JP3132843B2 - 高靭性高圧相窒化硼素焼結体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、旋削工具，フライス工
具，ドリルなどの切削工具又はダイスなどの耐摩耗工具
として最適な高靭性高圧相窒化硼素基焼結体に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、焼入れされた高硬度鋼などを切削
加工するのに、鉄系材料との親和性の低い立方晶窒化ホ
ウ素（以下、ＣＢＮと記す。）やウルツ鉱型窒化ホウ素
（以下、ＷＢＮと記す。）の含有した高圧相窒化硼素焼
結体が実用されている。

【０００３】この高圧相窒化硼素焼結体は、ＣＢＮ及び
／又はＷＢＮの高圧相窒化硼素でなる硬質相の粒界に結
合相を介在させた焼結体であって、この結合相が金属系
でなるものと、サーメット系でなるものと、セラミック
ス系でなるものに大別されている。

【０００４】これらの従来の高圧相窒化硼素焼結体は、
高圧相窒化硼素と結合相形成物質からなる出発原料を単
に物理的に混在させ、そのままの状態で高圧高温でもっ
て焼結しているものであるために、高圧相窒化硼素と結
合相との密着性が劣り、焼結体の靭性が低く、欠損しや
すいという問題がある。

【０００５】この問題を解決しようとして提案されてい
るものの代表的なものに、特開昭５８−５８２４７号公
報，特開昭５８−６０６７８号公報，特開昭６１−１４
６７６３号公報及び高圧討論会概要集（平成２年１１月
２日，２Ａ１２）がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の高圧相窒化硼素
焼結体の内、特開昭５８−５８２４７号公報には、立方
晶窒化硼素がＴｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｍｏの少なくとも１種
の硼化物でなる０．１〜２μｍの平均層厚で包囲された
組織の高圧相窒化硼素焼結体が開示されており、特開昭
５８−６０６７８号公報には、立方晶窒化硼素がＴｉ，
Ｈｆ，Ｓｉの少なくとも１種の窒化物でなる０．１〜２
μｍの平均層厚で包囲された組織の高圧相窒化硼素焼結
体が開示されている。

【０００７】これら両公報に開示の高圧相窒化硼素焼結
体は、ＣＢＮの粒子表面の凹部への結合相のまわり込み
が十分に行われないことに基因する微小なボイドがＣＢ
Ｎの粒界に形成されること、及び炭化物系セラミックス
の結合相の場合、ＣＢＮと結合相との間に部分的に結合
強度の弱い部分が形成されるという問題を解決したもの
であるが、ＣＢＮの粒子を包囲する硼化物又は窒化物の
層が化学蒸着法（ＣＶＤ法）や物理蒸着法（ＰＶＤ法）
で形成されるために、ＣＢＮ粒子との密着強度が弱く、
混合粉砕時に剥離し、靭性を高める効果が低いこと、及
び微粒なＣＢＮの表面に均一な厚さの被膜を形成するの
が困難で、被膜が形成されたとしても、被膜とＣＢＮ粒
子とが凝集体となって、均一組織にするのが困難である
という問題がある。

【０００８】また、特開昭６１−１４６７６３号公報に
は、超高圧高温の焼結時に分解生成されたＴｉＣ又はＴ
ｉ（Ｃ，Ｎ）をＣＢＮ粒子及び他の結合相の粒子間にま
わり込ませ、ＣＢＮ粒子の界面にＡｌの存在しない反応
領域層を形成させたという高圧相窒化硼素焼結体の製造
方法が開示されており、平成２年１１月２日付高圧討論
会概要集には、ＣＢＮ粒子の周囲に内側がＡｌＮ−Ｔｉ
Ｎ層、外側がＴｉＢ₂層の反応層を形成させた高圧相窒
化硼素焼結体が開示されている。

【０００９】この公報及び概要集に開示の高圧相窒化硼
素焼結体は、出発原料のＣＢＮ粒子にＣＶＤ法やＰＶＤ
法で被膜を形成させたものでなく、超高圧高温の焼結時
にＣＢＮ粒子との反応が容易な結合相でもって反応層を
形成させ、靭性及び耐摩耗性を向上させたものである
が、ＣＢＮ粒子と結合相との反応が弱いこと、そのため
にＣＢＮ粒子と反応層との密着強度がまだ十分でなく顕
著に靭性を高めるに至ってないという問題がある。

