CN103459071A

CN103459071A - 立方氮化硼烧结体工具

Info

Publication number: CN103459071A
Application number: CN2012800023093A
Authority: CN
Inventors: 小林靖典; 久木野晓; 濑户山诚
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2032-04-03
Also published as: KR101456395B1; EP2835195A1; US20130260165A1; WO2013150610A1; EP2835195A4; CN103459071B; US8999511B2; EP2835195B1; KR20130137116A

Abstract

本发明涉及一种立方氮化硼烧结体工具，其中立方氮化硼烧结体（2）通过接合层（3）而接合至工具基材（4），该立方氮化硼烧结体工具（1）具有以下特征。立方氮化硼烧结体（2）含有大于或等于30体积%且小于或等于95体积%的立方氮化硼颗粒，以及大于或等于5体积%且小于或等于70体积%的结合相（6）。在沿着与立方氮化硼烧结体（2）和接合层（3）之间的接合面中的面积最大的接合面垂直的平面所截取的立方氮化硼烧结体工具（1）的至少一个截面中，假定点C和点D表示附图中所示的与点A和点B之间的距离为将点A和点B相互连接起来的线段长度的1/4的点。当将点C和点D相互连接起来的线段、第一立方氮化硼颗粒（7）、第二立方氮化硼颗粒（8）和结合相（6）所包围的区域的面积除以将点A和点B相互连接起来的线段的长度时，所得到的数值大于或等于0.14μm且小于或等于0.6μm。

Description

立方氮化硼烧结体工具

技术领域

本发明涉及被构造为含有cBN烧结体的cBN烧结体工具，所述cBN烧结体含有立方氮化硼（下文中也称为“cBN”）颗粒和结合相，并且该cBN烧结体通过接合层而直接接合到工具基材上。

背景技术

cBN烧结体是指利用主要由TiN、TiC、Co和Al构成的结合相使cBN颗粒相互结合在一起而获得的块体。cBN颗粒是一种硬度和导热率与金刚石接近的材料，而且其断裂韧性优于陶瓷材料。因此，对于包含高含量的cBN颗粒的cBN烧结体，其在耐塑性变形性、韧性、强度和耐缺损性等特性方面优异。

与诸如常规硬质合金工具之类的工具材料相比，采用了具有这些特性的cBN烧结体的cBN烧结体工具的优异之处在于，其具有更佳的化学稳定性、对铁的亲和性更低、寿命更长、加工效率更高，这是因为其具有高材料硬度。在诸如Ni基和铁基高硬度难削材料的切削加工、冷锻冲孔工具的塑性加工等应用中，这种高性能cBN烧结体工具已取代了常规使用的工具。

此处，“切削”是指将制品加工成所需规格和形状，同时产生切屑。“塑性加工”是指对工件施加力以使其变形，从而将该工件形成为具有规定形状和规格的产品。需要注意的是，塑性加工与切削加工的不同之处在于，塑性加工不产生切屑。

由于cBN烧结体工具具备上述优异特性，因此有利的是，在任何切削加工和塑性加工应用中，不容易发生突发性的缺陷，由此极适于使用。

关于常规的cBN烧结体工具，例如，专利文献1和专利文献2认为cBN烧结体中所含的金属（例如，Al）、氧等为杂质，因此，这些文献公开了这样一种技术：该技术通过将所述杂质的引入降到最低，即通过增加cBN颗粒的混合比率，从而改善cBN烧结体的硬度和韧性（日本专利公开No.07-291732（专利文献1）和日本专利公开No.10-158065（专利文献2））。

另外，人们普遍认为如果cBN烧结体工具具有高硬度、高韧性以及高导热率，则该工具具有高性能。根据这种普遍看法，日本专利公开No.2005-187260（专利文献3）和国际公开No.WO2005/066381（专利文献4）均提出了一种cBN烧结体工具，该工具通过使用含有高浓度的高纯度cBN颗粒（其具有高导热率）的cBN烧结体，从而使得不仅提高了硬度和韧性，还提高了导热率。有利的是，在对低延性材料进行塑性加工以及对高硬度材料进行切削时，这种cBN烧结体工具均不容易产生缺陷。

根据上述专利文献1-4中公开的各种技术，cBN烧结体的硬度、韧性和导热率等性能可得到提高，这使得在提高cBN烧结体的耐磨性的同时使缺陷难以发生。

同时，cBN烧结体工具通常具有如下构造：cBN烧结体工具所具有的cBN烧结体通过接合层而接合至工具基材，使得cBN烧结体位于cBN烧结体工具中用于在工件上加工的表面上。专利文献1-4中cBN烧结体性能的提升均导致了除cBN烧结体性能之外的新问题：cBN烧结体与工具基材之间粘结力的不充分，使得cBN烧结体在加工过程中脱落，从而导致工具无法使用。

为了解决该问题，在日本专利公开No.2007-276079（专利文献5）和日本专利公开No.11-320218（专利文献6）中，均考虑了改进接合层的组成，以提高cBN烧结体和工具基材之间的粘结力。具体而言，例如在专利文献5中，对于接合层的组成，采用了大于或等于10质量%且小于或等于30质量%的Cu、大于或等于2质量%且小于或等于10质量的Ti、以及大于或等于1质量%且小于或等于4质量%的Ni，其余量含有Ag和不可避免的杂质。使用这种材料可提高接合层对cBN烧结体的粘结力，从而提高了cBN烧结体与接合层之间的接合力。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利公开No.07-291732

专利文献2：日本专利公开No.10-158065

专利文献3：日本专利公开No.2005-187260

专利文献4：国际公开No.WO2005/066381

专利文献5：日本专利公开No.2007-276079

专利文献6：日本专利公开No.11-320218

发明内容

技术问题

专利文献5和专利文献6都只是提供了对接合层的材料组成的改进。因此，在近些年来市场所要求的严苛条件下，其接合力是不足的。在加工中，施加到cBN烧结体上的高应力集中到部分的接合界面上，导致cBN烧结体易于脱落。因此，脱落的问题还未得到解决。

