JPH0621315B2 - ｃＢＮ焼結体およびその製造方法 - Google Patents

ｃＢＮ焼結体およびその製造方法

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JPH0621315B2
JPH0621315B2 JP61302570A JP30257086A JPH0621315B2 JP H0621315 B2 JPH0621315 B2 JP H0621315B2 JP 61302570 A JP61302570 A JP 61302570A JP 30257086 A JP30257086 A JP 30257086A JP H0621315 B2 JPH0621315 B2 JP H0621315B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、立方晶窒化硼素（以下、ｃＢＮと略す）を
用いた工具用焼結体およびその製造方法に関し、特にエ
ンドミルに用いるのに適したｃＢＮ焼結体の改良に関す
る。
［従来の技術］ ｃＢＮはダイヤモンドに次ぐ高硬度物質であり、その焼
結体は種々の切削工具に使用されている。切削工具に適
したこの種のｃＢＮ焼結体の一例が、特開昭５３−７７
８１１号に開示されている。
すなわち、この先行技術には、ｃＢＮを体積％で８０〜
４０％含有し、残部が周期率表第IVａ，Ｖａ，VIａ族遷
移金属の炭化物、窒化物、硼化物、硅化物もしくはこれ
らの混合物または相互固溶体化合物を主体としたもの、
あるいはこれにＡｌおよびＳｉの少なくとも一方を添加
したものからなり、これらの化合物が焼結体組織中で連
続した結合相をなしている。ｃＢＮ焼結体が開示されて
いる。この高硬度工具用焼結体では、結合化合物とし
て、上記したような周期率表第IVａ，Ｖａ，VIａ族遷移
金属の炭化物、窒化物、硼化物、硅化物もしくはこれら
の相互固溶体化合物などの比較的高硬度であり、かつ高
融点の化合物が用いられているので、切削工具として一
般に高い性能を示すと考えられる。
ｃＢＮ焼結体を高硬度工具用焼結体として用いる場合、
当然のことながら硬度が高い方が好ましい。よって、従
来、上述のようなｃＢＮ含有率の高い焼結体が市販され
てきている。
［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、高硬度被削材を切削するのに用いる工具
の中でもエンドミルに用いた場合には、上述したような
高硬度のｃＢＮ焼結体であっても、切削初期に欠損する
ことがしばしばあった。
それゆえに、この発明の目的は、エンドミルに用いた場
合に欠損が生じにくく、かつ耐摩耗性に優れたｃＢＮ焼
結体を提供することにある。
［問題点を解決するための手段］ 本願発明者達は、エンドミルに用いた場合に欠損が生じ
にくいｃＢＮ焼結体を得るべく鋭意検討した結果、粒径
約２μｍ以下のｃＢＮ３５〜５０体積％と、下記の結合
材５０〜６５体積％とを混合して得られた混合粉末をｃ
ＢＮの安定な条件下で焼結すれば、エンドミルに好適の
ｃＢＮ焼結体が得られることを見出した。
すなわち、この発明は、平均粒径約２μｍ以下のｃＢＮ
粉末を用いることと、Ａｌを２０〜３０重量％含み、Ｔ
ｉＮｚ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）ｚ，ＴｉＣｚ，（Ｔｉ，Ｍ）Ｃ
ｚ，（Ｔｉ，Ｍ）（Ｃ，Ｎ）ｚおよび（Ｔｉ，Ｍ）Ｎｚ
からなる群から選択した１種以上のＴｉ化合物（ＭはＴ
ｉを除く周期率表第IVａ，Ｖａ，VIａ族遷移金属元素、
ｚは０．６５≦ｚ≦０．８５）、結合材中のＴｉとIV
ａ，Ｖａ，VIａ族金属との原子比が約２／３〜９７／１
００であり、結合材中の全タングステン濃度が約５〜２
０重量％である結合材を用いることを特徴とするもので
ある。
［作用］ この発明のｃＢＮ焼結体がエンドミル用途のような断続
切削において優れた性能を示すのは下記の理由によるも
のと考えられる。エンドミルに用いた場合、ｃＢＮ焼結
体の刃先には微小なチッピングにより摩耗が進行し、切
