CN101077645A - 由表面涂覆的立方氮化硼基超高压烧结材料制成的切削工具 - Google Patents

由表面涂覆的立方氮化硼基超高压烧结材料制成的切削工具 Download PDF

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Abstract

由表面涂覆的立方氮化硼基超高压烧结材料制成的切削工具，包括通过超高压烧结压坯形成的切削刀片主体和气相淀积在主体表面上的硬质涂层，其中该压坯由氮化钛、铝和/或氧化铝，及氮化硼构成。主体具有含有立方氮化硼、氮化钛和反应产物的织构。硬质涂层具下层和上层，该下层为具有[Ti1－X－YAlXSiY]N组成的复合氮化物，其中X按原子比计在0.40－0.60的范围，Y按原子比计在0.02－0.10的范围，该上层包括薄层A和薄层B，薄层A具有[Ti1－X－YAlXSiY]N的组成，其中X按原子比计在0.40－0.60的范围，Y按原子比计在0.02－0.10的范围，薄层B由Ti氮化物(TiN)构成。该上层由交替层叠的薄层A和薄层B构成。

Description

由表面涂覆的立方氮化硼基超高压烧结材料制成的切削工具
技术领域
本发明涉及由表面涂覆的立方氮化硼基超高压烧结材料制成的切削工具(下文称为表面涂覆的cBN基烧结工具)，其包括由立方氮化硼基超高压烧结材料制成的切削工具本体和在切削工具本体表面形成的硬质涂层，其包括具有优异高温硬度、高温强度、耐热性和耐刀刃缺口性能的硬质涂层，也能在长的时间内甚至在硬质钢例如合金钢或硬化轴承钢的高速切削操作中，显现出优异耐刀刃缺口性能并保持优异的表面光洁度。
本申请要求于2006年5月26日提交的日本专利申请2006-147300的权益，该申请的内容在这里通过参考进行引用。
背景技术
表面涂覆的cBN基烧结工具通常包括在车刀的尖端装上可转位刀片用于各种铸铁等旋转工件的切削加工，以及与整体式立铣工具有同样切削加工能力的可转位刀片式立铣刀用于工件的平面、槽和台阶面的加工。
一种已知的表面涂覆的cBN基烧结工具的结构包括由各种立方氮化硼基超高压烧结材料(下文称为cBN基烧结材料)制成的工具本体和在工具本体表面通过气相淀积形成的表面涂层例如氮化钛(TiN)层或钛铝硅氮化物([Ti，Al，Si]N)层。也已知这些表面涂覆的cBN基烧结工具用于切削由各种钢或铸铁制成的工件(日本专利3460288)。
也已知，可使用作为如图1A和1B示意表示的物理气相淀积设备一种的电弧离子镀设备通过在工具本体S表面涂覆适宜组成的层，例如TiN层或[Ti，Al，Si]N层制备上述表面涂覆的cBN基烧结工具。例如可通过将工具本体置于电弧离子镀设备中；通过在阳极61、62和由金属Ti或预定组成的Ti-Al-Si合金构成的阴极(蒸发源)31、32间提供90A电流产生电弧放电，其中通过加热器维持环境温度在例如500℃，同时在设备中引入氮气作为反应气体以获得2Pa压力的反应气氛，并对工具本体施用例如-100V的偏压而形成表面涂层(日本专利2793773)。
最近已经在切削设备的设计和安装工厂自动化(FA)方面取得显著的发展。另一方面，在切削操作中仍然具有强烈的省工、节能和减少成本的需求。因此，除在常规条件下进行切削操作外，也具有增加的在高速切削条件下进行切削操作的需求。常规表面涂覆的cBN基烧结工具在通常切削条件下在钢和铸铁加工中表现令人满意。然而，当用于具有50或更高Rockwell硬度(C等级)的硬质钢(具有高硬度的钢)、例如合金钢或硬化(淬火)轴承钢的高速连续切削操作或高速间歇切削操作中，由于在切削刃上产生的高热或在切削刀口上因断续式冲击而受到的相当大的机械载荷，在切削刃边缘部分发生损坏(下文称为刀刃缺口(edge notching))。因此，难以在长时期内保持工件的表面光洁度；因此切削工具在相对短的时间内达到工具的使用寿命。
发明内容
在上述情况下，发明人进行研究旨在研发具有硬质涂层的表面涂覆的cBN基烧结工具，该硬质涂层在硬质钢例如合金钢或硬化轴承钢的高速连续切削操作或高速断续切削操作(下文仅称为“高速切削操作”)中具有优异的耐刀刃缺口性能，并确保在长的操作时间内保持优异的工件表面光洁度，通过下面发现(a)-(c)获得。
