JPS621347B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、高硬度、並びにすぐれた耐摩耗
性、靭性、および耐食性を有し、特にこれらの特
性が要求される高硬度鋼やNi基あるいはCo基ス
ーパーアロイなどの切削用工具や、さらには軸受
や線引ダイスなどの耐摩耗工具などの製造に使用
した場合にすぐれた性能を発揮する超高圧焼結硬
質材料に関するものである。 従来より、この種の切削工具や耐摩耗工具の製
造には炭化タングステン（以下WCで示す）基超
硬材料が、比較的すぐれた靭性をもつことから広
く使用されてきているが、前記WC基超硬材料は
耐摩耗性が十分でないため、増々苛酷になりつつ
ある最近の使用環境下では、十分に満足する性能
を発揮し得ず、かかる点から、よりすぐれた工具
用材料の開発が望まれている。 最近、かかる要望に即した工具用材料として、
立方晶窒化硼素（以下ｃ−BNで示す）焼結材料
や、これに少量のAlおよび鉄族金属を含有させ
たｃ−BN基焼結材料が提案され、市販されてい
るが、前質の材料はすぐれた耐摩耗性を有するも
のの、靭性の点で問題があり、また後者の材料は
比較的低温では良好な靭性および耐摩耗性を示す
ものの、これを高熱発生を伴なう条件下で使用す
ると、著しい耐摩耗性劣化をきたすなど、いずれ
も満足する特性を備えた材料ではないのが現状で
ある。これら従来焼結材料における特性不足の原
因は、ｃ−BN粒子と添加含有粒子間での熱膨脹
係数の差が大きすぎることによる残留歪、さらに
異種粒子間における著しい濃度変化による焼結性
の低下、ひいては粒子界面強度の低下にあるもの
と思われる。 この発明は、上述のような要望に即した工具用
焼結材料、すなわちすぐれた靭性と耐摩耗性を兼
ね備え、かつ切削用工具や耐摩耗性工具などの製
造に使用した場合に、これら工具がすぐれた性能
を発揮するようになる焼結材料を提供するもの
で、 ｃ−BN：10〜80％、 ダイヤモンド：５〜60％、 立方晶炭窒化硼素（以下ｃ−Ｂ（CN）で示
す）および不可避不純物：残り、 （以上容量％、以下％はすべて容量％を意味す
る）からなる組成を有する超高圧焼結硬質材料に
特徴を有するものである。 つぎに、この発明の超高圧焼結硬質材料におい
て、成分組成範囲を上記の通りに限定した理由を
説明する。 (a) ｃ−BN ｃ−BN成分は、温度：1200℃以上、圧力：
40Kb（キロバール）以上、望ましくは温度：
1800℃以上、圧力：60Kb以上の条件で合成さ
れるもので、ダイヤモンドに次ぐ高硬度（ビツ
カース硬さ：6000〜7000Kg／mm²）を有し、かつ
常温から約1000℃以上の高温まで高い硬さを維
持するなどダイヤモンドより安定した高温特性
をもち、さらに例えば被削材としての鉄族金属
と反応しにくい性質をもつことから、このｃ−
BN成分を含有するこの発明の硬質材料はすぐ
れた耐摩耗性を具備するようになるのである
が、その含有量が10％未満では、ｃ−BNのも
つ特性を硬質材料に十分に付与することができ
ず、一方80％を越えた含有は、他の含有成分の
含有量を相対的に低くし、これらの含有成分に
よつてもたらされる特性改善効果が十分でなく
なることから、その含有量を10〜80％と定め
た。 (b) ダイヤモンド ダイヤモンドは、周知のようにモース硬さ：
10、ヌーブ硬さ：8000Kg／mm²以上の現存する物
質中最も高い硬さを有し、かつ焼結時に、ｃ−
BN粉末およびｃ−Ｂ（CN）粉末の表面に付着
している酸素分と反応してこれを還元除去し、
もつてその粉末表面を活性化して焼結性を向上
させると共に、ｃ−BN粉末の表面部分におい
て、これの構成成分であるＢおよびＮと反応し
て、より活性なｃ−Ｂ（CN）を形成し、もつ
て粒子相互間の結合強度を向上させる作用をも
つが、その含有量が５％未満では、前記作用が
不十分であると共に、ダイヤモンドのもつ高硬
