JPWO2005066381A1

JPWO2005066381A1 - 立方晶型窒化硼素焼結体

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Publication number: JPWO2005066381A1
Application number: JP2005516908A
Authority: JP
Inventors: 倫子松川; 久木野　暁; 暁久木野; 朋弘深谷
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2005-01-07
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2025-01-07
Also published as: EP2224027A1; CA2549424C; US20080214383A1; US7524785B2; EP1712649A4; KR100748909B1; EP1712649B2; WO2005066381A1; JP4177845B2; CA2549424A1; KR20060101773A; EP2224027B1; EP1712649B1; CN1906318A; EP1712649A1; CN100425721C

Abstract

優れた耐欠損性と耐摩耗性を兼ね備えた立方晶型窒化硼素焼結体を提供する。第一の発明による立方晶型窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）粒子と前記ｃＢＮ粒子を結合するための結合材とを含む立方晶型窒化硼素焼結体である。この焼結体は、７０体積％以上９８体積％以下のｃＢＮ粒子と、残部結合材がＣｏ化合物、Ａｌ化合物、ＷＣおよびこれらの固溶体からなる。そして、焼結体中のｃＢＮ粒子がＭｇを０．０３重量％以下、かつＬｉを０．００１重量％以上０．０５重量％以下含有する。第二の発明による立方晶型窒化硼素焼結体は、第一の発明の結合材をＡｌ化合物に変えた構成としたものである。

Description

本発明は立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）を含有する焼結体（以下、ｃＢＮ焼結体）に関するものである。特に、耐欠損性、且つ耐摩耗性に優れる切削工具材料に最適な立方晶型窒化硼素焼結体に関するものである。

ｃＢＮ（ｃｕｂｉｃｂｏｒｏｎｎｉｔｒｉｄｅ）は、ダイヤモンドに次ぐ硬度・熱伝導率を有し、ダイヤモンドと比較し、鉄系金属との反応性が低いという特徴を有する。このｃＢＮ粒子を含有するｃＢＮ焼結体は、加工能率向上の利点から、鉄系難削材切削において超硬合金やサーメット等の従来工具に取って代わってきた。

従来より、例えば特許文献１に示されるように、Ｔｉセラミックス系の結合材を介してｃＢＮ粒子を焼結したｃＢＮ焼結体が知られている。この焼結体は、ｃＢＮ粒子の含有量が比較的少ない焼結体で、ｃＢＮ粒子を結合材で包囲するようにして焼結したものである。したがって、ｃＢＮ粒子同士の接触は少ない。これに対して、焼結体中のｃＢＮ粒子の含有量を多くして、ｃＢＮの高硬度、高熱伝導率という特徴を最大限に生かした焼結体が知られている。

特許文献２は、ｃＢＮ粒子の含有率を向上させ、ｃＢＮ粒子同士が接触・反応した骨格構造を持つｃＢＮ焼結体に関するものである。特許文献２は、Ａｌ系合金を触媒としてｃＢＮ粒子同士を反応、結合させたｃＢＮ焼結体を開示している。これによると、結合媒体としてＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＶおよびＣｒのＡｌ合金を用いることで、ｃＢＮ粒子を相互に反応させ、またＡｌ合金とｃＢＮ粒子とを反応させることにより焼結体を製造する方法が開示されている。また、特許文献３は、特許文献２と同様にｃＢＮの含有量の多い焼結体であって、Ａｌ系合金の組成を調整することにより焼結性を向上させ、比較的低圧でもｃＢＮ焼結体を得ることができる製造方法を開示している。

また特許文献４は、ｃＢＮ粒子とＡｌのみを焼結して得られる焼結体を開示している。ｃＢＮとＡｌは焼結時に反応して窒化アルミニウムと二硼化アルミニウムを生成するので、この焼結体はｃＢＮと上記のアルミニウム化合物からなる。焼結体中のｃＢＮは、ｃＢＮ粒子同士が互いに結合した骨格構造を持っている。

特開昭５３−７７８１１号公報特公昭５２−４３８４６号公報特公昭５７−５９２２８号公報特公昭６３−２０７９２号公報

ｃＢＮの含有率が高く骨格構造を有した焼結体を得るためには、ｃＢＮ粒子同士が接触するため、ｃＢＮ粒子同士を反応させて焼結する必要がある。しかし、従来の触媒を用いてもｃＢＮ粒子が高温・高圧にて安定なため反応しにくく、ｃＢＮ粒子間の反応部分に欠陥があるか、あるいは接触のみで未反応部分が残る場合が多い。そのため、ｃＢＮ焼結体を切削工具として使用した場合に、ｃＢＮ粒子間の反応欠陥部、あるいは未反応部を起点として欠損や、ｃＢＮ粒子の脱落による摩耗を生じやすい。

