CN101102863A - cBN烧结体以及使用该烧结体的切削工具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在高速、高效率切削铁基高硬度难切削材料时具有优良耐磨性和抗崩刃性的高强度、高耐磨cBN烧结体，并提供一种使用该cBN烧结体的切削工具。所述cBN烧结体含有重量百分比至少为45％并且不超过99.9％的cBN成分，其中，在cBN烧结体的cBN颗粒内部以及cBN颗粒间的结合界面处，所述cBN烧结体包括相对于cBN成分重量百分比至少为0.001％并不超过0.15％的碳。并且在所述切削工具中，至少在与切削相关的部位使用所述cBN烧结体。
Description
技术领域
本发明涉及一种在铁基高硬度难切削材料的高速、高效率切削中具有优良耐磨性和抗崩刃性的cBN烧结体，并涉及一种使用该cBN烧结体的切削工具。
背景技术
与诸如硬质合金工具等传统切削工具相比，cBN烧结体切削工具由于cBN烧结体的硬度和化学稳定性而具有更好的材料性能，表现出较长的工具寿命以及较高的效率；还具有远高于研磨工具的优良适应性，并实现环境友好的生产。因此，cBN烧结体切削工具在加工难切削铁基材料，特别是加工硬化钢方面已经代替磨削。cBN烧结体材料可以分成两种，一种包括粘结材料，其中cBN含量高并且cBN颗粒与粘结材料结合在一起，粘结材料主要包括钴或铝，参见专利文献1；另一种具有相对较低的cBN含量，并且cBN颗粒通过具有优良耐磨性的钛系陶瓷结合在一起，参见专利文献2。这两种类型分别适于切削铁基烧结零件和硬化钢。
专利文献3披露了一种高纯度cBN烧结体，其中诸如铝之类的金属和氧被当作杂质，并且这些杂质的含量保持在极低水平，这种cBN烧结体具有优良的机械性能和切削性能。据报导，由高纯度cBN颗粒形成的cBN烧结体具有优良的切削性能。
然而，在切削含有大量硬质颗粒并且Hv(维氏硬度)至少为2.5GPa的铁基烧结材料时，或者在执行去除HRc(洛氏C硬度)为40到62的硬化钢渗碳层的渗碳层去除加工时，或者在执行HRc(洛氏C硬度)为58以上的硬化钢齿轮或具有螺栓孔或缺口的部件的精切削加工时，传统cBN烧结体切削工具会发生异常磨损或突然崩刃，从而对于稳定、连续的加工来说可靠性不足，因此在一些加工应用场合仍然必须依靠磨削。
专利文献1：日本专利特开昭52-43486
专利文献2：日本专利特开昭53-77811
专利文献3：日本专利特开平7-291732
发明内容
本发明的目的是提供一种在铁基高硬度难切削材料的高速、高效率切削中具有优良耐磨性和抗崩刃性的cBN烧结体，并提供一种使用该cBN烧结体的切削工具。
由于上述传统cBN烧结体工具的可靠性差，本发明人对cBN烧结体工具的刀刃在其未曾应用的场合中使用时的损坏机理进行了深入研究。结果本发明人发现，在连续加工诸如硬化钢等高硬度难切削材料时，与主要涉及与铁发生化学反应的典型磨损机理不同，其主要因素是机械损坏机理，例如由于cBN颗粒本身的强度不足造成的崩刃，或者由于cBN颗粒之间的结合强度不足造成的cBN颗粒的累积脱落。
如上所述，传统上认为高纯度cBN颗粒形成的cBN烧结体具有优良的切削性能。但是，经过本发明人的深入研究发现，在cBN烧结体中加入很少量的碳实际上会增大cBN颗粒之间的结合强度以及cBN颗粒本身的强度，从而发现本发明的cBN烧结体，其在诸如硬化钢或高硬度烧结制品的高负荷加工应用中具有稳定的、长期的切削性能。
具体地，本发明如下：
(1)一种含有至少45wt％并且不超过99.9wt％的cBN成分的cBN烧结体，
其特征在于，在cBN烧结体的cBN颗粒内部以及cBN颗粒间的结合界面处，所述cBN烧结体包括相对于cBN成分至少为0.001wt％并不超过0.15wt％的碳。
(2)根据上面(1)所述的cBN烧结体，包括cBN成分三维结合在一起的结构。
(3)一种切削工具，其中至少在与切削相关的部位使用根据上面(1)或(2)所述的cBN烧结体。
