專利名稱：立方氮化硼燒結體工具的制作方法
技術領域：
本發明涉及包含立方氮化硼(下文中也稱為CBN)作為主要成分的cBN燒結體。
背景技術：
至今為止，使用立方氮化硼的高硬度燒結體是已知的。cBN顆粒的硬度、強度和韌性均比陶瓷粘合劑的高，充當燒結體的骨架，并且起到保持這種材料的強度以使其能夠承受對高硬度淬硬鋼的切削的作用。相反，陶瓷粘合劑的作用是，使得cBN顆粒(難燒結材料)能夠在エ業水平的壓カ和溫度下被燒結，同時由于陶瓷粘合劑與鐵的反應性比cBN的低，因此提供了抑制化學/熱磨損的效果。 cBN燒結體大致分為兩類ー類具有高的cBN含量，其中cBN顆粒彼此結合，并且余物由含有Co和/或Al作為主要成分的粘合劑組成(下文簡稱為高cBN含量燒結體)；另ー類具有相對較低的cBN含量，其中cBN顆粒彼此接觸的比率低，并且以顆粒之間插入有對鋼的親和性低且由Ti的氮化物(TiN)或Ti的碳化物(TiC)組成的陶瓷的形式而結合在一起(以下簡稱為低cBN含量燒結體)。在切屑破碎并且難以產生剪切熱的應用中，前者(高cBN含量燒結體)由于cBN具有優異的機械特性(高硬度、高強度、高韌性)和高的熱傳導性，因此實現了出色的穩定性和長的壽命，并且適合對由于與硬顆粒摩擦而經常發生機械磨損和損傷的鐵系燒結部分，以及由于高速連續切削中的熱沖擊而經常發生損傷的灰鑄鐵進行高效切削。然而，在連續的切屑產生大量的剪切熱從而使切削刃暴露在高溫下的淬硬鋼等的加工中，高cBN含量燒結體的壽命較短，這是因為，與常規的硬質合金工具和陶瓷工具相比，被鐵熱磨損的cBN成分導致了磨損更加迅速的發展。相反，后者(低cBN含量燒結體)由于粘合劑在高溫下與鋼的親和性比cBN的低且由TiN陶瓷或TiC陶瓷組成，因而表現出優異的耐磨性，特別是在不能使用常規的硬質合金工具和陶瓷工具進行實用加工的淬硬鋼加工中，作為能夠實現比常規工具的壽命長十倍至幾十倍壽命的切削工具，低cBN含量燒結體打開了淬硬鋼切削的市場。已經開發了多種這樣的cBN燒結體。例如，日本專利特開No. 2000-044347 (專利文獻I)和日本專利特開No. 2000-044350 (專利文獻2)描述了ー種cBN燒結體，該cBN燒結體由45體積％至70體積％的cBN顆粒和包含選自由以下物質組成的組中的至少ー種物質的粘結相組成，所述物質為 第4a族、5a族和6a族元素的碳化物、氮化物、碳氮化物和硼化物；A1的氮化物、硼化物、氧化物、碳氮化物和硼化物；以及它們的相互固溶體。其中，限定了粘結相的厚度的平均值和標準偏差。此外，日本專利特開No. 2002-302732(專利文獻3)描述了ー種cBN燒結體，該cBN燒結體由粒徑大于或等于O. 01 μ m且小于或等于O. 70 μ m的超細cBN顆粒和由以下至少ー種物質組成的粘結相組成，這些物質為第4a族、5a族和6a族元素；A1 ;它們的碳化物、氮化物和硼化物；以及它們的相互固溶體和混合物，其中，限定了粘結相的厚度的平均值。
如上文所述，在鑄鐵的高效切削中，實際使用了高cBN含量燒結體。近年來，汽車發動機性能的提高伴隨著在氣缸體中采用鋁來減輕重量的進展。關于襯套(汽缸體的活塞滑動的部分)，采用了具有優異的強度和耐磨性的鑄鐵，并且近年來正逐漸采用大規模生產性優于砂型鑄鐵的離心鑄造鑄鐵。離心鋳造是這樣一種技術，其中，在鋳造襯套時使鑄模旋轉，從而利用離心カ來制造中空的鑄件，而不需要使用芯體。在上述離心鑄造中，理論上而言，鑄模的接觸部分和最內徑部分被急速冷卻，由此導致在這些區域中產生可加工性非常差的枝狀晶體組織或玫瑰狀組織，因此上述離心鑄造具有這樣的問題當在通過切削實現所需內徑，并且待切削部分的鑄鐵組織為上述枝狀晶體組織或玫瑰狀組織時，工具的壽命顯著劣化。還具有工具壽命不穩定的問題，這是因為鑄鐵組織根據襯套的生產批量而發生很大的變化。如此ー來，目前的事實是，常規的高CBN含量燒結體的耐磨性不足，并且不能夠提供令人滿意的工具壽命。鑒于這樣的情況，WO 2008/087940 (專利文獻4)采用Al2O3作為粘結相的主要成分，并且添加了合適量的ZrO2和TiC，從而在離心鑄造鑄鐵加工時使工具壽命穩定。然而， 還沒有獲得令人滿意的工具壽命。引用列表專利文獻專利文獻I :日本專利特開No. 2000-044347專利文獻2 :日本專利特開No. 2000-044350專利文獻3 :日本專利特開No. 2002-302732專利文獻4 :TO 2008/087940
