JPH0742170B2

JPH0742170B2 - 立方晶窒化ホウ素基焼結体

Info

Publication number: JPH0742170B2
Application number: JP62279626A
Authority: JP
Inventors: 義之内海; 菱山家
Original assignee: 東芝タンガロイ株式会社
Priority date: 1987-11-05
Filing date: 1987-11-05
Publication date: 1995-05-10
Anticipated expiration: 2010-05-10
Also published as: JPH01122971A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、ドリル，フライス工具又は旋削工具などに用
いる切削工具用材料、もしくはスリッター，ダイスなど
の耐摩耗工具用材料として適する立方晶窒化ホウ素基焼
結体に関するものである。

（従来の技術）立方晶窒化ホウ素は、ダイヤモンドに次いで高硬度であ
り、しかもダイヤモンドが鉄との親和性に高いという短
所を有するのに対し、鉄との親和性に低いという長所を
有している。このことから立方晶窒化ホウ素に結合相を
加えてなる立方晶窒化ホウ素基焼結体が主として鉄系材
料を加工する工具材料の１つとして実用化されている。

立方晶窒化ホウ素基焼結体を結合相成分で大別すると、
第１に結合相が金属又は合金からなる、所謂金属系結合
相と、第２に結合相がセラミックスと金属又は合金とか
らなる、所謂サーメット系結合相と、第３に結合相がセ
ラミックスのみからなる、所謂セラミックス系結合相と
がある。この内、第１の金属系結合相からなる立方晶窒
化ホウ素基焼結体は、高温にさらされるような条件下で
は結合相の軟化が生じて耐摩耗性を著しく低下させると
いう問題がある。この金属系結合相における問題点を解
決したものに第３のセラミックス系結合相からなる立方
晶窒化ホウ素基焼結体がある。このセラミックス系結合
相からなる立方晶窒化ホウ素基焼結体は、高温における
結合相の耐軟化性に対しては著しくすぐれるようになっ
たけれども、衝撃の加わるような用途に用いるとチッピ
ング又は欠損して短寿命になるという問題がある。この
第１の結合相と第３の結合相との両者の長所を有する結
合相を目的としたものに第２のサーメット系結合相から
なる立方晶窒化ホウ素基焼結体がある。

このサーメット系結合相からなる立方晶窒化ホウ素基焼
結体の代表的なものとしては、特公昭57−49621号公報
及び特開昭56−130451号公報がある。

（発明が解決しようとする問題点）特公昭57−49621号公報は、立方晶窒化ホウ素を体積で8
0〜20％含有し残部が周期律表4a,5a,6a族遷移金属の炭
化物，窒化物，ホウ化物，ケイ化物もしくはこれらの混
合物または相互固溶体化合物を第１の結合相とし、Al,S
i,Ni,Co,Feまたは、これらを含む合金、化合物を第２の
結合相として、該第１、第２の結合相が焼結体組織中で
連続した結合相をなし、前記4a,5a,6a族金属の化合物が
結合相中の体積で50％以上99.9％以下であることを特徴
とする立方晶窒化ホウ素基焼結体である。この特公昭57
−49621号公報の立方晶窒化ホウ素基焼結体は、従来の
立方晶窒化ホウ素基焼結体が金属又は合金でなる結合相
であるために、高温で軟化して耐摩耗性及び耐溶着性に
劣ることから工具用材料として用いると損傷しやすいと
いう欠点があるのに対し、周期律表4a,5a,6a族遷移金属
の化合物とAl,Si,Ni,Co,Fe又はこれらの合金，化合物と
でなる結合相にすることにより解決したものであるけれ
ども、結合相の組成によっては金属又は金属間化合物が
多量に残存するためにセラミックス系結合相の立方晶窒
化ホウ素基焼結体と比較すると耐摩耗性の低下が著し
く、逆に金属又は金属間化合物を微量にすると強度の低
下が著しくなるという問題がある。また、特公昭57−49
621号公報の焼結体は、Alを含有した金属間化合物を多
量に含有させる場合に、立方晶窒化ホウ素と結合相との
密着性が低下して欠損しやすくなるという問題がある。

