JPS62228450A - 高硬度工具用焼結体およびその製造方法 - Google Patents

高硬度工具用焼結体およびその製造方法

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JPS62228450A JP61291361A JP29136186A JPS62228450A JP S62228450 A JPS62228450 A JP S62228450A JP 61291361 A JP61291361 A JP 61291361A JP 29136186 A JP29136186 A JP 29136186A JP S62228450 A JPS62228450 A JP S62228450A
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cubic boron
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、立方晶窒化硼素(以下、cBNと略す)を
用いた高硬度工具用焼結体およびその製造方法の改良に
関する。
[従来の技術] cBNは、ダイヤモンドに次ぐ高硬度物質であり、その
焼結体は種々の切削工具に使用されている。切削工具に
適したこの種のcBN焼結体の一例カ、4JJ]昭53
−77811号に開示されている。
上記先行技術には、cBNを体積%で8o〜40?6含
有し、残部が周期律表第rVa、Va、VIa族遷移金
属の炭化物、窒化物、硼化物、硅化物もしくはこれらの
混合物または相互固溶体化合物を主体としたもの、さら
にこれらにAQおよび/またはSiを添加したものが開
示されている。この先行技術のcBN焼結体では、上記
したような化合物が焼結体組織中において連続した結合
相をなしている。
上記高硬度工具用焼結体では、結合化合物として、周期
律表第IVa、Va、Via族遷移金属の炭化物、窒化
物、硼化物、硅化物またはこれらの相互固溶体化合物が
用いられているが、これらの化合物は熱伝導性に優れ高
硬度であるため、この焼結体は切削工具として一般的に
高い性能を示す。
[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、上記した特開昭5177811号に開示
されている焼結体においても、たとえば高硬度焼入れ鋼
の断続切削のような特に厳しい衝撃力が加わる用途では
、切削中に刃先が欠損し、したがってその寿命が比較的
短いという問題があった。この刃先の欠損は、刃先の強
度不足により生じたり、あるいは摩耗、特にクレータ摩
耗が刃先に発生し、刃先が鋭利になるため生じるものと
推測される。
よって、この発明の目的は、上記した従来のC−BN焼
結体よりもさらに強度および耐摩耗性に優れた高硬度工
具用焼結体を提供することにある。
[問題点を解決するための手段] 本願発明者達は、上述の目的を達成するために鋭意検討
した結果、65〜75容量%のeBNと、残部下記の結
合材とを混合してなる混合粉末を用いてcBHの安定な
条件下で超高圧焼結すれば、従来のcBN焼結体よりも
硬度が高く、かつ耐磨耗性に優れる高硬度工具用焼結体
の得られることを見い出した。
すなわち、25〜50重瓜%の型温を含み、(T L 
CZ 、 M C)>   (MN) +−j)で表わ
される混合物および(T i 、 M)(CI 、 N
 +−チ)2 で表わされる化合物(但し、MはTiを
除く周期律表第IVa、Va、VIa族の遷移金属元素
であり、0、 3<y<1. 0. 0. 5≦z≦0
. 85) 1種以上を、結合材中のTi含有量のTi
を除く■a、Va、VIa族の遷移金属元素含有量に対
する割合が原子比で2/3〜97/100となるように
含み、タングステンをTiを含む上記混合物もしくは化
合物およびWCの少なくとも1の形態で含み、かつ全タ
ングステン濃度が4〜40重量%である結合材を、上記
割合でcBN粉末と混合して得られた混合粉末を超高圧
焼結することにより得られた焼結体である。
また、この発明の高硬度工具用焼結体の製造方法は、6
5〜75容量%のcBNと、上記した結合材とを混合し
て混合粉末を得るステップと、超高圧装置を用いて20
Kb〜60Kb、1000°C〜1500℃で焼結する
ステップを備える。
焼結に際しては、上記混合粉末を所定の容器に充填した
状態で焼結してもよく、あるいは焼結に先立って所定の
形状に成形しておいてもよい。