(a)构成硬质涂层的Ti-Al-Si复合氮化物[Ti1-X-YAlXSiY]N层具有优异的耐热性能、高温硬度和高温强度，因此提供在通常切削条件下所需的性能，其中Al含量的比例X(原子比)在0.40-0.60范围，而Si含量的比例Y(原子比)在0.02-0.10的范围。然而，在切削刃上产生高热量或在切削刀口上因断续式冲击而受到相当大的机械载荷的高速继续切削操作中，因为由Ti-Al-Si复合氮化物[Ti1-X-YAlXSiY]N构成的硬质涂层的不充分的高温强度，在切削刃的边缘部分发生刀刃缺口。因此，由于容易发生切削刃的崩刀，所以难以保持工件的表面光洁度，且切削工具在相当短的时间内达到工具寿命。
(b)尽管Ti氮化物(TiN)层具有优异的高温强度和耐冲击强度，但不具有充分的耐热性和高温硬度。因此，在切削刃上产生极高热并因断续式冲击而受到相当大机械载荷的硬质钢的高速继续切削操作中，仅由Ti氮化物(TiN)层构成的硬质涂层不具有充分的耐磨性。
(c)当具有Al含量比例X在40-60原子％、具有Si含量比例Y在2-10原子％范围并具有耐热性、高温硬度和预定高温强度的上述(a)的[Ti1-X-YAlXSiY]N层定义为薄层A时，
与薄层A相比具有较差耐热性和高温硬度但具有优异高温强度和抗冲击强度的Ti氮化物(TiN)层定义为薄层B，
薄层A和B交替层叠以构成硬质涂层的上层，使得薄层A和B每一层具有0.05-0.3μm的平均层厚。
具有交替层叠结构的硬质涂层具有薄层A的优异的耐热性和高温硬度，也具有薄层B更优异的高温强度和抗冲击强度，因此能防止崩刀(chipping)的发生和刀刃缺口的发生。因此能在长时间内保持优异的工件表面光洁度。
通过发明人的研究获得发现(a)-(c)。
本发明基于上述发现完成，提供由表面涂覆的立方氮化硼基超高压烧结材料(已经在超高压条件下烧结的材料)制成的切削工具，该切削工具包括切削刀片的主体和在主体表面气相淀积的硬质涂层。
切削刀片的主体由通过超高压烧结压坯形成的超高压烧结材料构成，该压坯的组成按质量％计为：13-30％氮化钛、6.5-18％铝和/或氧化铝，以及余量的氮化硼。使用扫描电镜观察时，该主体显示出的织构为：在构成分散相的立方氮化硼相和构成连续相的氮化钛相之间的界面上存在通过超高压烧结过程形成的反应产物。在主体上淀积的硬质涂层具有下面(a)-(c)的组成。
(a)硬质涂层包括平均层厚1.5-3μm的下层和平均层厚0.3-3μm的上层。
(b)硬质涂层的下层包括气相淀积的Ti、Al和Si复合氮化物，其具有[Ti1-X-YAlXSiY]N的组成(由化学式表示的组成)，其中X按原子比计在0.40-0.60的范围和Y按原子比计在0.02-0.10的范围。
(c)在下层上气相淀积硬质涂层的上层，其具有包括至少一个薄层A和至少一个薄层B交替层叠的结构，其中薄层A是具有[Ti1-X-YAlXSiY]N组成的Ti、Al和Si复合氮化物层，其中X按原子比计在0.40-0.60的范围，Y按原子比计在0.02-0.10的范围，薄层B是Ti氮化物(TiN)层。在该叠层结构中，薄层A和B的每一层具有0.05-0.3μm的平均层厚。
即使在硬质钢的高速切削操作中，由上述组成的表面涂覆的立方氮化硼基超高压烧结材料制成的切削工具(下文称为涂覆的cBN基烧结工具)能在长时间内在硬质钢的高速切削操作中确保优异的工件表面光洁度。
接下来，设定切削刀片的cBN基烧结材料的组成和硬质涂层的组成和厚度的数值范围的理由解释如下，其中切削刀片构成本发明表面涂覆的cBN基烧结工具。
(A)切削刀片本体的cBN基烧结材料的组成
TiN
烧结材料中的TiN组分具有提高可烧结性和在烧结体中形成连续相的作用，因此提高强度。当TiN组分含量比例少于13质量％时，不能确保所需的强度。另一方面，当TiN组分含量的比例大于30质量％时，cBN含量相对降低，更容易发生前刀面磨损。因此，TiN组分含量的比例设定在13-30质量％。
铝和/或氧化铝
这些组分在烧结中优先地在cBN粉末表面凝聚，并反应形成反应产物，因此在烧结后在cBN基材料中在构成连续相的TiN相和构成硬质分散相的cBN相间存在这些组分。由于反应产物对构成连续相的TiN相和构成硬质分散相的cBN相均具有牢固地紧密附着的性能，所以cBN相对作为连续粘结剂相的TiN相的附着显著提高，因此导致提高切削刃的耐崩刀性能。当铝和/或氧化铝含量比例偏离6.5-18质量％时，不能实现中间附着层和硬质分散相和连续相间的牢固附着。因此，铝和/或氧化铝含量的比例设定在6.5-18质量％范围。
