(57)【要約】【課題】  高硬度かつ高強度であり、さらに熱的特性や耐摩耗性に優れた六方晶窒化硼素焼結体およびその製造方法を提供すること。【解決手段】  本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と結合材とを含む立方晶窒化硼素焼結体であって、１０００℃で荷重１ｋｇｆにおけるピッカース硬度が９００以上であり、原料としての立方晶窒化硼素粉末を真空中で１４００℃〜１６００℃の範囲内で熱処理する工程であるかまたは原料としての立方晶窒化硼素粉末をアンモニア気流中で熱処理する工程と、立方晶窒化硼素粉末と結合材とを混合する工程と、前記混合物を所定圧力および所定温度の条件下で焼結する工程とを含む製造方法により製造される。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶窒化硼素と結合材とを含む立方晶窒化硼素焼結体であって、
１０００℃で荷重１ｋｇｆにおけるビッカース硬度が９００以上であることを特徴とする、立方晶窒化硼素焼結体。
【請求項２】
立方晶窒化硼素と結合材とを含む立方晶窒化硼素焼結体であって、
１０００℃で荷重１ｋｇｆにおけるビッカース硬度が１２００以上であることを特徴とする、立方晶窒化硼素焼結体。
【請求項３】
前記結合材は、周期律表のＶＩＩＩ族元素、ＷおよびＡｌからなる群より選択される元素の単体、固溶体、金属間化合物、硼化物、窒化物または炭化物のいずれか１つ以上を含む、請求項１または２に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
【請求項４】
前記結合材は、周期律表のＩＶ〜ＶＩ族金属からなる群より選択される元素の単体、固溶体、窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物または硼窒化物のいずれか１つ以上を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体。
【請求項５】
前記立方晶窒化硼素は、原料としての立方晶窒化硼素粉末を真空中で１４００℃〜１６００℃の範囲内で熱処理されて作製されたものであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体。
【請求項６】
前記立方晶窒化硼素は、原料としての立方晶窒化硼素粉末をアンモニア気流中で熱処理されたものであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体を、酸により処理した後の抗折強度が、１００ｋｇｆ／ｍｍ２以上であることを特徴とする、立方晶窒化硼素焼結体。
【請求項８】
立方晶窒化硼素と結合材とを含む立方晶窒化硼素焼結体の製造方法であって、
原料としての立方晶窒化硼素粉末を真空中で１４００℃〜１６００℃の範囲内で熱処理する工程と、
立方晶窒化硼素粉末と結合材とを混合する工程と、
前記混合物を所定圧力および所定温度の条件下で焼結する工程とを含む、立方晶窒化硼素焼結体の製造方法。
【請求項９】
立方晶窒化硼素と結合材とを含む立方晶窒化硼素焼結体の製造方法であって、
原料としての立方晶窒化硼素粉末をアンモニア気流中で熱処理する工程と、
立方晶窒化硼素粉末と結合材とを混合する工程と、
前記混合物を所定圧力および所定温度の条件下で焼結する工程とを含む、立方晶窒化硼素焼結体の製造方法。
【請求項１０】
前記結合材は、周期律表のＶＩＩＩ族元素、ＷおよびＡｌからなる群より選択される元素の単体、固溶体、金属間化合物、硼化物、窒化物または炭化物のいずれか１つ以上を含むことを特徴とする、請求項８または９の立方晶窒化硼素焼結体の製造方法。
【請求項１１】
前記結合材は、周期律表のＩＶ〜ＶＩ族金属からなる群より選択される元素の単体、固溶体、窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物または硼窒化物のいずれか１つ以上を含むことを特徴とする、請求項８または９に記載の立方晶窒化硼素焼結体の製造方法。
【請求項１２】
前記混合する工程後、前記焼結する工程の前に、炭素、窒素および水素からなる化合物を前記混合物に添加する工程をさらに含む、請求項８〜１１のいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立方晶窒化硼素焼結体およびその製造方法に関し、より詳細には、高硬度かつ高強度であり、さらに熱的特性にも優れた立方晶窒化硼素焼結体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
