WO2005066381A1

WO2005066381A1 - 立方晶型窒化硼素焼結体

Info

Publication number: WO2005066381A1
Application number: PCT/JP2005/000146
Authority: WO
Inventors: Michiko Matsukawa; Satoru Kukino; Tomohiro Fukaya
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp.
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2005-01-07
Publication date: 2005-07-21
Also published as: CN1906318A; EP1712649A4; CA2549424C; EP2224027A1; US7524785B2; KR20060101773A; CA2549424A1; EP2224027B1; CN100425721C; EP1712649B1; JP4177845B2; KR100748909B1; EP1712649A1; JPWO2005066381A1; US20080214383A1; EP1712649B2

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

明細書

立方晶型窒化硼素焼結体

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] cBN (cubicboron nitride)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つてきた。

[0003] 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!、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力した焼結体が知られている。

[0004] 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、 A1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 A1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、 A1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。

[0005] また特許文献 4は、 cBN粒子と A1のみを焼結して得られる焼結体を開示している。

cBNと A1は焼結時に反応して窒化アルミニウムとニ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、る。

[0006] 特許文献 1 :特開昭 53-77811号公報

特許文献 2：特公昭 52-43846号公報

特許文献 3：特公昭 57-59228号公報

特許文献 4：特公昭 63-20792号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 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ぐ 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ヽ。

[0008] 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、高硬度焼結体を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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、 A1ィ匕合物、 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。

[0012] cBN焼結体中の cBN含有量力 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。

[0013] また、 cBN焼結体中の残部結合材は、 Co化合物、 A1ィ匕合物、 WCおよびこれらの固溶体力も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 A1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粒子間のネックダ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。

[0014] 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 (ネックダロス）されるからである。 Liは cBN粒子中で金属 Uまたは Li 0として存在し、いずれも融点が低ぐ

2 3

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 BN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

3 2

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 Uまたは Li 0自体が欠陥となり、かつ Liの耐熱性が cBN

2 3

に比べ劣るため、 cBN焼結体の強度が低下する。

[0015] 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。

[0016] 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。

[0017] 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!ヽて、 70体積 %以上 98体積 %以下の cBN粒子と、残部結合材が A1ィ匕合物力なり、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。

[0018] cBN焼結体中の残部結合材は、 A1化合物とすることが有効であることを見出した。

Aほたは A1合金と cBN粒子を出発原料として焼結すると、 Aほたは A1合金は、液相となり、 cBN粒子と反応して A1ィ匕合物となる。 A1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。

[0019] 焼結体中の cBN粒子力 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。

[0020] 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粒子同士のネックダ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ダロスが起こる。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。

[0021] 焼結体中の cBN粒子力 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力もである。

[0022] 前記焼結体は、 Ti、 V、 Cr、 Zr、 Nb、 Mo、 Ta、 Hf、 Fe、 Ni、 Cu、 Siの元素 (添カ卩結合材 )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。

[0023] 本発明焼結体には、不可避不純物が含まれてもよ!、。 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。

発明の効果

[0024] 本発明の焼結体は、 cBN粒子が直接接合していて、しカゝも 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。

発明を実施するための最良の形態 [0025] 以下、本発明の実施の形態を説明する。

実施例 1

[0026] 平均粒径 2 μ m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。/ oAl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°Cで 30分間焼結した。

[0027] 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、 A1等は金属のまま存在すると仮定して計算した。

[0028] [表 1]

cBN含有量触媒元素含有量試料番号 Li Mg その他

(重量％) (重量％) (重量％)

65 * 0.021 0.007

2 75 0.022 0.006

3 85 0.021 0.007

4 90 0.020 0.007

5 95 0.019 0.008

6氺 99 * 0.020 0.007

7氺 90 氺 0.007

8 90 0.006 0.007

9 90 0.013 0.008

10 90 0.041 0.007

11氺 90 0.062 * 0.006

12 90 0.020 0.002

13 90 0.020 0.015

14 Φ 90 0.022 0.040氺

15 90 0.021 0.007 Ca； 0.05

16 90 0.020 0.007 Ca； 0.1

17 90 0.021 0.008 Ca； 0.4

18 90 0.021 0.007 Sr； 0.05

19 90 0.020 0.007 Ba； 0.03

20 90 0.020 0.007 Ca； 0.1、 Sr； 0.08

21 90 0.019 0.007 Ca； 0.1、 Be； 0.05

22 90 0.021 0.007 Ca； 0.2、 Sr； 0.2

23 90 0.021 0.007 Ca； 0.06、 Si； 0.12

24 90 0.020 0.07 Ca； 0.07、 Si； 0.40

25 90 0.020 0.08 Ca； 0.07、 Si； 0.61

26 90 0.020 0.08 Ca； 0.09、 Sr； 0.07、 Si ; 0.10

27 90 0.020 0.07 Ca； 0.06、 Ga； 0.10

28 90 0.021 0.06 Ca； 0.07、 La； 0.09

* ：比較例を示す。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°C以上 150°C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。

[0030] 次に、超硬合金で裏打ちされて!/、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;ダクタイル铸鉄 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。

