(57)【要約】【課題】  マイルドな高圧高温条件下においてもｃＢＮ粒子の焼結が促進され、高純度でかつ十分強固に焼結したｃＢＮ焼結体（多結晶体）を提供すること。【解決手段】  立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法において、原料の立方晶窒化硼素粉末の表面を、水素中におけるプラズマ処理により高純度化、安定化させることを特徴とする立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法において、原料の立方晶窒化硼素粉末の表面を、水素中におけるプラズマ処理により高純度化、安定化させることを特徴とする立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は緻密微細な多結晶構造を有する立方晶窒化硼素焼結体の製造方法に関するもので、特に鉄系材料の切削加工に用いることのできる、高硬度高強度で熱的特性に優れたバインダーを含まない立方晶窒化硼素多結晶体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
立方晶窒化硼素（以下ｃＢＮと略す）は、ダイヤモンドに次ぐ硬度を有し、熱的化学的安定性の高い物質であり、従来からよく知られているように鉄系材料の切削工具として幅広く用いられている。
【０００３】
ｃＢＮは、ｈＢＮなどの常圧型ＢＮを超高圧高温下で、無触媒で合成（直接変換）することが可能である。このｈＢＮ→ｃＢＮ変換と同時に焼結させることで、バインダーを含まないｃＢＮ焼結体を作製できることが知られている。
例えば、特許文献１や特許文献２には、ｈＢＮを超高圧高温でｃＢＮに変換させ、ｃＢＮ焼結体を得る方法が示されている。しかし、十分強固な焼結体を得るためには、７ＧＰａ、２１００℃以上の厳しい圧力温度条件が必要とされ、工業生産するには、コストや生産性に問題がある。また、特許文献３や特許文献４には熱分解窒化硼素（ｐＢＮ）原料にして、ｃＢＮ焼結体を作製する方法が示されている。この場合も強固なｃＢＮ焼結体を得るためには、２０００℃以上の温度を要し、上記と同様の問題があるほかに、原料ｐＢＮは極めて高価あること、圧縮ｈＢＮが残留しやすいこと、配向（異方）性が強くて層状亀裂や剥離の問題が生じやすいことなどの問題がある。
【０００４】
よりマイルドな条件で直接変換によりｃＢＮを得る方法としては、例えば、特許文献５に、一次粒子の平均粒径が３μｍ以下の六方晶系窒化硼素を原料とする方法が示されている。これにより６ＧＰａ、１１００℃の条件でｃＢＮが得られるが、六方晶窒化硼素が微粉であるため、数％の酸化硼素不純物や吸着ガスを含み、そのため焼結が十分に進行せず、また、酸化物を焼結体内に多く含むため、高硬度、高強度で耐熱性に優れた焼結体が得られず、切削工具に用いることができない。
【特許文献１】特開昭４７−３４０９９号公報
【特許文献２】特開平３−１５９９６４号公報
【特許文献３】特公昭６３−３９４号公報
【特許文献４】特開平３−１５９９６４号公報
【特許文献５】特公昭４９−２７５１８号公報
【非特許文献１】T. Taniguchi, M. Akaishi, S. Yamaoka, "The 3rd NIRIM International Symposium on Advanced Materials "(ISAM'96), pp.275-280
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ｃＢＮ粒子（粉末）はこれを単独で直接焼結することは非常に困難であるため、一般に切削工具として用いられているｃＢＮ焼結体は、Ａｌ、Ｃｏなどの金属、ＴｉＣやＴｉＮなどのセラミックスを結合材として用いてｃＢＮの粉末を超高圧下で焼結して製造されている。このため一般に市販されているｃＢＮ焼結体には１０〜４０体積％程度の上記結合材が含まれる。この結合材が、焼結体の強度、耐熱性、熱放散性に大きく影響を与え、特に鉄系材料を高速で切削加工する場合に、刃先の欠損や亀裂が生じやすく、工具としての寿命が非常に短くなる。焼結体に結合材が含まれている限り、このような問題は避けられない。