为了解决上述问题而完成了本发明，本发明的目的是提供一种立方氮化硼烧结体工具，其中，立方氮化硼烧结体通过接合层而牢固并且高刚性地接合到工具基材上，使得该立方氮化硼烧结体工具可以承受近些年来所要求的严苛条件。

解决问题的手段

本发明人对于使cBN烧结体牢固并高刚性地接合至工具基材的接合方法进行了不懈的研究。通过对使用各种接合层而接合在一起的cBN烧结体与工具基材之间的接合强度进行研究，结果发现当使用含有适当比例的Ti、Zr、Cu、Ag和Ni等的接合层（钎焊材料）时，获得了最优异的接合强度。

然而，在某些情况下，在使用了这种含Ti、Zr、Cu、Ag和Ni等的接合层的cBN烧结体工具中，当待加工的烧结合金或铸铁具有较高的硬度时，由于cBN烧结体与工具基材之间的接合强度不足，cBN烧结体会从工具基材上脱落下来。

为了解决这个问题，除了对接合层的组成进行再次研究之外，本发明人还考虑了通过处理cBN烧结体的表面来形成凹凸不平。结果发现，通过在cBN烧结体的表面中形成适度的凹部，cBN烧结体和接合层之间的接触面积增大，并且表现出锚固效应，从而显著提高了cBN烧结体和接合层之间的接合力。由此完成本发明。

具体而言，本发明的立方氮化硼烧结体工具是这样一种立方氮化硼烧结体工具，其中立方氮化硼烧结体通过接合层而接合至工具基材，其中，立方氮化硼烧结体包含大于或等于30体积%且小于或等于95体积%的立方氮化硼颗粒以及大于或等于5体积%且小于或等于70体积%的结合相；该结合相由至少一种第一化合物和至少一种Al化合物构成，或者由至少一种第二化合物构成；该第一化合物由属于元素周期表中的IVa族元素、Va族元素和VIa族元素中之一的至少一种元素与选自氮、碳、硼和氧所构成的组中的至少一种元素所构成的化合物，或者为该化合物的固溶体；所述第二化合物为选自Co化合物、Al化合物和W化合物所构成的组中的化合物，或者为该化合物的固溶体；相对于全部的接合层，所述接合层含有大于或等于5质量%的Ti以及大于或等于5质量%的Zr，并且Ti和Zr的总量为90质量%以下，其余量含有Cu；或者所述接合层含有大于或等于1质量%的Ti以及大于或等于15质量%的Cu，其余量含有Ag；并且假定在沿着与立方氮化硼烧结体和接合层之间的接合面中的面积最大的接合面垂直的平面所截取的立方氮化硼烧结体工具的至少一个截面中，沿着立方氮化硼烧结体和接合层之间的接合面的任意两个相邻的立方氮化硼颗粒为第一立方氮化硼颗粒和第二立方氮化硼颗粒，假定点A表示在第一立方氮化硼颗粒、接合层和结合相相互接触的交点中接近于第二立方氮化硼颗粒的交点，并且点B表示在第二立方氮化硼颗粒、接合层和结合相相互接触的交点中接近于点A的交点，假定点C表示沿着第一立方氮化硼颗粒和接合层之间相互接触的界线，与点A之间的距离为将点A和点B相互连接起来的线段长度的1/4的点，并且假定点D表示沿着第二立方氮化硼颗粒与接合层之间相互接触的界线，与点B之间的距离为将点A和点B相互连接起来的线段长度的1/4的点，当将点C和点D相互连接起来的线段、第一立方氮化硼颗粒、第二立方氮化硼颗粒和结合相所包围的区域的面积除以将点A和点B相互连接起来的线段的长度时，所得到的数值大于或等于0.14μm且小于或等于0.6μm。

接合层优选含有大于或等于5质量%的Ni，更优选含有大于或等于15质量%的Ni。

立方氮化硼烧结体优选含有大于或等于65体积%且小于或等于95体积%的立方氮化硼颗粒。

结合相优选还含有大于或等于0.1质量%且小于或等于5质量%的W以及小于或等于2质量%的Si中的一者或两者。

立方氮化硼颗粒优选含有大于或等于0.03质量%且小于或等于1质量%的Mg，以及大于或等于0.05质量%且小于或等于0.5质量%的Li。

发明的有益效果

因为按照上述方式构造了本发明的cBN烧结体工具，作为本发明的目的，能够提供这样一种立方氮化硼烧结体工具，其中，cBN烧结体被牢固并且高刚性地接合至工具基材，使得其可以承受近些年来所要求的严苛条件。

附图说明

图1(a)是本发明的立方氮化硼烧结体工具的示意性截面图。图1(b)是立方氮化硼烧结体与接合层之间的接合面的放大截面图；

图2是立方氮化硼烧结体与接合层之间的接合面的放大截面图；

图3是立方氮化硼烧结体与接合层之间的接合面的放大截面图；

图4(a)是示意性地示出测量cBN烧结体的接合强度时，放置冲孔棒的方式的平面图。图4(b)是从侧面观察图4(a)的状态时的侧视图。

具体实施方式

以下进一步说明本发明中的立方氮化硼烧结体工具的各个结构。

<立方氮化硼烧结体工具>

图1(a)是示出了本发明的立方氮化硼烧结体工具的示意性截面图。如图1(a)所示，在本发明的立方氮化硼烧结体工具1中，立方氮化硼烧结体2通过接合层3而接合至工具基材4。立方氮化硼烧结体2含有大于或等于30体积%且小于或等于95体积%的立方氮化硼颗粒，以及大于或等于5体积%且小于或等于70体积%的结合相。立方氮化硼烧结体特征性地具有如下所述的表面，在该表面中，部分结合相呈凹陷状。

