JP2007145667A - 立方晶窒化硼素焼結体 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐摩耗性や潤滑性に優れ、かつ高い硬度を有し、高速度の切削に好適に使用される切削工具を、被膜形成等を要することなく提供することができる立方晶窒化硼素焼結体を得ること。
【解決手段】 立方晶窒化硼素及び、結合材からなる立方晶窒化硼素焼結体であって、前記結合材中における炭素の含有量が、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して、０．０１〜３質量％であることを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体とする。前記炭素がグラファイトとして含有されている場合には、その粒径が３０ｎｍ以下であることが好ましい。

Description

本発明は、耐摩耗性に優れる立方晶窒化硼素焼結体、または、耐摩耗性に加えて潤滑性を有する立方晶窒化硼素焼結体に関するものである。

立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）は、ダイヤモンドに次ぐ高い硬度を有する材料であり、主に金属の切削工具等の材料として利用されている。
前記立方晶窒化硼素の耐摩耗性を向上させるため、炭化チタンと窒化チタンとアルミニウムとが特定の比率となるような組成とすることが提案されている（特許文献１参照）。
しかしながら、近年、加工能率を一層向上させるために、切削速度の高速化がなされており、この様な高速度下では、上記組成においても、立方晶窒化硼素の耐摩耗性は十分ではなかった。

また、立方晶窒化硼素焼結体に窒化チタンや炭化チタン等の被膜を設けることも提案されている（特許文献２及び特許文献３参照）が、被膜を設けるためには、蒸着等の工程が必要となり、切削工具の生産効率が低下することが問題であった。

一方、切削工具の刃先に用いられる焼結体には、固体潤滑剤を添加することによって潤滑性を付与することができる（特許文献４参照）が、固体潤滑剤を添加すると焼結を阻害し、焼結過程で生じる焼結体の収縮時に気孔が発生する原因となり、焼結体の緻密化が図れないという問題があった。

特開平１０−２２６５７５号公報 特開２００４−２９１１５０号公報 特開２００１−３４１００６号公報 特開平８−２９５５７０号公報

本発明は、耐摩耗性や潤滑性に優れ、かつ高い硬度を有し、高速度の切削に好適に使用される切削工具を、被膜形成等を要することなく提供することができる立方晶窒化硼素焼結体を得ることを目的とするものである。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、上記目的を達成するためになされたものであり、以下のような構成を有する。
（１）立方晶窒化硼素及び、結合材からなる立方晶窒化硼素焼結体であって、前記結合材中における炭素の含有量が、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して、０．０１〜３質量％であることを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体である。
（２）炭素の含有量が、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して、０．１〜１質量％である前記（１）に記載の立方晶窒化硼素焼結体である。
（３）結合材は、周期律表の４〜６族元素、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＡｌからなる群より選択される一種以上の元素を含み、
前記元素は、単体、相互固溶体、炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物及び酸化物からなる群より選択される一つ以上の状態で含有されている前記（１）又は（２）に記載の立方晶窒化硼素焼結体である。
（４）結合材は、炭素と、炭素以外の周期律表における４族元素の窒化物の一種以上とを含有し、前記炭素は、前記周期律表の４族元素の窒化物と相互固溶体を形成している前記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の立方晶窒化硼素焼結体である。
（５）炭素以外の周期律表における４族元素が、Ｔｉ及び／又はＨｆである前記（３）又は（４）に記載の立方晶窒化硼素焼結体である。
（６）結合材としてＴｉＮを含有し、前記ＴｉＮのＣｕ−ＫαＸ線による回折パターンにおいて、（１１１）及び（２００）反射の２θ位置が、それぞれ、３６．１０〜３６．６０及び４１．９０〜４２．５０の範囲にあることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の立方晶窒化硼素焼結体である。
（７）立方晶窒化硼素の粒径が、０．２〜１０μｍである前記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の立方晶窒化硼素焼結体である。
（８）立方晶窒化硼素焼結体中における立方晶窒化硼素含有率が、４０〜７５体積％である前記（１）〜（７）のいずれか一つに記載の立方晶窒化硼素焼結体である。
（９）炭素がグラファイトとして含有されている前記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の立方晶窒化硼素焼結体である。
（１０）グラファイトの粒径が３０ｎｍ以下である前記（９）に記載の立方晶窒化硼素焼結体である。
（１１）立方晶窒化硼素の粒径が、０．２〜１０μｍである前記（９）又は（１０）に記載の立方晶窒化硼素焼結体である。
（１２）立方晶窒化硼素焼結体中における立方晶窒化硼素含有率が、４０〜９５体積％である前記（９）〜（１１）のいずれか一つに記載の立方晶窒化硼素焼結体である。

