特許 5660034 立方晶窒化硼素焼結体および被覆立方晶窒化硼素焼結体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5660034

(24)【登録日】2014年12月12日

(45)【発行日】2015年1月28日

(54)【発明の名称】立方晶窒化硼素焼結体および被覆立方晶窒化硼素焼結体

(51)【国際特許分類】

   C04B 35/583 20060101AFI20150108BHJP

   C04B 41/87 20060101ALI20150108BHJP

   B23B 27/14 20060101ALI20150108BHJP

【ＦＩ】

   C04B35/58 103J

   C04B41/87 N

   B23B27/14 B

【請求項の数】3

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2011-509370(P2011-509370)

(86)(22)【出願日】2010年4月16日

(86)【国際出願番号】JP2010056873

(87)【国際公開番号】WO2010119962

(87)【国際公開日】20101021

【審査請求日】2011年7月8日

(31)【優先権主張番号】特願2009-100642(P2009-100642)

(32)【優先日】2009年4月17日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000221144

【氏名又は名称】株式会社タンガロイ

(74)【代理人】

【識別番号】100078662

【弁理士】

【氏名又は名称】津国 肇

(74)【代理人】

【識別番号】100116919

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 房幸

(72)【発明者】

【氏名】福島 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】梅村 崇

【審査官】 正 知晃

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６３−１７６３６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０８２０３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１９７４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 福島雄一郎 他，cBN-Ti(C,N)基焼結体の組織と機械的特性に及ぼすTi(C,N)原料粉のN/(C+N)比率の影響，粉体粉末冶金協会講演概要集平成19年度秋季大会，日本，粉体粉末冶金協会，２００７年１１月１９日，第２１頁

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０４Ｂ ３５／５８３

Ｂ２３Ｂ ２７／１４

Ｃ０４Ｂ ４１／８７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化チタンおよび炭窒化チタンを含有する結合相と立方晶窒化硼素と不可避的不純物とからなり、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折測定における、炭窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θと窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θとの間隔が０．３０°以上０．６０°以下であり、炭窒化チタンの（２００）面回折線の半価幅が０．３０°以上０．５０°以下であり、
酸化アルミニウム：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して３〜３０体積％と、
窒化チタンと炭窒化チタンの合計：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して１０〜６０体積％と、
硼化チタン：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して１〜３０体積％と、
窒化アルミニウムおよび硼化アルミニウムの１種または２種：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して１０体積％以下とからなる
合計して立方晶窒化硼素焼結体全体に対して２０〜８０体積％の結合相と、
立方晶窒化硼素焼結体全体に対して８０〜２０体積％の立方晶窒化硼素および不可避的不純物とから構成され、
Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折測定における、炭窒化チタンの（２００）面回折線のピーク強度Ｉ_TiCNに対する窒化チタンの（２００）面回折線のピーク強度Ｉ_TiNのピーク強度比（Ｉ_TiN／Ｉ_TiCN）が０．１〜０．５である、立方晶窒化硼素焼結体。

【請求項2】

窒化チタンの（２００）面回折線の半価幅が０．２５°以上０．４５°以下である請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の立方晶窒化硼素焼結体の表面に被膜を被覆した被覆立方晶窒化硼素焼結体。

【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被覆立方晶窒化硼素焼結体に関するものである。具体的には、切削工具、耐摩耗工具として最適な立方晶窒化硼素含有焼結体および被覆立方晶窒化硼素焼結体に関するものである。

【背景技術】

【0002】

立方晶窒化硼素は、ダイヤモンドに次ぐ硬さと優れた熱伝導性を持ち、鉄との親和性が低いという特徴を持つ。立方晶窒化硼素と金属やセラミックスの結合相とでなる立方晶窒化硼素焼結体は切削工具や耐摩耗工具などに応用されてきた。立方晶窒化硼素焼結体の従来技術としては、立方晶窒化硼素と、酸化アルミニウムと、窒化アルミニウムおよび／またはホウ化アルミニウムと、炭化チタン、窒化チタンおよび／または炭窒化チタンと、ホウ化チタンとからなる立方晶窒化硼素焼結体がある（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平７−８２０３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

