CN1137959A - 切削用烧结体刀头及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是可延长寿命且成本低的切削用烧结体刀头。它有由立方晶格的氮化硼或金刚石结构的硬质烧结体构成的第1层25a、33a和第2层25b、33b以及夹于其中，由硬质合金或铁系金属或高熔点金属构成的中间层24、32。使其正面和背面形成前刀面。在第1层和第2层上形成与切削有关的刀尖R和后刀面。中间层包含前刀面的重心和刀头整体的重心。在前刀面和后刀面的表面上形成由周期表4a，5a，6a族元素的氮化物等构成的被覆层。

Description

切削用烧结体刀头 及其制造方法
本发明涉及由使用立方晶氮化硼(以下简略记为＂CBN＂)或金刚石的烧结体和硬质合金等的复合烧结体构成的高硬度切削用烧结体刀头，在该切削用烧结体刀头上被覆耐磨损层的被覆切削用烧结体刀头，以及它们的制造方法。
金刚石烧结体和CBN烧结体广泛用作车床用刀头等切削工具。这些烧结体工具使用可产生40kb以上超高压和1300℃高温的非常昂贵的设备制造。
以往使用这样的烧结体的刀具，如图7所示那样，将由该烧结体构成的层2接合到硬质合金层1上面，得到圆盘状复合烧结体3，然后用电火花线切割机切割成所希望的切刃形状(图8A所示的3a及图8b所示的3b)，再钎焊到具有所希望形状的硬质合金基材(图8所示的4和5)上。经过研磨加工得到图8A、图8B所示的切削刀头。图8A和图8B中箭头A、B所指示的界面是钎焊面。
在图8B所示的三角形切削刀头的中央设有为将切削刀头用螺丝固定在刀具的刀杆上的通孔6。
使用这种过去的切削刀头的刀具，虽然在实际的切削中在确保必要而且充分的烧结体面积方面具有经济的优点，但由于具有钎焊部份而存在以下的问题。
使用金刚石烧结体和CBN烧结体的刀具，一般适用于进刀量和送刀量小的精加工等，但由于其具有硬度高、耐热性好的特征，所以多适用于切削温度高的高速切削。并且由于近年来加工效率提高的要求，能广泛适用于极为高速的情况。
但是，过去的钎焊刀具钎焊温度为700～900℃的情况，而在淬火钢或铸铁的高速切削场合下，切削温度超过900℃，造成钎焊剂熔化，或是在Al-Si合金或淬火钢和铸铁进行粗切削的场合下，切削温度虽在900℃以下，但由于切削阻力增加钎焊强度显得不足，存在发生钎焊脱落的情况。另外，在对金刚石烧结体进行钎焊的场合，为达到充分的钎焊强度而在近900℃的高温下进行钎焊处理时，一部分产生石墨化，或因与合金基材的热膨胀系数差大而发生断裂的情况。
此外，形成这种过去的切削刀头的制造工艺包括如图7所示的烧结体形成工序、电火花线切割加工工序，切出的复合烧结体的研磨工序、钎焊工序以及切削刀头的研磨操作工序，因此与硬质合金或陶瓷刀具相比较，需要较长的制造工艺过程。
作为没有钎焊部的过去的刀具，市售的有如图9A、图9B和图9C所示形状的切削刀头。其中图9A所示的切削刀头10a是仅整个上面(前面)由CBN或金刚石烧结体构成，图9B所示的切削刀头10b使用叠层状的复合烧结体在整个上下面的前面由CBN或金刚石烧结体构成，图9C的切削刀头10C则是刀头的整体由CBN或金刚石烧结体构成。
这些刀具共同的问题是，与前面的切削无关的部份也用昂贵的CBN或金刚石烧结体构成。因此这些过去的切削刀头，在考虑其制造成本时，相对于过去的钎焊刀头而言，在经济上没有优越性。另外，在前面的重心部或刀头整体的重心部设置了硬度高的烧结体层，因此存在有例如要象广为市售的图8B所示那样，在刀头上加工向刀杆上连结固定用的孔有困难这样的问题。
CBN烧结体和金刚石烧结体在硬度、强度、热电导率等物性方面具有优良的性质，因此被用作各种切削刀具。CBN烧结体由于与铁的反应性低，所以用于铁系材料的切削刀具，特别是用于淬火钢等高硬度难切削材料的切削。
对金刚石烧结体，公知的是，金刚石粒子本身与CBN粒子相比较是高硬度的，由于劈开面少并且缺陷也少，并且同种粒子强固地结合，因而与CBN烧结体相比，硬度高且强度也高。但是这种广为市售的金刚石烧结体有以下的缺点，即一旦金刚石的耐氧性劣化，则因与铁系金属的反应性增强而使耐磨损性降低，不能在实用上用于铁系材料的切削。但由于对于铝等非铁系材料显示出优良的耐磨损性，所以金刚石被利用作为非铁材料系的切削刀具。
但是伴随着切削的高速化、高效率化，切削条件越来越严酷，在铁系材料的切削、非铁材料的切削或铁系材料和非铁材料的共切削当中，仅用CBN烧结体或仅用金刚石，耐磨性已不能满足需要。
为提高耐磨性，有人提出了在由CBN烧结体和金刚石烧结体构成的过去的切削刀头上，用PVD(Physical Vapor Deposit ion)法或CVD(Chemical Vapor Deposition)法被覆TiN等各种耐磨损层的方法(例如参照特开昭61-183187号公报，特开平1-96083号公报，特开平1-96084号公报)。但是，为了被覆能耐受高速精加工切削和粗切削那样过于严酷的切削条件的被覆层和与烧结体的附着强度优良的耐磨损层，有必要在钎焊剂的熔点以上的高温下进行被覆处理，钎焊的刀具作为被覆切削用刀头的母材是不适宜的。另外，即使将适用于通常的精加工切削等轻切削用刀具作为目的，通过使用成膜温度在钎焊剂熔点以下的各种低温工艺的PVD法和CVD法进行被覆处理，也会在将钎焊刀具作为被覆切削用刀头的母材的场合，钎焊部被腐蚀，或是发生与被覆层的原料气体成分反应而劣化，引起钎焊脱落等，与没有钎焊部的被覆切削用刀头相比存在有稳定性差的问题。