对本发明的烧结体仔细分析发现，处于cBN颗粒内部以及cBN颗粒结合的界面处的碳含量相对于烧结体中的cBN成分至少为0.001wt％并且不超过0.15wt％。特别是，通过观察发现，碳原子处于cBN颗粒的B-N点阵之间的位置，或者通过置换硼和氮原子而结合在cBN颗粒内。在传统cBN烧结体中，在cBN颗粒结合的界面处的很多位置都观察到硼和氮的非晶相或氧化物；而在本发明的烧结体中，在cBN颗粒间的界面处几乎未观察到氧化物或非晶相，而是cBN颗粒直接结合在一起，或者几乎所有区域都形成B-C-N化合物，这些化合物推定是硼的碳氮化物，例如BC2N和BCN。
分析的结果发现，由于碳侵入cBN颗粒内部使cBN颗粒产生固溶强化，或者对颗粒表面产生压应力，而且由于在cBN颗粒之间的结合方面，阻碍cBN颗粒间结合的氧化物不易形成，或者硼的碳氮化物具有优良的机械性能，因此提高了本发明cBN烧结体工具的切削性能。
本发明的效果
本发明的cBN烧结体含有至少为45wt％并且不超过99.9wt％的cBN成分，其特征在于，在cBN烧结体的cBN颗粒内部以及在cBN颗粒结合的界面处，所述cBN烧结体包括相对于cBN成分至少为0.001wt％并且不超过0.15wt％的碳。这导致形成cBN烧结体的cBN颗粒本身具有优良的强度以及cBN颗粒之间具有优良的结合强度。因此，在与切削相关部位使用本发明cBN烧结体的工具将具有cBN烧结体的优良强度和硬度，因此与传统cBN烧结体工具相比，在抗崩刃性和耐磨性方面得到大大改善。
具体实施方式
本发明的cBN烧结体含有至少45wt％(重量百分比，以下同)并且不超过99.9wt％的cBN成分，其特征在于，在cBN烧结体的cBN颗粒内部以及在cBN颗粒间的结合界面处，所述cBN烧结体包括相对于cBN成分至少为0.001wt％并且不超过0.15wt％的碳。其余成分可以包括粘结材料，其起始原料是IVA、VA或VIA族元素(根据日本使用的元素周期表)的氮化物或碳化物，典型的如TiN或TiC，或者是这些化合物的固溶体形成的陶瓷成分，或者是金属成分，典型的如铝或钴，并且氧可以作为不可避免的杂质。
如果cBN烧结体中所含的cBN成分的数量小于45％，则cBN成分将在cBN烧结体中占有较少的比例，从而cBN颗粒彼此接触的区域减少，不能形成cBN颗粒间的充分结合。
当使用粘结材料时，根据通过气体分析和高频等离子发射光谱法(下面简称为ICP法)定量分析而得到的最终烧结体中各种元素的含量，以及通过酸处理去除烧结体中的粘结材料而得到的cBN成分中的硼含量，可以确定cBN烧结体中的cBN成分含量。当不使用粘结材料时，将烧结体酸处理，以去除附着在表面的任何游离碳等，然后通过ICP法确定氧含量和碳含量的数量，其余的可以认为是cBN成分。
如上所述，处于cBN烧结体中cBN颗粒间的结合界面处以及cBN颗粒内部的碳，称为处于cBN颗粒的B-N原子点阵之间的碳，或者称为通过置换硼和氮原子而处于cBN颗粒内部的碳。当使用粘结材料时，这些碳的含量可以通过如下方法确定：通过酸处理去除cBN烧结体的粘结材料；接着通过酸处理去除附着在表面的任何游离碳；以及通过ICP法测量所得到的cBN成分中的碳含量。当不使用粘结材料时，通过酸处理去除附着在表面的任何游离碳，并且通过ICP法测量所得到的cBN成分中的碳含量。
如果相对于cBN成分的重量碳的含量超过0.15％，则在cBN颗粒中将存在过量的碳成分，耐磨性和抗崩刃性都将下降。优选地，相对于cBN成分的重量，处于cBN颗粒内部以及cBN颗粒间的结合界面处的碳的含量至少为0.007％并且不超过0.03％。
为了提高形成本发明cBN烧结体的cBN颗粒本身的强度以及提高cBN颗粒的结合强度，加入上述碳的方法是：使用含碳hBN作为起始原料合成含碳的cBN颗粒，并可以使用这些cBN颗粒得到烧结体；或者将三聚氰胺(C3N6H6)或聚酰胺([-NH(CH2)5CO-]n)或其它有机物加入hBN或cBN原料粉末中，或者加入hBN粘结材料或cBN粘结材料的混合粉末中，根据混合组成，通过控制热处理温度、时间和气氛得到如下产品的起始原料，即，其中相对于cBN成分的重量碳含量至少为0.001wt％并且不超过0.15wt％的cBN烧结体，并可以使用这些起始原料制备该烧结体。