この発明により得られたcBN焼結体は、cBNの他、
Tiの炭化物、窒化物もしくは炭窒化物またはこれらの
相互固溶体、硼化チタン、硼化アルミニウム、窒化アル
ミニウム、タングステン化合物およびタングステン等を
含んでおり、その組織において結合相が連続している。
[作用] この発明の焼結体か強度および耐摩耗性に優れているの
は、以下の理由によるものと推測し得る。
焼結体の強度を向上するには、cBNの含有量が高く、
かつcBNと結合材または結合材自体が強固に接合して
いる必要がある。この発明では、結合材中に25〜50
重量%のAflを含有させることにより、A店がcBN
と高l!i・高圧下での焼結時に反応し、硼化アルミニ
ウムや窒化アルミニウム等に変化すると同時に、これら
のアルミニウム化合物がTiの炭化物、窒化物、炭窒化
物および硼化物と反応し、それによってcBNと結合材
、あるいは結合材同士を強固に結合するものと考えられ
る。
cBN含有量が焼結体中の65容量%未満では、焼結体
の強度および硬度が低下し好ましくない。
他方、cBH含を量が焼結体中の75容量%を越えると
、cBN同士が接触し、刃先に高応力が付加された場合
など、cBN結晶内またはcBN同士の接合部にクラッ
クが発生し、焼結体の強度が低下する。
また、Alの結合材中における含有量は、25重a%〜
50重量%が好ましい。Amの含有量が25重量%未満
の場合には、AlとcBNとの反応が不十分であり、結
合材によるcBN結晶の保持力が弱くなる。他方、Al
含有二が結合材中の50重量%を越えると、cBNと結
合材との結合強度が高くなるものの、結合材自体の硬度
が低下するため好ましくない。
次の耐磨耗性が高い理由としては結合材自体の耐磨耗性
が優れていることにあると推測できる。
一般にcBN焼結体の磨耗は、cBNの耐磨耗性が優れ
ているため結合材が優先的に磨耗し、cBNが脱落する
という形態をとると考えられる。
この発明の焼結体では、耐磨耗性に優れる(Ti CZ
 、 MC)y   (MN) +−>および(Ti。
M)  (CI)、 I’J+□)2 を結合材として
用いること、ならびに結合材中にタングステンの化合物
および純タングステンの少なくとも一方を含有している
ことにより、耐磨耗性が一段と改善されることかわかっ
た。
この発明の焼結体の結合材において、Tiと、Tiを除
く周期律表IVa、Va、VIa族金属の合計の原子比
は2/3〜97/100が好ましい。
この原子比が2/3未満では、cBNや結合材との反応
性の高いTi含有二が少なくなり、これらとの接合強度
が弱くなり焼結体の強度が低下する。
他方、原子比が97/100を超えると(T i C、
MC)  −(MN)および(Ti、 M)(C。
N)の強度が低下して好ましくない。また、yの値が0
.3未満であると、この発明のAl含有率の範囲では、
結合材の耐磨耗性が低下する。特に、この発明の焼結体
において結合相が連続しており、かつ粗粒のcBNの周
囲または間隙に微粒のcBNが充填されている組織を有
する焼結体は、cBN含有量を多くすることができ、し
たがって強度および耐磨耗性をより一層向上させること
が可能である。
この発明の焼結体の製造にあたっては、(TiC,、M
C)、−(MN)、、で表わされる混合物および(T 
i、M)(CF 、N+−>)t  で表わされる化合
物(但し、MはTiを除く周期律表IV a 。
Va、VIa族の遷移金属であり、0. 3<y<1゜
0.0.5≦z≦0.85)1種以上の粉末と、A俵ま
たはこれにAlとTiの金属間化合物を加えたものと、
WC粉末およびcBN粉末を混合し、超高圧・高温下で
焼結する。このとき上記Tiを含む混合物または化合物
中に存在する遊離TiやAlまたは金属間化合物として
感謝したTiもj7くはAlは、cBNと反応し、Ti
やAmの硼化物もしくは窒化物となり、cBNと結合材
との接合強度を改善させると考えられる。
上記2の値が0.5未満であると結合材の硬度や耐磨耗
性が低下して好ましくない。また、2の値が0.85を
超えるとcBNと結合材との接合強度が低下するため、
2は上記のように0. 5〜0.85の範囲にあること
が好ましい。
この発明の焼結体では、結合材中にAlの化合物として
AfLB2、AlN、Wの化合物として硼化タングステ
ンあるいは炭化タングステンが生成するような条件下で
焼結すれば、強度が高く、かつ耐磨耗性に優れた焼結体
を得ることができる。
