CN117326873A - 立方氮化硼烧结体和涂覆立方氮化硼烧结体 - Google Patents

立方氮化硼烧结体和涂覆立方氮化硼烧结体 Download PDF

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Abstract

提供一种因具有优异的耐磨性和耐破损性从而可以延长工具寿命的立方氮化硼烧结体。立方氮化硼烧结体包括立方氮化硼和结合相，相对于烧结体的总量，立方氮化硼的含量为81体积％以上95体积％以下；相对于烧结体的总量，结合相的含量为5体积％以上19体积％以下；相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的Al含量为0.5质量％以上5质量％以下；相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的W含量为2质量％以上10质量％以下；相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的V含量为2质量％以上8质量％以下；相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的Cr含量为0质量％以上5质量％以下。

Description

立方氮化硼烧结体和涂覆立方氮化硼烧结体
技术领域
本发明涉及立方氮化硼烧结体和涂覆立方氮化硼烧结体。
背景技术
立方氮化硼(以下也称为“cBN”)具有仅次于金刚石的高硬度和优异的导热性。而且与金刚石相比，立方氮化硼具有与铁的亲和性差的特征。因此，由金属或陶瓷的结合相与立方氮化硼构成的立方氮化硼烧结体用于切削工具或耐磨损工具等。
烧结金属的成形性佳，通常具有复杂的形状，因此，在利用工具进行加工时，容易因热冲击而在工具上产生破损。而且，由于烧结金属包括硬质颗粒，所以工具容易磨损。因此，通常将立方氮化硼用于烧结金属的加工中，特别是对立方氮化硼含有率高的立方氮化硼烧结体进行了大量的研究。
例如，专利文献1中公开了一种cBN烧结体，其中，cBN占40～80面积％(面积百分比)，结合相具有α相和β相，α相是(Ti1-xVx)(C1-yNy)，其平均成分为x＝0.30～0.70，y＝0.00～0.50，在结合相中占70～97面积％；β相是平均粒径为0.05～0.40μm的Al的氧化物、氮化物、硼化物的一种，在结合相中占3～20面积％；α相具有A领域和B领域，A领域是(Ti1-xAVxA)(C1-yANyA)，其中，xA＝0.10～0.30，yA＝0.00～0.50，B领域是(Ti1-xBVxB)(C1-yBNyB)，其中，xB＝0.70～0.90，yB＝0.00～0.50，A领域与B领域的和为α相的50面积％以上。
另外，例如，专利文献2中公开了一种cBN基烧结体，其是一种高强度cBN基烧结体，含有(Ti1-xVx)(C1-yNy)(x:0.1～0.4，y:0.1～0.5)(以下称为A成分)、Ti的碳化物，氮化物和碳氮化物中的一种或两种以上(以下称为B成分)、V的碳化物，氮化物和碳氮化物中的一种或两种以上(以下称为C成分)，其中，所含有的A成分为10～40容量％(容量百分比)，B成分为2～10容量％，C成分为2～10容量％，但是B成分+C成分为6～20容量％，A成分/B成分+C成分为1.5～7容量％，其余为立方氮化硼，由所述cBN基烧结体制备的切削工具中还含有1～10容量％的Al2O3、AlN、AlB2中的一种或两种以上。
此外，例如，专利文献3中公开了一种立方氮化硼烧结体，其特征在于，由85～95体积％(体积百分比)的立方氮化硼、5～15体积％的结合相和不可避免的杂质构成，结合相是由选自Al，V、Cr、Mn、Co、Ni、Nb和Mo组成的群组中的元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物及其相互固溶体构成的群组中的三种以上的化合物构成；相对于立方氮化硼烧结体的总质量，立方氮化硼烧结体中包含的铝元素量为0.5～5质量％(质量百分比)；但结合相不包含金属单质和合金。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2021-151943号公报
专利文献1：日本专利公开H09-136203号公报
专利文献1：国际专利公开第2013/069657号
技术课题
近年来，在切削加工中进一步追求高效率化，因此高速化、高进给化及深度切入变得更加显著。伴随这样的倾向，在烧结金属的高速加工中，也追求可以具有优异的耐磨性和耐破损性以及较长的工具寿命的立方氮化硼烧结体。
在这样的背景下，在专利文献1所记载的立方氮化硼烧结体中，立方氮化硼的比例较低，耐磨性不足。另外，在专利文献2所记载的立方氮化硼基烧结体和专利文献3所记载的立方氮化硼烧结体中，结合相作为Ti和V以外的金属元素，不包含W，因此有些情况下韧性不足，耐破损性容易降低。
本发明目的在于提供一种立方氮化硼烧结体，其具有优异的耐磨性和耐破损性，从而可以延长工具寿命。
发明内容
