JPS5860678A - 切削および耐摩耗工具用高靭性窒化硼素基超高圧焼結材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、特にすぐれた靭性と耐摩耗性を有し、かつ
高硬度と、すぐれた耐熱性および高温強度を備え、これ
らの特性が要求される高速度鋼や、Ｎ１基あるいはＣＯ
基スーパーアロイなどの被削材の切削工具として、さら
に軸受や線引きターイスなどの耐摩耗工具として使用す
るのに適した窒化硼素基超高圧焼結材料に関するもので
ある。

近年、炭化タングステン基焼結材料に比して、きわめて
すぐれた耐摩耗性を有する立方晶窒化硼素基超高圧焼結
材料（以下Ｃ’ＢＮ基焼結材料という）を切削工具や耐
摩耗工具として使用することが提案されている。

このＣＢ　Ｎ基焼結材料は、分散相を形成するＣＢＮ粒
子の結合相によって２種類に大別することができ、その
１つが結合相を鉄族金属あるいはＡＭなどを主成分とす
る金属で構成したものであり、もう１つが窒化チタン、
炭化チタン、窒化アルミニウム、または酸化アルミニウ
ムなどを主成分としたセラミック系化合物で結合相を構
成したものである。しかし、前者においては、前記のよ
うに結合相が金属であるために高温で軟化しやすく、し
たがって、これを例えば切削工具として使用した場合に
は多大の熱発生を伴う苛酷な切削条件下では耐摩耗性不
足をきたして十分なる切削性能の発揮は期待できず、熱
発生の少ない条件、すなわち負荷の少ない条件でしか使
用することができないものである。また、後者において
は、上記のように結合相がセラミック系化合物で構成さ
れているために、耐熱性および耐摩耗性のすぐれたもの
になっているが、・反面靭性不足を避けることができず
、例えば高速度鋼のフライス切削などの刃先に大きな衝
撃力の加わる切削条件下ではチッピングや欠損を起し易
いものである。

また、上記の２種類の従来ＣＢＮ基焼結材料のもつそれ
ぞれの問題点を解消する目的で、結合相を金属とセラミ
ックス系化合物で構成したＣＢＮ基焼結材料も提案され
たが、このＣＢＮ基焼結材料においても十分満足する靭
性を示さず、同様に例えば高速度鋼のフライス切削のよ
うな刃先に大きな衝撃力の加わる切削条件下で切削工具
として使用した場合刃先に欠損が発生し易いものである
。

これは、上記ＣＢＮ基焼結材料におけるＣＢＮ粒子と結
合相（金属＋セラミックス系化合物）との境界部を走査
型電子顕微鏡にょシ詳細に観察した結果明らかになった
ものであるが、超高圧焼結時にＣＢＮ粒子の表面におけ
る微小な凹部への前記結合相のまわシ込みが十分に行な
われないことに原因する微小な未結合部（ボイド）が前
記境界部に形成され、さらにＣＢＮ粒子と結合相との密
着性は、結合相の構成成分によって異なるが、特に炭化
物系のセラミックスの場合著しく低く、このためＣＢＮ
粒子と結合相との間に部分的に結合強度の弱い部分が形
成されることに原因するものと解される。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特にす
ぐれた靭性と耐摩耗性とを兼ね備えたＣ　ｆ３　Ｎ基焼
結材料を得べく研究を行なった結宋、ｃＢＮ基焼結材料
を、Ｔｉ、Ｈｆ、　およびｓｌの１種または２種り、上
の窒化物からなる結合強化窒化物：５〜４０　重量％　
、　Ｔｉ、、　Ｈｆ、　　オＪ：　ヒｓｉノ１種ｔたは
２種以」二の炭化物　５〜３５重量％を含有し、残りが
ＣＢＮ（立方晶窒化硼素）と不可避不純物からなる組成
を有し、かつＣＢ　Ｎが体積割合で４０〜９０％を占め
ると共に１．に記結合強化窒化物がＣ１３Ｎを０．１〜
２μｍの平均層厚で包囲した組織を有するものとすると
、分散相を構成したＣＢＮ粒子を包囲した結合強化窒化
物は、ＣＢＮ粒子、並びに結合相を構成する上記炭化物
との結合強度が高いので、これら両者と強固に結合し、
かつ上記結合強化窒化物は原料調製時に予めＣＢＮ粒子
表面に化学蒸着法（ＣＶＤ法）、プラズマ化学蒸着法（
ＰＣＶＤ法）、および物理蒸着法（ＰＶＤ法）などによ
シ強固にして緻密に被覆されているので、Ｃ１３Ｎ粒子
と結合強化窒化物包囲層との境界部に未結合部（ボイド
）は全く存在せず、この結果靭性の高いものとなるばか
りでなく、耐摩耗性のすぐれたものとなシ、さらに、と
のｃ　Ｂ　Ｎ基焼結材料に、Ａｌ！、、Ｚｒ、およ−び
Ｙの１種または２種以上の酸化物を５、〜１５重量％の
範囲で含有させると、実用時における化学的安定性が一
段と増すようになり、また、Ｎｉ、　Ｕ、Ｃｏ、および
Ｓｌのうちの１種または２種以上−１ｚ０．５〜１５重
量％の範囲で含有させると、これらの成分には脱酸作用
および結合相同志の結合力強化作用があることから、材
料がより緻密となり、捷た、さらにＣＢ　Ｎ基焼結材料
におけるＣ　Ｂ　Ｈの一部を、ＣＩ３　Ｎより多くなら
ない範囲、すなわち、 るようになるという知見を得たのである。

