用于高表面完整性加工的cBN燒結(jié)體以及cBN燒結(jié)體切削工具的制作方法

專利名稱：用于高表面完整性加工的cBN燒結(jié)體以及cBN燒結(jié)體切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在高硬度難切削的鐵基材料的切削加工中實施高表面完整性加工的cBN燒結(jié)體，并且涉及通過控制切削過程中的切削刃溫度，而達(dá)到以下效果使加工件切削表面上的加工影響層的產(chǎn)生受到抑制，促進(jìn)壓應(yīng)力的殘留，增強(qiáng)加工件的疲勞壽命，并延長切削工具的壽命。
背景技術(shù)：
例如，與諸如超硬工具等切削工具所用的傳統(tǒng)材料相比，由于cBN燒結(jié)體具有化學(xué)穩(wěn)定性和極高的硬度，所以cBN基燒結(jié)體切削工具具有可能為高效率和長壽命之類的高性能材料特征。另外，與研磨工具相比，cBN燒結(jié)體切削工具由于具有優(yōu)異的適應(yīng)性和環(huán)境友好型的較高生產(chǎn)率而得到較高的評價，并且已經(jīng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)工具而被用在難切削的鐵基材料的加工應(yīng)用中。
cBN燒結(jié)體材料可以分為兩類一類是含有cBN顆粒和粘結(jié)劑材料的燒結(jié)體(其中cBN的含有率高，cBN顆粒彼此結(jié)合，并且其余的主要成分是Co和Al(參見專利文獻(xiàn)1))，或者是其中除cBN以外盡可能不包含其它任何成分的燒結(jié)體(參見專利文獻(xiàn)2)(以下稱這一類cBN燒結(jié)體材料為“cBN含有率高的燒結(jié)體”)；另一類cBN燒結(jié)體材料的cBN含有率較低，cBN顆粒間的接觸率低，并且是通過對鐵的親和性低的、含有氮化鈦(TiN)和碳化鈦(TiC)的陶瓷而結(jié)合在一起的(參見專利文獻(xiàn)3)(以下稱這一類cBN燒結(jié)體材料為“cBN含有率低的燒結(jié)體”)。
由于cBN具有優(yōu)異的力學(xué)性能(高硬度、高強(qiáng)度、高韌性)和高導(dǎo)熱性，所以在分?jǐn)嗲行家约安蝗菀桩a(chǎn)生剪切熱的用途中，前一類cBN含有率高的燒結(jié)體可達(dá)到高的穩(wěn)定性和長的壽命；并且其適合用于切削鐵基燒結(jié)件和灰鑄鐵，在這種切削加工中，由硬質(zhì)顆粒的摩擦所造成的機(jī)械磨損和損壞、以及由高速斷續(xù)切削產(chǎn)生的熱沖擊所造成的損壞是主要的。
然而，在加工鋼和硬化鋼(其中連續(xù)切削產(chǎn)生大量的剪切熱，使得切削刃暴露于高溫下)時，因為cBN成分與鐵發(fā)生熱磨損而導(dǎo)致磨損快速發(fā)展，所以cBN含有率高的燒結(jié)體比傳統(tǒng)硬質(zhì)合金工具和陶瓷工具的壽命短。
另一方面，后一類cBN含有率低的燒結(jié)體由于其含有在高溫下對鐵的親和性低的、含有TiN和TiC的陶瓷粘結(jié)劑，所以顯示出優(yōu)異的耐磨性，特別是在傳統(tǒng)硬質(zhì)合金工具和陶瓷工具實際不能加工的硬化鋼的加工情況中，因為cBN含有率低的燒結(jié)體作為切削工具，其工具壽命可達(dá)到傳統(tǒng)工具的壽命的十倍到幾十倍，所以人們已經(jīng)積極地用其來取代研磨加工工具。
近年來，通過提高機(jī)械工具的剛性、以及調(diào)節(jié)cBN含有率低的燒結(jié)體中的cBN與陶瓷粘結(jié)劑(該陶瓷粘結(jié)劑中含有TiN和TiC)的百分比，在要求精度達(dá)到10點平均粗糙度(以下縮寫為Rz)為3.2μm到6.3μm的加工應(yīng)用中(例如，在含有硬化鋼的汽車傳動部分的切削加工應(yīng)用中，其中所述的硬化鋼是通過諸如滲碳硬化等所謂的硬化處理使表面硬度提高到Hv為4.5GPa到7.6GPa的鋼)，人們使用cBN燒結(jié)體工具代替研磨工具。
最近，在要求高精度(表面粗糙度Rz為0.4μm到3.2μm)的滑動表面和旋轉(zhuǎn)表面等表面的加工中，在要求加工區(qū)具有足夠的疲勞強(qiáng)度這樣的高表面完整性的最終精加工步驟的應(yīng)用中、或者由要求加工公差比傳統(tǒng)研磨工藝的加工公差更小這樣的半精加工(僅僅使用加工公差極小(5到10μm或更低)的精加工過程，例如機(jī)械珩磨)而得到高表面完整性的加工應(yīng)用中，人們已經(jīng)開始研究使用由cBN含有率低的燒結(jié)體制成的切削工具來代替在加工效率和適應(yīng)性方面都受到制約的研磨加工。