加工能率を上げるため従来よりも切削条件が厳しくなる傾向の中で、これまでより工具寿命を長くすることが求められてきた。しかしながら、特許文献１に記載の立方晶窒化硼素焼結体ではこうした要求に十分に答えられなくなってきた。本発明は、このような問題を解決するもので、耐摩耗性を低下させずに耐欠損性および靭性を高め、切削工具や耐摩耗工具の工具寿命を長くする立方晶窒化硼素焼結体および被覆立方晶窒化硼素焼結体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】

【0005】

本発明者らは、立方晶窒化硼素焼結体に関する研究を行ってきたところ、立方晶窒化硼素焼結体の靭性を高めるためには、発生した亀裂の伝播を抑制することが重要であり、そのためには、立方晶窒化硼素焼結体の結合相が多くの粒界を持つこと、結合相の粒子が強固に結合していることが有効であるという知見を得て本発明を完成するに至った。

【0006】

本発明は、窒化チタンおよび炭窒化チタンを含有する結合相と、立方晶窒化硼素と、不可避的不純物とからなり、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折測定における、炭窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θと、窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θとの間隔が０．３０°以上０．６０°以下であり、炭窒化チタンの（２００）面回折線の半価幅が０．３０°以上０．５０°以下であることを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体である。本発明において、各回折線のブラッグ角２θとは、各回折線のＸ線回折強度が最大値（ピーク強度）を示すブラッグ角２θを意味し、炭窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θと、窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θとの間隔とは、それぞれのＸ線回折強度が最大値（ピーク強度）を示すブラッグ角２θ間の絶対値を意味する。また、各回折線の半価幅とは、各回折線についてＸ線回折強度が最大値（ピーク強度）が半分になる位置のピーク幅を意味する。さらには、本発明の立方晶窒化硼素焼結体において、窒化チタンの（２００）面回折線の半価幅が０．２５°以上０．４５°以下であると好ましく、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折測定における、炭窒化チタンの（２００）面回折線のピーク強度Ｉ_TiCNに対する窒化チタンの（２００）面回折線のピーク強度Ｉ_TiNのピーク強度比（Ｉ_TiN／Ｉ_TiCN）が０．１〜０．５である立方晶窒化硼素焼結体であると好ましく、立方晶窒化硼素焼結体は、酸化アルミニウム：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して３〜３０体積％と、窒化チタンと炭窒化チタンの合計：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して１０〜６０体積％と、硼化チタン：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して１〜３０体積％と、窒化アルミニウムおよび硼化アルミニウムの１種または２種：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して１０体積％以下とからなる合計して立方晶窒化硼素焼結体全体に対して２０〜８０体積％の結合相と、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して２０〜８０体積％の立方晶窒化硼素および不可避的不純物とから構成されると好ましく、これらの立方晶窒化硼素焼結体の表面に被膜を被覆した被覆立方晶窒化硼素焼結体であると好ましい。

【発明の効果】

【0007】

本発明の立方晶窒化硼素焼結体および被覆立方晶窒化硼素焼結体は、耐摩耗性、耐欠損性および靭性に優れる。そのため、本発明の立方晶窒化硼素焼結体および被覆立方晶窒化硼素焼結体を切削工具や耐摩耗工具として用いると工具寿命を延長することができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の立方晶窒化硼素焼結体のＸ線回折図形を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本発明の立方晶窒化硼素焼結体は結合相と立方晶窒化硼素と不可避的不純物とからなる。本発明の立方晶窒化硼素は、結合相が立方晶窒化硼素焼結体全体に対して８０体積％を超えて多くなると耐欠損性が低下し、結合相が立方晶窒化硼素焼結体全体に対して２０体積％未満になると、耐摩耗性が低下するので、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して２０〜８０体積％の結合相と、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して２０〜８０体積％の立方晶窒化硼素と不可避的不純物とからなる立方晶窒化硼素焼結体が好ましい。さらに好ましくは、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して３０〜７０体積％の結合相と、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して７０〜３０体積％の立方晶窒化硼素と不可避的不純物とからなり、最も好ましくは、４０〜６０体積％の結合相と、６０〜４０体積％の立方晶窒化硼素と不可避的不純物とからなる立方晶窒化硼素焼結体である。

