JPS594501B2 - 高硬度焼結体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高硬度焼結体に係り、特に高圧相窒化硼素の
うちウルツ鉱型窒化硼素を原料として得られた切削性能
に優れる高硬度焼結体に関するものである。

ウルツ鉱型窒化硼素（以下ｗＢＮと称する）及び立方晶
型窒化硼素（以下ｃＢＮと称する）は、総称して高圧相
窒化硼素又は高密度相窒化硼素と呼ばわ、その原料であ
る低圧相窒化硼素又は低圧相窒化硼素と呼ばれる六方晶
型窒化硼素（以下ｈＢＮと称する）が、軟らかくて高温
固体潤滑材等に使われるのに対し、ｗＢＮ及びｃＢＮは
、ダイヤモンドに次ぐ高い硬度を有し、粉体のものは研
磨、研削材として用いられ、又、この粉体のものを高温
、高圧で焼結したものは高硬度の鋼材の切削工具として
用いられる。

本発明の場合には、前述のように、高圧相窒化硼素のう
ち、ｗＢＮを原料として、高い硬度と優れた切削性能と
を有する焼結体に関する。

従来、ｗＢＮ又はｃＢＮと、金属及びゼラミック質物質
とをその構成要素とする焼結体はいくつか知られている
。

例えｊス、特公昭５４−６７５９号公報には、ｃＢＮを
少なくとも５０体積チ有する焼結体において、ｃＢＮ以
外の部分が、硼化物か、窒化物か、珪化物か、酸化物か
である耐火物と、Ａｌｌ又はＡＪ金合金から成るものが
記載されている。

又、特開昭５３−７７８１１号公報には、ｃＢＮを８０
〜４０体積係含有し、残部が周期律表第４ａ、５ａ、６
ａ族遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物、珪化物もしく
はこれらの混合物、又は相互固溶体化合物を主体とした
ものから成り、この化合物が焼結体組織中で連続した結
合相をなすことを特徴とする高硬度工具用焼結体が記載
され、ｃＢＮに対し溶解性を示すと考えられる金属、例
えばＬｉ等のアルカリ金属、Ｍｇ等のアルカリ士金属、
Ｐ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ａｌ、ｃｄ及びＳｉ等を添加してもよ
いとしている。

特開昭５３−１３６０１５号公報には、ｃＢＮを８０〜
２０体積係含み、残部がＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮフｓｉｃ
ｊ Ｓｉ３Ｎ４ ｔ Ｂ４Ｃ１又はそれらの混合物ある
いはそれらの相互化合物を主体としたものからなり、こ
の残部が焼結体組織中で連続した結合相をなすことを特
徴とする高硬度工具用焼結体について記載さ力、前記特
許と同じ＜ｃＢＮに対し溶解性を示すと考えられる金属
を添加してもよいとしている。

更に、特開昭５４−６６９０９号公報には、ｗＢＮ父は
ｗＢＮの一部又は全部が、ｃＢＮに転換したものが焼結
体中に１０体積係以上含有され、残部が周期律表第４ａ
、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の固溶
体相からなることを特徴とする高硬度の工具用焼結体が
記載されている。

本発明は高圧相窒化硼素のうちｗＢＮを含む焼結体に関
し、ここでいうｗＢＮとは焼結原料としてのものであり
、焼結体中に含まれる場合は、その一部又は全部がｃＢ
Ｎに転換していることもあり得る。

本発明においては、ｗＢＮにセラミックと金属とを添加
し、セラミック質物質はその３０体積係以上が窒化珪素
であることを特徴としているが、その理由は以下に説明
する事実による。

すなわち、ｗＢＮ粉末は数十ｎｍの単位結晶が集合して
できた多結晶体であり、粒界で熱伝導が妨害されるため
に熱伝導率が低い。

例えば粉体の場合あまりに微粒であるため直接的には熱
伝導率が測定できないが、ｗＢＮのみを焼結した焼結体
の熱伝導率を測定したところ、常温で０．２ ｗａｔ
ｔ／ｃＩｒＬ’（でｃＢＮのそれの約１７１０であり、
熱伝導率については一般的なセラミック質物質、例えば
アルミナや窒化チタンあるいは炭化チタンなどと同程度
である。

しかし、硬度はヌープ硬度で４５００に１９／−ｍ２あ
り、ｃＢＮと同程度であり、ダイヤモンドに次ぐ高硬度
を有し、一般的なセラミック質物質からはかけ離れて硬
い物質である。

