CN101583451B - cBN烧结体和由cBN烧结体制成的工具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种cBN烧结体，在对难以切削的离心铸铁进行加工时该cBN烧结体具有优异的抗断裂性和耐磨性。本发明涉及这样的cBN烧结体，其由不低于50体积％且不高于90体积％或者不低于40体积％且不高于85体积％的cBN组分构成，所述cBN烧结体的特征在于，所述烧结体含有不低于9体积％且不高于50体积％的氧化铝和氧化锆，并且氧化锆/氧化铝的重量比值不低于0.1且不高于4。与由cBN烧结体制成的常规工具相比，在切削部位中含有本发明的cBN烧结体的工具在对难以切削的离心铸铁进行加工时获得改善的性能，这是因为所述的cBN烧结体具有优异的强度、硬度和韧性。

Description

cBN烧结体和由cBN烧结体制成的工具
技术领域
本发明涉及用于加工铸铁的cBN烧结体，特别是，本发明涉及用于加工极难切削的离心铸铁的cBN烧结体以及由该cBN烧结体制成的工具。
背景技术
通常，立方氮化硼具有仅次于金刚石的高硬度以及优异的导热性，并且与金刚石相比，其对铁的亲和力更低。因此，主要由立方氮化硼构成的工具材料已经被用于对淬火钢或铸铁进行精切削的工具。
例如，专利文献1公开了一种烧结体，其含有50体积％至80体积％的立方氮化硼以及50体积％至20体积％的粘结剂相，所述粘结剂相是由选自TiC、TiN、TiCN中的至少一种钛化合物以及铝形成的，并且粘结剂相中铝的含量为30体积％至70体积％。该烧结体被用于铸铁的高速切削。
此外，专利文献2公开了一种耐磨烧结体，其利用了Al2O3的抗氧化性和化学稳定性，该烧结体由以下组分形成：30体积％至70体积％的立方氮化硼；20体积％至50体积％的Al2O3；以及10体积％至30体积％的、过渡金属碳化物和氮化物中的至少一种。
此外，专利文献3公开了一种还含有氧化锆的烧结体。该专利文献中公开的烧结体由以下组分构成：40体积％至70体积％的立方氮化硼粉末颗粒；15体积％至45体积％的氮化钛，其作为粘结剂相的主要组分；以及15体积％至35体积％的由SiC针状晶体和Al2O3、ZrO2、AlN形成的粉末颗粒混合物，其作为粘结剂相的次要组分，上述粘结剂相的次要组分由5体积％至15体积％的SiC针状晶体和50体积％至65体积％的Al2O3、1体积％至5体积％的ZrO2、20体积％至40体积％的AlN组成。在对高硬度材料(例如淬火钢或硬质合金)、耐热合金等进行切削或塑性加工时，该烧结体使得粘结剂相保持立方氮化硼粉末颗粒的能力得到提高，并且使得高温时的耐磨性得到改善。
专利文献1：日本专利公开No.2000-44348
专利文献2：日本专利公开No.7-172923
专利文献3：日本专利No.2971203
发明内容
本发明要解决的问题
由于离心铸铁具有优异的机械性能和低的成本，因此人们对其特别是作为汽车发动机的汽缸套用材料的需求日益增加。该离心铸铁的结构包含如在砂型铸铁中一样的片状石墨珠光体。
另一方面，由于珠光体较细微，因此铸铁难以切削。这可能是因为铸铁具有微结构，因而导热率倾向于较低。因此，在切削时热量集中在切削刃，并且铸铁与切削刃中的组分由于高温而彼此发生反应，这导致了上述专利文献1所公开的烧结体迅速发生磨耗。
此外，如专利文献2所公开的那样，在额外添加了具有优异耐化学反应性的Al2O3作为抗磨耗措施的烧结体中，在加工难以切削的离心铸铁时，由于Al2O3的韧性较低并且导热率也较低，在微结构对切削刃的机械和热量冲击下，切削刃更易发生断裂。
上述专利文献3公开了一种烧结体，其通过添加SiC针状晶体和Al2O3、ZrO2以改善烧结程度，从而使其韧性得到改善。然而，该烧结体旨在减少在制备烧结体的过程中在烧结体中潜在引起的裂纹，而不是减少在切削期间引起的裂纹，并且在加工离心铸铁时此种烧结体并不表现出足够的韧性。
