JPS60176973A - 切削工具用立方晶窒化硼素基超高圧焼結材料の製造法 - 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、すぐれた耐摩耗性と高靭性、さらに真密度
を消し、特にこれらの特性が請求される高Ｍ！度Ｗ（や
表面部の硬さ勾配が急激な浸炭焼入れ鋼などの切削に切
削工具として用いた場合にすくれた切削性能を示す立方
晶窒化硼素（以下ＣＢＮで示す）基超高圧焼結材料の製
造法に関するものである。

先に同一出願人は、特願昭５３４１００９３２号（特開
昭５５−３１５１７号）として。

周期律表の４ａ、５ａ、および６ａ族金属の炭化物、窒
化物、炭窒化物、炭酸化物、または炭窃酸化物からなる
高融点化合物：５〜５０％。

酸化アルミニウム（以下Ａ／２０３で示す）：ｌｔ３〜
７０％。

ＣＢＮおよび不可避不純物：２５〜８５％。

からなる組成（以上容址饅、以下係は容量％を示す）を
有し、特に高硬度鋼やＮｉ基耐熱合金などの切削に切削
工具として用いた場合にすぐれた切削性能を発揮するＣ
ＢＮ基超高圧焼結材料を特許出願した。

確かに、上記の先行発明のＣＢＮ基超高圧焼結材料は１
通常の条件での切削に際しではすぐれた切削性能を示す
ものの、生産性向上をはかる目的で１例えば高硬度鋼を
深切シ込み、あるｂは高送シ切削する際に見られるよう
な切削工具に相対的に過大な切削抵抗、（殊に背分力）
が加わる場合や。

より耐熱特性が要求される場合、さらに被削材の表面部
の硬さ勾配が急激な浸炭焼入れ鋼などを切削する場合に
は、ｇ１度および靭性不足が原因して所望の安定した切
削性能を示さず、必ずしも信頼性の筒いものではなかっ
た。

そこで１本発明者等は、上記先行発明のＣＢＮ基超高圧
焼結材料に着目し、これに高強度と高靭性を付与すぺ〈
研究を行なった結果。

原料粉末として、平均粒径：１０μｍ以下のＣＢＮ粉末
、同０．２μｍ　以下の超微粒膨化チタン（以下ＴＩＣ
で示す）粉末、同１μｍ　以下の９化チタン（以下Ｔｉ
Ｎで示す）粉末、同０．２μｍ　以下の超微粒Ａｅ２０
３粉末、および同１ｔ１ｍ　以下のＴ　ｉ　２Ａ／Ｎ　
粉末會用童し、これら原料粉末を。

ＣＢＮ：２０〜８０％。

ＴｉＣ，またはＴｔＣ十ＴｉＮ　（ただし、容量比で。

ＴｉＮ　／　（Ｔｉｃ　＋ＴｉＮ　）二〇、０５へ−０
，５）　：　５〜５（）係。

Ａ／２０３：　１０−７７０％。

Ｔｉ２Ａ／Ｎ　：　５〜２０％。

からなる配合組成に配合し、この配合粉末を混合した後
、プレス成形にて圧粉体に成形し。

ついで、との圧粉体に、ｌ　＋１−２ｔｏｒｒ以上の真
空中、温度：　１２０（１〜・１４００°Ｇ、保持時間
８５〜６０分の粂注で予備焼結を施すと、この予備焼結
時に、Ｔｉ２ＡｅＮが焼結助剤として働き、これより分
解生成したＴｉＮが超微粒子ｉＣと反応して活性に冨ん
だ超微粒炭窒化チタン（以下’ｒｔｃＮ　で示す）を形
成し、一方、通常結晶構造が主としてγ構造で、その一
部がδ構造よりなる超微粒Ａｌ２Ｏ３がα構造に結晶変
伸し１粒子再配列にょふ緻密化過程を経て、著しく活性
化したものとなることから。