この発明は、上記知見にもとづいてなされたものであっ
て、以下に成分組成、ＣＢＮおよびＷ　ＨトＪの体積割
合、並びに結合強化窒化物包囲層の平均層厚を上記の通
りに限定した理由を説明する。

Ａ、成分組成 （ａ）窒化物 Ｔｉ、　Ｈｆ、およびＳｉの窒化物（以下ＴｉＮ　、　
ＨｆＮ　。

およびＳｉ　３Ｎ４で示す）には、ＣＢＮ粒子および結
合相を形成する炭化物と強化に結合し、かつ原料調製時
にＣＢ　Ｎ粒子の表面に被覆しておくことによって、そ
の境界部に靭性劣化の原因となる未結合部の全く存在し
ない包囲層を形成し、もって祠料の靭性を著しく向上さ
せる作用があるが、その含有量が５重量係未満では、Ｃ
ＢＮ粒子の表面を完全に包囲することができず、したが
って前記作用に所望の効果が得られず、一方４０重量係
を越えて含有させると耐摩耗性が低下するようになるこ
とから、その含有量を５〜４０重量％と定めた。

（ｂ）　　炭化物 ′■”ｊ、Ｈｆ、　　およびＳｌの炭化物（以下ＴｊＣ
、ＨｆＣ。

およびＳＩＣで示す）には、材料の耐摩耗性を改善する
作用があるが、その含有量が５重量係未満では所望のす
ぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方３５重量
係を越えて含有させると、材料の靭性が劣化するように
なることから、その含有量を５〜３５重量％と定めた。

（Ｃ）酸化物 Ａｌｌ　＋　Ｚ　ｒ　＋　およびＹの酸化物（以下Ａｆ
２０３　、　ＺｒＯ２゜およびＹ２Ｏ３で示す）には、
実用時に化学的安定性を一段と向上させる作用があるの
で、よシ苛酷な条件下での使用に際して必要に応じて含
有されるが、その含有量が５重量％未満では化学的安定
性に所望の向−１−効果が見られず、一方１５重部係を
越えて含有させると材料の靭性が低下するようになるこ
とから、その含有量を５〜１５重量％と定めた。

（（＋）金属成分 Ｎｉ、　／Ｖ！、　Ｃｏ、　およびＳｌの金属成分には
、脱酸および結合相同志の結合力強化作用があり、これ
ら金属成分の含有によって材料は一段と緻密化されるよ
うになることから必要に応じて含有されるが、その含有
量が０５重量係未満では前記信用に所望の効果が得られ
ず、一方１５重量゛係を越えて含有させると耐摩耗性が
劣化するようになることから、その含有量を０．５〜１
５重ｉＦｔ％と定めた。