また、上記Mとしてタングステンを使用すれば、結合材
の強度、耐磨耗性の双方が改善されて好ましい。
[発明の効果] この発明では、cBNにTiに加えてAfLをかなりの
割合で含む結合材を混合し、超高圧下で焼結することよ
り、cBNを65〜75容量%含有し、チタンの炭化物
、窒化物、炭窒化物もしくはこれらの固溶体、硼化チタ
ン、硼化アルミニウム、窒化アルミニウム、タングステ
ン化合物ならびに/またはタングステンを含む高硬度工
具用焼結体を得ることができる。すなわち、結合材中に
Alが25〜50重量%含有されており、このAlは硼
化アルミニウムおよび窒化アルミニウムを形成しており
、また該結合材中にタングステンが4〜40重量%含有
されており、このタングステンは、純タングステン、タ
ングステン化合物および/またはTiを含有する炭化物
、窒化物、または炭窒化物の形態で存在する。よって、
たとえば刃先に高い応力が付加される高硬度焼入れ鋼の
断続切削に有効である。また、この発明の焼結体は耐摩
耗性にも優れているため、鋳鉄や耐熱性合金の切削にも
好適に使用し得る。
実施例1 第1表に示すTiを含有する炭化物、窒化物または炭窒
化物粉末と、アルミニウム粉末および炭化タングステン
粉末との混合粉末を作製した。次に、粒径が4〜8μm
のもの、2〜4μmのものおよび2μm以下のものを体
積比で3対5対2の割合で含むcBN粉末と、上記した
結合材粉末を第1表に示す割合で混合した。次に、得ら
れた混合粉末を、M o TAの容器に挿入し、この容
器を真空炉内で10−’ torrの真空度で1000
℃の温度で20分間加熱して脱気した。次に、55Kb
の圧力ならびに1400℃の温度で焼結を行なった。
得られた焼結体の組織を走査型電子顕微鏡で観察したと
ころ、4〜8μmのcBN粒子の周囲に、あるいはcB
N粒子間の間隙に、4μm未満の径のcBN粒子が結合
材を介して存在していることが認められた。
また、X線回折により得られた焼結体を同定したところ
、cBNとTiを含有する炭化物もしくは炭窒化物のピ
ーク以外に、AlB2、TiB2、TiN、wおよびW
Bと思われるピークが観察された。さらに、焼結体中の
TiのTiを除く IV a 。
Va、VIa族金属に対する割合を化学分析で調査した
ところ、原子比で、試料ba−1、ba−2、ba−3
、ba−4、ba−6およびba−7では72対28で
あり、試料ba−5では93対7であった。
次に、得られた焼結体を用いて切削加工用のチップを作
製し、5KDII種の鋼(HRC59)からなる被削材
を旋削した。被削材の形状は、外周部に4カ所の幅10
mmの断面U字状の溝を有する円筒体である。切削条件
は、切削速度:100m/分、切込み:0.2mm、送
り:Q、1mm/回転であり、乾式で行なった。この切
削試験結果を第1図に示す。
(以下余白) 実施例2 第2表−1に示す異なる粒径のcBN粉末を該第2表−
1に示す割合で混合してなるcBN粉末と、第2表−2
に示す結合材粉末とを、cBN粉末含有量が第2表−1
に示す割合となるように混合し、しかる後実施例1と同
様にして焼結体を得た。
得られた焼結体をX線回折により同定したところ、試料
ba−8、ba−9、ba−10、ba−11およびb
a−12ではcBNおよび(Ti。
W)(C,N)のピーク以外に、A迂B2、A肛N1T
iB2およびWB2と思われるピークが認められた。試
料ba−13の焼結体では、cBN。
(T i 、 W)(C,N) 、A Q、 B2 、
AlNおよびTiB2のピークが観察された。
また、Tiと、Tiを除くIVa、Va、VIa族金属
の合計との原子比は、試料ba−8〜11の焼結体では
91対9であった。これに対して、試料ba−12の焼
結体では該原子比は55対45であり、試料ba−13
の焼結体では97.4対2.6であった。
次に、上記した各焼結体の組織を調べたところ、試料b
a−8,9,12では部分的にcBN粒子が接合してい
るところがあった。他方、試料ba−10、b a −
LLおよびba−12の焼結体は、粗粒cBN粒子間の
間隙あるいは該粒子の周囲に、微粒のcBNが充填され
た形態となっており、これらのcBN粒子は結合材を介
して接合していることが認められた。
次に、上記各焼結体を加工して切削用チップを作製し、
被削材を切削した被削材は、外周にキー溝を有するSN
CM9種(HRc 58〜60)の鋼からなるものであ
り、切削条件は切削速度=120m/分、切込み+0.
