CN104418594A - 立方晶氮化硼烧结体切削工具及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种耐缺损性优异的立方晶氮化硼烧结体切削工具及其制造方法，该切削工具为即使在高硬度钢的断续切削加工中也发挥优异的耐缺损性、耐崩刀性且经长期使用发挥优异的切削性能的cBN工具。在本发明的将包含立方晶氮化硼粒子和结合相的烧结体作为工具基体的立方晶氮化硼烧结体切削工具中，从立方晶氮化硼粒子表面起50nm以内范围的区域中所包含的Ti的氮化物、硼化物、氧化物及它们的固溶体所占的比例相对于所述区域的总体积为80vol％以上，由此解决上述课题。

Description

立方晶氮化硼烧结体切削工具及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种将立方晶氮化硼(以下用cBN表示)作为主成分且在超高压、高温下对其进行烧结成型而成的cBN烧结体切削工具，尤其涉及一种在由合金钢、轴承钢等淬火材构成的高硬度钢的断续切削加工中，能够抑制崩碎和缺损的产生，并且能够经长期使用维持优异的切削性能的cBN烧结体切削工具及其制造方法。

背景技术

以往，作为高硬度钢的切削工具，已知有将cBN烧结体作为工具基体的cBN烧结体切削工具等，并且以提高工具寿命为目的提出了各种方案。

例如，在专利文献1中公开有如下技术：当通过超高压烧结制作cBN烧结体时，在作为硬质粒子的cBN粒子的表面形成覆膜而由覆膜包围cBN粒子，由此消除在cBN粒子间和结合相间、或在cBN粒子与结合相之间出现的孔，提高耐磨性和韧性。

并且，在专利文献2中公开有如下技术：将包围cBN粒子的覆膜作成金属层，并促进构成cBN粒子的硼在结合相中扩散，由此提高cBN烧结体的耐热性和耐缺损性。

专利文献1：日本专利公开昭58-61253号公报

专利文献2：国际公开2012/053375号公报

在专利文献1中公开有cBN烧结体，其组成如下：含有作为结合强化金属的Al和Al的氧化物及氮化物中的1种或2种，余量由cBN和不可避免杂质构成，且具有结合强化金属以0.1μm～1μm的平均层厚包围cBN粒子的组织，但在该烧结体中，在切削淬火钢的情况等刀尖的温度达1000℃以上的用途中，若在断续切削中使用则刀尖容易缺损，存在工具寿命缩短的问题。

并且，在专利文献2中公开有如下烧结体：通过将预先由作为金属层的TiAl包覆表面的cBN粒子用作原料而使构成cBN粒子的硼与包覆的TiAl发生反应，且具有在cBN粒子的周围配置有TiB₂和AlB₂的组织，但在该烧结体中，通过使硼与TiAl发生反应，不仅生成TiB₂还生成AlB₂，其结果，AlN也生成在cBN周围。AlB₂和AlN由于与cBN的附着强度较低，因此若在对刀尖的负荷较大的断续切削中使用则刀尖容易缺损，存在工具寿命缩短的问题。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术课题即本发明的目的在于提供一种耐缺损性优异的立方晶氮化硼烧结体切削工具，该切削工具为即使在进行要求高负荷切削条件的高硬度钢的断续切削加工的情况下，也不易产生工具刀尖的崩碎和缺损，且经长期维持优异的切削性能的cBN烧结体切削工具。

本发明人等为了解决上述课题，着眼于构成cBN工具的cBN烧结体的硬质相成分即cBN粒子进行了深入研究，结果得到了如下见解。

(1)通过使用在cBN粒子表面预先包覆有TiO₂膜的cBN粒子制作cBN烧结体，使作为结合相原料而包含的Al与TiO₂发生反应而离解。(2)通过所述离解而生成的金属Ti均匀地供给至cBN粒子周围，结果能够使cBN与Ti在cBN粒子周边均匀地反应。

(3)其结果，能够飞跃性提高cBN粒子与结合相的结合力，结果，能够制作出即使在高负荷的断续切削中使用也不易缺损的cBN烧结体。

(4)由于从TiO₂供给的Ti与cBN发生反应，因此在cBN粒子周围，作为反应生成物主要生成Ti的氮化物和硼化物。

(5)另外，TiO₂与Al反应而生成的Al₂O₃生成在与cBN粒子周围生成的Ti的氮化物和硼化物相比更远离cBN粒子的位置。

根据前述见解，本发明人通过反复进行多次实验成功地制造出了即使在高负荷及高温施加于刀尖的高硬度钢的断续切削中使用也不易缺损且切削寿命较长的工具。本发明中的包围cBN粒子的包覆层例如能够利用如下方法形成。