【００１０】本発明は、上述のような問題点を解決した
もので、具体的には、高圧相窒化硼素の硬質相と結合相
形成物質とを反応焼結させ、硬質相の粒子の表面に硬質
相と結合相形成物質とでなる従来とは異なった反応層を
生じさせた、高靱性で耐欠損性に優れた高圧相窒化硼素
焼結体の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、高圧相窒
化硼素焼結体を切削工具として用いた場合の工具寿命の
安定化及び使用領域の拡大を目的に、焼結体の強度及び
靭性を向上させることについて検討していた所、第１
に、ＣＢＮと焼結後に結合相となる結合相形成物質とを
反応させると、耐欠損性の向上がみられるが、両者間の
反応の大きさ、及びその反応により生成する物質により
効果が異なってくるという知見を得た。

【００１２】第２に、ＣＢＮと結合相形成物質とをより
活発に反応させるには、出発原料、特にＣＢＮと反応に
関与する結合相形成物質との表面を活性化し、焼結時に
は、相互の反応が活発になるようにすること、その結果
ＣＢＮと結合相の相互粒界にマイクロポアが生じなく、
より緻密になり、かつＣＢＮの表面に最適な反応層を形
成することができること、この反応層がＣＢＮと結合相
との密着性を高める媒介的作用をし、得られる焼結体の
強度及び靭性を顕著に高めるという知見を得た。

【００１３】本発明は、上述の第１及び第２の知見に基
づいて、完成させるに至ったものである。

【００１４】すなわち、本発明の高靭性高圧相窒化硼素
焼結体は、体積で２５〜９０％の立方晶窒化硼素及び／
又はウルツ鉱型窒化硼素を硬質相とし、残部の結合相が
主成分をセラミックスとする高圧相窒化硼素焼結体にお
いて、該硬質相の粒子の全表面にはＴｉを含んだ硼窒化
物，硼炭化物，硼酸化物，硼窒酸化物，硼窒炭化物，硼
炭酸化物，硼窒炭酸化物の少なくとも１種からなる第１
層と、該第１層の表面にＡｌを含んだ硼窒化物，硼炭化
物，硼酸化物，硼窒酸化物，硼窒炭化物，硼炭酸化物，
硼窒炭酸化物の少なくとも１種からなる第２層が生成さ
れていることを特徴とするものである。

【００１５】本発明における結合相は、具体的には、例
えば周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族の金属の炭化物，窒
化物，酸化物，硼化物，硅化物及びこれらの相互固溶
体、Ｓｉ，Ａｌの炭化物，窒化物，酸化物，硼化物及び
これらの相互固溶体の中の少なくとも１種のセラミック
ス、又はこのセラミックスに周期律表第４ａ，５ａ，６
ａ族の金属，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅの中の少なくとも１種が
結合相の１０％以下含有してなるものである。

【００１６】この結合相がＴｉの炭化物，炭酸化物，窒
化物，窒酸化物，硼化物及びこれらの相互固溶体の中の
少なくとも１種と、Ａｌの窒化物，窒炭化物，酸化物，
硼化物及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種と
でなると、高圧相窒化硼素の粒子表面に第１層と第２層
が形成されてなる複合窒化硼素との緻密性も高くなるこ
とから、特に好ましいことである。

【００１７】本発明における複合窒化硼素は、硬質相の
粒子の全表面又は１部表面が第１層で囲繞され、この第
１層の全表面又は１部表面が第２層で囲繞された構成に
なっている。この複合窒化硼素の周辺部を構成する第１
層及び第２層は、特に、その芯部を構成する高圧相窒化
硼素と結合相との反応により形成され、その反応の度合
を強くして芯部の硬質相の粒子表面を粗面にすることが
好ましいことである。

【００１８】この内、第１層は、具体的には、例えばＴ
ｉ（Ｂ，Ｎ），Ｔｉ（Ｂ，Ｃ），Ｔｉ（Ｂ，Ｏ），Ｔｉ
（Ｂ，Ｎ，Ｏ），Ｔｉ（Ｂ，Ｎ，Ｃ），Ｔｉ（Ｂ，Ｎ，
Ｏ），Ｔｉ（Ｂ，Ｎ，Ｃ，Ｏ），（Ｔｉ，Ｍ）（Ｂ，
Ｎ），（Ｔｉ，Ｍ）（Ｂ，Ｃ），（Ｔｉ，Ｍ）（Ｂ，
Ｏ），（Ｔｉ，Ｍ）（Ｂ，Ｎ，Ｃ），（Ｔｉ，Ｍ）
（Ｂ，Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ｍ）（Ｂ，Ｃ，Ｏ），（Ｔ
ｉ，Ｍ）（Ｂ，Ｎ，Ｃ，Ｏ）を挙げることができる。こ
の第１層は、芯部の硬質相との密着を強固で緻密にする
ために、硼窒化物，硼窒酸化物，硼窒炭化物，硼窒炭酸
化物でなる場合が特に好ましいものである。