この結果得られた予備焼結体は、前記活性化【−７だ超
微粒子ＩＣＮとα−Ａｅ２０３の間で、堅固に絡み合っ
て強固に結合し、かつマイクロボイドのきわめて少ない
高密度にして高強度の三次元スケルトン組織を形成する
ようになるので焼結材料の耐熱％性が一段と向−ヒする
ようになり。

引続いて、この予備焼結体に、超＾圧装置を用い、ＣＢ
Ｎの安定な湯度−８’−力条閉、すなわち温１０：１２
０ｔ）＝４５ｏＯ℃、圧力ニ　４　ｏ　−７０ＫＢ、保
持時ＩＬＪ’ｌ　：　５〜６０分の条件で超高圧焼結を
施すと。

耐摩耗性にすぐれ、かつ高強度および高靭性を有するＡ
智歴の焼結材料が得られるようになるという知見を得た
のである。

この発明は、上記知見にもとついてなされたものであっ
て、以下に製造条１ｔ＋金上記の通υに駆足した理由を
説明する。

Ａ、原料粉末の平均粒径 ｍｃＢＮ粉末 ＣＢＮ粉末の平均粒径がｌＯμｍｆ越えると、比表面積
が少なくなることに原因してＣＢＮ相と。

活性化した超微粒子ｉＣＮおよび超微粒Ａｌ２Ｏ３とが
強固に結合して形成されたスケルトン組織からなる結合
相との間でのつきまわりが不充分になシ、この結果光分
な界面強度が得られず、切削時にＣＢＮ粒子の脱落によ
るナラピング等の損傷が発生しやすくなることから、Ｃ
ＢＮ粉末の平均粒径全１０μηｌ以下とした。

（２）超微粒子ｉｃ粉末 上記の通り、超微粒子ｉＣは、予備焼結に際して焼結助
剤であるＴ１２ＡｌＮ　と反応し、より耐熱特性にすぐ
れ、かつ活性化した超微粒’、［’ｉＣＮ　ｋ形成する
成分であり、この反応を完全に竹なわしめるためには、
その平均粒径を０．２μｍ　以下、望ましくはＵ、（１
５〜０．１μｍにする必硬がある。すなわち超微１ｘＴ
ｉＣの平均粒径が０．２μｍ　を越えると、前記の反応
が不十分とな９．未反応のＴｉＣが残存するようになっ
て、材料が高温で安定した切刃強度を示さなくなるので
ある。なお、超微粒子ｉＣ粉末としては化学気相蒸着法
により製造したものを使用するのがよい。

（３）超微粒Ａｌ２Ｏ３粉末 超微粒Ａｌ２Ｏ３は、上記の通り通常結晶構造が主とし
てγ構造で、その一部がδ構造よりなるが。

予備焼結時に、α結晶構造に変態し１粒子再配列による
緻密化過程を経で、活性化したものとなり。

この活性化した超微粒Ａｌ２Ｏ３と同じく活性化した超
微粒子ｉＣＮ　とが強固に結合したスケルトン組織を形
成し、マイクロはイドの少ない高密度にして強固な予備
焼結体を製造するのに、前記超微粒子ｉＣＮ　と共に不
可欠の成分でおるが、その平均粒径が〈）、２μｍ　を
越えると、マイクロボイドが形成しやすくなるはかシで
なく、スケルトン構造の形成も不十分となって、所望の
高靭性および高強度を七する予ｕＭ焼結体の製造が困難
になることから。

その平均粒径が０．２ｔｔｍ　ｆ越えてはならない。な
オ、市販の無水塩化アルミニウムより高温加水分解法に
よって製造したＡｌ２Ｏ３粉末は、０．２μｍ　以下の
平均粒径を有し、かつ結晶構造が王としてｒ構造からな
り、その一部がδ構造からなるもので構成されているの
で、原料粉末として理想的である。