發明內容
技術問題鑒于上述問題，本發明的目的是提供ー種cBN燒結體工具，該工具在切削通過離心鋳造而制備的、并且具有上述可加工性差的枝狀晶體組織和玫瑰狀組織的混合物的鑄鐵吋，具有高的切削性能和優異的工具壽命。解決問題的手段仔細觀察對具有枝狀晶體組織或玫瑰狀組織的鑄鐵進行切削時的cBN燒結體エ具的磨損形態，結果發現，在由Ti化合物或Al化合物構成的粘結劑相中，在具有優異耐熱性的Al2O3顆粒的界面或晶界處出現裂紋，并且裂紋的傳播導致磨損的發展，這在某些情況下導致斷裂。在常規技術中，由Al2O3, cBN、ZrO2和TiC構成的cBN燒結體的Al2O3的平均厚度厚，使得其具有差的耐斷裂性。此外，雖然將粘結相的厚度和標準偏差限定為合適值的技術已被人們所公知，但Al2O3的含量少，因此在加工離心鑄造鑄鐵時，耐磨性不足。因此，為了確定作為裂紋起始點的Al2O3顆粒的界面或晶界的最佳設置，并且確定提供強化Al2O3效果的Zr化合物的最佳設置，發明人制備了粒徑、含量和各成分的混合方法不同的cBN燒結體，并且考察了與切削性能的相關性。結果，成功地實現了將Zr化合物和cBN顆粒最佳地設置在Al2O3中，從而使耐熱性優異但韌性差的Al2O3間斷，并且將Al2O3的平均厚度和標準偏差設定在最佳的范圍內，由此獲得了耐熱性和韌性之間的高度平衡。
具體而言，本發明具有以下構成。(I) ー種立方氮化硼燒結體工具，其至少在切削刃處包含立方氮化硼燒結體，所述立方氮化硼燒結體由立方氮化硼顆粒和粘結相構成，所述立方氮化硼燒結體工具的特征在于cBN含量為大于或等于20體積％且小于或等于60體積％，所述粘結相至少包含Al2O3和Zr化合物，在所述燒結體中的任意的直線上，Al2O3所占的連續距離的平均值為大于或等于O. I μ m且小于或等于I. O μ m，并且Al2O3所占的所述連續距離的標準偏差為小于或等于O. 8,在所述直線上，在X表示Al2O3與所述Zr化合物之間的接觸點的數目，并且Y表示Al2O3與cBN之間的接觸點的數目以及Al2O3與除Al2O3和Zr化合物以外的粘結相成分之間的接觸點的數目的總和的情況下，X/Y為大于或等于O. I且小于或等于1，并且所述Zr化合物的平均粒徑為大于或等于O. 01 μ m且小于或等于O. I μ m。 (2)根據上述項(I)所述的立方氮化硼燒結體工具，其特征在于作為包含在上述燒結體中的所述Zr化合物，包含總計大于或等于O. 5體積％且小于或等于5體積％的ZrC和ZrO2。(3)根據上述項(I)或(2)所述的立方氮化硼燒結體工具，其特征在于在上述燒結體中的任意的直線上，X/Y為大于或等于O. 5且小于或等于O. 9。本發明的有益效果本發明能夠提供具有高的切削性能和優異的工具壽命的cBN燒結體工具。S卩，成功地實現了將Zr化合物和cBN顆粒最佳地設置在Al2O3中，從而使耐熱性優異但韌性差的Al2O3間斷，并且將Al2O3的平均厚度和標準偏差設定在最佳的范圍內，由此獲得了耐熱性和韌性之間的高度平衡。此外，由于Al2O3與cBN顆粒之間的結合力弱，因此通過利用插入它們之間的結合 力強的除Al2O3以外的高反應性化合物(例如，TiAl, Ti、Al、TiZr, Zr等)來使cBN顆粒與Al2O3顆粒結合，并且使Zr化合物分散在Al2O3中，能夠獲得更高的耐磨性和耐斷裂性。特別是，優選預先利用Zr或TiZr被覆cBN顆粒。