立方氮化硼(cBN)
在由超高压烧结材料制成的工具本体中的立方氮化硼(cBN)非常硬，并且在烧结材料中形成分散相，通过该分散相提高耐磨性。当立方氮化硼含量的比例过小时，不能确保所需的优异耐磨性。另一方面，当立方氮化硼含量的比例过大时，立方氮化硼(cBN)基材料本身的可烧结性下降，因此容易发生切削刃的崩刀。立方氮化硼(cBN)含量的比例是作为烧结材料组成组分的TiN、铝和氧化铝的余量，即在52-80.5质量％。
(B)硬质涂层的下层
由于在构成硬质涂层下层的Ti-Al-Si复合氮化物([Ti1-X-YAlXSiY]N)层中的Ti组分有助于保持高温强度，Al组分有助于提高高温硬度和耐热性，Si组分有助于进一步提高耐热性，构成硬质涂层下层的Ti-Al-Si复合氮化物([Ti1-X-YAlXSiY]N)层具有优异高温强度、高温硬度和耐热性能，主要确保在硬质钢的高速切削操作中切削刃的耐磨性能。当Al含量比例X大于60原子％时，提高下层的高温硬度和耐热性。然而，通过Ti含量比例的相对降低，高温强度下降，因此使得容易发生崩刀。另一方面，当Al含量比例X小于40原子％时，高温硬度和耐热性下降，因此导致差的耐磨性能。当Si含量的比例Y多于10原子％时，高温强度明显下降。另一方面，当Si含量的比例Y小于2原子％时，不能获得提高耐热性的优异的效果。因此，Al含量的比例X设定按原子比计在0.40-0.60的范围，Si含量的比例Y设定按原子比计在0.02-0.10的范围。
当下层的平均层厚小于1.5μm时，在长时间内不能对硬质涂层赋予下层的耐热性、高温硬度和高温强度，因此导致短的工具寿命。另一方面，当平均层厚大于3μm时，更可能发生崩刀。因此，下层的平均层厚设定在1.5-3μm范围。
为了确保由超高压烧结材料制成的切削工具本体和下层间的充分附着，可在工具本体和下层间插入由氮化钛(TiN)制成的薄层。当由TiN制成的薄层的层厚小于0.01μm时，提高附着的作用较小。另一方面，当层厚大于0.5μm时，不能获得附着的进一步提高。因此，插入工具本体和下层间的TiN层的层厚优选设定在0.01-0.5μm。
(C)硬质涂层的上层
1)上层的薄层A
构成上层的薄层A的Ti-Al-Si复合氮化物([Ti1-X-YAlXSiY]N)层(其中X按原子比计在0.40-0.60的范围和Y按原子比计在0.02-0.10的范围)基本上与下层相似，具有预定的耐热性、高温硬度和高温强度，也具有在硬质钢高速切削操作中确保切削刃处的耐磨性的作用。
2)上层的薄层B
由Ti氮化物(TiN)构成的薄层B的主要目标是弥补上层中薄层A不充分的性能(高温强度、抗冲击强度)，该上层具有薄层A和薄层B交替层叠的结构。
如上描述，上层的薄层A具有优异的耐热性、高温硬度和高温强度，但在施加大的机械载荷和产生高热的硬质钢的高速切削操作中，并不显示出充分的高温强度和抗冲击强度。因此，在切削刃尖的边缘部分发生刀刃缺口，引起表面光洁度的下降，容易发生崩刀。
通过薄层B和薄层A的交替层叠，形成交替层叠的结构，其中薄层B由具有优异高温强度和抗冲击强度的Ti氮化物(TiN)制成，弥补了邻接薄层A的不充分的高温强度和抗冲击强度，形成具有薄层B更为优异的高温强度和抗冲击强度的上层而没有损失薄层A的优异耐热性、高温硬度和高温强度。
Ti氮化物(TiN)层具有优异的高温强度和抗冲击强度和在产生高热的硬质钢的高速切削操作中具有防止在切削刃刃尖的边缘部分发生刀刃缺口的作用。
3)上层单一薄层A和单一薄层B的平均层厚，和上层的平均层厚
当上层的每一单层薄层A和薄层B的平均层厚小于0.05μm时，不能获得每一薄层的优异性能，因此不能赋予上层优异的高温硬度、高温强度和耐热性和更优异的高温强度和抗冲击强度。另一方面，当薄层A每一单层的平均层厚多于0.3μm或薄层B的每一单层的平均层厚多于0.3μm时，在上层中局部出现的每一薄层的不利性能，即薄层A不充分的高温强度和抗冲击强度或薄层B不充分的耐热性和高温硬度，因此更容易发生切削刃刃尖的刀刃缺口，损坏表面光洁度或加速磨损进程。因此，薄层A和薄层B的每一单层的平均层厚设定在0.05-0.3μm范围。