本发明人对延长工具寿命进行了反复研究，发现将立方氮化硼烧结体设为特定的结构，即可提高其耐磨性和耐破损性，进而能够延长工具寿命，从而完成了本发明。
本发明的主旨如下所示。
[1]一种立方氮化硼烧结体，包括立方氮化硼和结合相，
相对于所述烧结体的总量，所述立方氮化硼的含量为81体积％以上95体积％以下；
相对于所述烧结体的总量，所述结合相的含量为5体积％以上19体积％以下；
相对于所述烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，所述结合相中包含的Al含量为0.5质量％以上5质量％以下；
相对于所述烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，所述结合相中包含的W含量为2质量％以上10质量％以下；
相对于所述烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，所述结合相中包含的V含量为2质量％以上8质量％以下；
相对于所述烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，所述结合相中包含的Cr含量为0质量％以上5质量％以下。
[2]根据[1]所述的立方氮化硼烧结体，其中，在所述结合相中，第一材料S1由包含W的化合物构成，第二材料S2由不包含W包含V的化合物构成，所述第一材料S1的含量(体积％)与所述第一材料S1和所述第二材料S2的总含量(体积％)的比(S1/(S1+S2))为0.35以上1以下。
[3]根据[2]所述的立方氮化硼烧结体，其中，相对于所述结合相的总量，所述第一材料S1和所述第二材料S2的总含量(体积％)为35体积％以上97体积％以下。
[4]根据[1]至[3]的任一项所述的立方氮化硼烧结体，其中，所述立方氮化硼的平均粒径为0.5μm以上3.0μm以下。
[5]一种涂覆立方氮化硼烧结体，包括[1]至[3]的任一项所述的立方氮化硼烧结体，和形成于该立方氮化硼烧结体的表面的涂层，
所述涂层的平均厚度为0.5μm以上5.0μm以下。
根据本发明，可提供一种立方氮化硼烧结体，其具有优异的耐磨性和耐破损性，从而可以延长工具寿命。
具体实施方式
下面，对本发明的实施方式(以下，简称为“本实施方式”)进行详细说明，但本发明不限于下述本实施方式。本发明在不脱离其主旨范围内可进行各种各样的变形。
[立方氮化硼烧结体]
本实施方式的立方氮化硼烧结体包括立方氮化硼(以下也称为“cBN”)和结合相，相对于烧结体的总量，cBN的含量为81体积％以上95体积％以下；相对于烧结体的总量，结合相的含量为5体积％以上19体积％以下；相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的Al含量为0.5质量％以上5质量％以下；相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的W含量为2质量％以上10质量％以下；相对于上述烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的V含量为2质量％以上8质量％以下；相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的Cr含量为0质量％以上5质量％以下。
本实施方式的立方氮化硼烧结体通过上述结构，可提高耐磨性和耐破损性，从而可以延长工具寿命。
关于本实施方式的立方氮化硼烧结体提高工具的耐磨性和耐破损性并延长工具寿命的主要原因，虽然不清楚具体原因，但是本发明人认为其主要原因如下所示，但并不限于此。即，在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使cBN的含量为81体积％以上，从而使得结合相的占比相对较低，因此硬度提高，耐磨性较为优异。另一方面，在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使cBN的含量为95体积％以下，从而可以抑制cBN粒子的脱落，使得耐磨性优异。进而，在切削加工中，工件的加工面的表面粗糙度变小，加工后的外观也趋于良好。
此外，在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使结合相的含量为5体积％以上，从而可以抑制cBN粒子的脱落，使得耐磨性优异。另一方面，在立方氮化硼烧结体中，通过使结合相的含量为19体积％以下，从而相对提高cBN的含量占比，使得硬度提高，因而耐磨性优异。