特開昭56−130451号公報は、平均一次粒径が20μｍ以下
の立方晶窒化ホウ素粉末10〜80wt％と、残部りがTi,Zr,
Hf,Taの炭化物，窒化物，ホウ化物の内の単体粉末、又
は２種以上の混合粉末及び相互固溶体粉末と、Al,Zr,M
g,Yの酸化物の内の単体粉末、又は２種以上の混合粉末
を89〜5wt％と、Al,Fe,Ni,Co,Siの単体粉末又は２種以
上の混合粉末及び相互化合物粉末を添加して焼結した立
方晶窒化ホウ素基焼結体である。この特開昭56−130451
号公報は、耐摩耗性，耐熱性及び耐欠損性にすぐれるよ
うな焼結体を目的にしたものであるけれども、高温にな
ると耐摩耗性及び耐欠損性の低下となること、昇圧昇温
時に立方晶窒化ホウ素の六方晶窒化ホウ素への逆変換が
生じて立方晶窒化ホウ素と結合相との結合強度の低下と
なること、又は結合相中の金属又は合金が立方晶窒化ホ
ウ素と接触する比率が高くなって結合相と立方晶窒化ホ
ウ素との結合強度の低下をもたらすことなどの問題があ
る。

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、立方晶窒化ホウ素とサーメット系結合相とでな
る焼結体であって、この焼結体の結合相を構成している
セラミックス組成と金属又は合金と、それぞれの含有量
を制御することにより、結合相組成の相互間及び結合相
と立方晶窒化ホウ素との相互間における結合強度を高
め、その結果強度，耐摩耗性，耐酸化性，耐溶着性，耐
熱衝撃性，熱伝導性及び化学的安定性にすぐれるように
した立方晶窒化ホウ素基焼結体の提供を目的とするもの
である。

（問題点を解決するための手段）本発明者らは、立方晶窒化ホウ素基焼結体の靱性及び耐
摩耗性の両方を高めることについて検討している所、従
来のサーメット系結合相では、強度を高めることを重要
視すると耐摩耗性の低下が生じ、逆に耐摩耗性を高める
ことを重要視すると強度の低下が生じる傾向にあるこ
と、これを解決するためには、サーメット系結合相を形
成するためのセラミックスの組成と金属又は合金の組成
と、さらにこれらのそれぞれの含有比率を制御すること
により達成できるという第１の知見と、セラミックスの
組成として、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとホ
ウ化アルミニウムとを含有していると強度を高める効果
があること、さらに酸化アルミニウムと高融点金属化合
物、特にTiの含有した化合物でなる高融点金属化合物と
の両方が一定比率内で含まれていると耐摩耗性及び強度
にすぐれるという第２の知見と、ホウ化アルミニウムと
ホウ化チタンとの両方を含有させて組合わせると高温に
おける強度及び耐摩耗性が著しくすぐれるという第３の
知見と、Y,Dy,Ybを主成分とする酸化物，窒化物，酸窒
化物の希土類金属化合物が立方晶窒化ホウ素の粒界又は
セラミックス組成の粒界に侵入して緻密化を促進し、そ
の結果強度を高めるという第４の知見と、立方晶窒化ホ
ウ素との親和性が低いCo及び／又はNiを立方晶窒化ホウ
素と相互接触させない程度に含有させて、セラミックス
組成の結合相中に介在させるという結合相の緻密化及び
高強度化にすることができるという第５の知見を得たも
のである。この第１の知見から第５の知見に基づいて本
発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の立方晶窒化ホウ素基焼結体は、立方
晶窒化ホウ素10〜80vol％と、酸化アルミニウム7.5〜80
vol％と、窒化アルミニウム３〜20vol％と、ホウ化アル
ミニウム１〜5vol％と、ホウ化チタン１〜5vol％と、T
i,Zr,Hf,Ta,Nb,Vの炭化物，窒化物,Wの炭化物及びこれ
らの相互固溶体の中の少なくとも１種の高融点金属化合
物3.75〜40vol％と、Y,Dy,Ybの酸化物，窒化物及びこれ
らの相互固溶体の中の少なくとも１種を主成分とする希
土類金属化合物0.5〜5vol％と、Co及び１又はNiを主成
分とする金属又は合金0.1〜2vol％と、不可避不純物と
からなることを特徴とするものである。

本発明の立方晶窒化ホウ素基焼結体における立方晶窒化
ホウ素は、平均粒径が15μｍ以下、特に強度及び耐摩耗
性の両方を高めるために平均粒径が１μｍ〜５μｍにあ
ることが好ましいことである。この立方晶窒化ホウ素の
含有量は、10vol％未満では耐摩耗性の低下が著しく、
逆に80vol％を超えて多くなると強度の低下が著しく欠
損しやすくなる。また、立方晶窒化ホウ素の含有量が10
〜43vol％の場合には、平均粒径0.5μｍ〜２μｍの微細
な立方晶窒化ホウ素にすると、特に乾式切削における切
削工具材料として適し、立方晶窒化ホウ素の含有量が43
〜80vol％の場合は、平均粒径２〜５μｍの立方晶窒化
ホウ素にすると、特に湿式切削における切削工具材料と
して適するものである。