本発明は、上記の構成を採用することにより、耐摩耗性を向上させ、滑性が高く、且つ硬度の高い立方晶窒化硼素焼結体を得ることができる。
このため、本発明では、高速の切削速度においても十分実用に耐えうる切削工具に適した立方晶窒化硼素焼結体を提供することができる。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素及び結合材からなる。
（立方晶窒化硼素）
前記立方晶窒化硼素としては、特に制限はなく、種々の立方晶窒化硼素を使用することができ、例えば、熱分解窒化硼素を原料として得られた立方晶窒化硼素、六方晶窒化硼素を原料として得られた立方晶窒化硼素などが挙げられる。
前記立方晶窒化硼素の粒径としては、０．２〜１０μｍが好ましく、０．２〜６μｍがより好ましい。立方晶窒化硼素の粒径が小さすぎると、得られる立方晶窒化硼素焼結体の熱伝導率が低下し、耐熱性が悪くなる傾向があり、高速切削時の耐摩耗性が低下する場合がある。また、立方晶窒化硼素の粒径が大きすぎると、得られた立方晶窒化硼素焼結体を切削工具等に使用した場合に、粒径の大きな立方晶窒化硼素に応力が集中しやすく、クラック発生の起点となりやすく、切削工具等の寿命が短くなる場合がある。

（結合材）
本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、その結合材中に、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して０．０１〜３質量％の炭素を含有することが必要である。
前記炭素の含有量が少なすぎると、本発明の技術的効果を得られず、前記炭素の含有量が多すぎると、得られる立方晶窒化硼素焼結体の耐摩耗性は向上するが、耐欠損性が悪化して切削工具としての性能に劣る場合がある。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体の結合材は、炭素を含有するが、炭素以外の結合材の組成としては特に制限はされず、一般的に立方晶窒化硼素焼結体の結合材として用いられている結合材が使用できる。中でも、周期律表の４〜６族元素、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＡｌからなる群より選択される一種以上の元素を含むことが好ましい。
周期律表の４〜６族元素、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＡｌは、いずれも、立方晶窒化硼素の粒子を強固に結合させる作用を有している。よって、前記結合材の組成として、周期律表の４〜６族元素、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＡｌからなる群より選択される一種以上の元素を含有することにより、立方晶窒化硼素の粒子同士が強固に結合した耐摩耗性に優れた立方晶窒化硼素焼結体を得ることができる。

特に、前記結合材の原料として、周期律表の４族元素及び／又は周期律表の４族元素の窒化物を含有することが好ましい。周期律表の４族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）の窒化物は炭素と相互固溶体を形成しやすく、炭素を含有する結合材の組織が高温下でも安定な傾向にある。このため、得られた立方晶窒化硼素焼結体を切削工具に用いた場合に、高速度の切削速度においても、より優れた耐摩耗性や滑性を有する立方晶窒化硼素焼結体を得られる傾向がある。
上記の結合材の原料の中でも、Ｔｉ、Ｈｆ、ＴｉＮ及びＨｆＮからなる群から選ばれる一種以上を含有することがより好ましい。結合材が、Ｔｉ、Ｈｆ、ＴｉＮ及びＨｆＮからなる群から選ばれる一種以上を含有することによって、高温域における立方晶窒化硼素焼結体の結合相を安定させることができる。また、得られた立方晶窒化硼素焼結体を切削工具に用いた場合に、高速度の切削速度においても、特に優れた耐摩耗性や滑性を有する立方晶窒化硼素焼結体を得ることができる。