图1(b)为沿着与立方氮化硼烧结体和接合层之间的接合面中的面积最大的接合面垂直的平面所截取的本发明的立方氮化硼烧结体工具的截面的放大图。如图1(b)所示，本发明的立方氮化硼烧结体具有以下特征。即，假定在沿着与立方氮化硼烧结体2和接合层3之间的接合面中的面积最大的接合面垂直的平面所截取的立方氮化硼烧结体工具1的至少一个截面中，沿着立方氮化硼烧结体2和接合层3之间的接合面的任意两个相邻的立方氮化硼颗粒为第一立方氮化硼颗粒7和第二立方氮化硼颗粒8。假定点A表示在第一立方氮化硼颗粒7、接合层3和结合相6相互接触的交点中接近于第二立方氮化硼颗粒8的交点，并且点B表示在第二立方氮化硼颗粒8、接合层3和结合相6相互接触的交点中接近于点A的交点。假定点C表示沿着第一立方氮化硼颗粒7和接合层3之间相互接触的界线，与点A之间的距离为将点A和点B相互连接起来的线段长度的1/4的点。并且假定点D表示沿着第二立方氮化硼颗粒8与接合层3之间相互接触的界线，与点B之间的距离为将点A和点B相互连接起来的线段长度的1/4的点。当将点C和点D相互连接起来的线段、第一立方氮化硼颗粒7、第二立方氮化硼颗粒8和结合相6所包围的区域的面积除以将点A和点B相互连接起来的线段的长度时，所得到的数值（下文中也称为“凹部系数”）大于或等于0.14μm且小于或等于0.6μm。

凹部系数表示在cBN烧结体表面的结合相的凹陷程度。当对cBN烧结体的表面进行处理，使其具有凹部以满足上述数值范围时，cBN烧结体与接合层3之间的接触面积增加，并且能够表现出锚固效应。因此，cBN烧结体与接合层3之间的接合强度显著提高。当凹部系数大于0.6μm时，如图2所示，结合相的凹陷过大（凹部太深），导致cBN颗粒易于脱落，并且应力易于集中。因此，容易从凹部开始出现龟裂，从而造成接合力的减小。另一方面，当凹部小于0.14μm时，如图3所示，cBN烧结体表面的结合相未充分凹陷（凹部太浅），即，cBN烧结体的表面相对平滑。因此，无法获得锚固效应，从而不能提高提高立方氮化硼烧结体与接合层之间的接合强度。

本发明中采用的凹部系数为30个任意位置处的凹部系数的平均值。各凹部系数是通过使用SEM以20000倍的放大倍率观察上述截面，从而对两个邻接的cBN颗粒进行观察而测得的。这种cBN烧结体所具有的表面形状根据cBN烧结体中cBN颗粒的体积比的不同而有所改变。因此，使接合强度提高的表面形状不能由常规已知的用于表面粗糙度的参数（例如Ra或Sm等）来限定。为了解决该问题，在本发明中，如上所述，cBN烧结体的表面形状（凹部的形状）由4个已定义的点（即，点A至点D）、立方氮化硼颗粒和结合相所包围的区域的面积来限定。通过这种方式，不论cBN烧结体中cBN颗粒的体积比的大小如何，均可对使cBN烧结体与接合层之间的接合强度提高的表面形状的条件进行限定，从而提供非常优异的工业实用性。

具有这种特征的本发明的cBN烧结体工具可有效地用于烧结合金或难削铸铁的加工，并且也能够适用于其它一般金属的各种加工。

当将根据本发明的cBN烧结体工具用于切削时，cBN烧结体工具可非常有效地用作（例如）钻头、立铣刀、用于铣削或车削的切削刀头、金属锯、齿轮切削刀具、铰刀、螺丝攻和曲轴销铣的尖端等。

同时，当本发明的cBN烧结体工具用于塑性加工时，其可被非常有效地用作（例如）冲压机的冲模、切割用模片、摩擦焊接等。cBN烧结体工具还非常有效地用作（例如）引擎部件、HDD（硬盘驱动器）、HDD头、主动轴、晶片卡盘、半导体传输臂、汽车驱动系统部件、或者照相机用变焦镜头密封圈和摩擦搅拌焊接工具。

需要注意的是，图1示出了cBN烧结体仅接合至cBN烧结体工具的切削刃的一个位置，但是本发明并不局限于cBN烧结体仅设置于该位置的实施方案。cBN烧结体可接合至cBN烧结体工具中两个或多个位置。

<立方氮化硼烧结体>

本发明cBN烧结体工具1中所用的cBN烧结体2的特征为：其含有大于或等于30体积%且小于或等于95体积%的立方氮化硼颗粒以及大于或等于5体积%且小于或等于70体积%的结合相。

这种cBN烧结体2的最小厚度优选为0.7mm至1.5mm，更优选为1.0mm至1.3mm。此处，“cBN烧结体的最小厚度”是指cBN烧结体最薄部分的厚度。如果cBN烧结体2的最小厚度小于0.7mm，并且用于切削时的磨损宽度超过0.7mm，则切削由工具基材4进行，从而导致寿命极度缩短。另一方面，当cBN烧结体2的最小厚度超过1.5mm时，需要相当大的努力来研磨切削刃。

<立方氮化硼颗粒>

本发明的特征在于cBN烧结体中含有大于或等于30体积%且小于或等于95体积%的立方氮化硼颗粒。当cBN烧结体含有小于30体积%的cBN颗粒时，耐磨性不足。当cBN烧结体中含有大于95体积%的cBN颗粒时，其烧结性劣化。为了平衡耐磨性和烧结性，cBN的含量优选被设定为大于或等于65体积%且小于或等于95体积%。

立方氮化硼颗粒优选含有大于或等于0.03质量%且小于或等于1质量%的Mg、以及大于或等于0.05质量%且小于或等于0.5质量%的Li。Mg和Li作为不可避免的杂质被包含在制造cBN颗粒时的催化剂中。当通过接合层接合cBN烧结体时，这些不可避免的杂质从cBN颗粒扩散至接合层，从而在cBN颗粒的表面中形成微细凹陷。因此，cBN烧结体与接合层之间的接触面积变大，从而提高接合强度。

当各立方氮化硼颗粒中的Mg含量小于0.03质量%时，Mg不易于从cBN颗粒扩散至接合层。因此，在cBN颗粒的表面中不会形成凹陷，从而导致cBN烧结体2与接合层3之间的接合强度难以提高。当立方氮化硼颗粒中的Li含量小于0.05质量%时，得到类似的结果。