【0010】

本発明の結合相は窒化チタンおよび炭窒化チタンを含有する。本発明の結合相は、窒化チタンと炭窒化チタンとから構成されてもよいが、窒化チタンと炭窒化チタン以外に、周期表４（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等），５（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ等），６（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ等）族元素、アルミニウムの炭化物、窒化物、硼化物、珪化物およびこれらの相互固溶体、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗおよびこれらの合金の中の少なくとも１種を含有しても好ましい。窒化チタンと炭窒化チタン以外の結合相として、具体的には、硼化チタン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、硼化アルミニウムなどを挙げることができる。

【0011】

原料粉末として窒化チタンと炭窒化チタンとを同時に添加して本発明の結合相を得ることができる。炭素と窒素の含有量が異なるチタン化合物の混合物を焼結することにより、相互固溶体を生成しやすくし、結合相粒子間の結合を強固にすることができる。本発明の立方晶窒化硼素焼結体について、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折測定を行うと、炭窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θと窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θとの間隔が０．３０°以上０．６０°以下になる。この間隔が０．３０°未満になると結合相粒子間の結合が強化されにくくなり、この間隔が０．６０°を超えて大きくなると高温下での鉄との耐反応性が低下するため、この間隔を０．３０°以上０．６０°以下とした。この間隔は、好ましくは０．３０°以上０．５０°以下であり、更に好ましくは０．３０°以上０．４５°以下である。

【0012】

この間隔は、窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θの位置と、炭窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θの位置を調整することにより、調整することができる。窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θは、原料粉末の窒化チタン粉末に含まれる金属元素と非金属元素の比で調整することができる。具体的には、原料粉末の窒化チタン粉末に含まれる金属元素（Ｔｉ）に対する非金属元素（Ｎ）の原子比ｘ_１が１よりも小さくなるに従って、焼結体の窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θは高角度側にシフトする。例えば、焼結体の窒化チタン（２００）面回折線のブラッグ角２θについて、ｘ_１＝１のとき２θ＝４２．４９〜４２．５９°、ｘ_１＝０．８のとき２θ＝４２．５８〜４２．６８°、ｘ_１＝０．６のとき２θ＝４２．６６〜４２．７６°になる。一方、炭窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θは、原料粉末の炭窒化チタン粉末に含まれる、金属元素と非金属元素の比と、炭素と窒素の比で調整することができる。具体的には、原料粉末の炭窒化チタン粉末に含まれる金属元素（Ｔｉ）に対する非金属元素（ＣＮ）の原子比ｘ_２が１よりも小さくなるに従って、焼結体の炭窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θは高角度側にシフトする。例えば、原料粉末の炭窒化チタン粉末に含まれる炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比ｘ_３が０．５のとき、焼結体の炭窒化チタン（２００）面回折線のブラッグ角２θについて、ｘ_２＝１のとき２θ＝４２．０８〜４２．１８°、ｘ_２＝０．８のとき２θ＝４２．１３〜４２．２３°、ｘ_２＝０．６のとき２θ＝４２．２１〜４２．３１°になる。また、原料粉末の炭窒化チタン粉末に含まれる炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比が多くなると、焼結体の炭窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θは低角度側にシフトする。例えば、原料粉末の炭窒化チタン粉末に含まれる金属元素（Ｔｉ）に対する非金属元素（ＣＮ）の原子比ｘ_２を１とし、原料粉末の炭窒化チタン粉末に含まれる炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比ｘ_３を０．４にすると、焼結体の炭窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θは、２θ＝４２．１６〜４２．２６°になる。また、原料粉末の炭窒化チタン粉末に含まれる金属元素（Ｔｉ）に対する非金属元素（ＣＮ）の原子比ｘ_２を１とし、原料粉末の炭窒化チタン粉末に含まれる炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比ｘ_３を０．７にすると、焼結体の炭窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θは、２θ＝４１．９１〜４２．０１°になる。本発明の立方晶窒化硼素焼結体の原料粉末としては、窒化チタン粉末に含まれる金属元素（Ｔｉ）に対する非金属元素（Ｎ）の原子比ｘ_１が１である窒化チタン粉末と、炭窒化チタン粉末に含まれる金属元素（Ｔｉ）に対する非金属元素（ＣＮ）の原子比ｘ_２が１であり、炭窒化チタン粉末に含まれる炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比ｘ_３が０．４〜０．７である炭窒化チタン粉末を用いると好ましい。ｘ_１が１未満である窒化チタン粉末およびｘ_２が１未満である炭窒化チタン粉末よりも、ｘ_１＝１の窒化チタン粉末およびｘ_２＝１の炭窒化チタン粉末を用いると好ましい理由は、ｘ_１が１未満である窒化チタン粉末およびｘ_２が１未満である炭窒化チタン粉末は、非金属元素よりも過剰に金属元素が含まれるので、過剰な金属元素が立方晶窒化硼素、Ａｌ、チタン化合物などと反応生成物を生成しやすく、得られた焼結体は、粒界が不明確になり、クラックが進展しやすく、強度が低下する傾向を示すためである。