專利文獻(xiàn)1日本專利公開昭52-43486專利文獻(xiàn)2日本專利公開平10-158065
專利文獻(xiàn)3日本專利公開昭53-77811專利文獻(xiàn)4日本專利公開平08-119774發(fā)明內(nèi)容然而，在硬化鋼的切削加工中，當(dāng)加工效率為切削速度V＝100m/分鐘、切削深度d＝0.15mm、進(jìn)給量f＝0.08mm/轉(zhuǎn)(單位時間的排屑體積W為1,200mm3/分鐘)或加工效率更高(該加工效率是將cBN燒結(jié)體切削工具工業(yè)化應(yīng)用于硬化鋼加工是否有利的判斷)時，可能會在加工件的表面上形成厚度為1-20μm的加工影響層。加工影響層的生成量的允許范圍是根據(jù)加工件被制成最終產(chǎn)品時預(yù)期應(yīng)用的各種應(yīng)力環(huán)境所要求的疲勞壽命特性來規(guī)定的。
具體地說，在切削萬向節(jié)或軸承的轉(zhuǎn)動面(這些表面是輥和球的轉(zhuǎn)動軌道面)時，如果上述加工影響層的厚度達(dá)到約幾微米，則此加工影響層可作為其硬度比硬化加工所得到的硬度更高的高硬度保護(hù)膜。對于施加高應(yīng)力的應(yīng)用，如果軸承的轉(zhuǎn)動面上所形成的加工影響層的厚度超過10μm，則會出現(xiàn)以下可能的情況配合表面的損壞(例如磨損、掉片和剝離)被加速，并且疲勞壽命被降低。因此在工業(yè)中，還要用另外的研磨加工費(fèi)時地除去數(shù)十微米的加工公差。
公知的是，在硬化后進(jìn)行切削的情況下，在高效率條件下進(jìn)行加工時加工影響層的生成量會大大增加。然而，加工影響層的產(chǎn)生條件以及加工影響層自身的特性這二者的詳細(xì)情況尚不清楚。
因此，使用市售的cBN燒結(jié)體工具切削硬化鋼來評價各種切削條件，然后研究和分析加工影響層的生成，結(jié)果表明在切削硬化鋼的過程中，加工影響層由馬氏體(主要成分)和混合相構(gòu)成，其中混合相含有奧氏體、貝氏體、氧化鐵和極少量的氮化鐵等。加工影響層具有Hv為約9GPa到10GPa的高硬度，并易于形成拉應(yīng)力，這與據(jù)推測主要為壓應(yīng)力的硬化鋼表面殘余應(yīng)力不同。如果加工影響層的厚度超過5μm，則在所有情況下加工表面最終都會殘留有拉應(yīng)力。
當(dāng)在高效率條件下加工、或者當(dāng)切削工具的后刀面磨損量不斷增大時，上述加工影響層的生成量極為顯著。因此，在由持續(xù)的切屑摩擦熱和剪切熱引起的切削過程發(fā)熱、以及在由加工件的加工表面與工具后刀面之間的摩擦熱引起的切削過程發(fā)熱的作用下，由硬化處理在加工件中生成的馬氏體會發(fā)生相變而成為奧氏體。而通過將硬化鋼在含有氧氣、氮?dú)夂退羝目諝庵锌焖倮鋮s，就會在切削之后形成以馬氏體為主體并含有氧化物相和氮化物相的混合相。結(jié)果，當(dāng)切削刃經(jīng)過加工表面時，該表面將暴露在至少為727℃(共析鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度)或更高的高溫下，因此，熱應(yīng)力使得加工物的最外表面出現(xiàn)選擇性塑性變形，從而使得加工表面的殘余壓應(yīng)力被抵消，根據(jù)這一機(jī)理在此得到以下假說如果加工表面被暴露在使得加工影響層的厚度超過5μm這樣的高溫下，則加工表面上會殘留拉應(yīng)力，根據(jù)加工件的用途的不同這種拉應(yīng)力可能會降低其疲勞強(qiáng)度。
此外，為了闡明解決上文所述的問題時工具必須具有的特性，使用TiC-Al2O3陶瓷工具和cBN燒結(jié)體工具、采用相同的切削刃形狀、在相同的切削條件下對硬化到其硬度Hv為7GPa的SUJ2試驗樣品進(jìn)行切削，由此對后刀面磨損寬度相同時加工影響層的厚度和形狀的差異進(jìn)行評價。無論cBN燒結(jié)體工具和陶瓷工具何時達(dá)到相同的后刀面磨損寬度，cBN燒結(jié)體工具總是比陶瓷工具較不容易產(chǎn)生加工影響層，結(jié)果還表明，即使cBN燒結(jié)體工具產(chǎn)生加工影響層，該加工影響層的厚度也僅為由陶瓷工具產(chǎn)生的加工影響層的厚度的2/3或更低。但是，在使用cBN燒結(jié)體工具的情況下，如果加工影響層的厚度超過10μm，則幾乎在所有情況下殘余應(yīng)力均從壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。
