本發(fā)明涉及一種立方晶氮化硼燒結(jié)體及切削工具。

背景技術(shù)：

立方晶氮化硼燒結(jié)體(以下，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為cBN燒結(jié)體。)具有優(yōu)異的耐摩耗性，因此被用作例如切削工具，尤其被廣泛用于加工鑄鐵、作為難切削材的燒結(jié)合金。例如在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中公開(kāi)了一種cBN燒結(jié)體，其包含立方晶氮化硼(cBN)相和含有W、Co、Al的結(jié)合相，并且以規(guī)定的比率含有B₆Co₂₁W₂作為結(jié)合相。另外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中公開(kāi)了一種cBN燒結(jié)體，其含有80重量％以上的cBN粒子，并且在結(jié)合相中添加了Co以及含有比率超過(guò)50重量％的Al。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)1：日本特開(kāi)2004－331456號(hào)公報(bào)

專(zhuān)利文獻(xiàn)2：日本特開(kāi)2013-538937號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

然而，即使為上述專(zhuān)利文獻(xiàn)1、2中記載的cBN燒結(jié)體，cBN粒子的脫粒也容易進(jìn)行而使耐摩耗性降低，例如用作切削工具時(shí)的耐摩耗性稱(chēng)不上充分。

用于解決課題的手段

本實(shí)施方式的立方晶氮化硼燒結(jié)體是含有85～97體積％的比例的立方晶氮化硼粒子和3～15體積％的比例的結(jié)合相的立方晶氮化硼燒結(jié)體，該立方晶氮化硼燒結(jié)體中的Al含量為0.1～5質(zhì)量％，Co含量相對(duì)于Al含量之比以質(zhì)量比(Co/Al)計(jì)為3～40，且具有Al₃B₆Co₂₀。

發(fā)明效果

根據(jù)本實(shí)施方式的立方晶氮化硼燒結(jié)體，結(jié)合相與立方晶氮化硼粒子的密合性提高，抑制立方晶氮化硼粒子的脫粒，從而使耐摩耗性高。其結(jié)果為：若將該立方晶氮化硼燒結(jié)體用于切削工具的切刃部，則可以提供耐摩耗性高且壽命更長(zhǎng)的切削工具。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)施方式的立方晶氮化硼燒結(jié)體的一例的X射線(xiàn)衍射數(shù)據(jù)。

圖2為以本實(shí)施方式的立方晶氮化硼燒結(jié)體作為切刃部的切削工具的一例的概略立體圖。

具體實(shí)施方式

立方晶氮化硼燒結(jié)體(cBN燒結(jié)體)含有85～97體積％的比例的立方晶氮化硼粒子(cBN粒子)和3～15體積％的比例的結(jié)合相，cBN燒結(jié)體中的Al含量為0.1～5質(zhì)量％，Co含量相對(duì)于Al含量之比以質(zhì)量比(Co/Al)計(jì)為3～40，且具有Al₃B₆Co₂₀。

由此，就本實(shí)施方式的cBN燒結(jié)體而言，結(jié)合相與cBN粒子的密合性提高，抑制cBN粒子的脫粒，從而使耐摩耗性較高。因此，在切刃部具有本實(shí)施方式的cBN燒結(jié)體的切削工具的耐摩耗性高，可以長(zhǎng)時(shí)間用于切削加工。另外，由于cBN燒結(jié)體的電阻率低，因此能夠進(jìn)行線(xiàn)放電加工。因此可以制作容易加工的切削工具。

若cBN粒子少于85體積％或結(jié)合相多于15體積％，則cBN燒結(jié)體的硬度降低，從而耐摩耗性降低。若cBN粒子多于97體積％或結(jié)合相少于3體積％，則結(jié)合相的密合力、即cBN粒子的保持力降低而使cBN粒子的脫粒變多，cBN燒結(jié)體的耐摩耗性降低。予以說(shuō)明，就本實(shí)施方式中的cBN燒結(jié)體的cBN粒子及結(jié)合相的體積比率而言，測(cè)定cBN燒結(jié)體的截面照片中的cBN粒子與結(jié)合相的面積比率，并將該二維面積比率視為與三維的體積比率相同來(lái)作為cBN粒子與結(jié)合相的體積比率。予以說(shuō)明，在測(cè)定中，在3個(gè)部位以上的多個(gè)部位測(cè)定面積比率，計(jì)算其平均值。cBN粒子的優(yōu)選的含有比率為90～96體積％。