1mm、送り=0.1mm/回転、乾式である。切削結
果を、第3表に示す。
(以下余白) 実施例3 実施例1および2で得られた焼結体につき、耐磨耗性を
調べるため、5KDII種の鋼からなる被削材を用いて
連続切削試験を行なった。
被削材の硬度はHRC60である。切削条件は、切削速
度:100m/分、切込み:0.2mm。
送り=0.1mm/回転および乾式、切削時間10分と
した。すくい面クレータ環さを測定した結果を、第2図
に示す。
実施例4 Tiを含む炭化物または炭窒化物の粉末と、アルミニウ
ム粉末および炭化タングステン粉末とを混合し、この粉
末を予め1200℃の高温で熱処理し、これを超硬合金
製ボールミルにて予備粉砕することにより、第4表に示
す組成の平均粒径1μm以下の結合材粉末を得た。なお
、第4表中**は、TiとTiを除くIVa、Va、V
Ia族金属との原子比を示す。得られた結合材粉末に、
粒度4〜10μm、2〜4μmおよび2μm未満のCB
N粒子が5対4対1で混合されたcBN粉末を体積%で
70容量%、結合材を30容瓜%の割合で混合し、実施
例1と同様にしてMo製の容器に入れ、圧力40Kb、
温度1200℃の条件で焼結を行なった。
得られた焼結体をX線回折により同定17たところ、結
合材ba−25〜ba−30を用いたこの発明の範囲に
入る焼結体では、cBNおよびTiを含有する炭窒化物
のピークの他に、AlB2、AQN、Wの硼化物および
/またはWならびにWCと思われるピークが観察された
。他方、結合材ba−31を用いた焼結体では上記ピー
ク以外にAQ3Tiのピークが、結合材ba−32を用
いた焼結体ではWCの大きなピークが、結合材ba−3
3を用いた焼結体ではTi、A[のピークが、結合材b
a−34を用いた焼結体ではAl)、3Tiのピークが
認められた。
また、各焼結体組織を観察したところ、粗粒CBN粒子
の周囲あるいは粒子間の間隙に微粒のCBN粒子が結合
材を介して分散していることがわかった。
次に、各焼結体を用いて切削加工用チップを作製し、被
削材を用いて切削試験を行なった。被削材は、5UJ2
種(HRc 59〜61)の鋼からなり、内周面に1本
のキー溝を有する円筒体(内径+25mm)であり、切
削条件は切削速度150m/分、切込み:0.2mm、
送り:0.15mm/回転である。結果を、第5表に示
す。
実施例5 (T i O,9’、”!0.1 )  (C0,9、
No、 + ) o、srと、TiAη、と、WCとを
4対5対1の重量比に配合した後、1300℃の温度で
1時間、1 torrの窒素ガス中で均一化処理を施し
た。得られた粉末を超硬合金製のポットおよびボールを
用いて平均粒径が1μm以下となるように粉砕した。こ
のようにして得られた結合材を分析したところ、結合材
中にはAQが30重】%存在していた。また、TiとW
との原子比は87対13であった。
上記結合材と、粒径6μm以下のcBN粉末とを容積比
で30対70になるように配合した後、Mo製の容器に
充填し、圧力50 K b、1350°Cで15分間焼
結した。
得られた焼結体をX線回折で同定したところ、cBN、
(Ti、W)(C,N) 、A肛B2、AIIN、Ti
N、およびWB2と思われるピークが認められた。なお
−1八α3Tiは観察されなかった。
次に、この焼結体を切削加工用のチップに加工し、実施
例1と同様に切削試験を行なったところ、実施例1にお
ける試料ba−2の焼結体の約3゜2倍の性能を有する
ことが確かめられた。
【図面の簡単な説明】
第1図は、実施例1の切削試験結果を示す図であり、第
2図は、実施例3における切削試験結果を示す図である
。 手続補正占 昭和61年12月11日 持訂庁良官殿 2、発明の名称 高硬度−「具用焼結体J3よびその製造方法3.111
i iII /!:する習 事イ′[との関係 特許出願人 住所  大阪市 東区 北浜 5〕目15番地名称  
(213>住友電気工業株式会召代人名用上哲部 4、代理人 住 所 大阪市東区平野町2丁IE]8番地の1 平野
町八千代ビル6、補正の対象 図面 7、補正の内容 図面の第1図と第2図を別紙のとおり補正する。 以上

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)立方晶窒化硼素65〜75容量%と残部結合材と