另一方面，当立方氮化硼中的Mg含量大于1质量%或Li含量大于0.5质量%时，cBN颗粒中不可避免的杂质的比率变大，从而不利地导致了使cBN烧结体的硬度减小的趋势。

<结合相>

在本发明中，cBN烧结体中含有的结合相表现出使cBN颗粒相互结合在一起的功能。本发明的特征在于：cBN烧结体中的结合相含量大于或等于5体积%且小于或等于70体积%。此处，当cBN烧结体中的结合相含量小于5体积%时，用于使cBN颗粒相互结合在一起的成分的量较少，从而导致cBN颗粒易于脱落。另一方面，当cBN颗粒中的结合相含量大于70体积%时，cBN颗粒的量不足，从而导致耐磨性不足。

本发明的特征在于：结合相由至少一种第一化合物和至少一种Al化合物构成，或者由至少一种第二化合物构成。因此，可以获得尤其有利于对烧结合金或铸铁进行加工的耐磨性。

此处，第一化合物是由选自元素周期表中的IVa族元素、Va族元素和VIa族元素所构成的组中的至少一种元素与选自氮、碳、硼和氧所构成的组中的至少一种元素所构成的化合物。或者，第一化合物为该化合物的固溶体。另一方面，第二化合物是选自Co化合物、Al化合物和W化合物所构成的组中的化合物，或是该化合物的固溶体。“Co化合物”的例子包括W₂Co₂₁B₆、Co₃W₃C和W₃CoB₃。“Al化合物”的例子包括Al₂O₃。W化合物的例子包括WC、W₂Co₂₁B₆、Co₃W₃C和W₃CoB₃。

结合相的组成中所包含的第一化合物或第二化合物提高了cBN烧结体的硬度，从而使cBN烧结体工具获得了优异的耐磨性。尤其是，当使用Co化合物作为用于结合相的材料的主要组分时，提供了使cBN烧结体的烧结性提高的效果。

另外，除了上述组成之外，结合相优选还含有WC和Si中的一种或两种。WC和Si与下述构成接合层3的材料具有亲和性，因而使得构成接合层3的材料对于cBN烧结体2具有可湿性。

WC中的W在结合相中的含量优选为大于或等于0.1质量%且小于或等于5质量%。另外，结合相中的Si的含量更优选为大于或等于0.01质量%且小于或等于1质量%。当结合相中的W的含量小于0.1质量%时，构成接合层3的材料对于cBN烧结体2的可湿性不足，从而导致cBN烧结体2与接合层3之间的接合强度趋于减弱。当结合相中的Si含量小于0.01质量%时，获得类似的趋势。同时，当接合层中的W的含量大于5质量%或Si的含量大于1质量%时，cBN烧结体的耐磨性降低。

<接合层>

本发明的接合层3起到使cBN烧结体和工具基材互相结合在一起的作用。相对于整个接合层3，这种接合层3含有5质量%以上的Ti，并含有5质量%以上的Zr，并且Ti和Zr的总量为90质量%以下，其余量含有Cu（下文中也称作“第一组成”）。或者，接合层3含有1质量%以上的Ti，并含有15质量%以上的Cu，其余量含有Ag（下文中也称作“第二组成”）。

当这种接合层3具有第一组成时，Cu具有降低构成接合层的材料的熔点的效果，其中所述材料含有Ti和Zr作为它的主要组分。因此，可以在低温下进行接合加工。另外，由于Cu具有高的弹性模量，因此所含的Cu提供了使变形消减的效果，其中所述变形是当加工中所产生的加工热通过cBN烧结体2流入工具基材4时，由cBN烧结体2与工具基材4之间的热膨胀差所导致的。当Cu含量小于10质量%时，无法得到这些效果。当Cu含量大于90质量%时，Ti和Zr的含量相对降低，导致接合强度降低。

当接合层具有第一组成时，其中的Ti和Zr均具有比Ag和Cu更高的高温强度，并且构成接合层的材料的可湿性显著提高，从而提供了提高cBN烧结体2与接合层3之间的接合强度的效果。当Ti或Zr的含量小于5质量%时，无法得到使高温强度和接合强度提高的效果。另一方面，当Ti和Zr两者的总含量大于90质量%时，熔点提高，从而不利地引发了接合时的变形和龟裂。Ti和Zr的总含量优选落在大于或等于10质量%且小于或等于90质量%的范围内。尤其优选的是将该范围与上述Cu含量的适当范围加以组合，因为这样能使接合强度最大化。

尤其是，当接合层3含有大于或等于20质量%且小于或等于30质量%的Ti，并且含有大于或等于20质量%且小于或等于30质量%的Zr时，由Ti、Zr和Cu形成的三元共晶体明显地使熔点降低，从而有利地使得在低熔点下进行接合。

另外，当接合层3具有第二组成时，其中的Ti具有比Ag和Cu更高的高温强度，并且构成接合层3的材料的可湿性显著提高，从而提供了提高接合强度的效果。当Ti的含量小于1质量%时，无法获得高温强度和提高接合强度的效果。因此，这不是优选的。尤其优选的是将该范围与上述含有的15质量%以上的Cu组合使用，因为这能使接合强度最大化。在接合层3具有这种组成的情况下，可在大于或等于800℃且小于或等于1000℃的较低温度下实现接合。

另外，当接合层3含有5质量%以上的Ni时，可提高接合层3对cBN烧结体的可湿性。因此，构成接合层3的材料流入cBN烧结体表面的凹陷（即，结合相的凹部或各cBN颗粒表面的凹部）中，从而使接合强度大幅度提高。

对接合层3的厚度没有特别的限制，通常为大于或等于10μm且小于或等于200μm。

<工具基材>

在本发明中，可以使用任何工具基材4（cBN烧结体2接合于其上），只要该工具基材4为常规已知的该类型的工具基材4即可，因此，对工具基材4没有特别的限制。例如，硬质合金、钢或陶瓷等能够承受加工阻力的材料适合用作工具基材4。考虑到工具木材4的材料强度等，更适合使用的是硬质合金。