当在起始原料中使用诸如TiN或TiC等陶瓷成分，或金属成分作为粘结材料时，碳可以预先加入诸如LiCaBN2或Mg3BN3等催化剂成分中，或者加入能在cBN颗粒间形成结合的金属中，例如铝、钴、锂或镁等，使得烧结后的碳含量相对于cBN成分的重量至少为0.001wt％并且不超过0.15wt％。例如，可以将上述催化剂成分与诸如粒度小于或等于0.1μm的炭黑或无定形碳等结晶性差的碳粉预先进行热处理，从而使碳成分作为固溶成分包含在催化剂成分中，或者，在使用例如纳米碳管等纳米级微细碳粉的情况下，可以仅仅将此粉末与上述催化剂成分混合，而不必热处理。还可以使用含碳催化剂成分以及hBN或cBN颗粒作为起始原料来制备本发明的烧结体。
在本发明中，在烧结之前加入适量的碳防止游离碳或无定形碳生成，而这些碳的生成将阻碍cBN颗粒彼此接触的界面处的牢固结合。利用这一作用，在本发明的cBN烧结体中，cBN成分的比例超过52wt％并且cBN颗粒间的接触率较大，从而在cBN颗粒之间形成具有三维骨架结构的牢固结合，这可以得到强度和韧性更好的烧结体。
这里可以使用任何传统的烧结方法，但特别优选的是超过1800℃的高温烧结。
实施例
下面将通过实施例更加详细地说明本发明。
实施例1
准备平均粒度为2μm的粘结材料粉和cBN粉。此粘结材料粉是通过混合60wt％的Co，30wt％的Al和10wt％的WC得到的。使用硬质合金桶和球将三聚氰胺粉混入此粘结材料和cBN粉，数量和热处理条件如表1所示。
将此混合粉放入硬质合金容器中进行充填，并在压力7.0GPa和温度1820℃下烧结30分钟。用X射线衍射仪分析得到的烧结体，然后在所有样品中鉴别出除cBN以外的钴化合物、铝化合物等等。
表1表示通过改变热处理条件以及cBN粉、粘结材料粉和作为碳源的三聚氰胺的比例而得到的cBN烧结体。通过气体分析和高频等离子发射光谱法(下面简称为ICP法)分析如此制备的每种cBN烧结体，从而确定各种元素的数量。接着，将每种cBN烧结体置于密闭容器中，并用浓度至少为45％并小于50％的10ml氢氟酸与浓度至少为60％并小于65％的40ml两倍稀释的硝酸混合得到的氢氟酸-硝酸处理，在至少为120℃并小于150℃的温度下处理48小时，此处理得到残渣成分和溶液成分。通过ICP法确定残渣成分中的硼含量，并且由残渣成分中的硼含量以及上述各种元素的含量确定cBN成分的含量。用X射线衍射仪分析此残渣，但在任一样品中，未从残渣中鉴别出钴、铝或钨的化合物。接着将一部分残渣在密闭容器中用浓硫酸在约200℃的温度处理5小时，以去除附着在残渣表面的任何游离碳，并通过ICP法确定残渣中在cBN成分内部或者cBN成分间的界面处存在的碳含量，并确定相对于cBN成分的碳含量。
在表1中，cBN含量是指烧结后包含的cBN成分的比例，而三聚氰胺含量是指烧结前加入混合粉的三聚氰胺的含量。
15号样品的烧结体是未加入任何三聚氰胺粉的cBN烧结体。
制备表1中1到15号不同组成的每个cBN烧结体的切削工具用于切削相关的表面，并在以下条件下评价切削性能：
在此实施例中使用的切削工具具有在ISO编号系统中归类为CNMA120408的刀片形状，每个工具的刀刃倒角成宽为0.13mm，角度为-25°，刃倾角(cutting edge inclination angle)为-5°，侧前角(siderake angle)为-5°，前隙角(front clearance angle)为5°，侧隙角(sideclearance angle)为5°，刀端角(end cutting edge angle)为5°，侧切角(side cutting edge angle)为-5°。
为评价每种样品的机械性能，还测量了努氏(Knoop)硬度和抗弯强度。从烧结体上切割长6mm，宽3mm和厚0.4到0.45mm的试样用于测量，抗弯强度是通过跨距为4mm的三点抗弯强度试验测量的。
工件：铁基烧结材料SMF4040(JIS Z 2550)制成的转子部件，对其进行断续的端面切削加工
工件硬度：Hv2.5GPa
切削速度：V＝200m/min
切削深度：d＝0.3mm
进刀量：f＝0.12mm/rev
冷却液：无
在此切削应用中，cBN颗粒的累积脱落造成后刀面磨损，这可能是由于cBN颗粒间的结合强度不足造成的，并且这最终导致崩刃，工具到达其寿命终点。
对于所有工具，测量切削开始后45分钟的后刀面磨损，并且当切削刃出现至少0.030mm的崩刃时认为工具寿命结束。这些结果表示在表1中。
表1
| 样品编号 | cBN含量 | 三聚氰胺含量 | 热处理条件 | 酸处理后的碳含量 | 后刀面磨损量 | 工具寿命 | 硬度 | 抗弯强度 | |