また、ｃＢＮは一つ一つの粉体粒子が単結晶であり、他
のセラミック質物質を加えても、局部的には単結晶であ
るｃＢＮの粒子がセラミック質物質と接合しているだけ
で、ｃＢＮ粒子それ自体は高硬度単結晶の特徴であるへ
き開性を持っているため、切削時の応力集中によってへ
き開を起して欠けて行く。

それに対し、ｗＢＮは、前述のように、各々の粒子が多
結晶体であるので、へき開性がないため欠は難いという
優れた特徴を持っている。

従って熱伝導がｃＢＮより低いという欠点はその特徴に
よって救われ、むしろより優れた焼結体素材となり得る
特質を有している。

またｃＢＮ粒子がいかに熱伝導がよくても、他の添加物
の熱伝導がよくないと、例えば前述の特開昭５３−７７
８１１号公報や特開昭５３−１３６０１５号公報のよう
に、セラミック質物質の結合組織が独立したｃＢＮ粒子
を連続して包囲していると、セラミック質物質があたか
も保温材であるかのような効果を示し、ｃＢＮの優れた
熱伝導を十分に生かすことができない。

しかし、切削時の刃先の高温を速かに拡散させるために
は前公報に説明されているように結合組織のセラミック
質物質の熱伝導率は高い方が好ましい。

しかるに発明者等はｗＢＮを含む焼結体の特性や、高硬
度焼結体による高硬度鋼材の切削機構を研究した結果、
次のような結論を得た。

すなわち、切削時に刃先の温度が上昇するために、焼結
体の物性、例えば硬度や抗折力が劣化することの他に、
局部的に温度が上昇し、その周囲は熱拡散によって刃先
より温度が低い場合、高温部と低温部の熱膨張の差によ
って局部的に応力が発生し、切削応力と協応して刃先の
損耗を進め得ることである。

そのためｗＢＮ及びその他の各種高硬度耐熱材料の特性
について研究した結果、次のような実験値が得られた。

ｗＢＮのみを高温高圧下で焼結し、その約５０％がｃＢ
Ｎに転換したと推定される焼結体の熱膨張係数を測定し
たところ、５０℃から４５０℃の間で３．４〜４．３×
１０−’ ／’Ｃであった。

次に同様にして作った全てがｃＢＮからなる焼結体の熱
膨張率を測定したところ、同じく５０℃から４５０℃の
間で３．９〜４、３ Ｘ １０−’／’Ｃであり、結局
両者の熱膨張率ははゾ同じと見てさしつかえないことが
わかった。

前述のように熱膨張率の差がｗＢＮと添加物である高硬
度耐熱材料との間で少ない方がよいという観点に立って
、ｗＢＮに添加するに好適な高硬度耐熱材料を探索する
と、窒化珪素Ｓｉ３Ｎ４が好適であることがわかった。

窒化珪素の熱膨張率は３．３〜３．８ Ｘ １０−’／
’Ｃ（５０〜４５０℃実測値）とｗＢＮの熱膨張率に極
めて近く好適である。

ｗＢＮに添加する材料として要求されるその他の条件と
しては、硬度、高温硬度、耐酸化性、切削される金属と
反応し難いこ６熱伝導良好なこと、熱衝撃抵抗性が高い
こと、ｗＢＮと併せて焼結し易いことなどがあげられる
。

窒化珪素は、硬度、 ″高温硬度、耐酸化性、切削金属
との反応し難さ、熱衝撃抵抗性、ｗＢＮと同時焼結可能
なこと、の全ての面で優れている。

たソし熱伝導率のみは他の高硬度耐熱材料よりや＼低く
、例えば炭化チタンの熱伝導率は０．４Ｗ／ＣＩｒＬ℃
（１１００℃）であるのに対し、窒化珪素のそれは０．
１６ Ｗ／ｃＩｒＬ’ｃ（１２０３°Ｃ）とはゾ半分以
下である。

しかし、前述のようにその他の性質がすぐれ、特に熱膨
張係数がｗＢＮのそれと極めて近いことが、ｗＢＮと共
に焼結した焼結体がすぐれた性能を示すと考えられる。

また、ｗＢＮに添加するセラミック質物質としては窒化
珪素の他に各種金属の酸化物、窒化物、炭化物、硼化物
及び炭化硼素の中から選ばれた高硬度で耐熱性の物質も
用い得る。

たゾし上記のｗＢＮと窒化珪素の組み合わせによるすぐ
れた性質を発揮させるためにはセラミック質物質全体中
に占める窒化珪素の量は少くとも３０体積チは必要で、
好ましくは５０体積係以上あることが望ましい。

