JPS6191344A

JPS6191344A - 高硬度焼結体

Info

Publication number: JPS6191344A
Application number: JP21316884A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sadahiro; 貞廣　孟史
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1984-10-11
Filing date: 1984-10-11
Publication date: 1986-05-09

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】〔発明の技術分野〕１ｌｔＩ！引ダイスを含む耐摩耗工具の素材として有用
な高硬度焼結体に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

切削工具、細引ダイスを含む耐摩耗工具の分野では、高
硬度でかつ長寿命の材料への鮫望が強まっている。この
要望に応える材料として、ダイヤそ／ドの焼結体や立方
晶窒化ホウ素焼結体は大きな期待を集め、その一部は実
用に供てれている。

例えば、ダイヤモンド焼結体の場合、ダイヤモンドの粉
１粒にコバルト、サーメットのような数分を所定量配合
して焼結する。このとき、ダイヤ七／ド以外の成分の配
合量が少ない船台には、ダイヤモンド粉１粒相互間の結
合＋ム会が多くなるので、得られた焼結体の硬度、耐摩
耗性に顕著に優れたものとなるが、しかし、その７″Ｃ
めには超高圧、高温という過酷な焼結条件を必要とする
ので焼結困離性が増し、用いる装置の損耗も厳しくなっ
て全体としてコスト上昇全招く。しかも、得られた焼結
体を完成工具の形状に研削加工することが困Ｎ　ｒ　Ｓ
　　ス　− 一方、ダイヤモンド以外の成分の配合ｉｔ多くして焼結
すると、ダイヤモンド粉１粒相互間の結合機会は少なく
なって、得られた焼結体の組織構造はタ゛イヤモ／ド以
外の成分が連続し、その連続相の中にダイヤモンド相が
分散しているという態様をとる。このような組織］「・
７造の場合には、ダイヤモンド以外の成分の性質が発現
するようになって、焼結体に全体としてその靭性が向上
する。しかし同時に他方では、逆に硬度、耐摩耗性は低
下する。

また、高硬度焼結体の材料としてダイヤモンド焼結体と
同様に注目を集めている立方晶窒化ホウ素の焼結体につ
いても、前記したと同様な問題点が指摘されている。

このようなことから、現在、工業化しやすい高圧高温の
焼結条件下で製造することができ、かつ硬度、ｉｔ摩耗
性に優れるとともに靭性も大きい高硬度焼結体の開発が
強く求められている。

〔発明の目的〕

本発明は、前記した従来の組織構造とはその構成を全く
別異にした組織構造を有し、硬度、耐摩耗性が優れると
同時に靭性も大きく、かつ比較的容易な焼結条件で製造
することのできる高硬度焼結体の提供を目的とする。

〔発明の概要〕

本発明者らは、従来の焼結体における前記問題点を解決
すべく鋭意研究を重ねた結果、比較的靭性に冨む後述の
金属１合金、金属化合物の粉、粒体を芯材とし、この思
料の表面を多結晶ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素又は
これら両者の混合物で所定の厚みに被覆して一種の複合
粉末又は複合粒体ｔｐ製し、これを焼結すればダイヤモ
ンドや立方晶窒化ホウ素から成る硬質相が連結して焼結
体は全体に高硬度になり、しかも、この硬質相の存在割
合（それは上記芯材への被覆工程でその被覆層の厚みを
調製することによって可能となる）を所定の範囲に調節
すれば芯材の靭性が有効に発揮し得るものとの着想を得
、本発明の焼結体を開発するに到った。

すなわち１本発明の高硬度焼結体は、多結晶質ダイヤモ
ンド若しくは立方晶窒化ホウ素のいずれか１椙又は両種
から成る硬質相２０〜７０容積チと、残部が金絹１合金
、金属化合物の群から選ばれる少なくとも１種から成る
結合相である焼結体であって、該硬質相が連続している
ことを特徴とする。