| wt％ | wt％ | 气氛 | 温度，时间 | wt％ | mm | min | GPa | GPa | |
| 1 | 45 | 5 | 真空 | 800℃，30min | 0.008 | 0.145 | 80 | 35 | 1.5 |
| 2 | 65 | 5 | 真空 | 800℃，30min | 0.008 | 0.140 | 90 | 38 | 1.6 |
| 3 | 85 | 5 | 真空 | 800℃，30min | 0.008 | 0.125 | 100 | 39 | 1.7 |
| 4 | 95 | 5 | 真空 | 800℃，30min | 0.008 | 0.095 | 140 | 43 | 2.2 |
| 5 | 90 | 1 | 真空 | 800℃，15min | 0.001 | 0.135 | 90 | 38 | 1.6 |
| 6 | 90 | 3 | 真空 | 800℃，30min | 0.005 | 0.110 | 130 | 40 | 1.9 |
| 7 | 90 | 5 | 真空 | 800℃，30min | 0.008 | 0.095 | 140 | 41 | 2.2 |
| 8 | 90 | 10 | 真空 | 1200℃，30min | 0.15 | 0.130 | 100 | 40 | 1.7 |
| 9 | 90 | 10 | 真空 | 800℃，120min | 0.15 | 0.135 | 100 | 40 | 1.7 |
| 10 | 90 | 5 | 真空 | 500℃，30min | 0.015 | 0.110 | 130 | 42 | 2.0 |
| 11 | 90 | 5 | NH3 | 500℃，30min | 0.015 | 0.100 | 140 | 42 | 2.1 |
| 12* | 90 | 1 | 真空 | 800℃，30min | 0.0005 | 0.150 | 60 | 35 | 1.2 |
| 13* | 90 | 10 | 真空 | 700℃，30min | 0.2 | 0.145 | 60 | 34 | 1.2 |
| 14* | 40 | 5 | 真空 | 800℃，30min | 0.008 | 0.160 | 50 | 32 | 1.1 |
| 15* | 90 | - | 真空 | 800℃，30min | - | 0.145 | 58 | 35 | 1.1 |
*比较例
1到11号样品是本发明的cBN烧结体，是含有至少45wt％cBN成分的cBN烧结体，并且其特征在于，通过酸处理去除粘结材料之后的碳含量，即在cBN烧结体的cBN颗粒内部以及cBN颗粒间的结合界面处存在的碳含量，相对于cBN成分的总重量至少为0.001wt％并且不超过0.15wt％。可以理解的是，由于本发明的cBN烧结体中cBN颗粒间的结合强度以及cBN颗粒本身的强度预期得到提高，而工具中与切削相关的部分是本发明的cBN烧结体，因此该工具的抗崩刃性和耐磨性与传统cBN烧结体工具相比大大提高。
尽管在14号样品中加入了三聚氰胺并且碳含量为0.008wt％，但该样品没有足够的切削性能。可以认为，其原因是cBN成分在cBN烧结体中所占比例较小，从而cBN颗粒彼此接触的区域减少，cBN颗粒间不能形成充分的结合。
在13号样品的烧结体中碳含量超过0.15wt％，该样品的机械性能和切削性能下降。可以推断，其原因归结为过量的碳成分不能结合到cBN颗粒中，或者颗粒间的结合界面处存在不能与硼和氮反应的游离碳。
实施例2
准备平均粒度3μm的cBN粉和粘结材料粉。此粘结材料粉是通过混合70wt％的TiN，15wt％的Al和15wt％的Ti得到的。使用硬质合金桶和球将聚酰胺([-NH(CH2)5CO-]n)粉混合到此粘结材料和cBN粉中，数量和热处理条件如表2所示。
将此混合粉放入硬质合金容器中进行充填，并在压力6.0GPa和温度1850℃下烧结30分钟。用X射线衍射仪分析此烧结体，然后在所有样品中鉴别出除cBN以外的TiN、TiB2、AlN、Al2O3等。
按照与实施例1相同的方式测量cBN烧结体中cBN成分的含量，以及相对于烧结体中的cBN成分的碳含量。
