(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶窒化ホウ素粉末と、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物から選ばれる少なくとも一種の粉末、およびＷＣｏＢ、Ｗ２Ｃｏ２１Ｂ６、Ｗ２ＣｏＢ２から選ばれるホウ化物粉末を、混合し、１４００℃以上、４．５ＧＰａ以上の圧力で焼結することを特徴とする立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法。
【請求項２】
立方晶窒化ホウ素粉末と、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物から選ばれる少なくとも一種の粉末、ＷＣｏＢ、Ｗ２Ｃｏ２１Ｂ６、Ｗ２ＣｏＢ２から選ばれるホウ化物粉末、およびＡｌ化合物粉末を、混合し、１４００℃以上、４．５ＧＰａ以上の圧力で焼結することを特徴とする立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法。
【請求項３】
立方晶窒化ホウ素焼結体が、立方晶窒化ホウ素の含有量が５０〜９５面積％の範囲内であり、残部に占めるＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物が５８〜９８面積％の範囲内で、ＷＣｏＢ、Ｗ２Ｃｏ２１Ｂ６、Ｗ２ＣｏＢ２から選ばれるホウ化物が２〜４２面積％の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法。
【請求項４】
立方晶窒化ホウ素焼結体が、立方晶窒化ホウ素の含有量が５０〜９５面積％の範囲内であり、残部が占めるＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物が３６〜７８面積％の範囲内で、ＣｏＢ、Ｗ２Ｃｏ２１Ｂ６、Ｗ２ＣｏＢ２から選ばれるホウ化物を２〜４３面積％の範囲内で、Ａｌ化合物を１６〜３３面積％の範囲内であることを特徴とする請求項２に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高硬度で優れた耐摩耗性を有し、切削工具、軸受け、線引ダイス等の耐摩耗用素材として有用な焼結体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
切削工具等の耐摩耗用素材としては、従来より炭化タングステン（ＷＣ）基の超硬材料が使用されてきた。しかしながら、需要者の要求がますます厳しくなっている現在、上記ＷＣ基超硬材料では需要者の要求を満たすことが困難となってきており、より優秀な耐摩耗用素材の開発が期待されている。
【０００３】
こうした要望に沿う耐摩耗用素材として、立方晶窒化ホウ素（以下、ｃＢＮという。）粉末に少量のＡｌと、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｖからなる群から選択された合金元素の少なくとも一種を含む金属相を含有させた焼結体（特開昭４８−１７５０３号公報）、あるいはセラミックスを結合材として用いたｃＢＮ焼結体（特公昭５７−３６３１号公報）等が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年、切削機械の高性能化は著しく、省力化の要請とも相まって、切削速度はより一層高速化の傾向にあり、上記のｃＢＮ焼結体を使用した場合でも、例えば鋳鉄を高速切削した場合、耐摩耗性の低下により、その寿命が短いという欠点があった。
【０００５】
上記の特開昭４８−１７５０３号公報あるいは特公昭５７−３６３１号公報に記載されたｃＢＮ焼結体が、鋳鉄の高速切削条件下で、十分な耐摩耗性を発現し得ない理由として、前者の場合は、高速切削条件下で発生する切削熱のため刃先が高温となり、これにより、ｃＢＮ粒子の保持力並びに緻密化促進能に優れるが、被削材との反応性に富むＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｖ等の合金元素からなる結合材と被削材との間に反応が生じるために、耐摩耗性が低下するものと推察される。一方、後者の様に、ＴｉＮ等の、被削材との反応は少ないが、ｃＢＮの保持力に難点があるセラミックスを結合材として用いた場合は、ｃＢＮ粒子の脱落等を生じやすく、また、一般に、緻密化が難しいため、ｃＢＮ含有量を高くすることができないため、十分な耐摩耗性が得られないものと考えられる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物から選ばれる少なくとも一種、および、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素とＶＩＩＩ族元素とからなるホウ化物を結合材として含むことを特徴とするｃＢＮ焼結体、あるいは、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物から選ばれる少なくとも一種、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素とＶＩＩＩ族元素とからなるホウ化物、および、Ａｌの化合物を結合材として含むことを特徴とするｃＢＮ焼結体が、優れたｃＢＮ粒子保持力を維持しつつ、しかも、被削材との反応性の低減が可能となることを見出した。