本発明の焼結体において、そこに存在させる硬質相の割
合は、容積にして２０〜７０％の範囲に設定される。

これが２０容積チより少ない場合には、焼結体中の硬質
相の存在割合が少ないので焼結体はその硬度、耐摩耗性
を低下せしめる。また、焼結体において硬質相の割合が
２０容積−未満ということは、焼結体の製造時に後述の
結合相を構成する金属、合金、金属化合物を被覆してい
るダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素の量が少なく、完全
に被覆した状態にはなり補いということであり、それゆ
え、焼結時において硬質相が連結して形成されないとい
うことを意味する。

ンド及び／又は立方晶窒化ホウ素の粉、粒が焼結温尻で
ブリッジを形成し焼結を妨げるため、工り高圧又は高温
を必要とするようになる。又、得られた焼結体は、硬匪
ｂｉｔｓ耗性がある程度高くなるけれども、しかし緻密
な焼祠体を得るのか困硅であるため脆い傾向が強くなる
。

本発明の焼結体の残部に結合相ヲ朽成する成分でおるが
、こ牡は、製造時に訃いては硬質相の成分（多結晶質ダ
イヤモンド、立方晶Δ化ホウ素）で被覆される芯材に和
尚する。

用いる金属としては、レリえば、Ｆｅ　＋　Ｃｏ　ｒ　
ＮＬＴｉ　、　Ｚｒ　、　Ｈｆ　、　Ｖ　、　Ｎｂ　、
　Ｔａ　、　Ｏｒ　、　Ｍｏ　、　Ｗ　。

人１．Ｓｉ、合金としては例えば、鉄族金／ｊｉｔ主体
とした合金、同期体表ｉＶａ　、　Ｖａ　、　Ｖｌａ族
金属を主体とした合金、　Ａ／を主体とした合金、５ｉ
ｆｆｉ主体とした合金をあげることができる。また、金
し１化合物としては１周期律４■ａ、Ｖａ、■ａ族に属
する金属元素の炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物。

ケイ化物；炭化ホウ素；炭化ケイ素；窒化ケイ素：ルコ
ニウム；蒙化ホウ素；若しくはこれらの相互同浴体化合
物をあげることができる。これらの金属、合金、金Ａ−
１化合物の群から選ばｎる少なくともＩＮ４に使用する
ことができる。これらのうち、金属としては、Ｃｏ　、
　Ｎｉ　＋　ＡＩ、　ＳＩ　、Ｔｉ　：合金としてｉ’
！、　Ｎ１５ＡＪ　、　Ｎ１ＡＡ’　ｒ　ＮｈＡｌｓ　
　、　ＮｌＴ１　。

Ｎｌ３ＴＩ　＊　Ｎ＋Ｔｉ２　　ＨＮｌ３Ａ／’１１　
：金属化合物としては、　　ＴＩＣ、ＴＩＮ　　、Ｔｌ
Ｎ０　　、ＴＩＢ、　　、　　入１ｘｏｓ　　＋　Ａ／
Ｎ。

ＷＯ、ＨｆＯ、Ｈ４Ｎ　、などが好適である。

これらの物質は、焼結体の製造時に推粉２粒体の形で存
在するが、焼結後にあっては、前記した連続する硬質相
の中で微小ブロック状で又は個々に独立して分散する相
として存在する。

本発明の灯結体；１１例えば第１図、第２図に示した装
置例を用いて次のような方法で製造することができる。

その方法に、結合相成分の粉１粒体にプラズマ化学蒸着
法を適用して、該扮１粒体の表面にダイヤモンド、立方
晶窒化ホウ素の被覆層を形成せしめ、得られたこの複合
粉、粒体に焼結処理を施すことを骨子とする。

第１図は、高周波プラズマを用い、かつ、結合相の粉、
粒体を音波によって流動させる装置の１９りであり、第
２図はマイクロ波プラズマを用い、かつ粉１粒体を機械
的手段で流動させる装置の１例である。