<制造cBN烧结体工具的方法>

本发明的cBN烧结体工具可通过以下方式获得。首先，对cBN颗粒和构成结合相的原料粉末进行烧结以制造cBN烧结体。然后，进行表面处理以除去该cBN烧结体的表面上的氧，并将cBN烧结体通过接合层而接合至工具基材。下面对制造本发明的cBN烧结体工具的方法进行说明。

<cBN烧结体的制造步骤>

用于本发明的cBN烧结体通过以下方式制造。首先，将cBN颗粒和构成结合相的原料粉末引入超高压装置，并对这些粉末进行超高压烧结以制造块状烧结体。此处，超高压烧结优选在低压下进行，具体而言，超高压烧结优选在大于或等于3GPa且小于或等于7GPa下进行。另外，超高压烧结优选在大于或等于1100℃且小于或等于1900℃的温度下进行，烧结时间为大于或等于10分钟且小于或等于180分钟。

接下来，将以上得到的块状烧结体置于电火花加工机中，然后用黄铜丝将其切割为所需形状，从而得到cBN烧结体。从而生产效率的方面考虑，使用黄铜丝的切割优选在水中进行。如果在油中进行切割，则加工效率可能会降低。

对于通过切割块状烧结体所形成的cBN烧结体没有特别的限制，只要cBN烧结体的形状能够使得cBN烧结体在使用时贴合于工具基材即可。cBN烧结体的形状可为（例如）长方体、三棱柱、三棱锥、棱形柱或圆柱。然后，对通过用黄铜丝切削而得到的表面进行打磨，从而得到cBN烧结体。

<表面处理步骤>

如果在使用构成接合层的材料进行接合加工之前，未对由上述方法制造的cBN烧结体进行表面处理，则cBN烧结体与接合层之间的接触面积变小，并且得不到锚固效应。因此，cBN烧结体与接合层之间的接合强度减弱。

因此，在本发明中，使用等离子体处理、电子束处理、化学处理、激光处理、或喷砂处理等方法对以上述方法制造的cBN烧结体进行表面处理。因此，仅选择性地去除了位于cBN烧结体表面的结合相部分，从而在cBN烧结体的表面形成凹部。通常，对cBN烧结体的整个表面进行处理，以使cBN烧结体的表面平滑。与此不同的是，在本发明中，特征性地提供了这样的表面处理，使得仅对接合相进行了打磨，而未对cBN烧结体表面的cBN颗粒的表面进行打磨。如果表面处理是甚至对cBN颗粒的表面也进行磨削的强表面处理（例如，使用常规的金刚石砂轮的磨削工艺），则cBN烧结体的表面不会形成凹部，因而变得平滑。因此，得不到锚固效应，从而不能提高接合强度。需要注意的是，除以上示出的表面处理方法之外，可以使用任何方法，只要该方法能够选择性地仅去除cBN烧结体表面中的结合相即可。

通过这种表面处理，去除了cBN烧结体表面中的结合相部分，从而在表面中形成凹部。因此，cBN烧结体与接合层之间的接触面积增加，并且由凹部提供了锚固效应。通过这种方式，可以提高cBN烧结体与接合层之间的接合强度。在以上列举的表面处理方法中，作为能够选择性地仅除去结合相的表面处理方法，等离子体处理、电子束处理和化学处理是特别有效的。

<cBN烧结体的表面处理方法>

在本发明中，优选的是，使用以下表面处理方法（1）至（5）中的一种或多种方法，从而仅选择性地处理cBN烧结体表面中的结合相。

（1）超声波处理

在超声波处理中，将cBN烧结体浸渍在纯水等溶剂中，对cBN烧结体和溶剂进行大于或等于1分钟且小于或等于20分钟的超声波处理，从而去除cBN烧结体表面中的结合相部分。超声波处理中所用的超声波优选由大于或等于50W且小于或等于500W的输出功率产生的。超声波的频率优选为大于或等于10kHz且小于或等于50kHz。

（2）等离子体处理

等离子体处理优选按如下方式进行。首先，将cBN烧结体放置在真空容器的电极上，并将真空容器抽真空至0.1Pa以下的压力。然后，将Ar气引入真空容器以使内压增加至大于或等于0.1Pa且小于或等于10Pa。然后，对cBN烧结体施加高频率的电功率以产生等离子体，从而去除cBN烧结体表面中的结合相部分。此处，高频率的电功率的振荡频率优选为大于或等于10MHz且小于或等于20MHz，并且输出功率优选为大于或等于500W且小于或等于1500W。

（3）电子束处理

在电子束处理中，首先，将cBN烧结体放置在真空容器中，然后将真空容器中的压力降至0.03Pa。接着，将Ar气导入真空容器中以获得0.05Pa的内压。然后，用电子束对cBN烧结体的表面进行大约10000次的辐射，由此去除cBN烧结体表面中的结合相部分。此处，电子束的能量优选为大于或等于1J/cm²且小于或等于5J/cm²。每次进行大于或等于1秒且小于或等于100秒的电子束辐射。

（4）化学处理

在化学处理中，首先，以1:0.5至1:3的质量比混合3质量%的过氧化氢水和10质量%的氢氧化钠水溶液，由此得到混合溶液。然后，将cBN烧结体浸渍在混合溶液中以去除cBN烧结体表面中的结合相部分。cBN烧结体优选在混合溶液中浸渍大于或等于10分钟且小于或等于60分钟。

（5）激光处理

在激光处理中，首先，将cBN烧结体以其待接合表面朝上的方式置于激光处理装置中。然后，将激光处理装置的输出功率设定为大于或等于5W且小于或等于15W，并且用光点直径为50μm的激光照射cBN烧结体的整个表面，由此去除cBN烧结体表面中的结合相部分。激光的重复频率优选为大于或等于20kHz且小于或等于300kHz。

<接合步骤>

在通过任意上述表面处理方法去除cBN烧结体表面中的结合相部分之后，将构成接合层的材料置于cBN烧结体与工具基材之间。接着将其放置在真空炉中。然后，将真空炉中的压力降至2×10^-2Pa以下，并将炉内的温度设置为750℃以上，由此使材料熔化以构成接合层。因此，cBN烧结体和工具基材相互接合在一起。