その結果、ｃＢＮの含有率の高いｃＢＮ粒子同士が骨格構造を有するｃＢＮ焼結体では、満足な工具寿命を得られていない。本発明は、上記の問題点を解決し、耐欠損性および耐摩耗性を兼ね備えたｃＢＮ含有率の高い高硬度焼結体を提供することを目的とする。

本発明者らは、ｃＢＮ粒子同士が骨格構造を有するｃＢＮ焼結体中の、ｃＢＮ粒子同士の結合のメカニズムの研究を行った。その結果、ｃＢＮ粒子中に残存する触媒成分の含有量が、ｃＢＮ粒子同士の結合力、反応部の欠陥に大きく影響するとの知見を得て本発明を完成するに至った。

本発明は、ｃＢＮ粒子同士が接触する焼結体において、ｃＢＮ含有量を高めてｃＢＮの特性を有効に生かし、ｃＢＮ粒子間の反応欠陥部や未反応部を減少させようとするものである。こうすることにより、工具として使用した場合、欠損や摩耗を抑制することが可能であると考え、種々検討した結果得られたものである。

本発明における第一の発明は、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）粒子と前記したｃＢＮ粒子を結合する結合材とを含む立方晶型窒化硼素焼結体であって、７０体積％以上９８体積％以下のｃＢＮ粒子と、残部結合材がＣｏ化合物、Ａｌ化合物、ＷＣおよびこれらの固溶体からなり、焼結体中のｃＢＮ粒子がＭｇを０．０３重量％以下、かつＬｉを０．００１重量％以上０．０５重量％以下含有している立方晶型窒化硼素焼結体を提供するものである。

ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ含有量が、７０体積％以上９８体積％以下の場合に、ｃＢＮ粒子同士の接触、結合面積が大きくなることを見出した。このｃＢＮの含有量規定は、ｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子間の反応欠陥部や未反応部を減少させる上で有効である。これは、ｃＢＮ含有量が７０体積％未満の場合には相対的にｃＢＮ粒子同士の接触面積が小さく、骨格構造を形成することが困難で効果が現れにくいからである。また、ｃＢＮ含有量が９８体積％を超える場合にはｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ粒子以外の残部結合材部分に空間が生じかえって焼結体の強度が低下するからである。

また、ｃＢＮ焼結体中の残部結合材は、Ｃｏ化合物、Ａｌ化合物、ＷＣおよびこれらの固溶体からなることが有効であることを見出した。触媒作用を有するＡｌとＣｏの両方を焼結体に含ませることが必要であり、こうすることによってｃＢＮ粒子間のネックグロスを促進することができる。これらの金属や合金、あるいは金属間化合物を出発原料として液相焼結し、ｃＢＮ粒子同士を結合させ、ｃＢＮ粒子の骨格構造を形成できるからである。ＷＣは、結合材の熱膨張係数をｃＢＮの熱膨張係数に近づけるために有効と推定され、焼結体の中で０．５〜５重量％含有するのが望ましい。このようにして得られた焼結体は、切削工具として使用が可能となる。

ｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子中に、Ｍｇが０．０３重量％以下かつＬｉが０．００１重量％以上０．０５重量％以下含有することが有効であることを見出した。これは、前記のＡｌ、Ｃｏ、ＷＣなどの添加効果に加えて、さらにｃＢＮ粒子中に残存している微量のＬｉがｃＢＮ粒子の接触部において触媒として作用するからである。すなわち、Ｌｉは、ｃＢＮ粒子間の反応欠陥部や未反応部を減少させ、ｃＢＮ粒子同士がより強固に結合（ネックグロス）されるからである。ＬｉはｃＢＮ粒子中で金属ＬｉまたはＬｉ_２Ｏ_３として存在し、いずれも融点が低く、焼結時に再び触媒作用として作用する。このため焼結時にＬｉが周辺にあるＢやＮと反応しＬｉ_３ＢＮ_２などの触媒となり、ｃＢＮ粒子同士のネックグロスを促進する。ｃＢＮ粒子中のＬｉが不足する場合は、触媒作用が不足しｃＢＮ粒子同士の結合部に欠陥が残る。逆に、Ｌｉが過剰な場合には、金属ＬｉまたはＬｉ_２Ｏ_３自体が欠陥となり、かつＬｉの耐熱性がｃＢＮに比べ劣るため、ｃＢＮ焼結体の強度が低下する。

一方、Ｍｇは酸化物を形成しやすいため、ｃＢＮ粒子中では主にＭｇＯとして存在し、ＭｇＯは融点が高いため焼結時に再び触媒としては作用しない。そのため、ｃＢＮ粒子中のＭｇが過剰な場合は、触媒作用のないＭｇＯが不純物としてｃＢＮ粒子中に存在するため、焼結体の強度が低下する。従来のｃＢＮ焼結体においては、Ｍｇ元素を多く含有する価格の安い、破砕され易いｃＢＮ粒子がよいとされていた。微細な粒子の焼結体は強度が高いとの常識に基づき、微細に粉砕しやすいｃＢＮ粒子を用いていた。本発明はＭｇの含有量を少なく限定した点で、従来の常識を覆すものといえる。

