JPS61209958A - Sintered body for high hardeness tool and manufacture - Google Patents

Sintered body for high hardeness tool and manufacture

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JPS61209958A
JPS61209958A JP60270473A JP27047385A JPS61209958A JP S61209958 A JPS61209958 A JP S61209958A JP 60270473 A JP60270473 A JP 60270473A JP 27047385 A JP27047385 A JP 27047385A JP S61209958 A JPS61209958 A JP S61209958A
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JP
Japan
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sintered body
wurtzite
boron nitride
type
powder
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昭夫 原
矢津 修示
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 高圧相型窒化硼素(B N)には立方晶とウルツ鉱晶と
2種あるが、いずれもダイヤモンドに次ぐ高い硬度を有
し、研削や切削加工用材料として、極めて有望とされて
いる。既に研削用途には、かなり多(用いられている。
[Detailed description of the invention] There are two types of high-pressure phase type boron nitride (BN), cubic crystal and wurtzite crystal, and both have a hardness second only to diamond and are extremely useful as materials for grinding and cutting. It is considered promising. It is already widely used for grinding purposes.

切削用途には立方晶型BNをGoなどの金属で結合した
焼結体が一部試験的に発売されている。
For cutting purposes, some sintered bodies made of cubic BN bonded with metals such as Go have been released on a trial basis.

この金属で結合したBN焼結体は一種のサーメットであ
り、耐熱性という点で問題がある。即ち高速切削する場
合のような刃先温度のあがる用途には不適である0本発
明は結合体として耐熱性、耐摩耗性に優れた金属化合物
を用い、しかも高い強度を与えんとするものである。
This metal-bonded BN sintered body is a type of cermet, and has a problem in terms of heat resistance. In other words, it is unsuitable for applications where the temperature of the cutting edge increases, such as during high-speed cutting.The present invention uses a metal compound with excellent heat resistance and wear resistance as a bonding body, and is intended to provide high strength. .

発明者等は先に立方晶型窒化硼素(略してCBN)を耐
熱性に優れ熱伝導率の高い金属化合物で結合した高硬度
の工具用焼結体を発明し特許出願している(51−15
4570.52−54666)。発明者等はCBNの場
合と同様な考えを窒化硼素の別の高圧相であるウルツ鉱
型BNに適用して種々検討した結果、本発明に到達した
The inventors had previously invented a highly hard sintered body for tools made by bonding cubic boron nitride (abbreviated as CBN) with a metal compound with excellent heat resistance and high thermal conductivity, and filed a patent application (51- 15
4570.52-54666). The inventors applied the same idea to CBN to wurtzite BN, which is another high-pressure phase of boron nitride, and as a result of various studies, they arrived at the present invention.

ウルツ鉱型BNは六方晶型BNを原料として衝撃波を用
いる動的超高圧発生方法を用いて合成することができる
。この方法では静的な超高圧装置を用いて合成されるC
BNに比較して安価に製造できるという利点がある。こ
の衝撃波法を用いた合成法では合成時の圧力、温度の持
続時間が短い為結晶成長の時間が限られ、この方法によ
って合成されたウルツ型BN結晶の粒度は一般に10μ
以下のものが多い0発明者等の一人等が出願した特公昭
50−39444号では、このウルツ鉱型BNを原料と
して、これを高温高圧下で焼結して得られる焼結体が開
示されており、このウルツ鉱BNのみのも秀れているこ
とが示されている。
Wurtzite type BN can be synthesized using hexagonal type BN as a raw material using a dynamic ultra-high pressure generation method using shock waves. In this method, C is synthesized using a static ultra-high pressure device.
It has the advantage of being cheaper to manufacture than BN. In this synthesis method using the shock wave method, the duration of pressure and temperature during synthesis is short, so the time for crystal growth is limited, and the grain size of Wurtz-type BN crystals synthesized by this method is generally 10μ.
Japanese Patent Publication No. 50-39444 filed by one of the following inventors discloses a sintered body obtained by using this wurtzite-type BN as a raw material and sintering it under high temperature and high pressure. It has been shown that this wurtzite BN alone is also excellent.

発明者等はこのウルツ鉱型BNの焼結体について特性、
性能を詳細に調べた結果、焼結体毎のバラツキが多く、
また工具としての性能面でも靭性、耐摩耗性共に改良の
余地があることを見出した。
The inventors have determined the characteristics of this wurtzite-type BN sintered body,
As a result of a detailed investigation of the performance, we found that there were many variations between each sintered body.
It was also found that there is room for improvement in both toughness and wear resistance in terms of performance as a tool.

衝撃波を使用して合成されたウルツ鉱型BNは前述した
如く、極めて微細な粉末であり、また粒子の形状も複雑
で表面に凹凸が多いために表面積が大きい。この為粒子
表面にガスが吸着され易く粒子表面には酸化物や水酸化
物が形成される。このような微粉末を用いて焼結する場
合焼結される物質が密封されていない時には、このガス
を系外に出すのは困難ではない、しかし本発明の如く、
超高圧下で焼結する場合には、発生したガスは、加熱系
外に脱出することは殆ど不可能である。
As mentioned above, wurtzite-type BN synthesized using shock waves is an extremely fine powder, and the particle shape is complex and the surface has many irregularities, so it has a large surface area. Therefore, gas is easily adsorbed on the particle surface, and oxides and hydroxides are formed on the particle surface. When sintering using such a fine powder, it is not difficult to let this gas out of the system when the material to be sintered is not sealed, but as in the present invention,
When sintering under ultra-high pressure, it is almost impossible for the generated gas to escape outside the heating system.

一般にかかる場合には、予め脱ガス処理をする事 4が
粉末冶金業界では、常識であるが、脱ガス処理温度が十
分高(出来ない場合には問題である。本件はまさにそ挑
に当る、即ちウルツ鉱型BNの低゛正相への変態を考え
ると加熱温度に上限がある。
Generally, in such cases, it is common knowledge in the powder metallurgy industry to perform degassing treatment in advance, but if the degassing temperature is not high enough (it is not possible, there is a problem. This case is exactly the challenge). That is, when considering the transformation of wurtzite type BN to a low positive phase, there is an upper limit to the heating temperature.

微粉末の脱ガス過程としては、温度と共に次の各段階が
ある。まず低温では物理吸着しているものと吸湿水分が
除去される0次いで化学吸着しているもの及び水酸化物
の分解が起きる。最後に酸化物が残る。ウルツ鉱型BN
の場合8oo℃位までは安定であるので、この温度位に
は予め加熱出来る。従って予め脱ガス加熱すれば、残留
ガス成分は酸化物の形で残っていると考えてよい。逆に
言えばガス成分は、なるべく焼結体中に残したくないの
だから、水および水素を全て除去することは予備処理と
して行うのが好ましい。
The degassing process of fine powder involves the following stages depending on the temperature. First, at low temperatures, physically adsorbed substances and hygroscopic moisture are removed, and then chemically adsorbed substances and hydroxides are decomposed. At the end, oxide remains. wurtzite type BN
In this case, it is stable up to about 80°C, so it can be heated to this temperature in advance. Therefore, it can be considered that if the gas is degassed and heated in advance, the residual gas components remain in the form of oxides. Conversely, since it is desired that gas components remain in the sintered body as little as possible, it is preferable to remove all water and hydrogen as a preliminary treatment.

しかしこの加熱脱ガス処理では粒子表面の酸化物は除去
できない、ウルツ鉱型BN粒子の場合多分酸化硼素(B
*Os)の形で酸化物が残る。
However, this thermal degassing treatment cannot remove oxides on the particle surface, and in the case of wurtzite-type BN particles, it is likely that boron oxide (B
The oxide remains in the form of *Os).

酸化硼素は融点が低く (450℃)高温ではガラス状
となる。また大気中の水分を吸収して水酸化物になり易
い、従来のウルツ鉱型BNの焼結体は結晶°粒子表面に
このB x Os  が残存したまま焼結されており、
その量によって特性のバラツキが生じ、またこれが切削
工具等に使用した場合、耐摩耗性や靭性を低下せしめる
一つの原因となっていた。
Boron oxide has a low melting point (450°C) and becomes glassy at high temperatures. In addition, conventional wurtzite-type BN sintered bodies, which easily absorb moisture in the atmosphere and become hydroxide, are sintered with this B x Os remaining on the surface of the crystal particles.
Variations in properties occur depending on the amount, and this is one of the causes of reduced wear resistance and toughness when used in cutting tools and the like.

本発明はこの点を解決した高性能の安定した工具用焼結
体を提供するものである。発明者等はウルツ鉱型BNと
各種の耐熱性化合物粉末の混合粉末を焼結して特性、性
能を検討した結果、周期律表の第4a、5a族金属の炭
化物、窒化物、炭窒化物を使用した場合特性の安定した
高性能の焼結体が得られることを見出した。
The present invention solves this problem and provides a high-performance, stable sintered body for tools. The inventors sintered a mixed powder of wurtzite-type BN and various heat-resistant compound powders and examined the characteristics and performance. As a result, they found that carbides, nitrides, and carbonitrides of group 4a and 5a metals of the periodic table were sintered. It has been found that a high-performance sintered body with stable properties can be obtained when using .

