JPH08301661A - 多結晶型立方晶窒化ほう素焼結体及びその用途 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高強度で耐摩耗性に優れた多結晶型立方晶窒化
ほう素焼結体、砥粒、切削工具及び摺動材を提供するこ
と。 【構成】マンガン含有量5PPM以下であることを特徴とす
る多結晶型立方晶窒化ほう素焼結体、及びこの多結晶型
立方晶窒化ほう素焼結体で構成されてなる砥粒、切削工
具、摺動材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多結晶型の立方晶窒化ほ
う素（以下ｃＢＮ）焼結体及びその用途に関するもので
ある。本発明の多結晶ｃＢＮ焼結体が応用される分野と
しては、重研削、高速研削用のメタルボンド砥石，電着
砥石，ビトリファイド砥石等の研削砥石、高速切削用の
切削工具、耐摩耗性の要求される摺動部品などである。

【０００２】

【従来の技術】窒化ほう素の高圧相であるｃＢＮはダイ
ヤモンドに次ぐ硬さと熱伝導率を有し、鉄系金属と反応
しないとうダイヤモンドにはない特徴を持つことから、
鉄系金属の研削加工用砥粒や切削工具としての利用が進
められている。

【０００３】近年の機械加工は、省力化，無人化の方向
にある。その具体的な方法として重研削，高速研削，高
速切削が行われているが、このような過酷な加工条件下
では工具に大きな負荷がかかるため、工具素材そのもの
に高い強度と耐摩耗性を持つものが要求されている。た
とえば、砥石による研削では砥粒部分に大きな負荷がか
かるので、高い強度を持つ砥粒が要求されている。高強
度のｃＢＮ砥粒の一つとしては、多結晶型のものが知ら
れており既に一部は市販されている。多結晶型の砥粒
は、微細な結晶粒子が互いに強固に結合した多結晶体構
造を有するため、粒子一つが単結晶により構成される単
結晶型砥粒のようにへき開などの大破壊を起こさず高い
強度を示す。

【０００４】多結晶型の砥粒は、特公昭63-44417号公報
にも述べられているように、触媒を用いて合成される単
結晶型のものと異なり、触媒を用いない無触媒直接転換
法によって得られる焼結体を所望の粒度に粉砕すること
により作られる。しかし、このようにして得られる多結
晶型の砥粒も、実際に重研削，高速研削などの過酷な条
件下で砥石として用いると、砥石表面の一部の砥粒が破
壊あるいは摩滅してしまい、加工物の表面が粗れてきた
り切れ味が低下するので頻繁にドレッシング、ツルーイ
ングを行わなければならない等の問題点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、重研
削，高速研削，高速切削などの過酷な使用条件下に耐え
得る高強度で耐摩耗性の大きい工具素材となる多結晶型
ｃＢＮ焼結体を提供することにある。また、本発明の目
的は、高強度で耐摩耗性に優れた砥粒、切削工具及び摺
動材を提供することにある。本発明者らは、上記目的を
達成するために種々検討した結果、以下の事柄を見いだ
し本発明を完成させたものである。

【０００６】（１）マンガン含有量の異なるさまざまな
砥粒を用いた砥石で実際に重研削を行い研削の前後で砥
石表面に突き出している砥粒一つ一つの状態を観察した
結果、マンガン含有量が大きい砥粒は表面が著しく摩耗
するとともに、大破壊を起こしやすく、研削中に砥石表
面から脱落しやすい。これに対し、マンガン含有量の小
さい特に5PPM以下の砥粒を用いた砥石では、前述したよ
うな砥粒の摩滅や大破壊が起きにくく著しく砥石の寿命
が長くなり、被削物の表面粗さも格段に小さくなる。

【０００７】（２）同様の試験を切削工具と摺動材につ
いても行なった結果、マンガン含有量が5PPM以下の多結
晶型ｃＢＮ焼結体で構成されたものは従来品に比べて耐
摩耗性に著しく優れる。

【０００８】（３）マンガン含有量が5PPM以下の多結晶
型ｃＢＮ焼結体は、無触媒直接転換法における合成条件
を工夫することにより合成することができる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、マ
ンガン含有量5PPM以下であることを特徴とする多結晶型
ｃＢＮ焼結体、及びこの多結晶型ｃＢＮ焼結体で構成さ
れてなる砥粒、切削工具、摺動材である。

【００１０】以下、本発明についてさらに詳しく説明す
る。

【００１１】多結晶型ｃＢＮ焼結体に含まれるマンガン
量は、種々の方法で測定することができる。たとえば、
焼結体表面に付着する不純物を酸処理及び水洗浄などで
除いた後、炭酸ソーダで溶融分解処理して、微量金属不
純物の定量分析法として広く一般に行なわれているプラ
ズマ発光分光法などで定量する方法がある。