（４１Ｔｉ　２ＡＡＮ　１ｆｔｊ末 Ｔｉ２Ａ７！Ｎ粉末は、Ｔｌの窒化物とＴｉ−Ａｌ金属
間化合物を原料とし、これを真空中あるいは不活性ガス
中でｍ熱反尾、させることによシ製造されるものであり
、上記のように予備焼結時に、焼結助剤として作用し、
ＣＢＮ間でｉ”ｉｃＮ　−Ａ／２０３の三次元スケルト
ン組織↓織を形成するのに不可欠の原料粉末であるが、
その平均粒径が１μｍ’ｆ＜超えると、相対的に表面積
の減少をきたし、上記の分解反応が緩慢になり１粒子間
相互の結合が強固にして高密度のスケルトン組織を形成
することが困難になることから、その平均粒径を１μｍ
以下と足めた。

（５１ＴｉＮ粉末 超微粒子ＩＣ粉末の一部を、　ＴｉＮ自体のもつすぐれ
た高温安定性を生かすため、必要に応じてＴｉＮ粉末で
置換した場合、＠記の超微粒子ｉＣＮ　と超微粒Ａｅ２
０３とが強固に結合したスケルトン組織中にＴｉＮが分
散あるいは一部固溶した組織をもつようになるが、その
平均粒径が１μｍを越えると、　超微粒子ｉＣとＴ　ｉ
　２ＡＩＮ　との反応が阻害されるようになるばかシで
なく、均一に絡み合ったスケルトン組織を形成する−こ
とが困難になることから、その平均粒径を１μｍ以下と
定めた。

Ｂ、配合組成 硬さで６０００＝７０００Ｋｆ／ｍｔｒ？）　を有し、
かつダイャモンドより高温まで安定した性質ヲもつほか
。

鉄族金檎に対して反応しにくい性質を本つものであシ、
シたがってその配合量が２０％未満では。

所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その配合
量が８０％を越えると、相対的にＣＢＮの−が多くなり
過ぎてスケルトン組織の形成が不十分となり、この結釆
靭性低下をもたらし、切削時にチッピング摩耗音生じや
すくなることから、その配合蓋を２０〜・８０％と定め
た。

（２）　Ｔｉｃ ＴｉＣには、上記のように焼結助剤であるＴｉ２ＡｇＮ
と反応し、よシ耐熱特性にすぐれ、かつ活性化した超微
粒子ｉＣＮ　ｋ形成し、かつこれがスケルトン組織の一
員を構成して焼結材料の靭性會向上させる作用があるが
、その配置替が５％未満では前記作用に所望の効果が得
られず、一方５０％を越えた配合量になると、　Ｔｉｃ
が残留するようになυ。

安定した高温強度を得ることが困難になることから、そ
の配合量を５〜５０％と定めた。まだ、この場合、その
一部ｋ　ＴｉＮで置換すると耐熱特性が一殺と向上する
ようになるので１例えば切削用途として、高い発熱を伴
う場合や熱衝撃の７１１１ゎる場合などに必要に応じて
配合されるが、その置換−がＴｉＣに対する割合で５％
未満では、所望の特性向上効果が得られず、一方間５０
％を越えると。

超微粒子ＩＣＮの形成が減少し１強固な結合力をもツタ
スケルトン組織の形成が困難となることがら。

ＴｉＮの置換量は、’ｉｔｃに対する割合で５〜５０％
。

すなわち、　ＴｉＮ／（ＴｉＣ＋ＴｉＮ）−ｏ、ｏ　５
〜ｏ、５％としなけれはならない。

（３）Ａｇ２Ｏ３ Ａ１２０３には、上記の通り予備焼結時に、活性化した
α−結晶構造に変態し、もって活性化した超微粒子ｉＣ
Ｎ　と靭性に冨んだスケルトン組織を形成する作用があ
るが、その配合量が１０％未満では前記作用に所望の効
果が得られず、一方７０％を・越えた配合になると、相
対的にＣＢＨの配合量が少なくなりすぎて、　ＰＩＴ望
のすぐれた耐摩耗性を確保することができなくなること
がら、その配合量を１０〜７０％と定めた。