周期律表の第4a、5a族金属の炭化物、窒化物、炭窒
化物を使用した場合、何故このように良好な焼結体が得
られるかは次の如くと考えられる。
The reason why such a good sintered body can be obtained when carbides, nitrides, and carbonitrides of metals in groups 4a and 5a of the periodic table are used is considered to be as follows.

即ち、周期律表の第4a、5a族金属のこれ等化合物は
MCI :!:X 、MN+ ±、 、M (C,N)
I±8の形で示され(Mは周期律第4a族の”+Zr+
Hfまたは第58族のV、Nb、Taの金属を示し、X
はNまたはCの原子空孔または相対的に過剰の原子の存
在を意味する。)M−C,M−N、M−C−N相図上で
ある巾の組成範囲を有する。特に第4a族金属のT s
 + Z r s Hfは広い存在範囲を有している。
That is, these compounds of metals in groups 4a and 5a of the periodic table have MCI:! :X, MN+ ±, , M (C, N)
I±8 (M is "+Zr+" of Group 4a of the periodic law
Hf or group 58 metals V, Nb, Ta, X
means the presence of N or C atomic vacancies or a relative excess of atoms. ) has a composition range that is on the M-C, M-N, M-C-N phase diagram. Especially T s of group 4a metals
+ Z r s Hf has a wide range of existence.

例えばこの中でMN、±8の形で表わされる窒化物を例
にとると、MN、±8を加えた時、何故焼結体として良
好なものが得られるかは次の如くと考えられる。即ち、
ウルツ鉱型BN粉末表面には例えば真空中での加熱脱ガ
ス処理では除去できなかった酸化物、多分B t Os
の形のものが存在する。このB20.とMN、±8のく
−X)部分に相当するMが反応した場合には、 Bias +4M−4MB! +3 MO(1)となり
ガスを発生しない。そしてMOとMNと同一結晶構造を
有し、相互固溶体を形成する。ここにMN、±8で表わ
される周期律表第4a、5a族金属の窒化物を加えた時
に良好な焼結体が得られる理由があると考えられる。こ
のことは窒化物に限らず、MC,+、の形で示される炭
化物、又はM (C,N)+ ±、で示される炭窒化物
、又はMとして2種以上の金属を含む上記した化合物に
ついても言えることである。また周期律表第4 a、 
S a族金属のこれ等化合物は周期律表第68族金属で
あるCr、 Mo、 Wの炭化物、窒化物とも固溶体を
形成し得る。このような複合炭化物、窒化物、炭窒化物
についても例えば(M、M’ )N、 ±翼の形で表わ
される存在範囲を有する限り、本発明の焼結体に適用し
得る。発明者等はウルツ鉱型BNとこれ等の化合物粉末
で(、±X)の種々の組成範囲のものを混合して焼結体
を試作し、特性、性能を調べた結果、(1±X)の値が
0.97以下のNまたはC原子の空孔を有する化合物粉
末を使用した時に強靭で良好な焼結体が安定して得られ
ることを確認した。
For example, taking the nitride expressed in the form of MN, ±8 as an example, the reason why a good sintered body is obtained when MN, ±8 is added is considered to be as follows. That is,
The surface of the wurtzite-type BN powder contains oxides, probably B t Os, that could not be removed by heating and degassing in vacuum, for example.
There are things of the form. This B20. and MN, if M corresponding to the ±8 ku-X) portion reacts, Bias +4M-4MB! +3 MO(1) and no gas is generated. MO and MN have the same crystal structure and form a mutual solid solution. It is believed that there is a reason why a good sintered body can be obtained when a nitride of a group 4a or 5a metal of the periodic table, represented by MN, ±8, is added. This is not limited to nitrides, but also carbides represented by the form MC,+, carbonitrides represented by M(C,N)+±, or the above-mentioned compounds containing two or more metals as M. The same can be said about Also, periodic table 4a,
These compounds of S a group metals can also form solid solutions with carbides and nitrides of Cr, Mo, and W, which are group 68 metals of the periodic table. Such composite carbides, nitrides, and carbonitrides can also be applied to the sintered body of the present invention as long as they have an existence range expressed in the form of (M, M')N, ±wings, for example. The inventors prototyped sintered bodies by mixing wurtzite-type BN and these compound powders with various composition ranges of (, ±X), and investigated the characteristics and performance. ) It was confirmed that a strong and good sintered body can be stably obtained when a compound powder having N or C atom vacancies with a value of 0.97 or less is used.

本発明による焼結体をウルツ鉱型BNにTiN+f:x
を混合して焼結体を作成する場合について、更に詳しく
説明する。
The sintered body according to the present invention is made of wurtzite type BN with TiN+f:x
The case where a sintered body is created by mixing will be explained in more detail.

−TiNの添加量60χ、1ozの場合について検討し
てみると、ウルツ鉱型BNの予備加熱後ももっている酸
素量は最大1%であろうから、この極端な場合でTiN
+−1lのXの最低必要量を計算してみるとTiN  
ウルツ鉱型BN 602 40%  の場合 x −0,05410χ 
90χ の場合 x =0.727となる。
- Considering the case where the amount of TiN added is 60χ and 1 oz, the amount of oxygen retained even after preheating of wurtzite BN is probably 1% at most, so in this extreme case, TiN
When calculating the minimum required amount of X of +-1l, TiN
For wurtzite type BN 602 40% x -0,05410χ
In the case of 90χ, x = 0.727.

即ち、TiN0量が多い場合にはTiN+−xのXの値
の小さいものを使えば良く、少ない場合にはXの値の大
きなものを使う必要がある。第1図に示したようにTi
Nの存在領域は広い、下限は大体TiN*、&である。
That is, when the amount of TiN0 is large, it is sufficient to use TiN+-x with a small value of X, and when it is small, it is necessary to use a material with a large value of X. As shown in Figure 1, Ti
The existence region of N is wide, and the lower limit is approximately TiN*, &.

上限については諸説があり、TiN+、+iという報告
もある。従って90%BN−10%TiNの場合で酸素
量の多い場合にはTiN、!:Tiの混合物を加える必
要がある。しかし、こうなると結合材としてのTiNの
量が少な(なるので好ましくなく、むしろ使用するBN
の酸素を減らすべきであろう、好ましい(1−X)の値
は使用する金属元素により異なるが、TiN+−の場合
は焼結中にB2O3を分解させ、焼結体中でTi(N、
O)相として存在する範囲であり、大体(1−X)≧0
.6である。焼結体中に残存するTi−N−0の固溶体
相はB80.に比較して、はるかに耐熱性があり、また
硬度も高い安定な化合物である。また前述した(l1式
で示したように8203 が分解した場合はTiB1が
生じるが、これも高硬度の耐熱性化合物である為焼結体
の性能を低下せしめることはない0以上述べたことは?
lIk目マ内^ヂ+Δ順Iψ油R1+1純八舎ルh 出
ル物、炭窒化物についても同様である。第2図はTi−
C−B系の状態図であるがTiCt−x中にも若干のB
が固溶することが示されており、Bi12とTiCt−
の反応で生じる化合物としてはTiB z+Tt B 
+ Tt −C−O固溶体の他にTi−C−0−B系固
溶体も生じ得ると考えられる。
There are various theories regarding the upper limit, and there are also reports of TiN+ and +i. Therefore, in the case of 90%BN-10%TiN, if the amount of oxygen is large, TiN,! : It is necessary to add a mixture of Ti. However, this is not preferable because the amount of TiN as a binder is small (it becomes less), and rather the amount of TiN used as a binder is
The preferable value of (1-X), which should reduce the amount of oxygen in
O) is the range that exists as a phase, and approximately (1-X)≧0
.. It is 6. The Ti-N-0 solid solution phase remaining in the sintered body is B80. It is a stable compound with much higher heat resistance and higher hardness than . Furthermore, as shown in formula 11 above, when 8203 decomposes, TiB1 is produced, but since this is also a high-hardness, heat-resistant compound, it does not degrade the performance of the sintered body. ?
The same is true for nitrides and carbonitrides. Figure 2 shows Ti-
Although this is a phase diagram of the C-B system, there is also some B in TiCt-x.
It has been shown that Bi12 and TiCt-
The compound produced in the reaction is TiB z + Tt B
It is considered that in addition to the +Tt-C-O solid solution, a Ti-C-0-B solid solution may also be formed.