在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使结合相中包含的Al含量为0.5质量％以上，通过使Al元素与cBN粒子表面的氧原子反应，从而抑制cBN粒子的脱落。另外，在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使结合相中包含的Al含量为5质量％以下，从而抑制Al氮化物和Al硼化物的形成，使得耐磨性优异。在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使结合相中包含的W含量为2质量％以上，从而提高结合相的韧性，使得耐破损性优异。另一方面，在立方氮化硼烧结体中，通过使W含量为10质量％以下，从而抑制结合相的硬度低下，使得耐磨性优异。此外，在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使结合相中包含的V含量为2质量％以上，从而可以促进W元素向结合相整体扩散，提高结合相的韧性，使得耐破损性优异。另一方面，在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使V含量为8质量％以下，从而提高立方氮化硼烧结体的烧结性。在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使结合相中包含的Cr含量为0质量％以上，从而在包含Cr的情况下，得到立方氮化硼烧结体的烧结性提高的效果。另一方面，在立方氮化硼烧结体中，通过使Cr的含量为5质量％以下，从而提高结合相的韧性，使得耐破损性优异。
上述效果相辅相成，使得本实施方式的立方氮化硼烧结体可以提高耐磨性和耐破损性，且延长工具寿命。
本实施方式的立方氮化硼烧结体包括cBN和结合相。相对于烧结体的总量，cBN的含量为81体积％以上95体积％以下。相对于烧结体的总量，结合相的含量为5体积％以上19体积％以下。再者，在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，cBN和结合相的总含量为100体积％。
[立方氮化硼(cBN)]
在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使cBN的含量为81体积％以上，从而使得结合相的占比相对较低，因此硬度提高，耐磨性较为优异。另一方面，在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使cBN的含量为95体积％以下，从而可以抑制cBN粒子的脱落，使得耐磨性优异。从同样的角度来看，cBN的含量优选为83体积％以上93体积％以下，更优选为85体积％以上91体积％以下。
在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，可以通过扫描电子显微镜(SEM)拍摄任意截面，然后通过市售的图像分析软件分析所拍摄的结构照片来求出cBN和结合相的含量(体积％)。具体地，可以通过后述的实施例中记载的方法求出。
在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，cBN的平均粒径优选为0.5μm以上3.0μm以下。在立方氮化硼烧结体中，通过使cBN的平均粒径为0.5μm以上，从而可以抑制cBN粒子的脱落，另外，通过使cBN的平均粒径为3.0μm以下，从而提高机械强度，使得耐破损性趋于优异。从同样的角度来看，cBN的平均粒径更优选为0.5μm以上2.5μm以下，进一步优选为0.5μm以上2.0μm以下。
在本实施方式中，作为示例，cBN的平均粒径可通过以下方式求得。
通过SEM拍摄立方氮化硼烧结体的截面结构。通过分析所拍摄的结构照片来求出cBN粒子的面积，求出面积与该cBN粒子的面积相等的圆的直径并将其作为cBN的粒径。
求出多个cBN粒子的粒径的平均值并将其作为cBN的平均粒径。可以使用市售的图像分析软件对立方氮化硼烧结体的截面结构的图像进行分析求得cBN的平均粒径。具体地，可以通过后述的实施例中记载的方法求出。
[结合相]
在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使结合相的含量为5体积％以上，从而可以抑制cBN粒子的脱落，使得耐磨性优异。另一方面，在立方氮化硼烧结体中，通过使结合相的含量为19体积％以下，从而相对提高cBN的含量占比，使得硬度提高，因而耐磨性优异。从同样的角度来看，结合相的含量优选为7体积％以上17体积％以下，更优选为9体积％以上15体积％以下。
在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的Al含量为0.5质量％以上5质量％以下；相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的W含量为2质量％以上10质量％以下；相对于所述烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的V含量为2质量％以上8质量％以下；相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的Cr含量为0质量％以上5质量％以下。