上記のようにｃＢＮ中のＭｇの含有量を０．０３重量％以下、且つＬｉの含有量を０．００１重量％以上０．０５重量％以下とすることで、Ｌｉの触媒作用を十分に発揮しｃＢＮ粒子同士の結合部の欠陥が減少し、ｃＢＮ焼結体の強度が大幅に向上する。同時にｃＢＮ粒子は高い熱伝導率を有するため、ｃＢＮ粒子同士が連続して結合される割合が増加することで、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が向上し、耐摩耗性が大幅に向上する。

また第二の発明は、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）粒子と前記ｃＢＮ粒子を結合するための結合材とを含む立方晶型窒化硼素焼結体において、７０体積％以上９８体積％以下のｃＢＮ粒子と、残部結合材がＡｌ化合物からなり、焼結体中のｃＢＮ粒子がＭｇを０．０３重量％以下、かつＬｉを０．００１重量％以上０．０５重量％以下含有している立方晶型窒化硼素焼結体を提供するものである。

ｃＢＮ焼結体中の残部結合材は、Ａｌ化合物とすることが有効であることを見出した。ＡｌまたはＡｌ合金とｃＢＮ粒子を出発原料として焼結すると、ＡｌまたはＡｌ合金は、液相となり、ｃＢＮ粒子と反応してＡｌ化合物となる。Ａｌはまた、ｃＢＮ粒子同士を結合させる触媒作用をも有し、ｃＢＮ粒子の骨格構造を形成する上で効果がある。このようにして得られる焼結体は、切削工具として使用できる。そして、ＬｉやＭｇの効果は、第一の発明と同様である。

焼結体中のｃＢＮ粒子が、Ｃａ、Ｓｒ、ＢａおよびＢｅの元素から選ばれた一種以上を合計で０．００１重量％以上０．３重量％以下含有することが望ましい。Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｅも、Ｌｉと同様にｃＢＮ粒子の接触部・結合部において触媒として作用するからである。前記元素の含有量が０．００１重量％未満の場合は触媒作用が不足し、０．３重量％を超えるとこれら元素が欠陥となり、且つ前記元素の耐熱性がｃＢＮに比べ劣るため、ｃＢＮ焼結体の強度および耐熱性が低下する。

焼結体中のｃＢＮ粒子は、Ｓｉ、ＧａおよびＬａの元素から選ばれた一種以上を合計で０．００１重量％以上０．５重量％以下含有することが望ましい。発明者達は、Ｓｉ、ＧａおよびＬａの一種以上を添加することでＬｉ等による触媒作用が増幅され、ｃＢＮ粒子同士の結合部の欠陥がより有効に減少し、ｃＢＮ粒子同士のネックグロスがより強固に形成されることを見出した。これら元素の含有量が０．００１重量％以上で広範にネックグロスが起こる。しかしこれらの元素の含有量が０．５重量％を超えると、これらが欠陥となり、かつ前記元素の耐熱性がｃＢＮに比べ劣るため、ｃＢＮ焼結体の強度及び耐熱性が低下する。

焼結体中のｃＢＮ粒子が、Ｍｇを０．０１重量％以下、且つＬｉを０．０１重量％以上０．０３重量％以下含有することが望ましい。ｃＢＮ粒子同士の結合がさらに進み、耐欠損性および耐クレーター摩耗性がさらに向上するからである。

前記焼結体は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｉの元素（添加結合材）から選ばれた一種以上を合計で焼結体中で０．００１重量％以上１．５重量％以下含有することが望ましい。このように上記元素を焼結体中に含有させることにより、耐摩耗性、耐欠損性ともに向上する。

本発明焼結体には、不可避不純物が含まれてもよい。ｃＢＮ焼結体を製造する過程で、例えば超硬合金製のボールや超硬合金製の容器などを使用する。したがって、超硬合金に含まれる元素や化合物は、ｃＢＮ焼結体の中に不可避不純物として混入する場合がある。

本発明の焼結体は、ｃＢＮ粒子が直接接合していて、しかもｃＢＮ粒子同士の接合部に欠陥がないので、熱伝導率が高い。したがって、この焼結体を切削工具などとして利用するとき、熱が周辺に拡散して工具刃先の温度が上昇せず、耐摩耗性、耐欠損性に優れた工具が得られる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

平均粒径２μｍのｃＢＮ粉末と結合材粉末とを準備した。この結合材粉末は、５０重量％Ｃｏ、４０重量％Ａｌおよび１０重量％ＷＣを混ぜ合わせて作製される。結合材粉末と平均粒径２μｍのｃＢＮ粉末を、超硬合金製ポットおよびボールを用いて混合した。この粉末を超硬合金製容器に充填し、圧力６．０ＧＰａ、温度１４００℃で３０分間焼結した。