度を材料に付与することができず、一方60％を
越えて含有させると、ダイヤモンド粒子相互間
の接触度合が大きくなり、粒子間の結合強度が
低下するようになつて、所望のすぐれた靭性を
確保することができなくなることから、その含
有量を５〜60％と定めた。 (c) 不可避不純物 不可避不純物は、ｃ−BNおよびｃ−Ｂ
（CN）合成時に混合される少量の鉄族金属や、
焼結材料製造に際して原料粉末の混合時に混合
容器などから混入する鉄族金属やWCなどから
構成されるものであるが、これらの不可避不純
物は５％まで含有しても焼結材料の特性に何ら
の悪影響も及ぼさないので、５％までの含有は
許容される。しかし５％を越えて含有するよう
になると焼結材料の特性劣化を避けることがで
きなくなるので、その上限値を５％とするのが
望ましい。 (d) ｃ−Ｂ（CN） ｃ−Ｂ（CN）は、結晶構造が六方晶系ある
いは無定形のＢ（CN）粉末（以下化学式：
BxCyNzで表わす）を、少量の鉄族金属と混合
した状態で、焼結用金属製容器内に封入し、公
知の超高圧高温発生装置を用いて、温度：1200
℃以上、圧力：40Kb以上、望ましくは温度：
1500℃以上、圧力：70Kb以上の条件で所定時
間保持し、これを立方晶結晶構造に変換合成す
ることによつて製造されるもので、高硬度を有
し、かつ化学的に安定な性質をもつものであ
る。 また、この発明の硬質材料は、ｃ−BN粉末
と、ダイヤモンド粉末と、ｃ−Ｂ（CN）粉末と
を、所定の割合に配合し、長時間混合して均質な
混合粉末とした後、前記混合粉末を通常の条件で
圧粉体に成形するか、あるいはこれを一旦金属製
容器内に入れて、800〜1200℃の適当な温度で脱
ガスして封入するかし、ついで前記圧粉体あるい
は密封容器を、例えば特公昭38−14号公報に記載
されるような超高圧高温発生装置に装入し、圧
力：40Kb以上、温度：1200℃以上の超高圧高温
条件下に約５分以上保持した後、冷却し、圧力開
放のプロセスによつて製造することができる。 ついで、この発明の超高圧焼結材料を実施例に
より比較例と対比しながら説明する。 実施例 １ まず、原料粉末としてのｃ−Ｂ（CN）粉末を
調製する目的で、無定形のＢ₀.₃₅Ｃ₀.₃₂Ｎ₀.₃₃粉
末：90％、Ni粉末：10％からなる混合粉末をTa
製容器内に密封し、公知の超高圧高温発生装置に
装入し、圧力：80Kb、温度：1600℃の条件で20
分間保持した後、冷却して圧力を開放し、取出
し、酸洗し、引続いて比重差を利用した分離法に
て分離することによりｃ−Ｂ（Ｃ₀.₉₅Ｎ）粉末を
製造した。 ついで、この結果得られたｃ−Ｂ（Ｃ₀.₉₅Ｎ）
粉末：50％、市販のｃ−BN粉末：40％、および
ダイヤモンド粉末：10％からなる配合粉末を、ボ
ールミル中で48時間湿式混合し、混合組成が、ｃ
−Ｂ（Ｃ₀.₉₅Ｎ）粉末：49％、ｃ−BN粉末：39.5
％、ダイヤモンド粉末：9.5％、鉄族金属：0.5
％、およびWC：1.5％からなる混合粉末を得た。
なお、この混合粉末における鉄族金属およびWC
は混合中に混合容器などから混入したものであ
る。 つぎに、上記混合粉末を、外径12mmφのステン
レス鋼製容器に詰め、圧力：10^-4torrの真空中、
温度：1100℃に15分間保持して脱気した後、密封
し、引続いて公知の超高圧高温発生装置に装入
し、最高付加圧力：45Kb、最高加熱温度：1450
℃の条件に30分間保持した後、冷却し、圧力を解
放することによつて、実質的に上記混合組成と同
一の最終成分組成をもつた本発明硬質材料を製造
した。 また、比較の目的で、原料粉末を、それぞれ上
記ｃ−Ｂ（Ｃ₀.₉₅Ｎ）粉末だけ、あるいは上記ｃ
−BN粉末だけで構成する以外は、上記本発明硬
質材料の製造条件と同一の条件にて、比較Ｂ（Ｃ
₀.₉₅Ｎ）材料および比較BN材料をそれぞれ製造し
た。 引続いて、上記本発明硬質材料、比較Ｂ（Ｃ₀.