在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使结合相中包含的Al含量相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％为0.5质量％以上，通过使Al元素与cBN粒子表面的氧原子反应，从而抑制cBN粒子的脱落。另外，在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使结合相中包含的Al含量为5质量％以下，从而抑制Al氮化物和Al硼化物的形成，使得耐磨性优异。从同样的角度来看，结合相中包含的Al含量优选为0.5质量％以上3.5质量％以下，更优选为0.5质量％以上2质量％以下。
在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使结合相中包含的W含量相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％为2质量％以上，从而提高结合相的韧性，使得耐破损性优异。另一方面，在立方氮化硼烧结体中，通过使W含量为10质量％以下，从而抑制结合相的硬度低下，使得耐磨性优异。从同样的角度来看，结合相中包含的W含量优选为2质量％以上9质量％以下，更优选为2质量％以上8质量％以下。
在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使结合相中包含的V含量相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％为2质量％以上，从而可以促进W元素向结合相整体扩散，提高结合相的韧性，使得耐破损性优异。另一方面，在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使V含量为8质量％以下，从而提高立方氮化硼烧结体的烧结性。从同样的角度来看，结合相中包含的V含量优选为2.5质量％以上8质量％以下，更优选为3质量％以上8质量％以下。
在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，通过使结合相中包含的Cr含量相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％为0质量％以上，从而在包含Cr的情况下，得到立方氮化硼烧结体的烧结性提高的效果。另一方面，在立方氮化硼烧结体中，通过使Cr的含量为5质量％以下，从而提高结合相的韧性，使得耐破损性优异。从同样的角度来看，结合相中包含的Cr含量优选为0质量％以上4.4质量％以下，更优选为0质量％以上3.8质量％以下。
在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，结合相中可以包括上述以外的其它元素。其他元素具体可列举Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Mn、Fe、Co、Ni等，但并不限于这些，优选为Ti、Mo、Ta、Co、Ni，更优选为Ti、Co。
例如，这些其他元素源自球磨机用的筒体或球、填充所用的高熔点金属胶囊等，可以是不可避免地含有，也可以有意地添加。另外，上述其它元素的含量并无特别限定，例如，相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，上述其它元素的含量可以为0质量％以上10质量％以下。
在用于本实施方式的结合相中，第一材料S1由包含W的化合物构成，第二材料S2由不包含W包含V的化合物构成，上述第一材料S1的含量(体积％)与第一材料S1和第二材料S2的总含量(体积％)的比(S1/(S1+S2))优选为0.35以上1以下。在立方氮化硼烧结体中，通过使(S1/(S1+S2))为0.35以上，从而提高结合相的韧性，使得耐破损性趋于优异。从同样的角度来看，上述比(S1/(S1+S2))更优选为0.40以上1以下，进一步优选为0.45以上1以下，更进一步优选为0.76以上1以下。
其中，作为构成第一材料S1和第二材料S2的化合物，优选包括选自由碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及其固溶体组成的群组中的至少一种，更优选包括选自由碳化物、氮化物、硼化物及其固溶体组成的群组中的至少一种，进一步优选包括选自由碳化物、氮化物及其固溶体组成的群组中的至少一种。
在用于本实施方式的结合相中，相对于结合相的总量，上述第一材料S1和上述第二材料S2的总含量(体积％)优选为35体积％以上97体积％以下。在立方氮化硼烧结体中，通过使第一材料S1和第二材料S2的总含量为35体积％以上，从而提高结合相的韧性，使得耐破损性趋于优异。另外，在立方氮化硼烧结体中，通过使上述总含量为97体积％以下，使得制备趋于容易。从同样的角度来看，第一材料S1和第二材料S2的总含量更优选为45体积％以上97体积％以下，进一步优选为50体积％以上97体积％以下，更进一步优选为74体积％以上97体积％以下。
再者，结合相中除了包含第一材料S1和第二材料S2之外，还可以包含其他材料，第一材料S1、第二材料S2及其他材料的总含量为100体积％。例如，第一材料S1和第二材料S2的总含量为35体积％时，剩余的65体积％为其他材料。所述其他材料由不包含W和V的金属和化合物中的任一种或两种构成。