【0013】

本発明の立方晶窒化硼素焼結体に含まれる窒化チタンの（２００）面回折線のピーク強度をＩ_TiN、炭窒化チタンの（２００）面回折線のピーク強度をＩ_TiCNと表したとき、Ｉ_TiCNに対するＩ_TiNのピーク強度比（Ｉ_TiN／Ｉ_TiCN）が０．１未満であると、窒化チタンが少なくなるため、鉄との耐反応性が低下する。逆に（Ｉ_TiN／Ｉ_TiCN）が０．５を超えて多くなると、本発明の結合相に含まれる窒化チタンが多くなるため立方晶窒化硼素焼結体の機械的強度が低下する。そのため、Ｉ_TiCNに対するＩ_TiNのピーク強度比（Ｉ_TiN／Ｉ_TiCN）は０．１〜０．５であるとさらに好ましく、最も好ましくは０．１〜０．３である。ピーク強度比（Ｉ_TiN／Ｉ_TiCN）は、原料粉末の窒化チタン粉末と炭窒化チタン粉末の配合比により調整することができる。具体的には、原料粉末に含まれる炭窒化チタン粉末に対する窒化チタン粉末の配合比を体積比で、窒化チタン粉末／炭窒化チタン粉末＝０．１〜０．５にすると、ピーク強度比（Ｉ_TiN／Ｉ_TiCN）を０．１〜０．５にすることができる。

【0014】

本発明の立方晶窒化硼素焼結体に含まれる炭窒化チタンの（２００）面回折線の半価幅は０．３０°以上を示すと、炭窒化チタンの平均粒径は細かくなり立方晶窒化硼素焼結体の機械的強度が向上する。しかしながら、炭窒化チタンの（２００）面回折線の半価幅は０．５０°を超えて大きくなると、炭窒化チタンの平均粒径が細かくなり過ぎて亀裂伝播は粒界破壊が主となり、靭性が低下する。そのため、炭窒化チタンの（２００）面回折線の半価幅を０．３０°以上０．５０°以下とした。この半価幅は、好ましくは０．３０°以上０．４５°以下であり、更に好ましくは０．３０°以上０．４０°以下である。この半価幅は、原料粉末の炭窒化チタンの平均粒径とボールミル混合時間により調整することができる。具体的には、炭窒化チタン粉末の平均粒径を０．８〜１．５μｍとし、ボールミル混合時間を１〜１２０時間とすることにより、炭窒化チタンの（２００）面回折線の半価幅を０．３０°以上０．５０°以下にすることができる。

【0015】

本発明の立方晶窒化硼素焼結体に含まれる窒化チタンの（２００）面回折線の半価幅は０．２５°以上を示すと、窒化チタンの平均粒径は細かくなり立方晶窒化硼素焼結体の機械的強度がさらに向上する。窒化チタンの（２００）面回折線の半価幅は０．４５°を超えて大きくなると、窒化チタンの平均粒径が細かくなって亀裂伝播は粒界破壊が主となり、靭性が低下する傾向を示す。そのため、窒化チタンの（２００）面回折線の半価幅は０．２５°以上０．４５°以下であると好ましい。この半価幅は、好ましくは０．２５°以上０．４０°以下であり、更に好ましくは０．２５°以上０．３５°以下である。この半価幅は、原料粉末の窒化チタンの平均粒径とボールミル混合時間により調整することができる。具体的には、窒化チタン粉末の平均粒径を０．８〜１．５μｍとし、ボールミル混合時間を１〜１２０時間とすることにより、窒化チタンの（２００）面回折線の半価幅を０．２５°以上０．４５°以下にすることができる。