(a)TiO₂层成膜工序：

首先，利用ALD法(Atomic Layer Deposition(原子层沉积技术)：其为在真空腔室内的基材上通过使原料化合物的分子逐层反应并由Ar和氮反复进行原料化合物的吹扫而进行成膜的方法，为CVD法的一种)，在炉内装入cBN粒子，并升温至150℃左右，且使用作为Ti的前体的Ti[N(CH₃)₂]₄(四(二甲氨基)钛)及作为反应气体的H₂O，将下述(1)～(4)作为1个循环，并将该循环重复进行至成为目标层厚为止，例如经2小时进行成膜，从而在cBN粒子表面包覆形成平均层厚为50nm以下的TiO₂层。

(1)Ar+Ti[N(CH₃)₂]₄流入工序

(2)Ar气吹扫工序

(3)Ar+H₂O流入工序

(4)Ar气吹扫工序

(b)成型工序：

准备由通过所述成膜工序(a)所制作的TiO₂层包覆的cBN粒子作为硬质相形成用原料粉末，另外，准备例如TiN粉末、TiCN粉末、TiAl₃粉末及Al粉末作为结合相形成用原料粉末，将这些原料粉末配合成规定组成，并制作规定尺寸的成型体来制作预烧结体。

(c)烧结工序：

而且，将该预烧结体以与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，例如在通常的烧结条件即在压力：5GPa、温度：1500℃、保持时间：30分钟的条件下进行超高压高温烧结，从而制作cBN烧结体。

(d)由TiO₂形成Al₂O₃及Ti化合物层的过程：

TiO₂在超高压高温烧结处理时与原料中所包含的Al产生如下反应。

3TiO₂+4Al→3Ti+2Al₂O₃

通过该反应而产生的Ti金属与cBN发生反应，由此形成TiN和TiB等Ti化合物。在此，TiO₂以包覆cBN粒子表面的方式存在，因此来自TiO₂的Ti金属被均匀地供给至cBN粒子周围。其结果，在cBN粒子周围形成Ti化合物。

此时，在所述(b)的成型工序中即使不含有作为结合相形成用原料粉末的Al₂O₃粉末也可以确认到Al₂O₃的生成，由此可知，Al₂O₃为如前所述通过源自TiO₂的氧与结合相中所包含的Al的反应而生成。

由如此制出的cBN烧结体制作cBN工具的结果，该cBN工具即使在高负荷及高温施加于刀尖的高硬度钢的断续切削时也不易产生裂纹，耐崩刀性及耐缺损性优异，其结果，经长期使用发挥优异的切削性能。

即，在所述cBN工具中，不像以前的cBN烧结体切削工具那样在cBN粒子表面存在金属Al，因此即使在切削淬火钢的情况等刀尖的温度达1000℃以上的用途中，也不存在cBN粒子表面上的金属Al熔融的问题，并且，可以避免在cBN粒子表面形成与cBN的附着强度较低的AlB₂和AlN，因此能够抑制刀尖强度下降，从而能够延长工具寿命。

另外，生成在远离cBN粒子表面的位置上的Al₂O₃还起到作为结合相的作用，因此即使不将Al₂O₃粒子用作结合相形成用原料的情况下，也能够起到在以前的cBN烧结体切削工具中具有抗氧化性和化学稳定性性质的Al₂O₃所产生的提高耐磨性的效果。

本发明是根据上述见解而完成的，其特征在于，

(1)一种立方晶氮化硼烧结体切削工具，其将包含立方晶氮化硼粒子和结合相的烧结体作为工具基体，其中，

从所述立方晶氮化硼粒子表面起50nm以内范围的区域中所包含的Ti的氮化物、硼化物、氧化物及它们的固溶体所占的比例相对于所述区域的总体积为80vol％以上。

(2)一种立方晶氮化硼烧结体切削工具的制造方法，所述立方晶氮化硼烧结体切削工具为(1)中记载的立方晶氮化硼烧结体切削工具，其中，在将包含预先包覆有TiO₂膜的立方晶氮化硼粒子的硬质相形成用原料粉末和结合相形成用原料粉末配合混合后，进行成型、烧成而得到烧结体，并将所述烧结体作为所述工具基体。