両図で、１は低周波発振器、２は増幅器、３は拡声器、
４は振動板、５は高周波発振器、６は同軸ケーブル、７
は高周波コイル、８はプラズマ発生器、９１”を結合相
になる物質の扮、粒体、１０に粉、粒体９の表面を被覆
して焼結時には硬質相になる物質の原料ガスを供給する
ためのガス供給製置、ＩＩＨ混合ガス供給管、１２は排
気製置。

１３．１４，１５，１６はいずれもガス調整弁、１７は
マイクロ波発振器、１８は導波管、そして１９は電磁石
である。

まず、プラズマ発生室８に結合相になる物質の粉、粒体
９全いれ、排気装置１２を作動してプラズマ発生室８内
を減圧にしたのち、Ａ整弁１３゜１４．１５を調節して
ガス供給装置１０がら所定の原料ガスとキャリアガスと
の混合ガスを混合ガス供給管１１ｉ介してプラズマ発生
室８内に供給して室内を所定の圧力に保持する。ついで
、低周波発振器１、増幅器２を作動し、かつ拡声器３（
第１図の場合）又は電磁石１９（第２図の場合）によっ
て振動板４を振動場せ、低周波発振器１の周波数、増・
幅器２の出力を調節して粉、粒体９を適切な状態で流動
させる。

その彼、第１１に例示の装置においては、高周波発振器
５を作動してその出力を高周波コイルに与え流動１−で
いる粉１粒体の中にプラズマを誘発逼せる。第２図の装
置例の場合は、ｉイクロ波発振器１７を作動してその出
力を導波管１８を介してプラズマ発生室８内に入射し、
流動する粉１粒体の中にプラズマ発生器させる。

上記した操作において、プラズマ発生室８内に供給する
混合ガス、つまりｌ’Ｓｔ原料ガスの種類を変えること
により、粉１粒体の表面には多結晶質ダイヤモンド、立
方晶窒化ホウ素、又はこれらが適宜に混在する混合物が
被着して、その被膜形成が辿む。かくして、芯材である
粉１粒体の表面は、硬質相になる物質で被覆されてここ
に複合粉１粒体が製造される。

この複合粉、粒体において、被膜の厚みを適宜に調節す
ることにより、焼結体中の硬質相の存在割合がＡｌｉさ
ｎる。被膜の厚み、すなわち多結晶質ダイヤモンド、立
方晶窒化ホウ素又はこ九らの混合物の粉２粒体表面への
析出量ａ、用いる原料ガスの種類、混合ガス内の各成分
の混合比、混合ガスの流量、プラズマ発生室内の圧力、
高周波若しくはマイクロ波の周波数１反応時間、などの
各糧の操作条件又は粉１粒体の大きさなどによって適宜
に変化させることができる。し九がって、被膜の厚みは
、この複合粉％粒体を焼結したとき焼結体中における硬
質相の占有容積が２０〜７ｏ容積チになるような厚みで
あり、それは上記した条件を適宜に選定することによっ
て可能になる。

複合粉１粒体、において被膜が多結晶質ダイヤモンドで
構成される場合は、原料ガスとしてはメタン、エタン、
ブタン、アセチレンなど低分子量の炭化水素が好ましい
。とくに、メタンに安価であり入手容易という点で好適
である。このとき、キャリアガスとして（μ通常水素が
用いられる。

上記した炭化水素と水素との混合ガスを用いる的合、前
者が０，１〜９５容積チの割合、好ましくは０５〜１５
容積チである。また、プラズマ発生室の室内圧力は１×
１０〜７６０　Ｔｏｒｒ、好ましく１’ｔｏ、０５〜４
００　Ｔｏｒｒに保持する。プラズマ発生のために入射
する高周波、マイクロ波の周波数１ｄ１３．５６ＭＨｚ
以上であることが好ましい。