ｃＢＮ粉末の種類、およびｃＢＮ粉末と結合材粉末の比率を変化させて作製したｃＢＮ焼結体を、表１に示す。ｃＢＮの含有量と、触媒元素の量を以下の方法で測定した。まずｃＢＮ焼結体中の含有元素量を測定するために、焼結体を溶融塩法で溶解したのち、高周波誘導プラズマ発光分析法（ＩＣＰ法）により各元素を定量測定した。その結果より、ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ粒子の含有量を体積％で算出した。但し、含有量の算出は、ｃＢＮ、ＷＣ以外の成分であるＣｏ、Ａｌ等は金属のまま存在すると仮定して計算した。

また、ｃＢＮ焼結体を密閉容器内で、濃度６０％以上６５％未満の硝酸を２倍希釈したもの４０ｍｌと、濃度４５〜５０％のフッ化水素酸１０ｍｌを混合したフッ硝酸にて、１２０℃以上１５０℃未満で４８時間処理を行った。結合相はすべてフッ硝酸に溶解し、ｃＢＮ骨格構造は溶解せずに残った。このｃＢＮ骨格構造が含有するＭｇ、Ｌｉ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｅ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｌａの元素を高周波誘導プラズマ発光分析法（ＩＣＰ法）により定量測定した。

次に、超硬合金で裏打ちされているｃＢＮ焼結体の切削性能を評価した。ｃＢＮ焼結体を加工し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４０８の形状の切削チップを得た。次に、これらの切削チップを用い、以下の条件にて切削試験を行い、逃げ面摩耗量を評価した。
被削材；ダクタイル鋳鉄ＦＣＤ４５０丸棒外径旋削加工
切削条件；切削速度Ｖ＝４００ｍ／ｍｉｎ．、切り込みｄ＝０．２ｍｍ、
送りｆ＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、湿式
切削時間；１０分
得られた結果を表２に示す。

サンプル１〜６の比較により、ｃＢＮ含有量が７０体積％未満のサンプル１は逃げ面摩耗が大きく本発明範囲に基づいて作製されたサンプル２〜５と比較して耐摩耗性に劣ることが分かる。これは、ｃＢＮ含有量が少なく、ｃＢＮ粒子同士が骨格構造をとることができずに、切削時にｃＢＮ粒子の脱落が発生するからである。また、ｃＢＮ含有量が９８体積％を越えるサンプル６は、欠損している。これは、結合材成分が少なく焼結体中に欠陥が多い、また結合材成分によるｃＢＮ粒子同士のネックグロスが充分に促進されなかったためである。

サンプル４、７、１１および１４の比較をする。本発明に基づいて作製されたサンプル４と比較して、Ｌｉが検出できなかったサンプル７は耐摩耗性に劣ることが分かる。これは、添加結合材であるＣｏ、Ａｌなどのみの触媒効果によるｃＢＮ粒子同士の反応では、未反応部や反応欠陥部が残り、切削時にそこを基点として粒子の脱落が発生し摩耗量が大きくなったと考えられる。また、本発明範囲よりＬｉあるいはＭｇが多いサンプル１１、１４も耐摩耗性に劣ることが分かる。これは、ｃＢＮ粒子中の過剰なＬｉ、Ｍｇが欠落の原因となり、切削時に粒子脱落を発生させ、耐摩耗性低下となったと考えられる。

Ｍｇが０．０１重量％より少ないサンプル４、７、８、９および１０の比較により、ｃＢＮ粒子中のＬｉ含有量が０．０１重量％以上０．０３重量％以下含有するときに、耐摩耗性がより優れることが分かる。Ｌｉが０．０１重量％以上０．０３重量％以下のサンプル４、１３および１４の比較により、ｃＢＮ粒子中のＭｇ含有量が０．０１重量％以下の場合に、耐摩耗性がより優れることが分かる。

サンプル４および１５〜２２の比較により、ｃＢＮ粒子中にＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｅを含有していないサンプル４と比較して、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｅの少なくとも一種の元素を合計で０．００１重量％以上０．３重量％以下含有しているサンプル１５、１６、１８〜２１が耐摩耗性により優れることが分かる。また、サンプル１７、２２より、過剰なＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｅには、より耐摩耗性を向上させる効果は確認されなかった。

サンプル４および２３〜２８の比較により、ｃＢＮ粒子中に、Ｓｉ、ＧａおよびＬａを含有していないサンプル４と比較して、Ｓｉ、ＧａおよびＬａの少なくとも一種の元素を合計で０．００１重量％以上０．５重量％以下含有しているサンプル２３、２４および２６〜２８が耐摩耗性により優れることが分かる。また、サンプル２５より過剰なＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｅには、より耐摩耗性を向上させる効果は確認されなかった。

