CN102653004A - cBN刀片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有通过接合部接合的cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体的具有更加优异的接合强度的cBN刀片。本发明通过以下解决所述课题，即在cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体的接合部中，在cBN制切削刃部侧形成由1～20at％的Pd、0.5～15at％的Si及作为不可避免成分的W、Co、B、C中至少1种和剩余部分Ni构成的厚度为5μm以上的扩散层，而在WC基硬质合金制刀片主体侧形成以Pd和Si为主成分的WC桥形成相。

Description

cBN刀片

技术领域

本发明涉及一种以cBN(立方晶氮化硼)为主成分将其在超高压、高温下烧结成型而成的cBN刀片，尤其涉及具有通过接合部接合的cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体的cBN刀片。

背景技术

以往，由于以cBN(立方晶氮化硼)为主成分将其在超高压、高温下烧结成型而成的cBN刀片具有高硬度且耐磨性优异，所以广泛使用于切削刀片、立铣刀等切削工具的切削刃部，但cBN本身加工困难且高价，而且韧性较低且容易折损，因此其用途受限制。但是，近年来，作为用于克服限制的方法，实施如下方法，即通过对廉价且加工性优异的WC基硬质合金制刀片主体和cBN制切削刃部进行钎焊，或者通过扩散接合来接合WC基硬质合金制刀片主体和cBN制切削刃部，从而得到接合WC基硬质合金制刀片主体和cBN制切削刃部的cBN刀片。

作为接合cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体的方法，例如，已知有通过制造在成为切削刃部的位置配置有cBN层的圆板状cBN烧结体，并将其切出成所希望的ISO标准的刀片形状来制作上下面具有切削刃部的刀片的方法(例如参考专利文献1)。

另外，还已知有利用例如包含0.5～65重量％的Ti和/或Zr且剩余部分由Cu构成的钎料将cBN切削刃片钎焊在工具母材上的方法(例如参考专利文献2)。

专利文献1：日本专利公开平9-117808号公报

专利文献2：日本专利公开2009-202283号公报

但是，存在如下课题：在如所述专利文献1中公开的通过制造在成为切削刃部的位置配置有cBN层的圆板状cBN烧结体，并将其切出成所希望的ISO标准的刀片形状来制作上下面具有切削刃部的刀片的方法中，如图1所示的型号CNGA120408形状，为具有中心孔的刀片时，需在后加工中打上孔，使得刀片的制造成本会变得更高。

并且，在如所述专利文献2中公开的利用例如包含0.5～65重量％的Ti和/或Zr且剩余部分由Cu构成的钎料将cBN切削刃片钎焊的方法中，会出现在高负荷加工中切削刃部脱落的问题。

发明内容

因此，本发明所欲解决的技术课题，即本发明的目的在于提供一种具有通过接合部接合的cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体的具有更加优异的接合强度的cBN刀片。

因此，本发明人等对具有通过接合部接合的cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体的cBN刀片中的其接合部的强度改进进行了深入研究，结果得到了以下见解。

当接合cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体时，如图2所示，若在cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体的接合部中，在cBN制切削刃部侧形成由Pd、Si及作为不可避免成分的W、Co、C中至少1种和剩余部分Ni构成的厚度为5μm以上的扩散层，而在WC基硬质合金制刀片主体侧形成以Pd和Si为主成分的WC桥形成相，则会形成cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体通过由所述扩散层和WC桥形成相构成的接合部紧固接合的接合部件。

若观察所述接合部的状态，则如图2所示，作为刀片金属插入的Ni-Pd-Si合金熔融，Ni扩散至cBN制切削刃部与WC基硬质合金制刀片主体的接合面附近的整个接合部(5～30μm)，并且Pd和Si主要扩散至WC基硬质合金制刀片主体的WC颗粒之间，将WC颗粒彼此紧固地结合来形成WC桥形成相。

位于从所述接合部中的cBN制切削刃部与WC基硬质合金制刀片主体的接合面附近至cBN制切削刃部表层部的扩散层具有由1～20at％的Pd、0.5～15at％的Si及作为不可避免成分的W、Co、C中至少1种和剩余部分Ni构成的组成，其厚度为5μm以上时显示最大的接合强度。