对于本发明的结构进一步详细说明。

cBN烧结体：

cBN烧结体通常由硬质相成分和结合相成分构成，本发明的cBN工具的工具基体即cBN烧结体含有作为硬质相成分的cBN粒子和结合相，该cBN粒子被由Ti的氮化物、硼化物、氧化物及它们的固溶体中的至少1种以上的Ti化合物构成的包覆层所包覆。

即，就本发明的cBN烧结体而言，例如将由预先被TiO₂所包覆的cBN粒子构成的硬质相形成用原料和由TiN粉末、TiCN粉末、TiAl₃粉末和Al粉末中的至少1种构成的结合相形成用原料粉末混合，并进行成型并烧成而制造cBN烧结体，由此将cBN粒子表面附近的金属Al、AlB₂和AlN的存在比例显著降低，从而能够避免由熔融温度较低的金属Al引起的在达1000℃以上的用途中的刀尖强度的下降、缺损的产生，并且能够避免由与cBN的附着强度较低的AlB₂和AlN引起的高负荷切削条件下的缺损和崩刀的产生。

cBN的平均粒径：

在本发明中使用的cBN粒子的平均粒径没有特别限定，但优选在0.5～8.0μm的范围内。

通过在烧结体内包含硬质cBN粒子而具有提高耐缺损性的效果，而且，通过在烧结体内分散平均粒径为0.5～8.0μm的cBN粒子，不仅能够抑制由在使用工具的过程中工具表面的cBN粒子脱落而产生的刀尖的凹凸形状开始的缺损、崩刀，还可抑制由在使用工具的过程中施加于刀尖的应力引起的从cBN粒子与结合相之间的界面扩展的裂纹，或者，通过在烧结体中分散的规定粒径的cBN粒子来抑制因cBN粒子断裂而扩展的裂纹的传播，从而能够具有优异的耐缺损性。

因此，在本发明中使用的cBN粒子的平均粒径优选设为0.5～8.0μm的范围。

在此，就cBN的平均粒径而言，通过扫描电子显微镜(Scanning ElectronMicroscopy：SEM)观察所制作的cBN烧结体的截面组织，得到二次电子图像。通过图像处理抽出所得到的图像内的cBN粒子部分，并通过图像分析求出各cBN粒子的最大长度，将其作为各cBN粒子的直径，而且，以根据该直径进行计算而求出的各粒子的体积为基础，将纵轴作为体积百分比[％]、横轴作为直径[μm]而描绘出图表，将体积百分比为50％的值作为所取得的1个图像中的cBN粒子的平均粒径，并将处理至少3个图像而求出的值的平均值作为cBN的平均粒径[μm]。作为用于图像处理的观察区域，当cBN粒子的平均粒径为3μm时，优选15μm×15μm左右的视场区域。

cBN烧结体中所占的cBN粒子的含有比例：

当cBN烧结体中所占的cBN粒子的含有比例低于50vol％时，在烧结体中硬质物质较少，当用作工具时，耐缺损性下降。另一方面，若超过80vol％，则在烧结体中生成成为裂纹源的空隙，耐缺损性下降。因此，为了进一步发挥本发明所产生的效果，cBN烧结体中所占的cBN粒子的含有比例优选设为50～80vol％的范围。

在此，就cBN烧结体中所占的cBN粒子的含有比例(vol％)而言，通过SEM观察cBN烧结体的截面组织，并通过图像处理抽出所得到的二次电子图像内的cBN粒子部分，且通过图像分析计算cBN粒子所占的面积，将处理至少3个图像而求出的值的平均值作为cBN粒子的含有比例(vol％)。作为用于图像处理的观察区域，当cBN粒子的平均粒径为3μm时，优选15μm×15μm左右的视场区域。

cBN粒子表面附近的组成：

本发明为通过由熔融温度较高且与cBN的附着强度也较高的Ti化合物围住cBN粒子表面，从而即使刀尖在如1000℃以上的切削条件下也抑制缺损和崩刀，且实现工具寿命的长期化的切削工具，作为更具体地定义其结构的条件作如下定义：从cBN粒子表面起50nm以内范围的区域中所包含的Ti的氮化物、硼化物、氧化物及它们的固溶体所占的比例相对于所述区域的总体积为80vol％以上。

