JPS6372843A - 切削工具用高密度相窒化ホウ素含有焼結体の製造法 - 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】 本発明は高硬度鋼材の切削に優れた高密度相窒化ホウ素
を含む焼結体のうち、立方晶系窒化ホウ素（以後ＣＢＮ
と称する）とウルツ鉱型窒化ホウ素（以後ＷＢＮと称す
る）の両者を含む焼結体の製造法に関する。

ＣＢＮは、工業的には静的超高圧下でアルカリ金属等の
溶融媒体に低密皮相窒化ホウ素（以後ｇＢＮと称する）
を一旦溶融させてから析出させて合成し、一般に単結晶
の粉末でｌＡｌｍから数１００μｍの粒度を有し、強度
と硬度は高いがへき開性を有する。

ＷＢＮは工業的には爆発の爆発によって発生する数１０
０ｋｂの高圧をｇＢＮに負荷して溶融媒体を介さずに直
接相転換させて合成し、１次粒子として数１０ｎｍの粒
径を有する粒子が集合して構成された０、１μｍ〜数１
０μｍの２次粒子から成る多結晶の粉末で、硬度、強度
とも高くへき開性はない。

上記のような性質を有するＣＢＮあるいはＷＢＮを焼結
体中に含有させて切削工具用の焼結体を製造すると、そ
れぞれの粉体の特徴を発揮する焼結体が得られる。概し
て言うと、ＣＢＮを含有する焼結体はＣ８８粒子の形状
が鋭い角を有するため、切れ味はよいが、切削した面は
粗く、また粒子にへき開性があるため欠は易い。一方、
ＷＢＮを含有する焼結体は、ＷＢＮ粒子が多結晶の不定
形体であるため、切れ味においてはややＣＯＮに劣るが
、切削した面はＣＢＮを含む焼結体で切削した面より面
粗度は細かく、粒子にへき開性がないため欠は難い。

そこで双方の欠点を補うべく、ＣＢＮとＩＩＢＮとの両
者を含有する焼結体が提案されている（特開昭５６−７
７８５９号、特開昭５５−９７４４８号）。特開昭５５
−９７４４８号公報に開示された発明は、ＷＢＮと金属
及びセラミックとを出発原料とし、焼結中にｌ８８Ｎの
一部をＣＢＮに相転換して両者を含有させた焼結体であ
る。一方特開昭５６−７７８５０号公報に開示の発明は
、出発原料としてＣＢＳ　とＷＢＮ及び金属とセラミッ
クとを用いて焼結した焼結体であって、１５〜６０体積
％が高密度相窒化ホウ素で残部がサーメット（金属とセ
ラミック）からなる焼結体であり、焼結体中の高密度相
窒化ホウ素のうちＣＢＮが４〜１６体積％でＷＢＮが９
６〜８４体積％からなる焼結体である。

両発明ともＣＢＮと１１８　Ｎとの粒子径の関係につい
ては何も触れていない。

これらの焼結体は製造が容易で、切削工具用として切削
性能、耐摩耗性及び加工性に優れているとされているが
、被削剤として、例えばチルドロール、超耐熱合金、鋳
鉄等に対しては欠損したり摩耗が大であったりして切削
性能、耐摩耗性がまだ不十分であった。

本発明者らは、主としてチルドロール、超耐熱合金、鋳
鉄などの切削に適した性質を有する高密度相窒化ホウ素
含有焼結体を開発す可く研究した結果、焼結原料として
加える高密度相窒化ホウ素をＣＢＮ　とＷＢＮ（７）２
種類とし、しかもＣＢＮ　とＷＢＮ　（７）量比、平均
粒径比をある範囲内に決定すると製造が容易でかつ前述
の被削材切削に極めて優れた性能を発揮する焼結体が得
られることをつきとめ本発明に到達した。

即ち、本発明は、高密度相窒化ホウ素６０〜９５体積％
、金属とセラミックとを併せたちの４０〜５体積％から
なる焼結体の製造法において、高密度相窒化ホウ素の６
０〜９５体積％がＣＢＮであり、４０〜５体積％がＷＢ
Ｎで、ＣＢＮの平均粒度がＷＢＮの平均粒径の５倍以上
であり、かつ金属とセラミックとを併せたものの２５体
積％以上が金属であり、７５体積％以下がセラミックで
あり、この割合の高密度相窒化ホウ素と金属及びセラミ
ックとを均一に混合し、圧力２０〜７Ｑｋｂ、温度１０
００℃以上で焼結することを特徴とする切削工具用高密
度相窒化ホウ素含有焼結体の製造法である。