另外，CBN烧结体和金刚石烧结体都呈现单纯的黑色或茶色。如前所述，使用这些材料的切削刀具的大多数，主要用途是在进刀量和送刀量小的切削条件下使用的精加工。在这样的切削刀具中，过去一般的钎焊刀头没有必要由刀尖角判断其使用与否，但在以多数的角部作为刀尖使用的切削刀具中，在黑或茶色的烧结表面的情况下，也存在对其使用过或未使用过加以判别有困难的问题，而用TiN、Ni等包覆是有效的。但在使用钎焊刀头的场合，在被覆处理中钎焊部的温度上升，钎焊剂熔化，发生钎焊部的错位，或者钎焊部劣化，使得在过于严酷的切削条件下使用的场合，钎焊部出现脱落。
鉴于上面所述的问题，本发明的目的是，通过减少制造工序，并采用具有可高效利用CBN烧结体部和金刚石烧结体部几何形状的制造方法，提供一种在提高经济性的同时，可容易地涂敷各种被覆层的高硬度的切削用烧结体刀头。
本发明的目的还在于，提供一种同时具有CBN烧结体和金刚石烧结体的高硬度和高强度和被覆层的优良耐磨损性的，例如在用于淬火钢切削或铸铁的粗切削、铸铁和铝合金共切削的场合下，比过去的刀具显示出长寿命的理想的被覆CBN烧结体刀头和被覆金刚石烧结体刀头。
本发明目的还在于，提供一种在切削后通过刀尖角能容易地对使用与否加以判断的烧结体刀头。
解决上述课题的本发明的切削用烧结体刀头，具有由选自硬质合金、铁系金属和高熔点金属所组成的物组中的材料所构成的中间层，以及与中间层烧结接合的由含立方晶氮化硼或金刚石的硬质烧结体所构成的第1和第2层，将该中间层配置在被该两层由上下两侧夹住的位置，其正面和背面按照构成前面的方式形成。与切削有关的全部刀尖R和后面在第1和第2层上形成，中间层按照包含前面的重心部和刀头整体的重心的方式形成。
使用这种切削用烧结体刀头，首先，因为不含有过去的多种刀具中所采用的钎焊部份，所以避免了高速切削和粗切削时的钎焊脱落的问题。另外，由于前面的重心部和刀头整体的重心部用硬质合金、铁系金属和高熔点金属中的任何一种材料构成，所以使得将刀具固定在刀杆上的通孔的加工，和容易地研磨形成将刀头高精度安装在刀杆上的槽等成为可能。并且因为与切削有关的后面全部使用由CBN或金刚石构成的高硬度烧结层构成，所以能延长刀具寿命。由于它使用弹性模量比其它材料高的烧结体层构成后面的全面，所以认为造成切削时所加的应力分布得到改善。此外，不含比高硬度烧结体硬度还低且低刚性的钎焊材料，可推测认为这会涉及工具寿命且会赋予好的影响。
在中间层和第1及第2层的界面上，为达到提高接合强度的目的，最好是具有以下物质构成的层，即由周期表4a、5a、6a族元素构成的组中选择的至少一种金属，或由上述组中选择的至少一种元素的氮化物、碳化物、氧化物及其固溶体中选择的至少一种化合物的层。另外，在特性大为不同的中间层和第1及第2层的界面上通过设置具有中间特性的上述高熔点金属或其化合物层，可以在进行高速切削、粗切削或涂敷处理等的场合缓和所产生的热应力和实际应力的影响，从而可提供没有龟裂的健全的切削用烧结体刀头。
由CBN烧结体或金刚石不烧结体构成的第1和第2层的厚度，最好分别为1mm以上、4mm以下。在不足1mm时，切削时刀具月牙洼的磨损在烧结体层以外的部份容易变得发达，结果使寿命缩短。采用4mm以上时，虽不影响切削性能，但由于烧结体层不必要地变厚，使制造成本增加。
刀头的厚度在1.5mm以上、5.0mm以下为佳，这是由于不足1.5mm时上述刀具的寿命延长不充分，并且在上下二次切削的场合，有时易受相互切削损伤的影响而使寿命缩短，而在5mm以上时，因烧结体面积大到必要之上，因而不够经济。
此外，在前面上或前面与后面两个表面上，被覆由周期表4a、5a、6a族元素、Al、Si和B组成的组中选择的至少1种元素。或由上述组中选择的至少1种元素的氮化物、碳化物、氧化物及其固溶体中选择的至少1种化合物的薄膜为佳。其理由是，通过在切削用烧结体刀头上包覆这样的膜，可达到耐磨损性的改善，可得到能耐受严酷切削条件的、同时具有耐伤损性和耐磨损性的优良切削刀具。另外，在切削后被覆层磨损，烧结体刀头的表面露出，产生颜色变化，容易判别使用过的刀头的角部。
作为被覆层的薄膜的硬度易受基材的影响，随着薄膜的厚度变薄，其影响变得显著。但在本发明中，通过使用由现有物质中硬度最高的金刚石(Hv＝9000左右)和稍次于金刚石的高硬度CBN(Hv＝2800-5000左右)构成的烧结体作为母材，便显著抑制了将WC系硬质合金(Hv＝1800左右)作为母材的被覆硬质合金刀具的场合下成为大问题的、因被覆层不能追随基材弹性变形而引起的被覆层的剥离，此外，即使在切削时的高温条件下也能发挥维持被覆层高硬度的效果，可显著提高切削用烧结体刀头的耐磨损性。
在本发明中，由于采用离子镀PVD法或等离子体CVD法等形成与母材的粘附性良好的被覆层，切削时被覆层的弹塑性变形受母材与被覆层的界面所约束，大幅度地提高了被覆层的硬度。即，使用CBN烧结体和金刚石烧结体作为母材，提高了被覆层的硬度，显示出良好的耐磨损性。
在本发明优选实施例的切削用烧结体刀头中，被覆有选自由以下物质组成的组中的至少1种膜：
(1)(Ti，Al)N膜、
(2)具有将TiN层和AlN层重复叠层的结构、作为全体具有立方晶型的X射线衍射图、各层的层厚度为0.2nm-20nm的超晶格叠层化合物膜(以下记作＂TiN和AlN的超晶格叠层化合物膜＂)、
(3)具有至少2层以上TiN层和AlN层、各层的粒径为1nm-50nm的超微粒子叠层膜(以下记作＂TiN和AlN的超微粒子叠层膜＂)、
(4)由Ti的氮化物、碳化物、氧化物及其固溶体中选择的至少一种化合物膜。
作为被覆层，特别是发现使用(Ti，Al)N膜、TiN和AlN的超晶格叠层化合物膜、TiN和AlN的超微粒子叠层膜的切削用烧结体刀头，其耐磨损性显著提高。其理由推测如下。
CBN烧结体刀具和金刚石烧结体刀具的硬度非常高，是具有优良耐磨损性的刀具，但在进行切削的高温空气气氛下，CBN由约900℃起与氧反应生成B2O3，金刚石由约600℃起石墨化。同时与氧反应生成CO2，因而耐磨损性显著降低。因此认为使用具有在CBN烧结体以上高硬度的耐氧化性优良的(Ti，Al)N膜，TiN和AlN的超晶格叠层化合物膜、TiN和AlN的超微粒子叠层膜的切削用烧结体刀头，与通常的CBN烧结体刀具和金刚石烧结体刀具相比耐磨损性提高。