上記の結合材の原料の中でも、ＴｉＮを含有することがさらに好ましく、前記ＴｉＮのＣｕ−ＫαＸ線による回折パターンにおいて、（１１１）及び（２００）反射の２θ位置が、それぞれ、３６．１０〜３６．６０及び４１．９０〜４２．５０の範囲にあることが最も好ましい。結合材が、ＴｉＮを含有することにより、得られた立方晶窒化硼素焼結体を切削工具に用いた場合に、高速度の切削速度においても、特に優れた耐摩耗性や滑性を有する立方晶窒化硼素焼結体を得ることができる。中でも、ＴｉＮのＣｕ−ＫαＸ線による回折パターンにおいて、（１１１）及び（２００）反射の２θ位置が、それぞれ、３６．１０〜３６．６０及び４１．９０〜４２．５０の範囲にあることが好ましい。
ＴｉＮのＣｕ−ＫαＸ線による回折パターンにおいて、（１１１）及び（２００）反射の２θ位置は、ＴｉＮに炭素が固溶し、炭素の固溶量に応じてシフト幅が変わってくることが知られている。ＴｉＮのＣｕ−ＫαＸ線による回折パターンにおいて、（１１１）及び（２００）反射の２θ位置が、それぞれ、３６．１０〜３６．６０及び４１．９０〜４２．５０の範囲にある場合に、ＴｉＮと炭素が適度に固溶しており、特に耐摩耗性に優れる立方晶窒化硼素焼結体を得ることができる。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体の結合材中の炭素は、炭素と他の元素との相互固溶体として存在してもよいが、グラファイトとして存在してもよい。
前記炭素が、結合材中において、他の元素との相互固溶体として存在する場合には、被膜形成のための別工程を経ることなく、立方晶窒化硼素焼結体の耐摩耗性を向上させることができる。
また、前記炭素が、結合材中において、グラファイトとして存在する場合には、滑性が高く且つ硬度の高い立方晶窒化硼素焼結体を得ることができる。前記グラファイトの粒径としては特に限定されないが、３０ｎｍ以下であることが好ましい。前記グラファイトの粒径が大きすぎると、立方晶窒化硼素焼結体の摩耗を急激に進行させる起点となる場合があり、立方晶窒化硼素焼結体の耐摩耗性が悪くなる場合がある。また、前記グラファイトの粒径が大きすぎると、立方晶窒化硼素焼結体を切削工具に使用した場合に、応力の集中が起こる場合があり、立方晶窒化硼素焼結体にクラックが生じやすくなる場合がある。

前記結合材に炭素を含有させる方法としては、立方晶窒化硼素焼結体の結合材の原料に炭素化合物や高分子有機物を添加して焼結させる方法が挙げられる。
前記炭素化合物としては、例えば、グラファイト、アモルファスカーボン、フラーレン、カーボンナノチューブ、４〜６族元素の炭化物等が挙げられる。
前記高分子有機物としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等が挙げられる。

（立方晶窒化硼素焼結体）
本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素及び、結合材からなり、前記結合材中に炭素を特定量含有するものである。
結合材中の炭素の含有量は、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して、０．０１〜３質量％である必要があり、立方晶窒化硼素焼結体の耐摩耗性、滑性及び硬度の面から、０．１〜１質量％であるのが好ましい。
前記炭素の含有量が少なすぎると、耐摩耗性が十分でなく、また、滑性が十分でない。また、前記炭素の含有量が多すぎると、立方晶窒化硼素焼結体の硬度が低くなる傾向がある。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体中において、結合材中の炭素が他の元素と相互固溶体を形成している場合には、立方晶窒化硼素焼結体中の立方晶窒化硼素の割合が４０〜７５体積％であることが好ましく、５０〜７０体積％であることがより好ましい。立方晶窒化硼素の割合が少なすぎると、十分な耐摩耗性が得られない場合があり、多すぎると、立方晶窒化硼素の粒子が欠損しやすくなり、立方晶窒化硼素焼結体を切削工具に使用した場合に工具の寿命が短くなる傾向がある。
また、本発明の立方晶窒化硼素焼結体中において、結合材中の炭素がグラファイトとして存在している場合には、立方晶窒化硼素が４０〜９５体積％であることが好ましく、５０〜９５体積％であることがより好ましい。結合材中の炭素がグラファイトとして存在している場合において、立方晶窒化硼素の割合が少なすぎると、十分な耐摩耗性が得られない場合があり、多すぎると、立方晶窒化硼素の粒子が欠損しやすくなり、立方晶窒化硼素焼結体を切削工具に使用した場合に工具の寿命が短くなる傾向がある。

ＴｉＮ粉末とＡｌ粉末を８５：１５の質量比で均一混合した後、真空炉を用いて、1200℃で20分間熱処理を行い結合材Aを得た。
この結合材AにCo,W,Fe,Ni,Hfなどの金属元素と粒径８μｍのグラファイトまたはアモルファスカーボンを加えて、いくつかの結合材原料となる混合粉を作成し、超硬合金製の容器と超硬合金製ボールとからなるボールミルを用いて均一に混合し数種類の結合材を作成した。
また、結合材Aを用いる代わりに複数の金属及びセラミクス材料を混合し、これに粒径1μｍのカーボンナノチューブを添加してボールミルを用いて均一に混合しいくつかの結合材を作成した。

これらの結合材にさまざまな粒径に渡るcＢＮ粉末を40〜90体積％の配合比になるように加えて、超硬合金製の容器と超硬合金製ボールとからなるボールミルを用いて均一に混合した。得られた混合粉末を超硬合金製のカプセルに充填した後、超高圧装置を用いて圧力6GPa、温度1700℃にて約15分間保持して実施例１〜7及び、比較例2〜8の立方晶窒化ホウ素焼結体を得た。
更に、結合材AにｃBN粉末を加えてボールミルにより均一に混合し、得られた混合粉末を超硬合金製のカプセルに充填した後、超高圧装置を用いて圧力6GPa、温度1700℃にて約15分間保持して比較例１の立方晶窒化ホウ素焼結体を得た。