接下来，将这样相互接合在一起的cBN烧结体和工具基材从真空炉取出并进行冷却，由此使构成接合层的材料固化。通过这样冷却使构成接合层的材料固化并形成接合层3。然后，对cBN烧结体2与工具基材4之间的接合面进行磨削，以使cBN烧结体2与工具基材4之间的接合面平滑，由此得到本发明的cBN烧结体工具。

例子

下面将参考实施例对本发明进行更详细的说明，但是本发明并不局限于此。

<实施例1>

按以下方式制造cBN烧结体工具。首先，以TiN:Al=4:1的质量比将平均粒径为20μm的TiN粉末与平均粒径为20μm的Al粉末混合。然后，在真空中，于1250℃下对混合物进行30分钟热处理。用直径Φ为4mm且由硬质合金制成的小球以及由硬质合金制成的坩埚对热处理所得到的混合物进行粉碎。通过这种方式，得到构成结合相的原料粉末。

然后，将所获得的构成结合相的原料粉末与平均粒径为4μm的cBN颗粒混合，从而得到72体积%的cBN含量。将这样得到的混合物放置在真空炉中，并将其中的温度升高至950℃。然后，将混合物保持在其中30分钟以对这些粉末进行脱气。

接下来，将脱气后的粉末层积在由硬质合金制成的支持板上，并将它们装入由Nb制成的密封容器中。然后，将密封容器放置在超高压装置中。然后，在超高压装置中，在5GPa的压力以及1300℃的温度下进行20分钟烧结。然后，将烧结体从由Mo制成的密封容器中取出，并进行磨削和打磨以使其成形，从而制得板状的块状烧结体。除了上述块状烧结体之外，使用与以上相同的方法，制造了两个块状烧结体以用于组成分析。

使用黄铜丝通过电火花加工机对由上述方式得到的其中一个块状烧结体进行切割。通过这种方式，获得了三棱柱状的cBN烧结体，该三棱柱的底面形成为等腰三角形，该等腰三角形的两个边为2mm，且两边之间的顶角为80°。cBN烧结体的厚度为1.2mm。对这样得到的cBN烧结体进行化学处理。在化学处理中，首先，以2:3的比例将3质量%的过氧化氢水和10质量%的氢氧化钠水溶液混合，由此得到混合液。然后，将cBN烧结体浸渍在混合液中30分钟，以处理cBN烧结体的表面。

接下来，准备由硬质合金制成的工具基材，并将构成接合层的材料置于cBN烧结体与工具基材之间的界面。然后，将其放置在真空炉中。构成接合层的材料含有25质量%的Ti、25质量%的Zr和30质量%的Cu，余量含有20质量%的Ni。然后，将真空炉中的压力设置为1×10^-2Pa，并将其中的温度升高至850℃，由此使材料熔化以构成接合层。于是，cBN烧结体被接合至工具基材。

然后，将这样互相接合在一起的cBN烧结体和工具基材从反应炉取出并进行冷却。接下来，通过打磨cBN烧结体与工具基材之间的接合面从而进行精加工。通过这种方式，制得了ISO编号为CNMA120408所定义的形状且在其顶角部分含有cBN烧结体的cBN烧结体工具。

<实施例2-7和比较例1-6>

使用与实施例1相同的方法制造实施例2-7和比较例1-6的cBN烧结体工具，不同之处在于，通过改变cBN烧结体在混合液中的浸渍时间，从而如表1的“凹部系数”栏所示改变实施例1的cBN烧结体工具的cBN烧结体的表面。

<实施例8-9和比较例7>

使用与实施例3相同的方法制造实施例8-9和比较例7的cBN烧结体工具，不同之处在于，如表1的“构成接合层的材料”栏所示改变实施例3的cBN烧结体工具中的构成接合层的材料。

<实施例10>

使用与实施例3相同的方法制造实施例10的cBN烧结体工具，不同之处在于，与实施例3的cBN烧结体工具不同，采用了激光处理作为表面处理方法。此处，激光处理按如下方式进行。首先，以待接合面朝上的方式放置cBN烧结体。然后，设置激光处理装置，使其输出功率为10W，并用光点直径为50μm、重复频率为100kHz、并且波长为1064nm的激光照射cBN烧结体的表面。

<实施例11-18>

使用与实施例10相同的方法制造实施例11-18的cBN烧结体工具，不同之处在于，如表2的“构成接合层的材料”栏所示改变实施例10的cBN烧结体工具中的构成接合层的材料。

<实施例19>

使用与实施例1相同的方法制造实施例19的cBN烧结体工具，不同之处在于，如表3中所示，cBN含量、结合相的组成、构成接合层的材料和表面处理方法不同于实施例3的cBN烧结体工具。具体而言，在实施例19中，进行等离子体处理以代替实施例1中的化学处理。等离子体处理按如下方式进行。首先，将cBN烧结体放置在真空炉的电极上。然后，将真空炉中的压力降至0.1Pa。随后，向其中引入Ar气以获得5Pa的内压。然后，向cBN烧结体施加振荡频率为13.56MHz并且输出功率为500W的高频率的电功率。于是，在cBN烧结体的表面产生等离子体，从而对cBN烧结体的表面进行处理。

<实施例20-28>

使用与实施例19相同的方法制造实施例20-28的cBN烧结体工具，不同之处在于，如表3的“W”和“Si”栏所示，改变了实施例19的cBN烧结体工具中结合相中的W和Si的质量比。

<实施例29>

使用与实施例3相同的方法制造实施例29的cBN烧结体工具，不同之处在于，如表3所示，cBN含量、结合相的组成、构成接合层的材料和表面处理方法不同于实施例3的cBN烧结体工具。具体而言，在实施例29中，进行了电子束处理以代替实施例3中的化学处理。电子束处理按如下方式进行。首先，将cBN烧结体放置在真空容器中。随后，将真空容器中的压力降至0.03Pa。然后，将Ar气引入真空容器中以获得0.05Pa的内压。然后，用能量为3J/cm²的电子束照射cBN烧结体的表面总计8000次。其每次照射进行10秒钟。通过这种方式，对cBN烧结体的表面进行处理。