立方晶窒化ホウ素（以下ｃＢＮと称す）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、従来から鉄系材料の切削工具として幅広く用いられている。
【０００３】
ｃＢＮ粒子（粉末）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％程度の上記バインダが含まれる。
【０００４】
たとえば、下記特許文献１には、Ｃｏなどの金属を触媒としてｃＢＮ同士を結合させ焼結体を得ることが開示されている。
【０００５】
当該文献に開示されているような、従来のｃＢＮ焼結体では、ｃＢＮ同士の結合力が不十分であった。特に刃先温度の高くなる鋳鉄の高速切削や、焼き入れ鋼の切削などにおいては、刃先の硬度低下によって切削性能が低下することが問題であった。
【特許文献１】特公昭５７−５９２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来の技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、高硬度かつ高強度であり、さらに熱的特性や耐摩耗性に優れた六方晶窒化硼素焼結体およびその製造方法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】
【０００７】
本発明のある局面にしたがえば、立方晶窒化硼素と結合材とを含む立方晶窒化硼素焼結体であって、１０００℃で荷重１ｋｇｆにおけるビッカース硬度が９００以上であることを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体が提供される。
【０００８】
本発明の別の局面にしたがえば、立方晶窒化硼素と結合材とを含む立方晶窒化硼素焼結体であって、１０００℃で荷重１ｋｇｆにおけるビッカース硬度が１２００以上であることを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体が提供される。
【０００９】
好ましくは、結合材は、周期律表のＶＩＩＩ族元素、ＷおよびＡｌからなる群より選択される元素の単体、固溶体、金属間化合物、硼化物、窒化物または炭化物のいずれか１つ以上を含む。
【００１０】
好ましくは、結合材は、周期律表のＩＶ〜ＶＩ族金属からなる群より選択される元素の単体、固溶体、窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物または硼窒化物のいずれか１つ以上を含む。
【００１１】
好ましくは、立方晶窒化硼素は、原料としての立方晶窒化硼素粉末を真空中で１４００℃〜１６００℃の範囲内で熱処理されて作製されたものであることを特徴とする。
【００１２】
好ましくは、立方晶窒化硼素は、原料としての立方晶窒化硼素粉末をアンモニア気流中で熱処理されたものである。
【００１３】
好ましくは、上記の立方晶窒化硼素焼結体を、酸により処理した後の抗折強度が、１００ｋｇｆ／ｍｍ２以上である。
【００１４】
本発明の別の局面にしたがえば、立方晶窒化硼素と結合材とを含む立方晶窒化硼素焼結体の製造方法であって、原料としての立方晶窒化硼素粉末を真空中で１４００℃〜１６００℃の範囲内で熱処理する工程と、立方晶窒化硼素粉末と結合材とを混合する工程と、混合物を所定圧力および所定温度の条件下で焼結する工程とを含む立方晶窒化硼素焼結体の製造方法が提供される。
【００１５】
本発明のさらに別の局面にしたがえば、立方晶窒化硼素と結合材とを含む立方晶窒化硼素焼結体の製造方法であって、原料としての立方晶窒化硼素粉末をアンモニア気流中で熱処理する工程と、立方晶窒化硼素粉末と結合材とを混合する工程と、混合物を所定圧力および所定温度の条件下で焼結する工程とを含む立方晶窒化硼素焼結体の製造方法が提供される。
【００１６】
好ましくは、結合材は、周期律表のＶＩＩＩ族元素、ＷおよびＡｌからなる群より選択させる元素の単体、固溶体、金属間化合物、硼化物、窒化物または炭化物のいずれか１つ以上を含む。
【００１７】
好ましくは、結合材は、周期律表のＩＶ〜ＶＩ族金属からなる群より選択される元素の単体、固溶体、窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物または硼窒化物のいずれか１つ以上を含む。
【００１８】