実施例１で製作した焼結体材料を用い、熱亀裂と熱伝導率を評価した。熱伝導率は、レーザーフラッシュ法ないしはＡＣカロリメトリック法を用いて求めた。また、ｃＢＮ焼結体を加工し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ０９０３１２の形状の切削用チップを得た。これらの切削チップを用い、以下の条件にて切削評価を行い、熱亀裂の本数を評価した。
被削材；ねずみ鋳鉄ＦＣ２５０フライス加工
切削条件；切削速度Ｖ＝２５００ｍ／ｍｉｎ．、切り込みＲｄ＝３０ｍｍ、Ａｄ＝０．３ｍｍ、
送りｆ＝０．２ｍｍ／刃、乾式、切削時間３０分
得られた結果を表２に示す。

サンプル１〜６の比較により、ｃＢＮ含有量が７０体積％未満のサンプル１は熱亀裂によると考えられる欠損が生じ、熱亀裂本数の評価はできなかったが、本発明範囲に基づいて作製されたサンプル２〜５は、２〜５本の亀裂が生じているが欠損はないことが分かった。これは、本発明範囲外のサンプル１はｃＢＮ含有量が少なく、熱特性に優れたｃＢＮ粒子同士が骨格構造をとることができずに熱伝導率が低く耐熱性に劣るためである。また、ｃＢＮ含有量が９８体積％を越えるサンプル６も欠損した。これは、結合材成分が少なく焼結体中に欠陥が多い。また結合材成分によるｃＢＮ粒子同士のネックグロスが充分に促進されなく靭性が不足したためと考えられる。

サンプル４、７、１１および１４の比較をする。本発明範囲に基づいて作製されたサンプル４と比較して、Ｌｉが検出できなかったサンプル７は熱亀裂の本数が多いことが分かる。これは、添加結合材のみの触媒効果によるｃＢＮ粒子同士の反応では未反応部や反応欠陥部が残り、そのためｃＢＮ焼結体の熱伝導率が低く耐熱性に劣るためと考えられる。また、本発明範囲よりＬｉあるいはＭｇが多いサンプル１１、１４も熱亀裂の本数が多いことが分かる。これは、ｃＢＮ粒子中の過剰なＬｉ、ＭｇがｃＢＮ骨格構造中に存在するため、その過剰分が熱伝導率が高いｃＢＮ骨格構造の中で不純物となり、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が低く耐熱性に劣るためと考えられる。

Ｍｇが０．０１重量％より少ないサンプル４、７、８、９および１０の比較により、ｃＢＮ粒子中のＬｉ含有量が０．０１重量％以上０．０３重量％以下含有するときに、熱亀裂本数が少なく、耐熱性がより優れることが分かる。Ｌｉが０．０１重量％以上０．０３重量％以下のサンプル４、１３および１４の比較により、ｃＢＮ粒子中のＭｇ含有量が０．０１重量％以下の場合に、熱亀裂本数が少なく、耐熱性がより優れることが分かる。

サンプル４および１５〜２２の比較により、ｃＢＮ粒子中にＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｅを含有していないサンプル４と比較して、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｅの少なくとも一種の元素を合計で０．００１重量％以上０．３重量％以下含有しているサンプル１５、１６、１８〜２１が熱亀裂が少なく、耐熱性により優れることが分かる。また、サンプル１７、２２より、過剰なＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｅには、より耐熱性を向上させる効果は確認されなかった。

サンプル４および２３〜２８を比較する。ｃＢＮ粒子中に、Ｓｉ、ＧａおよびＬａを含有していないサンプル４と比較して、Ｓｉ、ＧａおよびＬａの少なくとも一種の元素を合計で０．００１重量％以上０．５重量％以下含有しているサンプル２３、２４および２６〜２８が熱亀裂が少なく、耐熱性により優れることが分かる。また、サンプル２５より過剰なＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｅには、より耐熱性を向上させる効果は確認されなかった。

実施例１で製作した焼結体材料を用いて耐欠損性を評価した。まず、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４０８の形状の切削用チップを作製した。これらの切削チップを用い、以下の条件にて切削評価を行い、欠損までの時間を測定した。
被削材；ねずみ鋳鉄ＦＣ３００６本のＶ溝付丸棒外径旋削加工
切削条件；切削速度Ｖ＝７００ｍ／ｍｉｎ．、切り込みｄ＝０．５ｍｍ、
送りｆ＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、乾式
得られた結果を表２に示す。

サンプル１〜６の比較により、ｃＢＮ含有量が７０体積％未満のサンプル１は切削初期に欠損が生じ、本発明範囲に基づいて作製されたサンプル２〜５の欠損寿命の１／６〜１／８となることが分かった。これは、本発明範囲外のサンプル１はｃＢＮ含有量が少なく、ｃＢＮ粒子同士が骨格構造をとることができずに焼結体の靭性に劣るためである。また、ｃＢＮ含有量が９８体積％を越えるサンプル６も切削初期に欠損した。これは、結合材成分が少なく焼結体中に欠陥が多い。また結合材成分によるｃＢＮ粒子同士のネックグロスが充分に促進されなく靭性が不足したためと考えられる。