在此，若cBN燒結(jié)體中的Al含量少于0.1質(zhì)量％，則不存在Al₃B₆Co₂₀，結(jié)合相的密合力降低，從而燒結(jié)體的耐摩耗性降低。若Al含量多于5質(zhì)量％，則難以進(jìn)行線(xiàn)放電加工。若Co含量相對(duì)于Al含量之比以質(zhì)量比(Co/Al)計(jì)低于3，則不存在Al₃B₆Co₂₀，且難以進(jìn)行線(xiàn)放電加工。若Co含量相對(duì)于Al含量之比以質(zhì)量比(Co/Al)計(jì)高于40，則結(jié)合相的密合性降低，從而使cBN燒結(jié)體的耐摩耗性變差。質(zhì)量比(Co/Al)的優(yōu)選的范圍為5～30。

在本實(shí)施方式中，從提高cBN燒結(jié)體的耐摩耗性及強(qiáng)度的方面出發(fā)，cBN粒子的平均粒徑為0.2～10μm、優(yōu)選為1～5μm、特別優(yōu)選為1.5μm～2.5μm的范圍。若為該范圍，則cBN燒結(jié)體的硬度變高且可以抑制cBN粒子的脫粒。予以說(shuō)明，本實(shí)施方式中的cBN粒子的粒徑的測(cè)定依據(jù)CIS－019D－2005中規(guī)定的超硬合金的平均粒徑的測(cè)定方法進(jìn)行測(cè)定。

結(jié)合相以填埋cBN粒子間的間隙之類(lèi)的狀態(tài)存在，處于混雜有多個(gè)結(jié)晶相、非結(jié)晶相的狀態(tài)。在本實(shí)施方式中，除cBN粒子以外的成分均為結(jié)合相。

在本實(shí)施方式中，如圖1的Cu－Kα線(xiàn)的X射線(xiàn)衍射數(shù)據(jù)所示，在cBN燒結(jié)體中的cBN的衍射峰(以下，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為cBN峰。有時(shí)對(duì)其他峰也同樣地進(jìn)行同樣簡(jiǎn)略。)中，歸屬于cBN的(111)面的峰(以下，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為cBN(111)峰。有時(shí)對(duì)其他峰也同樣地進(jìn)行簡(jiǎn)略。)的峰強(qiáng)度最強(qiáng)。作為歸屬于結(jié)合相的峰，存在Co(200)峰。

而且，根據(jù)本實(shí)施方式，在2θ＝38.5°、42.2°、45.0°、49.2°、51.3°等存在Al₃B₆Co₂₀峰。予以說(shuō)明，在這些峰中，2θ＝38.5°的峰與金屬Al的峰重疊。同樣，2θ＝49.2°、51.3°的峰與BCo的峰重疊。因此，在本實(shí)施方式中，是否存在Al₃B₆Co₂₀通過(guò)有無(wú)存在不與其他結(jié)晶相的峰重疊的2θ＝42.2°及45.0°的任意峰來(lái)判定。另外，Al₃B₆Co₂₀的最強(qiáng)峰的峰強(qiáng)度為在2θ＝42.2°及45.0°中峰強(qiáng)度高的一方。予以說(shuō)明，各峰有時(shí)還會(huì)因固溶狀態(tài)的若干不同或殘留應(yīng)力等而使衍射角(2θ)的值偏移，只要可以維持Al₃B₆Co₂₀的晶格而檢測(cè)到各衍射角的峰，則判斷存在Al₃B₆Co₂₀峰。

若不存在Al₃B₆Co₂₀，結(jié)合相的密合性降低而使cBN粒子容易脫粒，cBN燒結(jié)體的耐摩耗性降低。另外，若不存在Al₃B₆Co₂₀，則有時(shí)難以進(jìn)行cBN燒結(jié)體的線(xiàn)放電加工。

在本實(shí)施方式中，相對(duì)于cBN(111)的峰強(qiáng)度的Al₃B₆Co₂₀的最強(qiáng)峰(2θ＝42.2°及45.0°的峰中的峰強(qiáng)度較高的一方)的峰強(qiáng)度可以為0.02～0.25。若為該范圍，則可以抑制cBN粒子的脫粒。相對(duì)于cBN(111)的峰強(qiáng)度的Al₃B₆Co₂₀的最強(qiáng)峰的峰強(qiáng)度的優(yōu)選范圍為0.1～0.24。

