JPH0911005A

JPH0911005A - 積層構造焼結体及びその製造方法

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Publication number: JPH0911005A
Application number: JP18091895A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Miyamoto; 欽生宮本; Hideki Moriguchi; 秀樹森口; Akihiko Ikegaya; 明彦池ヶ谷
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1995-06-22
Filing date: 1995-06-22
Publication date: 1997-01-14
Anticipated expiration: 2019-07-14
Also published as: JP3543032B2

Abstract

(57)【要約】【目的】切削工具用材料などとして用いられる極めて
硬く高強度のダイヤモンド焼結体、ＣＢＮ焼結体、セラ
ミック焼結体とサーメットなどとの積層構造焼結体並び
にその製造方法を提供する。【構成】第１層となるダイヤモンド焼結体、ＣＢＮ焼
結体、セラミック焼結体などの１と、第２となるサーメ
ットなどの２と、第３層となるニッケルなどの３と、が
同心状に一体に焼結されてなり、且つ最外層となる第１
層は、圧縮圧力を有していることを特徴とする。今一つ
の特徴は、上記一体焼結がＳＨＳ／ＨＩＰプロセスによ
って行われることである。

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材料など
として用いられるダイヤモンド焼結体、ＣＢＮ焼結体、
セラミック焼結体、サーメットまたは、金属からなる積
層構造焼結体とその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】切削工具、耐摩部品用材料としては、ダ
イヤモンド焼結体、ＣＢＮ焼結体が優れた特性を備えて
いるが、その製造には大規模な超高圧、高温装置が必要
で非常に高価となる。従って金属に比べて硬度が高く耐
摩耗性に優れているセラミックがこの種材料として多く
使用されている。このセラミックを使用するにあたって
最も問題になるのは靱性についてである。セラミックは
金属と比べると弾性率が大きく、弾性変形も塑性変形も
殆どおこさない。このため、焼結体内部の欠陥に非常に
敏感であり、ひとたび亀裂が進展し始めると途中で止め
ることは殆ど不可能で大破に至ってしまう。

【０００３】このセラミックの脆さを改良するため種々
の試みがなされてきたが、その一つとして部分安定化Ｚ
ｒＯ₂ に代表される分散相の相変態に伴う体積膨張を利
用し、亀裂先端に圧縮応力をかけて亀裂の進展を防止す
るものがある。しかし、この方法では温度の上昇に伴っ
て応力をかける前に相変態が起こってしまい、高温では
強靱化の機構が消えてしまう。また、金属粒界相で結合
するサーメット構造は硬度の低下を招いてしまう。この
ように単一の材料では他の特性を犠牲にせず靱性を向上
させることは非常に困難であった。

【０００４】また、特開昭 62-156938号，特開平4-3194
35号公報に示されるように、強靱材料との接合による強
化が試みられており、高温環境下での接合部に発生する
熱応力を緩和するために傾斜組成構造を中間層とするこ
とも提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらのセラ
ミック粉末と金属粉末の多層体の焼結は高温下で長時間
を要するのが一般的である。しかもセラミックの焼結温
度は金属の融点より高いことが多く、焼結中に金属が溶
融しセラミックの粒子間に移動したり、界面に脆い金属
間化合物を生じたり、低温焼結可能層では高温のために
粒成長を生じる。このため目的とする構造が得られなか
ったり、得られたとしても特性が低下して信頼性が低い
ものとなっていた。また、これらの熱膨張率の異なる層
の接合体は焼結冷却時の残留応力により厚み方向への反
りが大きかった。さらに従来の構造では熱応力の緩和や
中身材料の特性に依存した強度向上しか期待できなかっ
た。

【０００６】本発明者らは上記のような問題を解決する
ため、先きに特願平５−３０７５１２号により、最外層
に圧縮残留応力がかかっている積層構造焼結体を提案
し、更らに特願平7-120786号並びに特願平7-120787号に
より、ＳＨＳ／ＨＩＰプロセス即ち例えば加圧窒素雰囲
気中で金属珪素粉末と窒素に化学的連鎖反応を生ぜしめ
るような、ガス圧力下での燃焼合成熱を利用して、従来
のような超高圧、高温装置を用いることなくＣＢＮ焼結
体、ダイヤモンド焼結体並びにこれと金属、セラミック
スの積層構造の焼結体を一舉に製造する方法を提案し
た。