削抵抗が増加して欠損に至るものと考えられる。この微
小なチッピングは、ｃＢＮ粒子の脱落や欠損により生じ
る。したがって、ｃＢＮ粒子の粒度を小さく、かつ含有
量を低下させれば、ｃＢＮ粒子の欠損や脱落を抑制し得
るものと考えられる。
この発明では、結合材が、ＴｉＮｚ，Ｔｉ（Ｃ，
Ｎ）ｚ，ＴｉＣｚ，（Ｔｉ，Ｍ）Ｃｚ，（Ｔｉ，Ｍ）
（Ｃ，Ｎ）ｚおよび（Ｔｉ，Ｍ）Ｎｚからなる群から選
択した１種以上のＴｉ化合物を含み（ＭはＴｉを除く周
期率表第IVａ，Ｖａ，VIａ族遷移金属元素であり、ｚは
０．６５≦ｚ≦０．８５）かつ、該結合材中にＡｌが２
０〜３０重量％含まれており、かつタングステンが５〜
２０重量％含まれている。この結合材は、それ自体強度
が高く耐摩耗性に優れているものである。特に、結合材
中にタングステンを含有させることにより、強度と耐摩
耗性が改善されている。
また、上記結合材は、Ａｌを含有しており、このＡｌに
よりｃＢＮと結合材との接合強度が改善されているもの
と考えられる。
さらに、結合材中に遊離のＴｉを有するＴｉ化合物を用
いることにより、ＴｉとｃＢＮ、またはＴｉと結合材の
一部とが反応し、それによってｃＢＮと結合材との接合
強度が改善されていると考えられる。
この発明では、ｃＢＮの粒径は２μｍ以下であることが
必要である。ｃＢＮの粒度が２μｍを越えると、ｃＢＮ
粒子内で欠損が生じやすくなり、好ましくない。より好
ましくは、１μｍ以上の径のｃＢＮを用いることによ
り、耐欠損性を一層改善することができる。
また、ｃＢＮの含有量は約３５〜５０体積％の範囲にあ
ることが好ましい。ｃＢＮ含有量が３５体積％未満では
硬度が不十分となり、切削中に刃先が変形し、好ましく
ない。他方、ｃＢＮ含有量が約５０体積％を越えると、
ｃＢＮ粒子の脱落によるチッピングが生じやすくなる。
次に、上記したＴｉ化合物の化学式におけるｚの値は、
約０．６５〜０．８５の範囲にあることが好ましい。こ
のｚ値が約０．６５未満では焼結体の硬度が低くなりす
ぎ、他方約０．８５を越えると遊離Ｔｉの量が減少し、
ＴｉとｃＢＮもしくは結合材との反応が弱くなり、ｃＢ
Ｎと結合材との接合力が低下し、その結果ｃＢＮが脱落
しやすくなるからである。
Ａｌは、結合材中に約２０〜３０重量％含まれているこ
とが必要である。Ａｌが結合材の約２０重量％未満の場
合には、ｃＢＮを保持する力が低下し、他方約３０重量
％を越える場合には硬度を低下させるからである。
また、タングステンについても結合材の約５重量％未満
では強度および耐摩耗性改善効果が得られず、他方約２
０重量％を越えると結合材同士の結合力を低下させる。
さらに、結合材中のＴｉと、IVａ，Ｖａ，VIａ族の遷移
金属元素との割合が原子比で約２／３〜９７／１００の
場合に良好な特性が得られる。この原子比が２／３未満
の場合にはＴｉ含有量が少なくなり、結合材自体やｃＢ
Ｎと結合材との接合強度が低下し、他方、原子比が９７
／１００を越えると結合相の耐摩耗性が低下する。
なお、結合材中のタングステンを、炭化タングステンの
形態で添加した場合、結合材の強度および耐摩耗性がよ
り一層改善され得る。
また、好ましくは、結合材としてＡｌ２０〜３０重量％
を含み、ＴｉＮｚおよび（Ｔｉ，Ｗ）ＮｚならびにＷＣ
をさらに含むものを用いれば、焼結体の特性をより一層
改善させることができる。
この発明の焼結体を得るための焼結過程においては、前
述したように種々の反応が発生するが、反応生成物とし
て硼化チタン、硼化アルミニウム、窒化アルミニウム、
タングステン化合物および／またはタングステンが生成
された場合、焼結体の強度および耐摩耗性が優れている
ことがわかった。
次に、この発明のエンドミル用ｃＢＮ焼結体の製造方法
につき説明する。まず、粒径２μｍ以下のｃＢＮ粉末
と、結合材粉末とを混合して混合粉末を得る。混合に際
しては、予めタングステン化合物と、ＡｌおよびＴｉを
含む化合物すなわち、ＴｉＮｚ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）ｚ、Ｔ