（４１Ｔｉ　２Ａ／？Ｎ Ｔ１２ＡｌＮは、上記の通り予備焼結時に焼結助剤とし
て働き、超ｅ、粒子ｉＣと反応して超微粒’ｒｔｃＮを
形成し、これと超微粒Ａｅ２０３との間で結合力の強固
なスケルトン組織を形成するのに不ｈ」欠のものである
。したがって、その配合量が５％未満では超微粒子ｉＣ
Ｎの形成が不十分で、所望の著しく靭性に冨んだスケル
トン組織を形成することができず、一方その配合毎が２
０％を越えると、　ＴｉＮやＡｌＮが焼結材料中に残存
するようになシ、これらＴｉＮやＡＩＮは安定な化合物
であるため１反応性に乏しく１強固な結合力葡もったス
ケルトン組織を形成するのに阻誉成分として作用するよ
うになることから、その配合（転）を５〜・２０％と定
めた。

なお、このｉ合、　’ｔｔ、ＡｇＮニ代ッテ、ＴｉＮ　
、　ｋｌＮ。

ＴｉＡｌ、あるいはＴｉＡｌ３など全焼結助剤として用
いても’ｐｉ２Ａ／Ｎ　と同じ作用効果が得られるもの
ではない。すなわち、　ＴｉＨの場合、それ自体が安定
な裔１熱酸化物であるために、構成成分であるＣＢＮ。

超微粒’ｒｔｃ　、および超微粒Ａ４２０３ヲ結びつけ
る反応を生じさせることは不可能である。また、　ＡＩ
Ｎも同様に蒸気圧が高く、安定な化合物であるため。

反応性に乏しく、かつ予備焼結稜の超冒圧焼結において
、焼結阻害因子として作用するものである。

さらに、　ＴｉＡｌ＋ＴｉＡＡ！３は、予（Ｍ４焼結時
に容易に分解するが、この場合相対的に過剰なＡｌが発
生し。

前記のＡＩＮ　′ｆ：形成するようになるものであり、
したがって、金Ｍ　Ａｌも低融点で液相反応によりＡ／
Ｎを生じるようになるものであり、このように予備焼結
時に、ＡＩＮｔ形成する’ｌ”ｉＡＡ　＋　’ｒｉＡｅ
３．８らに金属Ａｌｋ焼結助剤として用いるのは望まし
くない。

Ｃ８予備焼結条注 予備焼結は、各構成成分粒子の脱酸およびクリーニング
などの副次効果が考えられるが、主体は。

超微粒子ｉＣとＴｉ２ＡβＮ　とを反応させて活性に富
んだ超微粒子ｉＣＮヲ生成させ、同時に活性化した超微
粒α−Ａ１２０３との間で、微細にしてマイクロボイド
が少なく、かつ堅固に絡み合った。結合強度の高いスケ
ルトン組織を形成することにあるが。

これらの反応は、雰囲気の真空度をＩ　［１−２ｔｏｒ
ｒ以Ｆ、望昔しくは１０　ｔｏｒｒ以下とした状態で、
ＣＢＮが六方晶型に完全に逆変態し、てし捷わない範囲
内のできるだけ高い温度にして９完全に変態したα−Ａ
１２０３が得られる温度、すなわち１２００へ一１４０
１Ｊ℃に加熱することにより行なうことができるもので
あり、かつ反応保持時間も５〜６（）分で十分である。

Ｄ、超涜、圧焼結条件 超高圧焼結は、上記の予備焼結によって得られたマイク
ロボイドが少く、初期密度の高い、高強度の予備焼結体
を真密度にするために竹なわれるものであり、したがっ
てＣＢＮの安定な圧力および温度範囲で焼結する必要が
あり、その圧力一温度条件として、圧力ニ４０〜７０Ｋ
Ｂ、温度：１２００〜１５０υ°Ｃ全定めたものであシ
、壕だ焼結時間についても、５分未満では焼結が不十分
であり。