具體實施例方式本發明的cBN燒結體工具是這樣的cBN燒結體工具，其至少在切削刃處包含由cBN顆粒和粘結相構成的cBN燒結體，所述cBN燒結體工具的特征在干，cBN含量為大于或等于20體積％且小于或等于60體積％，所述粘結相包含Al2O3和Zr化合物，在所述燒結體中的任意的直線上，Al2O3所占距離的平均值和標準偏差分別為大于或等于O. I μ m且小于或等于I. O μ m、以及小于或等于O. 8，在所述直線上，在X表示Al2O3與Zr化合物之間的接觸點的數目，并且Y表示Al2O3與cBN之間的接觸點的數目以及Al2O3與除Al2O3和Zr化合物以夕卜的粘結相成分之間的接觸點的數目的總和的情況下，X/Y為大于或等于O. I且小于或等于1，并且所述Zr化合物的平均粒徑為大于或等于O. 01 μ m且小于或等于O. I μ m。上述cBN燒結體工具可以是這樣的cBN燒結體工具，其至少在由硬質合金制成的基材的充當切削刃的部分處具有cBN燒結體，或者可以是僅由cBN燒結體構成的cBN燒結體工具。此外，充當切削刃的cBN燒結體可以在其表面上具有硬質陶瓷涂層。下面對cBN燒結體部分進行詳細說明。上述cBN燒結體的特征在干，cBN的含量為大于或等于20體積％且小于或等于60體積％。cBN含量小于20體積％將導致燒結體的耐斷裂性降低,而cBN含量大于60體積％將導致耐磨性降低。更優選的是，cBN含量為大于或等于40體積％且小于或等于50體積％。上述cBN燒結體的特征還在于,粘結相至少包含Al2O3和Zr化合物。這能夠提高耐磨性和耐斷裂性。 上述cBN燒結體的特征在于，在燒結體中的任意的直線上，Al2O3所占的連續距離的平均值為大于或等于O. I μ m且小于或等于1.0 μ m。平均值小于O. I μ m將導致耐熱性降低，而平均值大于I. O μ m將導致耐斷裂性降低。更優選的是，平均值為大于或等于O. 3 μ m且小于或等于O. 6 μ m。上述cBN燒結體的特征還在于，在任意直線上，Al2O3所占的連續距離的標準偏差不大于O. 8。標準偏差大于O. 8將導致耐斷裂性變化很大。更優選的是，標準偏差大于或等于O. 2且小于或等于O. 6。上述cBN燒結體的進ー步的特征在于，在上述直線中，在X表示Al2O3與所述Zr化合物之間的接觸點的數目，并且Y表示Al2O3與cBN之間的接觸點的數目以及Al2O3與除Al2O3和Zr化合物以外的粘結相成分之間的接觸點的數目的總和的情況下，X/Y為大于或等于O. I且小于或等于I。當X/Y小于O. I吋，不能提供Zr化合物對Al2O3韌性的增強效果，而X/Y大于I將導致Al2O3對耐熱性的增強效果降低。上述cBN燒結體的特征在于，其中的Zr化合物的平均粒徑為大于或等于O. 01 μ m且小于或等于O. I μ m。當Zr化合物的平均粒徑小于O. 01 μ m時，不能提供Zr化合物對Al2O3韌性的增強效果，而平均粒徑超過O. I μ m將導致Zr化合物本身易于破碎，并且導致燒結體的耐斷裂性降低。更優選的是，Zr化合物的平均粒徑為大于或等于O. 03 μ m且小于或等于O. 06 μ m。由于具有上述構成，本發明使得在cBN燒結體中能夠將Zr化合物和cBN顆粒最佳地設置在Al2O3中，從而使耐熱性優異但韌性差的Al2O3間斷，并且能夠進ー步將Al2O3的平均厚度和標準偏差設定在最佳的范圍內，由此使燒結體的耐熱性和韌性之間達到高度平衡。此外，作為包含在上述燒結體中的Zr化合物，通過包含總計大于或等于O. 5體積％且小于或等于5體積％的ZrC和ZrO2,能夠進一歩提高耐斷裂性和耐磨性。即，作為包含在上述燒結體中的Zr化合物，本發明的cBN燒結體工具優選包含總計大于或等于O. 5體積％且小于或等于5體積％的ZrC和ZrO2,并且更優選包含總計大于或等于I. 5體積％且小于或等于4. 5體積％的ZrC和ZrO2。ZrC和ZrO2在提高Al2O3韌性方面是特別高效的。當這兩種化合物的總和小于燒結體的O. 5體積％吋，不能夠提供提高韌性的效果，而當這些化合物的總和超過5體積％吋，將導致Al2O3的含量相對降低、以及耐熱性的降低。此外，在上述燒結體中的任意直線上，X/Y為大于或等于O. 5且小于或等于O. 9將使得抵抗斷裂的可靠性增加。即，優選的是，對于本發明的cBN燒結體工具而言，在上述燒結體中的任意直線上，X/Y為大于或等于O. 5且小于或等于O. 9。實施例