所述接合部在cBN制切削刃部与WC基硬质合金制刀片主体之间夹着Ni-Pd-Si合金作为刀片金属，施加压力的同时加热至金属熔点以上，由此通过液相化及扩散Ni-Pd-Si合金外观上消失，cBN制切削刃部与WC基硬质合金制刀片主体未通过Ni-Pd-Si合金就形成扩散层和WC桥形成相成为一体的接合部。

测定接合部的构成成分的结果，观察到了在WC基硬质合金制刀片主体与接合部的接合面附近产生Pd、Si向WC基硬质合金中的扩散，另一方面，在cBN制切削刃部与接合部的接合面附近形成通过Ni-Pd-Si合金的液相化及扩散而产生的Ni-Pd-Si扩散区域，Ni含量从cBN制切削刃部侧朝向WC基硬质合金制刀片主体递减。

对由所述cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体构成的cBN刀片实施弯曲试验，确认其特性的结果，显示优异的弯曲强度，另外，也不是在接合部发生断裂，而在WC基硬质合金制刀片的部位产生断裂，所以基于本发明的接合部具有优异的弯曲强度，其结果，本发明的cBN刀片具有优异的接合强度。

当形成本发明的cBN刀片时，在WC基硬质合金制刀片主体的刀尖部设置凹槽，在此处设置作为刀片金属的Ni-Pd-Si合金，进一步设置cBN片，在施加100MPa的压力的状态下在惰性气体中通过高频局部加热接合部，从而形成具有扩散层的接合部。

本发明是根据所述见解而完成的，其特征在于，

一种cBN刀片，具有cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体，其中，在所述cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体的接合部中，在cBN制切削刃部侧形成由1～20at％的Pd、0.5～15at％的Si及作为不可避免成分的W、Co、B、C中至少1种和剩余部分Ni构成的厚度为5μm以上的扩散层，而在WC基硬质合金制刀片主体侧形成以Pd和Si为主成分的WC桥形成相。

以下，对本发明进行详细说明。

本发明中，通过接合部接合cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片来构成cBN刀片，cBN刀片的制造法例如为以下。

(a)使用丙酮将75容量％的cBN和其余部分即TiN、Al₂O₃结合相用球磨机湿式混合24小时。

(b)干燥所得到的混合粉末之后，以100MPa的成型压力油压冲压成型。

(c)真空中在1Pa、1000℃、30分钟的条件下对所得到的成型体进行热处理，并除去挥发成分及吸附于粉末表面的成分。

(d)层叠成型体和硬质合金基材，典型地在压力为5GPa、温度为1500℃、保持时间为30分钟的条件下进行超高压高温处理来得到cBN烧结体。

(e)对所得到的cBN烧结体进行研磨之后，切割为横截状来得到cBN烧结体圆板。

(f)用电线放电加工机将cBN烧结体圆板切割为预定尺寸来得到cBN片。

(g)在WC基硬质合金制刀片主体的刀尖部设置凹状凹槽，且在此处设置Ni-Pd-Si合金，进一步设置cBN片。

(h)通过在施加100MPa的压力的状态下在惰性气体中通过高频局部加热接合部来形成具有扩散层的接合部。

另外，还能够通过切割刀尖部来代替凹槽并将长条状的cBN毛坯料接合于其切割面来同时形成上下切削刃。

(i)研磨上下面及外周面来得到ISO标准的型号为CNGA120408的刀片形状。

(j)进一步通过倒棱加工设置刃口修磨面。

(k)并且，根据需要，例如通过用PVD涂布TiAlN来提高刀片的耐磨性等。

若目视观察如上所述般制造的cBN刀片的接合部状态，则作为刀片金属插入的Ni-Pd-Si合金已消失，金属组织犹如形成有WC基硬质合金制刀片主体和cBN制切削刃部通过Ni-Pd-Si合金一体接合的复合材料(参考图2)就形成扩散层和WC桥形成相成为一体的接合部，但对接合部利用AES(俄歇电子能谱学)详细调查其构成成分及分布的结果，发现了如下，即在WC基硬质合金制刀片主体的与接合部的接合面附近，在WC基硬质合金制刀片主体的WC颗粒之间发生Pd及Si的扩散并形成WC桥形成相，从而将WC颗粒彼此紧固地结合，另一方面，在cBN制切削刃部的与接合部的接合面附近，形成有通过Ni-Pd-Si合金的液相化及扩散而产生的Ni-Pd-Si扩散区域，另外，在接合部侧的与cBN制切削刃部的接合面附近也形成有Ni-Pd-Si扩散区域，另外，形成于接合部及cBN制切削刃部的Ni-Pd-Si扩散区域(以下称为“扩散层”)的Ni含量随着远离接合部与cBN制切削刃部的接合面而递减。