一方６０分を越えた焼結時…１は不必要であることから
、５〜６０分と定めたのである。

つきに、どの発明の方法を実旋例により具体的に説明す
る。

笑施例 原料粉末として、平均粒径：３μｍのＣＢＮ　粉末１通
常の化学蒸着法により形成きれた同０．＋１８μｍを有
する超微粒子ＩＣ粉末１機械的粉砕により調製された同
０．６μｍのＴｉＮ粉末、無水塩化アルミニウムの高温
加水分解により製造された同０．１μｍの超微粒Ａｄ２
０３粉末、および機緘的粉砕により調製された同０．９
μｍの’ｌ’ｉ２Ａ／Ｎ粉末全用意し、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シフ、ボー
ルミルにて混合した後　３ｔｏｎ／、虜のＦに力で、内
径：Ｉｔ１Ｍφ×厚さ：Ｉ軌　の寸法ケもった円枦状圧
粉体にプレス成形し、ついで同じく第１表ＶＣ示さねる
粂注で、前記圧粉体を予励焼結（〜、引続いて、この結
果得られた予陥焼結体を。

同一寸法の炭化タングステン（ＷＣ）基超ｐ合金（ＣＯ
：　１２　Ｍ量％、ＷＣ：残り）製チップに重ね合わせ
た状態で超高圧装置に装入し、同じく第１表に示される
条件で超茜圧焼結分行なうことによって本発明超高圧焼
結材料１〜・１２をそれぞれ製造した。また、比較の目
的で、上記の予備焼結を行なわない以外は、同一の条件
で比較超高圧焼結材料１〜１２を製造した。

ついで、この結果得られた本発明超高圧焼結材料１−１
２および比較超高圧焼結材料１〜１２から、切削チップ
全切出し、ＷＣ基超硬合金製ホルダにろう例けし、研磨
仕上げした後。

扱削祠：ＳＣＭ−４１５の浸炭焼入れ材（表面硬さ：　
１７１ＲＣ６ｏ±１．浸炭層深さ：Ｑ、７９以上）。

切削速麿ａ　Ｉ　２０ｍ／勤ｎ。

切り込み：ｔ１．３ｍａ。

送　リ　：＋）＋２麩’／ｒｅｖ。

ｌ；ｌＪ削時Ｉ￥ｉｉ　：　２（、）馴。

の鍮１’ｌ−で連続切削試験を行ない、切刃の逃は面摩
耗１１１ｉｉｉを副足した。この結果を第１表に示した
。

第１表に示ちれる結果から、高強度と高靭性〃・要求さ
れる表向部の硬さ勾配か急激な浸炭焼入れ相の切削に際
して、本発明超高圧焼結材料１〜・Ｉ２は、いｊ−れも
すぐれた耐摩耗性を有し、かつさらに６１６℃いての切
削が口１能であるのに対して、予励焼結を竹なわす、圧
粉体をその４−擾超筒比焼結した比較超高圧焼結材料１
〜１２は、いずれも３〜１５分で切刃のすくい面に剥離
現象が現われ、中にはノーズ部にチッピングが発生した
ものもるり。

