(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶窒化硼素を主成分とする焼結体であって、焼結体中にＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉからなる群のいずれか１種以上の元素が含まれ、その濃度がｗｔ％で５０ｐｐｂ以上１００ｐｐｍ以下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】
立方晶窒化硼素を主成分とする焼結体であって、焼結体中にＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉからなる群のいずれか１種以上の元素が含まれ、その濃度がｗｔ％で５０ｐｐｂ以上１０ｐｐｍ以下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】
前記立方晶窒化硼素の平均粒径が０．５μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
【請求項４】
前記立方晶窒化硼素が体積含有率で７０％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一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焼結体の熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
【請求項６】
立方晶窒化硼素を主成分とする焼結体であって、該立方晶窒化硼素焼結体が周期律表のIV、VI、VIII〜Ｘ族元素及び、Ａｌからなる群より選択される元素の単体、相互固溶体、炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物及び、酸化物のいずれか一つ以上を含む請求項１〜５のいずれか一に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
【請求項７】
ＨＦ、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＩから成るハロゲン化水素の水溶液であるハロゲン化水素酸中で立方晶窒化硼素粉末を加熱処理した後に焼結することを特徴とする請求項１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、立方晶型窒化硼素（ｃＢＮ）を含有する焼結体（以下、ｃＢＮ焼結体と記す）及びその製造方法に関するものであり、より詳しくは寿命に優れる立方晶型窒化硼素焼結体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ｃＢＮ（ｃｕｂｉｃ  ｂｏｒｏｎ  ｎｉｔｒｉｄｅ）は、ダイヤモンドに次ぐ硬度・熱伝導率を有し、ダイヤモンドと比較し、鉄系金属との反応性が低いという特徴を有し、焼入鋼や鋳鉄の切削にはこのｃＢＮを含有するｃＢＮ焼結体が多用されている。焼入鋼切削にはＴｉセラミックス系の結合材中にｃＢＮ粒子が離散した構造の焼結体が有用である。
【０００３】
一方難削材の切削には、ｃＢＮの高硬度、高熱伝導率という特徴を最大限に生かした、ｃＢＮ粒子の含有率が高く粒子同士が接触・反応した骨格構造を持つｃＢＮ焼結体が適用される。工具材質の熱伝導率が高いと刃先温度の上昇を抑制することができるため、工具材質の温度変化による強度低下を軽減でき、工具寿命が向上する。例えば特許文献１に示されるように、Ａｌ系合金を触媒としてｃＢＮ粒子同士を反応、結合させて焼結されるｃＢＮ焼結体が知られている。また、特許文献２では、Ａｌ系合金の組成を調整することにより焼結性を向上させ比較的低圧でもｃＢＮ焼結体を得る方法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献３で、ｃＢＮ粒子とＡｌのみから生成され、ｃＢＮと、ｃＢＮとＡｌ間の反応生成物である窒化アルミニウムおよび二硼化アルミニウムからなっている、ｃＢＮ粒子同士が互いに結合した骨格構造を持つ焼結体を製造する方法が開示されている。
【０００５】
しかしながら、ｃＢＮの含有率が高く骨格構造を有した焼結体を得るためには、ｃＢＮ粒子同士が接触するため、ｃＢＮ粒子同士を反応させて焼結する必要があるが、触媒を用いてもｃＢＮ粒子が高圧下においても２０００℃程度までの温度域では安定なため反応しにくく、ｃＢＮ粒子間の反応部分に欠陥が多数導入されている、あるいは接触のみで未反応部分が残る場合が多く、工具として使用した場合に欠損や粒子脱落の起点となり、十分な工具寿命が得られない。