因此，为了对难以切削的离心铸铁进行加工，需要有与常规的烧结体相比，耐磨性和抗断裂性得到进一步改善的材料。本发明的目的是提供一种在对离心铸铁进行加工时具有更长寿命的cBN复合烧结体。
解决问题的手段
为了实现上述目的，据发现，由立方氮化硼复合烧结体制成的切削工具在对难以切削的离心铸铁进行切削时表现出优异的性能，其中所述的立方氮化硼复合烧结体是通过在1200℃至1950℃的温度下、并且在不低于4GPa且不高于7GPa的压力下烧结如下的原料粉末而获得的，所述原料粉末由50体积％至90体积％的立方氮化硼(cBN组分)、1体积％至20体积％的TiC、以及9体积％至50体积％的Al2O3和ZrO2组合构成；或者所述原料粉末由40体积％至85体积％的立方氮化硼、0.5体积％至15体积％的TiCN、以及9体积％至50体积％的Al2O3和ZrO2组合构成。
此处，立方氮化硼在烧结体原料中的含量被设定为50体积％至90体积％，优选为55体积％至70体积％。当cBN组分的含量低于50体积％时，在对难以切削的铸铁进行切削时强度不足并且切削刃会断裂。另一方面，当cBN组分的含量高于90体积％时，由于切削过程中产生的热量，立方氮化硼与作为加工材料的铁之间更容易发生反应，并且倾向于产生磨耗。
此外，在粘结剂中含有TiCN的情况下，立方氮化硼在烧结体原料中的含量被设定为40体积％至85体积％。通过将cBN组分的含量设置在上述范围，在对难以切削的铸铁进行切削时能够获得足够的强度，并且能够抑制切削刃的断裂。此外，热磨耗降低。
下面将描述粘结剂。粘结剂中的TiC在烧结体原料中的含量被设定为1体积％至20体积％或更低，并且优选被设定为1体积％至10体积％。此外，TiCN的含量被设定为0.5体积％至15体积％，并且优选为0.5体积％至8体积％。据认为，当TiC的含量低于1体积％或者TiCN的含量低于0.5体积％时，无法利用TiC或TiCN有效地防止立方氮化硼与铁进行反应的特性，并且工具的切削刃倾向于产生磨耗。
此外，Al2O3和ZrO2在烧结体原料中的含量被设定为9体积％至50体积％或更低，并且优选为15体积％至30体积％。Al2O3等的含量被设定在上述范围内的原因如下。
通过利用Al2O3的抗氧化性和化学稳定性等性能，能够防止由于铸铁与切削刃中的组分之间发生的反应而引起磨耗的进展。另一方面，尽管Al2O3的硬度较高，但是其韧性较低。因此，当仅含有Al2O3时，切削刃容易断裂。
为了解决上述问题，添加ZrO2以改进韧性。随着温度降低，ZrO2单体在从立方晶经四方晶向单斜晶的相变过程中，体积变化较大，并且在从烧结时的高温冷却至室温的过程中，其体积也显著变化，这会导致烧结体产生裂纹。因此，ZrO2单体并不适用于待烧结的原料。此处，一般而言，采用部分稳定化的氧化锆，在该氧化锆中添加有稳定化材料(如Y2O3、MgO、CaO或ReO)，并且在该氧化锆中，高温稳定相中的立方晶的稳定区域或者中间相中的四方晶的稳定区域向低温扩展，因此即使在室温下，立方晶或四方晶也以稳定状态存在。
已知的是，各稳定化材料具有其特定的且合适的添加量。例如，对于稳定化材料Y2O3而言，当添加3mol％的Y2O3时，部分稳定化的氧化锆的挠曲强度最大；并且当添加3mol％或更多的Y2O3时，KIC降低。根据本发明，据发现，通过将原料粉末与作为其它原料的cBN、TiC或TiCN一起在超高压力下烧结，即使当所用的原料粉末添加有不同于合适量(在该合适量时，部分稳定化的氧化锆最大程度地表现出其性能)的量的稳定化材料时，与使用常规的稳定化材料(例如Y2O3)时相比，氧化锆也更充分地被稳定，使得立方晶和四方晶中的任意一者或者二者的组合能够存在。