ｏ、ｃｓＮの体積割合 Ｃ）３　Ｎの結合相に対する割合が４０容精チ未満では
、相対的に硬質のＣＩ３　Ｎの割合が少なすぎて所望の
耐摩耗性を確保することができず、一方〇ＢＨの割合が
９０容量係を越えると、相対的に結合相の割合が少なく
なりすぎて靭性低下をきたすようになることから、その
体積割合を４０〜９０容量チと定めた。

Ｃ，Ｗ１３Ｎの置換割合 ＷＢＨには材料の靭性を一段と向−［１させる作用があ
るので、特に高靭性が要求される場合に必要に応じてＣ
ＢＨの一部を置換した形で含有させるが、その置換割合
、すなわちＷＢＮ（容量％）／ＣＢＮ（容量％）が０．
０５未満では所望の高靭性を確保することができず、一
方１を越えた置換割合、すなわち相対的にＣＢＨに比し
てＷ　Ｂ　Ｈの方が多い状態にすると、材料の硬さが低
下し、耐摩耗性が劣化するようになることから、ＣＩＩ
　Ｎの一部をＷＢＮで置換する場合には、 の条件を満足させなければならない。

Ｄ２　　結合強化窒化物の平均層厚 その平均層厚が０．１μｍ未満ではＣＢＮ粒子、あるい
はＣＢＮ粒子およびＷＢＮ粒子と、結合相との間に十分
な結合強化をはかることができず、一方その平均層厚が
２μｍを越えると、相対的に窒化物の量が多くなりすぎ
ることになり、この結果材料の耐摩耗性が低下するよう
になることから、その平均層厚を０．１〜２μｍと定め
た。

なお、この発明の超高圧焼結材料は、まず、ＣＢＮ粉末
、および必要に応じてＷＢＮ粉末の表面にＣＶＤ法、Ｐ
ＣＶＤ法、およびＰＶＤ法などを用いてＴｉＮ　、　Ｈ
ｆＮ　、およびＳｉ３Ｎ、のうちの１種または２種以上
を０．１〜２μｍの平均層厚で被覆し、さらに必要に応
じてこの上にＴｉＣ、−ＨｆＣ、およびＳｉＣのうちの
１ｍまたは２種以上を複層蒸着し、このように調製した
窒化物被覆のＣＢ　Ｎ粉末およびＷＢＮ粉末、並びに窒
化物および炭化物被覆のＣＢＮ粉末およびＷ　ＨＮ粉末
、　ＴｉＣ粉末。

ＨｆＣ粉末、　ＳｉＣ粉末＋Ａｅ２ｏ３　粉末、ＺｒＯ
２粉末。

Ｙ２Ｏ，粉末、Ｎｉ粉末、　　ＡＭＮ粉末　Ｃｏ粉末、
およびＳ１粉末、さらにこれら金属の２種以」二の合金
粉末を原料粉末として用意し、これら原料粉末のうちか
ら適宜選択して所定の配合組成に配合し、この配合粉末
を通常の条件で混合した後、粉末状態あるいは成形状態
で必要に応じて超硬合金製プレートなどと一諸に金属容
器に入れ、これを８００〜１−２！００℃の温度に加熱
して真空脱ガスを行なって封入し、ついでこの封入容器
を、例えば特公昭３６−２３４６３号公報に記載される
ような超高圧高温発生装置に装着し、圧力および温度を
上げ、圧カニ４０〜７０Ｋｂ、温度：１２００〜１６０
０℃の範囲内の圧力および温度に゛数分〜数１０分保持
した後、冷却し、最終的に圧力を解放することからなる
基本的工程によって製造することができる。