    を混合し、超高圧焼結して得られた焼結体であって、 前記結合材が、 25〜50重量%のAlを含み、 (TiC_z、MC)_y−(MN)_1_−_yで表
    わされる混合物および(Ti、M)(C_y、N_1_
    −_y)_zで表わされる化合物(但し、MはTiを除
    く周期律表IVa、Va、VIa族の遷移金属元素であり、
    0.3<y<1.0、0.5≦z≦0.85)1種以上
    を結合材中のTi含有量のTiを除くIVa、Va、VIa
    族の遷移金属元素含有量に対する割合が原子比で2/3
    〜97/100となるように含み、かつ タングステンを前記Tiを含む混合物もしくは化合物お
    よびWCの少なくとも一方の形態で含み、結合材中の全
    タングステン濃度が4〜40重量%である、高硬度工具
    用焼結体。
  2. (2)前記高硬度工具用焼結体は、立方晶窒化硼素の他
    、(Ti、M)(C_y、N_1_−_y)_z、硼化
    チタン、硼化アルミニウム、窒化アルミニウム、タング
    ステン化合物およびタングステンの少なくとも1種以上
    を含む、特許請求の範囲第1項記載の高硬度工具用焼結
    体。
  3. (3)前記焼結体の組織において、結合相が連続してお
    り、かつ粗粒立方晶窒化硼素の周囲または間隙に微粒の
    立方晶窒化硼素が充填されている、特許請求の範囲第1
    項または第2項記載の高硬度工具用焼結体。
  4. (4)前記Alは、Al化合物の形態で含まれている、
    特許請求の範囲第1項〜第3項のいずれかに記載の高硬
    度工具用焼結体。
  5. (5)前記タングステンは、硼化タングステンまたは炭
    化タングステンの形態で混合されている、特許請求の範
    囲第1項〜第4項のいずれかに記載の高硬度工具用焼結
    体。
  6. (6)前記Mがタングステンである、特許請求の範囲第
    1項〜第5項のいずれかに記載の高硬度工具用焼結体。
  7. (7)65〜75体積%の立方晶窒化硼素粉末と、25
    体積%の結合材とを混合して混合粉末を得るステップを
    備え、前記結合材は、25〜50重量%のAlを含み、
    (TiC_z、MC)_y−(MN)_1_−_yで表
    わされる混合物および(Ti、M)(C_y、N_1_
    −_y)_zで表わされる化合物(但し、MはTiを除
    く周期律表第IVa、Va、VIa族の遷移金属元素であり
    、0.3<y<1.0、0.5≦z≦0.85)1種以
    上を、結合材中のTi含有量のTiを除くIVa、Va、
    VIa族の遷移金属元素含有量に対する割合が原子比で2
    /3〜97/100となるように含み、前記タングステ
    ンを前記Tiを含む混合物、化合物およびWCの少なく
    とも1の形態で含み、かつ結合材中の全タングステン濃
    度が4〜40重量%であり、前記混合粉末を超高圧装置
    を用いて20Kb〜60Kbの圧力で、1000℃〜1
    500℃の温度で焼結させるステップをさらに備えるこ
    とを特徴とする、高硬度工具用焼結体の製造方法。
  8. (8)立方晶窒化硼素粉末が、粗粒の立方晶窒化硼素粉
    末と微粒の立方晶窒化硼素粉末とを含むことを特徴とす
    る、特許請求の範囲第7項記載の高硬度工具用焼結体の
    製造方法。
  9. (9)微粒の立方晶窒化硼素粉末の粒度が、粗粒の立方
    晶窒化硼素粉末の粒度の1/2以下であることを特徴と
    する、特許請求の範囲第8項記載の高硬度工具用焼結体
    の製造方法。
  10. (10)前記Mがタングステンである、特許請求の範囲
    第8項または第9項に記載の高硬度工具用焼結体の製造
    方法。
  11. (11)前記タングステンは、硼化タングステンまたは
    炭化タングステンの形態で混合される、特許請求の範囲
    第7項〜第10項のいずれかに記載の高硬度工具用焼結
    体の製造方法。
  12. (12)前記AlはAl化合物の形態で混合される、特
    許請求の範囲第7項〜第11項のいずれかに記載の高硬
    度工具用焼結体の製造方法。
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