チルドロール等を切削するのに適した本発明により得ら
れる高密度相窒化ホウ素を含有する焼結体は、少くとも
６０体積％以上の高密度相窒化ホウ素を含有することが
必要で、そのマイクロビッカース硬度は少なくとも３０
００ｋｇ／　ｍｍ”　、好ましくは３３００ｋｇ／　ｍ
ｍ２以上（いずれも荷重１　ｋｇ（７）常温下テの測定
値）である。

更に焼結に際して高密度相窒化ホウ素の粉末は、平均粒
径が違う２種以上の粉末を混合する場合、焼結体の硬度
が高く、耐摩耗性に優れ、特に平均粒径の大きい方の粉
末をＣＢＮとし、小さい方の粉末をＷＢＮとして、その
粒径比を５：１以上とすると、それらの効果が顕著であ
る。

その理由としては、粒度の異る粉末を充填して焼結する
場合、適度の粒度配合をすることによって、最適充填、
すなわち、粗い粉末と粗い粉体の間に細かい粉体が入り
込み、充填密度が上ることにより焼結状態が改善される
からである。次に、粗いＣＢＮの間に細かいＩＩＢＮが
入り込むことによりＣＢＮとＣＢＮとの隙間を補強し、
Ｃ８８粒子の欠損を防止し、ＷＯＮが入らない場合は、
金属及びセラミックが隙間に入るため、より耐摩耗性を
向上させるからである。

単に高密度相窒化ホウ素の粒度配合のみを考えるならば
、粗粒のＣＢＮと微粒のＣＢＮ　、粗粒のＷＯＮと微粒
のＷＢＮ　、粗粒のＷＢＮと微粒のＣＢＮという組合せ
も考えられるが、実験の結果からは粗粒のＣＢＮと微粒
のＷＢＮという組合せが最も優れた効果を責らすことが
判明した。これは粗粒ＣＯＮは粗粒ＷＢＮより強度が高
いこと、微粒ＷＢＮは微粒ＣＢＮより耐摩耗性が高いこ
とにより、その２種の組合せが優れた効果を示すと考え
られるからである。

また、ＣＢＮは微粒が得難＜　、ｗｅＮは粗粒が得難い
点からも、上記の組合せは製造上有利である。

粒度の粗いＣＯＮと細かいＷＢＮを組合わせることによ
る効果は、被削材の面粗度が向上する点にも現われる。

これは、次のような理由によると考えられる。第１図は
ＣＢＮと金属及びセラミックとからなる焼結体工具刃先
部の組織を説明するための拡大図である。図において１
はＣ８８粒子、２は金属とセラミックからなるＣＢＮ粒
子間の空隙を埋める組織、３は刃先の輪郭である。

図に示される組織形状を有する焼結体が被削材を切削す
ると、Ｃ８８粒子１に比べて軟かい金属とセラミックか
らなるＣＢＮ粒子間の空隙を埋める組織２の部分がＣ８
８粒子１よりはるかに早く摩耗して図で示される輪郭３
′まで後退する。そのため刃先の輪郭は当初の直線に近
い形状から凹凸の多い形状となり、被削材表面は切削時
にそれが転写されるため面粗度が切削開始後すぐに粗く
なる。

それに対し、ＣＢＮの他にＷＢＮを含む本発明により得
られる焼結体の場合は、第２図に示すようにＣＢＮ粒子
１′の間の空隙に金属とセラミック２′の他にＣＢＮと
同程度の硬度を相するＷＯＮ粒子４が充填されているた
め、第１図の摩耗によって発生した凹凸の激しい輪郭３
′のような刃先形状は表われず、はぼ当初の形状に近い
形のまま、全体的に摩耗するため、被削材の面粗さは細
かいままで切削が持続すると考えられる。

更に、第１図に於て、刃先の輪郭線が３′まで後退する
と、Ｃ８８粒子は刃先から突出するため、応力が集中し
て、摩耗、欠損、脱落し易くなり、そのための工具の損
耗が早いが、ＷＢＮを含む場合は、そのようなことが無
いため、工具の耐久性も著しく向上する。

高密度相窒化ホウ素含有焼結体を製造するにはＣＢＮと
ＷＢＮのみを出発原料として焼結することも不可能では
ないが、焼結条件を製造が容易な方向に持ってくること
、切削工具としての性能を優れたものとするためには、
金属及びセラミックを添加するのが有利である。