另外，在圖1中，僅試樣No.7在2θ＝42°附近檢測(cè)到BCo峰，但若不存在BCo的峰或者BCo的最強(qiáng)峰的峰強(qiáng)度相對(duì)于cBN(111)的峰強(qiáng)度的強(qiáng)度比為0.05以下，則可以抑制cBN粒子的脫粒。

進(jìn)而，若相對(duì)于Co(200)的峰強(qiáng)度，Al₃B₆Co₂₀的最強(qiáng)峰的峰強(qiáng)度為0.01～0.25，則可以抑制cBN粒子的脫粒，并且能夠進(jìn)行線(xiàn)放電加工。另外，若相對(duì)于cBN(111)的峰強(qiáng)度，Co(200)的峰強(qiáng)度為0.5～3，則可以?xún)?yōu)化cBN燒結(jié)體的耐摩耗性及電阻率。

在cBN燒結(jié)體中，除cBN峰、Co峰、Al₃B₆Co₂₀峰以外，還可以存在金屬Al峰或BCo峰。進(jìn)而，雖然在圖1中并未檢測(cè)到，但是也可以存在AlN的峰，此時(shí)，相對(duì)于cBN(111)的峰強(qiáng)度的AlN的最強(qiáng)峰的峰強(qiáng)度優(yōu)選為0.05以下。若為該范圍，則可以抑制cBN粒子的脫粒，并且能夠進(jìn)行線(xiàn)放電加工。

另外，在cBN燒結(jié)體中可以進(jìn)一步含有W。W以金屬W、WC、W₂B、B₆Co₂₁W₂等形式存在。金屬W、WC、W₂B、B₆Co₂₁W₂等可以通過(guò)在X射線(xiàn)衍射數(shù)據(jù)中檢測(cè)到各峰來(lái)確認(rèn)。進(jìn)而，在cBN燒結(jié)體中可以含有Ti、除Ti以外的周期表4、5及6族金屬成分。

進(jìn)而，在本實(shí)施方式中，Al₃B₆Co₂₀粒子的平均粒徑的優(yōu)選范圍為0.02μm～0.5μm。由此，使Al₃B₆Co₂₀粒子牢固地結(jié)合cBN粒子，從而可以抑制cBN粒子的脫粒。予以說(shuō)明，本實(shí)施方式中的Al₃B₆Co₂₀粒子的平均粒徑作為從TEM觀察得到的將各粒子的面積換算為圓時(shí)的直徑而求得。

基于圖2對(duì)以上述的cBN燒結(jié)體作為切刃部的切削工具的一例進(jìn)行說(shuō)明。圖2的切削鑲刀(以下，簡(jiǎn)稱(chēng)為鑲刀。)1將包含cBN燒結(jié)體6的切刃片5經(jīng)由包含含有WC和Co的超硬合金的襯層11釬焊到工具主體10的前端。切刃片5構(gòu)成包含前刀面2、后刀面3和作為其交差脊線(xiàn)的切刃4的切刃部。另外，工具主體10包含超硬合金或高速度鋼、合金鋼等金屬。予以說(shuō)明，圖2的鑲刀1僅切刃片5包含cBN燒結(jié)體6，但是，本實(shí)施方式并不限定于該實(shí)施方式，也可以使切削鑲刀整體由cBN燒結(jié)體6構(gòu)成。

接下來(lái)，對(duì)于上述cBN燒結(jié)體的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。

例如，將75～88質(zhì)量％的比率的平均粒徑為1.0～4.5μm的cBN原料粉末、10～24.9質(zhì)量％的比率的平均粒徑為1.0～2.5μm的金屬Co原料粉末、0.1～5質(zhì)量％的比率的平均粒徑為0.5～1.8μm的金屬Al原料粉末和0～20質(zhì)量％的比率的平均粒徑為0.3～1.5μm的WC原料粉末進(jìn)行調(diào)合。在此，在本實(shí)施方式中，將cBN原料粉末的平均粒徑與Al原料粉末的平均粒徑的比(cBN/Al)設(shè)為1.0～3.0，并且將Al原料粉末的平均粒徑與Co原料粉末的平均粒徑的比(Co/Al)設(shè)為0.7～1.6。

將上述調(diào)合粉末球磨機(jī)粉碎混合15～72小時(shí)。之后，根據(jù)需要形成為規(guī)定形狀。在成形中可以使用沖壓成形、注射成形、澆鑄成形、擠壓成形等公知的成形手段。