<实施例30-38>

用与实施例29相同的方法制造实施例30-38的cBN烧结体工具，不同之处在于，如表3中所示，改变实施例29的cBN烧结体工具中cBN颗粒中Mg和Li的质量比以及构成结合相的材料的组成。

按上述方式制造的实施例1-38的各cBN烧结体工具为这样的立方氮化硼烧结体工具，其中立方氮化硼烧结体通过接合层而接合至工具基材，其中：立方氮化硼烧结体含有大于或等于30体积%且小于或等于95体积%的立方氮化硼颗粒，以及大于或等于5体积%且小于或等于70体积%的结合相；结合相由至少一种第一化合物和至少一种Al化合物构成，或是由至少一种第二化合物构成；第一化合物为由属于周期表中的IVa族元素、Va族元素和VIa族元素中之一的至少一种元素与选自氮、碳、硼和氧所构成的组中的至少一种元素所构成的化合物，或该化合物的固溶体；第二化合物为选自Co化合物、Al化合物和W化合物所构成的组中的化合物，或该化合物的固溶体；相对于整个接合层，接合层含有5质量%以上的Ti和5质量%以上的Zr，Ti和Zr的总量为90质量%以下，余量含有Cu，或者接合层含有1质量%以上的Ti和15质量%以上的Cu，余量含有Ag；并且假定在沿着与立方氮化硼烧结体和接合层之间的接合面中的面积最大的接合面垂直的平面所截取的立方氮化硼烧结体工具的至少一个截面中，沿着立方氮化硼烧结体和接合层之间的接合面的任意两个相邻的立方氮化硼颗粒为第一立方氮化硼颗粒和第二立方氮化硼颗粒，假定点A表示在第一立方氮化硼颗粒、接合层和结合相相互接触的交点中接近于第二立方氮化硼颗粒的交点，并且点B表示在第二立方氮化硼颗粒、接合层和结合相相互接触的交点中接近于点A的交点，假定点C表示沿着第一立方氮化硼颗粒和接合层之间相互接触的界线，与点A之间的距离为将点A和点B相互连接起来的线段长度的1/4的点，并且假定点D表示沿着第二立方氮化硼颗粒与接合层之间相互接触的界线，与点B之间的距离为将点A和点B相互连接起来的线段长度的1/4的点，当将点C和点D相互连接起来的线段、第一立方氮化硼颗粒、第二立方氮化硼颗粒和结合相所包围的区域的面积除以将点A和点B相互连接起来的线段的长度时，所得到的数值大于或等于0.14μm且小于或等于0.6μm。

（cBN烧结体的组成分析）

使用X射线衍射（XRD）对以上得到的实施例1中的一个cBN烧结体中的cBN烧结体的组成进行检测。结果检测出cBN和第一化合物的组成。推测第一化合物由TiB₂、TiN、TiAlN、AlN和AlB₂组成。使用与以上相同的方法，检测实施例和比较例中的各cBN烧结体的结合相的组成，并示于表1至表3中各“结合相的组成”栏中。

另外，使用高频电感耦合等离子体（ICP）发射光谱法对另一cBN烧结体样品中的Mg、Li、W和Si元素的含量进行定量检测。具体而言，首先，将cBN烧结体样品在碱性溶液中熔化以制备盐。然后，将盐溶解于酸性溶液以得到含有烧结体的溶液。在含有烧结体的溶液中，使用ICP法，对cBN成分中所含有的Mg和Li的含量以及结合相成分中所含有的W和Si的含量进行定量检测。其结果示于表1至表3中的各“Mg”“Li”“W”和“Si”栏中。

此处，表1至表3的各“cBN含量”按如下方式计算。首先，对各实施例和比较例中制造的cBN烧结体进行镜面抛光（抛光厚度小于50μm）。然后，使用电子显微镜以2000倍的放大倍率拍摄任意区域内的cBN烧结体结构的图像。然后，观察到黑色区域、灰色区域和白色区域。使用配备的X射线能量色散谱（EDX）仪器，确认了黑色区域表示cBN颗粒，灰色区域和白色区域表示结合相。

然后，使用图像处理软件对上述以2000倍的放大倍率拍摄的图像进行二值化处理，并计算图像中cBN颗粒（黑色区域）所占区域的总面积。图像中cBN烧结体中的黑色区域所占的百分比值在表1至表3的各个“cBN含量”栏中以体积%所示。

<测量凹部系数的方法>

对以上各个实施例和比较例中得到的cBN烧结体工具进行打磨，以使cBN烧结体和接合层之间的接合面中的面积最大的接合面垂直的截面暴露出来。接下来，使用Ar束对截面进行蚀刻，然后进行抛光，由此对其进行镜面处理。然后，在经过处理的表面中，使用具有2000倍放大倍率的SEM，边变换视场边观察cBN烧结体与接合层相互接触的部分。由此，将能够观察到两个邻接的cBN颗粒的部分指定为图1(b)的视场。然后，将这两个cBN颗粒中的一个视为第一cBN颗粒7，另一个颗粒视为第二cBN颗粒8。

接下来，如图1(b)中所示，假定点A表示在第一cBN颗粒7、接合层3和结合相6相互接触的交点中接近于第二cBN颗粒8的交点。假定点B表示在第二cBN颗粒8、接合层3和结合相6相互接触的交点中接近于点A的交点。假定点C表示沿着第一cBN颗粒7和接合层3之间相互接触的界线，与点A之间的距离为将点A和点B相互连接起来的线段长度的1/4的点。假定点D表示沿着第二cBN颗粒8与接合层3之间相互接触的界线，与点B之间的距离为将点A和点B相互连接起来的线段长度的1/4的点。通过将点C和点D相互连接起来的线段、第一cBN颗粒7、第二cBN颗粒8和结合相6所包围的区域的面积除以将点A和点B相互连接起来的线段的长度时，从而计算得到凹部系数。