つぎに、との発明の超高圧焼結材料を実施例によシ具体
的に説明する。

実施例　コ 原料粉末として、公知のＣＶＤ法あるいはＰＣＶＤ法を
用いてそれぞれ第１表に示される状態に調製した被覆Ｃ
ＢＮ粉末並びに被覆ＷＢＮ粉末、平均粒径：２μｍを有
するＴｉＣ粉末、同２μｍのＨｆＣ粉末、同２μｍのＳ
ｉＣ粉末、同２ｐｍのＭ、Ｏ、粉末、同２μｍのＺｒＯ
□粉末２同２ｐｍ（７）Ｙ２Ｏ，粉末、さらにいずれも
平均粒径：２μｍを有するＡ！粉末、　Ｎｉ粉末、　Ｃ
ｏ粉末、およびＳ１粉末を用意し、これら原料粉末をそ
れぞれ第１表に示される配合組成に配合し、これら配合
粉末をボールミル中で２〜１０時間湿式混合し、ついで
この混合粉末を外径：１２ｍ１φの軟鋼製容器に詰め、
温度：　ＳＯＯ℃にて真空脱ガスして密封した後、公知
の超高圧高温発生装置に装着し、圧カニ５０〜６０Ｋｂ
、温度：１３００〜１４００℃、保持時間：１５〜２０
分の条件で焼結し、最終的に冷却して圧力を徐々に下げ
ることからなる基本的工程によって実質的に配合組成と
同一の最終成分組成をもった本発明超高圧焼結材料１〜
３２をそれぞれ製造した。

つぎに、この結果得られた本発明超高圧焼結材料１〜３
２について、被削材：長手方向にそって巾４０朋×深さ
４０朋の１溝を相互対称位置に２本有する外径１３０ｍ
ｍφのダイス鋼丸棒（Ｓ　Ｋ　ｒ’）　−１１、硬さ°
ＨＲＣ６０）　、切削速度：１１０　ｍ／ｍＪ送り：　
０．１ｇ／ｒｅｖ、切込み：０．３ｆｉ扉、切削油：な
しの条件での切削に際して、刃先の逃げ面摩耗が０・２
　ｍｍに至る壕での寿命時間を測定する切削試験（切削
試験Ａという）、並びに被削材：ダイス鋼（ＳＫＤ−６
１，硬さ：ＨＲＣ５５）、切削速度：１００ｍ／ｍ＋＋
ｔ、切込み：０．５ｍ、、送り：０．０５゜０．１．０
．１５．０．２．０．３．およびｏ、’　ｍｍ／ｒｅｖ
、　。

各送りの切削時間：２分、切削油：なしの条件での切削
に際して、刃先に欠は発生が見られた送り量をチェック
する切削試験（切削試験Ｂという）をそれぞれ行なった
。とれらの切削試験結果をビッカース硬さと共に第２表
に示した。なお、第２表には、いずれも分散相がＣＢＮ
で構成され、結合相がＴ１ＣＮで構成された市販の超高
圧焼結材料（従来超高圧焼結材料１という）、および結
合相がＣｏで構成された市販の超高圧焼結材料（従来超
高圧焼結材料２という）の同一条件での切削試験結果お
よびビッカース硬さを示した。

第２表に示されるように、本発明超高圧焼結材料１〜３
２は、いずれもすぐれた耐摩耗性および靭性を兼ね備え
ているので、これら両特性のうちのいずれかに劣る従来
超高圧焼結材料１，２に比して、切削試験ＡおよびＢの
いずれにおいてもすぐれた切削性能を示すことが明らか
である。

実施例　２ 被覆ＣＢＮ粉末および被覆ＷＢＮ粉末としてそれぞれ第
３表に示されるものを使用し、かつ混合粉末を、ＣＯ：
１２重量％、ｗｅおよび不可避不純物：残りからなる組
成を有する直径：１１．５ｆｉ７１φの超硬合金プレー
トと一諸に容器に詰め、真空脱ガス処理前に前記容器を
Ｈ２ガス中、温度：９００℃に加熱して洗浄処理を行な
う以外は、実施例１におけると同一の条件にて実質的に
第３表に示される配合組成と同一の最終成分組成をもっ
た本発明超高圧焼結材料３３〜４２をそれぞれ製造した
。