【０００７】そして、この提案方法により種々の形状、
構成の焼結体を試作し、その物性、性能の比較、検討を
重ねた結果、次の課題を得た。即ち構成を特定すること
により、一段と性能を向上し得ること、また場合によっ
ては、その特定した構成においては、必ずしも上記提案
方法によって製造しなくても、構成上の効果を発揮しう
ることである。特に本発明の構造とした焼結体は耐熱衝
撃性を著しく高めることができる。このため、切削工具
として用いた場合、湿式切削での熱き裂の発生と進展を
抑制することができる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の特徴は、積層構造
の焼結体であって、前記各層はダイヤモンド焼結体また
はＣＢＮ焼結体と、セラミック、周期律表IIIa、IVa 、
Ｖa 、VIa 族の金属乃至ＡｌとＣ、Ｎ、Ｏ、Ｂの化合物
の１種以上を硬質相とし、鉄属金属を結合相としたサー
メット、または金属のいずれか２種以上によって構成
し、かつ各層は同心状に、一体に形成し、最外層に圧縮
応力を有していることである。

【０００９】第２の特徴は、上記各層の線膨張係数は、
最外層から内層に向かって順に大きいものによって構成
されていることである。

【００１０】第３の特徴は、上記各層は、最外層から内
部に向かって傾斜組織をなしていることである。

【００１１】第４の特徴は、上記積層構造焼結体の表面
に、IVa 族の金属のＣ、Ｎ、Ｏ、Ｂとの化合物及びまた
はこれらの固溶体、Ａｌ₂ Ｏ₃ から選ばれた単層または
複層とＡｌ、ＺｒまたはＨｆの酸化物の単層または複層
を被覆してなることである。

【００１２】更に別の大きな特徴は、積層構造焼結体を
形成すべき、所要積層状に充填した原料粉末に、ＳＨＳ
／ＨＩＰプロセスを施すことによって、上記積層構造焼
結体を製造することである。

【００１３】

【作用】ＳＨＳ／ＨＩＰプロセス、例えば加圧窒素雰囲
気中で金属珪素粉末と窒素を反応させる場合について説
明する。珪素は３ＭＰａ以上の窒素圧力下で連鎖的に窒
化燃焼して窒化珪素になる。理論的な断熱燃焼温度は生
成する窒化珪素の分解温度に規定され、例えば 100ＭＰ
ａの窒素圧下では約2500℃になる。この反応熱によって
融点の異なる積層構造体を瞬時に焼結・緻密化し、従来
の焼結体で問題であった層間の成分の拡散を低減し、粒
成長を抑制し、健全な界面を得ることができる。

【００１４】また、驚くべきことに本プロセスを用いる
と表面層に従来法では得られなかった大きな残留応力
（層間の熱膨張率差による理論値を越える）が生じ、こ
のため硬度や破壊靱性、特に破壊靱性が向上することを
見いだした。これらの理由は明らかではないが、焼結に
伴う収縮が瞬時に起こるため、この収縮率差により層間
に応力が発生するものではないかと推察している。ま
た、この効果は中間層にＣｒ₃ Ｃ₂ を配すると顕著であ
る。

【００１５】また、このように残留応力を持った接合材
は設計が不十分であるとひび割れや変形を起こすことも
多い。積層構造を同心に傾斜することで内部応力のバラ
ンスがとれ変形が防げる。この構造をもつ材料を切削工
具として使用する場合、組成的に同心な積層構造をと
り、最外層がダイヤモンド焼結体またはＣＢＮ焼結体
で、次の層はセラミックを30％以上含み、以下内層へ向
けてセラミックが漸次減少し、逆に中心層にＦｅ族金属
を20％以上含み、外層に向けてＦｅ族金属が漸次減少
し、また少なくとも最外層と中心層を除く中間層にＴｉ
及び又はＣｒのＣ、Ｎ、Ｏ化合物が30％以上含まれてい
るのが好ましい。さらに、中心層およびまたは中間層に
セラミックウィスカーが含まれていると内層に発生する
引張残留応力に対する抵抗力が高まるため好ましい。更
に詳しい作用並びに他の特徴は次の実施例によって示
す。

【００１６】

【実施例】

（実施例１）市販のダイヤモンド粉（平均粒子径３μ
ｍ）、Ｔｉ粉（平均粒子径２μｍ）、Ａｌ₂ Ｏ₃ 粉（平
均粒子径１μｍ）、ＴｉＣ粉（平均粒子径２μｍ）、Ｃ
ｒ₃ Ｃ₂ 粉（平均粒子径１μｍ）、Ｎｉ粉（平均粒子径
１μｍ）等の粉末を用いて、これら粉末を表１の組成に
秤量後、回転式ボールミルにより24時間湿式混合した
後、乾燥した。次に試料 No.１，２，３，４は図１、試
料 No.５，６は図２に示す構造に20ＭＰａの圧力で金型
成型した後、 200ＭＰａでＣＩＰ成型し、ガラスカプセ
ルに真空封入した。これをカーボン坩堝に入れ、燃焼剤
としてＳｉ（平均粒径８μｍ）粉末を40ｇ充填後、燃焼
剤の上下に点火用ペレット（Ｆｅ₂ Ｏ₃ −Ａｌ）を配置
し、全体をＨＩＰ装置の高圧容器中に置いた。 780℃ま
で昇温し、ガラスカプセルを軟化させ、 100ＭＰａまで
Ｎ₂ ガスを導入後、引き続いて1150℃まで昇温し、30分
保持した。約 950℃でペレットが着火し、Ｓｉの窒化を
励起した。