本発明の立方晶窒化ホウ素基焼結体における酸化アルミ
ニウムは、平均粒径が1.0μｍ以下、特に平均粒径が0.5
μｍ以下にすると一層緻密な焼結体になることから好ま
しいことである。この酸化アルミニウムの含有量は、7.
5vol％未満では耐摩耗性の低下が著しく、逆に80vol％
を超えて多くなると立方晶窒化ホウ素及び他の結合相の
含有量が相対的に少なくなり、そのために耐摩耗性及び
耐欠損性の低下が著しく短寿命になる。

本発明の立方晶窒化ホウ素基焼結体における窒化アルミ
ニウムは、昇圧昇温時に立方晶窒化ホウ素の六方晶窒化
ホウ素への逆交換を防止し、ホウ化アルミニウムと共に
立方晶窒化ホウ素と他の結合相との結合の媒介的役割を
し、この量が3vol％未満ではその効果が弱く、逆に20vo
l％を超えると焼結し難くなる。

本発明の立方晶窒化ホウ素基焼結体におけるホウ化アル
ミニウムは、AlB₂，AlB₁₂の中の少なくとも１種からな
るもので、この含有量が1vol％未満では立方晶窒化ホウ
素と結合相との結合強度を低下し、その結果焼結体の強
度を低下する。逆に、ホウ化アルミニウムの含有量が5v
ol％を超えて多くなると焼結性を阻害して緻密な焼結体
になり難くなる。

本発明の立方晶窒化ホウ素基焼結体におけるホウ化チタ
ンは、上述のホウ化アルミニウムと共に適量に組合わせ
ることにより高温における耐摩耗性及び強度が著しくす
ぐれるもので、特にAlB₂と組合わせると強度を高める傾
向が強く、AlB₁₂と組合わせると耐摩耗性を高める傾向
が強いものである。このホウ化チタンが1vol％未満では
高温における耐摩耗性の低下が著しく、逆に5vol％を超
えて多くなると強度の低下が著しくなる。

本発明の立方晶窒化ホウ素基焼結体における高融点金属
化合物は、TiC,ZrC,HfC,TaC,NbC,VC,WC,TiN,ZrN,Ti（C,
N），（Ti,Zr）（C,N），（Ti,W）C,（Ti,Ta）C,（Ti,T
a）（C,N），（Ti,W）（C,N），（Ti,Ta,W）（C,N）な
どを具体的な例として挙げることができる。この高融点
金属化合物は、特にTiの含有した化合物、例えばTiC,Ti
N,Ti（C,N），（Ti,W）C,（Ti,W）（C,N），（Ti,Ta）
（C,N）などを主成分とすると耐摩耗性及び耐欠損性に
すぐれるもので好ましいことである。この高融点金属化
合物が3.75vol％未満になると結合相中の酸化アルミニ
ウムとの相互作用により耐摩耗性を高めるという効果が
弱くなり、逆に40vol％を超えて多くなると強度が低下
して短寿命になる。

本発明の立方晶窒化ホウ素基焼結体における金属又は合
金は、Co及び／又はNiでなる場合、又はCo及び／又はNi
を主成分として他に、例えばSb,Sn,Pb,Sc,Y,Mg,Cuなど
の立方晶窒化ホウ素の触媒となる元素もしくは他のセラ
ミックス結合相との反応性にすぐれている元素の含有し
た場合でもよく、この金属又は合金が0.1vol％未満では
結合相の強化作用が弱く、逆に2vol％を超えて多くなる
と立方晶窒化ホウ素と結合相との結合強度を低下する。