在表2中，cBN含量是指烧结后包含的cBN成分的比例，而聚酰胺含量是指烧结前加入混合粉的聚酰胺的含量。
14和15号样品的烧结体是未加入聚酰胺粉的cBN烧结体。
制备表2中1到15号不同组成的cBN烧结体的切削工具用于切削相关的表面。所有切削工具具有在ISO编号系统中归类为CNMA120412的刀片形状，刀刃倒角成宽为0.15mm，角度为-25°，刃倾角为-5°，侧前角为-5°，前隙角为5°，侧隙角为5°，刀端角为5°，侧切角为-5°。在以下条件下评价切削性能。
为评价每种样品的机械性能，还测量了努氏硬度和断裂韧性。
工件：SCR415H(相当于DIN编号系统的15Cr3)制成的轴件，对其外径进行连续加工(去除渗碳层)。
工件硬度：HRc40到60(从表面沿深度方向具有硬度分布，在切削深度1.2mm处的硬度是HRc40)
切削速度：V＝110m/min
切削深度：d＝1.2mm
进刀量：f＝0.11mm/rev
冷却液：稀释20倍的乳化液
在此切削应用中，起初，cBN颗粒之间存在裂纹，这可能是cBN颗粒间的结合强度不足以及由于cBN颗粒本身强度不足而产生的破碎所造成的；当这些裂纹发展时，最终导致崩刃以及工具寿命结束。
对于所有工具，测量切削开始后30分钟的后刀面磨损，并且当切削刃出现至少0.030mm的崩刃时认为工具寿命结束。这些结果表示在表2中。
表2
| 样品编号 | cBN含量 | 聚酰胺含量 | 热处理条件 | 酸处理后 | 后刀面磨损量 | 工具寿命 | 硬度 | 断裂韧性 | ||
| wt％ | wt％ | 气氛 | 温度，时间 | 状态 | 碳含量 | mm | min | GPa | MPa·m1/2 | |
| wt％ | ||||||||||
| 1 | 45 | 4 | 真空 | 1000℃，30min | 粉末 | 0.001 | 0.088 | 60 | 35 | 5 |
| 2 | 52 | 4 | 真空 | 1000℃，30min | 粉末 | 0.001 | 0.088 | 62 | 36 | 5.5 |
| 3 | 52 | 8 | 真空 | 1000℃，30min | 块 | 0.011 | 0.088 | 75 | 36 | 6 |
| 4 | 60 | 4 | 真空 | 1000℃，30mm | 块 | 0.001 | 0.095 | 76 | 37 | 6 |
| 5 | 60 | 6 | 真空 | 1000℃，30mm | 块 | 0.007 | 0.090 | 85 | 37 | 6.7 |
| 6 | 60 | 8 | 真空 | 1000℃，30min | 块 | 0.011 | 0.090 | 85 | 37 | 6.7 |
| 7 | 60 | 8 | 真空 | 1000℃，15min | 块 | 0.03 | 0.090 | 80 | 37 | 6.5 |
| 8 | 60 | 8 | NH3 | 1000℃，15min | 块 | 0.03 | 0.090 | 85 | 37 | 6.6 |
| 9 | 65 | 8 | 真空 | 800℃，15min | 块 | 0.15 | 0.095 | 78 | 38 | 6.5 |
| 10 | 65 | 8 | 真空 | 800℃，15mm | 块 | 0.15 | 0.095 | 78 | 38 | 6.5 |
| 11* | 65 | 2 | 真空 | 1000℃，30min | 粉末 | 0.0004 | 0.112 | 30 | 34 | 3.5 |
| 12* | 65 | 10 | 真空 | 800℃，30min | 粉末 | 0.20 | 0.115 | 30 | 34 | 3.5 |
| 13* | 40 | 4 | 真空 | 1000℃，30min | 粉末 | 0.001 | 0.105 | 25 | 32 | 3.5 |
| 14* | 45 | - | 真空 | 1000℃，30min | 粉末 | - | 0.110 | 28 | 33 | 3.5 |
| 15* | 65 | - | 真空 | 1000℃，30mm | 粉末 | - | 0.115 | 30 | 34 | 3.5 |
*比较例