【００１９】また、第２層は、具体的には、例えばＡｌ
（Ｂ，Ｎ），Ａｌ（Ｂ，Ｃ），Ａｌ（Ｂ，Ｏ），Ａｌ
（Ｂ，Ｎ，Ｏ），Ａｌ（Ｂ，Ｎ，Ｃ），Ａｌ（Ｂ，Ｃ，
Ｏ），Ａｌ（Ｂ，Ｎ，Ｃ，Ｏ），（Ａｌ，Ｍ）（Ｂ，
Ｎ），（Ａｌ，Ｍ）（Ｂ，Ｃ），（Ａｌ，Ｍ）（Ｂ，
Ｏ），（Ａｌ，Ｍ）（Ｂ，Ｎ，Ｏ），（Ａｌ，Ｍ）
（Ｂ，Ｎ，Ｃ），（Ａｌ，Ｍ）（Ｂ，Ｃ，Ｏ），（Ａ
ｌ，Ｍ）（Ｂ，Ｎ，Ｃ，Ｏ）を挙げることができる。
（ただし、第１層及び第２層で例示した化学組成式中の
Ｍは、結合相を構成するセラミックスの金属元素又は半
金属元素を表わし、具体的には、例えばＺｒ，Ｈｆ，
Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｓｉを挙げることが
できる。）以上の結合相と複合窒化硼素を構成する第１
層及び第２層は、それぞれの最適組合わせがあり、特に
結合相がＴｉの炭化物，炭酸化物，窒化物，窒酸化物，
硼化物及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種
と、Ａｌの窒化物，窒炭化物，酸化物，硼化物及びこれ
らの相互固溶体の中の少なくとも１種とからなる場合
で、第１層がＴｉの硼窒化物，硼窒炭化物，硼窒酸化物
の中の少なくとも１種でなり、第２層がＡｌの硼窒化
物，硼窒炭化物，硼窒酸化物の中の少なくとも１種でな
る組合わせにすると、焼結体の靭性及び耐欠損性を高め
る効果が顕著で好ましいことである。

【００２０】本発明における硬質相は、９０体積％を超
えて多くなると、相対的に結合相が１０体積％未満とな
り、第１層及び第２層の組成成分の選定を行ったとして
も焼結体の強度及び靱性を高めるという効果が発揮され
難く、逆に２５体積％未満になると、硬質相の高硬度を
十分に生かしきれなく、焼結体の耐摩耗性の低下が顕著
になる。

【００２１】本発明の高靭性高圧相窒化硼素焼結体を作
製するには、出発原料としての高圧相窒化硼素の粉末の
表面に物理蒸着法や化学蒸着法により、例えば第１層及
び第２層の被膜、又は第１層及び第２層の前駆体となる
被膜を形成した後、この出発原料と他の結合相形成物質
とを混合、成形及び高圧高温焼結を行って得ることもで
きるが、出発原料中に金属間化合物、例えばＴｉ Ａ
ｌ₃，Ｔｉ Ａｌ，Ｔｉ₂ＡｌＮ，Ｔｉ₂ＡｌＣＮを含有さ
せ、混合工程及び成形工程を非酸化性ガス雰囲気中で処
理し、高圧高温焼結工程時に金属間化合物と高圧相窒化
硼素とを反応焼結させて、第１層及び第２層を形成させ
るのが好ましいことである。

【００２２】この反応焼結時の反応は、具体的には、例
えば金属間化合物をＴｉとＡｌに分解させ、この内高圧
相窒化硼素との濡れ性に優れたＴｉが高圧相窒化硼素と
反応して第１層を形成し、次に第１層の１部とＡｌとが
反応して第２層が形成される。

【００２３】この第１層及び第２層の層厚は、第１層及
び第２層を形成するために必要な組成成分の含有量と焼
結温度及び出発原料の粒径により調整することが可能で
あり、その含有量が多くなるほど、焼結温度が高くなる
ほど層厚さが厚くなり、これらの層厚は、それぞれが２
μｍ以下でなり、第１層と第２層の合計の厚さが０．１
〜３．０μｍでなることが好ましく、製造コスト上から
は層厚を薄くすることが好ましく、焼結体の強度上から
は或る程度の層厚、別の見方をするとＣＢＮの表面が粗
面化されていることが好ましく、特に、第１層と第２層
の合計の厚さが０．１〜１．０μｍでなることが好まし
いことである。

【００２４】この好ましい製造方法については、本発明
者らによる出願日が平成３年３月１日付特許出願明細書
の中に詳細に記載されているものである。

【００２５】

【作用】本発明の高靭性高圧相窒化硼素焼結体は、複合
窒化硼素を構成している第１層及び第２層が芯部の高圧
相窒化硼素と結合相とを緻密に固着させる媒介作用を
し、この内、第１層が特に芯部の高圧相窒化硼素の表面
で相互反応した状態に形成され、そして、高圧相窒化硼
素の表面を粗面にし、この粗面の部分に第１層が緻密に
入り込むことにより、一層固着強度が高められているも
のである。