【０００６】
一方、バインダーを含まないｃＢＮ焼結体として、硼窒化マグネシウムなどの触媒を用いて六方晶窒化硼素（ｈＢＮ）を原料として、反応焼結させた焼結体が知られている。この焼結体はバインダーがなくｃＢＮ粒子が強く結合しているため熱伝導率が６〜７Ｗ／ｃｍ℃と高く、ヒートシンク材やＴＡＢボンディングツールなどに用いられている。しかし、この焼結体の中には触媒がいくらか残留しているため、熱を加えるとこの触媒とｃＢＮとの熱膨張差による微細クラックが入りやすい。このため、その耐熱温度は７００℃程度と低く、切削工具としては大きな問題となる。また、粒径が１０μｍ前後と大きいため、熱伝導率が高いものの、強度が十分でなく、負荷の大きい断続的な切削には対応できない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、例えば、６〜６．５ＧＰａ，１８００〜２０００℃といったかなりマイルドな高圧高温条件においてもｃＢＮ粒子の焼結が促進され、高純度でかつ十分強固に焼結したｃＢＮ焼結体（多結晶体）を提供することにある。
【０００８】
非特許文献１に示されているように、ｃＢＮの粉末を高温高圧で直接焼結するには７．７ＧＰａ以上、２３００℃以上の非常に高い圧力温度条件が必要なため、コストや生産性に問題があり、そして、このような高い圧力温度が必要である主な原因は、１）ｃＢＮが非常に高硬度で、かつ融点が高いため、これより緩い圧力温度では、原子拡散が不十分となり、十分強固な粒子間結合が得られなくなること、２）原料のｃＢＮ粒子の表面には酸化硼素の膜や酸素を含むガスが吸着されており、この酸化物や吸着ガスは焼結の進行を少なからず妨げること、にあると考えられるので本発明はかかる原因を取り除くことを第２の目的とする。なおここで、ｃＢＮ粉末の表面に形成されている酸化硼素や吸着ガスを除去するため、たとえば前記非特許文献においては真空中で１０００℃の高温熱処理が行われている。このような処理によってｃＢＮ粉末表面は清浄化されるものの、非常に活性の高い表面状態となり、熱処理後空気中に取り出した際に急速に酸化、吸着が起こり、これが焼結を阻害する要因となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は、上記の目的を達成するため鋭意努力した結果、原料としてのｃＢＮ粉末を水素気流中でプラズマ状態で高温処理することで酸素が有効に除去され、同時に表面が水素原子で終端されて、安定した表面状態とすることができるという知見を得、これを原料として用いることで、６〜６．５ＧＰａ、１８００〜２０００℃というかなりマイルドな高圧高温条件においてもｃＢＮ粒子の焼結が促進され、高純度でかつ十分強固に焼結したｃＢＮ焼結体（多結晶体）が得られることを見出した。水素中、好ましくは水素気流中におけるプラズマ処理により、焼結を阻害する酸化物や吸着ガスがｃＢＮ粉末表面より完全に除去され、かつ表面に形成された水素が触媒となって上記のようなマイルドな高圧高温条件下でもｃＢＮ粒子間の原子移動→焼結のプロセスが促進されたものと思われる。ここで、水素中プラズマ処理後のｃＢＮ粉末表面は水素原子が終端されているため安定な状態にあり、炉から取り出す際に酸化やガスの吸着の問題は起こらない。  
【００１０】
こうして得られたｃＢＮ多結晶体は、高硬度で、かつ従来のような金属やセラミックスなどの結合材を含まないため、熱的安定性や耐熱亀裂性にも優れている。このため、切削工具として非常に優れた性能を有すると考えられ、切削試験を行った。その結果、従来の結合材を含むｃＢＮ焼結体に比べて、耐摩耗性が２倍以上優れていることを確認し、本発明に至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法において、原料の立方晶窒化硼素粉末の表面を、水素中におけるプラズマ処理により高純度化、安定化させることを特徴とする立方晶窒化硼素多結晶体の製造方法である。本発明におけるプラズマ処理は、常法に従い、マイクロ波放電（例えば、２．４５ＧＨｚ）又は高周波放電（ラジオ波放電、例えば１３．５６ＭＨｚ）等によりプラズマを発生させることにより行う。