另外，由熔融温度较高且与cBN的附着强度也较高的Ti化合物围住cBN粒子表面，结果，在cBN粒子表面附近，熔点较低的金属Al及与cBN的附着强度较低的AlB₂和AlN等Al化合物的存在比例降低，作为更具体地定义其结构的条件作如下定义：从立方晶氮化硼粒子表面起20nm以内范围的区域所包含的金属Al及Al化合物所占的比例优选少于50vol％，更优选为4～25vol％。

cBN粒子表面附近组成的测定方法：

对于cBN烧结体的截面组织，通过俄歇电子能谱法(Auger Electron Spectroscopy：AES)观察cBN烧结体组织，取得Ti、Al、B、N元素的元素映射图像。由所得到的B和N元素的信息决定cBN界面，并决定从界面起厚度50nm的范围区域。将从cBN界面起厚度50nm的区域的面积设为100％，求出Ti元素在从cBN界面起厚度50nm的区域内所占的比例。并且，由所得到的B和N元素的信息决定cBN界面，并决定从界面起厚度20nm的范围的区域。将从cBN界面起厚度20nm的区域的面积设为100％，求出Al元素在从cBN界面起厚度20nm的区域内所占的比例。就图像而言，对于1个cBN粒子整体，优选包含从cBN界面起远离厚度50nm的区域的倍率，并且，根据通过所述方法处理5个图像而求出的各自的值的平均值，计算从cBN粒子表面起50nm以内范围的区域中所包含的Ti化合物所占的比例和从cBN粒子表面起平均厚度20nm以内范围的区域中所包含的Al化合物所占的比例。对于cBN粒子的选择，在从所测定的cBN粒子的cBN界面起远离50nm的区域内，将不包含其他cBN粒子的粒子作为测定对象，当cBN粒子的平均粒径为2μm时，优选3.5μm×3.5μm左右的视场区域。

本发明通过由熔融温度较高且与cBN的附着强度也较高的Ti化合物围住cBN粒子表面，由此产生即使刀尖在如1000℃以上的切削条件下也抑制缺损和崩刀，且实现工具寿命的长期化的效果。

附图说明

图1表示由从cBN粒子表面起50nm以内的区域中所包含的Ti氮化物、Ti硼化物、Ti氧化物及它们的固溶体所占的比例为80vol％以上的cBN粒子截面基于SEM而得到的二次电子图像中抽出cBN和Al₂O₃的图。

具体实施方式

以下，根据实施例对本发明的cBN工具进行具体说明。

[实施例]

作为原料粉末的cBN粒子的制作：

将平均粒径为0.5～8.0μm的cBN粒子作为基材，利用ALD法(Atomic LayerDeposition：其为在真空腔室内的基材上通过使原料化合物的分子逐层反应并由Ar和氮反复进行原料化合物的吹扫而进行成膜的方法，为CVD法的一种)对其包覆形成薄层的TiO₂层。更具体而言，在炉内装入平均粒径为0.5～8.0μm的cBN粒子，并将炉内升温至350℃，作为成膜用气体使用Ti的前体即Ti[N(CH₃)₂]₄，且作为反应气体使用H₂O，将下述(1)～(4)作为1个循环，并将该循环重复进行至成为目标层厚为止，从而在cBN粒子表面包覆形成规定层厚的TiO₂层。

(1)Ar+Ti[N(CH₃)₂]₄流入工序

(2)Ar气吹扫工序

(3)Ar+H₂O流入工序

(4)Ar气吹扫工序

成型工序：

准备由通过前述工序所制作的TiO₂薄膜包覆的cBN粒子作为硬质相形成用原料粉末，并且准备均具有0.3～0.9μm的范围内的平均粒径的TiN粉末、TiC粉末、Al粉末、TiAl₃粉末及WC粉末作为结合相形成用原料粉末，配合成将选自这些原料粉末中的任意几种原料粉末与cBN粒子粉末的总量设为100vol％时cBN粒子粉末的含有比例成为50～80vol％，进行湿式混合和干燥之后，通过液压冲压机在成型压1MPa下冲压成型为直径：50mm×厚度：1.5mm的尺寸，接着，将该成型体在压力：1Pa以下的真空气氛中，在1000℃下保持30分钟进行热处理，以去除挥发成分及吸附于粉末表面上的吸附成分而作为预烧结体，并将该预烧结体以与另行准备的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，在通常条件即压力：5GPa、温度：1500℃、保持时间：30分钟的条件下进行超高压高温烧结，从而制作cBN烧结体圆板，其中，该WC基硬质合金制支承片具有Co：8质量％、WC：余量的组成以及直径：50mm×厚度：2mm的尺寸。在进行该超高压高温烧结处理时，预先包覆在cBN粒子表面的TiO₂层与原料中所包含的Al反应而产生的Ti与cBN发生反应，从而在cBN粒子表面形成Ti化合物层。