使用以上相同的方法，分别在30个位置处观察两个邻接的cBN颗粒，由此计算出各凹部系数的平均值，并示出在表1至表3中的“凹部系数”栏内。

<接合强度的测量试验>

在以上实施例和比较例中得到的各个cBN烧结体中，计算cBN烧结体对工具基材的接合强度。图4(a)示意性地示出了在测量cBN烧结体的接合强度时，放置冲孔棒的方式的平面图。图4(b)为示出了在从侧面观察时的侧视图。

在各个实施例和比较例的cBN烧结体工具中，使用图4中所示的方法测量cBN烧结体对工具基材的接合强度。具体而言，将硬质合金制成的冲孔棒与cBN烧结体2的侧面进行面接触，由此仅对cBN烧结体2施加负荷，而不对工具基材4施加负荷。然后，在将工具基材4固定以使其不发生移动的情况下，逐渐增加施加在冲孔棒5上的负荷，以测量使cBN烧结体2从工具基材4断裂时的负荷。造成断裂的负荷除以cBN烧结体2与工具基材4之间的接合面积，由此计算每单位面积（mm²）的接合强度（kgf）。用类似方式对20个样品进行接合强度的测量。其平均值示于表4和表5中。[表4]

[表5]

由表4和表5得知，与各个比较例的立方氮化硼烧结体工具相比，各个实施例的立方氮化硼烧结体工具的cBN烧结体与接合层之间的接合强度明显提高。换言之，确认了通过本发明的立方氮化硼烧结体的主要特征，即通过具有上述凹部系数，使得cBN烧结体不易于从工具基材上脱落下来。因此，本发明的cBN烧结体工具（其中cBN烧结体牢固并高刚性地接合至工具基材）显然能够承受严苛的条件。

尽管对本发明实施方案和实施例进行了以上说明，但是原本也意图的是，上述实施方案和例子中的构造可以适当组合。

本文所公开的实施方案和实施例在各方面都是示例性的，而非限定性的。本发明的范围不是由上文的说明来限定，而是由权利要求来限定，并且本发明旨在涵盖与权利要求等同的范围和含义内的任何更改。

参考符号列表

1：立方氮化硼烧结体工具；2：立方氮化硼烧结体；3：接合层；4：工具基材；5：冲孔棒；6：结合相；7：第一立方氮化硼颗粒；8：第二立方氮化硼颗粒。

Claims

1.一种立方氮化硼烧结体工具（1），其中，立方氮化硼烧结体（2）通过接合层（3）而接合至工具基材（4），其中

所述立方氮化硼烧结体（2）含有大于或等于30体积%且小于或等于95体积%的立方氮化硼颗粒以及大于或等于5体积%且小于或等于70体积%的结合相（6），

所述结合相（6）由至少一种第一化合物和至少一种Al化合物构成，或者由至少一种第二化合物构成，

所述第一化合物为由属于元素周期表中的IVa族元素、Va族元素和VIa族元素中之一的至少一种元素与选自氮、碳、硼和氧所构成的组中的至少一种元素所构成的化合物，或者为该化合物的固溶体，

所述第二化合物为选自Co化合物、Al化合物和W化合物所构成的组中的化合物，或者为该化合物的固溶体，

相对于全部的所述接合层（3），所述接合层（3）含有大于或等于5质量%的Ti以及大于或等于5质量%的Zr，并且所述Ti和所述Zr的总量为90质量%以下，其余量含有Cu；或者所述接合层（3）含有大于或等于1质量%的Ti以及大于或等于15质量%的Cu，其余量含有Ag，并且

假定在沿着与所述立方氮化硼烧结体（2）和所述接合层（3）之间的接合面中的面积最大的接合面垂直的平面所截取的所述立方氮化硼烧结体工具（1）的至少一个截面中，沿着所述立方氮化硼烧结体（2）和所述接合层（3）之间的所述接合面的任意两个相邻的所述立方氮化硼颗粒为第一立方氮化硼颗粒（7）和第二立方氮化硼颗粒（8），

假定点A表示在所述第一立方氮化硼颗粒（7）、所述接合层（3）和所述结合相（6）相互接触的交点中接近于所述第二立方氮化硼颗粒（8）的交点，并且点B表示在所述第二立方氮化硼颗粒（8）、所述接合层（3）和所述结合相（6）相互接触的交点中接近于所述点A的交点，

假定点C表示沿着所述第一立方氮化硼颗粒（7）和所述接合层（3）之间相互接触的界线，与所述点A之间的距离为将所述点A和所述点B相互连接起来的线段长度的1/4的点，并且

假定点D表示沿着所述第二立方氮化硼颗粒（8）与所述接合层（3）之间相互接触的界线，与所述点B之间的距离为将所述点A和所述点B相互连接起来的线段长度的1/4的点，

当将所述点C和所述点D相互连接起来的线段、所述第一立方氮化硼颗粒（7）、所述第二立方氮化硼颗粒（8）和所述结合相（6）所包围的区域的面积除以将所述点A和所述点B相互连接起来的线段的长度时，所得到的数值大于或等于0.14μm且小于或等于0.6μm。

2.根据权利要求1所述的立方氮化硼烧结体工具（1），其中所述接合层（3）含有大于或等于5质量%的Ni。

3.根据权利要求1所述的立方氮化硼烧结体工具（1），其中所述接合层（3）含有大于或等于15质量%的Ni。

4.根据权利要求1所述的立方氮化硼烧结体工具（1），其中所述立方氮化硼烧结体（2）含有大于或等于65体积%且小于或等于95体积%的立方氮化硼颗粒。

5.根据权利要求1所述的立方氮化硼烧结体工具（1），其中所述结合相（6）还含有大于或等于0.1质量%且小于或等于5质量%的W以及小于或等于2质量%的Si中的一者或两者。

6.根据权利要求1所述的立方氮化硼烧结体工具（1），其中所述立方氮化硼颗粒含有大于或等于0.03质量%且小于或等于1质量%的Mg以及大于或等于0.05质量%且小于或等于0.5质量%的Li。