從上述殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理的相關(guān)假說推測出如下結(jié)果cBN燒結(jié)體工具在切削時表現(xiàn)出較低的切削刃溫度。為了進(jìn)一步闡明這一點，在后刀面磨損寬度沒有出現(xiàn)差異的初始切削階段，使用雙色高溫計(其可以不受工具材料或者工具表面狀態(tài)的影響而測出微區(qū)的溫度)測量切削過程中切削刃的溫度。結(jié)果表明，cBN燒結(jié)體工具的切削溫度是陶瓷工具的切削溫度的50％到80％，所得到的這一結(jié)果對上述涉及使用cBN燒結(jié)體工具切削硬化鋼時加工影響層產(chǎn)生機(jī)理的假說提供了支持。
根據(jù)上述研究結(jié)果，在切削硬化鋼時，為了提高加工件的疲勞壽命，就需要降低工具的切削刃溫度。通過降低加工效率來控制切削過程中產(chǎn)生的熱量作為最簡單的解決措施是有效的。但是，當(dāng)使用市售的cBN燒結(jié)體工具(其對切削用硬化鋼使用含有TiN和TiC的陶瓷粘結(jié)劑材料)進(jìn)行各種研究時，無論是否使用冷卻液，如果加工效率為切削速度V＝70m/分鐘、切削深度d＝0.15mm、進(jìn)給量f＝0.07mm/轉(zhuǎn)(單位時間的排屑體積W是735mm3/分鐘)或加工效率更高，則即使在VB＝0.1mm(是VB＝0.2mm(該值通常是在切削硬化鋼時從尺寸精度的觀點來確定使用壽命時的后刀面磨損量VB值)的一半)時，也會產(chǎn)生厚度為10μm的加工影響層，殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，并且高效率加工也變得不可能實現(xiàn)，而高效率加工是使用cBN燒結(jié)體工具切削硬化鋼的一大優(yōu)點。
因此，需要開發(fā)一種方法來防止產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，同時保持使cBN燒結(jié)體刀頭的加工效率達(dá)到單位時間的排屑體積W為1200mm3/分鐘或更高(這是使用cBN燒結(jié)體工具切削硬化鋼的常規(guī)加工效率)。
針對降低工具的切削刃溫度而不降低加工效率的方法，對以下手段進(jìn)行了多種研究i)將切削過程中由于切屑的剪切和摩擦而產(chǎn)生的熱量從切削刃區(qū)有效地釋放到另外的區(qū)域，或ii)采取措施抑制切削過程中實際產(chǎn)生的熱量。
著眼于上述TiC-Al2O3陶瓷工具和cBN燒結(jié)體工具二者在相同的切削條件下所表現(xiàn)出的切削刃溫度的差異，各種分析結(jié)果確認(rèn)，cBN燒結(jié)體工具的導(dǎo)熱率提高，并且由于在切削過程的高溫下cBN中的B原子與氧發(fā)生反應(yīng)從而在切削刃的表面區(qū)形成了潤滑性能優(yōu)異的B2O3相。所得到的結(jié)果表明，通過減少切屑與加工件的摩擦熱，使得在工具的切削刃處產(chǎn)生的熱量減少。
首先，不使用傳統(tǒng)cBN燒結(jié)體工具，而是發(fā)明了一種由導(dǎo)熱性和潤滑性優(yōu)異的特定成分構(gòu)成的cBN燒結(jié)體、以及具有將切削部分產(chǎn)生的熱量有效地釋放到工具(刀頭)內(nèi)部這樣一種結(jié)構(gòu)的cBN燒結(jié)體工具。
作為上述手段i)的一個具體措施，為了主要提高cBN燒結(jié)體本身的導(dǎo)熱性，而不是提高導(dǎo)熱率最高為幾十W/m·K的粘結(jié)劑材料(例如TiN、TiC、W化合物、Co化合物和Al化合物)的導(dǎo)熱性，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來增大了cBN粉(其導(dǎo)熱率為1,000W/m·K或更高，僅次于金剛石)的百分含量，并且盡可能地降低所含粘結(jié)劑材料的耐熱性，所述技術(shù)方案為(1)一種用于高表面完整性加工的cBN燒結(jié)體，其含有不小于60體積％并且不大于95體積％的cBN成分，該cBN燒結(jié)體的導(dǎo)熱率等于或大于70W/m·K，并且其最外表面涂有厚度為0.5到12μm的耐熱膜，該耐熱膜含有選自在日本使用的元素周期表4a、5a、6a族元素和Al中的至少一種元素以及選自C、N和O中的至少一種元素所形成的化合物。