1到10号样品是本发明的cBN烧结体，是含有至少45wt％cBN成分的cBN烧结体，并且其特征在于，通过酸处理去除粘结材料之后的碳含量，即在cBN烧结体的cBN颗粒内部以及cBN颗粒间的结合界面处存在的碳含量，相对于cBN成分的总重量至少为0.001wt％并且不超过0.15wt％。可以理解的是，由于本发明的cBN烧结体中cBN颗粒间的结合强度以及cBN颗粒本身的强度预期得到提高，而工具中与切削相关的部分是本发明的cBN烧结体，因此该工具的抗崩刃性和耐磨性与传统cBN烧结体工具相比大大提高。
在本发明的cBN烧结体中，那些通过酸处理去除粘结材料之后未破碎成粉末的3到10号样品，表现出特别优良的切削性能，并且可以推定，所添加的碳增强了cBN颗粒本身，并特别增强了cBN颗粒间的结合。
对于11和12号样品的烧结体，虽然其中加入了聚酰胺，但cBN成分中的碳含量小于0.001wt％或者超过0.15wt％，二者都超出本发明的范围。其工具寿命与未添加聚酰胺的传统cBN烧结体的14和15号样品相同。
对于13号样品的烧结体，虽然其中加入了聚酰胺并且碳含量相对于cBN成分的总重量为0.001％，但未发现切削性能改善。可以认为，其原因是cBN成分在cBN烧结体中所占的比例较小，从而cBN颗粒彼此接触的区域减少，cBN颗粒间未形成充分的结合。
实施例3
在平均粒度0.5μm的hBN粉与平均粒度小于或等于0.1μm的中间相碳粉的混合粉末中，加入相对于混合粉末为0.5wt％的聚乙烯醇、0.1wt％的聚乙二醇和0.1wt％的石蜡。并且，将这些成分在Teflon(注册商标)容器中用乙醇溶剂混合并自然干燥，然后制成圆盘状成型制品。通过调节中间相碳粉的加入量制成几种成型制品，使成型制品中的碳含量从0.003wt％到不超过0.5wt％。
将这些不同的hBN成型制品置于高频炉中，并在氮气氛围中加热到2000℃热处理2小时。然后，将制品放入钨容器中，在压力7.5GPa和温度2000℃下烧结30分钟。用透射电镜分析烧结体的组织，并用X射线衍射仪分析这些样品。由此对所有样品鉴定出具有平均粒度1μm的cBN，但未鉴定出钨或其它金属成分。由于未在这些烧结体中加入由诸如TiN等陶瓷以及诸如钴、铝等金属形成的粘结材料，因此将烧结体置于密闭容器中用浓硫酸在约200℃处理5小时，而非通过氟硝酸处理去除粘结材料，从而去除任何附着在表面的游离碳。氧和碳的含量用ICP法定量，可以确定，其余的是cBN成分，并确定cBN烧结体中的cBN成分含量。
7号样品的烧结体是未加入中间相碳的cBN烧结体。
制备表3中1到7号不同组成的cBN烧结体的切削工具用于切削相关的表面。所有切削工具具有ISO编号系统中归类为CNMA120408的刀片形状，刀刃倒角成宽为0.15mm，角度为-25°，刃倾角-5°，侧前角-5°，前隙角5°，侧隙角5°，刀端角5°，侧切角-5°。在以下条件下评价切削性能。
按照与实施例1相同的方式测量样品的机械性能，还通过激光脉冲法测量导热率。
工件：铁基烧结制品SMF4050(JIS Z 2550)制成的齿轮部件，对其进行断续的端面切削加工。
工件硬度：Hv3.0GPa
切削速度：V＝120m/min
切削深度：d＝0.3mm
进刀量：f＝0.1mm/rev
冷却液：无
在此切削应用中，像实施例1一样，cBN颗粒的累积脱落造成后刀面磨损，这可能是由于cBN颗粒间的结合强度不足造成的，并且这最终导致崩刃，工具到达其寿命终点。
对于所有工具，测量切削开始后30分钟的后刀面磨损，并且当切削刃出现至少0.030mm的崩刃时认为工具寿命结束。这些结果表示在表3中。
表3
| 样品编号 | cBN含量 | 烧结体中的碳含量 | 烧结体中的氧含量 | 后刀面磨损量 | 工具寿命 | 硬度 | 抗弯强度 | 导热率 |
| wt％ | wt％ | wt％ | mm | min | GPa | GPa | W/m·K | |
| 1* | 99.6495 | 0.0005 | 0.35 | 0.155 | 95 | 54 | 1.8 | 280 |
| 2 | 99.829 | 0.001 | 0.17 | 0.125 | 100 | 56 | 2.1 | 350 |
| 3 | 99.845 | 0.005 | 0.15 | 0.110 | 120 | 57 | 2.6 | 460 |