【００１２】
本発明の方法は、バインダーを含まないｃＢＮ焼結体に好適に適用されることはいうまでもないが、バインダーを含むｃＢＮ焼結体にも適用することができる。水素プラズマ処理によりｃＢＮ粉末表面が清浄化されているため、バインダーを含む系での焼結においても有効に作用して焼結性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ｃＢＮ粒子を水素気流中でプラズマ状態で高温処理することで酸素が効果的に除去され、同時に表面が水素原子で終端されて安定した表面状態が得られる。こうして得られたｃＢＮ多結晶体は高硬度で熱的安定性、耐熱亀裂性にも優れており、切削工具とした場合に優れた性能を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
０．１〜１０μｍ、好ましくは１〜３μｍの粒径を有するｃＢＮ粉末をマイクロ波反応装置で１〜２００ｔｏｒｒ減圧、好ましくは５０〜１５０ｔｏｒｒ減圧の水素気流中で５００〜１５００℃、好ましくは９００〜１３００℃の温度でマイクロ波プラズマ（例えば２．４５ＧＨｚ）による水素プラズマ処理を１〜６０分間行う。処理後の粉末を攪拌して同一条件で処理することを複数回、好ましくは２〜１０回繰り返す。これをＭｏカプセルに入れてベルト型超高圧発生装置を用いて、６〜６．５ＧＰａ、１８００〜２０００℃の温度で５〜６０分間処理する。こうすることによりｃＢＮ粒子が強固に結合した多結晶体が得られる。この多結晶体を用いて行った切削テストでは市販のバインダーを含むｃＢＮ焼結体に比べ２倍以上の工具寿命を発揮する。
以下、実施例を挙げて本発明のｃＢＮ焼結体を具体的に説明するが本発明はこれに限定されるものではない。
【実施例】
【００１５】
（実施例１）
１−３μｍのｃＢＮ粉末を、マイクロ波反応装置で、１００ｔｏｒｒの減圧水素気流中、１０００℃でマイクロ波プラズマによる水素プラズマ処理を３０分行った。処理後の粉末を撹拌して同じ条件で処理することを３回繰り返した。これをＭｏカプセルに入れてベルト型超高圧発生装置を用いて、６．５ＧＰａ、２０００℃の温度で１５分間処理した。ｃＢＮ粒子が強固に焼結した多結晶体が得られた。この多結晶体を用いて切削テストを行ったところ、市販のバインダーを含むｃＢＮ焼結体に比べ、２倍以上の工具寿命を有することがわかった。
【００１６】
（比較例１）
１−３μｍのｃＢＮ粉末を、１０-3ｔｏｒｒの真空中１０００℃で１時間処理した。これを実施例１と同じ条件で高圧高温処理した。得られた多結晶体は焼結が不十分で、切削テストに耐えるものでなかった。
【００１７】
（実施例２）
１〜３μｍのｃＢＮ粉末を、マイクロ波反応装置で、１００ｔｏｒｒの減圧水素気流中、１０００℃でマイクロ波プラズマによる水素プラズマ処理を３０分行った。処理後の粉末を攪拌して同じ条件で処理することを６回繰り返した。これをＭｏカプセルに入れてベルト型超高圧発生装置を用いて、６．５ＧＰａ、１９００℃の温度で１５分間処理した。ｃＢＮ粒子が強固に焼結した多結晶体が得られた。この多結晶体を用いて切削テストを行ったところ、市販のバインダーを含むｃＢＮ焼結体に比べ、２倍以上の工具寿命を有することがわかった。
【００１８】
（実施例３）
１〜３μｍのｃＢＮ粉末を、マイクロ波反応装置で、１００ｔｏｒｒの減圧水素気流中、１３００℃でマイクロ波プラズマによる水素プラズマ処理を３０分行った。処理後の粉末を攪拌して同じ条件で処理することを３回繰り返した。これをＭｏカプセルに入れてベルト型超高圧発生装置を用いて、６．５ＧＰａ、１８００℃の温度で１５分間処理した。ｃＢＮ粒子が強固に焼結した多結晶体が得られた。この多結晶体を用いて切削テストを行ったところ、市販のバインダーを含むｃＢＮ焼結体に比べ、２倍以上の工具寿命を有することがわかった。