JPH11322310A - 立方晶窒化ホウ素多結晶砥粒およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高強度で耐熱性に勝れ、鉄系材料の重研削、
高速研削用砥石の砥粒として好適なｃＢＮ砥粒を提供す
る。 【解決手段】 砥粒は、粒径１μｍ以下のｃＢＮの微結
晶からなる多結晶体であり、該多結晶体のそれぞれのｃ
ＢＮ（２２０）面のＸ線回折強度（Ｉ₂₂₀）と、（１１
１）面のＸ線回折強度（Ｉ₁₁₁）との比（Ｉ₂₂₀／
Ｉ₁₁₁）が０．１以上であることを特徴とする。なお該
多結晶体には０．０１〜０．５体積％の圧縮型ｈＢＮを
含有せしめることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は立方晶窒化ホウ素
（ｃＢＮ）砥粒およびその製造方法に関するもので、特
に鉄系材料の重研削、高速研削に用いることのできる、
高強度で耐熱性に優れたｃＢＮ焼結体多結晶砥粒に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ｃＢＮは、ダイヤモンドに次ぐ硬度を有
し、熱的化学的安定性の高い物質であり、従来より鉄系
材料の研削材、研磨材、切削工具として用いられてい
る。現在、研削用に用いられているｃＢＮ砥粒は、六方
晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）を、アルカリ金属やアルカリ土
類金属の窒化物やホウ窒化物を触媒として、高温高圧下
で合成されたｃＢＮ結晶である。適当な破砕性のある砥
粒は、ビトリファイドボンド砥石やレジノイド砥石に用
いられているが、メタルボンド砥石や電着砥石用の砥粒
は高い強度が要求され、ブロッキーな形状の比較的靭性
の高い単結晶砥粒が用いられている。また、多結晶砥粒
も市販されており、強度の要求される研削用途の一部に
用いられている。

【０００３】通常ｃＢＮ焼結体は、１０〜４０体積％程
度のバインダーを用いて超高圧下で焼結されるが、この
バインダーのため、焼結体の強度、耐熱性が大きく低下
してしまう。一方、バインダーを含まないｃＢＮ焼結体
として、ホウ窒化マグネシウムなどの触媒を用いて六方
晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）を原料として、反応焼結させた
焼結体がある。この焼結体はバインダーがなくｃＢＮ粒
子が強く結合しているため熱伝導率が６〜７Ｗ／cm℃と
高く、ヒートシンク材やＴＡＢボンディングツールなど
に用いられている。しかし、この焼結体の中には触媒が
いくらか残留しているため、熱を加えるとこの触媒とｃ
ＢＮとの熱膨張差による微細クラックが入りやすい。こ
のため、その耐熱温度は７００℃程度と低く、切削工具
としては大きな問題となる。また、粒径が１０μｍ前後
と大きいため、熱伝導率が高いものの、強度が十分でな
く、多結晶砥粒の原材料として用いることができない。
また、ｈＢＮ→ｃＢＮ変換と同時に焼結させることで、
バインダーを含まないｃＢＮ焼結体を作製できることが
知られている。たとえば、特開昭４７−３４０９９号公
報や特開平３−１５９９６４号公報にｈＢＮを超高圧高
温下でｃＢＮに変換させ、ｃＢＮ焼結体を得る方法が示
されている。これらの方法では、ｃＢＮ焼結体の製造に
７ＧＰａ、２１００℃以上の厳しい圧力温度条件が必要
で、得られる焼結体を構成するｃＢＮ粒子の粒径は大き
いもので、３〜５μｍ、あるいはそれ以上と大きく、不
揃いでかつ粒子間の結合力も十分でない。また、特公昭
６３−３９４号公報、や特開平８−４７８０１号公報に
は熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）原料にして、ｃＢＮ焼結
体を作製する方法が示されている。

【０００４】これを粉砕した砥粒が、たとえば特開平５
−３１１１５４号公報に示されている。しかし、熱分解
窒化ホウ素は極めて高価であり、ｃＢＮ焼結体の作製に
８ＧＰａ、２０００℃前後の厳しい条件が必要であるほ
か、圧縮ｈＢＮ残留の制御が困難であること、配向（異
方）性が強くて層状亀裂や剥離が生じやすいなどの問題
がある。