| 4 | 99.84 | 0.01 | 0.15 | 0.110 | 120 | 57 | 2.7 | 450 |
| 5 | 99.70 | 0.15 | 0.15 | 0.125 | 115 | 56 | 2.5 | 400 |
| 6* | 99.70 | 0.2 | 0.10 | 0.145 | 95 | 54 | 2.0 | 340 |
| 7* | 99.35 | - | 0.65 | 0.155 | 95 | 54 | 1.8 | 250 |
*比较例
2到5号样品是本发明的cBN烧结体，是含有至少99.7wt％cBN成分的cBN烧结体，并且其特征在于，在cBN烧结体的cBN颗粒内部以及cBN颗粒间的结合界面处存在的碳含量，相对于cBN成分的总重量至少为0.001wt％并且不超过0.15wt％。可以理解的是，由于本发明的cBN烧结体中cBN颗粒间的结合强度以及cBN颗粒本身的强度预期得到提高，而工具中与切削相关的部分是本发明的cBN烧结体，因此该工具的抗崩刃性和耐磨性与传统cBN烧结体工具相比大大提高。
对于1号样品的cBN烧结体，尽管其中加入了中间相碳，但cBN成分中的碳含量为0.0005wt％，这在本发明范围以外。其工具寿命不如未添加中间相碳的传统cBN烧结体的7号样品。
相反，6号样品的cBN烧结体具有0.2wt％的较高碳含量，其机械性能和切削性能下降。其原因可以认为是过量的碳成分不能结合到cBN颗粒中，或者颗粒间的结合界面处存在不能与硼和氮反应的游离碳。
在加入了中间相碳的所有样品中，烧结体的氧含量趋于下降，并且可以认为这种氧含量下降是导热性提高的原因，但很可能添加碳的还原作用有助于提高切削性能、机械性能和热学性能。
实施例4
使用Teflon(注册商标)桶和球在乙醇溶剂中粉碎平均粒度为1μm或3μm的cBN粉末，将得到的粉末用厚度为0.05到0.2mm的聚酰胺([-NH(CH2)5CO-]n)片材层压，并将制品放入钼容器中进行充填。
将整个容器置于真空炉中，在NH3气氛中在温度1000℃下热处理2小时，然后在真空中热处理1小时。然后，在温度2000℃和压力8.0GPa烧结30分钟。
按照与实施例3相同的方式分析每种烧结体，并且正如用作原料的cBN粉末一样，在所有样品中鉴别出平均粒度为1μm或3μm的cBN。
按照与实施例3相同的方式测量cBN烧结体中的cBN成分含量，以及烧结体中相对于cBN成分的碳含量。
7号样品的烧结体是按照实施例3所述的制造方法制成的本发明的cBN烧结体。
8和9号样品的烧结体是传统cBN烧结体，其中使用彼此粒度不同的hBN粉作为起始原料，不使用聚酰胺片材，并进行烧结，同时按照与1到5号样品相同的方法和相同的条件直接变换为cBN。
将表4中1到9号的不同cBN粒度和组成的cBN烧结体用于与切削工具的切削相关的表面。所有切削工具具有ISO编号系统中归类为CNMA120412的刀片形状，刀刃倒角成宽0.15mm，角度为-25°，刃倾角为-5°，侧前角为-5°，前隙角为5°，侧隙角为5°，刀端角为5°，侧切角为-5°。在以下条件下评价切削性能。
为评价每种样品的机械性能，还测量努氏硬度和断裂韧性。
工件：SCR415H(相当于DIN编号系统的15Cr3)制成的轴件的外键槽部件(围绕直径30mm和长50mm的轴外侧具有25个槽)，对其进行断续的外径切削加工。
工件硬度：HRc58
切削速度：V＝200m/min
切削深度：d＝0.2mm
进刀量：f＝0.1mm/rev
冷却液：无
在这种切削应用中，由于cBN颗粒间的结合强度不足以及cBN颗粒的破碎而造成裂纹扩展，由此引起微观崩刃累积，造成机械地发生月牙洼磨损。这减小了切削刃的楔角，最终导致崩刃以及工具寿命结束。
在切削开始10分钟后，测量所有样品的月牙洼磨损深度，并在切削刃出现至少0.030mm崩刃时认为工具寿命结束。
通过X射线衍射法由cBN成分的点阵常数值计算烧结体的残余应力特性。残余应力为负值表示压应力。
这些结果表示在表4中。
表4
| 样品编号 | 烧结后cBN平均粒度 | cBN含量 | 烧结体中的碳含量 | 烧结体中的氧含量 | 月牙洼磨损深度 | 工具寿命 | 硬度 | 残余应力 | 断裂韧性 |