次に得られた焼結体のCu-Kα線を使用したX線回折装置（ＸＲＤ）による分析を行い組成を同定し、TiNの（111）及び（200）ピークの2θ値を計測した。また、グラファイトのピークがXRDで認められたものについては、ピークの半値幅より平均粒径を求めた。
更に焼結体のICP分析を行い、焼結対中に含まれる炭素の焼結体全体に対する重量比率を求めた。
これらの結果を表１に示す。

表１中、ＸＲＤ組成は、Ｘ線回折装置を用いて分析した立方晶窒化硼素焼結体の組成を示し、グラファイト粒径は、立方晶窒化硼素焼結体において、炭素がグラファイトとして析出している場合のグラファイトの粒径を測定したものである。また、結合材含有元素として標記した元素は、立方晶窒化硼素焼結体の製造時に、結合材とすべく添加した元素を示す。

上記のようにして得られた立方晶窒化硼素焼結体を超硬合金製の基材にロウ付けしてISO型番 SNGA120408 形状の切削工具を作成した。
実施例１〜６及び、比較例１，２，４〜８の焼結体から作成したこれらの工具を用いて、下記の条件にて焼入鋼を高速で連続切削する切削試験を実施した。結果を表２に示す。
切削試験の条件は、切削速度：V=200mm/min、送り：f=0.1mm/rev、切り込み：d=0.2mm、乾式切削、被削材：SUJ2で行った。
なお、表２において、工具の逃げ面磨耗量が0.1mmを越えた場合若しくは、刃先が大きくかけ落ちる様な欠損が生じ、加工面の品質に変化を生じた場合を工具寿命と定義し、比較例１の焼結体を使用した工具の寿命を１としてこれとの相対比較で表記した。

また、実施例７，８及び、比較例3、9、10の焼結体から作成した上記の工具を用いて下記の条件にて焼入鋼を高速で連続切削する切削試験を実施した。結果を表3に示す。
切削試験の条件は、切削速度：V=400mm/min、送り：f=0.12mm/rev、切り込み：d=0.2mm、
湿式切削、被削材：ダクタイル鋳鉄FCD450で行った。
表３において、工具の逃げ面磨耗量が0.1mmを越えた場合若しくは、刃先が大きくかけ落ちる様な欠損が生じ、加工面の品質に変化を生じた場合を工具寿命と定義し、比較例3の焼結体を使用した工具の寿命を１としてこれとの相対比較で表記した。

表２及び表３の結果より、本発明のcBN焼結体は、優れた切削性能を示すことがわかる。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、切削工具として有用である。

Claims (12)

1. 立方晶窒化硼素及び、結合材からなる立方晶窒化硼素焼結体であって、前記結合材中における炭素の含有量が、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して、０．０１〜３質量％であることを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体。
2. 炭素の含有量が、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して、０．１〜１質量％である請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
3. 結合材は、周期律表の４〜６族元素、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＡｌからなる群より選択される一種以上の元素を含み、
   前記元素は、単体、相互固溶体、炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物及び酸化物からなる群より選択される一つ以上の状態で含有されている請求項１又は２に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
4. 結合材は、炭素と、炭素以外の周期律表における４族元素の窒化物の一種以上とを含有し、前記炭素は、前記周期律表の４族元素の窒化物と相互固溶体を形成している請求項１〜３のいずれか一項に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
5. 炭素以外の周期律表における４族元素が、Ｔｉ及び／又はＨｆである請求項３又は４に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
6. 結合材としてＴｉＮを含有し、前記ＴｉＮのＣｕ−ＫαＸ線による回折パターンにおいて、（１１１）及び（２００）反射の２θ位置が、それぞれ、３６．１０〜３６．６０及び４１．９０〜４２．５０の範囲にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
7. 立方晶窒化硼素の粒径が、０．２〜１０μｍである請求項１〜６のいずれか一項に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
8. 立方晶窒化硼素焼結体中における立方晶窒化硼素含有率が、４０〜７５体積％である請求項１〜７のいずれか一項に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
9. 炭素がグラファイトとして含有されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
10. グラファイトの粒径が３０ｎｍ以下である請求項９に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
11. 立方晶窒化硼素の粒径が、０．２〜１０μｍである請求項９又は１０に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
12. 立方晶窒化硼素焼結体中における立方晶窒化硼素含有率が、４０〜９５体積％である請求項９〜１１のいずれか一項に記載の立方晶窒化硼素焼結体。