本発明の立方晶窒化ホウ素基焼結体における希土類金属
化合物は、Y,Dy,Ybの酸化物，窒化物及びこれらの相互
固溶体からなる、例えばY₂O₃，Dy₂O₃，Yb₂O₃,YN,DyN,Yb
N,Y（N,O）,Dy（N,O）,Yb（N,O），(Y,Dy)₂O₃，Y,Yb)₂O
₃，(Dy,Yb)₂O₃などを挙げることができる。また、Y,Dy,
Ybに他の希土類金属であるSc,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,G
d,Tb,Ho,Er,Tm,Luが含有している希土類金属化合物でも
よく、特にY,Dy,Ybと同一グループに分類されるTb,Ho,E
r,Tm,Luの重希土類金属がY,Dy,Ybに含有している、例え
ば(Y,Er)₂O₃，(Dy,Ho)₂O₃，(Yb,Tb)₂O₃なども次のよう
な効果を発揮するものである。この希土類金属化合物
は、焼結の促進作用をし、ホウ化アルミニウム及びホウ
化チタンと共に立方晶窒化ホウ素の粒界や他のセラミッ
クス成分の結合相粒界に侵入して焼結体の緻密化及び高
強度化に寄与するものである。この希土類金属化合物が
0.5vol％未満では上述の効果を著しく低下し、逆に5vol
％を超えて多くなると耐摩耗性の低下が著しくなる。

本発明の立方晶窒化ホウ素基焼結体における立方晶窒化
ホウ素を除いた他成分からなる結合相は、結合相の相互
間及び結合相と立方晶窒化ホウ素との相互間の結合強度
を最適にするためのもので、この結合相の組成の他に組
成比率も耐摩耗性及び強度に及ぼす影響が大きく、特に
酸化アルミニウムと高融点金属化合物との体積比が酸化
アルミニウム：高融点金属化合物＝0.5〜0.956:0.5〜0.
044の範囲にあることが好ましいことである。

この本発明の立方晶窒化ホウ素基焼結体を構成している
立方晶窒化ホウ素及び結合相は、後述する出発物を含め
た製造条件により、化学量論的化合物や非化学量論的化
合物でなっているものである。

本発明の立方晶窒化ホウ素基焼結体は、従来から行われ
ている立方晶窒化ホウ素基焼結体の製造方法により作成
することができる。例えば、出発物としての立方晶窒化
ホウ素は、平均粒径15μｍ以下の粉末、好ましくは平均
粒径５μｍ以下の粉末を用い、他の結合相となるものは
できるだけ微細なサブミクロンの粉末を用いることが好
ましく、特にAl₂O₃は焼結性の促進から微細粉末を用い
ることが必要である。

焼結体中に含有する窒化アルミニウムは、焼結工程の昇
温時における立方晶窒化ホウ素の逆変換を防止するため
に出発物中に窒化アルミニウムの粉末として混在してお
く必要があるけれども、窒化アルミニウム粉末の他にAl
粉末を出発物中に含有しておいて、焼結工程においてAl
と立方晶窒化ホウ素との相互反応から窒化アルミニウム
の１部を析出させるという方法でもよい。また、焼結体
中に含有するホウ化アルミニウムは、ホウ化アルミニウ
ム粉末を出発物とする方法、ホウ化アルミニウム粉末と
Al粉末とを出発物とする方法又はAl粉末のみを出発物と
する方法がある。ここで、Al粉末を出発物として用いて
焼結体中にホウ化アルミニウムを形成させるのは、焼結
工程でのAlと立方晶窒化ホウ素との相互反応、例えば3A
l＋2BN→2AlN＋AlB₂の反応により形成されるものであ
る。出発物としてAl粉末を用いる場合は、焼結を促進さ
せるという効果があるけれども、特にAl粉末の表面に付
着又は結合している酸素を除去するために還元処理する
など前処理をして、Al粉末とTiの含有した化合物との反
応が起らないようにすることが重要である。

さらに、焼結体中に含有するCo及び／又はNiを主成分と
する金属又は合金，希土類金属化合物，ホウ化チタン及
び高融点金属化合物は、それぞれとも焼結体中に含有さ
せる化合物からなる粉末を出発物として用いるのが焼結
体の組成及び焼結体の諸特性の安定性から好ましいこと
である。

これらの出発物を所定量に配合した後、従来の粉末冶金
法による混合，乾燥，篩別及び成形を行い、次いで従来
の高圧高温装置でもって立方晶窒化ホウ素基焼結体を作
製するとい製造方法により行うことができる。

（作用）本発明の立方晶窒化ホウ素基焼結体は、結合相中の、特
に窒化アルミニウムが立方晶窒化ホウ素の六方晶窒化ホ
ウ素への逆変換を防止する作用をし、ホウ化アルミニウ
ムとホウ化チタンとを適量に組合わせたことにより結合
相の相互間並びに結合相と立方晶窒化ホウ素との相互間
における結合強度を高める作用をし、酸化アルミニウム
と高融点金属化合物とを最適比率にしたことにより耐摩
耗性及び強度を高める作用となり、希土類金属化合物が
立方晶窒化ホウ素及び他結合相の粒界に侵入して緻密化
の促進作用をし、さらにCo及び／又はNiを主成分とする
金属又は合金により結合相の強度を高め、その結果とし
て焼結体の強度を高める作用をしているものである。