此处，部分稳定化的氧化锆的主要特性如下：室温下的挠曲强度在750MPa至1800MPa范围内，并且在1000℃下的挠曲强度为300MPa；断裂韧性KIC在8MPa.m-1/2至12MPa.m-1/2的范围内。
ZrO2能够提高韧性的机理如下：当将较大的应力施加于部分稳定化的氧化锆(其具有这样的结构：在室温左右的温度下，立方晶和四方晶同时存在)时，随着体积的膨胀，发生由四方晶向单斜晶的相变。在较大的应力场中产生的裂纹被该体积膨胀所冲压和挤压，从而防止了裂纹的扩展。因此，能够提高抗断裂性。
从本发明的烧结体的X射线衍射测量可见，烧结体中的氧化锆的晶体结构中，不仅存在立方晶和四方晶，还存在单斜晶，但是单斜晶的量较小。这可能是因为：如上所述，在烧结后的冷却过程中，所有的氧化锆颗粒在同时存在立方晶和四方晶的状态下并未充分地发生部分稳定化，在冷却过程中有一些颗粒发生朝向单斜晶的相变。
然而，在朝向单斜晶的相变中，体积膨胀了约4.6％。因此，极可能在单斜晶附近产生微小裂纹。
因此，为了保持作为切削工具的性能，需要限制单斜晶的存在量，并且鉴于X射线衍射测量的结果，理想的是不存在单斜晶的峰，或者即使存在这样的峰，峰强度比{I单斜晶(111)+I单斜晶(111)}/{I四方 晶(100)+I立方晶(111)}也不高于0.4。
即，本发明的cBN烧结体和由cBN烧结体制成的工具利用了下面的特征：
i)一种用于切削工具的cBN烧结体，所述切削工具至少具有由cBN组分和粘结剂作为原料而形成的切削部位，所述原料中cBN组分的含量为不低于50体积％且不高于90体积％，在所述原料中所述粘结剂含有不低于1体积％且不高于20体积％的TiC、以及不低于9体积％且不高于50体积％的Al2O3和ZrO2，并且ZrO2/Al2O3的重量比值不低于0.1且不高于4。
ii)一种用于切削工具的cBN烧结体，所述切削工具至少具有由cBN组分和粘结剂作为原料而形成的切削部位，所述原料中cBN组分的含量为不低于40体积％且不高于85体积％，在所述原料中所述粘结剂含有不低于0.5体积％且不高于15体积％的TiCN、以及不低于9体积％且不高于50体积％的Al2O3和ZrO2，并且ZrO2/Al2O3的重量比值不低于0.1且不高于4。
iii)如以上i)或ii)所述的cBN烧结体，其中所含的作为粘结剂的Al2O3和ZrO2的平均粒径不大于5.0μm，并且ZrO2中的晶体结构至少是由立方晶和四方晶中的任意一者、或者这二者的组合形成的。
iv)如以上i)至iii)中所述的cBN烧结体，其中单斜晶在cBN烧结体中以这样的状态存在：在X射线衍射测量中，不存在单斜晶的峰，或者即使存在这样的峰，峰强度比{I单斜晶(111)+I单斜晶(111)}/{I四方晶(100)+I立方晶(111)}也不高于0.4。
v)如以上i)至iv)中任一项所述的cBN烧结体，其中在压力不低于4GPa且不高于7GPa、并且温度不低于1200℃且不高于1950℃的条件下对所述原料进行烧结。
vi)如以上i)至v)中任一项所述的cBN烧结体，其中作为余量部分，所述粘结剂含有元素周期表中第4a、5a或6a族的过渡金属的碳化物或氮化物中的一种或两种或多种作为原料粉末。
vii)一种由cBN烧结体制成的切削工具，其中以上i)至v)中任一项所述的cBN烧结体是通过整体烧结或用钎焊料而连接到基体上的，并且所述基体是由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷或铁基材料制成的。
发明效果
本发明的cBN烧结体由于添加了具有抗氧化性和化学稳定性等特性的Al2O3，所以具有优异的耐磨性，并且由于还添加了ZrO2，因而获得改善的韧性和优异的抗断裂性。本发明获得了这样的工具，该工具特别是在对难以切削的离心铸铁进行加工时具有改善的耐磨性和抗断裂性。
附图说明
图1为示出作为No.2的X射线衍射测量结果的峰图案的图。
图2为示出作为No.17的X射线衍射测量结果的峰图案的图。