在本发明的切削用烧结体刀头的另一优选实施例中，在切削用烧结体刀头的被覆层外侧还被覆有Al2O3的单层膜，或将Al2O3层和TiCN层叠合2层以上的多层膜。
在本发明的切削用烧结体刀头的又一优选实施例中，仅在切削用烧结体刀头前面的被覆层外侧被覆有Al2O3的单层膜，或将Al2O3层和TiCN层叠合2层以上的多层膜。
被覆层通过这样构成，刀具月牙洼的耐磨损性更加显著地提高。其理由被认为是，刀具月牙洼磨损的主要原因是由热磨损比例支配的，因此比(Ti，Al)N膜、TiN和AlN的超晶格叠层化合物膜、TiN和AlN的超微粒子叠层膜热稳定性还要优良的氧化物-Al2O3发挥了优越的效果。而后面磨损的主要因素是由机械磨损的比例支配的，因此在淬火钢等高硬度难切削材料的切削中，仅在前面上被覆Al2O3为佳。另外，将Al2O3和TiCN交互构成2层以上叠层的多层膜时，可抑制Al2O3变成粗大的柱状组织，因此耐损伤性提高，效果更好。
在本发明的切削用烧结体刀头的另一优选实施例中，在切削用烧结体刀头的前面的被覆层的最外层上被覆TiN。
本发明中所用的(Ti，Al)N膜可用通常的离子镀PVD法形成。TiN和AlN或TiC和AlN等的超晶格叠层化合物膜和超微粒子叠层化合物膜，可使用安装有2种以上的金属靶和旋转的基材保持架的离子镀装置成膜。通过成膜温度、电弧放电量和导入N2、C2H2等气体时真空度的不同，可分别作成超晶格叠层化合物膜和超微粒子叠层化合物膜。图13示出了TiC和AlN的超晶格叠层化合物膜的成膜装置。
在图13所示的成膜装置中，在室51内设置连接基板电源52的旋转基座53和固定在其上面的旋转保持架54，在该旋转保持架54的外侧面上安装着多个基材55。另外，在室51的内圆周附近，在多个圆周上分别配置连接电弧电源56的电弧电极57和金属靶58，通过电弧电极57和金属靶58之间的电弧放电，金属离子由金属靶58向基材55的方向释放出。由室51的供气口51a导入反应气体，在基材55上与金属离子一起进行成膜反应，并由排气口51b排气。
本发明的切削用烧结体刀头中，被覆层的合计膜厚，在构成前面的位置中较佳为0.1μm以上、15μm以下，在构成后面的位置中校佳为0.1μm以上、10μm以下。
被覆层的合计膜厚在构成前面的位置不足0.1μm的场合，角部的判别是不可能的，而且也几乎看不出耐磨损性的提高。被覆层的合计膜厚超过15μm时，将CBN烧结体和金刚石烧结体作为母材使用而得到的特性丧失，并且容易形成机械性能不好的柱状晶，因此被覆膜本身的力学特性成为支配因素，变得易于损伤。另外被覆层中的残留应力影响也变显著，在被覆层上发生龟裂，或者容易与切削用烧结体刀头之间发生剥离。
在构成后面的位置与前面的场合不同，与热磨损相比，机械磨损成为支配的因素，因此被覆层的合计膜厚最好是0.1μm以上、10μm以下。
本发明的切削用烧结体刀头的制造方法是，先形成夹层状的烧结体，该夹层状烧结体具有由含立方晶氮化硼或金刚石的硬质烧结体构成的上层和下层，以及由选自硬质合金、铁系金属和高熔点金属组成的组中的材料构成的、被夹在上述上层和下层之间的中间层。接着，对所形成的夹层状烧结体进行电火花加工，通过沿与上层和下层垂直且相互垂直的4个面进行切断，切成具有使上层、中间层和下层沿纵向排列结构的立方体的复合烧结体刀头。接着，对切出的复合烧结体刀头施加研磨加工或电火花加工，使与切削有关的全部刀尖R和后面由上层和下层构成，并使中间层包含前面的重心部和刀头全体的重心，从而形成切削用烧结体刀头。
采用这样的制造方法，不需要钎焊工序，并且用比较少的工序数就可形成上述的切削用烧结体刀头。
本发明的切削用烧结体刀头的制造方法，在一项优选的实施例中，除了上述工序外还具有以下工序，即采用PVD法或CVD法，在烧结体刀头的前面上或前面和后面两个面上，形成由选自周期表4a、5a、6a族元素、Al、Si和B所组成的组中的至少1种金属，或由上述组中选择的至少1种元素的氮化物、碳化物、氧化物及其固溶体中所选择的至少一种化合物构成的被覆层。
按照这种制造方法，可以用比较简单的工艺，但可形成附着性良好的具有上述被覆层的切削用烧结体刀头。
附图的简要说明
图1A和图1B是表示本发明实施例中的2种刀头形状的切削用烧结体刀头的立体图。
图2是表示在制造本发明实施例的切削用烧结体刀头的工艺过程中形成的具有夹层圆盘状的复合烧结体的立体图。
图3A是在表面上表示通过对图2所示复合烧结体进行电火花线切割加工切断时切断线的立体图，图3B是将经电火花线切割加工切出的复合烧结体刀头放大表示的立体图。
图4A是本发明实施例的切削用烧结体刀头，是表示在其中央形成用于连接到刀杆上的通孔的刀头的立体图，图4B是与图4A所示具有同样整体形状的、在中央不形成通孔的刀头立体图。
图5是本实施例的切削用烧结体刀头，表示在中央设有连接到刀杆上用的通孔的大致等边三角形的刀头立体图。
图6A是将本发明实施例的切削用刀头安装在刀杆上进行切削加工的状态示意图，图6B是将图4A所示的大致正文形的切削用烧结体刀头安装在刀杆上的状态的立体示意图，图6C是将图5所示的大致等边三角形的刀头安装在刀杆上的状态的立体示意图。
图7是表示在过去的使用钎焊的切削用刀头的制造工艺中形成的圆盘状复合烧结体的立体图。
图8A和图8B是表示通过将由图7所示复合烧结体上切出的切刃部钎焊在刀头本体上结合而成的过去的切削用刀头的2种形状的立体图。
图9A、9B和9C是表示过去的不使用钎焊的切削用烧结体刀头的3种形状的立体图。
图10A和10B是表示在本发明实施例的切削试验中作为比较用的、使用钎焊的2种切削用刀头形状的立体图。