サンプル４、７、１１および１４の比較をする。本発明範囲に基づいて作製されたサンプル４と比較して、Ｌｉが検出できなかったサンプル７は欠損までの時間が１／３と工具寿命が短いことが分かる。これは、添加結合材のみの触媒効果によるｃＢＮ粒子同士の反応では未反応部や反応欠陥部が残り、材料の靭性が不足したためと考えられる。また、本発明範囲よりＬｉあるいはＭｇが多いサンプル１１、１４も本発明範囲に基づいて製作されたサンプル４と比較して欠損までの時間が短いことが分かる。これは、ｃＢＮ粒子中の過剰なＬｉ、ＭｇがｃＢＮ骨格構造中の欠陥の原因となり、その欠陥を起点に切削時に欠損が生じるためと考えられる。

Ｍｇが０．０１重量％より少ないサンプル４、７、８、９および１０の比較により、ｃＢＮ粒子中のＬｉ含有量が０．０１重量％以上０．０３重量％以下含有するときに、欠損までの寿命が長く、耐欠損性がより優れることが分かる。また、Ｌｉが０．０１重量％以上０．０３重量％以下のサンプル４、１３および１４の比較により、ｃＢＮ粒子中のＭｇ含有量が０．０１重量％以下の場合に、欠損までの寿命が長く、耐欠損性がより優れることが分かる。

サンプル４および１５〜２２の比較により、ｃＢＮ粒子中にＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｅを含有していないサンプル４と比較して、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｅの少なくとも一種の元素を合計で０．００１重量％以上０．３重量％以下含有しているサンプル１５、１６、１８〜２１が欠損までの寿命が長く、耐欠損性により優れることが分かる。また、サンプル１７、２２より、過剰なＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｅには、より耐欠損性を向上させる効果は確認されなかった。

サンプル４および２３〜２８の比較により、ｃＢＮ粒子中に、Ｓｉ、ＧａおよびＬａを含有していないサンプル４と比較して、Ｓｉ、ＧａおよびＬａの少なくとも一種の元素を合計で０．００１重量％以上０．５重量％以下含有しているサンプル２３、２４および２６〜２８が欠損までの時間が長く、耐欠損性により優れることが分かる。また、サンプル２５より過剰なＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｅには、より耐欠損性を向上させる効果は確認されなかった。

実施例１で製作した焼結体材料を用いて抗折力を評価した。まず、試料番号４、７、１１および１４の抗折力を測定した。試料は、長さ６ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ０．４〜０．４５ｍｍの測定試験片に切り出した。測定は、４ｍｍスパンであった。その結果、前記した試料の順番に２２４ｋｇｆ／ｍｍ^２、１７０ｋｇｆ／ｍｍ^２、１８２ｋｇｆ／ｍｍ^２、および１７５ｋｇｆ／ｍｍ^２であった。

サンプル４、７、１１および１４の比較をする。本発明範囲に基づいて作製されたサンプル４と比較して、Ｌｉが検出できなかったサンプル７は抗折力が低かった。これは、添加結合材のみの触媒効果によるｃＢＮ粒子同士の反応では未反応部や反応欠陥部が残り、そこを起点として焼結体の破断が発生するためと考えられる。また、本発明範囲よりＬｉあるいはＭｇが多いサンプル１１、１４も抗折力が劣っていた。これは、ｃＢＮ粒子中の過剰なＬｉ、Ｍｇが欠陥の原因となり、そこを起点として焼結体の破断が発生するためと考えられる。

ここでは、耐摩耗性を評価した。平均粒径１０μｍのｃＢＮ粉末をＭｏ容器に充填し、Ａｌを溶浸させながら圧力６．０ＧＰａ、温度１４００℃で３０分間焼結した。得られたｃＢＮ焼結体を、実施例１と同様の手法にてｃＢＮ粒子の含有量を体積％で算出した。また、実施例１と同様の手法にてｃＢＮ焼結体の結合相を溶解させ、残ったｃＢＮ骨格構造が含有する元素を定量測定した。この焼結体から求めた元素の測定結果は、焼結前の原料のｃＢＮ粒子が含有する元素の含有量と実質的に同じであった。このようにして得られた焼結体のｃＢＮ含有量、ｃＢＮ粉末中の触媒元素量を表３に示す。

得られたｃＢＮ焼結体を加工し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４０８の形状の切削チップを得た。次に、これらの切削チップを用い、以下の条件にて切削評価を行い、逃げ面摩耗量を評価した。
被削材；ダクタイル鋳鉄ＦＣＤ４５０丸棒外径旋削加工
切削条件；切削速度Ｖ＝３００ｍ／ｍｉｎ．、切り込みｄ＝０．３ｍｍ、
送りｆ＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、湿式、
切削時間１５分
得られた結果を表３に示す。