【０００５】また、よりマイルドな条件で直接変換によ
りｃＢＮを得る方法として例えば、特公昭４９−２７５
１８号公報に、一次粒子の平均粒径が３μｍ以下の六方
晶系窒化ホウ素を原料とする方法が示されている。これ
により６ＧＰａ、１１００℃の条件でｃＢＮが得られる
が、六方晶窒化ホウ素が微粉であるため、数％の酸化ホ
ウ素不純物や吸着ガスを含み、そのため焼結が十分に進
行せず、また、酸化物を焼結体内に多く含むため、高硬
度、高強度で耐熱性に優れた焼結体が得られない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】通常、強度の要求され
る研削用途で良く用いられるｃＢＮ砥粒は上記のように
ブロッキーな形状の単結晶である。しかし、ｃＢＮ結晶
はへき開しやすく、重研削、高速研削用の砥石としては
強度面で不十分である。また一部で用いられている多結
晶砥粒は、単結晶砥粒より強度的にやや改善されるが、
従来の多結晶砥粒は、上記のように構成する一次粒子の
粒径が数μｍから十数μｍと粗く不揃いで、また、粒子
結合が不十分であるため、重研削時に破砕されてしま
う。特に高温での強度低下が大きく、高速で研削する際
に破砕されやすい。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
め、本発明者らは、高強度で、耐熱性に優れたｃＢＮ焼
結体を作製し、それを粉砕して、高強度なｃＢＮ多結晶
砥粒を製造する方法を検討した。そこで、本発明者ら
は、高強度で耐熱性に優れたｃＢＮ焼結体を得るため、
直接変換によるｃＢＮ焼結体作製において、出発物質に
高純度化が可能な微粒もしくは低結晶性の常圧型ＢＮを
用い、粒成長の起こらない温度範囲で変換焼結して、粒
子同士の結合力、粒径および未変換ｈＢＮ（圧縮型ｈＢ
Ｎとして焼結体内に残留）の残留量を制御したところ、
従来にない高強度で耐熱性ｃＢＮ焼結体に優れた焼結体
が得られることを見い出した（特願平８−３１７６９９
号、特願平１０−６４７０９号）。そして、この焼結体
を粉砕して得たｃＢＮ多結晶砥粒が、研削用砥粒として
優れた特性を有することを確認し、本発明に至った。

【０００８】すなわち、本発明の第１の特徴とするとこ
ろは、砥粒が粒径１μｍ以下の立方晶窒化ホウ素の微結
晶からなる多結晶体であり、該多結晶体のそれぞれの立
方晶窒化ホウ素（２２０）面のＸ線回折強度（Ｉ₂₂₀）
と、（１１１）面のＸ線回折強度（Ｉ₁₁₁）との比（Ｉ
₂₂₀／Ｉ₁₁₁）が０．１以上であることである。そして第
２の特徴は、その砥粒が圧縮六方晶窒化ホウ素を０．０
１〜０．５体積％含むことである。第３の特徴は、その
砥粒が８００℃以上１４００℃以下の温度で、強度が低
下しないことである。第４の特徴は、更にその砥粒が１
０００℃以上１３００℃以下の温度下の強度が室温の強
度より高いことである。

【０００９】本発明の別の特徴は、ホウ素と酸素を含む
化合物を、炭素と窒素とを含む化合物で還元することに
より合成された低圧相窒化ホウ素を出発物質として、高
温高圧下で立方晶窒化ホウ素に直接変換させると同時に
焼結させて立方晶窒化ホウ素焼結体を作製し、該焼結体
を粉砕して砥粒とすることである。そして前記立方晶窒
化ホウ素への直接変換は、前記ホウ素と酸素とを含む化
合物の沸点以上の温度で、前記低圧相窒化ホウ素を非酸
化性雰囲気で加熱したのち行うことを更に別の特徴の一
つとするものである。

【００１０】

【作用】本発明のｃＢＮ多結晶体砥粒は、以下に示すよ
うな、粒子同士の結合力、粒径および未変換ｈＢＮ（圧
縮型ｈＢＮとして焼結体内に残留）の残留量を制御する
ことにより作製された高強度、耐熱性ｃＢＮ焼結体を粉
砕することにより得られる。この高強度、耐熱性ｃＢＮ
焼結体の作製は具体的には、出発原料に高純度で微粒も
しくは低結晶性のｈＢＮを用い、粒成長の起こらない温
度範囲で変換焼結することにより行われる。