| μm | wt％ | wt％ | wt％ | mm | min | GPa | GPa | MPa·m1/2 | |
| 1 | 1 | 99.825 | 0.005 | 0.17 | 0.028 | 60 | 56 | -1.5 | 6.5 |
| 2 | 1 | 99.88 | 0.01 | 0.11 | 0.025 | 62 | 56 | -1.8 | 6.7 |
| 3 | 1 | 99.77 | 0.15 | 0.08 | 0.025 | 62 | 56 | -1.8 | 6.8 |
| 4 | 3 | 99.825 | 0.005 | 0.17 | 0.018 | 65 | 56 | -2.0 | 7.5 |
| 5 | 3 | 99.9 | 0.01 | 0.09 | 0.015 | 70 | 56 | -2.5 | 7.8 |
| 6 | 3 | 99.78 | 0.15 | 0.07 | 0.015 | 70 | 56 | -2.5 | 7.8 |
| 7 | 1 | 99.88 | 0.01 | 0.11 | 0.025 | 60 | 56 | -1.5 | 6.0 |
| 8* | 1 | 99.83 | - | 0.17 | 0.045 | 25 | 54 | -1.2 | 4.5 |
| 9* | 3 | 99.83 | - | 0.17 | 0.040 | 30 | 53 | -1.5 | 5 |
*比较例
1到7号样品是本发明的cBN烧结体，是含有至少99.77wt％cBN成分的cBN烧结体，并且其特征在于，在cBN烧结体的cBN颗粒内部以及cBN颗粒间的结合界面处存在的碳含量，相对于cBN成分的总重量至少为0.001wt％并且不超过0.15wt％。可以理解的是，由于本发明的cBN烧结体中cBN颗粒间的结合强度以及cBN颗粒本身的强度预期得到提高，而工具中与切削相关的部分是本发明的cBN烧结体，因此该工具的抗崩刃性和耐磨性与传统cBN烧结体工具相比大大提高。
与使用hBN粉作为起始原料的7号样品的本发明cBN烧结体相比，使用cBN粉作为起始原料的2号样品的本发明cBN烧结体具有更高的断裂韧性和更长的工具寿命。可以推定，其原因可以归结为cBN颗粒间界面处的结合状态以及残余应力不同，而这源自于两种烧结机理不同，其中一种烧结机理包括在将hBN直接转变成cBN的同时致密化，另一种烧结机理包括通过cBN颗粒的塑性变形和破碎造成颗粒重排而实现致密化。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种含有重量百分比至少为45％并且不超过99.9％的cBN成分的cBN烧结体，
其中，所述cBN烧结体包括：在所述cBN烧结体的cBN颗粒内部以及cBN颗粒间的结合界面处，相对于cBN成分重量百分比至少为0.001％并不超过0.15％的碳；cBN成分三维地结合在一起的结构；以及除cBN成分之外，选自如下群组中的至少之一作为粘结剂，所述群组包括：TiN、TiC、Li、Mg、Ca、WC、Co和Al。
2.一种含有重量百分比至少为45％并且不超过99.9％的cBN成分的cBN烧结体，
其中，所述cBN烧结体包括：在所述cBN烧结体的cBN颗粒内部以及cBN颗粒间的结合界面处，相对于cBN成分重量百分比至少为0.001％并不超过0.15％的碳；cBN成分三维地结合在一起的结构；以及除cBN成分之外，相对于cBN成分重量百分比不低于0.07％并不超过0.17％的氧。
3.一种切削工具，其中，至少在与切削相关的部位使用根据权利要求1或2所述的cBN烧结体。
Claims (3)
1.一种含有重量百分比至少为45％并且不超过99.9％的cBN成分的cBN烧结体，
其中，在所述cBN烧结体的cBN颗粒内部以及cBN颗粒间的结合界面处，所述cBN烧结体包括相对于cBN成分重量百分比至少为0.001％并不超过0.15％的碳。
2.根据权利要求1所述的cBN烧结体，包括所述cBN成分三维结合在一起的结构。
3.一种切削工具，其中，至少在与切削相关的部位使用根据权利要求1或2所述的cBN烧结体。
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