【0016】

炭窒化チタンの（２００）面回折線と窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θと半価幅とピーク強度は市販のＸ線回折装置を用いて測定することができる。例えば、株式会社リガク製 Ｘ線回折装置ＲＩＮＴ ＴＴＲIIIを用いて、Ｃｕ−Ｋα線を用いた２θ／θ集中光学系のＸ線回折測定を、出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、入射側ソーラースリット：５°、発散縦スリット：１／２°、発散縦制限スリット：１０ｍｍ、散乱スリット２／３°、受光側ソーラースリット：５°、受光スリット：０．１５ｍｍ、ＢＥＮＴモノクロメータ、受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、サンプリング幅：０．０２°、スキャンスピード：０．１°／ｍｉｎ、２θ測定範囲：４０〜４６°という条件で行うと、炭窒化チタンの（２００）面回折線と窒化チタンの（２００）面回折線についてブラッグ角２θと半価幅とピーク強度を測定できる。炭窒化チタンの（２００）面回折線と窒化チタンの（２００）面回折線が重なっている場合は、Ｘ線回折装置付属の解析用ソフトウェアによるピーク分離を行って、炭窒化チタンの（２００）面回折線と窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θと半価幅とピーク強度を個別に確認することができる。

【0017】

本発明の立方晶窒化硼素焼結体に含まれる、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）とｃＢＮ以外の各相（例えば、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ_0.5Ｎ_0.5）、Ｔｉ（Ｃ_0.8Ｎ_0.2）、Ｔｉ（Ｃ_0.2Ｎ_0.8）、ＴｉＢ₂，ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃など）の含有量（体積％）は、ＳＥＭ観察、ＥＤＳ分析、Ｘ線回折測定から求めることができる。具体的には、まず、立方晶窒化硼素焼結体の断面組織についてＳＥＭ観察およびＥＤＳ分析を行い、ＳＥＭ写真の画像解析により得られるｃＢＮの面積からｃＢＮの含有量（体積％）を求め、残部を結合相の含有量（体積％）とする。次に、立方晶窒化硼素焼結体をＸ線回折測定して、立方晶窒化硼素焼結体の各相を同定するとともに、各相のピーク強度を測定する。さらに、立方晶窒化硼素焼結体におけるｃＢＮのピーク強度に対する各相のピーク強度比を算出する。次に、立方晶窒化硼素焼結体に含まれる各相と同じ成分の粉末を用意する。立方晶窒化硼素焼結体のＳＥＭ観察で得られたｃＢＮの含有量（体積％）とｃＢＮ粉末の配合量（体積％）と同じにして、ｃＢＮ以外の粉末についてはいくつか配合比を変えて、これらの粉末を配合する。このとき、ｃＢＮ以外の粉末の配合量（体積％）の合計を、立方晶窒化硼素焼結体のＳＥＭ観察で得られた結合相の含有量（体積％）と同じにする。このような比率で配合した粉末をよく混合する。得られた混合粉末についてＸ線回折測定を行い、各相のピーク強度を測定し、混合粉末におけるｃＢＮのピーク強度に対する各相のピーク強度比を算出する。次に、混合粉末におけるｃＢＮのピーク強度に対する各相のピーク強度比と、各相の配合量（体積％）の関係を示す検量線を得る。この検量線を用いて、立方晶窒化硼素焼結体におけるｃＢＮ以外の各相のピーク強度比から、立方晶窒化硼素焼結体におけるｃＢＮ以外の各相の含有量（体積％）を求めることができる。