图11A是为说明切削用刀头的刀尖R和NL面而将切削中的刀头前端部放大表示的平面图，图11B是为说明规定NL面形状的角度θ和宽L的定义而将刀头前端切刃附近放大表示的断面图，图11C是为说明后面磨损幅度W1和月牙洼磨损幅度W2的定义而将刀头前端的切刃附近扩大表示的断面图。
图12A是具有未叠层化的通常被覆层的烧结体刀头模式的断面图，图12B是具有叠层化被覆层的烧结体刀头模式的断面图，图12C是将超微粒子叠层膜的场合的图12B的一部分A放大表示的模式的断面图，图12D是将超晶格叠层膜场合的图12B的一部分A放大表示的模式的断面图。
图13A是本发明实施例中所使用的电弧离子镀法的成膜装置的正面断面图，B是同一平面的断面图。
以下参照附图说明本发明的实施例。此外，以下的实施例不过是本发明的一部分实施方式，不言而喻，本发明并不限于这些实施例。
实施例1
制备CBN粉末为70％(体积)、剩余部分由TiN、Al和不可避免的杂质构成的混合粉末。接着，将该粉末充填到Mo制容器中，压平之后，插入圆盘状的硬质合金，再在其上填充粉末。使用超高压发生装置，于50kb、1440℃下烧结30分钟。再经磨削除去烧结后的Mo制容器。得到如图2所示的由中间的硬质合金层21和CBN烧结体层22a和22b构成的复合烧结体。此时硬质合金层21的厚度为2.0-2.3mm，CBN烧结体层22a和22b的厚度分别为2.3-2.5mm。对CBN烧结体层进行X线衍射分析，测出CBN、TiN、AlN、TiB2、AlB2和作为杂质的Co、Fe。
接着将该复合烧结体沿图3A的上表面上所示的线用电火花线切割机切断，切出呈图3B所示刀头形状的复合烧结体，将其用磨床进一步加工，形成具有图1A所示大致正方形的主面形状的切削用烧结体刀头23，该切削用烧结体刀头23具有由硬质合金构成的中间层24和由CBN烧结体构成的第1和第2层25a、25b，由上下两面夹位中间层24中间层24的形成使得其包含切削用刀头的前面重心部和切削用刀头全体的重心部。与切削有关的全部刀尖R和后面，在切削用烧结体刀头的各角部的第1和第2层表面上形成。
对于这样形成的多个切削用烧结体刀头中的一部分，如图4A所示的那样，在中间层24的中央形成用螺丝连接固定到刀杆上用的通孔26，另一部分如图4B所示那样，以不形成通孔26的原样状态，将图6A、6C所示的切削用烧结体刀头23通过垫板27固定在刀杆28上。
在将切削用烧结体刀头23固定到刀杆28上时，如图6A、6B所示的那样，将夹紧部件29旋夹在刀杆28上面，并压住切削用烧结体刀头23，防止切削用烧结体刀头23从刀杆28上脱开。另外，在图6A中示出了用切削用烧结体刀头23切削旋转的被切削材料30的状态的侧面图。
作为本实施例的切削用烧结体刀头23的型号，采用ISO标准的SNMN090208和SNGN090208，无论何种刀头，均将由图11A说明其定义的刀尖R半径定作0.8mm。
关于刀杆26的形状，将切刃倾角和横前角分别设定为-5°和-6°。另外，用图11B说明的负台肩面(NL)的形状，都设定为θ角为25°，宽L为0.1mm。
作为比较用的试料，使用与本实施例相同的混合粉末形成烧结体，对其施加钎焊和成形加工，形成图10A、10B和图9A所示形状的切削用刀头11a、11b和10a，对于这些比较用的切削用刀头的刀尖R和刀杆形状，均设定为与上述本实施例的相同。图10A和10B所示的切削用刀头11a和11b，通过垫板13a、13b将刀尖部14a、14b经钎焊接合固定在硬质合金的刀头本体12a、12b上
使用以上这样形成的各个切削用刀头23，按以下条件进行切削试验。
被切削材料：硬度HRC60的SKD11材料的圆棒；
外圆切削速度180m/分，进刀量0.4mm，送刀量0.25mm；
干式切削20分钟。
切削试验结果示于下面表1中。
                    表1
试样No. 刀头图号码     型号等   后刀面磨损幅度(mm)
  1-1   图4A   SNMN090208(ISO规格)   0.155mm
  1-2   图4B   SNGN090208(ISO规格)   0.151mm
  1-3   图10A   同上：钎焊品   10分钟时烧结体脱落
  1-4   图10B   同上：钎焊品   16分钟时烧结体脱落
  1-5   图8A   同上：前刀面全面CBN   0.160mn产生积屑
注：试样No.1-1，1-2：本发明例
       1-3～1-5：比较例
实施例2
首先，采用与上述实施例1同样的方法，将CBN粉末60％(体积)、其余部分由TiC和AlN、TiB2、AlB2、WC和不可避免杂质组成的烧结体层，夹着由金属Mo构成的中间层32，对具有这样构造的夹层状CBN烧结体进行电火花线切割加工和成形加工，形成图1B所示的大致正三角形刀头形状(JIS标准，TNGN型)的切削用刀头31。
各切削用刀头的由CBN烧结体构成的第1和第2层33a、33b的厚度(图1B所示的尺寸t1，t2)，通过形成烧结体时的粉末填充量和线切割及研磨工序设定其大小。而刀头整体的厚度(图1B所示的尺寸T)则通过线切割和对上下面的研磨得到所希望的大小。另外，这些切削用刀头全部按照刀尖R半径为1.2mm，NL面的形状为θ＝25°，宽L＝0.1mm进行刀尖处理。再按图6C所示那样，将切削用刀头31通过垫板27连接固定在刀杆28上，将压板部件29压紧在刀杆28上并压住切削用刀头31。
作为比较例，使用与本实施例同样组成的烧结体，形成钎焊的切削用刀头。
接着，使用所形成的切削用刀头进行以下的切削试验。
被切削材料：硬度HB 200的FCD 500材圆棒
外圆切削速度400m/分，进刀量0.5mm，送刀量0，2mm，干式切削
切削试验结果示于下面的表2中，另外，下述表2中，试样No.2-9是作为比较例形成的钎焊刀头。