焼結体の原料中に金属を添加する理由は、ＣＢＳやＷＢ
Ｎは２０００℃に近い高温にしないと数百気圧の圧力を
かけても塑性流動しないため、より低い温度で流動する
金属をＣＢＮやＷＯＮの間の空隙に流入させて埋め、同
時にＣＢＮやＷＢＮの表面と結合させて強固な焼結体を
作るためである。

また、金属に加えてセラミックを添加する理由は、結合
相である金属の強度を向上させることにより焼結体全体
の強度を向上させたり、切削時の耐摩耗性を向上させる
ことにある。

加えるのに適当な金属としては、コバルト、マンガンの
第１群、タンタルの第２群、アルミニウム、マグネシウ
ム、ケイ素、ハフニウム、の第３群である。第１群の金
属は主としてその金属自身の強度があり、かつ塑性流動
性が高いため空隙を埋めるのに適して居り、第３群の金
属は結合作用の他に結合金属の結晶粗大化を防止したり
高温強度を向上させる作用を有する。また第３群の金属
はＣＢＮ及びＷＢＮとの親和性が強＜　ＣＯＮ及びｌツ
ＢＮと金属あるいはセラミックとの濡れを向上させ強固
な焼結体を作るのに有利である。

本発明に於いては金属の他にセラミックを加えるが、加
えることのできるセラミックとしては、上記金属の酸化
物、炭化物、窒化物、ホウ化物がある。具体的には、特
開昭５５−９’、４４８号公報に記載のセラミックであ
る窒化アルミニウム、窒化マグネシウム、窒化ケイ素、
窒化クロム、窒化モリブデン、窒化チタニウムである窒
化物、酸化アルミニウム、酸化チタニウム、酸化マグネ
シウム、酸化クロム、酸化ケイ素、酸化ジルコニウムで
ある酸化物、炭化ホウ素、炭化クロム、炭化ケイ素、炭
化タングステン、炭化モリブデン、炭化チタニウムであ
る炭化物、ホウ化チタニウム、ホウ化ジルコニウム、ホ
ウ化ハフニウム、ホウ化タングステン、ホウ化タンタル
、ホウ化クロム、ホウ化モリブデン、であるホウ化物で
ある。また炭化ニオブ、炭化タンタルも使用することが
できる。

本発明で、ＣＢＮ及びＷＢＮの他にどのような金属とセ
ラミックの組合わせを添加す可きかは、その焼結体で加
工する被削材の種類や切削方法、あるいは焼結体によっ
て定まるが、当業者であれば本発明の実施例を参考にし
て容易に決定できる。

本発明に於いて、焼結体中に含まれるＷＢＮの一部分が
、焼結圧力や温度が高い場合や、それ程高くなくても添
加金属やセラミック中にＷＢＮのＣＢＮへの転換能力を
有するものがある場合、ＣＢＮに転換することがあるが
、本発明の本来目的とする微細なＷＢＮが、粗粒のＣＢ
Ｓ粒子間の空隙を埋めるという状態を妨げない限り差支
えない。

本発明を実施する際に、高圧高温を発生する装置、いわ
ゆる超高圧装置は、本発明の製造上の要件である２０〜
７０ｋｂ、　１０００℃以上を達成できる装置であれば
何でもよく、本発明の実施例に於いてはベルト装置を利
用した。

次に本発明を実施例によって説明する。

実施例１ 平均粒径１２μｍのＣＢＮ粉６０体積％、平均粒径２μ
ｍのＷＢＮの粉２０体積％、アルミニウム粉で平均粒径
１０μｍのもの３体積％、マグネシウム粉で平均粒径１
８μｍのもの４体積％、コバルト粉の平均粒径２０μｍ
のもの２体積％、窒化チタン平均粒径２．３μｍのもの
１１体積％を均一に混合し、超硬合金製のボールミルで
４時間混合した。混合した粉体を外径１６ｍ＋ｓφ、高
さ９ｍｍ、内径０．５＋ｎｍのステンレス鋼製のカプセ
ルに底から２ｍｍの厚さに充填し、その上に炭化タング
ステン９１重量％、コバルト９重量％の混合粉を６ｍｍ
の厚さに充填してから直径１５ｍｍφ、厚さ０．５ｍｍ
のステンレス鋼の蓋をして、超高圧装置に装入し、５０
ｋｂ、　１２００℃の圧力、温度に１０分間保存して焼
結した。