(2)一種cBN燒結(jié)體，其含有不小于72體積％并且不大于95體積％的cBN成分，該cBN燒結(jié)體的導(dǎo)熱率等于或大于80W/m·K，并且其含有選自在日本使用的元素周期表4a、5a和6a族元素的氮化物、碳化物和碳氮化物中的至少一者以及Al化合物作為粘結(jié)劑材料，所述Al化合物在所述粘結(jié)劑材料中的含量不超過20重量％，在除了所述cBN成分以外的其它成分中，在日本使用的元素周期表4a、5a和6a族元素的摩爾數(shù)加和M與C和N的摩爾數(shù)加和之比不小于1.3并且不大于1.6，并且該cBN燒結(jié)體的最外表面涂有厚度為0.5到12μm的耐熱膜，該耐熱膜含有選自在日本使用的元素周期表4a、5a、6a族元素和Al中的至少一種元素以及選自C、N和O中的至少一種元素所形成的化合物。
(3)根據(jù)以上(1)或(2)所述的cBN燒結(jié)體，其中，構(gòu)成所述cBN燒結(jié)體的cBN顆粒的平均粒徑不小于2μm并且不大于4μm；所述的cBN成分含有C、O以及選自Li、Si、Al、Ca和Mg中的至少一種元素；所述的C以及選自Li、Si、Al、Ca和Mg中的至少一種元素的含量之和不小于所述cBN成分的0.02重量％、并且不大于所述cBN成分的0.2重量％；所述的cBN燒結(jié)體包含高純度的其中O含量不大于所述cBN成分的0.17重量％的cBN成分，并且所述cBN燒結(jié)體的導(dǎo)熱率不小于85W/m·K。
(4)根據(jù)以上(1)到(3)中任意一項所述的cBN燒結(jié)體，其中在構(gòu)成所述cBN燒結(jié)體的所述cBN成分中，B與N的摩爾比不小于1.15并且不大于1.20。
(5)根據(jù)以上(1)到(4)中任意一項所述的cBN燒結(jié)體，其中所述耐熱膜的導(dǎo)熱率不小于30W/m·K并且不大于45W/m·K。
基于上述特定的cBN燒結(jié)體所具有的高導(dǎo)熱特性，為了更加有效地對切削熱在切削刃中積累而造成的高溫進(jìn)行抑制，本發(fā)明采用以下技術(shù)手段通過對cBN燒結(jié)體周圍的硬質(zhì)合金和釬焊料分別配置導(dǎo)熱率不小于80W/m·K和不小于220W/m·K的材料，使得可以更加可靠地在切削過程中實現(xiàn)切削刃的溫度下降。
(6)一種用于高表面完整性加工的cBN燒結(jié)體切削工具，其中，根據(jù)以上(1)到(5)中任意一項所述的cBN燒結(jié)體通過釬焊料與支撐件結(jié)合或與支撐件整體燒結(jié)，該支撐件包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷或鐵基材料；并且所述的cBN燒結(jié)體部分和所述釬焊料部分的導(dǎo)熱率均不小于80W/m·K。
(7)根據(jù)以上(6)所述的cBN燒結(jié)體切削工具，其中，所述釬焊料部分包含選自Ti和Zr中的至少一者、以及選自Ag和Cu中的至少一者，并且所述釬焊料部分由導(dǎo)熱率不小于220W/m·K的釬焊料構(gòu)成，所述釬焊料部分的厚度不小于0.02mm并且不大于0.20mm，并且所述釬焊料不含長徑超過0.5mm的孔隙。
(8)根據(jù)以上(6)或(7)所述的cBN燒結(jié)體切削工具，該cBN燒結(jié)體切削工具在所述釬焊料部分中包含5體積％到40體積％的平均粒徑不小于5μm并且不大于150μm的cBN顆?；蚪饎偸w粒；并且該cBN燒結(jié)體切削工具的導(dǎo)熱率不小于280W/m·K。
(9)根據(jù)以上(6)到(8)中任意一項所述的cBN燒結(jié)體切削工具，其中，在所述cBN燒結(jié)體切削工具參與切削的部分中，從所述耐熱膜去除其面積不小于切削橫截面積Q的10％并且不大于所述切削橫截面積Q的80％這樣一塊區(qū)域，使得該區(qū)域的cBN燒結(jié)體在切削過程中直接接觸被切削工件，其中，所述的切削橫截面積Q被定義為Q＝{R2·tan-1[f/sqr(4R2-f2)]+0.25f·sqr(4R2-f2)+f(d-R)}/(cosαs·cosαb)其中，設(shè)R為刀尖圓弧半徑，d為切削深度，f為進(jìn)給量，αb為側(cè)前角(side rake angle)，αs為刃傾角(inclination angle)。