【００２６】

【実施例１】平均粒径２〜４μｍの各種の結合相形成物
質でなる出発原料を酸素濃度が２０ｐｐｍ以下のアルゴ
ン雰囲気中で、それぞれの平均粒径がサブミクロン以下
になるまでボールミルで混合粉砕し、これに平均粒径２
〜１０μｍのＣＢＮを追加混合して表１に示す組成成分
の各混合粉末を得た。

【００２７】次に、同雰囲気中でＷＣ−８重量％Ｃｏ粉
末を所定の厚さになるように金型に挿入し、続いて、上
述の各混合粉末を振り込み型押し成形し、複合圧粉体と
した後、１×１０^-6Ｔｏｒｒ，９００℃の真空下で脱脂
加熱し、次いでベルト型超高圧高温装置にセットして
６．０ＧＰａ、１６００℃、３０ｍｉｎの条件で焼結
し、本発明品１〜５と超硬合金とでなる複合焼結体を作
製した。

【００２８】比較として、従来と同様に大気中で混合粉
砕、圧粉体成形、脱脂加熱及び超高圧高温での焼結を行
い、比較品１〜３と超硬合金とでなる複合焼結体を作製
した。

【００２９】

【表１】 こうして得た本発明品１〜５及び比較品１〜３を走査型
電子顕微鏡，マイクロオージエ分析により調査し、さら
にクラックによる破壊靭性値を求めて、その結果を表２
に示した。

【００３０】

【表２】

【００３１】

【実施例２】実施例１で得た本発明品１〜５及び比較品
１〜３の複合焼結体を用いて、ＳＮＧＮ４３２形状（ホ
ーニング０．１×−２５°付）、被削材ＳＫＤ１１焼入
れ（ＨＲＣ６２）、被削材面５０Ｗ×２００ｌｍｍ、カ
ッターＭＤ１００６、１枚刃によるフライス切削を行っ
て、欠損まで、又は２０００ｍ切削時の平均逃げ面摩耗
量を求めて、その結果を表３に示した。

【００３２】

【表３】

【００３３】

【発明の効果】以上の結果、本発明の高靭性高圧相窒化
硼素焼結体は、従来のようなＣＢＮの表面に反応層の形
成された比較品１又は反応層の確認できない比較品２，
３に比べて、破壊靭性値において、約４２〜１６３％も
向上すること、及び切削試験における耐欠損性におい
て、約４．９〜１５．４倍も向上するという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１で得た本発明品１の複合窒化硼素の粒
子構造、

【図２】図１を拡大した複合窒化硼素の粒子構造、

【図３】実施例１で得た比較品３の複合窒化硼素の粒子
構造である。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 体積で２５〜９０％の立方晶窒化硼素及
   び／又はウルツ鉱型窒化硼素を硬質相とし、残部の結合
   相が主成分をセラミックスとする高圧相窒化硼素焼結体
   において、 該硬質相の粒子の表面にはＴｉを含んだ硼窒化物，硼炭
   化物，硼酸化物，硼窒酸化物，硼窒炭化物，硼炭酸化
   物，硼窒炭酸化物の少なくとも１種からなる第１層と、
   該第１層の全表面にＡｌを含んだ硼窒化物，硼炭化物，
   硼酸化物，硼窒酸化物，硼窒炭化物，硼炭酸化物，硼窒
   炭酸化物の少なくとも１種からなる第２層が生成されて
   いることを特徴とする高靭性高圧相窒化硼素焼結体。
2. 【請求項２】 上記結合相がＴｉの炭化物，炭酸化物，
   窒化物，窒酸化物，硼化物及びこれらの相互固溶体の中
   の少なくとも１種と、Ａｌの窒化物，窒炭化物，酸化
   物，硼化物及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも１
   種とでなることを特徴とする請求項１記載の高靭性高圧
   相窒化硼素焼結体。
3. 【請求項３】 上記第１層がＴｉの硼窒化物，硼窒炭化
   物，硼窒酸化物の少なくとも１種でなり、上記第２層が
   Ａｌの硼窒化物，硼窒炭化物，硼窒酸化物の中の少なく
   とも１種でなることを特徴とする請求項１記載の高靭性
   高圧相窒化硼素焼結体。
4. 【請求項４】 上記第１層と上記第２層が合計厚さ０．
   １〜３．０μｍでなることを特徴とする請求項１記載の
   高靭性高圧相窒化硼素焼結体。