提供薄层B使得赋予上层更优异的高温强度和抗冲击强度。当薄层A和薄层B的每一单层薄层的平均层厚在上述范围内时，具有薄层A和薄层B交替层叠结构的上层作为具有优异耐热性和高温硬度和更优异的高温强度和抗冲击强度的一个层发挥作用。当薄层A和薄层B的每一单层薄层的平均层厚偏离上述范围时，上层中局部存在的薄层A的不充分的高温强度和抗冲击强度或薄层B的不充分的耐热性和高温硬度，因此上层不能作为一个层展现良好的性能。因此，薄层A和薄层B的每一单层薄层的平均层厚设定在0.05-0.3μm范围。
通过在下层表面上形成具有由交替层叠的至少一个薄层A和至少一个薄层B构成的交替层叠结构的上层，其中薄层A和薄层B的每一单层薄层的平均层厚设定在0.05-0.3μm范围，获得具有优异耐热性和高温硬度和更优异高温强度和抗冲击强度的硬质涂层，因此能够在硬质钢的高速连续切削操作或高速继续切削操作中防止在切削刃刃尖的边缘部分发生刀刃缺口并保持优异的表面光洁度。
优选的，薄层A的每一单层薄层的平均层厚可设定在0.05-0.2μm范围。
当上层的总平均层厚(即，以构成交替层叠结构的薄层A和薄层B各自平均层厚的总和作为总层厚)小于0.3μm，不能赋予上层在硬质钢的高速切削操作中所需的充分的耐热性、高温硬度、高温强度和抗冲击强度，因此导致较短的工具寿命。另一方面，当层厚大于3μm时，更可能发生崩刀。因此，上层的平均层厚设定在0.3-3μm范围。
优选的，控制薄层A和薄层B的每一单层的平均层厚以不大于上层平均层厚的一半。
在本发明表面涂覆的cBN基烧结工具中，有时会依据最外表面上的涂层层厚发生各自稍不同的干涉色，因此导致不均匀的工具外观。在这种情况下，可通过使用气相淀积方法形成厚的Ti-Al-Si复合氮化物(TiAlSiN)层防止工具不均匀的外观。在这种情况下，当TiAlSiN层的平均层厚小于0.2μm时，不能防止不均匀外观。当平均层厚不多于2μm时，可足以防止不均匀的外观。因此，Ti-Al-Si复合氮化物(TiAlSiN)层的平均层厚可设定在0.2-2μm范围。
本发明表面涂覆的cBN基烧结工具的工具本体表面粗糙度Ra优选0.05-1.0μm。当表面粗糙度Ra是0.05μm或更多时，可通过锚固效应获得基体和硬质涂层间的附着。另一方面，当Ra大于1.0μm时，对工件表面光洁度会具有不利影响。
本发明表面涂覆的cBN基烧结工具提供有具有上层和下层的硬质涂层。通过在由至少一个薄层A和至少一个薄层B相互交替层叠构成的结构中形成上层，能够获得优异耐热性、高温硬度、高温强度和抗冲击强度。因此，表面涂覆的cBN基烧结工具可在长的时间内保持优异的耐崩刀性能和耐磨性，而不会在硬质涂层上发生刀刃缺口，且能够在长的时间内保持优异的工件表面光洁度，甚至在苛刻条件下的切削操作中，例如产生高热或除高热产生外，在切削刀口上因断续式冲击而受到机械载荷的硬质钢例如合金钢或硬化轴承钢的高速连续切削操作或高速继续切削操作中。
附图说明
图1A是用于形成作为本发明表面涂覆的cBN基烧结工具的组成部分的硬质涂层的电弧离子镀设备的示意性平面图。
图1B是用于形成作为本发明表面涂覆的cBN基烧结工具的组成部分的硬质涂层的电弧离子镀设备的示意性正视图。
图2是显示常规电弧离子镀设备的示意图。
具体实施方式
现在将通过实施例详细描述本发明表面涂覆的cBN基烧结工具。
实施例
准备均具有平均粒径为0.5-4μm的立方氮化硼(cBN)粉末、Ti氮化物(TiN)粉末、Al粉末和氧化铝(Al2O3)粉末作为原料粉末，以表1所示比例进行掺混，使用球磨机湿法混合80小时。在干燥后，混合物通过压力120MPa压成为直径50mm、厚度1.5mm压坯。通过900-1300℃范围的预定温度下在1Pa真空中加热60分钟而烧结压坯以获得切削刃用预烧结体。另外地，制备由WC基硬质合金制成的支承片，其直径50mm、厚度2mm并具有8质量％Co和余量WC的组成。预烧结体和支承片上下叠在一起置于处于稳定状态的常规超高压烧结设备中，并在5GPa压力、1200-1400℃的预定温度、保温时间0.8小时的常规条件下进行超高压烧结。在烧结后，使用金刚石粘结磨料对制成的烧结体的顶部和底部表面进行抛光。使用电火花线切割加工设备将烧结体切割成单边3mm的等边三角形刀片。制备含WC基硬质合金的刀片主体，其组成为5质量％Co、5质量％TaC和余量WC，和根据ISO标准中规定的SNGA120412的形状(四角形厚度4.76mm和边12.7mm)。通过使用Ag合金硬焊材料将上述超高压烧结体的切削刀片硬焊到上述刀片主体的焊接部分(刀尖部分)，该Ag合金硬焊材料的组成(质量％)为26％Cu、5％Ti、2.5％Ni和余量Ag。在圆周削铣以形成具有预定尺寸的坯体后，切削刃部分进行修磨处理(宽度：0.13mm，角度：25°)，然后进行精抛光。根据上述过程，制备具有刀片几何形状满足ISO标准规定的SNGA120412的工具本体A-J。