                 表2
试样No. CBN层厚(mm) 刀头厚度(mm) 至发生损伤前的可切削时间(分)
  2-1     0.9     1.4     14
  2-2     1.2     2.5     15
  2-3     2.1     3.2     32
  2-4     1.8     4.5     38
  2-5     4.5     3.2     29
  2-6     2.5     3.2     33
  2-7     2.0     5.0     37
  2-8     1.4     6.0     27
  2-9     1.0     3.2     7
实施例3
首先，按与上述实施例1同样的方法，将CBN 88％(体积)、其余部分由Co、W的硼化物、碳化物和AlN及不可避免杂质构成的烧结体层，夹着由下列表3所示的硬质合金、铁系金属和高熔点金属中的任何一种所构成的中间层，形成夹层状烧结体。再将所形成的烧结体中的一部份在其界面上设TiN。然后，对所形成的复合烧结体用电火花线切割加工机进行电火花加工，切出刀头，测定其界面强度。
在本实施中，不进行图11B所示的NL面的加工。
作为比较例，还测定将下列表3的试样No.3-6所示的硬质合金彼此钎焊后的试样的钎焊面强度。钎焊用的焊料使用市售的银焊料。
测定结果列于以下表3中。
                              表3
试样No.   中间层材质   界面层   剪切强度(kg/mm2)
    3-1   硬质合金     无     53
    3-2   硬质合金     无     55
    3-3     Mo     无     40
    3-4     SKH钢     有     58
    3-5     W     有     65
    3-6     -   银焊料     25
由表3所示的结果可知，与比较例试样No.3-6相比，不论有无该界面，本实施例的试样都具有高的剪切强度。
实施例4
首先，将金刚石85％(体积)、其余部分由Co和WC及不可避免杂质所构成的烧结体层按夹着由金属Mo构成的中间层的位置接合，形成夹层状的烧结体。然后，用电火花线切割加工机切割该烧结体，再进行成形加工，形成切削用刀头。
此外，本实施例中不进行图11B所示的NL面的加工，一般地在具有金刚石烧结体切刃的刀头的场合不进行NL面的加工。
接着，使用所形成的切削用刀头进行以下的切削试验。
被切削材料：含Si 18％的铝合金圆棒
外圆切削速度900m/分，进刀量1.0mm，送刀量0.2mm，干式切削
作为比较，还用市售钎焊刀头进行切削试验。
切削试验的结果是，使用本实施例的切削用刀头可进行60分钟无损伤的切削加工，与此相对照，使用比较用刀头切削加工进行到35分钟时，烧结体由钎焊部位脱落。
实施例5
首先，按照CBN粉末为60％(体积)、其余部分由TiCN、Al、WC和不可避免的杂质构成这样的配比制备混合粉末。接着，将该粉末填充到Mo制容器中，压平后，插入圆盘状的硬质合金，再在其上填充粉末，使用超高压发生装置于50kb、1450℃下烧结30分钟。经磨削除去烧结的该Mo制容器，得到如图2所示的由中间的硬质合金层21和CBN烧结体层22a、22b构成的复合烧结体。此时，硬质合金层21的厚度为1.8-2.0mm，CBN烧结体层22a、22b的厚度分别为2.0-2.2mm。经X射线衍射分析CBN烧结体层，检测CBN、TiCN、AlN、TiB2、AlB2、WC、Al2O3和作为不可避免杂质的Co、Fe。
接着，对该复合烧结体经过与上述实施例1场合同样的工序，形成具有图1A所示大致正方形主面形状的切削用烧结体刀头23。该切削用烧结体刀头23的中间层24，第1和第2层25a、25b，刀尖R和后刀面的基本结构与上述实施例1的场合相同，其具体的形状尺寸为：主面为内接圆半径6mm的大致正方形，厚度2.5mm，呈立方体，刀尖R半径为0.8mm。
在这样所形成的切削用烧结体刀头的表面上，用PVD法或CVD法等形成下述表4至表6所示的被覆层。在图12A-D中示出了为说明试样4-8、4-11、4-12被覆层状态的模式的断面图。图12A所示的结构，在由WC-Co构成的硬质合金层61和CBN烧结体62的复合烧结体的表面上形成了未叠层的被覆层63，试样4-8具有这样的结构。另外，图12B中示出了具有叠层的被覆层64的结构。该被覆层64在由超微粒子叠层膜构成的场合，有着如图12C中放大表示的粒子状晶体结构，而在由超晶格叠层化合物膜构成的场合则具有如图12D中放大表示的呈柱状晶的晶体结构。也就是说，试样4-11具有图12C所示的被覆层，而试样4-12具有图12D所示的被覆层。
试样4-1至4-10和试样4-17至4-20采用通常的电弧离子镀PVD法形成。试样4-11至4-16和试样4-21、4-22则通过以下工序形成。即首先在图13所示的电弧离子镀装置内，形成真空度成为10-5托的气氛，然后导入Ar气，一边保持10-2托的气氛，一边加热到400℃，并且一边使基材保持器旋转，一边在刀头上加800V的电压清洗表面。随后，将Ar气排出，以100-300cc/分的速率导入N2气、C2H2气、O2气。再通过真空电弧放电，将Ti、Zr、Cr、Nb、B、Si、Al中的两种以上的靶蒸发使之离子化，从而在刀头上分别交叠形成TiN层和AlN层、TiN层和Si3N4层、NbC层和AlN层、CrN层和AlN层、TiC层和AlN层、TiCN层和AlN层、ZrN层和AlN层、TiN层和BN层。研磨表面后，进行X射线衍射测定，结果全部超晶格叠层化合物膜的X射线衍射图均显示为立方晶结构。全部超微粒子叠层膜的X射线衍射图均显示为混合层。