图3为示出作为No.21的X射线衍射测量结果的峰图案的图。
发明的最佳实施方式
下面将参考例子对本发明的实施方案进行描述，但是，下面的例子仅仅出于示例的目的而非意图限制本发明。
实施例1
将具有如表1所示组成的原料混合以制备原料粉末。在No.1至20(除了6、5和13以外)中，除了混合cBN、TiC、ZrO2和Al2O3，还混合有作为粘结剂余量部分的TiN、Al等。将这些样品在5.5GPa的压力和1350℃的温度下烧结。为了比较，制备仅含有Al2O3的No.15和仅含有ZrO2的No.18作为其中未同时混有Al2O3和ZrO2的材料。
此外，关于原料粉末Al2O3，将平均粒径为0.5μm的Al2O3粉末用于除了No.19和20之外的样品中。将平均粒径为5μm的Al2O3粉末用于No.19，并且将平均粒径为6μm的Al2O3粉末用于No.20。
将具有表1所示组成的烧结体加工成符合ISO标准SNGN090312的刀片(cutting insert)，并且将圆筒形离心铸铁衬套中内径Φ为85mm的那部分用于进行连续的内径切削测试。
切削条件为：切削速度被设定为900m/分钟，切削深度被设定为0.3mm，进给速率被设定为0.2mm/转，并采用湿法切削[冷却剂：乳液(由Japan Fluid System株式会社制造，商品名为System Cut 96)，稀释20倍]。在切削距离达10km和12km之后，观察切削刃。观察在切削距离达10km之后是否存在断裂以及后刀面的磨耗量VB，以及在切削距离达12km之后的磨耗类型和断裂状况，并且其结果也示于表1中。
如表1中的结果所示，本发明的工具的刀刃正常发生磨耗，并且后刀面的磨耗量VB能够被抑制在250μm或更小。在VB超过250μm后，No.15和18都发生断裂。在切削后采用SEM观察切削刃的磨耗部分，没有添加ZrO2的No.15由于条纹状磨耗(如划痕)的积聚而产生磨耗。另一方面，在除了No.15之外的、添加有ZrO2的材料中，磨耗部分中的条纹状磨耗(如划痕)较少，甚至仅仅观察到磨耗(正常的磨耗)。该条纹状磨耗取决于ZrO2的添加量。即，均匀度按照从好到次的顺序为No.18、17、16、15，并且No.18的磨耗部分是最均匀的。
从上面的测试结果推测，在切削离心铸铁时，在热量引起的磨耗和机械冲击引起的磨耗中，机械磨耗占据主导地位，并且由于机械冲击而产生微小裂纹(如条纹状划痕)，并且发生磨耗。
因此，据估计，在添加有ZrO2的原料中，即使由于机械冲击产生微小裂纹，通过使得微小裂纹扩展而施加的应力，立方晶ZrO2和四方晶ZrO2也会朝向单斜晶进行相变，同时发生体积膨胀，这会冲压和挤压微小裂纹，因此微小裂纹的扩展得到抑制，并且不发生断裂。
在仅添加有ZrO2的No.18中，未产生划痕之类的磨耗，但是热磨耗较大，并且VB达到250μm或更高。ZrO2是导热率较低的材料，因此其在诸如高温炉材料或坩埚等应用中被用作绝热陶瓷材料。因此，在切削过程中热量集中于切削刃，并且热辐射可能较低。然后，切削刃的温度变得更高，并且烧结体中的cBN组分与加工材料中的铁组分发生反应。因此，据估计，在添加有大量ZrO2的样品中热磨耗较大。
如No.19和20的结果所示，在其中使用粒径超过5μm的Al2O3作为原料粉末的样品中，由于其组成与No.1的组成相同，因此磨耗量与No.1的磨耗量大致相当，但是却产生断裂。据估计，产生断裂是因为在切削时的负荷下刀刃中呈粗颗粒状态的Al2O3会脱落。
如No.3、4、5和6的结果所示，cBN含量低于50体积％的样品的强度不足并发生断裂(No.3)。另一方面，在cBN的含量高于90体积％的样品中，由于切削热量而使得cBN与加工材料之间进行热反应，并且磨耗较大，这导致切削阻力增加并发生断裂(No.6)。