(a)然后工具本体A-J在丙酮中进行超声波清洗。在干燥后，在如图1A和1B所示的电弧离子镀设备10中，以预定的到中心的径向间隔沿着其圆周将工具本体置于旋转台20上。在一侧放置用于形成作为上层的薄层B的金属Ti作为阴极(蒸发源)31，在另一侧放置用于形成作为上层的薄层A和下层的Ti-Al-Si合金作为阴极(蒸发源)32以与阴极32相对，该Ti-Al-Si合金具有与表2所示目标组成相应的组成，旋转台2置于其间。参考标号50表示偏压电源和参考标号71、72表示电弧电源。
(b)在将设备中的气体排除以维持内部真空水平不高于0.1Pa的同时，使用加热器40加热设备内部到500℃并在设备中引入Ar气以维持0.7Pa气氛，对在旋转台20(旋转的台)上旋转的工具本体S施用-200V的DC偏压，由此通过氩离子的轰击清洗工具本体S表面。
(c)然后在设备中引入氮气作为反应气体以维持3Pa的反应气氛，对在旋转台20上旋转的工具本体S施用-100V的DC偏压。同时，通过在用于形成薄层A和下层的Ti-Al-Si合金和阳极62间提供100A电流产生电弧放电，因此气相淀积具有表2中所示目标组成和目标层厚度的[Ti，Al，Si]N层作为工具本体S表面上硬质涂层的下层。
(d)然后，控制引入设备中作为反应气体的氮气流速以维持2Pa的反应气氛，对在旋转台20上旋转的工具本体S应用-10到-100V的DC偏压。同时，通过在用于形成薄层B的金属Ti阴极31和阳极61间提供50-200A的预定强度的电流产生电弧放电，因此在工具本体表面上形成预定厚度的薄层B。在形成薄层B后，停止电弧放电，在用于形成薄层A和下层的Ti-Al-Si合金阴极32和阳极62间提供50-200A的预定强度的电流，因此产生电弧放电和形成预定厚度的薄层A。然后停止电弧放电。然后交替重复通过在用于形成薄层B的金属Ti阴极31和阳极61间放电形成薄层B，和通过在用于形成薄层A和下层的Ti-Al-Si合金阴极32和阳极62间电弧放电形成薄层A。由此通过气相淀积在工具本体表面上形成具有由薄层A和薄层B交替层叠构成的结构的上层，其中薄层A和薄层B的单层具有如表2所示目标组成和目标厚度，其总厚度(平均层厚)如表2所示。因此，制备根据各个本发明表面涂覆的cBN基烧结工具1-10。
出于比较的目的，工具本体A-J在丙酮中进行超声波清洗。在干燥后，工具本体置于如图2所示的标准电弧离子镀设备1中，放置具有组成相应于表3所示目标组成的Ti-Al-Si合金作为阴极(蒸发源)3。排空设备以维持内部真空水平不高于0.1Pa的同时，使用加热器4加热设备内部到500℃，在设备中引入Ar气以维持0.7Pa的反应气氛，对在旋转台2上旋转的工具本体S应用-200V的DC偏压，由此通过氩离子轰击清洗工具本体表面。然后在设备中引入氮气作为反应气体以维持3Pa的反应气氛，应用于工具本体的偏压设定为-100V，在由Ti-Al-Si合金制成的阴极3和阳极6间使用电弧电源7产生电弧放电。因此工具本体A-J的表面涂覆有具有表3所示目标组成和目标层厚度的[Ti，Al，Si]N层，因此制备常规表面涂覆的cBN基烧结工具1-10。
对于由此获得的构成各种表面涂覆的cBN基烧结工具的切削刀片主体的cBN基烧结材料，使用扫描电镜观察结构。结果是，所有切削刀片主体的结构是，在主要构成分散相的cBN相和构成连续相的TiN相之间的界面上存在超高压烧结反应产物。
此外，通过能量色散X射线分析使用透射电镜分析表面涂层的组成，所有样品显示出与目标组成基本上相同的组成。通过使用透射电镜观察横截面测量硬质涂层的各构成层的平均层厚。所有样品显示出与目标厚度基本上相同的平均层厚(5点测量的平均值)。
然后，各种表面涂覆的cBN基烧结工具通过螺纹连接夹具固定在由工具钢制成的切削工具的末端。根据本发明的表面涂覆的cBN基烧结工具1-5和常规表面涂覆的cBN基烧结工具1-5在下面切削条件A-C下进行高速继续切削操作测试。而且，根据本发明表面涂覆的cBN基烧结工具6-10和常规表面涂覆的cBN基烧结工具6-10在下面切削条件a-c下进行高速连续切削操作测试。
[切削条件A]
在下面条件下进行合金钢干法继续高速切削操作测试(正常切削速度120m/分钟)：