さて本発明の焼結体でウルツ鉱型BNに加える上記化合
物粉の量は原料BN粉末中の酸素含有量添加する化合物
粉末の組成によって選定する必要があるが、更に焼結体
を工具として使用した場合の性能面から限定される。
Now, in the sintered body of the present invention, the amount of the above compound powder added to wurtzite-type BN needs to be selected depending on the oxygen content in the raw BN powder and the composition of the compound powder to be added, but the sintered body can also be used as a tool. It is limited in terms of performance when

ウルツ鉱型BNの含有量が焼結体中の体積%で10%未
満では焼結体の硬度も低く、BNを含有しない焼結体と
性能上め差が顕著でない、また添加する化合物が焼結体
中に体積%で10%未満ではウルツ鉱型BN粉末のをす
る酸化物の大部分を分解せしめて、本発明の効果を充分
に発揮するには不足している。特に好適な組成範囲はウ
ルツ鉱型BNの含有量が焼結体中の体積%で3o〜70
%の範囲である。
If the content of wurtzite BN is less than 10% by volume in the sintered body, the hardness of the sintered body will be low, and there will be no noticeable difference in performance from the sintered body that does not contain BN. If the amount is less than 10% by volume in the compact, most of the oxides contained in the wurtzite-type BN powder are decomposed, which is insufficient to fully exhibit the effects of the present invention. A particularly preferable composition range is a wurtzite BN content of 3o to 70% by volume in the sintered body.
% range.

この限定された組成範囲では、後述する如く原料BN粉
末と添加化合物粉末の粒度を選定することにより、本発
明による添加化合物が焼結体中で連続した結合相を形成
し、BN粒子の表面を包囲した状態となるため、原料B
N粉末表面の酸化物は焼結中に完全に結合相化合物中に
分解固溶して強靭な焼結体を得ることができる。
In this limited composition range, by selecting the particle sizes of the raw BN powder and the additive compound powder as described later, the additive compound according to the present invention forms a continuous binder phase in the sintered body, and the surface of the BN particles is Because it is in an enclosed state, raw material B
The oxide on the surface of the N powder is completely decomposed and dissolved into the binder phase compound during sintering, making it possible to obtain a tough sintered body.

本発明の焼結体を製造するにあたっては使用するウルツ
鉱型BN粉末の粒度は、特に限定されない一般に衝撃波
法で得られるBNの粒度はloμ以下の微細粉である。
The particle size of the wurtzite-type BN powder used in producing the sintered body of the present invention is not particularly limited, but the particle size of BN obtained by the shock wave method is generally a fine powder of lo μ or less.

このBN粉末と周期律表第4a+58族金属の炭化物、
窒化物、炭窒化物を主体とした化合物粉末を混合する。
This BN powder and carbides of metals from group 4a+58 of the periodic table,
Mix compound powders mainly consisting of nitrides and carbonitrides.

この化合物粉末の粒度はBN粉末粒子間に細かく分散す
る事が本発明の効果を発揮させる為には必要である。従
って、BN粉末の粒度より細かいものを使用した方が良
く、本発明では全て10μ以下、望ましくは1μ以下の
粉末として使用している。この混合粉末もしくは型押体
を真空度10−’mmHg以上の真空下で80θ℃以下
の温度に加熱脱ガスし、これを超高圧装置用いる超高圧
装置はダイヤモンド合成に使用されるガードル型、ベル
ト型等の装置である。発熱体には黒鉛円筒を用い、その
中にタルク、Nacl等の絶縁物をつめてCBHの混合
粉末型押体を包む。
The particle size of this compound powder must be finely dispersed between the BN powder particles in order to exhibit the effects of the present invention. Therefore, it is better to use particles with a particle size finer than that of BN powder, and in the present invention, all powders with a particle size of 10 μm or less, preferably 1 μm or less are used. This mixed powder or embossed body is heated and degassed to a temperature of 80θ℃ or less under a vacuum of 10-'mmHg or higher, and is then processed using an ultra-high pressure device. It is a device such as a mold. A graphite cylinder is used as the heating element, and an insulating material such as talc or NaCl is filled in the cylinder to enclose the CBH mixed powder molded body.

黒鉛発熱体の周囲にはパイロフェライト等の圧力媒体を
置く。焼結する圧力、温度条件は第3図に示した高圧相
型窒化硼素の安定領域内(即ち第3図A−A’線上側の
温度、圧力条件)で行うことが望ましいが、この平衡線
は必ずしも正確には分っておらず、1つの目安にすぎな
い。
A pressure medium such as pyroferrite is placed around the graphite heating element. The pressure and temperature conditions for sintering are preferably within the stable region of high-pressure phase type boron nitride shown in Figure 3 (i.e., the temperature and pressure conditions above line A-A' in Figure 3); is not necessarily known accurately and is only a guideline.

第3図のB−B’線はウルツ鉱型BNの準安定領域を示
したもので、B−B’線とA−A’ Mで囲まれた領域
内の圧力温度条件下では、ウルツ鉱型から立方晶型BN
に変換することが知られている。
The line B-B' in Figure 3 shows the metastable region of wurtzite BN, and under the pressure and temperature conditions in the area surrounded by line B-B' and A-A'M, wurtzite BN Cubic crystal type BN from the mold
It is known to convert into

本発明の焼結体の製造に当っては、この領域内で焼結し
てウルツ鉱型BNの一部または全部を立 ◇方晶型窒化
硼素に変換せしめても良い。
In producing the sintered body of the present invention, part or all of the wurtzite BN may be converted into cubic boron nitride by sintering within this region.

本発明の焼結体を例えば切削工具として使用するときに
は、高圧相型窒化硼素を含有する硬質焼結体層が工具の
刃先部分を形成しておれば良く、これを支持する部分は
切削加工時に工具に加わる応力や熱に耐える高強度の別
の材料を用いて良いにのような支持体として用いる材料
は、硬質焼結体層と同様な剛性を有し、高強度の超硬合
金が適している。特にWCC超超硬合金熱伝導性が良く
、硬質焼結体層の支持体として最適である。
When the sintered body of the present invention is used, for example, as a cutting tool, it is sufficient that the hard sintered body layer containing high-pressure phase boron nitride forms the cutting edge part of the tool, and the part that supports this is used during cutting. Another material with high strength that can withstand the stress and heat applied to the tool is used.The material used as the support is a high strength cemented carbide with similar rigidity to the hard sintered layer. ing. In particular, WCC cemented carbide has good thermal conductivity and is optimal as a support for a hard sintered body layer.

この支持体と高圧相型窒化硼素を含有する本発明焼結体
との接合は高圧、高温下における焼結時にこの硬質焼結
体層を形成する混合粉末の型押体に接して支持体となる
超硬合金を置き焼結と同時に接合せしめることができる
。この硬質焼結体形成部がウルツ鉱型窒化硼素粉末のみ
からなる場合は高圧、高温下においても超硬合金支持体
と強固に接合された焼結体を得ることは困難であるが、
本発明の焼結体では、窒化硼素粒子間に周期律表第4a
、5a族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物を主体とした
化合物相が微細に分散しており、接合界面においてもこ
れ等化合物と超硬合金は窒化硼素よりも化学的に親和性
に富むことから強固な接合が得られる。
This support and the sintered body of the present invention containing high-pressure phase type boron nitride are bonded together during sintering under high pressure and high temperature, in contact with the stamped body of the mixed powder that forms this hard sintered body layer. Cemented carbide can be placed and sintered and joined at the same time. If this hard sintered body forming part is composed only of wurtzite boron nitride powder, it is difficult to obtain a sintered body that is firmly bonded to the cemented carbide support even under high pressure and high temperature.
In the sintered body of the present invention, between the boron nitride particles,
, compound phases mainly consisting of carbides, nitrides, and carbonitrides of group 5a metals are finely dispersed, and these compounds and cemented carbide have a higher chemical affinity than boron nitride at the bonding interface. This results in a strong bond.

本発明の焼結体は耐摩耗性に優れ、高硬度で強靭なもの
が得られ、焼入れ鋼等の高硬度の鋼や高硬度の鋳鉄を切
削加工する工具材や線引きダイス等に使用される。
The sintered body of the present invention has excellent wear resistance, high hardness and toughness, and is used for tool materials and wire drawing dies for cutting high hardness steel such as hardened steel and high hardness cast iron. .

以下実施例を述べる。Examples will be described below.

実施例1 粒度2ミクロン以下の衝撃波法で作成したウルツ鉱型B
Nに体積で40%の窒素含有量1a、1%(Ti N 
o、 s)で粒度1ミクロンのTiN粉末を加え、アセ
トンを溶剤として48時時間式ボールミル混合した。尚
原料のウルツ鉱型BN粉末の酸素含有量は分析の結果0
.7%であった。
Example 1 Wurtzite type B made by shock wave method with particle size of 2 microns or less
Nitrogen content 1a, 1% (Ti N
TiN powder having a particle size of 1 micron was added at step 30, s) and mixed in a 48-hour ball mill using acetone as a solvent. As a result of analysis, the oxygen content of the raw material, wurtzite-type BN powder, is 0.
.. It was 7%.

