JPS5834429B2 - 窒化硼素焼結体の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高温硬度および耐チッピング性に特に優れた切
削工具として極めて有用な窒化硼素焼結体の製造法に関
するものである。

窒化硼素には、低圧安定相の六方晶型窒化硼素と高圧安
定相の立方晶型窒化硼素釦よびウルツ鉱型窒化硼素がそ
れぞれ知られてかり、中でも高圧安定相の立方晶型窒化
硼素およびウルツ鉱型窒化硼素は、ダイヤモンドに次ぐ
高硬度を有し、熱伝導率も良好なため、切削、研削等の
工具材、或はヒートシング材として特に注目されている
。

しかも、被削材が鉄系の金属の場合には、ダイヤモンド
を用いた工具材は、メカノケミカル反応により消耗が著
しく、使用に耐えないため、この分野の工具材は立方晶
型窒化硼素およびウルツ鉱型窒化硼素が特に注目されて
いる。

しかしながら、高圧安定相の立方晶型窒化硼素釦よびウ
ルツ鉱型窒化硼素は、いずれも天然には産出しないため
、その合成法がいろいろ提案されている。

従来、立方晶型窒化硼素を主構成相とする窒化硼素焼結
体の製造法としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属
、アンチモン、錫、これらの合金およびこれらの窒化物
からなる群より選ばれた一種又は二種以上を触媒として
、六方晶型窒化硼素を高温高圧反応により立方晶型窒化
硼素に転換後、触媒と未反応の六方晶型窒化硼素を化学
的手法により除去し、得た立方晶型窒化硼素を原料とし
て、結合剤としてコバルトとタングステンを加え、再び
高温高圧反応により六方晶型窒化硼素を焼結する方法釦
よび六方晶型窒化硼素に触媒としてコバルトとタングス
テンを加え、高温高圧反応により立方晶型窒化硼素に転
換さぞ、同時に焼結させる方法或は窒化アルミニウムに
Ｉ ｂ 、Ｉ［ｂ Ｊａ 、Ｖａ 。

ＶＩａ、■ａ、ＶＥｉ属元素釦よび硅素からなる群より
選ばれた一種以上を触媒として用い、六方晶型窒化硼素
を高温高圧反応により立方晶型窒化硼素に転換さぞ、同
時に焼結させる方法等が知られている。

しかしながら、これらの製造法による立方晶型窒化硼素
を主構成相とする窒化硼素焼結体は、いずれも金属元素
が結合剤成分として存在するため硬度、なかでも高温硬
度が低く、切削、研削等の工具材として用いた場合、工
具の摩耗が著しい欠点があった。

本発明の窒化硼素焼結体の製造法は、従来のこれらの欠
点を解決するためになされたものであり、高温硬度およ
び耐チッピング性に特に優れた切削工具として極めて有
用な窒化硼素焼結の製造法であり、９５〜６０モル係の
六方晶型窒化硼素と５〜４０モル係の窒化アルミニウム
との混合物を、酸素量が２容量φ以下でかつ圧力が４５
Ｋｂａｒ以上の条件下で８００℃以上で１〜６０分間
反応焼結させる窒化硼素焼結体の製造法である。

すなわち、本発明の製造法は、金属元素を結合剤として
使用ぜず触媒および主構成相として窒化アルミニウムと
いう特定種族の触媒を特定量用いることと、酸素量が限
定された特定の高温高圧条件下で反応焼結することとの
相乗効果により、結晶の大きさが１〜５０μｍの立方晶
型窒化硼素の９５〜６０５〜６０モル条アルミニウムの
５〜４０モル条との複合物より少なくともなり、６００
℃におけるビッカース硬度が１５０ ｏｋｇ／ｎ、４以
上である窒化硼素焼結体が得られ特に高温硬度および耐
チッピング特性に優れた工具材として有用な窒化硼素焼
結体の製造法を初めて見出したものである。