如No.7、8、9和10的结果所示，当样品中TiC的含量低于1体积％时，无法利用TiC与铁的亲合力低于TiC与cBN的亲合力的特性，并且发生热磨耗。因此，磨耗发展至250μm或更大，切削阻力增加，并且产生断裂(No.7)。另一方面，在TiC含量为20体积％或更高的烧结体中，由于TiC的脆性而使得切削刃发生断裂(No.10)。
如No.11、12、13和14的结果所示，在Al2O3和ZrO2的总含量低于9体积％的样品中，ZrO2的添加量小，因而观察到诸如条纹划痕之类的磨耗类型，并且磨耗发展至磨耗量为250μm或更大(No.11)。当Al2O3和ZrO2的总含量高于50体积％时，随着cBN的含量下降，强度不足并且产生断裂(No.14)。
如上面的测试结果所示，由本发明的烧结体制成的切削工具为在对难以切削的离心铸铁进行加工时具有长寿命的工具，这是因为已经证明，与代表常规材料的No.15相比其抗断裂性得到改善，并且与No.18相比其耐磨性得到提高。
在用X射线衍射装置(在X射线管中使用Cu)对具有如表1所示组成的烧结体进行测量时，在除了No.15以外的烧结体中，普遍确认到cBN、TiC、TiCN、α-Al2O3、c-ZrO2(立方晶)以及t-ZrO2(四方晶)的峰。作为烧结体No.2、17和21的X射线衍射测量结果，图1、2和3分别示出了具有No.2、17和21所示组成的烧结体的X射线衍射测量结果的峰图案。
进一步检测单斜晶的峰强度。如图1所示，No.2的X射线衍射峰中不存在m-ZrO2(单斜晶)的峰。No.17显示出峰强度比{I单斜晶(111)+I单斜晶(111)}/{I四方晶(100)+I立方晶(111)}＝0.40。如表1所示，在样品No.21中，将混有5重量％的单斜晶ZrO2的ZrO2粉末用作原料粉末。因此，如图3所示，No.21显示出峰强度比{I单斜晶(111)+I单斜晶(111)}/{I四方晶(100)+I立方晶(111)}＝0.55。即，可见在烧结体中存在单斜晶ZrO2。此外，将烧结体No.2、17和21加工成前述的刀片，用该刀片对圆筒形离心铸铁衬套的内径进行连续切削测试。
结果，关于在切削距离达10km之后切削刃的损伤情况，如表1所示，具有No.2和17的组成的烧结体显示出正常的磨耗，即，后刀面磨耗量VB分别为175μm和198μm，而具有No.21的组成的烧结体在切削距离达10km后表现出VB为187μm，并产生小的断裂。
因此，据推测，单斜晶ZrO2的存在量较多使得由应力变形引起的体积膨胀较小，并且不能够抑制微小裂纹的扩展，从而发生断裂。
表1  单位：[体积％]
样品No. cBN TiC Al2O3和ZrO2的总含量 ZrO2/Al2O3 维氏硬度(Hv)   切削10km后的后刀面磨耗量VB[μm]   切削12km后的磨耗类型和断裂状态
  1   70   3   17   2.5   2863   157   正常磨耗
  2   70   3   18   1   2906   175   正常磨耗
  3   40   5   28   2.5   2183   断裂   --
  4   50   5   28   2.5   2310   165   正常磨耗
  5   90   1   9   2.5   3474   246   正常磨耗
  6   95   0.5   4.5   2.5   3598   302   断裂
  7   80   0.1   17   2.5   2998   296   断裂
  8   80   1   17   2.5   3040   237   正常磨耗
  9   60   20   13   2.5   2879   223   正常磨耗
  10   60   30   9   2.5   2670   产生断裂   --
11 80 8 5 2.5 3012 283   划痕(条纹状磨耗)·断裂