この混合粉末を外径10111M、厚み1.5mmに型
押成型した。この型押体を鉄製の底付き中空円筒の容器
中に置いた。これを真空炉中に入れ700℃×20分1
0−’ ma+Hgの条件で脱ガス処理した。
This mixed powder was pressed and molded to have an outer diameter of 10111M and a thickness of 1.5mm. This embossed body was placed in a hollow cylindrical container with a bottom made of iron. Place this in a vacuum furnace at 700°C for 20 minutes.
Degassing treatment was performed under the conditions of 0-'ma+Hg.

この脱ガス処理した物をダイヤモンドの合成に主として
用いられる超高圧装置の一つであるベルト装置内に装入
した。圧力媒体としてはパイロフェライトを、ヒーター
としては黒鉛を用いた。
This degassed product was placed in a belt device, which is one of the ultra-high pressure devices mainly used for diamond synthesis. Pyroferrite was used as the pressure medium and graphite as the heater.

圧力を55Kbにあげてのち温度を1200℃に上げ3
0分間保持した。温度を下げてのちに減圧して焼結体を
取出した。
Raise the pressure to 55Kb and then raise the temperature to 1200℃3
It was held for 0 minutes. After lowering the temperature, the pressure was reduced and the sintered body was taken out.

焼結体をダイヤモンド砥石を用いて研削后、ダイヤモン
ドペーストでラフピングした。ラッピングした面でビッ
カース硬度を測定したところ約4000にg7mta”
であった。又同一面をX線回折により調べたところ、ウ
ルツ鉱型BNと、Ti(N、O)固溶体に相当する回折
線の他にTiBzの弱い回折線が観察された。
After grinding the sintered body using a diamond grindstone, it was roughened with diamond paste. When I measured the Vickers hardness of the wrapped surface, it was approximately 4000 g7mta.
Met. When the same surface was examined by X-ray diffraction, weak diffraction lines of TiBz were observed in addition to diffraction lines corresponding to wurtzite BN and a Ti(N,O) solid solution.

実施例2 実施例1と同様のウルツ鉱型BN粉末とT1No、@の
混合粉からなる型押体を作成した。実施例1と同様の鉄
製底付き容器中に予め焼結されたWC−6%co組成の
超硬合金からなる外径ioam、厚さ3mmの円盤を置
き、これに接して前記型押体を置いた。
Example 2 An embossed body made of the same wurtzite-type BN powder as in Example 1 and a mixed powder of T1No and @ was created. A disk with an outer diameter of ioam and a thickness of 3 mm made of pre-sintered cemented carbide with a WC-6% co composition was placed in the same iron bottomed container as in Example 1, and the stamped body was placed in contact with it. placed.

以下実施例1と同様にして焼結体を得た。ウルツ鉱型B
Nを含む硬質焼結体の厚さ約1m#の層が超硬合金円板
に強固に接合した焼結体となっていた。
Thereafter, a sintered body was obtained in the same manner as in Example 1. Wurtzite type B
The sintered body had a layer of about 1 m# thick of the hard sintered body containing N firmly bonded to the cemented carbide disk.

け、これを割って焼結体の断面を観察した。The cross section of the sintered body was observed by breaking it.

xvAマイクロアナライザーを用いてウルツ鉱型BNを
含む硬質焼結体層と超硬合金の界面を観察したところ、
超硬合金中のCOの硬質焼結体層中への拡散は見られな
かった。
When we observed the interface between the hard sintered layer containing wurtzite BN and the cemented carbide using an xvA microanalyzer, we found that
No diffusion of CO in the cemented carbide into the hard sintered body layer was observed.

この超硬合金に接合された焼結体を鋼の支持体にロウ付
けして切削用のバイトを作成した。
The sintered body joined to this cemented carbide was brazed to a steel support to create a cutting tool.

この切削用バイトを用いてロックウェルCスケール硬度
57のSN0M9の熱処理材を切削した。
This cutting tool was used to cut a heat-treated material of SN0M9 with a hardness of 57 on the Rockwell C scale.

切削速度毎分90m、切込み0.2a+a+、送り一回
転当り0.04mm、水溶性切削油使用の条件で40分
間切削しても逃げ面摩耗幅は0.20mmであり、更に
長時間の切削が可能であった。一方最も硬い超硬合金で
あるJIS分!IKOIを用いて削ったところ、僅か2
分で0.20m+s以上の逃げ面摩耗を示し、これ以上
の切゛削は不能であった。
Even after cutting for 40 minutes at a cutting speed of 90 m/min, depth of cut of 0.2a+a+, feed rate of 0.04 mm per rotation, and water-soluble cutting oil, the flank wear width was 0.20 mm, and even longer cutting times were It was possible. On the other hand, JIS is the hardest cemented carbide! When I shaved it using IKOI, it was only 2
Flank wear of 0.20 m+s or more per minute was observed, and further cutting was impossible.

実施例3 実施例2で用いたウルツ鉱型窒化硼素に第1表に示した
各種の化合物を配合した。
Example 3 Various compounds shown in Table 1 were blended with the wurtzite boron nitride used in Example 2.

第  1  表 以下実施例1と同様にして焼結体を作成した。Table 1 Thereafter, a sintered body was produced in the same manner as in Example 1.