得られた焼結体の硬度を測定したところ、マイクロビッ
カース硬度（Ｗ＝１ｋｇ）で３６００ｋｇ／ｍｍ”であ
った。顕微鏡組織検査を行ったところ、ＣＢＮ粒子とＣ
ＢＮ粒子の間の空隙にはアルミニウム、マグネシウムと
コバルトの合金及び窒化チタンならびにＷＢＮ粒子が入
り込み、強固な組織を形成していた。

尚、添加した窒化チタンは、チタンをＴ１１窒素をＮと
して、ＴｉＮ０．６Ｂの量比を有するものであった。

次に焼結体を直径１２．７＋ｎｍ、厚さ４．７６＋ｎｍ
の円板状にダイヤモンド砥石で研削加工して切削試験に
供した。被削材は直径８００　ｗφ、長さ２０００ｍΦ
のチルド鋼で、切込み１．８市、送り０．８　ｍｍ／ｒ
ｅｖ、周速２３ｍ／ｍｉｎで１時間半乾式切削したとこ
ろ、フランク摩耗は０．８ｍｍで、クレータ−摩耗は認
められなかった。

比較例１ 実施例１と同様の焼結体を同様の方法で作成した。ただ
し、ＣＢＮ　６０体積％とＷＢＮ　２０体積％を全部平
均径１μｍの％ｖＢＮに置き換えた。

得られた焼結体はマイクロビッカース硬度２．４００ｋ
ｇ／　ｗａ”であった。実施例１と同様の切削試験を行
ったところ、５分間切削後にフランク摩耗が０．８ｍｍ
に達し、以後の切削は不可能となった。

実施例２ 平均粒径６μｍのＣＯＮ　３６体積％、平均粒径１μｍ
のｌ！ＩＢＮ　２４体積％、アルミニウム８体積％、珪
素４体積％、マンガン０．５体積％、酸化アルミニウム
７．５体積％、ホウ化チタニウム２０体積％を実施例１
と同様の方法で混合し、焼結した。ただし、焼結の際の
圧力は２５ｋｂ１温度は１３００℃とした。

得られた焼結体のマイクロビッカース硬度は３３００ｋ
ｇ／ｍｌ１１’であり、ＣＢＮ粒子は、それ以外の構成
材料で取りかこまれていることが顕微鏡検査で認められ
た。

焼結体を十文字に切断し、頂角が９０°の扇形の一片を
２５市角で長さ１５０　ｍｍの５４５Ｃ鋼のＨＲＣ５３
に調質した柄の先端に銀ロウ付けして切削試験用のバイ
トとし、切削試験に供した。被削材としてＨＲＣ（ロッ
クウェル硬度Ｃスケール）６３の硬度に調質したＳにＨ
９種鋼の直径１００市、長さ４５ｍｍのものを切り込み
０．３ｍｍ、送り０．１　ｍｍ／ｒｅｖ、周速７８ｍ／
ｍｉｎで乾式切削したところ、１６分後のフランク摩耗
は０．２２ｍｍであった。

比較例２ 実施例２の実験を繰り返した。ただし、ＣＢＮ　３６体
積％とＷＢＮ　２４体積％を６０体積％のＣＢＮで置き
換えた。

得られた焼結体の硬度は、マイクロビッカース硬度で３
１００ｋｇ／ｍｍ’で、顕微鏡検査の結果Ｃ８８粒子が
その他の材料の構成する組織で囲まれていることがＳ忍
められた。

実施例２と同様の切削試験を実施したことろ、焼結体は
１分間の切削後に欠損し、以後の切削は行えなかった。

実施例３ 平均粒径６μｍのＣＢＮ　５０体積％、平均粒径０．５
μｍのＷＢＮ　３２体積％、炭化タングステン８体積％
、炭化ニオブ３体積％、炭化タンタル２体積％、ハフニ
ウム３体積％、コバルト２体積％、を均一に混合し、実
施例１と同様にして焼結した。ただし、焼結圧力を５５
ｋｂ、温度を１５８０℃とした。

得られた焼結体のマイクロビッカース硬度は、３９００
ｋｇ／ｍｍ”で実施例１と同様の切削試験を行ったとこ
ろ、１時間切削後のフランク摩耗は０．１９ｍｍのクレ
ータ摩耗は認められなっかだ。