好ましくは、混合する工程後、焼結する工程の前に、炭素、窒素および水素からなる化合物を前記混合物に添加する工程をさらに含む。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の六方晶窒化硼素焼結体およびその製造方法によれば、ｃＢＮ同士の結合およびｃＢＮと結合材との結合を強固にすることができ、これにより高温においても硬度が高い。よって、鋳鉄の高速切削や、焼入鋼の切削などにおいても優れた切削特性を示すものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と結合材とを含む立方晶窒化硼素焼結体であって、１０００℃で荷重１ｋｇｆにおけるビッカース硬度が９００以上である。好ましくは、１０００℃で荷重１ｋｇｆにおけるビッカース硬度が１２００以上である。
【００２１】
これにより、工具刃先温度が６００℃〜１０００℃になるといわれる鋳鉄の高速切削や焼入鋼の切削において、刃先が高い硬度を維持できるため、優れた切削性能を発揮する。
【００２２】
本発明において、このような特性を有する立方晶窒化硼素焼結体を得るためには、次の製造方法を用いることができる。
【００２３】
すなわち、本発明の立方晶窒化硼素焼結体によれば、立方晶窒化硼素と結合材とを含む立方晶窒化硼素焼結体の製造方法であって、原料としての立方晶窒化硼素粉末を真空中で１４００℃〜１６００℃の範囲内で熱処理する工程と、立方晶窒化硼素粉末と結合材とを混合する工程と、前記混合物を所定圧力および所定温度の条件下で焼結する工程とを含む。
【００２４】
また、上記製造方法において、原料としての立方晶窒化硼素粉末は、アンモニア気流中で熱処理する工程とすることもできる。
【００２５】
このような製造方法を用いて、立方晶窒化硼素焼結体を製造することにより、上述した優れた特性を有する立方晶窒化硼素焼結体を得ることができる。
【００２６】
以下、本発明の立方晶窒化硼素焼結体およびその製造方法について詳細に説明する。
＜立方晶窒化硼素粉末＞
本発明において、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）焼結体において、原料として用いるｃＢＮ粉末は、特に限定されないが、研磨剤として市販されている高圧合成ｃＢＮパウダーを用いることができる。
【００２７】
＜結合材＞
本発明において、結合材は、ｃＢＮ同士を強固に焼結させる作用を有する。このような結合材としては、周期律表のＶＩＩＩ族元素、ＷおよびＡｌからなる群より選択させる元素の単体、固溶体、金属間化合物、硼化物、窒化物または炭化物のいずれか１つ以上を含む結合材（第一結合材）を用いることができる。
【００２８】
また、本発明においては、上記の結合材以外に、周期律表のＩＶ〜ＶＩ族金属よりなる群より選択される元素の単体、固溶体、窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物または硼窒化物のいずれか１つ以上を含む結合材（第二結合材）を用いることができる。
【００２９】
本発明において、第一結合材を用いて焼結する場合、当該第一結合材に属する材料には、ｃＢＮ同士を強固に結合させるという作用・機能が共通するので、第一結合材に属する材料を用いた結合材を用いることにより、本発明の効果を達成することができる。
【００３０】
第一結合材の具体例としては、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ａｌ，ＷＣ，ＣｏＡｌを挙げることができる。
【００３１】
本発明において、第二結合材を用いて焼結する場合、当該第二結合材に属する材料には、結合材の融点を上昇させるという作用・機能が共通するので、第二結合材に属する材料を用いた結合材を用いることにより、本発明の効果を達成することができる。
【００３２】
第二結合材の具体例としては、ＣｒＮ、Ｔｉ、ＺｒＣを挙げることができるが、これに限定されるわけではない。
【００３３】
＜ｃＢＮ粉末の処理＞
本発明において、ｃＢＮ粉末は、結合材と混合する前に前処理を行うことを特徴とする。これにより、ｃＢＮの表面の酸素を除去し、結合を促進させることができる。
【００３４】
このような前処理は、具体的には次のとおりである。すなわち、原料としてのｃＢＮ粉末を真空中で１４００℃〜１６００℃の範囲内で熱処理する。これにより、ｃＢＮ粉末の表面に存在する、焼結を阻害するおそれのある酸化物を除去することができるからである。また、ｃＢＮの表面をｈＢＮに変換することができるからである。ｃＢＮの表面をわずかにｈＢＮへ変換しておくことで、焼結時に容易にｃＢＮへ変換し、ｃＢＮ同士の結合およびｃＢＮと結合材との結合を促進することができるものである。
【００３５】
ここで、上記温度の範囲を１４００℃〜１６００℃の範囲内とした理由は、表面をわずかにｈＢＮに変換するのに適しているからである。
【００３６】