ｉＣｚ、（Ｔｉ，Ｍ）Ｎｚ、（Ｔｉ，Ｍ）（Ｃ，
Ｎ）ｚ、（Ｔｉ，Ｍ）Ｃｚ［ｚは０．６５〜０．８５、
ＭはＴｉを除くIVａ、Ｖａ、VIａ族遷移金属］と混合し
ておき、ｃＢＮ粉末は後で混合することが好ましい。こ
れは、結合材を最終的な混合粉末中において均一に分散
させやすいからである。より好ましくは、ＷＣ粉末と、
Ｔｉ化合物粉末と、ＡｌもしくはＴｉとＡｌとの金属間
化合物とを、１０００℃〜１５００℃の温度で反応させ
て均一化させた後、ｃＢＮ粉末と混合することにより結
合材をより均一に分散させることができる。
上述のようにして得られた混合粉末は、通常、脱ガスさ
れた後、あるいは型押し成形した後に、超高圧装置を用
いて焼結される。焼結は、２０Ｋｂ〜６０Ｋｂ程度の圧
力、１０００℃〜１５００℃程度の温度で行なわれる。
［発明の効果］ この発明のエンドミル用ｃＢＮ焼結体は、平均粒度２μ
ｍ以下のｃＢＮ粉末３５〜５０体積％と、上記した結合
材５０〜６５体積％とを混合して超高圧焼結して得られ
るものであるため、エンドミルに適した高硬度焼結体と
されており、切削初期のｃＢＮ粒子の欠損事故をほぼ解
消することが可能となるうえに、微粒ｃＢＮ焼結体であ
るため被削材面の面粗度が良好である。また、本発明の
焼結体は耐摩耗性が非常に優れているので連続切削用途
にも使用できる。
以下、この発明の実施例につき説明する。
実施例１ ＴｉＮ０．７５と、ＷＣと、Ａｌの粉末を混合し、１２
００℃の温度で均一化処理を施した後、ボールミルを用
いてこの結合材を１μｍ以下の粒度に粉砕した。得られ
た結合材粉末は、ＴｉＮ０．７５、ＷＣおよびＡｌを、
６５：１０：２３の重量比で含有するものであった。な
お、ＴｉとＷとの原子比は９５．６：４．４であった。
上記結合材粉末と、平均粒度１μｍのｃＢＮ粉末を体積
比で６：４の割合で配合した後、１０００℃の温度で脱
ガスし、混合粉末を得た。Ｍｏ製の容器に、ＷＣ−１０
重量％Ｃｏの組成の超硬合金円板を入れた後、この上に
上記混合粉末を充填し、Ｍｏの栓をして圧力５０Ｋｂ、
温度１３００℃にて１５分間保持し焼結を行なった。
得られた焼結体を、Ｍｏ製の容器から取出し走査型電子
顕微鏡で観察したところ、結合材中に平均粒径１μｍの
ｃＢＮが均一に分散された焼結体が超硬合金に強固に接
合されていることが認められた。また、Ｘ線回折により
生成焼結体を同定したところ、ｃＢＮ、（Ｔｉ，Ｗ）
（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＢ２、ＡｌＢ２、ＡｌＮおよびタング
ステン硼化物と思われるピークが認められた。
次に、上記焼結体を用いて直径２０mmの直刃のエンドミ
ルを製作した。比較のために、平均粒径３μｍのｃＢＮ
粉末を６０容量％含有し、残部が上記結合材と同様のも
のを使用した焼結体についても、２０mm径の直刃エンド
ミルを製作した。
これらのエンドミルを用いて、ＨＲＣ５０のＳＫＴ４か
らなる被削材を軸方向の切込：２mm、径方向の切込：２
０mm、送り速度：３／１００mm／刃、および回転速度：
２０００rpm の条件で切削した。
その結果、本発明焼結体を用いたエンドミルは５ｍ切削
しても、刃先の摩耗は０．０５mmであったのに対して、
比較焼結体を用いたエンドミルは１ｍ切削時点で欠損し
た。
実施例２ 第１表−１および第１表−２に示す完成粉末を作製し、
実施例１と同様にして焼結体を得た。
これらの焼結体を加工して、直径１０mm、刃長１０mmの
エンドミルを作製し、ＨＲＣ５２のＳＫＤ６１からなる
被削材を、回転速度：３２００rpm 、軸方向の切込：６
mm、径方向の切込：２mm、送り速度：０．０１mm／回転
の条件で１０ｍ切削した。結果を、第２表に示す。
実施例３ 第３表に示す混合粉末を作製し、実施例１と同様にして
焼結体を得た。これらの焼結体を用いて１６mmのエンド
ミルを作製し、ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６０）を回転速度：
２０００rpm 、軸方向切込：３mm、径方向の切込：０．