被膜を立方晶窒化ホウ素で構成する場合、用いる混合ガ
スとしてはジボラン（Ｂ富Ｈ＠）とアンモニア（又Ｆｉ
窒素）と水素；又は塩化ホウ素（ＢＯＩｓ　）とアンモ
ニア（又ｈｇ素）と水素：ヲあげることができる。前者
の混合ガスにおける各ガスの混合割合は、ＢＩＨ，０，
５〜１０容ｆｉ！！チ、アンモニア（又＃′ｉ畳素ン１
〜２０容績％、残は水素でるり、また後者の混合ガスの
場合に、　ＢＯＩ、０．５〜１０容積チ。

アンモニア（又ｔｉｔ窒素）０．２〜４容積チ、残は水
素である。プラズマ反応座の室内圧力はＩ　Ｘ　１０−
３〜７６０　Ｔｏｒｒ　、好ましく　ＩＩ’＠０．０５
〜４００　Ｔｏｒｒ。

入射させる高周波、マイクロ波の周波数は１３５６ＭＨ
ｚ以上である。また、複合粉１粒体の製造時の温度は３
００〜１３００℃、好ましくは７００〜１０００℃であ
る。

多結晶質ダイヤモンドと立万晶蒙化ホウ素とが混在した
被膜を構成する場合には、それぞれを単独で被覆する際
の条件を適宜に組曾わぜｎは工い。

この工うにして製造さｎた複合粉％粒体全焼結すｎげ、
不発明の高硬度焼結体が得られる。

その際の焼結方法は格別限定さｔＬるものでになく、常
法に従って行なえば工い。

例えば、多結晶質ダイヤモンドで被覆され乏抜金粉１粒
体の焼結条件は、温度１０００Ｃ以上、圧力３７　ＫＢ
ａｒ以上であることが好１しく特別に過酷な条件ではな
い。また、立方晶窒化ホウ素で被覆されたものの焼結条
件は、温度が同じ＜　１０００℃以上、圧力３１　ＫＢ
ａｒ以上であれば工い。

なおこのとき、焼結性を高めるために、多結晶質ダイヤ
モンド、立方晶仝化ホウ′Ａから成る連続した硬質相が
破壊されてその連続性が寸断さｎない程度に、コバルト
、アルミニウムのような成分を焼結時に配合又は浸透せ
しめてもよい。

〔発明の実施例〕

実施例１第２図の装置において、粉体９として平均粒径５μｍの
ＴｉＮ　、反応ガスとしてメタンと水素の混合ガスを使
用した。

まず、排気装置１２′ｔ−作動してプラズマ発生室８内
を充分排気したのち、調整弁１３，１４゜１５．１６を
それぞれ調節してガス供給装置１０からメタンガス濃度
工容積チ、残は水素である混合ガスをプラズマ発生室８
内に導入した。混合ガスは室内の圧力が４０　Ｔｏｒｒ
となるＪうに流速５０ｃｒｎ／ｍｌｎで供給し続けた。

つぎに、低周波発振器１．増幅器２を作動して電磁石１
９を動がして振動板４を振動させ、粉体９を流動させた
。

６００Ｗの出力で周波数２４５０ＭＨｚのマイクロ波を
発生源せ、これをプラズマ発ＢＥＮｓに入射して、流動
する粉体９の中にプラズマを誘発させた。

約０．５時間、粉体９をプラズマ中で流動させたところ
、平均粒径約７μｍの粉末が得られた。この粉末は１表
面が厚み約１μｍの多結晶質ダイヤモンドで被覆された
複合粉であった。したがって多結晶質ダイヤモンドから
成る硬質相の容積は、複合粉全体の容積の６３：６％に
なる。

得られた複合粉ｆ６０ＫＢａｒ％１５００　℃、　０．
５時間の条件で焼結した。焼結体の硬度（グイッヵース
、Ｈｖ）、＃摩耗性、靭性を測定した。ｌ１ｉＩｔ厚粍
性、靭性は以下の仕棟に基づいて測定した。

ｉｔ摩耗性：被削材Ａ／−１０チ８１合金（ＨＥ１１）
の乾式切削で、切削速度５００　ｙｎ／ｍｉｎ、切込み
０．５　ｍ　、送？）　０．１　ｗ／ｒｅｖ　、切削時
間２０　ｍｉｎによる旋削試験による平均摩耗量（閣〕
を求めた。