另外，反复进行深入研究的结果，明确了如下，即当所述扩散层的组成为1～20at％的Pd、0.5～15at％的Si及作为不可避免成分的W、Co、B、C中至少1种和剩余部分Ni时，接合部具有优异的抗拉强度及弯曲强度。

所述接合部通过以下得到，即如上所述在WC基硬质合金制刀片主体的刀尖部设置凹状凹槽，且在此处设置Ni-Pd-Si合金，进一步设置具有硬质内衬的cBN烧结体片，在施加100MPa的压力的状态下例如如Ar气之类的惰性气体中通过高频局部加热接合部，由此形成WC基硬质合金制刀片主体和cBN烧结体片双方具有扩散层的接合部。

这时，用于形成接合部的Ni-Pd-Si合金的厚度若过厚则接合强度下降，因此优选为15μm以下。并且，由于扩散层不仅具有得到紧固的接合强度的目的，而且还具有缓和产生于接合部的应力的目的，所以厚度优选为5μm以上。

Ni具有通过扩散至WC基硬质合金制刀片主体所含的Co粘合剂中来一体化并得到紧固接合的效果。Pd和Si形成Pd-Si合金，尤其在WC基硬质合金制刀片主体所含的微粒WC颗粒之间形成桥，因此形成从外观上来看较大的WC颗粒。其结果，与用于cBN烧结体基材的中粒WC颗粒的外观上的粒度差变小且缓和接合部周边的应力。

在此，对作为扩散层的优选结构如上述规定的理由进行说明。

Pd：

WC、Ni这2个元素润湿性均良好且具有改进接合部强度的效果。然而，若含量超过20at％，则成为高温下强度下降的原因。并且，若少于1at％，则得不到充分的润湿性。因此，Pd的含量规定为1～20at％。

Si：

钎焊需要在低于950℃的温度下进行。这是因为，若成为950℃以上，则cBN烧结体的特性劣化。尤其使用Co等金属作为粘合剂时，由于劣化变得明显，所以需要在950℃以下进行。

但是，Ni及Pd的熔点分别为1455℃、1555℃，对于cBN烧结体的接合温度过高，因此需要降低熔点。Si由于与Ni及Pd双方进行共晶反应，所以有可能降低熔点。因此，利用Si降低熔点，但是若Si少于0.5at％则无法充分降低熔点，若多于15at％，则成为脆化的原因。因此，Si的含量规定为0.5～15at％。

W、Co、B及C：

W、Co、B及C为从WC基硬质合金制刀片主体或cBN制切削刃部逐渐扩散至接合部的不可避免成分。通过这些成分存在于接合部中来缓和接合面附近的组成的急剧变化，因此，可缓和在WC基硬质合金制刀片主体与接合部之间或cBN制切削刃部与接合部之间产生的应力，并且这些成分起到一种如粘合剂的作用且提高WC基硬质合金制刀片主体及cBN制切削刃部与接合部的接合力。

Ni：

扩散层的组成是占除了所述成分以外的剩余部分的成分，由于高温强度较高，所以可得到紧固的接合强度。并且，Ni由于熔融时的流动性较高，所以遍及整个接合部而扩散，从而紧固接合WC基硬质合金制刀片主体和cBN制切削刃部。

根据本发明，一种具有cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体的cBN烧结体制刀片，其中，在cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体的接合部中，在cBN制切削刃部侧具有由1～20at％的Pd、0.5～15at％的Si及作为不可避免成分的W、Co、B、C中至少1种和剩余部分Ni构成的厚度为5μm以上的扩散层，而在WC基硬质合金制刀片主体侧具有以Pd和Si为主成分的WC桥形成相，由此Ni遍及整个接合部扩散，并且Pd及Si扩散至WC基硬质合金制刀片主体的接合部附近的WC颗粒之间而形成桥，另外形成于接合部附近的具有预定组成的Ni-Pd-Si扩散区域缓和cBN制切削刃部与WC基硬质合金制刀片主体之间的应力，所以可得到极其紧固的接合强度，并飞跃提高cBN刀片的耐久性。