【００１２】本発明において、多結晶型ｃＢＮ焼結体に
含まれるマンガン含有量を5PPM以下と規定したのは、5P
PMを越えると焼結体の靭性が著しく低下し、砥粒、切削
工具及び摺動材として用いた場合にその耐摩耗性が著し
く低下するからである。

【００１３】本発明の多結晶型ｃＢＮ焼結体は、無触媒
直接転換法を基本技術とし、原料及び高温／高圧を発生
する反応室を以下に述べるように精密に制御することに
よって合成することができる。

【００１４】無触媒直接転換法の基本技術は広く知られ
ており、例えば特公昭63-394号公報に述べられているよ
うに、熱分解窒化ほう素をｃＢＮの安定領域である高温
／高圧下で処理する方法がある。本発明においては、こ
のような無触媒直接転換法の基本技術において、原料及
び反応室とその周辺部材の構成材料としてマンガンを含
まない高純度のものが用いられる。原料及び反応室とそ
の周辺部の構成部材にマンガンが含まれるものを使用す
ると合成中に多結晶型ｃＢＮ焼結体内部にマンガンが拡
散し不純物として取り込まれる。

【００１５】本発明で使用される原料は、熱分解窒化ほ
う素などの高純度の低圧相窒化ほう素であり、そのマン
ガン含有量は1PPM以下であることが好ましい。また、高
温／高圧処理過程で汚染が起こらないように、反応室の
材質もマンガンを含まない純度の高いものを用いる必要
がある。すなわち、原料を充填する反応室兼加熱用ヒー
ターとして99.9％以上のタンタル製円筒を用いることが
好ましい。従来、ヒーターにはカーボンが用いられてい
るが、高純化処理されたカーボンであってもマンガン含
有量が1PPMをこえるものは好ましくない。同様に、タン
タル箔ヒーターの外側とガスケットの間に位置するスリ
ーブの材質にもマンガン含有量が1PPM以下のものを用い
る必要がある。もし、スリーブ中にマンガンが多く含ま
れると、このマンガンが高温下では反応室材質であるタ
ンタル中を拡散透過して、内部の原料及び生成ｃＢＮを
汚染する恐れがある。従来、スリーブの材質には、天然
鉱物であるパイロフィライト、タルクまたはそれらの焼
成物、さらにはＮａＣｌ粉末の成形体などが使用されて
いる。しかし、これらの天然物質には1PPMをこえるマン
ガンが含まれているので本発明には適さない。本発明に
おいてはマンガン含有量1PPM以下の材料、たとえば高純
度の熱分解窒化ほう素粉末の成形体でスリーブを構成す
ることが好ましい。

【００１６】本発明の多結晶型ｃＢＮ焼結体から砥粒を
作製する方法としては、多結晶型ｃＢＮ焼結体を粉砕・
分級し、所望の粒度のものを得る方法がある。粉砕には
ロールクラッシャーなどの一般の粉砕機を用いれば良
く、また分級には篩を用いれば良い。粒度はＪＩＳ Ｂ
４１３０に規定されており、その一例をあげれば、80/1
00，100/120 メッシュなどである。

【００１７】本発明の多結晶型ｃＢＮ焼結体から切削工
具を得る方法としては、多結晶型ｃＢＮ焼結体から機械
加工によって所望の形状のものを切り出し、台座の上に
ろう材等で接着して切削工具用の工具チップとする方法
がある。機械加工のためにはダイヤモンド工具を用いれ
ば良く、また、ろう付けにはダイヤモンドやｃＢＮ用の
ろう材として一般に用いられているチタン系のものなど
が用いられる。

【００１８】さらに、本発明の多結晶型ｃＢＮ焼結体か
ら摺動材を得る方法としては、多結晶型ｃＢＮ焼結体を
所望の形状に加工する方法がある。

【００１９】

【作用】本発明のように、マンガン含有量5PPM以下であ
る多結晶型ｃＢＮ焼結体を用いた砥粒、切削工具、摺動
材が、高強度で耐摩耗性に優れる理由としては、以下に
説明するように、マンガン含有量が極めて少ない多結晶
型ｃＢＮ焼結体は高温にさらされても内部に引っ張り応
力が発生しないためと思われる。

【００２０】すなわち、研削や切削中には、砥粒や切削
工具と被削物との間に大きな摩擦が生じ、いわゆる研削
熱や切削熱が発生する。また、摺動材には摩擦熱が生じ
る。このような研削熱や切削熱の発生にともない、研削
に関与している砥石表面の砥粒や切削工具の刃先は1000
℃以上の高温にもなると言われている。マンガンは、高
温で処理されると様々な電荷を持つ陽イオンになりやす
く、他物質との反応性に富む物質である。特に鉄とは反
応しやすく、マンガン鋼などの合金を形成することが知
られている。