また、結合材の耐熱性や熱伝導率の向上が実現され、これとの相乗効果により、高速切削下で高温にさらされる工具刃先の耐摩耗性を一層改善することが可能となり、さらに、本焼結体はア−ク放電によるワイヤ−カットが可能であるため、焼結後の加工も容易であることを見出し本発明を完成させた。
【０００７】
即ち、本発明は、
[１]立方晶窒化ホウ素粉末と、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物から選ばれる少なくとも一種の粉末、およびＷＣｏＢ、Ｗ２Ｃｏ２１Ｂ６、Ｗ２ＣｏＢ２から選ばれるホウ化物粉末を、混合し、１４００℃以上、４．５ＧＰａ以上の圧力で焼結することを特徴とする立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法、
[２]立方晶窒化ホウ素粉末と、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物から選ばれる少なくとも一種の粉末、ＷＣｏＢ、Ｗ２Ｃｏ２１Ｂ６、Ｗ２ＣｏＢ２から選ばれるホウ化物粉末、およびＡｌ化合物粉末を、混合し、１４００℃以上、４．５ＧＰａ以上の圧力で焼結することを特徴とする立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法、
[３]立方晶窒化ホウ素焼結体が、立方晶窒化ホウ素の含有量が５０〜９５面積％の範囲内であり、残部に占めるＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物が５８〜９８面積％の範囲内で、ＷＣｏＢ、Ｗ２Ｃｏ２１Ｂ６、Ｗ２ＣｏＢ２から選ばれるホウ化物が２〜４２面積％の範囲内であることを特徴とする[１]に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法、
[４]立方晶窒化ホウ素焼結体が、立方晶窒化ホウ素の含有量が５０〜９５面積％の範囲内であり、残部が占めるＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物が３６〜７８面積％の範囲内で、ＣｏＢ、Ｗ２Ｃｏ２１Ｂ６、Ｗ２ＣｏＢ２から選ばれるホウ化物を２〜４３面積％の範囲内で、Ａｌ化合物を１６〜３３面積％の範囲内であることを特徴とする[２]に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法、
に関する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の焼結体に含有される結合材の、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物とは、例えば、ＴｉＣ，ＴｉＢ2，Ｔｉ2Ｂ5，Ｔｉ3Ｂ4，ＴｉＢ，ＴｉＮ，Ｔｉ2Ｎ，ＴｉＣxＮ1-x（０＜ｘ＜１），ＺｒＣ，ＺｒＢ2，ＺｒＢ12，ＺｒＮ，ＺｒＣxＮ1-x（０＜ｘ＜１），ＨｆＣ，ＨｆＢ2，ＨｆＢ，ＨｆＢ12，Ｈｆ3Ｎ2，ＨｆＮ，Ｈｆ4Ｎ3，ＨｆＣxＮ1-x（０＜ｘ＜１），ＶＣ，Ｖ4Ｃ3，Ｖ8Ｃ7，ＶＢ2，Ｖ3Ｂ4，Ｖ3Ｂ12，ＶＢ，Ｖ5Ｂ6，Ｖ2Ｂ2，ＶＮ，Ｖ2Ｎ，ＶＣxＮ1-x（０＜ｘ＜１），ＮｂＣ，Ｎｂ6Ｃ5，Ｎｂ2Ｃ，ＮｂＢ2，Ｎｂ3Ｂ2，ＮｂＢ，ＮｂＮ，Ｎｂ4Ｎ3，Ｎｂ2Ｎ，ＮｂＣxＮ1-x（０＜ｘ＜１），ＴａＣ，Ｔａ2Ｃ，ＴａＢ2，Ｔａ2Ｂ，Ｔａ3Ｂ2，ＴａＢ，Ｔａ3Ｂ4，ＴａＮ，Ｔａ3Ｎ5，Ｔａ4Ｎ，Ｔａ2Ｎ，ＴａＣxＮ1-x（０＜ｘ＜１），Ｃｒ3Ｃ2，Ｃｒ2Ｃ，Ｃｒ23Ｃ6，Ｃｒ7Ｃ3，ＣｒＢ，ＣｒＢ4，Ｃｒ2Ｂ，Ｃｒ2Ｂ3，Ｃｒ5Ｂ3，ＣｒＢ2，Ｃｒ2Ｎ，ＣｒＮ，Ｍｏ2Ｃ，ＭｏＣ，ＭｏＢ，Ｍｏ2Ｂ5，ＭｏＢ4，Ｍｏ2Ｂ，ＭｏＢ2，ＷＣ，Ｗ2Ｃ，ＷＢ，Ｗ2Ｂ，ＷＢ4，ＷＮ，Ｗ2Ｎ、および、これらの固溶体、複化合物、不定比組成の化合物等が挙げられる。この中で特に、ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＣxＮ1-x（０＜ｘ＜１），ＴｉＢ2，ＷＣ，ＷＢ，Ｗ2Ｂが好ましい。
【０００９】
ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素とＶＩＩＩ族元素とからなるホウ化物とは、ＭIxＭIIyＢz（ＭI；ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素、ＭII；ＶＩＩＩ族元素、ｘ，ｙ，ｚ＞０）で示される化合物であって、固溶体、不定比組成の化合物も含まれ、例えば、Ｗ2ＦｅＢ，ＷＦｅＢ，ＭｏＦｅ2Ｂ4，Ｍｏ2Ｆｅ13Ｂ5，ＭｏＦｅ2Ｂ4，Ｍｏ2ＦｅＢ2，ＴａＮｉＢ2，ＨｆＣｏ3Ｂ2，ＭｏＣｏＢ，Ｍｏ2ＣｏＢ2，ＭｏＣｏ2Ｂ4，ＮｂＣｏＢ2，ＮｂＣｏＢ，Ｎｂ3Ｃｏ4Ｂ7，Ｎｂ2Ｃｏ3Ｂ5，Ｗ3ＣｏＢ3，ＷＣｏＢ，Ｗ2ＣｏＢ2，Ｗ2Ｃｏ21Ｂ6等が挙げられる。この中で特に、ＷＣｏＢ，Ｗ2Ｃｏ21Ｂ6，Ｗ3ＣｏＢ3，Ｗ2ＣｏＢ2が好ましい。
【００１０】
Ａｌの化合物とは、ＡｌＢ12，ＡｌＢ10，ＡｌＢ2，Ａｌ3Ｂ48Ｃ2，Ａｌ8Ｂ4Ｃ7，ＡｌＢ12Ｃ2，ＡｌＮ等が挙げられる。この中で特に、ＡｌＮ，ＡｌＢ2が好ましい。
【００１１】
ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物をｃＢＮ焼結体の結合材として含有させた場合、被削材との反応性を低減させる効果とともに、結合材自体の硬度を向上させる効果がある。また、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素とＶＩＩＩ族元素とからなるホウ化物をｃＢＮ焼結体の結合材として含有させた場合、焼結体の強度と靭性を向上させる効果とともに、焼結体の緻密化促進能を向上させ、また被削材との反応性を低下させ、高速切削条件下での耐摩耗性を向上効果がある。また、Ａｌの化合物を添加すると、結合材の耐熱性や熱伝導率等を向上させ、ｃＢＮ焼結体の特性を更に向上させることができる。
【００１２】
本発明の焼結体は、ｃＢＮの含有量を、好ましくは５０〜９５面積％、より好ましくは５５〜９５面積％、最も好ましくは６０〜９５面積％とし、残部を結合材とすることが好ましい。
【００１３】
面積％とは、焼結体の一部を研磨した後、その研磨面を観察し、その組成物の観察面における面積比を示す。測定方法としては、金属顕微鏡等で行うことができる場合もあるが、一般的には、Ｘ線回折装置、電子線マイクロアナライザ−、画像解析装置を用いて、ｃＢＮの含有量並びに結合材の結晶組成を求める。
【００１４】
ｃＢＮ含有量が５０面積％よりも少ないと高速切削に耐えうる十分な硬度や熱伝導度が得られず、ｃＢＮ含有量が９５％を越えると、焼結体の緻密化を行うために高い焼結温度と圧力を要し好ましくない。使用するｃＢＮ粉末は、平均粒径で６〜０．１μｍの範囲内、より好ましくは３〜０．１μｍの範囲内が適している。
【００１５】
結合材は、結合材全体に占める割合で、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物を、好ましくは５８〜９８面積％、より好ましくは６５〜９８面積％、最も好ましくは７４〜９８面積％とし、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素とＶＩＩＩ族元素とからなるホウ化物を、好ましくは２〜４２面積％、より好ましくは２〜３５面積％、最も好ましくは２〜２６面積％とする。
【００１６】
また結合材としてＡｌ化合物を含む場合は、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物を、好ましくは３６〜７８面積％、より好ましくは４０〜７５面積％、最も好ましくは５０〜７０面積％とし、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素とＶＩＩＩ族元素とからなるホウ化物を、好ましくは２〜４３面積％、より好ましくは２〜３９面積％、最も好ましくは２〜３５面積％とし、Ａｌ化合物を、好ましくは１６〜３３面積％、より好ましくは２０〜３３面積％、最も好ましくは２５〜３３面積％とする。
【００１７】
結合材がＡｌ化合物を含まない場合において、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物から選ばれる少なくとも一種が５８％よりも少ないと、被削材との反応性低減効果と結合材の硬度向上効果が不充分となり、また９８％を越えると、焼結体の靭性が低下する。またＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素とＶＩＩＩ族元素とからなるホウ化物が２％よりも少ないと、焼結体の強度と靭性の向上効果が不充分であり、また４２％を越えると、焼結体の硬度が低下し好ましくない。
【００１８】
結合材がＡｌ化合物を含む場合において、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物から選ばれる少なくとも一種が３６％よりも少ないと、被削材との反応性低減効果と結合材の硬度向上効果が不充分となり、７８％を越えると、焼結体の靭性が低下する。またＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素とＶＩＩＩ族元素とからなるホウ化物が２％よりも少ないと、焼結体の強度と靭性の向上効果が不充分となり、４３％を越えると、焼結体の硬度が低下する。さらに、Ａｌ化合物が１６％よりも少ないと、結合材の耐熱性や熱伝導率を向上させる効果が不充分となり、３３％を越えると、焼結体の硬度が低下し好ましくない。