接著，將其與另行準(zhǔn)備的超硬合金制的襯底支撐體一起裝入超高壓加熱裝置中，在1450～1700℃的范圍內(nèi)的規(guī)定的溫度且4～7GPa的壓力下保持10～60分鐘后，以3℃/秒以下的速度進(jìn)行降溫。由此，可以將cBN燒結(jié)體中的cBN粒子的存在比率調(diào)整為規(guī)定的范圍內(nèi)，并且可以存在Al₃B₆Co₂₀。

即，若原料粉末的調(diào)合比率偏離上述范圍，則cBN燒結(jié)體中的cBN粒子的存在比率偏離規(guī)定的范圍或者不存在Al₃B₆Co₂₀。若cBN原料粉末的平均粒徑與Al原料粉末的平均粒徑的比、以及Al原料粉末的平均粒徑與Co原料粉末的平均粒徑之比偏離上述范圍，則cBN燒結(jié)體中的cBN粒子的存在比率偏離規(guī)定的范圍或者不存在Al₃B₆Co₂₀。另外，若燒成后的降溫速度快于3℃/秒，則不析出Al₃B₆Co₂₀。

另外，從制作的cBN燒結(jié)體利用線(xiàn)放電加工切割規(guī)定尺寸的切刃部。本實(shí)施方式的cBN燒結(jié)體為能夠進(jìn)行線(xiàn)放電加工的電阻率。而且，將該切割的切刃部釬焊到形成在超硬合金制的工具主體的前端角部的切口段部上。之后，對(duì)釬焊后的鑲刀的上表面進(jìn)行磨削加工，接著，將切刃部的側(cè)面包括cBN燒結(jié)體的滲出部分進(jìn)行磨削加工。進(jìn)而，根據(jù)需要對(duì)切刃前端部實(shí)施衍磨加工，由此可以制作本實(shí)施方式的切削工具。

實(shí)施例

使用表1所示的平均粒徑的cBN粉末、金屬Co粉末、金屬Al粉末、WC粉末，按照表1的組成進(jìn)行調(diào)合，將該粉體利用使用了氧化鋁制珠粒的球磨機(jī)混合15小時(shí)。接著，將混合的粉體在壓力98MPa下進(jìn)行加壓成形。將該成形體與襯底支撐體重疊后，放置在超高壓加熱裝置內(nèi)，以120℃/分鐘進(jìn)行升溫，以5GPa的壓力在1450℃下保持15分鐘后，以表1所示的降溫速度降溫，得到cBN燒結(jié)體。

接著，利用線(xiàn)放電加工從所制作的cBN燒結(jié)體及襯層的一體物切割為規(guī)定的形狀。關(guān)于線(xiàn)放電加工的加工性，將良好的情況標(biāo)記○，將花費(fèi)時(shí)間可以進(jìn)行加工的情況標(biāo)記Δ，將無(wú)法加工的情況標(biāo)記×，記載于表3中。然后，在形成于超硬合金制的工具主體的切刃前端部的切口段部，將襯層的下表面釬焊到工具主體的切口段部的表面，將切割的cBN燒結(jié)體作為切刃部。然后，使用金剛石輪對(duì)該cBN燒結(jié)體的切刃部實(shí)施刃尖處理(倒棱衍磨及R衍磨)，制作JIS·CNGA120408形狀的切削鑲刀。

就所得的鑲刀而言，對(duì)切刃部的cBN燒結(jié)體的cBN燒結(jié)體的任意截面，通過(guò)采用掃描型電子顯微鏡(SEM)的組織觀察，計(jì)算出cBN燒結(jié)體中的cBN粒子的含有比率。另外，依據(jù)CIS－019D－2005中規(guī)定的超硬合金的平均粒徑的測(cè)定方法，測(cè)定了cBN粒子的平均粒徑。在表1中示出結(jié)果。予以說(shuō)明，在組織照片中，cBN粒子以外的部分設(shè)為結(jié)合相。

另外，利用ICP分析對(duì)cBN燒結(jié)體的組成進(jìn)行確認(rèn)，并測(cè)定Co、Al、W相對(duì)于cBN燒結(jié)體整體的含有比率。在表2中示出結(jié)果。

進(jìn)而，使用BrukerAXS公司制D8DISCOVER with GADDS Super Speed、射線(xiàn)源：CuK_α、準(zhǔn)直直徑：0.8mmφ，從前刀面及后刀面進(jìn)行X射線(xiàn)衍射測(cè)定，鑒定cBN燒結(jié)體中的結(jié)晶相，并且將cBN(111)的峰強(qiáng)度設(shè)為1時(shí)的歸屬于各結(jié)晶相的峰中的最強(qiáng)峰的峰強(qiáng)度示于表3中。予以說(shuō)明，圖1的XRD譜圖為試樣No.7、9、10、11的XRD譜圖。