また、本発明において、上記のｃＢＮ粉末の処理は、原料としてのｃＢＮ粉末をアンモニア気流中で熱処理する処理であることにも特徴を有する。これにより、アンモニアが有する還元特性により、低温でｃＢＮの表面に存在する酸化物を除去することができる。これにより、焼結時にｃＢＮ同士の結合およびｃＢＮと結合材との結合を促進させることができる。
【００３７】
当該アンモニア処理の際の温度は、６００℃以上１４００℃以下であることが好ましい。理由は、温度が高いほうが還元効果を得ることができるが、高すぎるとｈＢＮへ逆変換が生じてしまうためである。
【００３８】
＜化合物の添加＞
また、本発明において、原料としてのｃＢＮ粉末に、炭素、窒素および水素からなる化合物を、結合材とともにｃＢＮ粉末に添加して混合し、焼結することとができる。これにより、ｃＢＮ表面に不純物として存在するＢ２Ｏ３等の酸化物や吸着ガスの酸素が、当該化合物中に含まれる炭素により還元除去されるとともに、当該化合物中に含まれる窒素および水素が触媒として機能し、ｃＢＮ同士の結合を促進することができる。
【００３９】
当該化合物としては、飽和または不飽和であってもよく、低級でも高級であってもよい。また、直鎖状であっても分岐鎖状であってもよい。ただし、当該化合物は、ｃＢＮの焼結の際に揮発することが必要である。また、当該化合物中には、アミノ基および／またはシアノ基を含有することが好ましい。
【００４０】
ここで、ｃＢＮの焼結の際に揮発性であることを必要とする理由は、処理の際に当該化合物が気体として存在していないと、ｃＢＮ表面での酸素不純物除去作用が充分でなく、また、水素やアミノ基などの触媒物質が、ｃＢＮ表面に充分に作用しないためである。
【００４１】
好ましくは、上記化合物は、ｃＢＮの焼結の際に、炭素遊離基、水素遊離基および窒素遊離基として存在することが好ましい。これにより炭素による酸化物除去作用をより確実に得ることができ、水素または、水素および窒素による触媒作用をより確実に得ることができるためである。
【００４２】
本発明において、このような炭素、窒素および水素からなる化合物としては、メラミン、ジシアンジアミドおよびシアナミド等を挙げることができ、これらを単独または複数組み合わせて用いることができる。
【００４３】
本発明において、炭素、窒素および水素からなる化合物の添加量は、ｃＢＮ粉末の質量に対して、３質量％以下であることが好ましい。３質量％を超えると、炭素物質が粒界に残留して、焼結体の強度や硬度が大きく低下してしまうためである。より好ましくは、１質量％以下である。
【００４４】
＜焼結＞
本発明において、上述したように、原料としてのｃＢＮ粉末と結合材とを混合して、この混合物を所定圧力条件および所定温度条件下で焼結するものである。ここで、所定圧力および所定温度はｃＢＮが熱力学的に安定である条件である。
【００４５】
具体的には、上記所定の温度は、１０００℃以上２０００℃以下の範囲内であることが好ましい。１０００℃未満であると、ｃＢＮの焼結が不十分となるおそれがあるためである。また、２０００℃を超えると、量産時のコストが高くなるという問題が生じるおそれがあるためである。より好ましくは、１２００℃以上１６００℃以下である。
【００４６】
また、上記所定の圧力は、４ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下であることが好ましい。４ＧＰａ未満であると、ｃＢＮの焼結が不十分となるおそれがあるためであり、１０ＧＰａを超えると、量産技術が一般に確立されていないため問題となり得る。より好ましくは、４ＧＰａ以上６ＧＰａ以下である。
【００４７】
また、本発明において、焼結に要する時間は特に制限されるものではなく、用いる結合材や上記化合物によって適宜設定することが好ましいが、たとえば、安定した焼結体を得るためには、数分以上保持することが好ましい。
【００４８】
＜焼結体の特性＞
本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、１０００℃で荷重１ｋｇｆにおけるビッカース硬度が９００以上である。好ましくは、１０００℃で荷重１ｋｇｆにおけるビッカース硬度が１２００以上である。
【００４９】
このような特性を有するｃＢＮ焼結体は、上述したとおりの材料、製造方法および条件により達成されるものである。
【００５０】
特に、本発明において、１０００℃での荷重１ｋｇｆにおけるビッカース硬度が９００以上であると、ほとんどの鋼材料の硬度が１０００℃では２００以下となることから、優れた耐摩耗性を示すものである。
【００５１】