【０００６】
また、触媒作用を持つ金属が焼結体内のｃＢＮ骨格構造の間に金属としても残存する為、切削時の刃先温度に相当する高温下では極端に機械強度が低下してしまい市場の望む工具寿命が得られていない。
【特許文献１】特公昭５２−４３８４６号公報
【特許文献２】特公昭５７−５９２２８号公報
【特許文献３】特公昭６３−２０７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、ｃＢＮ含有率の高い焼結体の上記の問題点を解決し、高硬度・高熱伝導率といったｃＢＮの特性を十分に発揮でき、難削材の高速切削にも適用でき、長い工具寿命を達成可能な高硬度焼結体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは鋭意研究の結果、ハロゲン化水素に優れた触媒効果があり、ｃＢＮ粒子の固相焼結で粒子間に強固な結合生成を促進し、強靭なｃＢＮ焼結体を生成する効果があることを見出した。また、その効果はｃＢＮが安定な領域よりも低温低圧においても効果を
発揮し、工業的に安価な高強度立方晶窒化硼素焼結体を得ることができた。すなわち、本発明は以下の構成を採用する。
【０００９】
（１）立方晶窒化硼素を主成分とする焼結体であって、焼結体中にＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉからなる群のいずれか１種以上の元素が含まれ、その濃度がｗｔ％で５０ｐｐｂ以上１００ｐｐｍ以下であることを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体。
（２）立方晶窒化硼素を主成分とする焼結体であって、焼結体中にＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉからなる群のいずれか１種以上の元素が含まれ、その濃度がｗｔ％で５０ｐｐｂ以上１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体。
（３）前記立方晶窒化硼素の平均粒径が０．５μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
（４）前記立方晶窒化硼素が体積含有率で７０％以上であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
（５）前記立方晶窒化硼素焼結体の熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
（６）立方晶窒化硼素を主成分とする焼結体であって、該立方晶窒化硼素焼結体が、周期律表のIV、VI、VIII〜Ｘ族元素及び、Ａｌからなる群より選択される元素の単体、相互固溶体、炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物及び、酸化物のいずれか一つ以上を含む上記（１）〜（５）のいずれか一に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
（７）ＨＦ、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＩから成るハロゲン化水素の水溶液であるハロゲン化水素酸中で立方晶窒化硼素粉末を加熱処理した後に焼結することを特徴とする上記（１）に記載の立方晶窒化硼素焼結体の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ粒子間の結合強度が強いため、焼結体としての熱伝導率が高く、高負荷切削時の刃先温度上昇・強度劣化を抑制する効果がある。また焼結体の機械強度も高いため、切削時の欠損・摩耗が抑制され従来材に比べて大幅に工具寿命が延長される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係るｃＢＮ焼結体は、焼結体中にＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉからなる群のいずれか１種以上の元素が含まれ、その濃度がｗｔ％で５０ｐｐｂ以上１００ｐｐｍ以下であることを特徴とする。また、当該濃度はｗｔ％で５０ｐｐｂ以上１０ｐｐｍ以下であることがより好ましい。
上記元素の焼結体中の濃度が５０ｐｐｂを下回る場合には、ｃＢＮ間結合が強化された接合点が少なすぎるため、この効果が焼結体の特性を向上させ望む工具特性が得るに至らない。１００ｐｐｍを超える場合には、ハロゲンはｃＢＮ結晶粒界に偏析しており、熱伝導率の低下、ひいては切削時の刃先温度向上を招き工具特性が劣るものとなるため好ましくない。