【００１７】

【表１】

【００１８】得られた焼結体は反りやひび割れがなく、
十分緻密化していた。各焼結体について表面層のビッカ
ース硬度、破壊靱性をインデンテーション法、圧縮残留
応力をＸ線応力測定装置により測定した。これらの結果
をまとめて表２に示す。得られた焼結体は焼結中の成分
拡散により、隣接成分を含み、成分が連続的に傾斜した
構造となっている。この層間の成分拡散は表面のダイヤ
モンド層では非常に小さいが、内部の金属を含む層間で
は約１〜30％程度の隣接成分を含むことがある。また、
比較として同様の粉末を用いて、超高圧発生容器を用い
て、 5.5ＧＰａ、1400℃の条件で30分保持して作成した
焼結体の特性を試料 No.７〜10に併せて示す。これによ
り、本発明品の特性の向上が顕著であることがわかる。

【００１９】

【表２】

【００２０】また、図３に示す同心状でない単純な積層
構造の焼結体も同様に作成し、表面層のビッカース硬
度、破壊靱性、圧縮残留応力を測定したが、その結果は
前記図１に示す構造の焼結体の表面層の物理特性とほと
んど差がなかった。次に得られた焼結体から、切削工具
JIS-SNGN120408を作成した。これらを表３に示す条件
（テスト１）にて切削試験を実施した。その結果を表４
に示す。図３に示す構造のものは上記のように、表面層
の物理特性は図１のものと差がないが、切削性能におい
ては、その構成の差より欠損を生じ易く、図１および図
２のものが遥かに秀れている。

【００２１】

【表３】

【００２２】

【表４】

【００２３】（実施例２）市販のＣＢＮ粉（平均粒子径
１μｍ）、ＴｉＮ粉（平均粒子径１μｍ）、Ａｌ粉（平
均粒子径10μｍ）、Ａｌ₂ Ｏ₃ 粉（平均粒子径１μ
ｍ）、ＴｉＣ粉末（平均粒子径２μｍ）、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 粉
末、Ｎｉ粉末を用いて、表５に示す組成に秤量後、回転
式ボールミルにより50時間湿式混合した後、乾燥した。
次に試料 No.11，12，13，14は図１、試料 No.15，16は
図２に示す構造に25ＭＰａの圧力で金型成型した後、ガ
ラスカプセルに真空封入し、実施例１と同様にしてＳＨ
Ｓ／ＨＩＰを行い、 No.11〜16の試料を作成した。

【００２４】

【表５】

【００２５】得られた焼結体は、反りやひび割れがな
く、十分緻密化していた。これらの焼結体について表面
層のビッカース硬度、破壊靱性をインデンテーション
法、圧縮残留応力をＸ線応力測定装置により測定した。
これらの結果をまとめて表６に示す。得られた焼結体は
焼結中の成分拡散により、隣接成分を含み、成分が連続
的に傾斜した構造となっている。この層間の成分拡散は
表面のＣＢＮ層では非常に小さいが、内部の金属を含む
層間では約１〜30％程度の隣接成分を含むことがある。
また、比較として同様の粉末を用いて、超高圧発生容器
を用いて、 5.5ＧＰａ、1300℃の条件で30分保持して作
成した焼結体の特性を試料 No.17〜20に併せて示す。こ
れにより、本発明品の特性の向上が顕著であることがわ
かる。

【００２６】

【表６】

【００２７】また、図３に示す同心状でない単純な積層
構造の焼結体も同様に作成し、表面層のビッカース硬
度、破壊靱性、圧縮残留応力を測定したがその結果は、
図１に示す構造の焼結体の表面層の物理特性とはほとん
ど差がなかった。次に得られた焼結体から、切削工具JI
S-RNGN120400を作成した。これらを表３に示す条件（テ
スト２）にて切削試験を実施した。その結果を表７に示
す。図３に示す構造のものは、上記のように表面層の物
理的特性は図１のものと差がないが、これを切刃として
用いる切削性能を比較すると、積層が同心状でないた
め、図１のものより欠損し易く、表のように大差が生じ
る。