由包含W的化合物构成的第一材料S1的具体示例并无特别限定，例如可列举WC、Co3W3C、W2Co21B6、CoWB、W2C、WB等，优选为WC。另外，通过提高比(S1/(S1+S2))，从而提高结合相的韧性，使得耐破损性趋于优异，因此作为由包含W的化合物构成的第一材料S1，优选在作为所述第一材料S1的具体示例所列举出的化合物中进一步固溶V的材料。此外，上述之外的第一材料S1并无特别限定，例如可列举固溶有W的VC、VN、V(C、N)、VB，优选为固溶有W的VC、VN、V(C、N)。
另外，由不包含W包含V的化合物构成的第二材料S2的具体示例并无特别限定，例如可列举VC、VN、V(C、N)、VB等，优选为VC、VN。
此外，上述其他材料的具体示例并无特别限定，例如可列举Al、AlN、AlB2、Al2O3、CrN、Cr2N、Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6、Cr2O3、CrB2、TiN、TiC、Ti(C,N)、TiB2、Co、Co5.47N、CoN等，优选为Al2O3、Cr2N、Cr3C2、TiN、Co。
在本实施方式的立方氮化硼烧结体中，可以通过市售的图像分析软件对利用扫描电子显微镜(SEM)拍摄的立方氮化硼烧结体的结构照片进行分析并求出立方氮化硼和结合相的含量(体积％)。更具体地，对立方氮化硼烧结体在与其表面正交的方向上进行镜面抛光。然后使用SEM观察镜面抛光后呈现的立方氮化硼烧结体的镜面抛光面的背散射电子像。此时，在SEM上利用背散射电子像观察放大了1000～20000倍的立方氮化硼烧结体的镜面抛光面。通过使用附属于SEM的能量分散型X射线分析装置(EDS)，可以将黑色区域确定为立方氮化硼，将灰色区域和白色区域确定为结合相。之后，使用SEM拍摄立方氮化硼的上述截面的结构照片。使用市售的图像分析软件对得到的结构照片进行分析，分别求出立方氮化硼和结合相的占有面积，根据其占有面积求出其含量(体积％)。
另外，在本实施方式中，在与为求出上述立方氮化硼和结合相的含量(体积％)而利用扫描电子显微镜(SEM)拍摄的立方氮化硼烧结体的结构照片相同的观察视野中，可以使用能量分散型X射线分析装置(EDS)求出结合相中各元素的含量(质量％)。更具体地，在上述放大的镜面抛光面的整体观察视野中进行EDS分析，算出当立方氮化硼烧结体中所包含的所有元素的总计为100质量％时的各元素的含量占比(质量％)。
此处，立方氮化硼烧结体的镜面抛光面是通过对立方氮化硼烧结体的表面或任意截面进行镜面抛光而获得的立方氮化硼烧结体的截面。作为获得立方氮化硼烧结体的镜面抛光面的方法，例如可列举使用金刚石研磨膏进行抛光的方法。
结合相的成分可使用市售的X射线衍射装置进行鉴别。例如，使用Rigaku株式会社制造的X射线衍射装置(产品名称“RINT TTRIII”)，在下列条件下进行利用Cu﹣Kα射线的2θ/θ聚焦法光学系统的X射线衍射测量，可鉴别结合相的成分。此处，测量条件可以如下所示：
<测量条件的示例>
·输出功率：50kV、250mA；
·入射侧梭拉狭缝：5°；
·发散纵向狭缝：1/2°；
·发散纵向限位狭缝：10mm；
·散射狭缝：2/3°；
·受光侧梭拉狭缝：5°；
·受光狭缝：0.15mm；
·BENT单色仪；
·受光单色狭缝：0.8mm；
·取样宽度：0.02°；
·扫描速度：1°/分；
·2θ测量范围：30～90°。
再者，在本实施方式中，立方氮化硼和结合相的含量以及结合相的成分可以通过后述的实施例中记载的方法来测得。具体地，可以通过分析X射线分析装置的测定结果和使用EDS的元素映射结果来确定结合相的成分。
[涂覆立方氮化硼烧结体]
本实施方式的涂覆立方氮化硼烧结体包含上述立方氮化硼烧结体和形成于该立方氮化硼烧结体的表面的涂层。
通过在立方氮化硼烧结体的表面上形成涂层，进一步提高立方氮化硼烧结体的耐磨性。优选地，涂层包括选自由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al和Si组成的群组中的至少一种元素以及选自由C、N、O和B组成的群组中的至少一种元素。另外，涂层可以具有单层结构，或具有包括两层以上的层叠结构。当涂层有这样的结构时，本实施方式的涂覆立方氮化硼烧结体的耐磨性进一步提高。
形成涂层的化合物的示例并无特别限定，例如，可列举TiN、TiC、TiCN、TiAlN、TiSiN和AlCrN等。其中，优选为TiCN、TiAlN和AlCrN。涂层可以具有成分不同的多个层层叠的结构。在这种情况下，各层的平均厚度例如优选为0.3μm以上4.5μm以下。
涂层整体的平均厚度优选为0.5μm以上5.0μm以下。在本实施方式的涂覆立方氮化硼烧结体中，当涂层整体的平均厚度为0.5μm以上时，耐磨性趋于提升。另一方面，当涂层整体的平均厚度为5.0μm以下时，趋于可以抑制因剥离产生破损。从同样的角度来看，涂层整体的平均厚度更优选为0.5μm以上4.0μm以下，进一步优选为1.0μm以上3.0μm以下。