  12   75   8   9   2.5   2895   211   正常磨耗
  13   50   1   49   2.5   2281   242   正常磨耗
  14   40   3   55   2.5   2144   断裂   --
15 70 3 20   只有Al2O3 2807 279   划痕(条纹状磨耗)·断裂
16 70 3 20 0.1 2792 182   轻微条纹状磨耗但无断裂
  17   70   3   20   4.0   2728   198   正常磨耗
18 70 3 20   只有ZrO2 2598 293 断裂
19 70 3   17所用Al2O3的平均粒径为5μm 2.5 2647 165 正常磨耗
20 70 3   17所用Al2O3的平均粒径为6μm 2.5 2558 168 断裂
  21*   70   3   18   1   2654   187   小的断裂
*No.21包含混有5重量％单斜晶ZrO2的ZrO2粉末作为原料粉末。
实施例2
将具有如表2所示组成的原料混合以制备原料粉末。在样品No.1至9中，除了混合cBN、TiC、ZrO2和Al2O3以外，还混合有作为粘结剂余量部分的TiN、Al等。将这些样品分别在表2所示的条件下烧结。将所获得的烧结体加工成符合ISO标准SNGN090312的刀片，并且使用通过将外径Φ为95mm的圆筒形离心铸铁衬套的厚度约0.5mm的黑皮切削掉而获得的加工材料，进行连续的外径切削测试。
切削条件为：切削速度被设定为900m/分钟，切削深度被设定为1.0mm，进给速率被设定为0.5mm/转，并采用湿法切削[冷却剂：乳液(由Japan Fluid System株式会社制造，商品名为System Cut 96)，稀释20倍]。在切削距离达10km和12km之后，观察切削刃。观察切削距离达10km之后是否存在断裂以及后刀面的磨耗量VB，以及切削距离达12km之后的磨耗类型和断裂状况，其结果也示于表2中。
如表2中的结果所示，据推测，在烧结过程中的压力低于4GPa这样的条件下制备的No.2中，烧结体的结构并未充分地致密化，因此烧结体的强度较低，并在切削距离达12km之后观察到断裂。此外，据推测，在烧结过程中的压力高于7GPa这样的条件下制备的No.5中，由于高压，ZrO2和TiC发生异常的晶粒生长，因而烧结体的强度较低并发生断裂。在4GPa至7GPa的烧结压力条件下获得的烧结体在切削距离达12km之后的损伤类型属于正常磨耗。
分别在烧结温度低于1200℃和烧结温度高于1950℃这样的烧结条件下制备的No.6和9中，后刀面的磨耗量大于No.7和8的后刀面磨耗量，并且还发生断裂。这可能是因为在烧结温度不高于1200℃下烧结的No.6烧结体的结构没有致密化，这导致cBN颗粒之间的强度较低，并且对机械冲击较脆弱。
此外，已知的是，在1400℃或更高的温度下，稳定化的氧化锆晶粒(特别是稳定化的立方晶氧化锆晶粒)快速地进行生长。已知的是，在1700℃或更高的烧结条件下，晶体生长达到粒径约30μm，因此，可以估计，在高于1950℃的温度下烧结的No.9，由于ZrO2晶粒生长为较大的颗粒并且cBN烧结体的强度相应地降低，所以会发生断裂。
因此，如果在烧结压力不低于4GPa并且不高于7GPa、以及烧结温度不低于1200℃并且不高于1950℃这样的烧结条件下制备工具，则由本发明的烧结体制成的切削工具在对难以切削的离心铸铁进行加工时可发挥具有更长寿命的工具的作用。
表2
样品No. 烧结条件 cBN TiC Al2O3和ZrO2的总量 ZrO2/Al2O3   切削10km后的后刀面磨耗量VB[μm] 切削12km后的磨耗类型和断裂状态
1   5.5GPa，1350℃ 70 3 18 2.5 157 正常磨耗