(10)根據(jù)以上(6)到(9)中任意一項所述的cBN燒結(jié)體切削工具，其中，在所述cBN燒結(jié)體切削工具的后刀面的參與切削的部分中，從所述耐熱膜去除其面積不小于所述切削橫截面積Q的10％并且不大于所述切削橫截面積Q的80％這樣一塊區(qū)域，使得該區(qū)域的cBN燒結(jié)體在切削過程中直接接觸被切削工件。
此外，作為涉及上述手段ii)的具體措施，還希望提高cBN成分(其作為具有上述潤滑功能的B2O3相的供給源)的百分含量、并且為了均勻地生成適量的B2O3相，所以不添加諸如TiB2和AlB2這些與鐵的反應(yīng)性大于與cBN顆粒的反應(yīng)性的化合物(這些化合物會降低cBN燒結(jié)體的耐磨性和耐缺陷性)，而是重新考慮cBN原料粉的化學(xué)計量關(guān)系，從而將這樣一種cBN顆粒施用到本發(fā)明的cBN燒結(jié)體中，該cBN顆粒所具有的成分使得在構(gòu)成cBN燒結(jié)體的cBN成分中，B與N的摩爾比不小于1.15并且不大于1.20。
作為將cBN顆粒的化學(xué)計量關(guān)系調(diào)整到本發(fā)明的范圍內(nèi)的方法，通過將粘結(jié)劑粉與燒結(jié)管中的cBN顆粒這二者的混合物密封在Ti燒結(jié)管中，將原料粉置于真空氣氛中，在3到3.5GPa下加熱到1,000到1,200℃的溫度(這是cBN穩(wěn)定的壓力和溫度區(qū)域，并且在該壓力下間隙不會被壓扁，而且cBN顆粒和粘結(jié)劑之間的氮?dú)馊菀滓莩?，由此可以得到cBN成分中B與N的摩爾比不小于1.15并且不大于1.20這種組成的cBN顆粒。
在要求精度Rz需為0.4μm到3.2μm的硬化鋼切削應(yīng)用中，因為a)由于工具后刀面產(chǎn)生條紋磨損而將走刀痕跡高低位的位差轉(zhuǎn)印到加工物表面上、以及b)由于工具后刀面的磨損寬度增大而形成波紋，所以加工表面的表面粗糙性變差。
上述a)中所產(chǎn)生的條紋磨損與硬化鋼和切削刃后刀面的摩擦方向一致，據(jù)推測，在二者相對擦過時產(chǎn)生機(jī)械磨損，同時高應(yīng)力作用于cBN顆粒和粘結(jié)劑材料，這種高應(yīng)力導(dǎo)致顆粒脫落和破裂。
實際上，在傳統(tǒng)技術(shù)中，為了減小上述a)中所述的走刀痕跡高低位的位差，通常在V＝150m/分鐘或更高的高速條件下，使切削刃的發(fā)熱量增大、以及將加工工件和切屑軟化的情況下進(jìn)行加工，從而抑制上述表面粗糙性變差的問題。在這種情況中，高速條件下生成的熱量容易引起由熱因素而導(dǎo)致的后刀面磨損，解決此缺陷的通常的工業(yè)常識是使用這樣一種cBN燒結(jié)體材料，在該cBN燒結(jié)體材料中，cBN的體積百分含量被設(shè)置為等于或大于40％并小于65％，并且該cBN燒結(jié)體材料能強(qiáng)烈地抵抗熱磨損(因為含有TiN和TiC陶瓷的大部分粘結(jié)劑材料在高溫下對鐵的親和力小于對cBN的親和力)、并具有最高為50W/m·K的導(dǎo)熱率。因此，從原理上來說，在高速條件下改善表面粗糙性的方法中，難以通過抑制工具切削刃部分的發(fā)熱來防止殘余拉應(yīng)力，而這正是本發(fā)明要解決的問題。
同時，在專利文獻(xiàn)2中描述的一些傳統(tǒng)cBN燒結(jié)體中，cBN成分不少于60體積％，并含有Al化合物以及選自在日本使用的元素周期表4a、5a和6a族元素的氮化物、碳化物和碳氮化物中的至少一者作為粘結(jié)劑材料，該cBN燒結(jié)體的導(dǎo)熱率為65W/m·K。但是，在傳統(tǒng)cBN燒結(jié)體工具中，含有這種cBN成分的cBN燒結(jié)體被簡單地釬焊到由硬質(zhì)合金制成的基體金屬上，這種cBN燒結(jié)體工具即使在切削初期能改善對加工影響層的抑制作用，也會在切削開始后的十幾分鐘到幾十分鐘的階段中形成高達(dá)約100μm的后刀面磨損，這當(dāng)然會增大上述b)中所述的波紋，由于耐磨性不足，所以在硬化鋼精加工切削的連續(xù)切削應(yīng)用中不可能達(dá)到實用化的切削。在專利文獻(xiàn)4中披露了一種對上述傳統(tǒng)cBN燒結(jié)體涂敷TiAlN膜的cBN燒結(jié)體工具，這種工具可以在一定程度上抑制后刀面磨損，但由于TiAlN膜具有隔熱的功能，使得熱性能減弱而抵消了所述的抑制作用，因此并未改善所產(chǎn)生的加工影響層的厚度。