接著，采用所獲得的切削鑲刀在以下的切削條件下進(jìn)行了切削試驗(yàn)。在表3中示出結(jié)果。

切削方法：外徑旋削加工

被切削材：FC250襯套材

切削速度：700m/分鐘

送給：0.2mm/rev

切口：0.2mm

切削狀態(tài)：濕式(有切削油)

評(píng)價(jià)方法：評(píng)價(jià)直至摩耗或缺失為止的切削長(zhǎng)度。

【表1】

【表2】

【表3】

根據(jù)表1～3所示的結(jié)果，cBN粒子的含量少于85體積％且結(jié)合相的含有比率多于15體積％的試樣No.1中，耐摩耗性降低，切削長(zhǎng)度短。cBN粒子的含量多于97體積％且結(jié)合相的含有比率少于3體積％的試樣No.6中，cBN粒子的脫粒多，耐摩耗性降低，切削長(zhǎng)度短。Co與Al的含量的比(Co/Al)小于3的試樣No.7及Al含量多于5質(zhì)量％的試樣No.18中，不存在Al₃B₆Co₂₀，無(wú)法進(jìn)行線(xiàn)放電加工。Co與Al的含量的比(Co/Al)大于40的試樣No.13、Al含量少于0.1質(zhì)量％的試樣No.14中，不存在Al₃B₆Co₂₀，切削長(zhǎng)度短。試樣No.19～21中，不存在Al₃B₆Co₂₀，線(xiàn)放電加工性差，且切削長(zhǎng)度短。

與此相對(duì)，含有85～97體積％的比例的立方晶氮化硼粒子和3～15體積％的比例的結(jié)合相、Al含量為0.1～5質(zhì)量％、Co含量相對(duì)于Al含量之比以質(zhì)量比(Co/Al)計(jì)為3～40且具有Al₃B₆Co₂₀的試樣No.2～5、8～12、15～17、22～25中，均能進(jìn)行線(xiàn)放電加工，并且耐摩耗性高，切削長(zhǎng)度長(zhǎng)。

試樣No.2～5、8～12、15～17、22～25之中，在X射線(xiàn)衍射測(cè)定中相對(duì)于cBN(111)的峰強(qiáng)度，Al₃B₆Co₂₀的最強(qiáng)峰的峰強(qiáng)度為0.02～0.25的試樣No.2～5、8～12、16、17、22、23均能進(jìn)行線(xiàn)放電加工，并且切削長(zhǎng)度長(zhǎng)。另外，相對(duì)于cBN(111)的峰強(qiáng)度，Co(200)的峰強(qiáng)度為0.5～3的試樣No.2～5、8～12、15～17、23、24均能進(jìn)行線(xiàn)放電加工，并且切削長(zhǎng)度長(zhǎng)。

進(jìn)而，相對(duì)于Co(200)的峰強(qiáng)度，Al₃B₆Co₂₀的最強(qiáng)峰的峰強(qiáng)度為0.01～0.25的試樣No.2～5、8～12、15～17、23、24均能進(jìn)行線(xiàn)放電加工，并且切削長(zhǎng)度長(zhǎng)。

另外，不存在AlN的峰或者以相對(duì)于cBN(111)的峰強(qiáng)度，AlN的最強(qiáng)峰的峰強(qiáng)度為0.05以下的強(qiáng)度比存在的試樣No.2～5、8～11、15～17、22～25以及不存在BCo的峰或者相對(duì)于cBN(111)的峰強(qiáng)度，BCo的最強(qiáng)峰的峰強(qiáng)度為0.05以下的No.3～5、8～12、15～17、22～25均能夠進(jìn)行線(xiàn)放電加工，并且切削長(zhǎng)度長(zhǎng)。

進(jìn)而，cBN粒子的平均粒徑為1.5μm～2.5μm且Al₃B₆Co₂₀粒子的平均粒徑為0.02μm～0.5μm的試樣No.2～5、8～12、15～17、23、24均能進(jìn)行線(xiàn)放電加工，并且耐摩耗性高，切削長(zhǎng)度長(zhǎng)。

符號(hào)說(shuō)明

1 鑲刀(切削鑲刀)

2 前刀面

3 后刀面

4 切刃

5 切刃部

6 cBN燒結(jié)體