２mm、送り速度：１５／１００mm／刃の条件で５ｍ切削
した。結果を第４表に示す。
実施例４ 第１表に示した試料ＮおよびＲの焼結体を用いて６mm径
のエンドミルを作製した。ＨＲＣ４５のＳＫＤ４からな
る被削材を回転数：６０００rpm 、軸方向の切込：２m
m、径方向の切込：６mm、送り：０．２mm／刃および湿
式の条件で切削を行なった。比較のため、超硬合金製の
６mm径のエンドミルも、回転数８００rpm で、他の切削
条件は上記焼結体の場合と同様にして切削を行なった。
その結果、試料Ｎの焼結体では、７ｍ切削した時点で刃
先が欠損していたのに対し、試料Ｒの焼結体では２０ｍ
切削した時点で摩耗幅が０．１３mmであった。また、超
硬合金からなるエンドミルは２ｍ切削した時点で、摩耗
幅が０．３mmであり切削不能となった。
また切削後の表面粗さを測定したところ、試料Ｎおよび
Ｒならびに超硬合金からなるエンドミルでは、それぞ
れ、ＲＭＡＸで２μｍ、１μｍおよび８μｍであった。
実施例５ ＴｉＮ0.9 と、Ａｌ３ＴｉとＷＣ粉末とを、重量比で５
６：３４：１０の割合で混合した。上記した結合材中に
は、Ａｌは２１．４重量％含まれており、またＴｉとＷ
との原子比は９５．９：４．１であり、ＴｉとＮとの原
子比は１：０．７である。この結合材粉末と、平均粒度
０．７μｍのｃＢＮ粉末とを体積比で６２：３８の割合
で混合し、得られた混合粉末を実施例１と同様にして超
高圧・高温下で焼結した。
得られた焼結体の生成物をＸ線回折により調査したとこ
ろ、ｃＢＮのピークのほか、（Ｔｉ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）、
ＴｉＢ２、ＡｌＢ２、ＡｌＮ、硼化タングステン、およ
びアルミナと思われるピークが観察された。このアルミ
ナは、結合材やｃＢＮ表面に吸着した酸素と、アルミニ
ウムとが反応して生じたものと考えられる。
上記焼結体を、刃長が６mmの１２mm径のエンドミルに加
工し、切削試験を行なった。被削材はＨＲＣ６３のＳＫ
Ｈ９からなり、切削条件は、回転数：２３００rpm 、軸
方向の切込：３mm、径方向の切込：０．３mm、および送
り：０．２mm／刃である。
比較のために、実施例２の試料ＡおよびＨの焼結体につ
いても同一形状のエンドミルを作製し、同一条件で切削
試験を行なった。
１０ｍ切削後の工具逃げ面摩耗幅を測定したところ、こ
の実施例の焼結体を用いたエンドミルでは０．０５８mm
であったのに対し、実施例２の試料Ａを用いたエンドミ
ルでは０．０５１mmであり、試料Ｈの焼結体を用いたエ
ンドミルでは１．２ｍ切削した時点で刃先が欠損した。
実施例６ ＴｉＣ０．７ 、Ａｌ及びＷＣを重量比で６８：２２：
１０の割合で混合した。なお、この混合物中のＴｉとＷ
の原子比は９５．９：４．１である。
上記混合粉末と、ｃＢＮ粉末とを第５表に示すように混
合し、実施例１と同様にして超高圧・高温装置に入れ、
４５Ｋｂ、１２００℃で１０分間焼結した。
上記のようにして得られた各焼結体を切削加工用のチッ
プに仕上げ、硬度ＨＨＣ６０のＳＣＭ４７５からなる被
削材を切削した。切削条件は、切削速度１２０ｍ／分、
切込み０．２mm、送り０．１mm／回転である。３０分間
切削し、逃げ面摩耗幅を測定した。結果を第５表に併せ
て示す。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】平均粒径２μｍ以下の立方晶窒化硼素粉末
    を３５〜５０体積％含み、残部が結合材よりなる混合粉
    末を立方晶窒化硼素の安定な条件下で焼結して得られた
    焼結体であって、 前記結合材は、２０〜３０重量％のＡｌを含み、ＴｉＮ
    ｚ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）ｚ，ＴｉＣｚ，（Ｔｉ，Ｍ）Ｃｚ，
    （Ｔｉ，Ｍ）（Ｃ，Ｎ）ｚおよび（Ｔｉ，Ｍ）Ｎｚから
    なる群から選択した１種以上のＴｉ化合物を含み（Ｍは
    Ｔｉを除く周期率表第IVａ，Ｖａ，VIａ族遷移金属元素