不考慮加工表面的粗糙度，如果為了降低切削溫度以抑制加工影響層并保持壓應(yīng)力，而在低于V＝70m/分鐘的低速條件下進(jìn)行硬化鋼切削，則使用傳統(tǒng)cBN燒結(jié)體或涂有TiAlN膜的cBN燒結(jié)體工具是不可能進(jìn)行切削的，這是因為在開始切削后幾分鐘的切削初期中，由于材料的強(qiáng)度不足會導(dǎo)致cBN燒結(jié)體或cBN燒結(jié)體工具破損。
因此，在本發(fā)明中，即使是對于常規(guī)構(gòu)造的、cBN成分的含量不小于60體積％并且不大于95體積％的cBN燒結(jié)體(其中，切削刃溫度升高會不可避免地在cBN燒結(jié)體中出現(xiàn)熱磨損)，如上所述，通過將具有高導(dǎo)熱率和高潤滑性的cBN燒結(jié)體承載在高導(dǎo)熱性的支撐件上，也可以降低溫升。并且，甚至在傳統(tǒng)cBN工具不能達(dá)到良好的表面精度的低速加工條件下，即使在要求精度Rz需為0.4μm到3.2μm、加工效率為單位時間排屑體積W等于或大于1,200mm3/分鐘的硬化鋼切削應(yīng)用中，通過利用高cBN百分含量所帶來的高強(qiáng)度特性，也可以實現(xiàn)與傳統(tǒng)cBN燒結(jié)體工具在高速條件下使用時同等的壽命，同時防止形成殘余拉應(yīng)力。
本發(fā)明的效果在利用含有本發(fā)明的cBN燒結(jié)體的工具來切削硬度Hv為4.5GPa或更高的硬化鋼工件時，由于切削過程中切削刃的溫度和熱量均得到抑制，所以產(chǎn)生以下效果使加工件切削表面上的加工影響層的產(chǎn)生受到抑制，促進(jìn)壓應(yīng)力的殘留，增強(qiáng)加工件的疲勞壽命，并延長切削工具的壽命。
實施本發(fā)明的最佳方式如圖1所示，通過在上述高導(dǎo)熱率cBN燒結(jié)體1的最外表面涂敷厚度為0.5μm到12μm的耐熱膜2(代表性的是TiAlN和CrAlN，等等)，本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具10的耐磨性(即工具壽命)可以被大大提高，同時可防止由于切削刃溫升而造成的殘余拉應(yīng)力(這是低導(dǎo)熱率陶瓷的缺點)。
但是，cBN體積百分含量超過95％的cBN燒結(jié)體是不理想的，這是因為作為導(dǎo)電物質(zhì)的粘結(jié)劑材料的百分含量相對于cBN顆粒太少，而cBN顆粒是半導(dǎo)體，因此通過電弧離子鍍PVD形成的耐熱膜與cBN燒結(jié)體的結(jié)合強(qiáng)度不足以承受對熱處理工件所進(jìn)行的切削加工。
本發(fā)明的耐熱膜2是優(yōu)選的，這是因為通過使鋁含量為膜成分中除C、N和O以外其它成分的0原子％到10原子％，就得到18W/m·K或更高的導(dǎo)熱率，并且使切削刃溫度變低。此外，TiAlVN成分中的V含量為膜成分中除C、N和O以外其它成分的0原子％到10原子％、并且其中的Al含量為膜成分中除C、N和O以外其它成分的0原子％到10原子％這樣一種涂膜在潤滑性方面是優(yōu)異的，因此是更加優(yōu)選的。
本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具10具有以下結(jié)構(gòu)上述cBN燒結(jié)體1通過釬焊料部分4結(jié)合到由硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷或鐵基材料制成的支撐件3上。
TiAlMN成分(M＝C、O、Si、V等)中M含量為膜成分中除C、N和O以外其它成分的12原子％到20原子％、并且其中的Al含量為膜成分中除C、N和O以外其它成分的0原子％到10原子％這樣一種涂膜，其導(dǎo)熱率不超過50W/m·K，因為可防止過多的切削熱量傳遞到工具切削刃，所以使工具磨損寬度減小、并使加工表面的表面完整性提高。
關(guān)于更優(yōu)選的形式，設(shè)R為刀尖圓弧半徑、d為切削深度、f為進(jìn)給量(參見圖2(e))、αb為側(cè)前角(參見圖2(d))、αs為刃傾角(參見圖2(c))，則切削橫截面積Q被定義為Q＝{R2·tan-1[f/sqr(4R2-f2)]+0.25f·sqr(4R2-f2)+f(d-R)}/(cosαs·cosαb)如圖2所示，從工具的參與切削的部分中，去除其面積不小于切削橫截面積Q的10％并且不大于切削橫截面積Q的80％這樣一塊區(qū)域的上述耐熱膜，使得該區(qū)域的cBN燒結(jié)體在切削過程中直接接觸被切削工件，這樣一種工具具有優(yōu)異的切削刃散熱性，而且在耐熱膜位置處抑制工具磨損的發(fā)展，因此可延長工具壽命，同時從切削初期開始就保持相當(dāng)優(yōu)異的表面性能。