[cBN燒結體工具的制備](cBN燒結體的制備)利用由ZrO2制成的、直徑為O. 2mm的球介質,預先將平均粒徑為小于或等于50nm(除了某些實施例和對比例之外)的表I中所示出的Zr化合物、平均粒徑為小于或等于300nm的Ti化合物、以及平均粒徑為小于或等于200nm的Al2O3在流速為O. 2L/min至O. 51/min的こ醇溶劑中混合并粉碎30至120分鐘，之后去除所述介質，從而制備特定粘結劑，其中超細Zr化合物均勻地分散在Al2O3中。可以通過以實驗方式在上述范圍內改變粉碎和混 合的條件，或者改變Zr化合物的含量，從而實現對X/Y值的控制。關于實施例I至11，通過球磨機混合法，利用由ZrO2制成的、直徑為3mm的球介質均勻地混合cBN顆粒和上述粘結劑，從而提供混合粉末，將該混合粉末沉積在由硬質合金制成的支持板上，并且填充到由Mo制成的膠囊中，并且隨后在超高壓裝置中，在7. OGPa的壓力、1600度的溫度下燒結30分鐘。關于實施例12和13，利用RF濺射PVD裝置預先分別用TiZr和Zr被覆cBN顆粒，使得平均膜厚為30nm，并且按照與上文所述的相同方式進行填充和燒結。各實施例和對比例中的cBN燒結體的組成在表I中示出。(工具的制備)將所獲得的燒結體切割成預定的形狀，利用市售可得的釬接材料將其接合到由硬質合金制成的工具基材上，并且磨削加工成預定的工具形狀。[評價](cBN燒結體特性的測定)關于在各實施例和對比例中所獲得的如上所述的cBN燒結體，采用接下來所描述的方法測量在燒結體中的任意直線上，Al2O3連續所占的距離的平均值和標準偏差。首先，對cBN燒結體進行鏡面拋光，并且利用電子顯微鏡，以10000倍的放大率對任意區域中的cBN燒結體組織的反射電子圖像進行拍照。觀察與組成相對應的明暗之間的對比，并且利用作為輔助設備的EDX (能量色散型X射線光譜)從多種元素的重疊狀態中估測化合物。結果證明，黒色區域為cBN顆粒，而灰色區域和白色區域為粘結相。此外，據鑒別，暗的灰色區域為Al2O3，亮的白色陰影區域為Zr化合物(氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、氮硼化物)。接下來，在照片上畫出任意直線，并且獲得直線上的X/Y值，其中X表示Al2O3與Zr化合物彼此接觸的點的數目，并且Y表示Al2O3與CBN彼此接觸的點的數目以及Al2O3與除Al2O3和Zr化合物以外的粘結相成分彼此接觸的點的數目的總和。在本文中，考慮到組織的均一性，確定直線的數目使得直線上的接觸點的總數目不小于50個。此外，在這些直線數目的直線上，測定被上述Al2O3連續所占的距離(長度)，并且獲得了其平均值和標準偏差。關于cBN的含量，基于上述燒結體組織的照片，通過圖像處理對cBN顆粒區域和粘結相區域進行ニ值化，并且將cBN顆粒所占的區域作為體積含量。根據XRD (X射線衍射)來確定粘結相的組成。關于Zr化合物和Ti化合物的含量，基于在上述燒結體組織照片中的明暗之間的對比，通過圖像處理來計算它們各自的占據面積，并且將該面積作為體積含量。關于Zr化合物的平均粒徑，示出了所裝入的原料粉末的平均粒徑，并且根據上述燒結體組織的照片，可以確定原料粉末的粒徑基本保持不變。結果在表I中示出。(切削測試)在以下條件下，對上文所制備的各工具進行切削測試。エ件材料FC250 (離心鑄造鑄鐵套的內部加工，硬度HB230)工具形狀CNGA120408切削條件切削速度Vc=700m/分鐘進給速度f=0. 3mm/rev.