另外，作为比较用，使用同样的粉末形成图9A所示的不具有钎焊部的过去的刀具，以及图8A、图10A、10B所示的钎焊刀头。
将这样形成的切削用烧结体刀头的试样4-1至4-25在以下条件下进行切削试验。
被切削材料：硬度HRC 60的渗碳淬火的SCM 415材料。
切削速度：150m/分，进刀量0.2mm，送刀量：0.1mm/转
干式切削40分钟
作为试验结果，将切削试验后的后刀面磨损幅度示于下列表4至表6中。另外，图11C表示后刀面磨损幅度W1和月牙洼磨损幅度W2的定义。
                                        表4
  试样No.     后刀面的被覆层的构成和层厚     后刀面磨损幅度(mm)   角  部状  况
第1层   最外层    平  均全层厚(μm)
组成   组成
  4-1  TiN    -     0.05     0.205     不能判别
  4-2  TiN    -     0.1     0.210     可判别
  4-3  TiN    -     9     0.205     可判别
  4-4  TiN    -     11     -     5分钟时被覆层损缺
  4-5  TiC    -     5     0.165     可判别
  4-6  TiCN    -     5.5     0.155     可判别
  4-7  TiCNO    -     5     0.160     可判别
  4-8  (Ti0.5，Al0.5)N    -     5     0.110     不能判别
  4-9  (Ti0.5，Al0.5)C    -     5.5     0.115     不能判别
  4-10  (Ti0.5，Al0.5)C0.5，N0.5    -     5     0.105     不能判别
                                    表5
  试样No.     后刀面的被覆层的构成和层厚   后刀面磨损幅度(mm)     角  部状  况
第 1 层   最外层    平  均全层厚(μm)
组  成
  4-11 TiN层(10nm)和AlN层(10nm)的交互多层叠层(超微粒子叠层膜)     -     5.5     0.115     不能判别
  4-12 TiN层(5nm)和AlN层(3nm)的交互多层叠层(超晶格叠层化合物膜)     -     5     0.085     不能判别
  4-13 TiC层(5nm)和AlN层(3nm)的交互多层叠层(超晶格叠层化合物膜)     -     5.5     0.090     不能判别
  4-14 TiCN层(5nm)和AlN层(3nm)的交互多层叠层(超晶格叠层化合物膜)     -     5.5     0.090     不能判别
  4-15 ZrN层(5nm)和AlN层(3nm)的交互多层叠层(超晶格叠层化合物膜)     -     5     0.095     不能判别
  4-16 TiN层(5nm)和BN层(3nm)的交互多层叠层(超晶格叠层化合物膜)     -     5     0.105     不能判别
  4-17  Au     -     0.1     0.210     可判别
  4-18  Ni     -     1     0.210     可判别
  4-19  Ti     -     1     0.205     可判别
                                           表6
  试样No.     后刀面的被覆层的构成和层厚    后刀面磨损幅度(mm)   角  部状  况
第1层 最外层   平  均全层厚(μm)
组成   平均层厚(μm) 组成 平均层厚(μm)
  4-20 (Ti0.5，Al0.5)N     4.5  TiN     0.5     5     0.090   可判别
  4-21 TiN层(5nm)和AlN层(3nm)的交互多层叠层(超晶格叠层化合物膜)     4.5  TiN     0.5     5     0.085   可判别
  4-22 TiN层(5nm)和AlN层(3nm)的交互多层叠层(超晶格叠层化合物膜)     5  Au     0.1     5.1     0.120   可判别
  4-23 图9A所示的钎焊刀头(无被覆层)     0.210   不能判别
  4-24 图8A所示的钎焊刀头(无被覆层)     0.225   不能判别
  4-25 (Ti0.5，Al0.5)N(图10A所示的钎焊刀头)       -     5     -   30分钟时钎焊脱落
  4-26 TiN层(10nm)和Si3N4层(10nm)的交互多层叠层(超微粒子层)       -     5.2     0.125   不能判别
  4-27 NbC层(5nm)和AlN层(3nm)的交互多层叠层(超晶格叠层化合物膜)       -     5.0     0.120   不能判别
  4-28 CrN层(5nm)和AlN层(3nm)的交互多层叠层(超晶格叠层化合物膜)       -     5.2     0.115   不能判别