并且，根据本发明，不仅能够提供具有优异的接合强度的cBN刀片，而且能够谋求通过降低高价硬质合金成分的使用量、基于再利用及轻质化的节省资源及节能化，进一步可通过使用该cBN刀片来谋求加工精确度的改进及工具寿命的延长，并能够实施安全可靠的切削加工，另外，由于由与易加工的WC基硬质合金制刀片主体的复合材料形成工具，因此能够期待工具设计的自由度大幅提高之类的优异效果。

并且，作为本发明中的接合层的Ni-Pd-Si形成完全固溶体，接合温度为液相存在的温度以上，因此即使在PVD、CVD等高温条件下，即接合温度以下的条件下设置表面被覆层，因来自接合层的气体发生而产生的对被覆层的恶劣影响及复合材料的接合状态也不会恶化。因此，能够通过在本发明的cBN刀片上设置基于PVD、CVD等的表面被覆层来制造更高品质的表面被覆切削工具。

附图说明

图1是表示ISO型号CNGA120408形状刀片的外观的立体图。

图2是本发明的cBN刀片的接合部纵截面的基于AES(俄歇电子能谱学)的面分析照片，(a)为整个接合部、(b)为接合部的cBN切削刃部的硬质合金部分及(c)为接合部的刀片主体部分。

具体实施方式

接着，根据实施例具体说明本发明。

[实施例]

准备均具有1～3μm的平均粒径的WC粉末、TiC粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr₃C₂粉末及Co粉末作为原料粉末，将这些原料粉末配合成表1所示的配合组成，用球磨机湿式混合72小时并干燥后，以100MPa的压力冲压成型为压坯，将该压坯在6Pa的真空中，在以温度：1400℃保持1小时的条件下烧结，从而形成表1所示的4种WC基硬质合金制刀片主体(以下简称为硬质合金制刀片主体)A-1～A-4。

接着，准备均具有0.5～4μm范围内的平均粒径的cBN粉末、TiN粉末及Al₂O₃粉末作为原料粉末，将这些原料粉末配合成表2所示的配合组成，通过球磨机用丙酮湿式混合24小时并干燥后，以100MPa的压力冲压成型为具有直径：15mm×厚度：1mm尺寸的压坯，接着将该压坯在压力为1Pa的真空气氛中，在以900℃～1300℃范围内的预定温度保持30分钟的条件下烧结，并除去挥发成分及吸附于粉末表面的成分，从而形成切削刃片用预备烧结体。而且，将该切削刃片预备烧结体以与另行准备的具有Co为8质量％、WC为剩余的组成以及直径：15mm×厚度：2mm尺寸的WC基硬质合金制支承片重叠的状态，装入通常的超高压烧结装置中，在通常条件即5GPa的压力、1200℃～1500℃的温度范围内的预定温度保持30分钟时间的条件下超高压高温烧结，从而得到cBN烧结体A～F。并且，使用金刚石磨刀石对该cBN烧结体的上下面进行研磨，用电线放电加工装置或金刚石切割机分割为以80°的顶角夹着顶角的两边为3mm的二等边三角形状，从而得到cBN制切削刃部。并且，在所述的硬质合金制刀片主体(A-1～A-4)的钎焊部(刀尖部)设置凹状凹槽，且在此处设置具有由1～20at％的Pd、0.5～15at％的Si及剩余部分Ni构成的组成的Ni-Pd-Si合金作为钎料，进一步设置上述的cBN制切削刃部。而且，通过在施加100MPa的压力的状态下在惰性气体中通过高频局部加热接合部来形成具有如表3所示的组成和厚度的扩散层的接合部。另外，还能够通过切割刀尖部来代替设置凹状凹槽并接合长条状的cBN毛坯料来同时形成上下切削刃。

接着，将外周加工成预定尺寸进行而设为ISO标准的型号CNGA120408的刀片形状之后，对切削刃部实施宽为0.15mm、角度为25°的刃口修磨加工，进一步实施精加工研磨，由此分别制造了具有ISO标准的型号CNGA120408的刀片形状的本发明刀片1～10。