切削深度ap=0. 05臟利用切削液工具壽命將后刀面磨損量或崩裂的量達到O. 2mm時的時間點定為工具壽命的終止。結果在表2中示出。表I
I各種粘結
在燒結體中的任意直劑成分之 線上Al2O3所占的Ii離間的接觸 cBN含___點比率___ _ _
(體5%) - Ii_a■化合IWir燒結體中
、口標準偏差W組成in合·
實施例 I45OJO0.600.60 ZiO^TiC0.044.51.5實施例 2450.100.200.10 ZrtXTiC0.044.51.5
實施例 3451.000.801.00 Z1O^TiC0.044.51.5
實施例 4450.500.600.95ao,TiN0.014.51.5
實施例 5450.950.700.15ΖιΟ% Ν0.104.51.5
實施例 6200.900.750.90 ZrO2, TiC0.0310.27.8
實施例 7600.400.350.30 ZiCKTiC0.033.00.8
實施例 8 45 0.70 0.60 0.48 0.04 4.5 0.0______ZrBo____
權利要求
1.ー種立方氮化硼燒結體工具，其至少在切削刃處包含立方氮化硼燒結體，所述立方氮化硼燒結體含有立方氮化硼顆粒和粘結相， 所述立方氮化硼燒結體的立方氮化硼含量大于或等于20體積％且小于或等于60體積％， 所述粘結相至少包含Al2O3和Zr化合物， 在所述立方氮化硼燒結體中的任意的直線上，Al2O3所占的連續距離的平均值大于或等于O. I μ m且小于或等于I. O μ m，并且Al2O3所占的所述連續距離的標準偏差小于或等于O.8, 在所述直線上，在X表示Al2O3與所述Zr化合物之間的接觸點的數目，并且Y表示Al2O3與所述立方氮化硼之間的接觸點的數目以及Al2O3與除Al2O3和Zr化合物以外的粘結相成分之間的接觸點的數目的總和的情況下，X/Y大于或等于O. I且小于或等于1，并且所述Zr化合物的平均粒徑大于或等于O. 01 μ m且小于或等于O. I μ m。
2.根據權利要求I所述的立方氮化硼燒結體工具，其中 作為包含在所述立方氮化硼燒結體中的所述Zr化合物，包含總計大于或等于O. 5體積％且小于或等于5體積％的ZrC和ZrO2。
3.根據權利要求I所述的立方氮化硼燒結體工具，其中 在所述立方氮化硼燒結體中的任意的直線上，X/Y大于或等于O. 5且小于或等于O. 9。
全文摘要
本發明提供了一種立方氮化硼燒結體工具，其至少在切削刃處具有由立方氮化硼顆粒和粘結相構成的立方氮化硼燒結體。cBN的含量為大于或等于20體積%且小于或等于60體積%。所述粘結相至少包含Al2O3和Zr化合物。在所述燒結體中的任意的直線上，Al2O3所占的連續距離的平均值為大于或等于0.1μm且小于或等于1.0μm，并且Al2O3所占的所述連續距離的標準偏差為小于或等于0.8。在所述直線上，在X表示Al2O3與所述Zr化合物之間的接觸點的數目，并且Y表示Al2O3與cBN之間的接觸點的數目以及Al2O3與除Al2O3和Zr化合物以外的粘結相成分之間的接觸點的數目的總和的情況下，X/Y大于或等于0.1且小于或等于1。所述Zr化合物的平均粒徑為大于或等于0.01μm且小于或等于0.1μm。
文檔編號C04B35/583GK102665976SQ201180004615
公開日2012年9月12日 申請日期2011年7月25日 優先權日2010年9月1日
發明者久木野曉, 岡村克己, 阿部真知子 申請人:住友電工硬質合金株式會社