（実施例）実施例１平均粒径１μｍのCBN粉末と平均粒径0.5μｍのAl₂O₃粉
末と平均粒径１〜1.5μｍのAlN粉末，AlB₂粉末，TiB₂粉
末,Al粉末，各種の高融点金属化合物の粉末，平均粒径
0.5μｍの希土類金属化合物の粉末,Co粉末及びNi粉末を
出発物として、それぞれを所定量に配合し、この配合粉
末と超硬合金製ボールとヘキサンを超硬合金で内張りし
た混合容器に入れて混合粉砕した。混合粉砕時間は、CB
N粉末を短時間粉砕にし、 Al₂O₃粉末と希土類金属の粉末を最も長時間粉砕するよ
うな方法で行った。こうして得た混合粉末を従来の粉末
冶金の方法でもって乾燥，篩別及び成形した後、従来か
ら用いられている高圧高温装置にセットし、圧力40〜60
kb,温度1300〜1600℃，保持時間５〜15分の条件で焼結
体を作製した。こうして得た焼結体をＸ線回折法とＸ線
マイクロアナリシス法と配合組成により確認して各試料
の焼結体組成として第１表に示した。この第１表の内、
本発明品No3と本発明から外れた比較品No2は、出発物と
して１部Al粉末を使用し、他は第１表に示した成分を出
発物としたものである。また、40vol％CBN−セラミック
ス系結合相でなる市販の焼結体と、上述の方法でもって
作製した各焼結体をそれぞれ切断して超硬合金の刃先部
になるようにロー付けし、端面200φmmの面に10mm幅の
溝を２本入れたSCM435（HRC59〜61）を被削材として、
切削速度100m/min,切込み量0.25mm,送り速度0.15mm/re
v,乾式による外周断続旋削試験を行い、10分ごとに送り
速度を0.025mm/revずつ上げて欠損するまでの時間を寿
命時間とし、その５回の平均値を第１表に併記した。

実施例２平均粒径４μｍのCBN粉末と実施例１で用いた出発物に
より所定量配合した後、実施例１と同様にして焼結体を
作製した。この焼結体及び60vol％CBN−セラミックス系
結合相の市販品,80vol％CBN−セラミックス系結合相の
市販品,90vol％CBN−金属系結合相の市販品をそれぞれ
実施例１と同様にして超硬合金にロー付けして、被削
材，切削速度，切り込み量，送り速度は実施例１と同条
件で切削油を用いる湿式による外周断続旋削試験を行
い、実施例１と同様にして寿命迄の切削時間を求めた。
ここで作成した焼結体の組成及び切削試験結果を第２表
に示した。

（発明の効果）以上の結果から、本発明の立方晶窒化ホウ素基焼結体
は、本発明の焼結体組成から外れた比較品及び従来の立
方晶窒化ホウ素基焼結体に比較して耐摩耗性及び耐欠損
性にすぐれていることにより約２倍〜11倍も長寿命にな
るという効果がある。このことから、本発明の立方晶窒
化ホウ素基焼結体は、例えばNC機械用の切削工具材料又
は自動加工機用の加工工具材料として適応できる産業上
有用な材料である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２２Ｃ 29/16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】立方晶窒化ホウ素10〜80vol％と、酸化ア
ルミニウム7.5〜80vol％と、窒化アルミニウム３〜20vo
l％と、ホウ化アルミニウム１〜5vol％と、ホウ化チタ
ン１〜5vol％と、Ti,Zr,Hf,Ta,Nb,Vの炭化物，窒化物,W
の炭化物及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種
の高融点金属化合物3.75〜40vol％と、Y,Dy,Ybの酸化
物，窒化物及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも１
種を主成分とする希土類金属化合物0.5〜5vol％と、Co
及び／又はNiを主成分とする金属又は合金0.1〜2vol％
と、不可避不純物とからなることを特徴とする立方晶窒
化ホウ素基焼結体。
【請求項２】上記酸化アルミニウムと上記高融点金属化
合物は、酸化アルミニウム：高融点金属化合物＝0.5〜
0.956:0.5〜0.044の体積比であることを特徴とする立方
晶窒化ホウ素基焼結体。
【請求項３】上記酸化アルミニウムは、平均粒径が1.0
μｍ以下であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
又は第２項記載の立方晶窒化ホウ素基焼結体。