３０体積チ未満では前述の長所が十分に発揮できず好ま
しくない。

前記のセラミック質物質が９．５体積チ未満では、本発
明によるセラミック質物質を添加することによって得ら
れる優れた特性が不十分のため好ましくない。

８９．５体積チを越えると、ｗＢＮｌ又はｗＢＮの一部
又は全部が焼結中に転換したｃＢＮの量が不足となるた
め好ましくない。

父、前記のｗＢＮ、又はその一部又は全部が焼結中に転
換したｃＢＮが、１０体積チ未満では、切削に適した量
に達しないため好ましくない。

逆に９０体積チを越えると、セラミック質物質の量が不
足となるため好ましくない。

本発明においては、ｗＢＮと、窒化珪素を含むセラミッ
クとの他に、金属を添加する必要がある。

金属を添加する理由は、焼結の際に金属が溶融してｗＢ
Ｎ及びセラミック質物質の表面を濡らし接合するのと同
時に、ｗＢＮ及びセラミック質物質の表面に吸着あるい
は化学結合によって存在している酸素と反応して、耐熱
性のある金属酸化物を作り、焼結の際に酸素が気孔を作
ったり、あるいは耐熱性の低い酸化物として存在して焼
結体の性能を低下させることを防ぐためである。

添加するのに適した金属は、アルミニウム、チタニウム
、珪素、マグネシウム、ハフニウム、ジルコニウムのう
ちから選ばれたもの一種以上で、それを単一の粉体とし
て用いても、混合粉として用いても、合金として用いて
もよく、焼結体原料を混合する際に、全体に均一に分布
するように配慮する。

これらの金属をｗＢＮと窒化珪素を含むセラミック質物
質とからなる焼結体に添加する理由は、これらの金属の
いずれもがｗＢＮを構成する元素の窒素又は硼素のいず
れかと反応して窒化物又は硼化物を作るため、ｗＢＮに
対して親和性を有すると共に、窒化珪素に対しても良好
な親和性を有し、特に酸素が存在する場合、窒化珪素と
アルミニウム及び酸素、または窒化珪素とマグネシウム
及び酸素は、強固な固溶体を作り良好な焼結体を作るの
に適している。

また、珪素は窒化珪素の構成元素の一つであるため、窒
化珪素とよぐ親和する。

一般的に窒化珪素は高温下では珪素以外の金属、特にア
ルミニウムに濡れ難いとされているが、高温、高圧下で
の焼結の場合にはむしろその逆で、良好な焼結体を作る
のに極めて有用な添加金属であることが研究の結果確認
された。

以上説明した添加金属は、本発明を構成する上で少くと
もその一種が０．５体積係以上含まれることが必要不可
欠であるが、更に焼結体の機械的な耐衝撃性を向上させ
る目的でそれ以外の金属、例えば鉄、ニッケル、コバル
ト、ニオブ、バナジウムなどを加えてもよい。

それらの添加金属として何を選び、どれだけ加えるかは
、焼結体の用途及び焼結体の金属以外の部分の組成によ
って決定す可きであるが、切削に用いるにはいずれの場
合でも、金属の合計量が３０体積チを越えることは避け
る可きで、特別な用途の場合を除き好ましくは２０体積
係迄に留める可きである。

窒化珪素は、六方晶の格子構造を有し、格子定数が僅か
に違う低温型のα型と高温型のβ型があることが知られ
、常圧下の焼結、あるいは圧力が数百Ｎｋｇ／ｃＩＩＬ
２程度のホットプレスによる焼結の場合はα型の窒化珪
素の方が焼結性がすぐれているとされているが、本発明
の場合は、ｗＢＮが低圧下では高温で不安定であり、常
圧で１０００℃を越えるとｈＢＮに逆転換し高硬度を失
うので、４ＧＰａ以上、１１００℃以上の高圧高温で焼
結しなければならず、従って、窒化珪素も同時にその圧
力、温度下で焼結されるが、そのような場合は、α型で
もβ型でも良好な焼結体が得られることがわかった。

よって本発明を実施する場合は窒化珪素がα型であるか
β型であるかを問題にする必要はない。

窒化珪素の他に添加するセラミック質物質は、その硬度
、高温硬度、熱伝導率や被剛材との切削上の適合性及び
焼結性に基いて決定す可きであるが、原則的にはマイク
ロビッカース硬度が１５００ｋｇ／ＩＥ１１２以上の窒
化物、炭化物、酸化物、珪化物、硼化物であればどのよ
うなものでも使い得る。

次に実施例によって本発明を説明する。

実施例 １ ｗＢＮ６５体積饅と体積型窒化珪素６０％以上を含む窒
化珪素２２体積係及び酸化アルミニウム７体積％と、ア
ルミニウム６体積係とのそれぞれの粉末合計１０ｇにア
セトン５０１ｒＬｌを加えたものを超硬合金製ボールで
４８時間湿式混合した。