【００１１】ここで用いる、低結晶性の常圧型ＢＮは、
酸化ホウ素やホウ酸を炭素や有機物で還元し、窒化させ
て作製されたものが好ましい。通常、常圧型ＢＮの合成
方法として、酸化ホウ素やホウ酸をアンモニアと反応さ
せる方法が一般に工業的に行われている。しかし、この
ようにして得られたＢＮは、高温で熱処理するとｈＢＮ
へ結晶化する。このため、この方法により微細で低結晶
性の常圧型ＢＮを合成しても、不純物の酸化ホウ素を除
去するための高温精製処理（窒素ガス中２０５０℃以
上、真空中１６５０℃以上など）を行うと、ｈＢNに結
晶化、粒成長してしまう。これに対し、酸化ホウ素やホ
ウ酸を炭素で還元窒化させた常圧型ＢＮは、高温で熱処
理しても結晶化しない特徴があり、したがって、この方
法で微粒で低結晶性の常圧型ＢＮを合成し、窒素ガス中
２０５０℃以上または真空中１６５０℃以上などの高純
度精製処理を行うことで、酸化ホウ素や吸着ガスのない
直接変換焼結に非常に適した常圧型ＢＮが得られる。

【００１２】このｃＢＮ焼結体の合成（焼結）条件は、
圧力６〜７ＧＰａ、温度１５５０℃〜２１００℃が好ま
しい。特に焼結温度が重要で、低いとｃＢＮへの変換が
十分でなく、高すぎるとｃＢＮの粒成長が進行し、ｃＢ
Ｎ同士の結合力が小さくなる。ｃＢＮの粒成長の起こら
ない焼結温度は、出発原料の結晶性、粒径により変化す
る。上記の適切な焼結温度範囲で焼結したｃＢＮ焼結体
は、粒径１μｍ以下のｃＢＮからなる緻密な組織を有
し、強度が高い。この焼結体の破面を見ると、粒内破壊
が支配的で、粒子同士の結合力が強いことを示してい
る。１０００℃の高温でも強度が低下せず、むしろ室温
より向上する傾向がある。高温下で、粒子内の転位の移
動による塑性変形が起こり、それにより亀裂先端での応
力集中が緩和され、破壊強度が向上すると考えられる。

【００１３】一方、これより高い温度で焼結した焼結体
は、粒径が１μｍを越え、破面を見ると主に粒界で破壊
し、粒間結合が弱いことを示した。高温下ではさらに強
度が低下、１０００℃では室温の約半分程度の強度とな
る。高温下では弱い粒界が更に弱化し、粒界で不均一な
変形がおこるため、高温での強度が低下すると考えられ
る。従来の直接変換によるｃＢＮ焼結体は、結晶性のよ
いｈＢＮやｐＢＮを用いていたので、十分なｈＢＮ→ｃ
ＢＮ変換を行うのに２１００℃以上の温度が必要で、そ
の結果、焼結体を構成するｃＢＮ粒子の粒径が３〜５μ
ｍと大きくなり、粒子間の結合力も弱く、上記の理由で
高温での強度は低い。すなわち、従来の方法では、高温
下で高い強度を有する焼結体は得られない。なお、１４
００℃を越える高温下では、ｃＢＮはｈＢＮに変換す
る。

【００１４】通常、直接変換によるｃＢＮ焼結体は、＜
１１１＞方向への配向性があるが、このようにして作製
されたｃＢＮ焼結体は、等方性に優れるのが特徴であ
る。すなわち、この焼結体の立方晶窒化ホウ素（２２
０）面のＸ線回折強度（Ｉ₂₂₀）と、（１１１）面のＸ
線回折強度（Ｉ₁₁₁）との比（Ｉ₂₂₀／Ｉ₁₁₁ ）が０．１
以上である。ここで、Ｉ₂₂₀／Ｉ₁₁₁が０．１未満であれ
ば、ｃＢＮ焼結体は＜１１１＞方向への配向が強いとい
える。すなわち、この場合、ｃＢＮ焼結体は異方性であ
るため、層状亀裂や剥離が生じやすくなる。

【００１５】また、このｃＢＮ焼結体は０．０１〜０．
５体積％の圧縮型ｈＢＮを含むのがもう一つの特徴であ
る。この程度の圧縮型ｈＢＮは焼結体の強度に影響を及
ぼさない。むしろ亀裂の進展を阻止し、靭性を向上させ
る効果がある。圧縮型ｈＢＮが０．０１体積より少ない
焼結体は、靭性が低下し、０．５体積％を越えると、圧
縮型ｈＢＮでの応力集中が大きくなり、強度が低下す
る。