靭　　性：ビツカース硬ざ試験用のダイヤモンド圧子に
エフ圧痕を付けて次式により破壊靭性値を求めた。

ｌ（ただし１式中、圧痕荷重０５〜５ｋｉｉＩ。

Ｈ：ビツカース硬さ、２＆：圧痕の大きさ、２ｃ：クラ
ックの長さ、である）比較のために、平均粒径１μｍの単結晶ダイヤモンド扮
６３６容積チと平均粒径５μｍのＴＩＮ粉３６．４容積
チから成る混合粉を実施例１の場合とＩＵＪし条件で焼
結し、得られた焼結体についても硬度、耐摩耗性、靭性
を測定した。

以上の結果を一括して第１表に示した。

第１表実施例２実施例１の複合粉に平均粒径１μｍのコノ（ルト粉５容
状％鼠混合し、この混合粉末を６０　ＫＢａｒ　。

１５００℃、１時間の条件で焼結した。

比較のために、平均粒径１μｍの単結晶タ°イヤモ／ド
粉６０４容積チと平均粒径５μｍのＴＩＮ粉３４．６’
ｌ；ｆ％と平均粒径１μｍのコノ（ルト紛５容績チとか
ら成る混合粉を実施例１の場合と同じゃ件で焼結した。

実施例１と同様にして１両者の硬度、耐摩耗性。

靭性を測定し、それｔ一括して第２表に示した。

第　２　表実施例３ＴｉＮ粉に代えて平均粒径５μｍの立方晶穿化ホウ素８
０容積チと平均粒径１μｍのＴＩＮ　２０容積・藁の混
合粉を用いたことを除いては、実施例１と同様に多結晶
質ダイヤモンドで被膜され７′ｃ複合粉を製造した。粒
径は約６μｍで多粘品質ダイヤモンドは全体の４２容漬
チであった。

この複合粉に平均粒径１μｍのニッケル粉１０荏積チと
人ｌ粉１０容積チ量を混合し、実施例２と同じ条件で焼
結した。

比較のために、平均粒径１μｍの単結晶ダイヤモンド粉
３３．６容積チと平均粒径５μｎ１の立方晶窒化ホウ素
粉３０．４容積チと平均粒径１μｍのＴＩＮ粉１６容積
チと平均粒径１μｍのニッケル粉１０荏積チとＡ／粉１
０容績チとから成る混合粉末を同様の条件で焼結した。

両者の特性を第３表に示した。ただし、耐摩耗性ｎ、　
被削材ＳＫＤ　１１（ＨＲＣ！５７〜５　ｇ　）　ＣＤ
湿式切削で切削ｉｕ度１２０フ２Ｖ／ｍｉｎ、、切込み
０．５瓢、送Ｆ）　０．１　ｍ／ｒｅｖ、切ｆ！ｊ１時
間２ｍ１ｎの旋削試験による値であジ。

靭性は実施例１と同様の方法による値でちる。

第３表実施例４第２図の装置において、粉体９として平均粒径５１１ｍ
のＴＩＮ　１反応ガスとしてＢ２Ｈ，：　ＮＨ，：Ｈ。

の容積比が５：１５：８０である混合ガスを使用した。

まず、排気装置１２を作動してプラズマ発生基８内を充
分排気したのち、調整弁１３，１４゜１５．１６をそれ
ぞれ調節してガス供給装［１０から上記混合ガスをプラ
ズマ発生蔓８内に導入し、該室内が４５　Ｔｏｒｒにな
るように混合ガスを流速！ｉ　０　ｃｒｎ／ｍｉｎで供
給し続けた。