【００２１】前述したように、多結晶型ｃＢＮ焼結体は
鉄系金属加工用の砥粒や切削工具として用いられるが、
砥粒や切削工具であるｃＢＮ焼結体中にマンガンが含ま
れると、被削物の鉄系金属と反応する。また、マンガン
は酸化されやすく、研削液、切削液、空気中の酸素とも
容易に反応する。マンガンは多結晶型ｃＢＮ焼結体中で
は粒界に偏析しているのでこれらの反応により粒界に偏
析しているマンガン成分が体積膨張し、焼結体内部特に
粒界に引っ張り応力が発生して多結晶型ｃＢＮ焼結体を
自己崩壊させようとする。そのため強度が著しく低下す
る。また、このように強度が低下した砥粒では、特に砥
粒の先端、切削工具の刃先、摺動材の表面に於いて、微
小な粒界破壊が絶えず進行するために耐摩耗性が小さく
なる。

【００２２】したがって、研削や切削を行なった際や摺
動材として用いる際に、多結晶型ｃＢＮ焼結体が高温に
さらされると、マンガンを含まないものはそれを多く含
むものに比べて、焼結体内部の粒界に引っ張り応力が発
生せず強度の低下が起こらず、耐摩耗性に優れる結果と
なる。

【００２３】

【実施例】次に、実施例と比較例をあげてさらに具体的
に本発明を説明する。

【００２４】実施例１〜３、比較例１ 表１に示すさまざまなマンガン含有量の市販の熱分解窒
化ほう素板を入手して原料とし多結晶型ｃＢＮ焼結体を
合成した。すなわち、原料の熱分解窒化ほう素板から外
径30mm、厚さ2mm の円板を20枚切り出して積み重ねた
後、99.9％以上、マンガン含有量1PPM以下の高純度タン
タル製円筒の反応室兼加熱用ヒーター内に充填した。一
方、タンタル製円筒の外側と固体ガスケットの間にマン
ガン含有量1PPMの熱分解窒化ほう素の粉末成形体をスリ
ーブとして用いた。スリーブの内径、外径は、それぞれ
31mm、50mmである。

【００２５】これらを、内径60mmのフラットベルト型超
高圧高温発生装置に装填し、温度2050℃、圧力8.0GPaに
おいて150 分間保持して無触媒直接転換ｃＢＮ多結晶体
を合成した。得られた多結晶型ｃＢＮ焼結体をロールク
ラッシャーで粉砕した後、分級して80/100メッシュの砥
粒をより分けた。この砥粒から、ＪＩＳＲ６００３の方
法で1gをサンプリングし、一旦、砥粒表面の不純物を酸
処理と純水洗浄で除いた後に、炭酸ソーダによるアルカ
リ溶融処理してプラズマ発光分光法でマンガン含有量を
測定した。その結果を表１に示す。なお、実施例１〜３
及び比較例１の多結晶型ｃＢＮ焼結体に含まれるマンガ
ン以外の金属不純物は、カルシウム1PPM、銅10PPM 、鉄
100PPM、マグネシウム1PPM、シリコン1PPMであった。

【００２６】次に、上記で得られた砥粒の100 カラット
を用いて、直径200mm ，厚さ10mm集中度150 のビトリフ
ァイドボンド砥石を作製した。この砥石を用い平面プラ
ンジカット法で試験を行い砥石摩耗量及び被削物の表面
粗さを測定した。なお、試験に用いた被削材は軸受鋼SU
J2で、研削条件は砥石周速度3600m/min ，被削材送り速
度9m/min，砥石切込み量10μm ，研削時間80分間であ
る。80分間の研削試験で得られた砥石摩耗量及び被削物
の表面粗さを表１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】一方、切削工具及び摺動材についても、強
度と耐摩耗性を試験した結果、砥粒の場合と同様に本発
明の多結晶型ｃＢＮ焼結体からなる切削工具及び摺動材
は比較例１の多結晶型ｃＢＮ焼結体で構成されたものに
比べて格段に優れた性能を示した。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、強度と耐摩耗性に優れ
た長寿命で高精度な多結晶型ｃＢＮ焼結体、砥粒、切削
工具、摺動材を得ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ１６Ｃ 33/10 7123−3Ｊ Ｆ１６Ｃ 33/10 Ａ Ｃ０４Ｂ 35/58 １０３Ｙ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マンガン含有量5PPM以下であることを特
   徴とする多結晶型立方晶窒化ほう素焼結体。
2. 【請求項２】 請求項１記載の多結晶型立方晶窒化ほう
   素焼結体からなることを特徴とする砥粒。
3. 【請求項３】 請求項１記載の多結晶型立方晶窒化ほう
   素焼結体からなることを特徴とする切削工具。
4. 【請求項４】 請求項１記載の多結晶型立方晶窒化ほう
   素焼結体からなることを特徴とする摺動材。