【0018】

本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、酸化アルミニウム：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して３〜３０体積％と、窒化チタンと炭窒化チタンの合計：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して１０〜６０体積％と、硼化チタン：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して１〜３０体積％と、窒化アルミニウムおよび硼化アルミニウムの１種または２種：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して１０体積％以下とからなる合計して立方晶窒化硼素焼結体全体に対して２０〜８０体積％の結合相と、立方晶窒化硼素焼結体全体に対して８０〜２０体積％の立方晶窒化硼素および不可避的不純物とから構成されると、立方晶窒化硼素焼結体の耐摩耗性と靭性のバランスが良く工具として用いたときに寿命をさらに長くする効果が得られるので好ましい。これは以下の理由による。製造過程で原料粉末中のアルミニウム粉末は、原料粉末に吸着した酸素や、空気中の酸素と結合して酸化アルミニウムを形成するが、酸化アルミニウムが立方晶窒化硼素焼結体全体に対して３体積％未満になると靭性が低下し、逆に酸化アルミニウムが立方晶窒化硼素焼結体全体に対して３０体積％を超えて多くなると耐摩耗性が低下する。窒化チタンと炭窒化チタンの合計が立方晶窒化硼素焼結体全体に対して１０体積％未満になると耐摩耗性が低下し、逆に窒化チタンと炭窒化チタンの合計が６０体積％を超えて多くなると他の結合相成分が相対的に少なくなるため靭性および耐熱性は低下する。硼化チタンが立方晶窒化硼素焼結体全体に対して１体積％未満になると靭性が低下し、逆に硼化チタンが立方晶窒化硼素焼結体全体に対して３０体積％を超えて多くなると耐摩耗性が低下する。窒化アルミニウムおよび硼化アルミニウムの１種または２種が立方晶窒化硼素焼結体全体に対して１０体積％を超えて多くなると機械的強度および靭性が低下する。より好ましくは、立方晶窒化硼素焼結体全体に対し、酸化アルミニウム：３〜２０体積％、窒化チタンと炭窒化チタンの合計：２０〜５５体積％、硼化チタン：１〜２０体積％、窒化アルミニウムおよび硼化アルミニウムの１種または２種：９体積％以下からなる結合相であり、更に好ましくは、酸化アルミニウム：３〜１５体積％、窒化チタンと炭窒化チタンの合計：３０〜５５体積％、硼化チタン：１〜１０体積％、窒化アルミニウムおよび硼化アルミニウムの１種または２種：８体積％以下からなる結合相である。

【0019】

本発明の立方晶窒化硼素焼結体に不可避的に含有される不純物としては、立方晶窒化硼素焼結体の原料粉末から混入されるＣｕ等が挙げられる。不可避的不純物の合計量は、一般的には立方晶窒化硼素焼結体全体に対して０．５重量％以下であり、通常は立方晶窒化硼素焼結体全体に対して０．２重量％以下に抑えることができるので、本発明の特性値に影響を及ぼすことはない。なお、本発明においては、本発明の立方晶窒化硼素焼結体の特性を損わない範囲で、立方晶窒化硼素と結合相と不可避的不純物に他に、不可避的不純物とはいえない他の成分を少量含有してもよい。

【0020】

本発明の被膜は、周期表４、５、６族元素、Ａｌ、Ｓｉの金属、酸化物、炭化物、窒化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる。具体的には、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＣｒＡｌＮなどを挙げることができる。被膜は単層または２層以上の積層のいずれでも好ましく、組成が異なる層厚５〜２００ｎｍの薄膜を交互に積層した交互積層膜でも好ましい。被膜の平均膜厚は、０．５μｍ未満であると期待する工具寿命の延長効果が小さくなり、１５μｍを超えると耐欠損性が低下する傾向を示すことから、０．５〜１５μｍであると好ましく、その中でも１〜１０μｍがさらに好ましく、その中でも１．５〜５μｍがさらに好ましい。

【0021】

本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、炭窒化チタンに含まれる炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比が０．３〜０．７である平均粒径０．５〜１．０μｍの炭窒化チタン粉末と、平均粒径０．５〜１．２μｍの窒化チタン粉末と、アルミニウム粉末と、立方晶窒化硼素粉末と、パラフィンとを混合し、得られた混合物を成型し、圧力１Ｘ１０^-3Ｔｏｒｒ以下の真空中にて温度７００〜１０００℃で真空熱処理を行って、パラフィンなどの有機物を除去した後、超高圧高温発生装置に入れて、圧力４〜６ＧＰａ、温度１４００〜１６００℃の条件で焼結することで得られる。