工件：渗碳和硬化(淬火)的JIS SCM415(硬度：HRC61)的圆棒，在长度方向上以相同的间距形成四个凹槽。
切削速度：250m/分钟
切削深度：0.15mm
进刀：0.08mm/rev
切削时间：8分钟
[切削条件B]
在下面条件下进行铬钢干法继续高速切削操作测试(正常切削速度120m/分钟)：
工件：渗碳和硬化的JIS SCr420(硬度：HRC60)的圆棒，在长度方向上以相同的间距形成四个凹槽。
切削速度：260m/分钟
切削深度：0.15mm
进刀：0.09mm/rev
切削时间：8分钟
[切削条件C]
在下面条件下进行轴承钢干法继续高速切削操作测试(正常切削速度150m/分钟)：
工件：硬化的JIS SUJ2(硬度：HRC61)的圆棒，在长度方向上以相同的间距形成四个凹槽。
切削速度：250m/分钟
切削深度：0.12mm
进刀：0.07mm/rev
切削时间：8分钟
[切削条件a]
在下面条件下进行合金钢干法连续高速切削操作测试(正常切削速度180m/分钟)：
工件：渗碳和硬化的JIS SCM415(硬度：HRC61)的圆棒
切削速度：260m/分钟
切削深度：0.25mm
进刀：0.12mm/rev
切削时间：8分钟
[切削条件b]
在下面条件下进行铬钢干法连续高速切削操作测试(正常切削速度180m/分钟)：
工件：渗碳和硬化的JIS SCr420(硬度：HRC60)的圆棒
切削速度：270m/分钟
切削深度：0.15mm
进刀：0.08mm/rev
切削时间：8分钟
[切削条件c]
在下面条件下进行轴承钢干法连续高速切削操作测试(正常切削速度150m/分钟)：
工件：硬化的JIS SUJ2(硬度：HRC61)的圆棒
切削速度：240m/分钟
切削深度：0.15mm
进刀：0.07mm/rev
切削时间：8分钟
在上述切削测试每次测试中，测量切削工具刀刃的后刀面磨损宽度(mm)和工件的表面光洁度(根据JIS B0601-2001的算术平均高度(Ra(μm))。在表4和5中显示结果。
表1
类型   组成(质量％)
  TiN   Al   Al2O3   cBN
工具本体   A   13   16   2.0   余量
  B   15   17   -   余量
  C   17   15   -   余量
  D   19   13   1.0   余量
  E   21   12   0.5   余量
  F   22   10   1.2   余量
  G   24   11   1.0   余量
  H   26   12   -   余量
  I   28   6   0.5   余量
  J   30   8   0.2   余量
表2
  类型   工具本体编号   硬质涂层
  下层   上层
  薄层A   薄层B 上层总厚度(μm)
目标组成(原子比) 目标厚度(μm) 目标组成(原子比) 一层目标厚度(μn) 一层目标厚度(μm)
Ti Al Si N Ti Al Si N
本发明的表面涂覆的cBN基烧结工具   1   A   050   0.40   0.10   1.0   2.5   0.50   0.40   0.10   1.0   0.05   0.1   3.0
  2   B   0.50   0.45   0.05   1.0   1.5   0.50   0.45   0.05   1.0   0.1   0.05   0.3
  3   C   0.48   0.50   0.02   1.0   2.0   0.48   0.50   0.02   1.0   0.2   0.15   1.05
  4   D   0.39   0.55   0.06   1.0   1.8   0.39   0.55   0.06   1.0   0.3   0.1   0.8
  5   E   0.37   0.60   0.03   1.0   3.0   0.37   0.60   0.03   1.0   0.15   0.3   1.8
  6   F   0.50   0.40   0.10   1.0   2.5   0.50   0.40   0.10   1.0   0.05   0.1   3.0