混合した粉末の粒径は全て２μｍ以下のものであった。

混合を終った粉末はアセトンを乾燥除去した後、外径１
１１！Ｌ１！Ｌ１高さ６ｕ、肉厚０．５ｍｍのチタニウ
ム製カプセル内に、予めＷＣ−Ｃｏ９％の粉末を高さ３
朋に充填したものの上に圧填した。

粉末を充填したカプセルは真空炉中で１０””’ ｔｏ
ｒｒ＋６５０℃で１時間脱ガス処理をした後、ベルト型
超高圧装置に装入し、圧力６ＧＰａ、温度１４００℃で
１５分間焼結した後、圧力、温度を常圧、常温に戻して
焼結体を装置から取り出した。

得られた焼結体の表面をダイヤモンド砥石で研削し、焼
結体の平坦な面を露出してから、マイクロビッカース硬
度を測定したところ、約４０００ ｋｇ／ｍｍ２であっ
た。

次に円板状の焼結体をその中心を通る線で４分割したも
のの一片を鋼製の柄に銀ろう付けして５ＫＤＩＩ種鋼を
ロックウェル硬度Ｃスケール６０に熱処理したものを周
速９６ｍ１ｍ１ｎ、切り込み０．５ Ｗｔｍ、送りＱ、
１１ ｍｍ／ ｒｅｖで乾式旋削したところ、フラン
ク摩耗がＱ、 ２ｍｍに達するのに３５分間を要した。

実施例 ２ ｗＢＮ６０体積％き体積型窒化珪素が約４０％で残部が
β型窒化珪素である窒化珪素１２体積チ、窒化チタン１
１体積％、炭化チタン９体積％と、さらに珪素８体積係
との粉末を実施例１と同様にして混合し、焼結圧力を６
．５ＧＰａ１温度を１５５０°Ｃとした他は、実施例１
の方法と同様の方法で焼結し、切削試験を行った。

その際被剛材は５ＵＪ−２種鋼をロックウェル硬度Ｃス
ケール６０に熱処理したものとし、周速９６ ｍ ／ｖ
ｔｉｎ、切り込み０．５朋、送り０．１１ ｍｍ／ ｒ
ｅｖ、乾式切削の条件とした。

その結果、３０分間の切削でフランク摩耗は０．１８ｍ
ｍであった。

尚、焼結体の硬度はマイクロビッカース硬度で３８００
ｋｇ ／ｒｕｍ２で、Ｘ線回析試験の結果、ｗＢＮ一
部はｃＢＮに転換していることが確認された。

実施例 ３ ｗＢＮ７０体積係と体積型窒化珪素を６０％以上含む窒
化珪素１６体積％、酸化マグネシウム８体積愛と、さら
に、ニッケル３体積％及びマグネシウム３体積係との粉
末を実施例１と同様に混合し、焼結した。

たゾし、圧力、温度は５．５ＧＰａｔ１３５０℃とした
。

得られた焼結体のマイクロビッカース硬度は４２００
ｋｇ／ａｍ２で、実施例１と同様の切削試験を切り込み
だけを０．２ ｍｍに変えて行ったところ、フランク磨
耗が０．２ｙｎｍに達するのに６８分要した。

実施例 ４ ｗＢＮ５０体積係と体積型窒化珪素が約４０係で残部が
β型窒化珪素である窒化珪素２７体積乞炭化タングステ
ン１０体積チ、炭化タンタル５体積係と、さらに、アル
ミニウム２体積乞チタン３体積チ、コバルト３体積％と
を実施例１と同様の方法で混合し焼結した。

その際、温度だけを１６００℃に変えた。

得られた焼結体のマイクロビッカース硬度は３２００
ｋｇ ７ｍｍ２であった。

実施例１と同様にしてバイトを作り、ＳＮＣＭ８種鋼を
ロックウェルＣスケール４６の硬度に熱処理したものを
周速９６ｍ／４切り込み０．６ ｔｎｍ、送り０．１８
ｍ７Ｉｌ／ ｒｅｖで３０分間切削したところ、フラ
ンク摩耗は０．２關であった。

尚、焼結体をＸ線回析試験したところ、ｗＢＮの一部は
ｃＢＮに転換していた。

実施例 ５ ｗＢＮ ５６体積係と、α型窒化珪素６０％以上を含み
、残部がβ型窒化珪素である窒化珪素２２体積係及び二
硼化チタン１５体積係と、さらに、アルミニウム４体積
チ及び珪素３体積係とを実施例１と同様の方法で混合し
焼結した。