【0022】

本発明の立方晶窒化硼素焼結体および被覆立方晶窒化硼素焼結体は、耐摩耗性、耐欠損性および靭性に優れるため、切削工具、耐摩耗工具に応用されると好ましく、その中でも切削工具に応用されるとさらに好ましい。

【実施例】

【0023】

［実施例１］
平均粒径２μｍの立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）粉末、表１に示す平均粒径のＴｉ（Ｃ_0.5Ｎ_0.5）粉末、Ｔｉ（Ｃ_0.8Ｎ_0.2）粉末、Ｔｉ（Ｃ_0.2Ｎ_0.8）粉末およびＴｉＮ粉末（いずれも金属元素と非金属元素の比率が原子比で１：１の化学量論組成であるＴｉ化合物）、平均粒径２μｍのＡｌ粉末を用いて表１に示す配合組成に配合した。配合した原料粉末を超硬合金製ボールとヘキサン溶媒とパラフィンとともにボールミル用のシリンダーに入れてボールミル混合を４８時間行った。ボールミルで混合粉砕して得られた混合粉末を圧粉成型した後、１Ｘ１０^-5Ｔｏｒｒ、８５０℃の条件で脱パラフィン処理をした。脱パラフィン処理をした圧粉成型体を金属カプセルに封入し、金属カプセルを超高圧高温発生装置に入れて、圧力５．５ＧＰａ、温度１５００℃、保持時間３０分の条件で焼結して、発明品および比較品の立方晶窒化硼素焼結体を得た。

【0024】

【表1】

【0025】

こうして得られた立方晶窒化硼素焼結体の断面組織をＳＥＭ観察し、ＥＤＳ分析して、ｃＢＮの含有量（体積％）と結合相の含有量（体積％）を求めた。次に、立方晶窒化硼素焼結体をＸ線回折測定して立方晶窒化硼素焼結体の各相（ｃＢＮ、Ｔｉ（Ｃ_0.5Ｎ_0.5）、Ｔｉ（Ｃ_0.8Ｎ_0.2）、Ｔｉ（Ｃ_0.2Ｎ_0.8）、ＴｉＮ、ＴｉＢ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮなど）を同定した。立方晶窒化硼素焼結体に含まれている各相と同じ組成（ｃＢＮ、Ｔｉ（Ｃ_0.5Ｎ_0.5）、Ｔｉ（Ｃ_0.8Ｎ_0.2）、Ｔｉ（Ｃ_0.2Ｎ_0.8）、ＴｉＮ、ＴｉＢ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮなど）の粉末を用意した。立方晶窒化硼素焼結体のＳＥＭ観察で得られたｃＢＮの含有量とｃＢＮ粉末の配合組成が同じになるように、ｃＢＮ以外の粉末については配合組成を変えて、これらの粉末を配合した。このとき、ｃＢＮ以外の粉末の体積％の合計は、立方晶窒化硼素焼結体のＳＥＭ観察で得られた結合相の含有量（体積％）と同じになるようにした。このような比率で配合した粉末をよく混合した。得られた混合粉末についてＸ線回折測定を行い、各相のピーク強度を測定し、ｃＢＮのピーク強度に対する各相のピーク強度比を算出した。次に、ｃＢＮのピーク強度に対する各相のピーク強度比と、各相の配合組成（体積％）の関係を示す検量線を得た。この検量線を用いて、立方晶窒化硼素焼結体のｃＢＮ以外の各相のピーク強度比から、立方晶窒化硼素焼結体に含まれるｃＢＮ以外の各相の含有量（体積％）を求めた。さらに立方晶窒化硼素焼結体の破壊靭性値Ｋ_1Cを測定した。これらの結果は表２に示した。

【0026】

【表2】

【0027】

次に、得られた焼結体について、株式会社リガク製Ｘ線回折装置ＲＩＮＴ ＴＴＲIIIを使用して、出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、入射側ソーラースリット：５°、発散縦スリット：１／２°、発散縦制限スリット：１０ｍｍ、散乱スリット２／３°、受光側ソーラースリット：５°、受光スリット：０．１５ｍｍ、ＢＥＮＴモノクロメータ、受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、サンプリング幅：０．０２°、スキャンスピード：０．１°／ｍｉｎ、２θ測定範囲：４０〜４６°という条件で、Ｃｕ−Ｋα線を用いた２θ／θ集中光学系のＸ線回折測定を行った。得られたＸ線回折図形をピーク分離して、ピーク分離後の炭窒化チタン（Ｔｉ（Ｃ_0.2Ｎ_0.8）、Ｔｉ（Ｃ_0.5Ｎ_0.5）またはＴｉ（Ｃ_0.8Ｎ_0.2））の（２００）面回折線と窒化チタン（ＴｉＮ）の（２００）面回折線について、それぞれのブラッグ角２θ、ピーク強度、半価幅を測定し、それらを表３に示した。