  7   G   0.50   0.45   0.05   1.0   1.5   0.50   0.45   0.05   1.0   0.1   0.05   0.3
  8   H   0.48   0.50   0.02   1.0   2.0   0.48   0.50   0.02   1.0   0.2   0.15   1.05
  9   I   0.39   0.55   0.06   1.0   1.8   0.39   0.55   0.06   1.0   0.3   0.1   0.8
  10   J   0.37   0.60   0.03   1.0   3.0   0.37   0.60   0.03   1.0   0.15   0.3   1.8
表3
类型   工具本体编号   硬质涂层
  目标组成(原子比) 目标厚度(μm)
Ti Al Si N
常规表面涂覆的cBN基烧结工具   1   A   0.50   0.40   0.10   1.0   3.0
  2   B   0.50   0.45   0.05   1.0   1.8
  3   C   0.48   0.50   0.02   1.0   3.5
  4   D   0.39   0.55   0.06   1.0   2.5
  5   E   0.37   0.60   0.03   1.0   6.0
  6   F   0.50   0.40   0.10   1.0   3.0
  7   G   0.50   0.45   0.05   1.0   1.8
  8   H   0.48   0.50   0.02   1.0   3.5
  9   I   0.39   0.55   0.06   1.0   2.5
  10   J   0.37   0.60   0.03   1.0   6.0
表4
  类型   切削条件(A)   切削条件(B)   切削条件(C)
  后刀面磨损宽度(mm)   表面光洁度[Ra(μm)]   后刀面磨损宽度(mm)   表面光洁度[Ra(μm)]   后刀面磨损宽度(mm)   表面光洁度[Ra(μm)]
本发明的表面涂覆的cBN基烧结工具   1   0.12   0.3   0.12   0.4   0.11   0.3
  2   0.10   0.4   0.13   0.6   0.12   0.5
  3   0.09   0.4   0.10   0.3   0.13   0.2
  4   0.11   0.3   0.12   0.5   0.11   0.6
  5   0.08   0.5   0.11   0.7   0.09   0.7
  切削条件(a)   切削条件(b)   切削条件(c)
  后刀面磨损宽度(mm)   表面光洁度[Ra(μm)]   后刀面磨损宽度(mm)   表面光洁度[Ra(μm)]   后刀面磨损宽度(mm)   表面光洁度[Ra(μm)]
  6   0.13   0.5   0.13   0.2   0.12   0.3
  7   0.12   0.4   0.13   0.2   0.13   0.2
  8   0.11   0.6   0.12   0.3   0.11   0.3
  9   0.10   0.4   0.10   0.3   0.10   0.3
  10   0.08   0.4   0.09   0.3   0.08   0.3
表5
  类型   切削条件(A)   切削条件(B)   切削条件(C)
  后刀面磨损宽度(mm)   表面光洁度[Ra(μm)]   后刀面磨损宽度(mm)   表面光洁度[Ra(μm)]   后刀面磨损宽度(mm)   表面光洁度[Ra(μm)]
常规的表面涂覆的cBN基烧结工具   1   2分钟**   -   3分钟**   -   4分钟**   -
  2   1分钟**   -   6分钟**   -   3分钟**   -
  3   2分钟**   -   5分钟**   -   3分钟**   -
  4   4分钟**   -   4分钟**   -   4分钟**   -
  5   0.11分钟**   1.8   份钟**   -   5分钟**   -