_９５Ｎ）材料、および比較BN材料について、被削
材：SNCM−８（硬さHRC：52）、切削速度：
100ｍ／min、送り：0.10mm／rev.切込み：0.5mm
の条件で切削試験を行ない、その使用寿命に到る
までの切削時間を測定した。この結果、比較Ｂ
（Ｃ₀.₉₅Ｎ）材料は150分、比較BN材料は100分の
寿命時間しか示さなかつたのに対して、本発明硬
質材料は、すぐれた靭性および耐摩耗性を具備す
ることから、315分のきわめて長い寿命時間を示
し、すぐれた切削性能を発揮するものであつた。 実施例 ２ 公知の超高圧高温発生装置を用い、無定形のＢ
（CN）粉末より、圧力70〜80Kb、温度：1500〜
1700℃の条件にて、ｃ−Ｂ（Ｃ₀.₁₂Ｎ）粉末、ｃ
−Ｂ（Ｃ₀.₅）Ｎ粉末、ｃ−Ｂ（Ｃ₀.₈Ｎ）粉末、
ｃ−

【表】

【表】 Ｂ（Ｃ₂.₀Ｎ）粉末、およびｃ−Ｂ（Ｃ₄.₅Ｎ）粉
末をそれぞれ製造した。 ついで、この結果得られた５種のｃ−Ｂ
（CzN）粉末と、市販のｃ−BN粉末およびダイヤ
モンド粉末とを原料粉末として用い、これら原料
粉末を第１表に示される最終成分組成をもつよう
に配合すると共に、公知の超高圧高温発生装置に
おける最高加熱温度を1500℃とする以外は、実施
例１における本発明硬質材料の製造条件と同一の
条件にて本発明硬質材料ａ〜ｈおよび比較硬質材
料ａ〜ｄをそれぞれ製造した。 なお、この結果得られた硬質材料のそれぞれに
おける不可避不純物は、主として粉末混合あるい
は粉砕時に容器などから混入した鉄族金属とWC
からなるものであり、比較硬質材料ａ〜ｄはいず
れもこの発明に定めた成分組成から外れた成分組
成をもつものである。 つぎに、この結果得られた本発明硬質材料ａ〜
ｈおよび比較硬質材料ａ〜ｄのそれぞれについ
て、実施例１におけると同一の条件で切削試験を
行ない、その寿命時間を測定した。この測定結果
を第１表に合せて示した。 第１表に示されるように、本発明硬質材料ａ〜
ｈは、いずれも比較硬質材料ａ〜ｄに比して著し
く長い寿命時間を示し、これらの結果からすぐれ
た靭性と耐摩耗性とを兼ね備えた材料であること
が明らかである。また、市販のTiN含有のｃ−
BN基硬質材料は、同一条件での切削試験で155分
の寿命時間を示すにすぎないものであつた。 上述のように、この発明の超高圧焼結硬質材料
は、すぐれた靭性と耐摩耗性とを兼ね備えている
ので、これらの特性が要求される高硬度鋼やNi
基あるいはCo基スーパーアロイなどの被削材を
切削するための刃先として、また軸受や線引ダイ
スなどの耐摩耗工具として、さらに堀削用ビツト
刃先などとして使用した場合に、きわめてすぐれ
た性能を発揮するのである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 立方晶窒化硼素：10〜80％、 ダイヤモンド：５〜60％、 立方晶炭窒化硼素および不可避不純物：残り、 （以上容量％）からなる組成を有することを特徴
   とする靭性および耐摩耗性を具備した超高圧焼結
   硬質材料。