また、非常に刃先負荷が高い切削の場合においては、熱伝導率のわずかな低下が、大きく耐摩耗性・耐欠損性に影響し、期待すべき工具性能が得られない。上述の如く、残留ハロゲンは粒界に集中するため、ハロゲン種の含有量が１０ｐｐｍを超えると熱伝導率が低下する傾向にあるので、このような用途の場合には、ハロゲン種の焼結体における濃度は１０ｐｐｍ以下であることがより好ましい。
【００１２】
本発明に係るｃＢＮ焼結体は、その主成分となる立方晶窒化硼素の平均粒径が０．５μｍ〜５μｍであることを特徴とする。当該平均粒径が０．５μｍ未満の場合には、ｃＢＮ粒子の粒界による散乱効果が大きくなり、望む焼結体の熱伝導率が得られない。また、５μｍを超える場合にはｃＢＮ粒子の高負荷切削における耐欠損性が著しく低下し、本発明の目的に合致しない。より好ましい平均粒径は０．５〜２μｍである。
【００１３】
本発明に係るｃＢＮ焼結体は、その主成分となる立方晶窒化硼素が体積含有率で７０％以上であることを特徴とする。７０％よりも充填率が低いと均質に結合材とｃＢＮ粒子が混合された完粉を用いて焼結された焼結体中のｃＢＮ粒子同士の接触面積が少なくなってしまい十分な熱伝導率の向上が望めない。ｃＢＮ粒子の体積含有率は高いほど好ましい。
【００１４】
本発明に係るｃＢＮ焼結体は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。当該熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の場合には、高負荷切削時に刃先温度が上昇してしまい、刃先強度の劣化を招き切削性能が低下する。
【００１５】
また、本発明に係るｃＢＮ焼結体は、周期律表のIV、VI、VIII〜Ｘ族元素、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及び、Ａｌからなる群より選択される元素の単体、相互固溶体、炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物及び、酸化物のいずれか一つ以上を結合材として含むことが好ましい。これらの結合材により、ｃＢＮ粒子同士の結合を強固にすることが可能となる。具体的には、Ｃｏ、Ａｌ、ＷＣ、ＴｉＮ等を好ましく用いることができる。
【００１６】
本発明に係るｃＢＮ焼結体は、ＨＦ、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＩから成るハロゲン化水素の水溶液であるハロゲン化水素酸中でｃＢＮ粉末を加熱処理した後に所定の温度圧力条件下で焼結することを特徴とする製造方法により、製造することができる。本発明のようにハロゲン化水素の触媒効果を利用すると、結合材を含む場合には５．５〜６．５ＧＰａ、１４００〜１７００℃、結合材を含まない場合には６．０〜７．０ＧＰａ、１６００〜１９００℃の圧力温度条件でｃＢＮ粒子を焼結することが可能となる。
【００１７】
ｃＢＮ粒子をｃＢＮが安定に存在する高温高圧下に保持すると接触点での拡散反応が生じ、粒子同士を結合させたｃＢＮ単体の焼結体が得られる。しかしながら粒子の３重点に相当する箇所においては、空隙が生じ発生圧力が低下する為、低圧で安定な同位体であるｈＢＮが生成される。ｈＢＮが粒界に介在すると、焼結体強度は極端に低くなるため工具としての性能は著しく低下する。ｈＢＮ−ｃＢＮ変換反応を促進する触媒効果を有する物質を加えることでｃＢＮの安定温度圧力領域よりも低温・低圧下で三重点に生成されるｈＢＮをｃＢＮに変換させることが可能である。ｈＢＮ−ｃＢＮ変換反応を促進する触媒としてｃＢＮ砥粒を合成する際に使用されるアルカリ金属窒化物（Ｈ１８０５２５）やメラミンなどのＮＨ２基含有物質が知られている（Ｈ１２０２０２）。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
［焼結体作製］
平均粒径の異なる数種のｃＢＮ粒子を３７ｗｔ％−ＨＣｌ中で１５０℃にて所定時間（表１に示す）保持してＨＣｌ処理ｃＢＮ粉末を得た。
【００１９】
＜実施例−１、２、３、７、８  比較例−４、５＞
上記ＨＣｌ処理ｃＢＮ粉末を超硬製容器に充填し、圧力６．５ＧＰａ、温度１８００℃で焼結して、結合材を含まないｃＢＮ焼結体を焼結させた。
【００２０】
＜実施例−４＞
平均粒径２μｍのｃＢＮ粒子を３７ｗｔ％−ＨＦ中で１５０℃にて所定時間保持してＨＦ処理ｃＢＮ粉末を得た。このＨＦ処理ｃＢＮ粉末を超硬製容器に充填し、圧力６．５ＧＰａ、温度１８００℃で焼結して結合材を含まないｃＢＮ焼結体を焼結させた。