  切削条件(a)   切削条件(b)   切削条件(c)
  后刀面磨损宽度(mm)   表面光洁度[Ra(μm)]   后刀面磨损宽度(mm)   表面光洁度[Ra(μm)]   后刀面磨损宽度(mm)   表面光洁度[Ra(μm)]
  6   0.12*   1.5   0.13*   1.2   0.12*   1.6
  7   6分钟**   -   0.11*   1.5   0.13*   2.0
  8   5分钟**   -   5分钟**   -   0.11*   1.3
  9   4分钟**   -   4分钟**   -   6分钟**   -
  10   3分钟**   -   4分钟**   -   5分钟**   -
在表中，符号*指的是发生刀刃缺口的工具，而符号**指的是由于刀刃缺口和崩刀导致工具达到寿命时的工具切削时间(分钟)。
表2-5中显示的结果明显地显示本发明下面的效果。所有根据本发明的表面涂覆的cBN基烧结工具具有硬质涂层，其具有：平均层厚1.5-3μm的下层；平均层厚(总厚度)0.3-3μm、由薄层A和薄层B彼此上下交叠而构成的上层，其各自具有0.05-0.3μm的平均层厚。在每一个本发明表面涂覆的cBN基烧结工具中，由于下层具有优异的耐热性、高温强度和高温硬度，上层具有优异的耐热性和高温硬度和更优异的高温强度和抗冲击强度，硬质涂层附着了这些优异性能，因此能显示出优异的耐磨性和确保优异的工件表面光洁度，而没有引起刀刃缺口和崩刀，甚至在硬质钢、例如合金钢或硬化轴承钢的高速切削操作中。相反，常规的表面涂覆的cBN基烧结工具具有包括单相结构的[Ti，Al，Si]N层的硬质涂层，因为该硬质涂层不充分的高温强度和抗冲击强度而引起切削刃处的刀刃缺口或崩刀。常规表面涂覆的cBN基烧结工具的工具寿命相对较短，工件显示出明显较差的表面。
如上描述，在通常切削条件下各种钢和铸铁的加工中，甚至在伴随产生高热和在切削刀口上因断续式冲击而受到相当大机械载荷的硬质钢的高速连续切削操作或高速继续切削操作中，本发明的表面涂覆的cBN基烧结工具通过该硬质涂层而显示优异的耐刀刃缺口性能，并在长的时间内保持优异的工件表面光洁度，并具有优异的耐磨性。因此，本发明表面涂覆的cBN基烧结工具有助于提高切削设备的性能，能在切削操作中充分实现省力、节能和减少成本。
尽管上面已经描述和举例说明了本发明的优选实施方式，但应理解的是，这些是本发明的例示而不是限制。可在不脱离本发明实质或范围内进行添加、省略、替换和其它改变。因此，本发明不认为由前述说明书进行限制，而仅由所附权利要求书的范围进行限制。

Claims (4)

1.由表面涂覆的立方氮化硼基超高压烧结材料制成的切削工具，包括主体和硬质涂层，其中：
主体由通过超高压烧结压坯形成的超高压烧结材料构成，该压坯的组成按质量％计为：13-30％氮化钛、6.5-18％铝和/或氧化铝，以及余量的氮化硼，使用扫描电镜观察时，该主体显示出的织构为：在构成分散相的立方氮化硼相和构成连续相的氮化钛相之间的界面上存在超高压烧结反应产物；
硬质涂层气相淀积在主体表面上，具有平均层厚1.5-3μm的下层和平均层厚0.3-3μm的上层，其中：
硬质涂层的下层由气相淀积的Ti、Al和Si的复合氮化物构成，其组成为[Ti1-X-YAlXSiY]N，其中X按原子比计在0.40-0.60的范围，Y按原子比计在0.02-0.10的范围；并且
在下层表面上气相淀积硬质涂层的上层，其包括至少一个薄层A和至少一个薄层B，其中薄层A由组成为[Ti1-X-YAlXSiY]N的Ti、Al和Si复合氮化物构成，其中X按原子比计在0.40-0.60的范围，Y按原子比计在0.02-0.10的范围，薄层B由氮化钛构成，
该上层具有薄层A和薄层B交替层叠的结构，使得每个单层具有0.05-0.3μm的平均层厚。
2.根据权利要求1的由表面涂覆的立方氮化硼基超高压烧结材料制成的切削工具，其中在下层表面上首先形成薄层B。
3.根据权利要求1的由表面涂覆的立方氮化硼基超高压烧结材料制成的切削工具，其中控制薄层A和薄层B各单层的平均层厚，以使其不大于上层平均层厚的一半。
4.根据权利要求1的由表面涂覆的立方氮化硼基超高压烧结材料制成的切削工具，其中主体的表面粗糙度是0.05-1.0μm。
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