【００１９】
本発明の焼結体を得るためには、ｃＢＮ粉末と、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物粉末から選ばれる一種以上、および、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素とＶＩＩＩ族元素とからなるホウ化物粉末、あるいは、上記とＡｌの化合物粉末を混合し、必要により熱処理を施し、あるいは、熱処理を経ずに超高圧、高温下で焼結しても良く、また、両者を併用しても本発明品を得ることができる。また本発明の焼結体は上記以外の組み合わせの粉体を用いても製造が可能である。即ち、粉末混合後の熱処理、高圧下での焼結過程の反応により本発明の組成比、面積比の結合材を含むｃＢＮ焼結体を得ても良い。
【００２０】
後者の場合の具体的な例としては、使用する原料粉末として、ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ，ＶＩＩＩ族の単体金属、Ａｌ、これらの合金、金属間化合物、ホウ素、炭素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、並びに上記した焼結体中に含有される化合物以外のＡｌ，Ｉ，Ｖａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素とＶＩＩＩ族の炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ化物、ホウ窒化物、ホウ炭化物、これらの複化合物、固溶体、不定比組成の化合物等を使用することができる。これらの粉体の混合物を必要により熱処理を施し、あるいは、熱処理を経ずに超高圧、高温下で焼結する。この場合、ｃＢＮ粉末も結合材の窒素源あるいはホウ素源として作用させることが可能である。
【００２１】
本発明の焼結体製造過程における熱処理は、真空中もしくはＮ2，Ａｒ等の非酸化性雰囲気中で行うことが好ましい。また、本発明品を得るためには、４．５ＧＰａ以上の圧力、１４００℃以上の温度を用いることが好ましい。さらに、焼結条件はｃＢＮの安定領域内であることが必要である。焼結温度が１４００℃よりも低いと、本発明の焼結体を得るのに長時間を要し、また、加熱により所望の結合材を得る製造方法において、必要とする結合材の生成が不充分となり、例えば金属Ｃｏ等の残留物が発生し焼結体の耐摩耗性が低下する場合がある。
【００２２】
【実施例】
（実施例１〜１５、比較例１〜８）
原料粉末として、平均粒径１μｍのｃＢＮ粉末と、結合材成分を表１の量で秤量し、ボ−ルミルを用いて、２４時間湿式混合を行った。混合溶媒には、アセトン（試薬特級）を用いた。混合スラリ−を十分に乾燥した後、超高圧焼結装置に装入し、表１に示す条件で１時間の焼結を行い、直径２９ｍｍ、厚さ５ｍｍの焼結体を得た。この焼結体の上下面を、ダイヤモンド砥石を用いて研削した。
【表１】
0005100927.tif 000002
【００２３】
この焼結体を、ア−ク放電によるワイヤカット装置を用いて１３ｍｍ×１３ｍｍのチップに切り出した後、ＪＩＳ／ＳＮＭＮ１２０３０８に規定される形状を持った切削工具とした。
【００２４】
同工具について、耐摩耗性とｃＢＮ粒子の耐脱落性（刃先の耐欠損性）を評価するため、比削材をＦＣ２５０とする旋削による乾式高速切削試験を行った。切削条件は、切削速度；６５０ｍ／分、切り込み；２．０ｍｍ、送り；０．３ｍｍ／回転、切削距離；１０，０００ｍとした。
【００２５】
切削試験後の試料について、切れ刃の逃げ面摩耗幅を測定し、更に、同試料の一部を研磨した後、Ｘ線回折装置、電子線マイクロアナライザ−、画像解析装置を用いて、ｃＢＮの含有量並びに結合材の結晶組成を求めた。これらの評価結果を表１に示す。なお、切れ刃の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍとなった場合、工具寿命（使用寿命）と判断し、切削試験を中止した。
【００２６】
表１より明らかなように、本発明の焼結体は従来の焼結体に比べ逃げ面摩耗幅が少なく、高い耐摩耗性とｃＢＮ粒子の耐脱落性が得られている。
【００２７】
【発明の効果】
本発明になるｃＢＮ焼結体は、従来のｃＢＮ焼結体に比べ、過酷な使用条件下においても優れた耐摩耗性とｃＢＮ粒子の耐脱落性が得られた。特に切削チップとして用いた場合、従来のｃＢＮ焼結体チップに比べ、逃げ面摩耗が低減し優れた切削性能を実現でき、切削、旋削加工においてチップ交換の頻度を下げられ高い生産性が実現できる。