上記本発明超高圧焼結材料３３〜４２について、上記の
切削条件ＡおよびＢにて切削試験を行々つだ結果を第４
表にビッカース硬さと共に示した。

第４表に示されるように、本発明超高圧焼結材料３３〜
４２においても、実施例１の場合と同様に従来超高圧焼
結材料に比して一段とすぐれた切削性能を示すことが明
らかである。

第　　　　４　　　　表 −Ｉ−述のように、この発明の超高圧焼結材料は、すぐ
れた耐摩耗性および靭性を兼ね備え、かつ高硬度と、す
ぐれた耐熱性および高温強度をも備えているので、これ
らの特性が要求される切削工具は勿論のこと、軸受や線
引ダイス々どの耐摩耗工具として使用してもすぐれた性
能を発揮するのである。

出願人　　三菱金属株式会社 代理人　　富　　１）　和　夫

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　Ｔｉ、　Ｈｆ、およびＳｌの１種または２種
   以上の窒化物：５〜４０重量％＋Ｔｉ、Ｈｆ、およびＳ
   ｌの１種または２種以上の炭化物：５〜３５重量％を含
   有し、残りが立方晶窒化硼素と不可避不純物からなる組
   成を有し、かつ立方晶窒化硼素が体積割合で４０〜９０
   ％を占めると共に、上記窒化物が立方晶窒化硼素を０．
   １〜２μｍの平均層厚で包囲した組織を有することを特
   徴とする切削および耐摩耗工具用高靭性窒化硼素基超高
   圧焼結材料。
2. （２）Ｔｌ、■（ｆ、およびＳｌの１種または２種以上
   の窒化物：５〜４０重量係、　Ｔｉ　、　Ｈｆ　、およ
   びＳｌの１秒または２種以上の炭化物：５〜３５重量％
   を含有し、さらにＡＱ、Ｚｒ、およびＹの１種または２
   種以上の酸化物＝５〜１５重量％を含有し、残りが立方
   晶窒化硼素と不可避不純物からなる組成を有し、かつ立
   方晶窒化硼素が体積割合で４０〜９０チを占めると共に
   、上記窒化物が立方晶窒化硼素を０．１〜２μｍの平均
   層厚で包囲した組織を有することを特徴とする切削およ
   び耐摩耗工具用高靭性窒化硼素基超高圧焼結材料。
3. （３）　　Ｔ１．　ｏｆ、およびＳｉの１種または２積
   繊−Ｌの窒化物：５〜４０重量％　、　Ｔｉ　、　Ｈｆ
   　、およびｓｌの１種または２積繊−Ｌの炭化物：５〜
   ３５重量％を含有し、さらにＮｉ、　Ａｌ！、　Ｃｏ、
   　およびＳｌの１種またけ２種以上：０．５〜１５重量
   ％を含有し、残りが立方晶窒化硼素と不可避不純物から
   なる組成を有し、かつ立方晶窒化硼素が体積割合で４０
   〜９０％を占めると共に、上記窒化物が立方晶窒化硼素
   を０．１〜２μｍの平均層厚で包囲した組織を有するこ
   とを特徴とする切削および耐摩耗工具用高靭性窒化硼素
   基超高圧焼結材料。
4. （４）Ｔｉ、Ｈｆ、およびｓｌの１種またけ２積繊−Ｌ
   の窒化物：５〜４０重量係、Ｔｉ、、Ｈｆ、およびＳｌ
   の１種または２種以上の炭化物：５〜３５重量％を含有
   し、さらにＡＭ、Ｚｒ、およびＹの１種または２種以−
   にの酸化物、５〜１５重量％と、Ｎｉ　、　Ａｉｉ、　
   Ｃ（１゜およびＳ］の１種または２種以上二〇、５〜１
   ５重量係を含有し、残りが立方晶窒化硼素と不可避不純
   物からなる組成を有し、かつ立方晶窒化硼素が体積割合