短時間で使用寿命に至るものであった。

上述のように、この発明のＣＢＮ基超高圧焼結桐料は、
高強度および高靭性、並ひに真密度を有するので、相対
的に通人な切削抵抗が加わる高硬度鋼などの深切り込み
や高送り切削、さらに表面部の硬さ勾配が急激な浸炭焼
入れ鋼などの切削に切削工具として用いた場合にすぐれ
た耐摩耗性と安定した切削性能を示シ１．長期にはる使
用を可能とするものである。、 出願人　三菱金栖株式会社 代理人　富　１）和　大外１名 手　続　補　正　書　（自　発） 昭和５９年　４月１１日 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 １、事イＩ（の表示 特願昭５９−３１９５８８ ２、発明の名称 切削工具用立方晶窒化硼素基超高圧焼結材料の製造法 ３、補正をする者 事件どの関係　特許出願人 住所　東京都千代田区大手町−１−目５番２号氏名（名
称）　（６２６）三菱金属株式会社代表者　永　野　叶 ４、代理人 住所　東京都千代田区神田錦町−丁目２３番地宗保第二
ビル８階 自発 ６．７＋ｉ正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄 ７、補正の内容　別紙の通り （１）　明細書、発明の詳細な説明の項、（ａ＞　第１
７頁の第１表の１、 （ｂ　）　第１８頁の第１表の２、 上記表中における超高圧焼結条件の欄 ［真空度（ｔｏｒｒ）ｊどあるを、 ［圧力（Ｋｂ）、１ど訂正する。

以上

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）原料粉末として、平均粒径：１０μｍ　以下の立
   方晶窒化硼素粉末、同０．２μｍ　以下の超微粒炭化チ
   タン粉末、同１μｍ以下の窒化チタン粉末。 同０．２μｍ　以下の超微粒酸化アルミニウム粉末。 および１μｍ　以下の平均粒径を有し、窒化チタンと、
   Ｔｉ−Ａ／　の金員間化合物とを反応させることにより
   生成させた焼結助剤としてのＴ１２ＡｌＮ粉末を用意し
   、 これら原訓粉末金、容址係で。 立方晶窒化硼素：２０〜・８０％。 炭化チタン、または炭化チタンと窒化チタン（ただし窒
   化チタン／（炭化チタン＋窒化チタン）＝０．０５〜０
   ．５．各扇比）：５へ・５０％。 酸化アルミニウム：ｌＯ〜７０チ。 Ｔｉ２ＡβＮ：５へ２０％。 からなる配合組成に配合し。 この配合粉末を混合した後、フレス成形にて圧粉体に成
   形し。 ついで、この圧粉体に、　１（ｌ　ｔｏｒｒ　ＩＪ下の
   ４−　’１中、温度：　１２００〜１４０ｔ）°Ｃ１保
   持時間：５へ・６０分の条件で予備焼結を施すことによ
   って、　Ｔｉ２ＡｇＮの分解により生成したＴｉＮと超
   微粒灰化チタンとを反応させて耐熱特性のすぐれた微細
   な炭窒化チタンを形成すると共に、この超微粒炭屋化チ
   タンと超微粒酸化アルミニウムとが強固に絡み合った＾
   強度および高靭性を有し、かつマイクロボイドのきわめ
   て少ないスケルトン組織を形成し。 引続すて、この予備焼結体に、温度：１２０Ｌ）〜１５
   ０００Ｇ、圧力ニ４０〜・７０ＫＢ、保持時間：５へ・
   ６０分の立方晶窒化硼素の安定な温度−圧力条件で超高
   圧焼結を施しで真密度とすることを特徴とするすぐれた
   耐摩耗性および高靭性を有する切削工具用立方晶窒化硼
   素基超高圧焼結制料の製造法。
2. （２）　化学気相蒸着法によシ製造された平均粒径：　
   Ｕ、Ｌｌ　５−・０．１μｍｆ有する超微粒炭化チタン
   粉末會原料粉末として使用することを特徴とする特許請
   求の範囲第（１）項記載の切削工具用立方晶窒化硼素基
   超高圧焼結材料の製造法。
3. （３）無水塩化アルミニウムを高温加水分解することに
   より製造された平均粒径：０．２μｍ以下’を有し、か
   つ結晶構造が主としてｒ構造で、一部がδ＃輩よりなる
   超微粒酸化アルミニウム粉末を原料粉末として使用する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の切削
   工具用立方晶窒化側１累基超高圧焼結材料の製造法。