【００２１】
＜実施例−５、６、９  比較例−６＞
超硬合金製ポットおよびボールを用いて、Ｃｏ、ＡｌおよびＷＣからなる結合材粉末（
結合在中重量比：Ｃｏ−６５％、Ａｌ−３４％、およびＷＣ−１％）と、平均粒径の異なるＨＣｌ処理ｃＢＮ粉末とを混ぜ合わせ、超硬製容器に充填し、圧力６．０ＧＰａ、温度１６００℃で焼結させた。
【００２２】
＜実施例−１０＞
ＴｉＮ粉末とＡｌ粉末を８０：２０の質量比で均一に混合した後、真空炉でこの混合粉末を真空中で１２００℃に３０分間保ち熱処理を施した。その後、超硬合金製ポットと超硬合金製ボールとからなるボールミルで上記の熱処理済み混合粉末を粉砕して結合材用の原料粉末を得た。
結合材原料粉末と平均粒径が５μｍであるＨＣｌ中加熱処理を施した立方晶窒化硼素粉末とを上記のボールミルを用いて立方晶窒化硼素粉末が６８体積％となるような配合比で均一に混合した。この後、この混合粉末を真空炉にて９００℃で３０分間保持して脱ガスした。
次に脱ガス済みの混合粉末をモリブデン製カプセルに充填後、６ＧＰａ−１５００℃まで加圧と同時に昇温してこの圧力温度条件下に再度５分間保持した。
【００２３】
＜比較例−１＞
平均粒径２μｍのＨＣｌ中で加熱処理していないｃＢＮ粉末を超硬製容器に充填し、圧力６．５ＧＰａ、温度１８００℃で焼結して結合材を含まないｃＢＮ焼結体を焼結させた。
＜比較例−２＞
超硬合金製ポットおよびボールを用いて、Ｃｏ、ＡｌおよびＷＣからなる結合材粉末（結合在中重量比：Ｃｏ−６５％、Ａｌ−３４％、およびＷＣ−１％）と、平均粒径２μｍのＨＣｌ処理していないｃＢＮ粉末とを混ぜ合わせ、超硬製容器に充填し、圧力６ＧＰａ、温度１６００℃で焼結させた。
＜比較例−３＞
平均粒径５μｍのＨＣｌ処理していないｃＢＮ粉末を用いた以外は実施例１０と同様にして行った。
【００２４】
［焼結体組成・不純物分析］
上記方法で得られる焼結体をグロー放電質量分析法を用いて構成元素の定量分析を行った。
本手法は試料を電極として対向電極との間に電界を設けてグロー放電させ、試料をスパッタリングによりイオン化させてイオンを質量分析するものである。標準試料による校正が不要であり、固体試料の分析ができる点が簡便で優れている。
本分析方法で求めた質量比より、ｃＢＮ含有率８５％以上のものについては結合材が金属層であると仮定して体積含有率を求めた。また、残留ハロゲン濃度を定量分析を行った。
ｃＢＮ体積含有率６８％のものについては分析値よりｃＢＮ含有率を算出するには仮定が多くなるため、仕込み量で評価した。
結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】
0005059528.tif 000002
【００２６】
［切削評価］
ｃＢＮ焼結体を加工し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４０８の形状の切削用チップを作成し、以下の条件にて切削評価を行い、工具寿命の評価を行う。
被削材；ダクタイル鋳鉄  ＦＣＤ４５０丸棒  外径旋削加工
切削条件；切削速度Ｖ＝３５ｍ／ｍｉｎ．
切り込みｄ＝０．１５ｍｍ、
送り    ｆ＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ．  湿式、
寿命判定：切削長１００ｍ毎に刃先摩耗状態を観察し、逃げ面からの観察で刃先の稜線が、切削前の刃先稜線より２００μｍ以上摩耗するか若しくは、刃先の急激な欠損により切削を継続できなくなった状態を寿命と定め、寿命に到達するまでの切削長を計測した。
比較例１の焼結体を用いて作成した切削チップでの上記切削条件での工具寿命を１としたときの比較値を表２に示す。
【００２７】
【表２】
0005059528.tif 000003
【００２８】
ハロゲン化水素中での加熱処理を行ったｃＢＮ粉末を用いた焼結体は、処理を行っていないｃＢＮ粉末を用いて作成した焼結体よりも長い工具寿命を示した（例えば、比較例１に対して実施例１〜４、比較例２に対して実施例５〜９、比較例３に対して実施例１０はいずれも工具寿命が長くなっている）。
一方、比較例４〜６はハロゲン化水素中で加熱処理を行ったｃＢＮ粉末を用いているが、それぞれハロゲン種の濃度が５０ｐｐｂ〜１００ｐｐｍの範囲内でないため、未処理のものよりも工具寿命がやや短く、性能が劣るものとなった。
【００２９】
なお、本実施例においては、ｃＢＮ粒子をハロゲン化水素中で熱処理することで焼結体
中に取り込む方法のみを示しているが、ハロゲン化水素の焼結完粉への添加方法はこれに限定されず、完粉に希釈ハロゲン化水素を添加してもかまわない。