   で４０〜９０％を占めると共に、上記窒化物が立方晶窒
   化硼素を０．１〜２μｍの平均層厚で包囲した組織を有
   することを特徴とする切削および耐摩耗工具用高靭性窒
   化硼素基超高圧焼結材料。
5. （５）　Ｔｉ、　ｏｒ、およびＳｌの１種または２種以
   上の窒化物：５〜４０重量饅、Ｔｉ、Ｈｆ、およびＳｌ
   の１種または２種以−りの炭化物：５〜３５重量％を含
   有し、残りが立方晶窒化硼素およびウルシ鉱型窒化硼素
   と不可避不純物からなる組成を有し、かつ立方晶窒化硼
   素とウルツ鉱型窒化硼素が体積割合で４０〜９０％を占
   めると共に、 を満足し、さらに上記窒化物が立方晶窒化硼素およびウ
   ルシ鉱型窒化硼素を０．１〜２μｍの平均層厚で包囲し
   た組織を有することを特徴とする切削お・よび耐摩耗工
   具用高靭性窒化硼素基超高圧焼結材料。
6. （６）　　Ｔｉ、　Ｈｆ、およびＳｉの１種または２種
   以上の窒化物：５〜４０．重量％、　Ｔｉ、　Ｈｆ、　
   　およびＳｌの１種または２種以上の炭化物、５〜３５
   重量％を含有し、さらにＡｉｉ、Ｚｒ、およびＹの１種
   または２種以」二の酸化物：５〜１５重量％を含有し、
   残りが立方晶窒化硼素およびウルツ鉱型窒化硼素と不可
   避不純物からなる組成を有し、かつ立方晶窒化硼素とウ
   ルツ鉱型窒化硼素が体積割合で４０〜９０チを占めると
   共に、 を満足し、さらに上記窒化物が立方晶窒化硼素およびウ
   ルシ鉱型窒化硼素を０．１〜２μｍの平均層厚で包囲し
   た組織を有することを特徴とする切削および耐摩耗工具
   用高靭性窒化硼素基超高圧焼結材料。
7. （７）　’１．’ｉ、　、　Ｈｆ　、およびＳｌの１種
   または２種以−にの窒化物：５〜４０重量％、Ｔｉ、Ｈ
   ｆ、およびＳｌの１種または２種以りの炭化物：５〜３
   ５重量％を含有し、さらにＮｉ、　Ａｉｉ、　Ｃｏ、　
   　およびＳｌの１種または２積繊１二０．５〜１５重量
   ％を含有し、残りが立方晶窒化硼素およびウルシ鉱型窒
   化硼素と不可避不純物からなる組成を有し、かつ立方晶
   窒化硼素とウルツ鉱型窒化硼素が体積割合で４０〜９０
   ％を占めると共に、 を満足し、さらに上記窒化物が立方晶窒化硼素およびウ
   ルツ鉱型窒化硼素を０１〜２μｍの平均層厚で包囲した
   組織を有することを特徴とする切削および耐摩耗工具用
   高靭性窒化硼素基超高圧焼結材料。
8. （８）　　Ｔｉ、Ｈｆ、およびＳｌの１種または２種以
   −にの窒化物：５〜４０重量％、　Ｔｉ、　Ｈｆ＋　お
   よびＳｌの１種または２種以上の炭化物：５〜３５重量
   ％を含有し、さらにＡＭ、Ｚｒ、およびＹの１種または
   ２種以」−の酸化物：５〜１５重量％と、　Ｎｉ、　Ａ
   ｇ＋　ｃｏ。 およびＳ］の１種または２積繊−Ｌ：０５〜１５重量％
   を含有し、残りが立方晶窒化硼素およびウルツ鉱型窒化
   硼素と不可避不純物からなる組成を有し、かつ立方晶窒
   化硼素とウルツ鉱型窒化硼素が体積割合で４０〜９０％
   を占めると共に、 を満足し、さらに上記窒化物が立方晶窒化硼素およびウ
   ルツ鉱型窒化硼素を０．１〜２μｍの平均層厚で包囲し
   た組織を有することを特徴とする切削および耐摩耗工具
   用高靭性窒化硼素基超高圧焼結材料。