[0031] [表 2]

*：比較例を示す。

サンプル 1一 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含有量が少なぐ 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粒子同士のネックダロスが充分に促進されなかったためである。

[0033] サンプル 4、 7、 11および 14の比較をする。本発明に基づ!/、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、 A1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つたと考えられる。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。

[0034] 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力ゝる。

[0035] 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力つた。

[0036] 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、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 2

[0037] 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；ねずみ铸鉄 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。

[0038] サンプル 1一 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力つた力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含有量が少なぐ熱特性に優れた 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、。また結合材成分による cBN粒子同士のネックダ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。

[0039] 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が検出できな力つたサンプル 7は熱亀裂の本数が多、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。

[0040] 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、熱亀裂本数が少なぐ耐熱性がより優れることが分かる。

[0041] 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が熱亀裂が少なぐ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力た。

[0042] 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!/ヽないサンプル 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、るサンプル 23、 24および 26— 28が熱亀裂が少なぐ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 3

[0043] 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!、、欠損までの時間を測定した。

被削材；ねずみ铸鉄 FC300 6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。

[0044] サンプル 1一 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となることが分力つた。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粒子同士のネッタ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。

[0045] 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が検出できな力つたサンプル 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。

[0046] 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ぐ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ぐ耐欠損性がより優れることが分力る。

[0047] 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ぐ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力つた。

[0048] 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ぐ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 4

[0049] 実施例 1で製作した焼結体材料を用いて抗折カを評価した。まず、試料番号 4、 7、 11および 14の抗折カを測定した。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/mm²、 170kgf/mm²、 182kgf/mm²、および 175kgf/mm²であった。

[0050] 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が検出できな力つたサンプル 7は抗折力が低力つた。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。

実施例 5

[0051] ここでは、耐摩耗性を評価した。平均粒径 10 μ mの cBN粉末を Mo容器に充填し、 A1 を溶浸させながら圧力 6.0GPa、温度 1400°C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。

[0052] [表 3]

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;ダクタイル铸鉄 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。

[0054] サンプル 29— 37より、本発明範囲に基づ!/、て作製されたサンプル 29と比較して、 Li が検出できな力つたサンプル 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、摩耗量が大きくなつたと考えられる。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 6

[0055] 実施例 1と同様に平均粒径 2 μ mの cBN粉末と結合材粉末と 1 μ m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 %A1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の元素力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°Cで 30分間焼結した。

[0056] 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。

[0057] [表 4] 試料 ¾· cBN含有率触媒元素含有量添加結合材

(体積⁰ /₀) Li (重量％) Mg (重量％) (焼結体中の重量％)

38 90 0.020 0.015 なし

39 90 0.020 0.015 VO.0005

40 90 0.020 0.015 V:0崖

41 90 0.020 0.015 VO.01

42 90 0.020 0.015 VO.1

43 90 0.020 0.015 V:1.0

44 90 0.020 0.015 V:1.5

45 90 0.020 0.015 V:2.0

46 90 0.020 0.015 Ti:1.0

47 90 0.020 0.015 Zr- l.O

48 90 0.020 0.015 Nb:1.0

49 90 0.020 0.015 Mo:1.0

50 90 0.020 0.015 Ta:1.0

51 90 0.020 0.015 腹 .0

52 90 0.020 0.015 Cr:1.0

53 90 0.020 0.015 Cu:1.0

54 90 0.020 0.015 Cu:2.0

55 90 0.020 0.015 Fe:1.0

56 90 0.020 0.015 Ni:1.0

57 90 0.020 0.015 Si:1.0

58 90 0.020 0.015 V:0.4,Ti:0.3，Zr:0.3

59 90 0.020 0.015 V:0.8,Ti:0.6，Zr:0.6

[0058] 次に、超硬合金で裏打ちされて!/、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;ダクタイル铸鉄 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。

[0059] [表 5] 逃げ面摩耗量欠損までの時間

試料番号

(mm (分）

38 0.147 10

39 0.150 9

40 0.120 15

41 0.115 18

42 0.110 20

43 0.105 25

44 0.110 21

45 0.165 5

46 0.105 24

47 0.106 27

48 0.105 24

49 0.105 23

50 0.105 22

51 0.106 22

52 0.115 15

53 0.105 30

54 0.170 4

55 0.115 15

56 0.120 12

57 0.118 14

58 0.105 25

59 0.170 4 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 A1系の金属結合材に、 Ti、 V、 Cr、 Zr、 Nb、 Mo、 Ta、 Hf、 Fe、 Ni、 Cu、 Siを微量添カ卩することにより、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に示したように添カロ結合材が重量 %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。

産業上の利用可能性本発明の cBN焼結体は、 cBN粒子が直接接合しているので、高い熱伝導率を持つている。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。

Claims

請求の範囲

[1] 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ぉ、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、 A1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。

[2] 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ぉ、て、

70体積％以上 98体積％以下の cBN粒子と、

残部結合材が A1ィ匕合物からなり、

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。

[3] 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。

[4] 前記焼結体中の cBN粒子が、 Si、 Gaおよび Laの元素力も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。

[5] 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。

[6] 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。