實施例1準(zhǔn)備其中Al含量為TiN的15重量％的粘結(jié)劑粉、以及平均粒徑為3μm的市售cBN粉。通過高頻電感耦合等離子體發(fā)射分析(ICP分析)檢驗cBN粉中除cBN以外的成分，結(jié)果該cBN粉含有0.18重量％的氧、以及總計為0.35重量％的Li、Si、Al、Ca、Mg和C。使用由硬質(zhì)合金制成的桶和球?qū)⒄辰Y(jié)劑粉與cBN粉混合。在此準(zhǔn)備的TiN中，Ti和N的摩爾比為1.6。將混合后的粉末裝入由硬質(zhì)合金制成的容器中，在壓力8.5GPa和溫度2,100℃下燒結(jié)60分鐘，從而得到表1中11到27所示的各種cBN燒結(jié)體。對每種cBN燒結(jié)體的組成，通過X射線衍射分析來鑒定產(chǎn)品、并通過ICP分析來檢驗cBN的百分含量。通過氙閃導(dǎo)熱率測試儀(xenon flash thermal conductivitymeter)測量cBN燒結(jié)體的導(dǎo)熱率。
此外，在以下條件下，使用其中在參與切削的表面中具有相應(yīng)的cBN燒結(jié)體、并且其刀頭形狀屬于ISO CNGA120408型的工具來進(jìn)行切削評價。
對于所有刀頭，將沒有硬質(zhì)合金襯底(backing)的cBN燒結(jié)體釬焊到由硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷或鐵基燒結(jié)材料制成的基體上，接著通過研磨來加工cBN燒結(jié)體切削面和刀尖圓弧R部分，隨后，對上述各種切削刃形狀進(jìn)行加工。在經(jīng)過上述切削刃形狀加工后，所有刀頭中的cBN燒結(jié)體的厚度均為0.8mm，并且在刀尖圓弧半徑為0.8R的刀頭中，cBN燒結(jié)體材料底面的釬焊區(qū)面積是3.2mm2。釬焊料的組成為Ag 76重量％，Cu 21重量％，Zr 1重量％，Ti 2重量％；并且在850℃進(jìn)行釬焊。所有樣品的厚度均為0.05mm，并且釬焊料中沒有孔隙。
對于所有刀頭，如前所述，在將cBN燒結(jié)體釬焊到相應(yīng)的刀頭基體之后，通過研磨來加工cBN燒結(jié)體切削面和刀尖圓弧R部分。隨后，進(jìn)一步進(jìn)行研磨加工，使得所有上述刀頭的切削刃均形成角度為-25°、寬度為0.13mm的倒角形狀；當(dāng)?shù)额^被安裝到夾持器中時，刃傾角為-5°，側(cè)前角為-5°，背后角(back relief angle)為5°，側(cè)后角(side relief angle)為5°，副偏角(end cutting angle)為5°，斜切削刃角(side cutting edge angle)為-5°。最后，在加工成上述切削刃形狀之后，通過電弧離子鍍PVD涂敷厚度為0.2到15μm的各種耐熱膜。
被切削工件JIS SCR415型(DIN 15Cr3型)，外徑車削加工，連續(xù)加工被切削工件的硬度HRc 60切削速度V＝100m/分鐘切削深度d＝0.15mm進(jìn)給量f＝0.08mm/轉(zhuǎn)切削時間120分鐘冷卻液稀釋20倍的乳液(制造商為Japan Fluid System株式會社，商品名為System Cut 96)

*1樣品1是用于硬化鋼精切削加工的、其形狀屬于CNGA120408型的市售Al2O3-TiC(黑陶瓷)刀頭，并且在與其它樣品相同的切削刃制備過程中進(jìn)行了處理的試樣。
關(guān)于樣品2，從與樣品1相同的、用于硬化鋼精切削加工的、其形狀屬于CNGA120408型的市售Al2O3-TiC(黑陶瓷)刀頭上，用線切割切出尺寸與其它cBN燒結(jié)體材料相同的Al2O3-TiC(黑陶瓷)一塊整體材料，并釬焊到硬質(zhì)合金基體上，按照與其它樣品相同的方式進(jìn)行切削刃制備和施加TiAlN涂層，并進(jìn)行切削評價。