本発明による製造法を更に詳細に説明すると、９５〜６
０５〜６０六方晶型窒化硼素と５〜４０モル幅の窒化ア
ルミニウムを所定量秤量し、Ｖ型□キサ−等の混合器で
混合し、混合物をジルコニウムｚｒ、白金ｐｔなどの金
属、或は六方晶型窒化硼素、酸化アルミニウムなどの無
機化合物で作られた容器内に充填し、次いで容器内の雰
囲気を酸素量が２容量俤以下となる迄窒素、アルゴン等
の不活性ガスで置換するが、或は混合物中に水又はキシ
レン、トルエン、エチールアルコール等の有機溶媒をそ
れらが混合物を覆う程度以上添加して、容器内の酸素量
が容器の内容積に対し２容量φ以下となるように調整し
た後、その容器をガードル型、ベルト型などの高温高圧
装置に設置し、圧力を４５Ｋｂａｒ以上好筐しくば５０
〜８０Ｋｂａｒに加圧するとともに、温度を８００℃以
上好筐しくは１５００〜２０００℃程度まで昇温し、１
〜６０分間好筐しくば５〜３０分間程度保持することに
より、大部分の結晶の大きさが１〜５０μｍの立方晶型
窒化硼素の９５〜６０モル係ト５〜４０モル多の窒化ア
ルミニウムとより少なくともなる複合物が得られ、そし
て６００℃に釦けるピンカス硬度が１５００ｋＶｍＩＬ
以上である緻密な窒化硼素焼結体が得られるものである
。

なか焼結体中にぽ、１〜５０μｍ以外の窒化硼素結晶お
よび未転移の六方晶型窒化硼素等が多少含まれていても
少量であるならばよい。

そして特に本発明に釦いてぽ、反応条件の１つである酸
素量が２容量饅好ましくは０．７容量φ以下であること
が最も大切であり、それは六方晶型窒化硼素と窒化アル
ミニウムとの混合物を収納する容器中に不活性ガスを充
填することにより酸素量を調節してもよいし、オたは混
合物が収納された容器中に水又は有機溶媒等を充填して
空気を追い出し規定容量幅以下の酸素量に調節してもよ
いものであるが、いずれにしても混合物を入れた容器内
の酸素量を２容量係以下に制御することが最も大切であ
る。

筐た、六方晶型窒化硼素と窒化アルミニウムの混合比、
酸素量、高温高圧条件等を選択することにより、生成す
る焼結体の主構成相である立方晶型窒化硼素単結晶の大
きさ、焼結体の硬度等を調節でき、工具材として用いる
場合、被削材の性質に合致した工具性能を得ることがで
きるものである。

次に本発明の限定理由を説明する。

窒化アルミニウムの混合量を５〜４０モル条としたのは
、第１図に示すとかり５モル係未満では立方晶型窒化硼
素と窒化アルミニウムの緻密な焼結体を製造するための
圧力が高くなりすぎて実用的でなく、４０モル条を越え
ると高温硬度が低下し、工具として用いた場合、耐摩耗
性に劣り好ましくないためである。

筐た、酸素量を２容量多以下と限定したのは、２容量係
を越えると１〜５０μｍの立方晶型窒化硼素単結晶と窒
化アルミニウムからなる緻密な窒化硼素焼結体が製造で
きないためであり、４５Ｋｂ ａ ｒ以上の圧力、８０
０℃以上の温度と限定したのは、第２図に示すとかり圧
力が４５ Ｋｂａｒ未満、或は温度が８００℃未満にな
ると六方晶型窒化硼素から立方晶型窒化硼素への転移が
事実上停止し、本発明の緻密な窒化硼素焼結体を製造で
きないためである。

また、反応時間を１〜６０分と限定したのは、１分未満
では窒化硼素の結晶が微細すぎ、６０分を越えると結晶
が大きく成長しすぎていずれも工具材として好筐しくな
く、普た後者の場合には工業的に不経済である。

以下、本発明を実施例につき更に詳細に説明する。

実施例 １ ８５モル条の六方晶型窒化硼素と１５モル条の窒化アル
ミニウムを全量が５５０ＷＮｉになるように秤量し、ア
ルゴンを満たしたグローブボックス内のメノウ乳鉢で混
合し、ジルコニウム製の容器に充填した。

次いで、その容器をデシケータ−中に移し、真空ポンプ
で脱気後、デシケータ−内を酸素量が１１００ｐｐのア
ルゴンで満し、容器内の雰囲気を酸素量が１１００ｐｐ
のアルゴン雰囲気とした。

次いで、デシケータ−中で容器に蓋をして口を封止した
後、容器なデシケータ−より取り出し、カーボンヒータ
ー内蔵のガードル型高温高圧装置内に設置し、３分間で
７０Ｋｂａｒｔで昇圧後、２分間で１６５０℃１で昇温
し、１６５０℃で１５分間保持後、降温、降圧し、本発
明による試料１を得た。

さらに、高温高圧反応の保持時間を１６５０’Ｃで２分
釦よび５０分間にそれぞれ変化さぞて、他は上記と全く
同様にして本発明による試料２，３を得た。

また比較のために１６５０°Ｃ，［釦ける保持時間を２
０秒という短かいもの、釦よび１５０分という長いもの
を実施し、他は同一条件で行ってそれぞれ参考品として
比較試料１．２とした。