构成涂层的各层的厚度和涂层整体的厚度可通过使用光学显微镜、SEM、透射电子显微镜(TEM)等对涂覆立方氮化硼烧结体的截面结构进行观察而测得。再者，可以从与金属蒸发源相对的面的刀刃朝向该面的中心部50μm的位置附近的3个以上的截面测量各层的厚度和涂层整体的厚度，计算出其平均值，从而求出涂覆立方氮化硼烧结体中的各层的平均厚度和涂层整体的平均厚度。
此外，构成涂层的各层的成分可通过使用EDS或波长分散型X射线分析装置(WDS)等对涂覆立方氮化硼烧结体的截面结构进行分析来测得。
本实施方式的涂覆立方氮化硼烧结体中的涂层的制备方法并无特别限定，例如，可列举化学气相沉积法，离子镀法、电弧离子镀法、溅射法和离子混合法等物理气相沉积法。其中，电弧离子镀法使得涂层与立方氮化硼烧结体的粘着性更加优异，因此更优选电弧离子镀法。
由于本实施方式的立方氮化硼烧结体或涂覆立方氮化硼烧结体具有优异的耐磨性和耐破损性，因此，优选地，将其用作切削工具或耐磨损工具，其中，优选将其用作切削工具。更优选地，将本实施方式的立方氮化硼烧结体或涂覆立方氮化硼烧结体用作烧结金属专用切削工具或铸铁专用切削工具。当本实施方式的立方氮化硼烧结体或涂覆立方氮化硼烧结体用作切削工具或耐磨损工具时，和以往相比，可以延长工具寿命。
本实施方式的立方氮化硼烧结体例如可以通过以下方法制备。
准备cBN粉末、Al粉末、WC粉末、VC粉末、VN粉末、Cr2N粉末、Cr3C2粉末、TiN粉末和Co粉末作为原料粉末。此处，通过适当调整原料中cBN粉末的平均粒径，可以将获得的立方氮化硼烧结体中的cBN的平均粒径控制在上述特定范围内。另外，通过适当调整各原料粉末的比例，可以将获得的立方氮化硼烧结体中的cBN和结合相的含量控制在上述特定范围内。然后，将准备好的原料粉末与超硬合金球、溶剂和石蜡一起放入球磨机用的筒体中混合。将在球磨机中混合的原料粉末填充到Ta制的高熔点金属胶囊内，为去除吸附于粉末表面的水分和其它附着成分，在打开胶囊的状态下进行真空热处理。
然后密封胶囊，用高压来烧结填充在胶囊内的原料粉末。往胶囊内进行填充时，优选在其底面放入由超硬合金构成的基材。从而可以制作具有由超硬合金构成的基材的立方氮化硼烧结体，工具的耐磨性和/或耐破损性趋于进一步提高。关于高压烧结的条件，例如，压力：7.0～8.0GPa、温度：1900～2050℃、烧结时间：30～50分。
在用于本实施方式的结合相中，第一材料S1由包含W的化合物构成，第二材料S2由不包含W包含V的化合物构成，提高上述第一材料S1的含量(体积％)与第一材料S1和第二材料S2的总含量(体积％)的比(S1/(S1+S2))的方法，并无特别限定，例如可列举以下方法：在立方氮化硼烧结体的制备工序中，在填充原料粉末的胶囊内放入由超硬合金构成的基材；提高烧结温度；减少cBN的含量占比；增大cBN的平均粒径；提高Al含量；以及在包含Cr的情况下减少Cr含量等。
另外，提高上述第一材料S1和上述第二材料S2的总含量(体积％)的方法，并无特别限定，例如可列举以下方法：在立方氮化硼烧结体的制备工序中，使用放入了由超硬合金构成的基材的胶囊作为填充原料粉末的胶囊；提高烧结温度；减少cBN的含量占比；增大cBN的平均粒径；提高W含量；以及在包含Cr的情况下减少Cr含量等。
另外，可以利用线切割放电加工机或激光切割加工机等将本实施方式的立方氮化硼烧结体加工成既定形状，制造具有立方氮化硼烧结体的切削工具或耐磨损工具。
【实施例】
下面，通过实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限定于这些实施例。
(实施例1)
[原料粉末的调制]
将立方氮化硼粉末、Al粉末、WC粉末、VC粉末、VN粉末、Cr2N粉末、Cr3C2粉末、TiN粉末和Co粉末按照表1所示的比例混合。cBN粉末、VC粉末和VN粉末的平均粒径如表1所示。此外，Al粉末、WC粉末、Cr2N粉末、Cr3C2粉末、TiN粉末和Co粉末の平均粒径分别为1.8μm、2.0μm、6.0μm、6.0μm、1.5μm、1.5μm。原料粉末的平均粒径通过美国材料与试验协会(ASTM)标准B330中记载的费氏微粒测量仪法(Fisher Sub-Sieve Sizer，FSSS)进行测量。再者，表1中的“-”表示由于不包含所记载的栏对应的原料，所以该栏没有值。
表1
[混合工序]
将原料粉末与己烷溶剂、石蜡、超硬合金球一起放入球磨机用的筒体中并进一步混合。
[填充工序和干燥工序]
将混合后的原料粉末填充到Ta制的高熔点金属的圆盘状胶囊内。另外，在填充原料粉末时，对于发明物3～5及比较物1，使用在底面放有由超硬合金构成的基材的胶囊，除此以外，使用未放有由超硬合金构成的基材的胶囊。作为由超硬合金构成的基材，使用具有93.5质量％的WC、6.0质量％的Co、0.5质量％的Cr3C2的材料。接着，在打开胶囊的状态下进行真空热处理，去除吸附于粉末表面的水分和其它附着成分后，将胶囊密封。
[高压烧结]
然后，用高压烧结填充在胶囊内的原料粉末。高压烧结的条件如表2所示。
表2
[测量和分析]