サンプル２９〜３７より、本発明範囲に基づいて作製されたサンプル２９と比較して、Ｌｉが検出できなかったサンプル３０は耐摩耗性に劣ることが分かる。これは、添加結合材のみの触媒効果によるｃＢＮ粒子同士の反応では未反応部や反応欠陥部が残り、切削時間にそこを起点として粒子の脱落が発生、摩耗量が大きくなったと考えられる。また、本発明範囲よりＬｉあるいはＭｇが多いサンプル３１、３２も耐摩耗性に劣ることが分かる。これは、ｃＢＮ粒子中の過剰なＬｉ、Ｍｇが欠陥の原因となり、切削時に粒子脱落を発生させ、耐摩耗性低下となったと考えられる。

実施例１と同様に平均粒径２μｍのｃＢＮ粉末と結合材粉末と１μｍ以下の添加結合材粉末とを準備した。結合材粉末は、実施例１の５０重量％Ｃｏ、４０重量％Ａｌ及び１０重量％ＷＣからなる粉末である。添加結合材粉末は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｉの元素から選ばれた一種以上の粉末を合計で、焼結体中で表４に示す量を準備する。次に前記のｃＢＮ粉末と結合材粉末および添加結合材粉末を混合する。この混合粉末を、実施例１と同様に超硬合金製ポット及びボールを用いて混合した。この混合粉末を実施例と同じ圧力６．０ＧＰａ、温度１４００℃で３０分間焼結した。

ｃＢＮ粉末の種類、およびｃＢＮ粉末と結合材粉末の比率を変化させて作製したｃＢＮ焼結体を、表４に示す。ｃＢＮの含有量と、触媒元素の量を以下の方法で測定した。まずｃＢＮ焼結体中の含有元素量を測定するために、焼結体を溶融塩法で溶解したのち、高周波誘導プラズマ発光分析法（ＩＣＰ法）により各元素を定量測定した。その結果より、ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ粒子の含有量を体積％で算出した。但し、含有量の算出は、ｃＢＮ、ＷＣ以外の成分であるＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｉ等は金属のまま存在すると仮定して計算した。

次に、超硬合金で裏打ちされているｃＢＮ焼結体の切削性能を評価した。ｃＢＮ焼結体を加工し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４０８の形状の切削チップを得た。次に、これらの切削チップを用い、以下の条件にて切削試験を行い、逃げ面摩耗量を評価した。
被削材；ダクタイル鋳鉄ＦＣＤ４５０丸棒外径旋削加工
切削条件；切削速度Ｖ＝４００ｍ／ｍｉｎ．、切り込みｄ＝０．２ｍｍ、
送りｆ＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、湿式
切削時間；１０分
得られた結果を表５に示す。

サンプル３８〜５２の比較により、添加結合材を焼結体中の重量％で、０．００１〜１．５重量％添加すると、耐摩耗性、耐欠損性ともに向上する。この原因は、ＣＢＮ粒子同士のネックグロースを形成する働きのあるＣｏないしはＡｌ系の金属結合材に、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｉを微量添加することにより、ネックグロース形成を促進する作用があるものと思われる。しかしながらサンプル４５，５４，５９に示したように添加結合材が重量％で焼結体中の１．５重量％を超過すると急激に切削性能が低下することから、ネックグロースの形成を逆に阻害するものと推定される。

本発明のｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ粒子が直接接合しているので、高い熱伝導率を持っている。したがって、本発明の立方晶窒化硼素焼結体は切削工具への応用だけでなく、高熱伝導性を必要特性とするヒートシンクなどの分野への応用が考えられる。

サンプル4および15〜22の比較により、cBN粒子中にCa、Sr、Ba、Beを含有していないサンプル4と比較して、Ca、Sr、Ba、Beの少なくとも一種の元素を合計で0.001重量％以上0.3重量％以下含有しているサンプル15、16、18〜21が耐摩耗性により優れることが分かる。また、サンプル17、22より、過剰なCa、Srには、より耐摩耗性を向上させる効果は確認されなかった。

サンプル4および23〜28の比較により、cBN粒子中に、Si、GaおよびLaを含有していないサンプル4と比較して、Si、GaおよびLaの少なくとも一種の元素を合計で0.001重量％以上0.5重量％以下含有しているサンプル23、24および26〜28が耐摩耗性により優れることが分かる。また、過剰なSiを含有するサンプル25では、より耐摩耗性を向上させる効果は確認されなかった。

サンプル4および15〜22の比較により、cBN粒子中にCa、Sr、Ba、Beを含有していないサンプル4と比較して、Ca、Sr、Ba、Beの少なくとも一種の元素を合計で0.001重量％以上0.3重量％以下含有しているサンプル15、16、18〜21が熱亀裂が少なく、耐熱性により優れることが分かる。また、サンプル17、22より、過剰なCa、Srには、より耐熱性を向上させる効果は確認されなかった。