このようなビッカース硬度は、ＪＩＳ  Ｒ  １６２３に記載の方法で、１０００℃、荷重１ｋｇ重の条件下で測定することができる。
【００５２】
また、本発明において、本発明の製造方法により製造した立方晶窒化硼素焼結体を、酸により処理した後の抗折強度が、１００ｋｇｆ／ｍｍ２以上であることを特徴とする。抗折強度が１００ｋｇｆ／ｍｍ２以上有することで、ｃＢＮ同士の結合が一般的なセラミックスよりも高いため、優れた耐摩耗性を示すことができる。
【００５３】
このような抗折強度を得るためには、上述したように、ｃＢＮ粉末を焼結する前に、アンモニアによる処理および／または真空中で１４００℃〜１６００℃の範囲内で熱処理することにより得ることができるものである。
【００５４】
ここで、酸による処理とは、容器内の圧力が調節され得る容器内に酸とｃＢＮ焼結体とを密閉して、所定の温度で所定時間保持する処理を行うことにより、結合材成分を溶出させ、残存した主としてｃＢＮからなる成分（以下、酸処理体）を得る処理である。
【００５５】
上記抗折強度は、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１で定義されている試料寸法を、幅３ｍｍ×長さ６ｍｍ×厚さ０．４〜０．４５ｍｍとし、下部支点間距離を４ｍｍとして測定することができる。
【００５６】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるわけではない。
【実施例１】
【００５７】
（実施例１〜９；比較例１〜３）
原料として、平均粒径２μｍのｃＢＮ粉末を、１×１０−３Ｐａの真空下で１３００〜１７００℃の範囲内の温度にて６０分間熱処理を行った。得られたｃＢＮ粉末と、表１に示した組成に調整した結合材とを、超硬合金製容器に充填し、６ＧＰａの圧力のもと１５００℃で焼結した。
【００５８】
【表１】
2006347850.tif 000002
【００５９】
次に、得られたｃＢＮ焼結体の特性の評価を行った。結果を表２に示す。なお、焼結体の組成はＸＲＤを用いて同定した。また、高温硬度は、高温顕微鏡（日本光学工業製ＱＭ−２）を用いて真空下１０００℃にて測定した。
【００６０】
また、６ｍｍ×３ｍｍの寸法で厚さ０．４〜０．４５ｍｍの範囲内に加工した後、濃度が６０％以上６５未満の硝酸を２倍希釈したもの４０ｍｌと、濃度が４０％以上４５％以下のフッ化水素酸１０ｍｌとを混合したフッ硝酸と、ｃＢＮ焼結体とを、圧力容器に密閉し、１２０℃以上１５０℃未満の温度範囲で４８時間保持し、結合材成分を溶出させた。
【００６１】
得られた主としてｃＢＮからなる酸処理体の抗折強度試験を上述の方法で行った。結果を表２に示す。
【００６２】
さらに、上記のようにして製造したｃＢＮ焼結体を刃先として、ＩＳＯ規格ＳＮＧＮ１２０４０８形状の切削チップを作製し、表２に示す条件で切削試験を行った。この結果も表２に示す。
【００６３】
【表２】
2006347850.tif 000003
【００６４】
表２の結果より、本発明のｃＢＮ焼結体は、優れた高温硬度を示すために、優れた切削性能を示すことがわかる。
【００６５】
（実施例１０〜１１）
原料としての、平均粒径２μｍのｃＢＮ粉末に、周囲雰囲気において純度９９％のアンモニアを５Ｌ／分ずつ流しながら、１０００℃にて６０分間熱処理を行った。得られたｃＢＮ粉末と、表３に示した組成に調整した結合材とを、超硬合金製容器に充填し、６ＧＰａの圧力のもと１５００℃で焼結した。
【００６６】
【表３】
2006347850.tif 000004
【００６７】
この焼結体について、実施例１と同様の手順で同様の試験を行った。結果を表４に示す。
【００６８】
【表４】
2006347850.tif 000005
【００６９】
表４の結果より、ｃＢＮ粉末を焼結させる前にアンモニアによる処理を行った場合でも、優れた高温硬度を示し、優れた切削性能を示すことがわかる。
【００７０】
（実施例１２〜１４；比較例４）
原料としての、平均粒径２μｍのｃＢＮ粉末と、表５に示した組成に調整した結合材、さらに添加物を混合し、超硬合金製容器に充填し、６ＧＰａの圧力のもと１５００℃で焼結した。
【００７１】
【表５】
2006347850.tif 000006
【００７２】
得られた焼結体について、実施例１と同様の手順で同様の試験を行った。結果を表６に示す。
【００７３】
【表６】
2006347850.tif 000007
【００７４】
表６の結果より、添加物により粉末の処理と同様に切削性能が向上するということがわかる。
【００７５】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。