关于通过高压烧结得到的立方氮化硼烧结体，通过市售的图像分析软件对利用扫描电子显微镜(SEM)拍摄的立方氮化硼烧结体的结构照片进行分析，求出立方氮化硼和结合相的含量(体积％)。更具体地，对立方氮化硼烧结体在与其表面正交的方向上进行镜面抛光。然后使用SEM观察镜面抛光后呈现的立方氮化硼烧结体的镜面抛光面的背散射电子像。此时，在SEM上利用背散射电子像观察放大的立方氮化硼烧结体的镜面抛光面，且选择的放大倍数使得包含100个以上400个以下的立方氮化硼的粒子。通过使用附属于SEM的能量分散型X射线分析装置(EDS)，将黑色区域确定为立方氮化硼，将灰色区域和白色区域确定为结合相。之后，使用SEM拍摄立方氮化硼的上述镜面抛光面的结构照片。使用市售的图像分析软件，对得到的结构照片进行分析，分别求出立方氮化硼和结合相的占有面积，根据其占有面积求出其含量(体积％)。
此处，立方氮化硼烧结体的镜面抛光面是通过对立方氮化硼烧结体的表面或任意截面进行镜面抛光而获得的立方氮化硼烧结体的截面。获得立方氮化硼烧结体的镜面抛光面(以下也称为“截面”)的方法为使用金刚石研磨膏进行抛光。
另外，结合相的成分使用Rigaku株式会社制造的X射线衍射装置(产品名称“RINTTTRIII”)进行鉴别，具体地，通过分析在下列条件下进行利用Cu﹣Kα射线的2θ/θ聚焦法光学系统的X射线衍射测量所得到的结果、和使用EDS的元素映射结果，来鉴别结合相的成分。
<测量条件>
·输出功率：50kV、250mA；
·入射侧梭拉狭缝：5°；
·发散纵向狭缝：1/2°；
·发散纵向限位狭缝：10mm；
·散射狭缝：2/3°；
·受光侧梭拉狭缝：5°；
·受光狭缝：0.15mm；
·BENT单色仪；
·受光单色狭缝：0.8mm；
·取样宽度：0.02°；
·扫描速度：1°/分；
·2θ测量范围：30～90°。
具体地，通过上述方法的X射线衍射测量，确定出得到的立方氮化硼烧结体包含以下材料。
·Co3W3C、W2Co21B6和Co5.47N
·WC(除了发明物3、发明物4、发明物5和比较物1)
·VC(除了比较物12)
·VN(发明物2和发明物3)
·TiN和TiB2(发明物21和比较物12)
另外，关于包含W元素和/或V元素的化合物，通过使用EDS的元素映射，确定或推测出得到的立方氮化硼烧结体还包含以下材料。
·推测为Co3W3C和W2Co21B6的化合物还含有V元素的材料(除了比较物12)
·推测为WC的化合物还含有V元素的材料(除了发明物3、发明物4、发明物5、比较物1和比较物12)
·推测为VC的化合物还含有W元素的材料(除了比较物12)
·推测为VN的化合物还含有W元素的材料(发明物2和发明物3)
另外，关于包含Al元素的化合物和包含Cr元素的化合物，在X射线衍射测量中未得到清晰的峰，因此通过使用EDS的元素映射进行了鉴别。其结果，确定或推测出得到的立方氮化硼烧结体还包含以下材料。
·AlN、AlB2和Al2O3(除了比较物5)
·推测为Cr3C2、Cr7C3和Cr23C6的Cr碳化物、以及这些Cr碳化物还包含Co元素的材料(除了发明物12、发明物14和比较物9)
·推测为CrN和Cr2N的Cr氮化物、以及这些Cr氮化物还包含Co元素的材料(除了发明物12、发明物14、发明物20和比较物9)
·推测为上述Cr碳化物和Cr氮化物相互固溶的Cr碳氮化物的材料(除了发明物12、发明物14、发明物20和比较物9)
在获得用于求出上述cBN和结合相的含量占比的结构照片的观察视野中，进行使用EDS的元素映射，确认W和V的分布。通过图像分析得到的映射图像，算出由包含W的化合物构成的第一材料S1、和由不包含W包含V的化合物构成的第二材料S2所占的面积，并算出相对于结合相整体含量100体积％的S1和S2各自的含量(体积％)。在表3中示出S1含量与S1和S2的总含量之比(S1/(S1+S2))，以及S1和S2的总含量。
另外，通过对上述SEM拍摄的立方氮化硼烧结体的结构照片进行图像分析，求出cBN粒子的面积，并将面积与该cBN粒子的面积相等的圆的直径作为cBN的粒径。接下来，算出满足下述公式的关系的值作为D50，该D50为立方氮化硼烧结体中cBN的平均粒径。
(具有D50以下的粒径的cBN粒子所占的面积)/(所有的cBN粒子所占的面积)＝0.5
进而，如上所述，利用SEM观察上述截面，使用附属于SEM的EDS，求出结合相中的各元素的成分。
此外，在与为求出上述立方氮化硼和结合相的含量(体积％)而利用SEM拍摄的立方氮化硼烧结体的结构照片相同的观察视野中，使用EDS求出结合相中各元素的含量(质量％)。具体地，在上述放大的镜面抛光面的整体观察视野中进行EDS分析，算出当立方氮化硼烧结体中所包含的所有元素的总计为100质量％时的各元素的含量占比(质量％)。
将这些测量结果一起示出在表4中。
表3
表4
[切削工具的制作]
按照ISO标准CNGA120408中规定的刀片形状的工具形状，使用线切割放电加工机对所得到的立方氮化硼烧结体进行切割。将切割好的立方氮化硼烧结体焊接在由超硬合金构成的基底金属上。此时，在发明物3～5和比较物1中，所得到的立方氮化硼烧结体与上述超硬合金构成的基材一起焊接在基底金属上。对焊接的工具进行珩磨，从而得到切削工具。