比較例３ 実施例３の高密度相窒化ホウ素の全部を平均粒径６μｍ
のＣＯＮに置き換えて、後は同様にして焼結体を作成し
た。得られた焼結体のマイクロビッカース硬度は３７０
０ｋｇ／　ｍｍ’で、実施例１と同様の切削試験を行っ
たところ、３０分切削後に面粗さが極端に悪化し、以後
の切削はできなくなった。フランク摩耗は１ｍｍ以上に
達し、大きなりレータ−摩耗が認められた。

実施例４ 実施例３の実験を繰返した。ただし、高密度相窒化ホウ
素の部分を平均粒径１５μｍのＣＢＮ　５０体積％、平
均粒径２μｍのＷＢＮ　２０体積％、平均粒径０．３μ
ｍのＷＢＮ　１２体積％で置き換えて実施した。

得られた焼結体のマイクロビッカース硬度は、４１００
ｋｇ／　ｍｍ２で、実施例１と同様の切削試験を行った
ところ、１時間切削後のフランク摩耗は０，１６ｍｍで
、クレータ−摩耗は認められなかった。

比較例４ 実施例４の実験を繰り返した。ただし高密度窒化ホウ素
の全てを平均粒径１５μｍのＣＢＮで置き換えて行った
。

得られた焼結体のマイクロビッカース硬度は、３９００
ｋｇ／　ｍｍ２で、実施例１と同様の切削試験を行った
ところ、４０分て欠損した。

実施例５〜１４ 第１表に示す配合組成、製造条件でそれぞれ焼結体を製
造した。

得られた焼結体のマイクロビッカース硬度は第１表に示
すとおりである。また実施例１と同様の切削試験の結果
も第１表に示すとおりであった。

比較例５〜１４ 第２表に示す配合組成、製造条件でそれぞれ焼結体を製
造した。

得られた焼結体のマイクロビッカース硬度は第２表に示
すとおりである。また実施例１と同様の切削試験の結果
も第２表に示すとおりであった。

以上詳細に説明したように、本発明は、２種類の高密度
相窒化ホウ素、即ちＷＢＮとＣＢＮと特定の粒度関係を
有するものを特定の組成範囲で金属とセラミックと組合
せて配合し、焼結することにより、従来より容易に製造
でき、従来にない耐久性と、優れた仕上りで被削材を切
削できる焼結体が得られ、産業上極めて有用な発明であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はＣＢＮと金属及びセラミックとからなる焼結体
工具刃先部の組織を説明するための拡大図、第２図は本
発明で得た焼結体を用いた切削工具の刃先部の組織を説
明するための拡大図である。 １．１′・・・ＣＢＮ粒子 ２．２′・・・金属とセラミックからなるＣＢＮ粒子間
の空隙を埋める組織 ３．３’、３’・・・刃先の輪郭 ４・・・ＷＢＮ粒子 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、立方晶系窒化ホウ素６０〜９５体積％及びウルツ鉱
   型窒化ホウ素４０〜５体積％からなる高密度相窒化ホウ
   素６０〜９５体積％と、下記の金属から選ばれる１種又
   は２種以上の金属２５体積％以上と下記のセラミックか
   ら選ばれる１種又は２種以上のセラミック７５体積％以
   下からなるもの４０〜５体積％とを均一に混合し、圧力
   ２０〜７０Ｋｂ、温度１０００℃以上で焼結するに際し
   、立方晶系窒化ホウ素の平均粒径をウルツ鉱型窒化ホウ
   素の平均粒径の５倍以上のものを用いることを特徴とす
   る切削工具用高密度相窒化ホウ素含有焼結体の製造法。 金属：コバルト、マンガン、タンタル、ア ルミニウム、マグネシウム、ケイ素、ハフニウム セラミック：窒化アルミニウム、窒化マグ ネシウム、窒化ケイ素、窒化クロム、窒化モリブデン、
   窒化チタニウム、 酸化アルミニウム、酸化チタニウム、酸化 マグネシウム、酸化クロム、酸化ケイ素、酸化ジルコニ
   ウム、 炭化ホウ素、炭化クロム、炭化ケイ素、炭 化タングステン、炭化モリブデン、炭化チタニウム、炭
   化ニオブ、炭化タンタル、 ホウ化チタニウム、ホウ化ジルコニウム、 ホウ化ハウニウム、ホウ化タングステン、ホウ化タンタ
   ル、ホウ化クロム、ホウ化モリブデン。