サンプル4および23〜28を比較する。cBN粒子中に、Si、GaおよびLaを含有していないサンプル4と比較して、Si、GaおよびLaの少なくとも一種の元素を合計で0.001重量％以上0.5重量％以下含有しているサンプル23、24および26〜28が熱亀裂が少なく、耐熱性により優れることが分かる。また、過剰なSiを含有するサンプル25では、より耐熱性を向上させる効果は確認されなかった。

サンプル4および15〜22の比較により、cBN粒子中にCa、Sr、Ba、Beを含有していないサンプル4と比較して、Ca、Sr、Ba、Beの少なくとも一種の元素を合計で0.001重量％以上0.3重量％以下含有しているサンプル15、16、18〜21が欠損までの寿命が長く、耐欠損性により優れることが分かる。また、サンプル17、22より、過剰なCa、Srには、より耐欠損性を向上させる効果は確認されなかった。

サンプル4および23〜28の比較により、cBN粒子中に、Si、GaおよびLaを含有していないサンプル4と比較して、Si、GaおよびLaの少なくとも一種の元素を合計で0.001重量％以上0.5重量％以下含有しているサンプル23、24および26〜28が欠損までの時間が長く、耐欠損性により優れることが分かる。また、過剰なSiを含有するサンプル25では、より耐欠損性を向上させる効果は確認されなかった。

サンプル29〜37より、本発明範囲に基づいて作製されたサンプル29、33、34および35と比較して、Liが検出できなかったサンプル30は耐摩耗性に劣ることが分かる。これは、添加結合材のみの触媒効果によるcBN粒子同士の反応では未反応部や反応欠陥部が残り、切削時にそこを起点として粒子の脱落が発生し、摩耗量が大きくなったためと考えられる。また、本発明範囲よりLiあるいはMgが多いサンプル31、32、36および37も耐摩耗性に劣ることが分かる。これは、cBN粒子中の過剰なLi、Mgが欠陥の原因となり、切削時に粒子脱落を発生させ、耐摩耗性が低下したためと考えられる。

cBNの含有量と、触媒元素の量を以下の方法で測定した。まずcBN焼結体中の含有元素量を測定するために、焼結体を溶融塩法で溶解したのち、高周波誘導プラズマ発光分析法（ICP法）により各元素を定量測定した。その結果より、cBN焼結体中のcBN粒子の含有量を体積％で算出した。但し、含有量の算出は、cBN、WC以外の成分であるTi、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、Hf、Fe、Ni、Cu、Si等は金属のまま存在すると仮定して計算した。

サンプル38〜59の比較により、添加結合材を焼結体中の重量%で、0.001〜1.5重量%添加すると、耐摩耗性、耐欠損性ともに向上する。この原因は、CBN粒子同士のネックグロースを形成する働きのあるCoないしはAl系の金属結合材に、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、Hf、Fe、Ni、Cu、Siを微量添加することにより、ネックグロース形成を促進する作用があるものと思われる。しかしながらサンプル45,54,59に示したように添加結合材が重量%で焼結体中の1.5重量%を超過すると急激に切削性能が低下することから、ネックグロースの形成を逆に阻害するものと推定される。

Claims

立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）粒子と前記ｃＢＮ粒子を結合するための結合材とを含む立方晶型窒化硼素焼結体において、
７０体積％以上９８体積％以下のｃＢＮ粒子と、
残部結合材がＣｏ化合物、Ａｌ化合物、ＷＣおよびこれらの固溶体からなり、
焼結体中のｃＢＮ粒子がＭｇを０．０３重量％以下、かつＬｉを０．００１重量％以上０．０５重量％以下含有することを特徴とする立方晶型窒化硼素焼結体。
立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）粒子と前記ｃＢＮ粒子を結合するための結合材とを含む立方晶型窒化硼素焼結体において、
７０体積％以上９８体積％以下のｃＢＮ粒子と、
残部結合材がＡｌ化合物からなり、
焼結体中のｃＢＮ粒子がＭｇを０．０３重量％以下、かつＬｉを０．００１重量％以上０．０５重量％以下含有することを特徴とする立方晶型窒化硼素焼結体。
前記焼結体中のｃＢＮ粒子が、Ｃａ、Ｓｒ、ＢａおよびＢｅの元素から選ばれた一種以上を合計で０．００１重量％以上０．３重量％以下含有することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の立方晶型窒化硼素焼結体。
前記焼結体中のｃＢＮ粒子が、Ｓｉ、ＧａおよびＬａの元素から選ばれた一種以上を合計で０．００１重量％以上０．５重量％以下含有することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の立方晶型窒化硼素焼結体。
前記焼結体中のｃＢＮ粒子が、Ｍｇを０．０１重量％以下含有し、かつＬｉを０．０１重量％以上０．０３重量％以下含有することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の立方晶型窒化硼素焼結体。
前記焼結体が、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｉの元素から選ばれた一種以上を合計で焼結体中で０．００１重量％以上１．５重量％以下含有することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の立方晶型窒化硼素焼結体。