正如由表4至表6的结果所看到的那样，形成本实施例被覆层的试样4-2、4-3和4-17～4-19，与比较例4-23相比，使用过的角部容易判别，试样4-5～4-7与比较例4-23相比，使用过的角部容易判别。与比较例4-23、4-24相比耐磨损性大幅度提高。试样4-8～4-16与比较例4-23、4-24相比耐磨性大幅度提高。试样4-20～4-22与比较例4-23、4-24相比，除使用过的角部容易判别外，耐磨损性大幅度提高。试样4-1在被覆处理后CBN烧结体部的后刀面和前刀面同时显示黑色，对使用过的角部加以判别不可能。试样4-4在切削开始5分钟后被覆层缺损，由这样的结果可知，后刀面上的被覆层膜厚以0.1-10μm为宜。试样4-25在切削开始30分钟后发生钎焊脱离。
实施例6
采用与实施例5的场合同样的方法，形成具有含CBN 85％(体积)、其余部分为W和Co的硼化物和碳化物、TiN、Al和Ti的硼化物、AlN及不可避免杂质的CBN烧结体的叠层结构的复合烧结体。在填充粉末时加入Ti金属箔，在由硬质合金构成的中间层与CBN烧结体的界面，形成由高熔点金属Ti构成的界面层。接着，由该复合烧结体形成图5所示的主面形状的为三角形的切削用烧结体刀头。采用电弧离子镀PVD法或等离子CVD法，在该切削用烧结体刀头上形成表7和表8所示的被覆层。刀尖的刀尖R半径定为1.2mm，按以下条件进行SKH51的高效率切削。如试样5-6所显示的那样，仅在前刀面设置被覆层的场合，在被覆后仅对后刀面进行研磨处理。从而形成切削用烧结体刀头全体。试样5-1、5-2和5-7使用中温CVD法，在炉内温度800℃、炉内压力30托，反应气体组成为95.4％(体积)H2、4％(体积)TiCl4、0.6％(体积)CH3CN，反应时间6小时的条件下形成TiCN层。然后，用通常的CVD法形成Al2O3单层膜或将TiCN层和Al2O3层2层以上叠层的多层膜。试样5-3～5-6和试样5-8，与实施例5同样通过电弧蒸发方式离子镀PVD法和图13所示的电弧离子镀法进行第1层的被覆，然后用别的成膜装置通过通常的热CVD法被覆最外层。为进行比较，在图8B所示的钎焊型刀头上，和在图5所示的中间层与CBN烧结体之间不含界面层的切削用烧结体刀头上也施加被覆处理，然后进行切削试验。
被切削材：硬度HRC 64的SKH51圆棒
外圆切削速度：80m/分，进刀量0.75mm，送刀量0.1mm/转
湿式切削15分钟
作为切削试验的结果，将切削试验后的后刀面磨损幅度(图11C所示的W1)和月牙洼磨损幅度(图11所示的W2)列于下面的表7和表8中。
           表7
试样No.    被覆层的构成和层厚 后刀面度损幅度(mm)   月牙渣磨损幅  度(mm)
    后刀面                                前刀面
    第1层        最外层 平 均全层厚(μm)            第1层             最外层   平 均全层厚(μm)
组成 μm 组成 μm 组成 μm 组成 μm
5-1 TiCN   4 Al2O3   5   9 TiCN   7 Al2O3     8     15   0.280(0.560)     0.040微小积屑
5-2 TiCN   4 Al2O3   6   10 TiCN   8 Al2O3     9     17   -     切削开始之后立即剥离
5-3 (T10.3，Al0.5)N   3 Al2O3   4   7 (Ti0.3，Al0.5)N   5 Al2O3     7     12   0.195(0.400)     0.035微小积屑
5-4 TiN层(5nm)和AlN层(3nm)的交互多层叠层(超晶格叠层化合物膜)   3 Al2O3   4   7 TiN层(5nm)和AlN层(3nm)的交互多层叠层(超晶格叠层化合物膜)   4 Al2O3     7     11   0.155(0.380)(0.380)     0.040微小积屑微小积屑
5-5 TiN层(5nm)和AlN层(3nm)的交互多层叠层(超晶格叠层化合物膜)   3 将TiCN(0.3μm)和Al2O3(0.7μm)交互叠层   7   10 TiN层(5nm)和AlN层(3nm)的交互多层叠层(超晶格叠层化合物膜)   4 TiCN(0.3μm)和Al2O3(0.7μm)交互叠层     7     11   0.165(0.360)(0.360)     0.045
5-6 - -    - TiN层(5nm)和AlN层(3nm)的交互多层叠层   4 TiCN(0.3μm)和Al3O3(0.7μm)交互叠层     7     11   0.275(0.300)     0.050
注：后刀面磨损幅度栏的(  )内数值表示边界磨损。
          表8
  试样No.     被覆层的构成和层厚 后刀面磨损幅度(mm)    月牙洼磨损幅度(mm)
后刀面 前刀面
组    成   平 均全层厚(μm) 组    成   平  均全层厚(μm)
  5-7   TiCN     9  TiCN     14   0.275(0.345)     0.075
  5-8   TiN层(5nm)和AlN层(3nm)的交互多层积层(超晶格叠层化合物膜)     8 TiN层(5nm)和AlN层(3nm)的交互多层叠层(超晶格叠层化合物膜)     13   0.155(0.350)     0.065
  5-9   图8B所示形状的钎焊刀头   切削开始之后钎焊立即脱落
  5-10   CBN烧结体和硬质合金制中间层之间界面处无界面层的、图5所示形状的切削用烧结体刀头   14分钟后CBN烧结体和中间层的界面处剥离
注：后刀面磨损幅度栏内的(  )内的数值表示边界磨损。