焼結時の圧力、温度条件は第1表に示した通りで、全て
この条件で30分間保持して焼結した。いずれも良好な
焼結体となっており、硬度測定の結果は第1表に示した
通りであった。
The pressure and temperature conditions during sintering were as shown in Table 1, and all sintering was performed under these conditions for 30 minutes. All were good sintered bodies, and the hardness measurement results were as shown in Table 1.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の焼結体に使用するTiNについてTi
−N相図上における存在範囲を説明するためのものであ
る。 第2図はTi−C−Hの三元系状態図で、本発明の焼結
体の添加化合物が焼結体中に存在する状態を説明する為
のものである。 第3図は本発明の焼結体の製造条件を説明する為のもの
で高圧相型窒化硼素のP−T相図上における存在領域を
示すものである。 逼度(0C) 手続補正書 昭和60年12月ヌ18 1、事件の表示 昭和60年11月30日提出特許願 2)発明の名称 高硬度の工具用焼結体及びその製造方法3、補正をする
者 事件との関係      特 許 出 願 大佐  所
   大阪市東区北浜5丁目15番地名 称(213)
住友電気工業株式会社社  長  川  上  哲  
部 4、代理人 住  所   大阪市此花区島屋1丁目1番3号住友電
気工業株式会社内 5、?lI!正命令の日11 6、補正の対象 明細書及び図面 7、補正の内容 (1)訂正明細書を別紙の通り提出します。 (2)図面、第1図を別紙の如く訂正します。 訂正 明    細    書 1、 発明の名称 高硬度の工具用焼結体及びその製造方法2)特許請求の
範囲 (1)ウルツ鉱型窒化硼素粉末と周期律表第48+ 5
8+族金属をMとしたときにMC,±、の(、±、l)
の値が、該金属炭化物の安定状態の上限の95%以下0
.6以上である炭化物を主体とした化合物粉末の混合粉
末を高圧、高温下でホットプレスして得られる焼結体に
おいて、ウルツ鉱型窒化硼素または焼結中にウルツ鉱型
窒化硼素の一部乃至は全部が立方晶型窒化硼素に変換せ
しめられた高圧相型窒化硼素が焼結体の体積中に合計量
で10%以上含有され、残部がM’(C,O)の形の固
溶体化合物相を主体としたものからなることを特徴とす
る高硬度の工具用焼結体。 (2)特許請求の範囲(1)項記載の焼結体でM(C,
O)の固溶体相が焼結体中で連続した結合相をなすこと
を特徴とする高硬度の工具用焼結体。 族金属をMとしたときにMC,士つの(、±X)の値が
、該金属炭化物の安定状態の上限の95%以下0.6以
上である炭化物を主体とした化合物粉末を混合し、これ
を1200℃以上で、かつウルツ鉱型BNまたは、立方
晶型BNが安定な圧力、温度条件下でホントブレスする
ことを特徴とする高硬度の工具用焼結体の製造方法。 3、発明の詳細な説明 高圧相型窒化硼素(BN)には立方晶とウルツ、に晶と
2種あるが、いずれもダイヤモンドに次ぐ高い硬度を有
し、研削や切削加工用材料として、極めて有望とされて
いる。既に研削用途には、かなり多く用いられている。 切削用途には立方晶型BNをGoなどの金属で結合した
焼結体が一部試験的に発売されている。 この金属で結合したBN焼結体は一種のサーメットであ
り、耐熱性という点で問題がある。即ち高速切削する場
合のような刃先温度のあがる用途には不適である0本発
明は結合体として耐熱性、強度を与えんとするものであ
る。 発明者等は先に立方晶型窒化硼素(略してCBN)を耐
熱性に優れ熱伝導率の高い金属化合物で結合した高硬度
の工具用焼結体を発明し特許出願している(特願昭51
−154570.特願昭52−54666)。 発明者等はCBNの場合と同様な考えを窒化硼素の別の
高圧相であるウルツ鉱型BNに適用して種々検討した結
果、本発明に到達した。 ウルツ鉱型BNは六方晶型BNを原料として衝撃波を用
いる動的超高圧発生方法を用いて合成することができる
。この方法では静的な超高圧装置を用いて合成されるC
BNに比較して安価に製造できるという利点がある。こ
の衝撃波法を用いた合成法では合成時の圧力、温度の持
続時間が短い為結晶成長の時間が限られ、この方法によ
って合成されたウルツ型BN結晶の粒度は一般に10μ
以下のものが多い。発明者等の一人等が出願した特公昭
50−39444号では、このウルツ鉱型BNを原料焼
結体はCBN単結晶より高硬度であり、耐熱性も秀れて
いることが示されている。 発明者等はこのウルツ鉱型BNの焼結体について特性、
性能を詳細に調べた結果、焼結体毎のバラツキが多く、
また工具としての性能面でも靭性、耐摩耗性共に改良の
余地があることを見出した。 衝撃波を使用して合成されたウルツ鉱型BNは前述した
如く、極めて微細な粉末であり、また粒子の形状も複雑
で表面に凹凸が多いために表面積が大きい。この為粒子
表面にガスが吸着され易く粒子表面には酸化物や水酸化
物が形成される。このような微粉末を用いて焼結する場
合焼結される物質が密封されていない時には、このガス
を系外に出すのは困難ではない。しかし本発明の如く、
超高圧下で焼結する場合には、発生したガスは、加熱系
外に脱出することは殆ど不可能である。 −aにかかる場合には、予め脱ガス処理をする事  、
が粉末冶金業界では、常識であるが、脱ガス処理温度が
十分高く出来ない場合には問題である。本件はまさにそ
れに当る、即ちウルツ鉱型BNの低圧相への変態を考え
ると加熱温度に上限がある。 微粉末の脱ガス過程としては、温度と共に次の各段階が
ある。まず低温では物理吸着しているものと吸湿水分が
除去される。次いで化学吸着しているもの及び水酸化物
の分解が起きる。最後に酸化物が残る。ウルツ鉱型BN
の場合800℃位までは安定であるので、この温度位に
は予め加熱出来る。従って予め脱ガス加熱すれば、残留
ガス成分は酸化物の形で残っていると考えてよい。逆に
言えばガス成分は、なるべく焼結体中に残したくないの
だから、水および水素を全て除去することは予備処理と
して行うのが好ましい。 しかしこの加熱脱ガス処理では粒子表面の酸化物は除去
できない。ウルツ鉱型BN粒子の場合多分酸化硼素(B
iO2)の形で酸化物が残る。 酸化硼素は融点が低く (450℃)高温ではガラス状
となる。また大気中の水分を吸収して水酸化物になり易
い。従来のウルツ鉱型BNの焼結体は結晶粒子表面にこ
のB t Os  が残存したまま焼結されており、そ
の量によって特性のバラツキが生じ、またこれが切削工
具等に使用した場合、耐摩耗性や靭性を低下せしめる一
つの原因となっていた。 本発明はこの点を解決した高性能の安定した工具用焼結
体を提供するものである。発明者等はウルツ鉱型BNと
各種の耐熱性化合物粉末の混合粉末を焼結して特性、性
能を検討した結果、周期律表の第4a、5a族金属の炭
化物を使用した場合、特性の安定した高性能の焼結体が
得られることを見出した。 周期律表の第4a、Sa族金属の炭化物を使用した場合
、何故このように良好な焼結体が得られるかは次の如く
と考えられる。 即ち、周期律表の第4a、5a族金属のこれ等化合物は
MC、±8の形で示され(Mは周期律第4a族のTi、
Zr、Ifまたは第5a族のV、Nb、Taの金属を示
し、XはCの原子空孔または相対的に過剰の原子の存在
を意味する。)M−C相図上である巾の組成範囲を有す
る。特に第4a族金属のTi、Zr、llfは広い存在
範囲を有している。 例えばこの中でMC、±8の形で表わされる炭化物を例
にとると、MC1±xを加えた時、何故焼結体として良
好なものが得られるかは次の如くと考えられる。即ち、
ウル・ン鉱型BN粉末表面には例えば真空中での加熱脱
ガス処理では除去できなかった酸化物、多分B2O3の
形のものが存在す9゜このB2O3とM CI±×の(
遊離M)に相当するMが反応した場合には、 B2O3+ 4 M−IMBZ、 + 3 MO(11
となりガスを発生しない。そしてMOとMCとは相互固
溶体を形成する。ここにM C+±×で表わされる周期
律表第4 a、 S a族金属の炭化物を加えた時に良
好な焼結体が得られる理由があると考えられる。 また周期律表第4 a、 5 a族金属のこれ等化合物
は周期律表第68族金属である(r、 MO,Wの炭化
物、窒化物とも固溶体を形成し得る。このような複合炭
化物、窒化物、炭窒化物についても例えば(M。 M’)C,±にの形で表わされる存在範囲を有する限り
、本発明の焼結体に適用し得る。発明者等はウルツ鉱型
BNとこれ等の化合物粉末で(1±X)の種々性、性能
を調べた結果、(1±X)の値が炭化物の安定状態の上
限の0゜95以下のC原子の空孔を有する化合物粉末を
使用した時に強靭で良好な焼結体が安定して得られるこ
とを確認した。 本発明による焼結体をウルツ鉱型BNにTiC+±にを
混合して焼結体を作成する場合について、更に詳しく説
明する。 Tf、Cの添加量60χ、10χの場合について検討し
てみると、ウルツ鉱型BNの予備加熱後ももっている酸
素量は最大1%であろうから、この極端な場合でTiC
t−1lのXの最低必要量を計算してみるとTiCウル
ツ鉱型BN 60χ 40χ の場合 x =0.05610χ 9
0χ の場合 x =0.757となる。 即ち、TiCの量が多い場合にはTiCt−+tのXの
値の小さいものを使えば良く、少ない場合には真の値の
  。 大きなものを使う必要がある。第1図に示したようにT
icの存在領域は広い。下限は大体TiC,,5である
。 上限についてT1Co、qaである。従って90%BN
−10%TiCの場合で酸素量の多い場合にはTiCと
Tiの混合物を加える必要がある。しかし、こうなると
結合材としてのTiC0量が少なくなるので好ましくな
く、むしろ使用する。BNの酸素を減らすべきであろう
。好ましい(1−X)の値は使用する金属元素により異
なるが、TiCt−xの場合は焼結中に粘体中に残存す
るTi−C−0の固溶体相はB20.に比較して、はる
かに耐熱性がありまた硬度も高い安定な化合物である。 また前述した(1)式で示したようにB20.が分解し
た場合はTtBzが生じるが、これも高硬度の耐熱性化
合物である為焼結体の性能を低下せしめることはない。 第2図はTi −C−B系の状態図であるがTiC1−
X中にも若干のBが固溶することが示されており、B2
0゜とTi Cl−xの反応で生じる化合物としてはT
i B z、Ti B 。 Ti−C−0固溶体の他にTi−C−0−B系固溶体4
、汁IZ倶Aふ老優^釣ス さて本発明の焼結体でウルツ鉱型BNに加える上記化合
物粉の量は原料BN粉末中の酸素含有量添加する化合物
粉末の組成によって選定する必要があるが、更に焼結体
を工具として使用した場合の性能面から限定される。 ウルツ鉱型BNの含有量が焼結体中の体積%で10%未
満では焼結体の硬度も低く、BNを含有しない焼結体と
性能上の差が顕著でない。また添加する化合物が焼結体
中に体積%で1量%未満ではウルツ鉱型BN粉末の有す
る酸化物の大部分を分解せしめて、本発明の効果を充分
に発揮するには不足している。特に好適な組成範囲はウ
ルツ鉱型BNの含有量が焼結体中の体積%で30〜70
%の範囲である。 この限定された組成範囲では、後述する如く原料BN粉
末と添加化合物粉末の粒度を選定することにより、本発
明による添加化合物が焼結体中で連続した結合相を形成
し、BN粒子の表面を包囲した状態となるため、原料B
N粉末表面の酸化物は焼結中に完全に結合相化合物中に
分解固溶して強靭な焼結体を得ることができる。 本発明の焼結体を製造するにあたっては使用するウルツ
鉱型BN粉末の粒度は、特に限定されな沼8般に衝撃波
法で得られるBNの粒度は10μ以下の微細粉である。 このBN粉末と周期律表第4a。 5a族金属の炭化物を主体とした化合物粉末を混合する
。この化合物粉末の粒度はBN粉末粒子間に細かく分散
する事が本発明の効果を発揮させる為には必要である。 従って、BN粉末の粒度より細かいものを使用した方が
良く、本発明では全て10μ以下、望ましくは1μ以下
の粉末として使用している。この混合粉末もしくは型押
体を真空度10−’ ma+I(g以上の真空下で80
0℃以下の温度に加熱脱ガスし、これを超高圧装置を用
いて高圧、高温下で焼結する。 用いる超高圧装置はダイヤモンド合成に使用されるガー
ドル型、ベルト型等の装置である。発熱体には黒鉛円筒
を用い、その中にタルク、NaCj等の絶縁物をつめて
CBNの混合粉末型押体を包む。 黒鉛発熱体の周囲にはパイロフェライト等の圧力水した
高圧相型窒化硼素の安定領域内(即ち第3図A −A 
’線上側の温度、圧力条件)で行うことが望ましいが、
この平衡線は必ずしも正確には分っておらず、1つの目
安にすき′ない。 第3図のB−B’線はウルツ鉱型BNの準安定領域を示
したもので、B−B’線とA−A’線で囲まれた領域内
の圧力温度条件下では、ウルツ鉱型から立方晶型BNに
変換することが知られている。 本発明の焼結体の製造に当っては、この領域内で焼結し
てウルツ鉱型BNの一部または全部を立方晶型窒化硼素
に変換せしめても良い。 本発明の焼結体を例えば切削工具として使用するときに
は、高圧相型窒化硼素を含有する硬質焼結体層が工具の
刃先部分を形成しておれば良く、これを支持する部分は
切削加工時に工具に加わる応力や熱に耐える高強度の別
の材料を用いて良い。 このような支持体として用いる材料は、硬質焼結体層と
同様な剛性を有し、高強度の超硬合金が適している。特
にWCC超超硬合金熱伝導性が良く、硬質焼結体層の支
持体として最適である。 この支持体と高圧相型窒化硼素を含有する本発明焼結体
との接合は高圧、高温下における゛焼結時にこの硬質焼
結体層を形成する混合粉末の型押体に接して支持体とな
る超硬0合金を置き焼結と同時に接合せしめることかで
−きる。この硬質焼結体形成部がウルツ鉱型窒化硼素粉
末のみからなる場合は高圧、高温下においても超硬合金
支持体と強固に接合された焼結体を得ることは困難であ
るが、本発明の焼結体では、窒化硼素粒子間に周期律表
第48+5a族金属の炭化物を主体とした化合物相が微
細に分散しており、接合界面においてもこれ等化合物と
超硬合金は窒化硼素よりも化学的に親和性に富むことか
ら強固な接合が得られる。 本発明の焼結体は耐摩耗性に優れ、高硬度で強靭なもの
が得られ、焼入れ鋼等の高硬度の綱や高硬度の鋳鉄を切
削加工する工具材や線引きダイス等に使用される。 以下実施例を述べる。 宙 添 例  1 粒度2ミクロン以下の衝撃波法で作成したウルツ鉱型B
Nに体積で40%の炭素含有量14.9%(Ti Co
、 t)で粒度1ミクロンのTiC粉末を加え、アセト
ンを溶剤として50時時間式ボールミル混合した。尚原
料のウルツ鉱型BN粉末の酸素含有量は分析の結果0.
7%であった。 この混合粉末を外径10II111、厚み1 、5mm
に型押成型した。この型押体を鉄製の底付き中空円筒の
容器中に置いた。これを真空炉中に入れ700℃×20
分10−’+mHgの条件で脱ガス処理した。 この脱ガス処理した物をダイヤモンドの合成に主として
用いられる超高圧装置の一つであるベルト装置内に装入
した。圧力媒体としてはパイロフェライトを、ヒーター
としては黒鉛を用いた。 圧力を55Kbにあげてのち温度を1250℃に上げ1
5分間保持した。温度を下げてのちに減圧して焼結体を
取出した。 焼結体をダイヤモンド砥石を用いて研削后、ダイヤモン
ドペーストでラッピングした。ラッピングした面でビッ
カース硬度を測定したところ約3800Kg/mm”で
あった。又同一面をX線回折により調べたところ、ウル
ツ鉱型BNと、Ti(C,O)固溶体に相当する回折線
の他にTiBzの弱い回折線が観察された。 実施例2 実施例1と同様のウルツ鉱型BN粉末とTiC0,sの
混合粉からなる型押体を作成した。実施例Iと同様の鉄
製底付き容器中に予め焼結されたWC−6%Co組成の
超硬合金からなる外径10mm、厚さ3mmの円盤を置
き、これに接して前記型押体を置いた。 以下実施例1と同様にして焼結体を得た。ウルツ鉱型B
Nを含む硬質焼結体の厚さ約lll1mの層が超硬合金
円板に強固に接合した焼結体となっていた。 ダイヤモンド切断刃を用いて焼結体に切欠きをつけ、こ
れを割って焼結体の断面を観察した。 X ′aマイクロアナライザーを用いてウルツ鉱型BN
を含む硬質焼結体層と超硬合金の界面を観察したところ
、超硬合金中のCoの硬質焼結体層中への拡散は見られ
なかった。 この超硬合金に接合された焼結体を鋼の支持体にロウ付
けして切削用のバイトを作成した。 この切削用ハイドを用いてロックウェルCスケール硬度
60の5KDIIの熱処理材を切削した。 切削速度毎分100m、切込み0.2mn+、 送り一
回転当り0.1mm水溶性切削油使用の条件で20分間
切削しても逃げ面摩耗幅は0.18mmであり、更に長
時間の切削が可能であった。−力量も硬い超硬合金であ
るJIS分!KO,を用いて削ったところ、僅か30秒
で0.20mm以上の逃げ面摩耗を示し、これ以上の切
削は不能であった。 実施例3 実施例2で用いたウルツ鉱型窒化硼素に第1表に示した
各種の化合物を配合した。 第  1  表 以下実施例1と同様にして焼結体を作成した。 焼結時の圧力、温度条件は第1表に示した通りで、全て
この条件で15分間保持して焼結した。いずれも良好な
焼結体となっており、硬度測定の結果は第1表に示した
通りであった。 4、図面の簡単な説明 第1図は本発明の焼結体に使用するTiCについてTi
−C相図上における存在範囲を説明するためのものであ