【００２８】

【表７】

【００２９】（実施例３）Ａｌ₂ Ｏ₃ 粉（平均粒子径
0.5μｍ）、ＴｉＣ粉（平均粒子径１μｍ）、Ｎｉ粉
（平均粒子径１μｍ）、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 粉（平均粒子径１μ
ｍ）、ＴｉＣウイスカー粉（平均短軸径１μｍ、長軸径
３〜50μｍ）、Ｍｏ₂ Ｃ粉（平均粒子径１μｍ）などの
粉末を用いて、これら粉末を表８の組成に秤量後、回転
ボールミルにより15時間湿式混合した後、乾燥した。次
に、試料 No.21，22，23，24，25は図１、試料 No.26は
図２に示す構造に20ＭＰａの圧力で金型成型した後、 2
00ＭＰａでＣＩＰ成型し、ガラスカプセルに真空封入し
た。これをカーボン坩堝に入れ、実施例１と同様にして
ＳＨＳ／ＨＩＰにより焼結した。得られた焼結体は反り
やひび割れがなく、十分緻密化していた。

【００３０】

【表８】

【００３１】これらの焼結体について表面層のビッカー
ス硬度、破壊靱性、圧縮残留応力を測定した。この結果
をまとめて表９に示す。得られた焼結体は焼結中の成分
拡散により、隣接成分を含み、成分が連続的に傾斜した
構造となっている。この層間の成分拡散は表面のセラミ
ック層では非常に小さいが、内部の金属を含む層間では
約１〜30％程度の隣接成分を含むことがある。また、比
較として同様の粉末を用いて、ホットプレスを用いて、
２ＧＰａ、1600℃の条件で60分保持して作成した焼結体
の特性を試料 No.27〜30に併せて示す。これにより、本
発明品の特性の向上が顕著であることがわかる。

【００３２】

【表９】

【００３３】また、図３に示す同心状ではない単純な積
層構造の焼結体も同様に作成し、表面層のビッカース硬
度、破壊靱性、圧縮残留応力を測定したが、その結果は
図１に示す構造の焼結体の表面層の物理特性とほとんど
同一の値を示した。次に得られた焼結体から、切削工具
JIS-RNGN120400を作成した。これらを表３に示す条件
（テスト３）にて切削試験を実施した。その結果を表10
に示す。図３に示す構造のものは、上記のように表面層
の物理的特性は図１のものと差がないが、これを切刃と
して用い切削性能を比較すると、積層が同心状でないた
め、図１のものより欠損し易く表のように大差が生じ
る。上記実施例においては、燃焼剤として最も効果的と
思われるＳｉ粉末を用い、その窒化反応熱によって焼結
することについて示したが、同様に発熱反応を生じるＴ
ｉＢ₂ 、ＴｉＣ、ＳｉＣ、ＮｂＣ、ＡｌＮ、ＴｉＮ、Ｎ
ｂＮ、ＴｉＡｌ、ＴｉＮｉ、ＭｏＳｉ₂ の合成を利用し
てもよい。また、実施例１においては燃焼剤中に着火剤
を埋めて点火させる方法について示したが、燃焼剤中に
は着火ヒーターを挿入し、密封封入容器外部からの通電
により任意の温度で着火することもできる。

【００３４】

【表１０】

【００３５】（実施例４）実施例１、２、３で作成した
試料 No.１、11、21の表面に表11に示す被覆層が形成さ
れた焼結体を用いて、上記と同様の切削試験を行った。
この結果を表12にまとめて記すが、いずれも被覆しない
焼結体よりも優れた性能を示した。

【００３６】

【表１１】

【００３７】

【表１２】

【００３８】（実施例５）実施例３で作成した試料 No.
22の最外層厚みを変化させた試料 No.30、31、32、33、
34を作成し、表３に示すテスト４の条件で切削テストを
行った。その結果表13に示すように、最外層厚みが 500
μｍ以下の焼結体 No.31、32、33、34は優れた耐欠損性
を示し、最外層厚みが 100μｍ以下の No.33、34は特に
優れた性能を示した。

【００３９】

【表１３】

【００４０】以上のように、図１，２に示す同心状の積
層構造を示すものは、同心状でない図３の積層構造のも
のより、切削工具として優れた性能を有している。そし
て、図１の構成と図２の構成を対比すると、該焼結体に
所要の切刃形状とするため或は再使用するために、研削
加工を加えることが多いが、この場合に、図２のものは
全表面が最も硬質な層で形成されているのに対し、図１
のものは上下面が各種層で形成されているため、その加
工が容易な長所がある。なお、これは、上記実施例の切
削工具における効果であって、耐摩工具、耐衝撃工具用
材料などにおいては、図２のものが優れた効果を発揮す
ることは勿論あり得る。

