlとTi,Z
    r,Nb,Mo,Hf,Ta,Wの金属のうちの少なく
    とも一種との反応により生成される化合物を主体とする
    ことを特徴とする立方晶窒化硼素質焼結体。
  2. 【請求項2】残部の化合物がAlNとTiB2 を主体と
    するものからなる請求項1記載の立方晶窒化硼素質焼結
    体。
  3. 【請求項3】立方晶窒化硼素粉末と、Al粉末と、T
    i,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,Wの金属のうちの
    少なくとも一種の粉末とを混合後、或いは立方晶窒化硼
    素粉末と、AlとTi,Zr,Nb,Mo,Hf,T
    a,Wの金属のうちの少なくとも一種との合金粉末を混
    合後、この混合粉体を圧力3.0GPa以上、温度12
    00℃以上で焼結することを特徴とする立方晶窒化硼素
    質焼結体の製造方法。
  4. 【請求項4】立方晶窒化硼素を80体積%を越え95体
    積%以下含有し、残部が、酸化硼素,窒化硼素とAlと
    Ti,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,Wの金属のうち
    の少なくとも一種との反応により生成される化合物を主
    体とすることを特徴とする立方晶窒化硼素質焼結体。
  5. 【請求項5】残部の化合物がAl2 3 ,AlNおよび
    TiB2 を主体とするものからなる請求項4記載の立方
    晶窒化硼素質焼結体。
  6. 【請求項6】表面酸化処理した立方晶窒化硼素粉末と、
    Al粉末と、Ti,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,W
    の金属のうちの少なくとも一種の粉末とを混合後、或い
    は表面酸化処理した立方晶窒化硼素粉末と、AlとT
    i,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,Wの金属のうちの
    少なくとも一種との合金粉末を混合後、この混合粉体を
    圧力3.0GPa以上、温度1200℃以上で焼結する
    ことを特徴とする立方晶窒化硼素質焼結体の製造方法。
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