【0028】

【表3】

【0029】

また、炭窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θと窒化チタンの（２００）面回折線のブラッグ角２θの間隔、炭窒化チタン（Ｔｉ（Ｃ_0.2Ｎ_0.8）、Ｔｉ（Ｃ_0.5Ｎ_0.5）またはＴｉ（Ｃ_0.8Ｎ_0.2））の（２００）面回折線のピーク強度Ｉ_TiCNに対する窒化チタン（ＴｉＮ）の（２００）面回折線のピーク強度Ｉ_TiNのピーク強度比（Ｉ_TiN／Ｉ_TiCN）を算出し、それらを表４に示した。

【0030】

【表4】

【0031】

発明品および比較品について、焼結体をワイヤ放電加工機で、所定の形状にカットして超硬合金基材にろう付けし、研削仕上げ加工をしてＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８切削インサート形状の切削工具を得た。これらの切削インサートを用いて、下記の切削試験（１）及び（２）を行った。その結果を表５に示す。

【0032】

切削試験（１）
外周連続乾式切削（旋削）、
被削材：ＳＣＭ４１５Ｈ（ＨＲＣ６０．９〜６１．７）、
被削材形状：円柱φ６３ｍｍ×Ｌ２００ｍｍ、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
切込み：０．２５ｍｍ、
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ、
切削インサート形状：ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８、
評価：ＶＢｃ＝０．１５ｍｍに達するまでの切削時間あるいは欠損までの切削時間。

【0033】

切削試験（２）
外周弱断続乾式切削（旋削）、
被削材：ＳＣＭ４３５Ｈ（ＨＲＣ６０．９〜６１．７）、
被削材形状：９０°Ｖ溝２本入り円柱φ４８ｍｍ×Ｌ２００ｍｍ、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、
切込み：０．２５ｍｍ、
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ、
切削インサート形状：ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８、
評価：ＶＢｃ＝０．１５ｍｍに達するまでの切削時間あるいは欠損までの切削時間。

【0034】

【表5】

【0035】

本発明の焼結体は従来の立方晶窒化硼素焼結体に比べて破壊靭性値Ｋ_1Cが高く、その結果、切削時の耐欠損性が上昇し、連続切削および弱断続切削において従来品に比べて欠損を生じにくい。炭窒化チタンのピーク強度に対する窒化チタンのピーク強度の比（Ｉ_TiN／Ｉ_TiCN）が０．１〜０．５の場合には、特に優れた切削性能を示し、工具寿命が長い。

【0036】

［実施例２］
実施例１の発明品３の表面にＰＶＤ装置を用いて被覆処理を行った。平均膜厚３μｍのＴｉＮを被覆したものを発明品６、平均膜厚３μｍのＴｉＡｌＮを被覆したものを発明品７とした。発明品６、７について実施例１と同じ切削試験（１）（２）を行った。その結果を表６に示す。

【0037】

【表6】

【0038】

被膜を被覆した発明品６、７は、被膜を被覆していない発明品３よりも、さらに工具寿命を長くすることができた。

【産業上の利用可能性】

【0039】

本発明の立方晶窒化硼素焼結体および被覆立方晶窒化硼素焼結体は、耐摩耗性、耐欠損性および靱性に優れ、特に切削工具や耐摩耗工具として用いた場合に工具寿命を延長できるので、産業上の利用可能性が高い。

【符号の説明】

【0040】

１ ピーク分離する前のＸ線回折図形
２ ピーク分離した後の炭窒化チタンの（２００）面回折線
３ ピーク分離した後の窒化チタンの（２００）面回折線
４ ピーク分離した後の立方晶窒化硼素の（１１１）面回折線

【図1】