さらに、８５モル係の六方晶型窒化硼素、１０１１モル
係のコバルトおよび５モル多のタングステンからなる調
合物並びに８５モル係の六方晶型窒化硼素、１０モル係
の窒化アル□ニウムおよび５モル多のコバルトからなる
調合物を試料１の製造条件と同様の条件で実施し、比較
試料３，４を得た。

また、従来品窒化硼素焼結体（商品名ＢＺＮ ）を従
来品としてそれぞれ用意した。

そして試料１゜２．３、比較試料１，２，３，４および
従来品の立方晶型窒化硼素の結晶の大きさ、６００℃に
釦けるビッカース硬度をそれぞれ測定し第１表に示した
。

更に、これらの窒化硼素について工具性能を比較するた
め、５Ｘ５Ｘ２ｍｍで刃先き丸みが０．４Ｒのバイトチ
ップを作り、ＨＲＣ６５の浸炭焼入鋼の外周旋削を１０
分間行い、チップの刃先き近傍の逃げ面摩耗痕の大きさ
を測定した。

旋削条件は、切削速度１００．〆咀切込み０．２ｒｒｒ
ｍ、送り０．１ｒｒｒ＃／ｒｅｖとした。

各バイトチップの工具性能を第１表に示した。

第１表の結果から明らかなとおり、本発明による立方晶
型窒化硼素と窒化アルミニウムとの緻密な焼結体ぼ、高
温硬度が非常に高く、バイトチップとして用いた場合、
高温と苛酷な応力状態にさらされる刃先き近傍の摩耗が
少ない優れた工具材が得られた。

−万、旋削試験後の顕微鏡観察によって比較試料１、比
較試料３、比較試料４には、立方晶型窒化硼素の剥離に
よるチッピングがみられ比較試料２には、立方晶型窒化
硼素の襞間破壊がみられた。

実施例 ２ ７０モル多の六方晶型窒化硼素と３０モル多の窒化アル
ミニウムを全量が５５０ｍｆＩになるように秤量し、窒
素を満したグローブボックス内のメノウ乳鉢で混合し、
白金製の容器に充填した。

次いでその容器をデシケータ−中に移し、真空ポンプで
脱気後、デシケータ−内を酸素量が１１０００ｐｐの窒
素で満し、容器内の雰囲気を酸素量が１１０００ｐｐの
窒素雰囲気とした。

次いでデシケータ−中で容器に蓋をして出口を封止した
。

この容器を実施例１と同様な高温高圧装置により、６５
Ｋｂａｒの圧力、１８００℃の温度で３０分間保持後
、降温、降圧し、本発明による試料４を得た。

筐たデシケータ−に満す雰囲気、すなわち容伊拳器内の
雰囲気を酸素量がそれぞれ０．５容量％、１．５容量俤
の窒素とし、同様にして高温高圧反応させ本発明による
試料５，６を得た。

さらに参考品として、容器内の雰囲気を酸素量１０％の
窒素および空気としたものを比較試料５、比較試料６と
してそれぞれ用意した。

試料４，５，６、比較試料５，６の立方晶型窒化硼素の
結晶の大きさ、６００℃におけるビッカース硬度をそれ
ぞれ測定し、第２表に示した。

第２表の結果から明らかなとかり、本発明にかいては酸
素量が祝め工重要であり、比較試料５，６のビッカース
硬度は暑しく低いものであった。

なか、Ｘ線回折では、比較試料５，６が、未反応の六方
晶型窒化硼素による回折ピークが強く現われたのに対し
、本発明１（よる試料４，５．６では、その回折ピーク
は見られなかった。

実施例 ３ ９５モル係の六方晶型窒化硼素と５モル係の窒化アルミ
ニウムをＶ型□キサ−で混合後、５５０η秤量し、酸化
アルミニウム製の容器に入れ真空ポンプで脱気後、溶存
酸素を５ｐｐｍに調整した２００μｔの水を添加し空気
を全て追い出した後開口を封止した。

そして圧力を８５Ｋｂａｒ、他の条件を実施例１と同様
にして高温高圧処理し、本発明による試料７を得た。

また、２００μｔの水に代えて２００μｔのエチールア
ルコール、キシレン並ヒにトルエンヲ用い、同様に溶存
酸素量を５ｐｐｍに調整して同様に処理し、本発明によ
る試料８，９．１０を得た。