る。 第2図はTi−C−Bの三元系状態図で、本発明の焼結
体の添加化合物が焼結体中に存在する状態を説明する為
のものである。 第3図は本発明の焼結体の製造条件を説明する為のもの
で高圧相型窒化硼素のP−T相図上における存在領域を
示すものである。
Figure 1 shows TiN used in the sintered body of the present invention.
- This is for explaining the existence range on the N phase diagram. FIG. 2 is a ternary system phase diagram of Ti-C-H, which is used to explain the state in which the additive compound of the sintered body of the present invention exists in the sintered body. FIG. 3 is for explaining the manufacturing conditions of the sintered body of the present invention, and shows the region where high-pressure phase type boron nitride exists on the P-T phase diagram. Hardness (0C) Procedural amendment December 18, 1985 1. Indication of case Patent application filed on November 30, 1985 2) Name of invention High hardness sintered body for tools and method for manufacturing the same 3. Amendment Relationship with the case of a person who does
Satoshi Kawakami, President, Sumitomo Electric Industries, Ltd.
Department 4, Agent address: 5, Sumitomo Electric Industries, Ltd., 1-1-3 Shimaya, Konohana-ku, Osaka, Japan. lI! Date of official order 11 6. Specification and drawings to be amended 7. Contents of amendment (1) Submit the amended specification as attached. (2) The drawing and Figure 1 will be corrected as shown in the attached sheet. Amended Description 1. Name of the Invention High Hardness Sintered Body for Tools and Method for Manufacturing the Same 2) Claims (1) Wurtzite-type boron nitride powder and Periodic Table No. 48+5
When the 8+ group metal is M, MC,±, of (, ±, l)
The value of is 95% or less of the upper limit of the stable state of the metal carbide.
.. In a sintered body obtained by hot-pressing a mixed powder of a compound powder mainly composed of carbides of 6 or more under high pressure and high temperature, wurtzite-type boron nitride or a part of wurtzite-type boron nitride during sintering. The high-pressure phase boron nitride, which has been completely converted into cubic boron nitride, is contained in the volume of the sintered body in a total amount of 10% or more, and the remainder is a solid solution compound phase in the form of M'(C,O). A high-hardness sintered body for tools, characterized by being mainly composed of. (2) M(C,
A sintered body for a tool with high hardness, characterized in that the solid solution phase of O) forms a continuous binder phase in the sintered body. Mixing a compound powder mainly consisting of a carbide, in which the value of MC, (, ± A method for producing a highly hard sintered body for tools, which is characterized in that this is truly pressed at 1200° C. or higher under pressure and temperature conditions in which wurtzite BN or cubic BN is stable. 3. Detailed description of the invention There are two types of high-pressure phase boron nitride (BN): cubic crystal, wurtz crystal, and monocrystalline crystal. Both have hardness second only to diamond, and are extremely useful as materials for grinding and cutting. It is considered promising. It is already widely used for grinding purposes. For cutting purposes, some sintered bodies made of cubic BN bonded with metals such as Go have been released on a trial basis. This metal-bonded BN sintered body is a type of cermet, and has a problem in terms of heat resistance. That is, it is unsuitable for applications where the temperature of the cutting edge increases, such as during high-speed cutting.The present invention aims to provide a bonded body with heat resistance and strength. The inventors had previously invented a highly hard sintered body for tools made by bonding cubic boron nitride (abbreviated as CBN) with a metal compound with excellent heat resistance and high thermal conductivity, and filed a patent application (patent application). Showa 51
-154570. Patent application 52-54666). The inventors applied the same idea to CBN to wurtzite BN, which is another high-pressure phase of boron nitride, and as a result of various studies, they arrived at the present invention. Wurtzite type BN can be synthesized using hexagonal type BN as a raw material using a dynamic ultra-high pressure generation method using shock waves. In this method, C is synthesized using a static ultra-high pressure device.
It has the advantage of being cheaper to manufacture than BN. In this synthesis method using the shock wave method, the duration of pressure and temperature during synthesis is short, so the time for crystal growth is limited, and the grain size of Wurtz-type BN crystals synthesized by this method is generally 10μ.
There are many of the following. In Japanese Patent Publication No. 50-39444 filed by one of the inventors, it is shown that a sintered body made of wurtzite-type BN as a raw material has higher hardness than CBN single crystal and has excellent heat resistance. . The inventors have determined the characteristics of this wurtzite-type BN sintered body,
As a result of a detailed investigation of the performance, we found that there were many variations between each sintered body.
It was also found that there is room for improvement in both toughness and wear resistance in terms of performance as a tool. As mentioned above, wurtzite-type BN synthesized using shock waves is an extremely fine powder, and the particle shape is complex and the surface has many irregularities, so it has a large surface area. Therefore, gas is easily adsorbed on the particle surface, and oxides and hydroxides are formed on the particle surface. When sintering using such fine powder, it is not difficult to release this gas from the system if the material to be sintered is not sealed. However, as in the present invention,
When sintering under ultra-high pressure, it is almost impossible for the generated gas to escape outside the heating system. - In case of (a), degassing treatment must be carried out in advance.
Although this is common knowledge in the powder metallurgy industry, it becomes a problem if the degassing treatment temperature cannot be made high enough. This is exactly the case in this case; there is an upper limit to the heating temperature when considering the transformation of wurtzite-type BN to a low-pressure phase. The degassing process of fine powder involves the following stages depending on the temperature. First, at low temperatures, physically adsorbed substances and hygroscopic water are removed. Decomposition of chemisorbed substances and hydroxides then occurs. At the end, oxide remains. wurtzite type BN
In this case, it is stable up to about 800°C, so it can be heated to about this temperature in advance. Therefore, it can be considered that if the gas is degassed and heated in advance, the residual gas components remain in the form of oxides. Conversely, since it is desired that gas components remain in the sintered body as little as possible, it is preferable to remove all water and hydrogen as a preliminary treatment. However, this heating and degassing treatment cannot remove oxides on the particle surface. In the case of wurtzite-type BN particles, boron oxide (B
The oxide remains in the form of iO2). Boron oxide has a low melting point (450°C) and becomes glassy at high temperatures. It also easily absorbs moisture from the atmosphere and becomes hydroxide. Conventional wurtzite-type BN sintered bodies are sintered with this B t Os remaining on the surface of the crystal grains, resulting in variations in properties depending on the amount, and when used in cutting tools, etc., this results in poor wear resistance. This was one of the causes of decreased strength and toughness. The present invention solves this problem and provides a high-performance, stable sintered body for tools. The inventors sintered a mixed powder of wurtzite-type BN and various heat-resistant compound powders and examined the characteristics and performance. As a result, they found that when using carbides of Group 4a and 5a metals of the periodic table, the characteristics It has been found that a stable and high-performance sintered body can be obtained. The reason why such a good sintered body can be obtained when a carbide of a metal in group 4a of the periodic table, Sa group, is used is considered to be as follows. That is, these compounds of metals of groups 4a and 5a of the periodic table are shown in the form MC, ±8 (M is Ti of group 4a of the periodic table,