关于本发明刀片，通过基于AES(俄歇电子能谱学)的面分析观察了接合部纵截面。将其结果示于图2。(a)为观察整个接合部的照片。显亮的部分为Ni，中央为插入合金，左侧为cBN切削刃的硬质合金部，右侧为刀片主体。能够确认到Ni扩散至cBN切削刃的硬质合金部及刀片主体。该Ni扩散的整个区域相当于接合部。(b)为放大观察(a)的cBN切削刃部的硬质合金部的照片。显亮的部分为桥形成相，而显暗的部分为WC颗粒。(c)为放大观察(a)的刀片主体部的照片。显亮的部分为Ni的扩散层，而显暗的部分为WC颗粒。即，本发明中是指接合部＝扩散层(刀片主体侧)+插入合金+桥形成相(cBN切削刃的硬质合金部侧)。

为了比较，将与本发明刀片不同组成的Ni-Pd-Si合金用作钎料，通过与前述相同的方法制作cBN刀片，从而制造了具有表3所示的组成的扩散层的比较刀片1～6。另外，使用以前的Ni箔、Cu箔及Ag箔作为钎料，制作以WC基硬质合金制刀片主体/Ni箔或Cu箔或Ag箔/cBN制切削刃部的顺序排列的cBN刀片，并在表4所示的条件下进行热处理，从而制造了表3所示的比较刀片7～10。

对所述本发明刀片1～10、比较刀片1～10分别实施弯曲试验，并测定弯曲强度，并且目视观察破裂部位。

将其结果示于表3。

另外，弯曲试验按照由JIS·R1601规定的细陶瓷的弯曲强度试验方法，通过小于JIS的样品形状进行。

从表3所示的结果明确可知，本发明刀片1～10为显示2GPa以上的弯曲强度，且具有破裂大部分在除接合部以外的部位(硬质合金部件)发生的优异的接合强度的复合材料，与此相对，比较刀片1～10的弯曲强度远远差于本发明刀片1～10，而且，在接合部发生了破裂，所以这些刀片的接合强度不能说是充分的。

接着，在以下切削条件下对本发明刀片1～10、比较刀片1～10分别进行了切削加工试验。

进行如下条件下的淬火合金钢的干式连续切削试验，

“切削条件A”

工件-直径：100mm的SCM415(HRc60)圆棒；

切削速度：180m/min.；

切深：0.3mm；

进给量：0.2mm/rev.；

切削时间：3分钟；

并进行如下条件下的淬火合金钢的干式连续切削试验，

“切削条件B”

工件-直径：100mm的SCM415(HRc60)圆棒；

切削速度：180m/min.；

切深：0.5mm；

进给量：0.2mm/rev.；

切削时间：3分钟；

且进行如下条件下的淬火合金钢的干式连续切削试验，

“切削条件C”

工件-直径：100mm的SCM415(HRc60)圆棒；

切削速度：200m/min.；

切深：0.5mm；

进给量：0.2mm/分钟；

切削时间：3分钟。

将其结果示于表3。

[表1]

[表2]

[表3]

○：未剥离，数字：到剥离为止的时间(分钟)

[表4]

(注)加热升温均基于高频感应加热。

从表3所示的结果明确可知，与比较刀片相比，本发明刀片cBN制切削刃部与WC基硬质合金制刀片主体的接合强度较强且耐久性优异。

产业上的可利用性

如上所述，本发明的cBN刀片当然可以在各种钢或铸铁等的通常的切削条件下的切削加工中，尤其在球墨铸铁或烧结合金等铁素体相较多析出的工件的高速连续切削加工及间断切削加工中，cBN制切削刃部与WC基硬质合金制刀片主体的接合强度也优异，因此经长期使用中发挥稳定的切削性能，所以能够充分满足地对应切削加工装置的高性能化以及切削加工的节省劳力化及节能化且低成本化。

Claims (1)

1.一种立方晶氮化硼刀片、即cBN刀片，具有cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体，其中，

在所述cBN制切削刃部和WC基硬质合金制刀片主体的接合部中，在cBN制切削刃部侧形成由1～20at％的Pd、0.5～15at％的Si及作为不可避免成分的W、Co、B、C中至少1种和剩余部分Ni构成的厚度为5μm以上的扩散层，而在WC基硬质合金制刀片主体侧形成以Pd和Si为主成分的WC桥形成相。

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