此时，源自TiO₂层中的氧和结合相中的Al的Al₂O₃生成在远离cBN粒子表面的部位。

加工工序：

利用电火花线切割加工机将该cBN烧结体圆板切断为规定尺寸，并且将其利用以质量％计具有由Cu：26％、Ti：5％、Ag：余量构成的组成的Ag系钎料，钎焊到WC基硬质合金制刀片主体的钎焊部(刀头圆弧部)，并实施上下表面及外周的研磨和刃口修磨处理，由此制造出具有ISO标准CNGA120408的刀片形状的本发明cBN工具1～10，其中，该WC基硬质合金制刀片主体具有Co：5质量％、TaC：5质量％、WC：余量的组成及ISO标准CNGA120408的刀片形状。另外，通过前述的方法计算出cBN粒径、cBN含量、Ti化合物所占的比例和Al化合物所占的比例。

将其结果示于表1。

[表1]

为了比较，准备第1层包覆AlN层且第2层包覆TiO₂层的cBN粉末作为原料粉末。另外，对于AlN层，利用与TiO₂相同的ALD法，原料使用Al(CH₃)₂和NH₃进行成膜。并且，准备均具有0.3～0.9μm的范围内的平均粒径的TiN粉末、TiC粉末、Al粉末、TiAl₃粉末及WC粉末作为结合相形成用原料粉末，配合成将选自这些原料粉末中的任意几种原料粉末与cBN粒子粉末的总量设为100vol％时cBN粒子粉末的含有比例成为60vol％之后，通过进行与本发明的情况相同的处理操作(干燥、成型、热处理、预烧结和烧结等)，由此制造出比较品cBN工具11～15。

将其结果示于表2。

另外，通过cBN烧结体的X射线衍射分析(XRD，X-ray Diffraction)确定表1及表2中的烧结体的结合相组成。

[表2]

对于本发明cBN工具1～10及比较品cBN工具11～15，在

工件：铬钢钢材SCr420(HRC58～62)的轴向上开有8条槽的圆棒、

切削速度：180m/min.、

切深量：0.1mm、

进给速度：0.2mm/rev.、

切削油：干式

的切削条件下，每隔加工时间0.5分钟确认刀尖有无缺损。

在表3及表4中示出所述切削加工试验的结果。

[表3]

[表4]

由表1～4所示的结果明确可知，本发明cBN工具1～10的cBN粒子表面由Ti化合物围住，由此即使在施加高负荷、高温的切削时也不易产生缺损及崩刀，因此即使在断续的、冲击性负荷起作用的高硬度钢的断续切削加工中使用时，也能够抑制缺损的产生。其结果，经长期使用发挥优异的切削性能。

相对于此，比较品cBN工具11～15在cBN粒子表面不具有本发明中规定的Ti化合物层，因此在cBN粒子表面上存在金属Al和Al化合物，所以在高硬度钢的断续切削加工中使用时，均在较短时间内达到寿命。

产业上的可利用性

如上所述，本发明的cBN工具由于耐崩刀性和耐缺损性优异，因此也能够在高硬度钢的断续切削以外的切削条件下适用，能够十分满意地应对切削加工装置的高性能化以及切削加工的节省劳力化、节能化及低成本化。

Claims (2)

1.一种立方晶氮化硼烧结体切削工具，其将包含立方晶氮化硼粒子和结合相的烧结体作为工具基体，其特征在于，

从所述立方晶氮化硼粒子表面起50nm以内范围的区域中所包含的Ti的氮化物、硼化物、氧化物及它们的固溶体所占的比例相对于所述区域的总体积为80vol％以上。

2.一种立方晶氮化硼烧结体切削工具的制造方法，其特征在于，所述立方晶氮化硼烧结体切削工具为权利要求1所述的立方晶氮化硼烧结体切削工具，

在将包含预先包覆有TiO₂膜的立方晶氮化硼粒子的硬质相形成用原料粉末和结合相形成用原料粉末配合混合后，进行成型、烧成而得到烧结体，并将所述烧结体作为所述工具基体。