【００１６】こうして得られたｃＢＮ焼結体は、微粒
で、ｃＢＮ粒子同士が強固に結合した緻密な組織を有
し、等方性に優れていることから、高強度で、高温下で
もその強度が低下することがない。１０００℃を越える
温度では強度が向上するという従来の焼結体に見られな
い特徴を有す。１０００℃以上の強度は、従来のｃＢＮ
焼結体の強度の２倍以上となる。この傾向は１３００℃
までは充分に認められる。

【００１７】このような焼結体を粉砕することで、従来
の砥粒にない高強度で耐熱性の高いｃＢＮ多結晶砥粒が
得られる。たとえば鉄系材料の高速重切削に用いた場合
に、従来のｃＢＮ砥粒では研削不可能であった加工にお
いても優れた性能を示す。また、このｃＢＮ多結晶砥粒
を切削工具用ｃＢＮ焼結体の原料とすることで、耐摩耗
性、耐欠損性に優れた焼結体を得ることも可能である。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の具体的な実施の形態につ
いては実施例で示す。

【００１９】

【実施例】実施例１〜３および比較例１〜５ 窒素雰囲気中で、酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）を炭素で還元窒
化させて微細なｈＢＮの粉末を合成し、さらに、窒素雰
囲気中、２１００℃で２時間処理した。得られたｈＢＮ
粉末は、平均粒径０．１μｍで、酸素含有量は０．１重
量％であった。このｈＢＮ粉末を６ｔｏｎ／ｃｍ²で型
押し成形し、この成形体を再度、高周波炉で、Ｎ₂ガス
中、２１００℃で２時間処理した。

【００２０】次にこの高純度処理した試料をＭｏカプセ
ルに入れ、ベルト型超高圧発生装置で６．５ＧＰａで、
表１に記載した実施例１、２、３、並びに比較例１、２
の焼結温度で１５分処理し、ｃＢＮに変換、焼結した。
得られた各焼結体は表１に示すようにほとんどｃＢＮか
らなる緻密な焼結体であった。実施例１、２、３の焼結
体は０．０３〜０．３３体積％の圧縮型ｈＢＮを含み、
それぞれの焼結体の破面をＳＥＭ観察したところ、いず
れもｃＢＮ粒子の大きさは約０．１〜０．５μｍと微細
であり、かつ、粒内破壊が支配的で、粒子同士が強固に
結合していることを示した。

【００２１】

【表１】

【００２２】また、この焼結体のｃＢＮの（２２０）面
のＸ線回折（Ｉ₂₂₀）と、（１１１）面のＸ線回折強度
（Ｉ₁₁₁）との比Ｉ₂₂₀／Ｉ₁₁₁＝は、０．１２〜０．２
であった。このようにＩ₂₂₀の割合が比較的大きいこと
は、ｃＢＮが等方性であり、強度、硬度及び耐熱性に勝
れていることを示す。ちなみにこれらの焼結体から、６
×３×０．７ｍｍの試料片を切り出し、ＳｉＣ製の治具
を用いて、曲げ強度（スパン長：４ｍｍ）を測定した。
結果を表１に示す。なお、市販されているバインダーを
約１０％含む焼結体の測定結果も比較例３として同表中
に記載した。

【００２３】次に、上記実施例１、２、３、並びに比較
例１、２の焼結体を振動ミルで粉砕し、ふるい分けし
て、粒度♯５０／６０の多結晶砥粒を得た。それぞれそ
の衝撃圧壊強度を、打撃式衝撃圧壊試験機で評価した。
それぞれ１００粒ずつ圧壊テストを行い、圧壊した荷重
の平均値で評価した。比較のため、市販のメタルボンド
用のｃＢＮ単結晶砥粒（比較例４）と、従来の市販ｃＢ
Ｎ多結晶体砥粒（比較例５）についても同様のテストを
行った。結果を表２に示す。

【００２４】

【表２】

【００２５】表２より、本発明のｃＢＮ多結晶砥粒（実
施例１〜３）は、衝撃圧壊強度に優れ、また表１に示し
た原材料のｃＢＮ焼結体の特性から、高温下での強度も
高いと考えられ、研削用の砥粒として極めて優れた特性
を有する。