その際、焼結圧力のみを５ＧＰａに変えた。

得られた焼結体はマイクロビッカース硬度３５００ ｋ
ｇ／ｒｎｍ２であった。

次に、ＦＣ２５種鋳鉄を周速１，２００ｍ／ｍｉｘ、切
り込み０．５朋、送り０．１５ｕｍ／ ｒｅｖでｌＯ分
分間式切削したところ、フランク摩耗は０．１２朋であ
った。

実施例 ６ 実施例５の実験を二硼化チタンを炭化珪素で置き換えて
実施した。

得られた焼結体の硬度はマイクロビッカース硬度３１０
０ ｋｇ７’ｎｍ２であった。

実施例５と同様の切削試験を行ったところ、１０分間切
削後のフランク摩耗はＱ、１３ｍｍで、実施例゛５によ
るものと同様に高性能の切削工具であることがわかった
。

実施例 ７ 実施例５の実験を二硼化チタンを炭化硼素で置き換えて
実施した。

得られた焼結体の硬度はマイクロビッカース硬度３２０
０ｋｇ７’ｔｍ２であった。

実施例５と同様の切削試験を行ったところ、１０分間切
削後のフランク摩耗は０．１２ｍｍであった。

実施例 ８ ｗＢＮ４３体積係と体積型窒化珪素６０チ以上を含む窒
化珪素４９体積係と、さらにジルコニウム２体積係及び
アルミニウム６体積係とを実施例１と同様にして混合し
焼結した。

たゾし、その際の焼結圧力と温度とは５．４ Ｇ Ｐ
ａ 、１４８０℃とした。

得られた焼結体のマイクロビッカース硬度は２８００ｋ
ｙ／ｍｍ２凰ＳＣＭ２２種鋼をロックウェルＣスケール
３２に熱処理したものを周速１９２ ｍ １ｍ１ｎ、切
り込み０．５ ｍｍ、送り０．１１ｍｍ／ｒｅｖで１０
分間切削したところフランク摩耗は０．０７朋であった
。

実施例 ９ ｗＢＮ６３体積係と体積型窒化珪素６０％以上を含む窒
化珪素２１体積係、及び窒化チタンと炭化ニオブとが重
量で１：１の割合に固溶しているもの９体積係と、さら
にアルミニウム５体積係及びハフニウム２体積チとを実
施例１と同様の方法によって混合し焼結した。

得られた焼結体のマイクロビッカース硬度は３４００
ｋｇ／ｌ！ｍ２で、ＳＮＣＭ ９種鋼をロックウェルＣ
スケール４９に熱処理したものを周速９６ ｍ １ｍ１
ｎ、、切り込み０．４關、送り０．１１ ｍｍ／ ｒｅ
Ｖで３０分間切削したところ、フランク摩耗は０．１８
ｍｍであった。

実施例 １０ ｗＢＮ８５体積係と、体積室化珪素６０％以上を含み残
部がβ型窒化珪素である窒化珪素７．８体積係及び酸化
アルミニウム３．６体積係と更に珪素３．６体積係とを
実施例１と同様の方法で混合し焼結した。

得られた焼結体はマイクロビッカース４．３００ｋｇ／
闘２であった。

次にステライトを周速１３８ ｍ／ｍ１ｙＢ切り込みＱ
、 １ ｍｍ、送り０．１１ｍｍ／ｒｅｖで１０分間切
削したところ、フランク摩耗は０．０８朋であった。

実施例 １１ ｗＢＮｌ １体積係と実施例１に使用したものと同種の
窒化珪素７８．３体積係及び酸化マグネシウム８．５体
積係と更にアルミニウム２．２体積係とを実施例１の方
法と同様の方法で混合し焼結した。

得られた焼結体はマイクロビッカース２．５００ｋｇ／
ｍｍ２であった。

次にＦＣ２５鋳鉄を周速８６０ ｍ ／ｍｉ！ｇ切り込
み０．５ ｔｔｔｍ、送り０，１５ｔｒｉｍ／ ｒ６ｖ
で１０分間乾式切削したところフランク摩耗は０２１１
間であった。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ウルツ鉱型窒化硼素、又はその一部又は全部が焼結
   中に転換した立方晶型窒化硼素の１０〜９０体積チと、 アルミニウム、チタン、珪素、マグネシウム、ハフニウ
   ム及びジルコニウムから成る群から選ばれた少なくとも
   一種の金属０．５〜３０体積チ体積上の３０体積チ以上
   が窒化珪素を占めるセラミック質物質９．５〜８９．５
   体積チとから成ることを特徴とする高硬度焼結体。