[切削试验]
利用上述得到的切削工具，在下述条件下进行切削试验。
·被切削材料：SMF5040渗碳淬火金属(HRA70)；
·被切削材料形状：齿轮状、φ45mm(齿高8mm)×30mm；
·切削速度：150m/分钟；
·进给：0.1mm/rev；
·切削深度：0.2mm；
·冷却剂：无(干式切削加工)；
·评价项目：以直至后刀面的磨损宽度达到0.15mm时，或切削工具发生破损时作为工具寿命，测量到工具寿命为止的加工时间。用SEM分别观察达到工具寿命时的损伤形态。损伤形态“崩刃(chipping)”是指产生了微小的缺口，但在切削工具缺损之前，后刀面的磨损宽度达到了0.15mm。测定结果如表5所示。
表5
从表5所示的结果可知，发明物中的立方氮化硼烧结体包括立方氮化硼和结合相，相对于烧结体的总量，立方氮化硼的含量为81体积％以上95体积％以下；相对于烧结体的总量，结合相的含量为5体积％以上19体积％以下；相对于上述烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的Al含量为0.5质量％以上5质量％以下；相对于上述烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的W含量为2质量％以上10质量％以下；相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的V含量为2质量％以上8质量％以下；相对于烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，结合相中包含的Cr含量为0质量％以上5质量％以下，和与发明物不同的比较物相比，发明物具有更优异的切削性能和更长的工具寿命。
(实施例2)
接着，如表6所示，在实施例1中得到的发明物1、发明物4、发明物6和发明物7的立方氮化硼烧结体的表面上实施离子轰击热处理后，通过电弧离子镀法形成涂层。在形成第一层和第二层时，按照上述顺序在立方氮化硼烧结体的表面形成。其处理条件分别如下所示。另外，涂层的成分和平均厚度如下表6所示。再者，表6中“-”表示没有形成该层。
[离子轰击热处理的条件]
基材温度：500℃；
压力：2.7Pa的Ar气体环境；
电压：﹣400V；
电流：40A；
时间：30分钟。
[涂层形成条件]
基材温度：500℃；
压力：3.0Pa的氮(N2)气环境(氮化物层)、或者3.0Pa的氮(N2)气和乙炔(C2H2)气体的混合气体环境(碳氮化物层)；
电压：﹣60V；
电流：120A。
表6
使用表面形成有涂层的涂覆立方氮化硼烧结体，进行与实施例1相同的切削试验。其结果如下表7所示。
表7
从表7所示的结果可知，立方氮化硼烧结体如果在其表面形成涂层，则切削性能更为优异，工具寿命更长。
产业上的可利用性
本发明的立方氮化硼烧结体由于具有优异的耐磨性和耐破损性，与以往相比，可以延长工具寿命，在这一点上，在产业上的可利用性较高。

Claims (5)

1.一种立方氮化硼烧结体，包括立方氮化硼和结合相，
相对于所述烧结体的总量，所述立方氮化硼的含量为81体积％以上95体积％以下；
相对于所述烧结体的总量，所述结合相的含量为5体积％以上19体积％以下；
相对于所述烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，所述结合相中包含的Al含量为0.5质量％以上5质量％以下；
相对于所述烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，所述结合相中包含的W含量为2质量％以上10质量％以下；
相对于所述烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，所述结合相中包含的V含量为2质量％以上8质量％以下；
相对于所述烧结体中包含的所有元素的总计100质量％，所述结合相中包含的Cr含量为0质量％以上5质量％以下。
2.根据权利要求1所述的立方氮化硼烧结体，其中，在所述结合相中，第一材料S1由包含W的化合物构成，第二材料S2由不包含W包含V的化合物构成，所述第一材料S1的含量(体积％)与所述第一材料S1和所述第二材料S2的总含量(体积％)的比(S1/(S1+S2))为0.35以上1以下。
3.根据权利要求2所述的立方氮化硼烧结体，其中，相对于所述结合相的总量，所述第一材料S1和所述第二材料S2的总含量(体积％)为35体积％以上97体积％以下。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的立方氮化硼烧结体，其中，所述立方氮化硼的平均粒径为0.5μm以上3.0μm以下。
5.一种涂覆立方氮化硼烧结体，包括权利要求1至3的任一项所述的立方氮化硼烧结体，和形成于该立方氮化硼烧结体的表面的涂层，
所述涂层的平均厚度为0.5μm以上5.0μm以下。
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