由试样5-1、5-2的结果可知，前刀面的被覆层厚以0.1-15μm为适宜。而由试样5-1和5-3～5-8的结果可知，对于抑制月牙洼的磨损来说，Al2O3最为适宜，另外还知道Al2O3层和TiCN层2层以上叠层的多层膜由于耐积屑性优良而更加适宜。由试样5-6的结果可知，仅在前刀面被覆可减轻边界磨损。由试样5-9、5-10的结果可知，在象本实施例进行切削阻力高的切削场合，在由硬质合金构成的中间层与CBN烧结体的界面处形成由高熔点金属Ti构成的界面层时，具有优良的强度。
实施例7
在由实施例4和实施例6中所用的金刚石烧结体或CBN烧结体构成的切削用烧结体刀头的后刀面和前刀面上，逐个被覆8μm TiCN层，使用这样的烧结体刀头进行以下的切削试验、首先，作为被切削材使用FCD 550材和16％ Si-Al合金以2∶3的切削比例组合的圆棒，其外圆切削速度为250m/分，进刀量0.25mm，送刀量O.2mm/转，干式切削15分钟。为进行比较，还对没有被覆层的实施例4和实施例6所用的由金刚石烧结体或CBN烧结体所构成的切削用烧结体刀头进行切削试验，其结果列于表9中。
       表9
  试样No. 切削用烧结体刀头的种类   后刀面磨损幅度
    6-1 使用CBN烧结体的切削用烧结体刀头 5分钟时产生缺损
    6-2 使用CBN烧结体的被覆切削用烧结体刀头   0.125
    6-3 使用金刚石烧结体的切削用烧结体刀头   0.278
    6-4 使用金钢石烧结体的被覆切削用烧结体刀头   0.118
由试样6-1～6-4的结果可知，通过在使用金刚石烧结体或CBN烧结体的切削用烧结体刀头上施加被覆处理，使得在铁系材料和非铁材料的共切削中，提供了优良的刀具寿命。
此外，上述各实施例中所说明的切削用烧结体刀头的结构及其制造方法，不过是为展示有代表性的实施例，在不超出权利要求范围中记载的与本发明等同范围的界限之内，可采取其它种种方式是不言而喻的。

Claims (15)

1.切削用烧结体刀头，其特征在于，它是覆合烧结体刀头，具有由选自硬质合金，铁系金属和高熔点金属的材料构成的中间层以及与上述中间层烧结接合的，由含立方晶氮化硼或金刚石的硬质烧结体构成的第1层和第2层，上述中间层配置在被该两层由上、下两侧夹住的位置，其正面和背面构成前刀面，与切削有关的全部刀尖R和后刀面在第1层和第2层上形成，上述中间层包含前刀面的重心部和刀头整体的重心。
2.权利要求1记载的切削用烧结体刀头，其中，在上述中间层与上述第1及第2层的界面上，具有选自由周期表4a、5a和6a族元素组成的组中的至少1种金属或由选自该组的至少1种金属的氮化物、碳化物、氧化物及其固溶体中选择的至少1种化合物的层。
3.权利要求1或2记载的切削用烧结体刀头，其中，上述第1和第2层的上下方向的厚度分别为1.0mm以上、4.0mm以下。
4.权利要求1或2记载的切削用烧结体刀头，其中，上述复合烧结体刀头的厚度，即构成前刀面的正面与背面间的距离为1.5mm以上、5.0mm以下。
5.权利要求1至3中任一项记载的切削用烧结体刀头，其中，仅在前刀面上，或在前刀面和后刀面两个表面上，形成选自由周期表4a、5a、6a族元素和Al、Si、B元素组成的组中的至少1种元素或由选自该组中的至少1种金属的氮化物、碳化物、氧化物及其固溶体中选择的至少1种化合物构成的被覆层。
6.权利要求5记载的切削用烧结体刀头，其中，上述被覆层由(Ti，Al)N膜构成。
7.权利要求5记载的切削用烧结体刀头，其中，上述被覆层由具有TiN层和AlN层反复叠层的结构、作为整体具有立方晶型的X射线衍射图、叠层的各层厚度为0.2nm以上、20nm以下的超晶格叠层化合物构成。
8.权利要求5记载的切削用烧结体刀头，其中，上述被覆层由至少具有TiN层和AlN层2层、构成上述被覆层的各层由粒径1nm以上、50nm以下的超微粒子构成、上述各层厚度为1nm以上、60nm以下的超微粒叠层膜构成。
9.权利要求5记载的切削用烧结体刀头，其中，上述被覆层由选自Ti的氮化物、碳化物、氧化物及其固溶体中的至少一种化合物构成。
10.权利要求6至9中任一项记载的切削用烧结体刀头，其中，在上述被覆层的表面上被覆Al2O3单层膜或被覆将Al2O3层和TiCN层2层以上叠层的多层膜。
11.权利要求6至9中任一项记载的切削用烧结体刀头，其中，仅在上述被覆层中的前面上形成的部份表面上，被覆Al2O3单层膜或被覆将Al2O3层和TiCN层2层以上叠层的多层膜。
12.权利要求6至8中任一项记载的切削用烧结体刀头，其中，在构成上述被覆层的叠层的层中的最外层是TiN层。
13.权利要求6至12中任一项记载的切削用烧结体刀头，其中，上述被覆层的合计膜厚，在构成前刀面的位置为0.1μm以上、15μm以下，在构成后刀面的位置为0.1μm以上、10μm以下。
14.切削用烧结体刀头的制造方法，其特征在于，该方法具有以下工序：
形成具有由含立方晶氮化硼或金刚石的硬质烧结体构成的上层和下层，以及由选自硬质合金、铁系金属和高熔点金属所构成的组中的材料构成的、夹在上述上层和下层之间的中间层的叠层状烧结体的工序；
对上述叠层状烧结体进行电火花加工，沿与上述上层和下层垂直并彼此垂直的4个面切断，切出上述上层、中间层和下层沿纵向排列的立方体的复合烧结体的工序；以及
对切出的上述复合烧结体刀头进行研磨加工或电火花加工，按照与切削有关的全部刀尖R和后刀面由上述上层和下层构成，上述中间层包含前刀面的重心部和刀头整体的重心的方式形成切削用烧结体刀头的工序。
15.权利要求14记载的切削用烧结体刀头的制造方法，其中，还具有以下工序，即采用物理镀膜方法或化学镀膜方法，在烧结体刀头的仅前刀面上或在前刀面和后刀面两个面上，形成选自由周期表4a、5a、6a族元素、Al、Si和B构成的组中的至少1种金属或选自该组的至少1种元素的氮化物、碳化物、氧化物及其固溶体中的至少一种化合物所构成的被覆层。
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