    であり、ｚは０．６５≦ｚ≦０．８５の範囲）、該結合
    材中のＴｉ含有量のIVａ，Ｖａ，VIａ族の遷移金属元素
    含有量に対する割合が原子比で２／３〜９７／１００で
    あり、かつ結合材中の全タングステン濃度が５〜２０重
    量％である、ｃＢＮ焼結体。
  2. 【請求項２】前記焼結体の生成物は、ｃＢＮのほか、Ｔ
    ｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），ＴｉＣ，（Ｔｉ，Ｍ）Ｃ，（Ｔ
    ｉ，Ｍ）（Ｃ，Ｎ）および（Ｔｉ，Ｍ）Ｎからなる群か
    ら選択した１種以上のＴｉ化合物、硼化チタン、硼化ア
    ルミニウム、窒化アルミニウム、タングステン化合物な
    らびにタングステンの少なくとも１種以上を含む、特許
    請求の範囲第１項記載のｃＢＮ焼結体。
  3. 【請求項３】前記結合材が、Ａｌを２０〜３０重量％含
    み、前記Ｔｉ化合物がＴｉＮｚまたは（Ｔｉ，Ｗ）Ｎｚ
    ［ただし、０．６５≦ｚ≦０．８５］であり、結合材中
    の前記タングステンが炭化タングステンの形態で５〜１
    ５重量％含まれている、特許請求の範囲第１項または第
    ２項のいずれかに記載のｃＢＮ焼結体。
  4. 【請求項４】前記結合材がＡｌを２０〜３０重量％含
    み、前記Ｔｉ化合物がＴｉＣｚまたは（Ｔｉ，Ｗ）Ｃｚ
    ［ただし、０．６５≦ｚ≦０．８５］であり、結合材中
    の前記タングステンが炭化タングステンの形態で５〜１
    ５重量％含まれている、特許請求の範囲第１項または第
    ２項記載のｃＢＮ焼結体。
  5. 【請求項５】前記Ａｌは、Ａｌ化合物の形態で混合され
    ている、特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記
    載のｃＢＮ焼結体。
  6. 【請求項６】前記ｃＢＮ粉末の平均粒径が１μｍ以下で
    ある、特許請求の範囲第１項に記載のｃＢＮ焼結体。
  7. 【請求項７】平均粒径２μｍ以下の立方晶窒化硼素粉末
    を３５〜５０体積％と、５０〜６５体積％の結合材とを
    混合して混合粉末を得るステップを備え、 前記結合材は、２０〜３０重量％のＡｌを含み、ＴｉＮ
    ｚ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）ｚ，ＴｉＣｚ，（Ｔｉ，Ｍ）Ｃｚ，
    （Ｔｉ，Ｍ）（Ｃ，Ｎ）ｚおよび（Ｔｉ，Ｍ）Ｎｚから
    なる群から選択した１種以上のＴｉ化合物を含み（Ｍは
    Ｔｉを除く周期率表第IVａ，Ｖａ，VIａ族の遷移金属元
    素であり、ｚは０．６５≦ｚ≦０．８５の範囲）、結合
    材中のＴｉ含有量のIVａ，Ｖａ，VIａ族の遷移金属元素
    含有量に対する割合が原子比で２／３〜９７／１００で
    あり、かつ結合材中の全タングステン濃度が５〜２０重
    量％であり、 前記混合粉末をｃＢＮの安定な超高圧条件下で焼結させ
    るステップをさらに備えることを特徴とする、ｃＢＮ焼
    結体の製造方法。
  8. 【請求項８】前記焼結は、圧力２０Ｋｂ〜６０Ｋｂ、温
    度１０００℃〜１５００℃で行なわれる、特許請求の範
    囲第７項記載のｃＢＮ焼結体の製造方法。
  9. 【請求項９】前記ｃＢＮ粉末として平均粒径１μｍ以下
    のものを用いる、特許請求の範囲第７項または第８項記
    載のｃＢＮ焼結体の製造方法。
  10. 【請求項１０】前記タングステンは、炭化タングステン
    の形態で混合される、特許請求の範囲第７項〜第９項の
    いずれかに記載のｃＢＮ焼結体の製造方法。
  11. 【請求項１１】前記ＡｌがＡｌ化合物の形態で混合され
    る、特許請求の範囲第７項〜第１０項のいずれかに記載
    のｃＢＮ焼結体の製造方法。
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