１００モル係の六方晶型窒化硼素５５０７７ｖに、溶存
酸素５ｐｐｍに調整した２ ００ ｔｔｔの水、エチー
ルアルコール、キシレン並ヒにトルエンを同様に添加し
、同様の条件で高温高圧処理し、参考品としての比較試
料７，８，９，１０を得た。

比較試料７，８，９，１０ば、Ｘ線回折では立方晶型窒
化硼素の存在が認められず、６００℃にかけるビッカー
ス硬度も２００に２〜以下のきわめて低いものであり、
正確な値を求めることばできなかった。

一方、本発明による試料７，８，９゜１０ば、３〜５μ
ｍの立方晶型窒化硼素結晶と窒化アルミニウムからなる
緻密な複合焼結体であり、その６００℃におけるビッカ
ース硬度も３１８０〜３２２０ Ｋ１ｍｍ２ときわめて
高硬度であった。

本実施例から明らかなように、水又は有機溶媒を用いて
も酸素量を容器の内容積に対し２，０容量係以下に制御
すれば、酸素量が２容量係以下の不活性ガスを用いた場
合と同様の結果が得られることが確認された。

実施例 ４ 六方晶型硼化硼素と窒化アルミニウムを、モル比で９７
：３，９５：５，９０：１０，８０：２０゜７０：３０
，５０：５０に調整し、それぞれの混合物を５５０ｑづ
つ秤量した。

これらをアルゴンを満したグローブボックス内のメノウ
乳鉢で混合し、ジルコニウム製容器に充填後、容器内の
雰囲気を実施例１と同様にして、酸素量が１００ ｐｐ
ｍのアルゴン雰囲気とし、ガードンレ型高温高圧装置に
設置した。

そして３分間で所定の圧力昔で昇圧後、２分間で１６５
０’Ｃ−！で昇温し、１５分間保持後、降温、降圧し、
窒化硼素と窒化アルミニウムＯＸ結体を得た。

Ｘ線回折、顕微鏡観察および硬度測定より、構成相の窒
化硼素が１〜５０μｍの立方晶型窒化硼素単結晶である
６０００Ｇにおけるビッカース硬度が１５００ ＫＬｙ
ｗＩ？以上の緻密な焼結体の製造できる圧力組成領域を
求めたところ、第１図に示す領域とほとんど同一である
ことが確認された。

実施例 ５ 実施例１と同様にして、８０モル多の六方晶型窒化硼素
と２０モル係の窒化アル□ニウムの混合物をジルコニウ
ム容器内に充填後、酸素量が１１００ｐｐのアルゴン雰
囲気とし、容器をガードル型高温高圧装配に設置し、所
定の圧力昔で３分間で昇圧し、所定の温度まで２分間で
昇温後、１５分間保持し、降温、降圧し、窒化硼素と窒
化アルミニウムの焼結体を得た。

Ｘ線回折、顕微鏡観察および硬度測定より、主構成相の
窒化硼素が１〜５０μｍの立方晶型窒化硼素単結晶であ
る６ ００ ’Ｃ［おけるビッカース硬度が１５００
Ｋｙ／ｒｒａｎ２以上の緻密な焼結体の製造できる圧力
温度領域を求めたところ、第２図に示す領域とほとんど
同一であることが確認された。

以上のべたとかり、本発明の窒化硼素焼結体の製造法は
、窒化アルミニウムという特定種類の触媒を特定量用い
ることと限定された酸素含有量の特定な高温高圧条件下
で反応焼結することとの相乗効果により、結晶の大ぎさ
が１〜５０μｍで６００℃にかけるビッカース硬度が１
５００Ｋｇ／ｒｍ２以上というダイヤモンドに次ぐ高硬
度釦よび高熱伝導率を有する、高温硬度および耐チッピ
ング特性に優れた切削、研削等の工具材として最適な窒
化硼素焼結体が得られるものであり、特に工具材釦よび
ヒートシンク材として極めて有用な窒化硼素焼結体の製
造法であって、産業上有用な窒化硼素焼結体の製造法で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による焼結体のできる圧力と窒化アルミ
ニウム含有量との関係を示す説明図、第２図は本発明に
よる焼結体のできる圧力と温度との関係を示す説明図で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １９５〜６０モル多の六方晶型窒化硼素と５〜４０モル
   ダの窒化アルミニウムとの混合物を、酸素量が２容量多
   以下でかつ圧力が４５Ｋｂａｒ以上の条件下で８００℃
   以上で１〜６０分間反応焼結ｇ−ｅることを特徴とする
   窒化硼素焼結体の製造法。