It represents Zr, If or metals of group 5a, V, Nb, Ta, and X means the presence of atomic vacancies of C or a relative excess of atoms. ) has a wide composition range on the M-C phase diagram. In particular, the group 4a metals Ti, Zr, and llf have a wide range of existence. For example, taking the carbide expressed in the form of MC, ±8 as an example, the reason why a good sintered body is obtained when MC1±x is added is considered to be as follows. That is,
On the surface of the ur-nite type BN powder, there is an oxide, probably in the form of B2O3, that could not be removed by heating and degassing in a vacuum.
When M corresponding to free M) reacts, B2O3+ 4 M-IMBZ, + 3 MO(11
Therefore, no gas is generated. Then, MO and MC form a mutual solid solution. It is believed that there is a reason why a good sintered body can be obtained when a carbide of a metal of group 4a of the periodic table, Sa group, represented by M C+±×, is added. In addition, these compounds of metals in groups 4a and 5a of the periodic table are metals in group 68 of the periodic table (r, MO, and W can form solid solutions with carbides and nitrides.Such composite carbides, For example, nitrides and carbonitrides can be applied to the sintered body of the present invention as long as they have an existence range expressed in the form (M. M') C, ±. As a result of investigating the various properties and performance of (1±X) with these compound powders, it was found that the compound powder has C atom vacancies with a value of (1±X) of 0°95 or less, which is the upper limit of the stable state of carbide. It was confirmed that a strong and good sintered body can be stably obtained when using the sintered body of the present invention by mixing wurtzite BN with TiC+±. Let me explain this in more detail.If we consider the cases where the amounts of Tf and C added are 60χ and 10χ, the amount of oxygen that wurtzite-type BN retains even after preheating is probably 1% at most, so in these extreme cases, TiC
Calculating the minimum required amount of X for t-1l, in the case of TiC wurtzite type BN 60χ 40χ
In the case of 0χ, x = 0.757. That is, if the amount of TiC is large, use TiCt-+t with a small value of X, and if the amount of TiC is small, use the true value. You need to use something big. As shown in Figure 1, T
IC exists in a wide range of areas. The lower limit is approximately TiC,,5. The upper limit is T1Co, qa. Therefore 90%BN
- In the case of 10% TiC, if the amount of oxygen is large, it is necessary to add a mixture of TiC and Ti. However, this is not preferable because the amount of TiC0 as a binder decreases, so it is used instead. BN oxygen should be reduced. The preferred value of (1-X) varies depending on the metal element used, but in the case of TiCt-x, the solid solution phase of Ti-C-0 remaining in the viscous material during sintering is B20. It is a stable compound with much higher heat resistance and hardness than . Moreover, as shown in the above-mentioned formula (1), B20. When TtBz decomposes, TtBz is generated, but since this is also a high hardness and heat resistant compound, it does not deteriorate the performance of the sintered body. Figure 2 is a phase diagram of the Ti-C-B system.
It has been shown that some B is dissolved in solid solution in X, and B2
The compound produced by the reaction between 0° and TiCl-x is T.
i B z, Ti B . In addition to Ti-C-0 solid solution, Ti-C-0-B solid solution 4
Now, the amount of the above compound powder added to the wurtzite type BN in the sintered body of the present invention needs to be selected depending on the oxygen content in the raw material BN powder and the composition of the compound powder to be added. However, it is further limited in terms of performance when the sintered body is used as a tool. When the content of wurtzite-type BN is less than 10% by volume in the sintered body, the hardness of the sintered body is low, and the difference in performance from the sintered body that does not contain BN is not significant. Furthermore, if the added compound is less than 1% by volume in the sintered body, most of the oxides contained in the wurtzite-type BN powder are decomposed, which is insufficient to fully exhibit the effects of the present invention. . A particularly preferred composition range is one in which the content of wurtzite BN is 30 to 70% by volume in the sintered body.
% range. In this limited composition range, by selecting the particle sizes of the raw BN powder and the additive compound powder as described later, the additive compound according to the present invention forms a continuous binder phase in the sintered body, and the surface of the BN particles is Because it is in an enclosed state, raw material B
The oxide on the surface of the N powder is completely decomposed and dissolved into the binder phase compound during sintering, making it possible to obtain a tough sintered body. In producing the sintered body of the present invention, the particle size of the wurtzite-type BN powder used is not particularly limited. Generally, the particle size of BN obtained by the shock wave method is a fine powder of 10 μm or less. This BN powder and periodic table 4a. A compound powder mainly composed of carbides of Group 5a metals is mixed. The particle size of this compound powder must be finely dispersed between the BN powder particles in order to exhibit the effects of the present invention. Therefore, it is better to use particles with a particle size finer than that of BN powder, and in the present invention, all powders with a particle size of 10 μm or less, preferably 1 μm or less are used. This mixed powder or embossed body is heated under a vacuum degree of 10-' ma + I (800 g or more).
The material is heated and degassed to a temperature of 0° C. or lower, and then sintered at high pressure and high temperature using an ultra-high pressure device. The ultra-high pressure equipment used is a girdle type, belt type, etc. equipment used for diamond synthesis. A graphite cylinder is used as the heating element, and an insulating material such as talc or NaCj is filled in the cylinder to enclose the CBN mixed powder molded body. The graphite heating element is surrounded by a high-pressure phase type boron nitride containing pyroferrite or other pressurized water in the stable region (i.e., Fig. 3A-A).
It is preferable to perform the test under the temperature and pressure conditions above the line.