2   3GPa，1200℃ 70 3 18 2.5 261   划痕(条纹状磨耗)·断裂
3   4GPa，1250℃ 70 3 18 2.5 244 正常磨耗
4   7GPa，1900℃ 70 3 18 2.5 218 正常磨耗
5   75GPa，1900℃ 70 3 18 2.5 -- 断裂
6   5.5GPa，1150℃ 70 3 18 2.5 269 断裂
7   5.5GPa，1200℃ 70 3 18 2.5 244 正常磨耗
8   5.5GPa，1950℃ 70 3 18 2.5 218 正常磨耗
  9   5.5GPa，2000℃   70   3   18   2.5   272   断裂
实施例3
此处，将代表表3所示组成的原料的cBN、Al2O3、ZrO2、TiCN、Al和Ti2AlN混合、并将混合物在5.5GPa和1350℃的条件下烧结。表3示出的不是组成，而是在分析烧结体时测定的各化合物的体积％。
将具有表3所示组成的烧结体加工成符合ISO标准SNGN090312的刀片，并且将圆筒形离心铸铁衬套中内径Φ为85mm的那部分用于进行连续的内径切削测试。
切削条件为：切削速度被设定为900m/分钟，切削深度被设定为0.3mm，进给速率被设定为0.2mm/转，并采用湿法切削[冷却剂：乳液(由Japan Fluid System株式会社制造，商品名System Cut 96)，稀释20倍]。在切削距离达到10km和12km之后，观察切削刃。观察切削距离达10km之后是否存在断裂以及后刀面的磨耗量VB，以及切削距离达12km之后的磨耗类型和断裂状况，并且其结果也示于表3中。
如表3中的结果所示，在由本发明的cBN烧结体制成的工具中，刀刃正常发生磨耗，并且后刀面的磨耗量VB能够被抑制为250μm或更小。与No.19相比，由于将原料混合物中的TiC替换为TiCN，因此使得No.2的强度得到改善而且断裂得到抑制，并且No.2表现出正常的磨耗。
与实施例1中No.3、4、5和6的结果一样，当cBN含量低于30体积％时，No.1、2、3和4的强度不足并且产生断裂，而当cBN含量高于90体积％时，切削热量引起的与cBN的热反应导致发生磨耗，这造成切削阻力增加和断裂。
如No.5、6、7和8的结果所示，当TiCN的含量低于1体积％时，发生后刀面磨耗并产生断裂。这可能是因为TiCN促进了cBN与Al2O3、ZrO2之间的反应。另一方面，由于TiCN具有脆性，因此其中TiCN含量为15体积％或更高的烧结体发生断裂。
在No.9、10、11和12中，当Al2O3和ZrO2的总含量低于9体积％时，ZrO2的添加量较低，因此强度降低并发生断裂。当Al2O3和ZrO2的总含量等于或高于50体积％时，cBN的含量较低，因此强度不足并发生断裂，这与实施例1中的No.11、12、13和14的结果相同。
在用X射线衍射装置(在X-射线管中使用Cu)对具有表3所示组成的烧结体进行测量时，可以在除了No.17以外的烧结体中普遍确认到cBN、TiCN、α-Al2O3、c-ZrO2(立方晶)、t-ZrO2(四方晶)、TiB2、AlB2和AlN的峰。
表3
样品No. cBN TiCN Al2O3和ZrO2的总量 ZrO2/Al2O3 维氏硬度(Hv)   切削10km后的后刀面磨耗VB[μm]   切削12km后的磨耗类型和断裂状态
  1   30   5   40   2.5   1989   断裂   --
  2   40   5   40   2.5   2153   186   正常磨耗
  3   85   1   9   2.5   3315   243   正常磨耗
  4   90   0.5   9   2.5   3531   293   断裂