【００２６】比較例６ 市販の結晶性のよいｈＢＮ成形体を、窒素雰囲気中２１
００℃で２時間処理し、酸素含有量は０．０３重量％に
高純度精製した。これをＭｏカプセルに入れ、ベルト型
超高圧発生装置で７．７ＧＰａで、２２００℃で１５分
処理し、ｃＢＮに変換、焼結した。ほとんどｃＢＮから
なる焼結体が得られたが、ｃＢＮ粒子の大ききは約３〜
５μｍ程度で、この焼結体のｃＢＮの（２２０）面のＸ
線回折（Ｉ₂₂₀）と、（１１１）面のＸ線画回折強度
（Ｉ₁₁₁）との比Ｉ₂₂₀／Ｉ₁₁₁は、０．０６であった。
この焼結体を上記実施例と同様に、粉砕し、拉度♯５０
／６０の多結晶砥粒を得た。それぞれその衝撃圧壊強度
を、打撃式衝撃圧壊試験機で評価したところ、衝撃圧壊
荷重は４２Ｎ程度と低かった。

【００２７】比較例７ 市販のｐＢＮ成形体を、窒素雰囲気中２１００℃で２時
間処理し、酸素含有量は０．０２重量％に高純度精製し
た。これをＭｏカプセルに入れ、ベルト型超高圧発生装
置で７．７ＧＰａで、２２００℃で１５分処理し、ｃＢ
Ｎに変換、焼結した。得られた焼結体は、ほとんどｃＢ
Ｎからなる焼結体であったが、ｃＢＮ粒子の大きさは最
大５μｍ程度で、この焼結体のｃＢＮの（２２０）面の
回折線はほとんど見られず、ｃＢＮの（２２０）面のＸ
線回折（Ｉ₂₂₀）と、（１１１）面のＸ線回折強度（Ｉ
₁₁₁）との比Ｉ₂₂₀／Ｉ₁₁₁は、０．０１以下であった。
このことから、このｃＢＮ焼結体は＜１１１＞方向に選
択的に配向した、異方性の強い焼結体であることがわか
った。この焼結体を上記実施例と同様に、粉砕し、粒度
＃５０／６０の多結晶砥粒を得た。それぞれその衝撃圧
壊強度を、打撃式衝撃圧壊試験機で評価したところ、衝
撃圧壊荷重は４０Ｎ程度と低かった。

【００２８】

【発明の効果】以上各項において述べたように、本発明
によるｃＢＮ焼結体多結晶砥粒は、高強度で耐熱性に勝
れ、鉄系材料の重研削用砥石、高速研削用砥石などの砥
石として好適である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 砥粒は、粒径１μｍ以下の立方晶窒化ホ
   ウ素の微結晶からなる多結晶体であり、該多結晶体のそ
   れぞれの立方晶窒化ホウ素（２２０）面のＸ線回折強度
   （Ｉ₂₂₀）と、（１１１）面のＸ線回折強度（Ｉ₁₁₁）と
   の比（Ｉ₂₂₀／Ｉ₁₁₁）が０．１以上であることを特徴と
   する立方晶窒化ホウ素多結晶砥粒。
2. 【請求項２】 圧縮六方晶窒化ホウ素を０．０１〜０．
   ５体積％含むことを特徴とする請求項１記載の立方晶窒
   化ホウ素多結晶砥粒。
3. 【請求項３】 ８００℃以上１４００℃以下の温度で、
   強度が低下しないことを特徴とする請求項１または２記
   載の立方晶窒化ホウ素多結晶砥粒。
4. 【請求項４】 １０００℃以上１３００℃以下の温度下
   の強度が室温の強度より高いことを特徴とする請求項
   １、２または３記載の立方晶窒化ホウ素多結晶砥粒。
5. 【請求項５】 ホウ素と酸素を含む化合物を、炭素と窒
   素とを含む化合物で還元することにより合成された低圧
   相窒化ホウ素を出発物質として、高温高圧下で立方晶窒
   化ホウ素に直接変換させると同時に焼結させて立方晶窒
   化ホウ素焼結体を作製し、該立方晶窒化ホウ素焼結体を
   粉砕することを特徴とする立方晶窒化ホウ素多結晶砥粒
   の製造方法。
6. 【請求項６】 前記立方晶窒化ホウ素への直接変換は、
   前記ホウ素と酸素とを含む化合物の沸点以上の温度で、
   前記低圧相窒化ホウ素を非酸化性雰囲気で加熱したのち
   行われることを特徴とする請求項５記載の立方晶窒化ホ
   ウ素多結晶砥粒の製造方法。