This equilibrium line is not always known exactly and cannot be used as a guideline. The line B-B' in Figure 3 shows the metastable region of wurtzite-type BN, and under the pressure and temperature conditions in the area surrounded by the line B-B' and line A-A', It is known that BN converts from BN type to cubic type BN. In producing the sintered body of the present invention, part or all of the wurtzite BN may be converted into cubic boron nitride by sintering within this region. When the sintered body of the present invention is used, for example, as a cutting tool, it is sufficient that the hard sintered body layer containing high-pressure phase boron nitride forms the cutting edge part of the tool, and the part that supports this is used during cutting. Another high strength material may be used to withstand the stress and heat applied to the tool. A suitable material for use as such a support is a high-strength cemented carbide, which has the same rigidity as the hard sintered body layer. In particular, WCC cemented carbide has good thermal conductivity and is optimal as a support for a hard sintered body layer. This support and the sintered body of the present invention containing high-pressure phase type boron nitride are bonded under high pressure and high temperature. This can be achieved by placing a cemented carbide 0 alloy and bonding it at the same time as sintering. If this hard sintered body forming part is composed only of wurtzite boron nitride powder, it is difficult to obtain a sintered body that is firmly bonded to the cemented carbide support even under high pressure and high temperature. In the sintered body, a compound phase mainly composed of carbides of group 48+5a metals of the periodic table is finely dispersed between the boron nitride particles, and even at the bonding interface, these compounds and the cemented carbide are more sensitive than the boron nitride. A strong bond can be obtained due to the high chemical affinity. The sintered body of the present invention has excellent wear resistance, is highly hard and strong, and is used for tool materials and wire drawing dies for cutting high-hardness ropes such as hardened steel and high-hardness cast iron. . Examples will be described below. Attachment Example 1 Wurtzite type B created by shock wave method with particle size of 2 microns or less
Carbon content 14.9% (TiCo
, t), TiC powder with a particle size of 1 micron was added, and mixed in a 50 hour ball mill using acetone as a solvent. As a result of analysis, the oxygen content of the raw material, wurtzite-type BN powder, was 0.
It was 7%. This mixed powder has an outer diameter of 10II111 and a thickness of 1.5mm.
Embossed and molded. This embossed body was placed in a hollow cylindrical container with a bottom made of iron. Place this in a vacuum furnace at 700℃ x 20
Degassing was carried out under conditions of 10-'+mHg. This degassed product was placed in a belt device, which is one of the ultra-high pressure devices mainly used for diamond synthesis. Pyroferrite was used as the pressure medium and graphite as the heater. Raise the pressure to 55Kb and then raise the temperature to 1250℃1
It was held for 5 minutes. After lowering the temperature, the pressure was reduced and the sintered body was taken out. After grinding the sintered body using a diamond grindstone, it was wrapped with diamond paste. The Vickers hardness of the wrapped surface was measured to be approximately 3800 Kg/mm. Also, when the same surface was examined by X-ray diffraction, diffraction lines corresponding to wurtzite BN and Ti(C,O) solid solution were detected. In addition, a weak diffraction line of TiBz was observed.Example 2 An embossed body made of a mixed powder of wurtzite-type BN powder and TiC0,s as in Example 1 was created.An iron bottom as in Example I A disk with an outer diameter of 10 mm and a thickness of 3 mm made of cemented carbide having a WC-6% Co composition that had been sintered in advance was placed in a container, and the embossing body was placed in contact with it. A sintered body was obtained in the same manner. Wurtzite type B
The sintered body was a layer of a hard sintered body containing N that had a thickness of approximately 111 m and was firmly bonded to the cemented carbide disk. A notch was made in the sintered body using a diamond cutting blade, and the cutout was broken to observe the cross section of the sintered body. Wurtzite-type BN using X′a microanalyzer
When the interface between the hard sintered body layer containing the cemented carbide and the cemented carbide was observed, no diffusion of Co in the cemented carbide into the hard sintered body layer was observed. The sintered body joined to this cemented carbide was brazed to a steel support to create a cutting tool. This cutting hide was used to cut a 5KDII heat-treated material with a Rockwell C scale hardness of 60. Even after cutting for 20 minutes at a cutting speed of 100 m/min, depth of cut of 0.2 mm+, and feed rate of 0.1 mm per revolution using water-soluble cutting oil, the flank wear width is 0.18 mm, making it possible to cut for even longer periods of time. Met. - The strength is JIS hard metal carbide! When it was cut using KO, it showed flank wear of 0.20 mm or more in just 30 seconds, and further cutting was impossible. Example 3 Various compounds shown in Table 1 were blended with the wurtzite boron nitride used in Example 2. Table 1 Below, sintered bodies were prepared in the same manner as in Example 1. The pressure and temperature conditions during sintering were as shown in Table 1, and all sintering was carried out under these conditions for 15 minutes. All were good sintered bodies, and the hardness measurement results were as shown in Table 1. 4. Brief explanation of the drawings Figure 1 shows TiC used in the sintered body of the present invention.
- This is for explaining the existence range on the C phase diagram. FIG. 2 is a ternary system phase diagram of Ti-C-B, which is used to explain the state in which the additive compound of the sintered body of the present invention exists in the sintered body. FIG. 3 is for explaining the manufacturing conditions of the sintered body of the present invention, and shows the region where high-pressure phase type boron nitride exists on the P-T phase diagram.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)ウルツ鉱型窒化硼素粉末と周期律表第4a、5a
、族金属をMとしたときにMC_1±_xの(_1±_
x)の値が、該金属炭化物の安定状態の上限の95%以
下、0.6以上である炭化物を主体とした化合物粉末の
混合粉末を高圧、高温下でホットプレスして得られる焼
結体において、ウルツ鉱型窒化硼素または焼結中にウル
ツ鉱型窒化硼素の一部乃至は全部が立方晶型窒化硼素に
変換せしめられた高圧相型窒化硼素が焼結体の体積中に
合計量で10%以上含有され、残部がM(C、O)の形
の固溶体化合物相を主体としたものからなることを特徴
とする高硬度の工具用焼結体。
(1) Wurtzite boron nitride powder and Periodic Table 4a and 5a
, when the group metal is M, MC_1±_x of (_1±_
A sintered body obtained by hot-pressing a mixed powder of a compound powder mainly composed of carbides, in which the value of x) is 95% or less of the upper limit of the stable state of the metal carbide and 0.6 or more under high pressure and high temperature. In this case, wurtzite boron nitride or high-pressure phase boron nitride in which part or all of the wurtzite boron nitride is converted into cubic boron nitride during sintering is present in the total amount in the volume of the sintered body. A high hardness sintered body for a tool, characterized in that the content is 10% or more, with the remainder mainly consisting of a solid solution compound phase in the form of M(C,O).
(2)特許請求の範囲(1)項記載の焼結体でM(C、
O)の固溶体相が焼結体中で連続した結合相をなすこと
を特徴とする高硬度の工具用焼結体。
(2) M(C,
A sintered body for a tool with high hardness, characterized in that the solid solution phase of O) forms a continuous binder phase in the sintered body.
(3)ウルツ型窒化硼素粉末と周期律表第4a、5a族
金属をMとしたときにMC_1±_xの(_1±_x)
の値が、該金属炭化物の安定状態の上限の95%以下0
.6以上である炭化物を主体とした化合物粉末を混合し
、これを1200℃以上で、かつウルツ鉱型BNまたは
、立方晶型BNが安定な圧力、温度条件下でホットプレ
スすることを特徴とする高硬度の工具用焼結体の製造方
法。
(3) (_1±_x) of MC_1±_x, where M is Wurtz-type boron nitride powder and metals from groups 4a and 5a of the periodic table.
The value of is 95% or less of the upper limit of the stable state of the metal carbide.
.. It is characterized by mixing compound powders mainly consisting of carbides having a molecular weight of 6 or more, and hot pressing the mixture at 1200°C or higher under pressure and temperature conditions where wurtzite-type BN or cubic-type BN is stable. A method for manufacturing a high hardness sintered body for tools.
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