ついで、を磁石１９を作用させて振Ｕ１版４を振動させ
粉体９を流動させた。

６００Ｗの出力で周波数２４５０　ＭＨｚのマイクロ波
を発生させ、これをプラズマ発生基８内に入射して、流
動するＴｉＮ粉体９の中にプラズマを誘発させた。

約１時間、　ＴＩＮ粉体９をプラズマ中で流動させ之と
ころ、平均イ立径約７μｍの粉末が得られた。

表面の被膜は、立方晶窒化ホウ素であることがＸ靭１回
折分析に工って確認でれた。

この複合粉ｆ５０ＫＢａｒ、１５００　’Ｃ，１時間の
条件で焼結した。

比較のｌ″Ｃめに、平均粒径１μｍの立方品屋化ホウ素
粉６３．６４稙チと平均粒径５μｍのＴＩＮ粉３６．４
答稙係とから成る混合粉を実施例４の場合と同じ条件で
焼結した。

両者の哲性を一括して第４表に示した。耐摩耗性＃′ｉ
災施例３．籾性は実施例１と同様の方法による値である
。

第４表実施例５実施例４の複合粉に平均粒径２μｍの窒化アルミニウム
粉５容積％新混合し、この混合粉ｆ　５０　ＫＢａｒ。

１５００℃１１時間の条件で焼結した。

比較のために、平均粒径１μｍの立方晶窒化ホウ素粉６
０，４容ｆＡチと平均粒径５μｍのＴＩＮ粉３４６容積
チと平均粒径２μｍの窒化アルミニウム粉５容積チとか
ら成る混合物ｆ６：克施例４の場合と同じ条件で焼結し
た。

両者の特性を一括して第５表に示した。Ｉ！ｔｒＪγ粍
性は実施例３．靭性は実施例１と同しの方法によ〔発明
の効果〕以上の説明で明らかな工うに、本発明の焼結体は、芯材
でおる結合相の成分を包蔵する〃・たちで、多結晶質ダ
イヤモンド、立方晶窒化ホウ素又は両者の混合吻である
硬質相が連続して所定の割合で存在するので、全体とし
てその硬度が大きい。しかも、硬質相の存在割合が通正
範四にあるので。

芯材である金属１合金、金属化合物がその属性として有
する靭性は有効に発現し、焼結体の靭性も高まる。

また、この焼結体の製造に当り使用する複合粉。

粒体は、プラズマ化学蒸着法で調製されるので、焼結体
の硬質相に相幽する被膜と焼結体の結合相に和尚する芯
材との相互回着カも強くなｐ、焼結体全体の強度も向上
するという効果も生ずる。

したがって１本発明の焼結体は、硬度、耐摩耗性及び靭
性のいずれもが充足していて、各種の超硬工具用の素材
としてその有用性は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はいずれも１本発明の高硬度焼結体を製
造する際に用いる装置の一例で、第１図１−を高周波を
、第２図はマイクロ波を用いるものである。ｌ・・・低周波発掘器、２・・・増幅器、３川拡声器。４・・・振動板、５・・・高周波発振器、６・・・同軸
ケーブル、７・・・高周波コイル、８・・・プラズマ発
生器、９・・・粉体、１０・・・ガス供給装置、１１・
・・混合ガス供給管、１２・・・排気装置、１３，１４
，１５，１６・・・ガス調整弁、１７・・・マイクロｔ
ｔ発振器、　　１ｓ・・・導波管、１９・・・電磁石。

Claims

【特許請求の範囲】１、多結晶質ダイヤモンド若しくは立方晶窒化ホウ素の
いずれか１種又は両種から成る硬質相２０〜７０容積％
と、残部が金属、合金、金属化合物の群から選ばれる少
なくとも１種からなる結合相である焼結体であつて、該
硬質相が連続していることを特徴とする高硬度焼結体。２、該金属化合物が、周期律表IVａ、Ｖａ、VIａ族に属
する金属元素の炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物、ケ
イ化物；炭化ホウ素；炭化ケイ素；窒化ケイ素；酸化ア
ルミニウム；窒化アルミニウム；二酸化ジルコニウム；
若しくはこれらの相互固溶体化合物の群から選ばれる少
なくとも１種である特許請求の範囲第１項記載の高硬度
焼結体。