【００４１】

【発明の効果】本発明の積層構造焼結体は、最外層に最
も硬い物質層が位置するように同心状に一体に形成さ
れ、しかも最外層に圧縮応力を有しているので、該物質
単体よりも硬く強固で、切削工具用材料、耐摩用材料、
耐衝撃用材料などとして優れた性能を発揮する。またそ
の製造はＳＨＳ／ＨＩＰプロセスにより大規模な超高
圧、高温装置を用いることなく行うことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の焼結体を示す１部切欠斜視図である。

【図２】別の実施例の焼結体を示す１部切欠斜視図であ
る。

【図３】比較のための同心状でない積層構造焼結体の斜
視図である。

【符号の説明】

１第１層２第２層３第３層

フロントページの続き (72)発明者池ヶ谷明彦兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】積層構造の焼結体であって、前記各層は
ダイヤモンド焼結体、セラミック焼結体、周期律表III
a、IVa 、Ｖa 、VIa 族の金属乃至ＡｌとＣ、Ｎ、Ｏ、
Ｂとの化合物の１種以上を硬質相とし鉄族金属を結合相
としたサーメット、または金属のいずれか２種以上によ
って構成され、かつ各層は同心状に一体に形成され、最
外層に圧縮応力を有していることを特徴とする積層構造
焼結体。
【請求項２】焼結体の最外層を構成する物質はダイヤ
モンド焼結体であることを特徴とする請求項１記載の積
層構造焼結体。
【請求項３】積層構造の焼結体であって、前記各層は
ＣＢＮ焼結体、セラミック焼結体、周期律表IIIa、IVa
、Ｖa 、VIa 族の金属乃至ＡｌとＣ、Ｎ、Ｏ、Ｂとの
化合物の１種以上を硬質相とし鉄族金属を結合相とした
サーメット、または金属のいずれか２種以上によって構
成され、かつ各層は同心状に一体に形成され、最外層に
圧縮応力を有していることを特徴とする積層構造焼結
体。
【請求項４】焼結体の最外層を構成する物質はＣＢＮ
焼結体であることを特徴とする請求項３記載の積層構造
焼結体。
【請求項５】積層構造の焼結体であって、前記各層は
セラミック焼結体、周期律表IIIa、IVa 、Ｖa 、VIa 族
の金属乃至ＡｌとＣ、Ｎ、Ｏ、Ｂとの化合物の１種以上
を硬質相とし鉄族金属を結合相としたサーメット、また
は金属のいずれか２種以上によって構成され、かつ各層
は同心状に一体に形成され、最外層に圧縮応力を有して
いることを特徴とする積層構造焼結体。
【請求項６】焼結体の最外層を構成する物質はセラミ
ック焼結体であることを特徴とする請求項５記載の積層
構造焼結体。
【請求項７】積層構造焼結体の各層の線膨張係数が最
外層から内層に向かって順に大きくなっていることを特
徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の積層
構造焼結体。
【請求項８】積層構造焼結体は次の特性の一つ以上を
具備する事を特徴とする請求項１から７に記載の積層構
造焼結体。（１）焼結体の最外層を構成する物質の硬度は該物質単
体の硬度よりも大きな値を示す。（２）焼結体の最外層を構成する物質の破壊靱性は、該
物質単体の破壊靱性よりも大きな値を示す。
【請求項９】積層構造焼結体の各層は最外層から内部
に向かって傾斜組織をなしていることを特徴とする請求
項１から８に記載の積層構造焼結体。
【請求項１０】該積層構造焼結体の最外層の厚みは５
μｍ以上 100μｍ以下であることを特徴とする請求項１
から９に記載の積層構造焼結体。
【請求項１１】積層構造焼結体の表面には、 IVa族の
金属のＣ、Ｎ、Ｏ、Ｂとの化合物及び又はこれらの固溶
体、Ａｌ₂ Ｏ₃ から選らばれた単層又は複層を被覆した
ことを特徴とする請求項１から10に記載の積層構造焼結
体。
【請求項１２】切削工具材料として用いられることを
特徴とする請求項１から11に記載の積層構造焼結体。
【請求項１３】積層構造焼結体の形成は所要積層状に
充填した所要原料粉末に、ＳＨＳ／ＨＩＰプロセスを施
すことによって行われることを特徴とする請求項１から
12に記載の積層構造焼結体の製造方法。