  5   70   0   20   2.5   2789   断裂   --
  6   70   0.5   20   2.5   2817   243   正常磨耗
  7   55   15   10   2.5   2853   213   正常磨耗
8 50 30 10 2.5 2621 236   条纹状磨耗·断裂
  9   80   8   5   2.5   2992   302   断裂
  10   80   8   9   2.5   2997   229   正常磨耗
  11   45   1   50   2.5   2215   245   正常磨耗
  12   40   3   55   2.5   2123   276   断裂
13 60 3 25   只有Al2O3 2793 197 断裂
  14   60   3   25   0.1   2782   175   正常磨耗
  15   60   3   25   4   2711   183   正常磨耗
16 60 3 25   只有ZrO2 2575 203 断裂
  17   0   0   100   2.5   1895   断裂   --
  18   0   10   90   2.5   1913   293   断裂
  19   40   5*   40   2.5   2213   断裂   --
*No.19包含TiC粉末而不是TiCN粉末作为原料粉末。

Claims (7)

1.一种用于切削工具的cBN烧结体，所述切削工具具有由cBN组分和粘结剂作为原料而形成的切削部位，所述原料中cBN组分的含量为不低于50体积％且不高于80体积％，在所述原料中所述粘结剂含有不低于1体积％且不高于20体积％的TiC、以及不低于15体积％且不高于50体积％的Al2O3和ZrO2，并且ZrO2/Al2O3的重量比值不低于0.1且不高于4，其中
在所述cBN烧结体中ZrO2的单斜晶以这样的状态存在：在X射线衍射测量中，不存在ZrO2的单斜晶的峰，或者即使存在这样的峰，峰强度比也不高于0.4。
2.一种用于切削工具的cBN烧结体，所述切削工具具有由cBN组分和粘结剂作为原料而形成的切削部位，所述原料中cBN组分的含量为不低于40体积％且不高于80体积％，在所述原料中所述粘结剂含有不低于0.5体积％且不高于15体积％的TiCN、以及不低于15体积％且不高于50体积％的Al2O3和ZrO2，并且ZrO2/Al2O3的重量比值不低于0.1且不高于4，其中
在所述cBN烧结体中ZrO2的单斜晶以这样的状态存在：在X射线衍射测量中，不存在ZrO2的单斜晶的峰，或者即使存在这样的峰，峰强度比
Figure FSB00000259941300012
也不高于0.4。
3.根据权利要求1或2所述的cBN烧结体，其中
所含的作为所述粘结剂的Al2O3和ZrO2的平均粒径不大于5.0μm，并且ZrO2中的晶体结构至少由立方晶和四方晶中的任意一者、或这二者的组合形成。
4.根据权利要求1或2所述的cBN烧结体，其中
所述原料是在压力不低于4GPa且不高于7GPa、并且温度不低于1200℃且不高于1950℃的条件下进行烧结的。
5.根据权利要求1或2所述的cBN烧结体，其中
作为余量部分，所述粘结剂含有元素周期表中第4a、5a、或6a族的过渡金属的碳化物和氮化物中的一种或两种或多种物质作为原料粉末。
6.一种由cBN烧结体制成的切削工具，其中
根据权利要求1或2所述的cBN烧结体是通过整体烧结或用钎焊材料而连接到基体上的，并且所述基体是由硬质合金、陶瓷或铁基材料制成的。
7.根据权利要求6所述的由cBN烧结体制成的切削工具，其中所述陶瓷为金属陶瓷。
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