樣品3到10是釬焊的cBN燒結(jié)體工具，用于市售硬化鋼的精切削加工，其中采用cBN粉以及含有TiN和Al作為起始原料的粘結(jié)劑材料粉，并在壓力5GPa和溫度1,500℃的條件下燒結(jié)60分鐘。實施與其它樣品相同的切削刃制備，除樣品8以外其它樣品均涂敷TiAlN，然后進(jìn)行切削評價。cBN層的厚度與其它樣品相同，通過顯微組織觀察、XRD分析和ICP分析對cBN的百分含量、粒徑和組成進(jìn)行研究，并將結(jié)果示于表1中。通過電感耦合等離子發(fā)射分析(ICP分析)來檢驗除了cBN成分以外的其它成分，結(jié)果表明該cBN粉含有0.18重量％的氧，以及總計為0.35重量％的Li、Si、Al、Ca、Mg和C。使用由硬質(zhì)合金制成的桶和球混合該粘結(jié)劑粉和cBN粉。在此準(zhǔn)備的TiN的特征在于，Ti和N的摩爾比是1.7。
*2表示基體所用材料，硬質(zhì)合金使用具有WC-8重量％Co組成的硬質(zhì)合金，金屬陶瓷使用具有TiC-5重量％Ni-8重量％Co組成的金屬陶瓷，陶瓷使用由Si3N4制成的陶瓷，P/M使用相當(dāng)于JIS SMF4045的鐵基燒結(jié)制品。
*3表示耐熱膜所用的材料組成。TiAlN是Al與Ti的原子比Al/Ti為1的TiAlN，CrAlN是Al/Cr＝0.7的CrAlN，TiCN是C/N＝1的TiCN。
*4表示120分鐘切削時間之后的后刀面磨損寬度VB的測量值。
*5在120分鐘切削時間之后，在將加工表面的橫截面拋光并且用硝酸乙醇溶液(乙醇+5重量％硝酸)蝕刻后，測量加工影響層的厚度。
如表1所示，在樣品1和2(其中陶瓷和陶瓷切削刃均涂有耐熱膜)中，無論磨損寬度VB是多少，產(chǎn)生的加工影響層均等于或大于30μm。同時，在所有情況下，無論cBN切削工具是否具有耐熱涂膜，其產(chǎn)生的加工影響層都等于或小于22μm。
在cBN燒結(jié)體切削工具中，樣品11、13-16和18-27(本發(fā)明的樣品)都具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性，加工影響層的厚度都等于或小于8μm。特別是，導(dǎo)熱率都等于或大于73W/m·K的樣品13-16以及18-27，能得到具有優(yōu)異的表面完整性的加工表面。
樣品12的導(dǎo)熱率等于或大于73W/m·K，但由于其耐熱膜薄(為0.2μm)，因此對提高cBN燒結(jié)體的耐磨性幾乎沒有效果。加工表面與后刀面磨損部分(磨損量高達(dá)VB＝160μm)之間的摩擦熱，導(dǎo)致產(chǎn)生了11μm厚的加工影響層，該層的厚度大于本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具所產(chǎn)生的加工影響層的厚度。
樣品17的導(dǎo)熱率等于或大于73W/m·K，因為耐熱膜的厚度為15μm，所以極大地抑制了后刀面磨損(VB＝90μm)，但與此形成對照的是，加工影響層的厚度為15μm，比本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具的厚。據(jù)推測，由于樣品17的耐熱膜厚，并且其導(dǎo)熱率比cBN燒結(jié)體的導(dǎo)熱率低，因此加工表面與切削工具后刀面之間的摩擦熱難以釋放到cBN燒結(jié)體內(nèi)部，并且由于其切削刃的溫升大于本發(fā)明cBN燒結(jié)體切削工具的切削刃的溫升，所以就更加容易形成加工影響層。
實施例2準(zhǔn)備其中Al含量為TiN的20重量％的粘結(jié)劑材料粉、以及平均粒徑為2μm的市售cBN粉。通過高頻電感耦合等離子體發(fā)射分析(ICP分析)檢驗cBN粉中除cBN以外的成分，結(jié)果該cBN粉含有0.18重量％的氧、以及總計為0.35重量％的Li、Si、Al、Ca、Mg和C。使用由硬質(zhì)合金制成的桶和球?qū)⒄辰Y(jié)劑材料粉和cBN粉混合。在此準(zhǔn)備的TiN的特征在于，Ti和N的摩爾比為1.1。
將2重量％三聚氰胺樹脂加入該混合粉中；將混合后的粉末裝入由硬質(zhì)合金制成的各種容器中，在壓力4.5GPa和溫度1,900℃下燒結(jié)60分鐘，由此得到其中包含70體積％的cBN成分以及余量為粘結(jié)劑材料(TiN、TiB2、AlB2、AlN和Al2O3)的燒結(jié)體，其導(dǎo)熱率為72W/m·K。
對每種cBN燒結(jié)體的組成，通過X射線衍射分析來鑒定產(chǎn)品、并通過ICP分析來定量檢驗cBN的百分含量。在通過研磨去除其它材料之后，使用氙閃導(dǎo)熱率測試儀，單獨(dú)測量硬質(zhì)合金襯底和釬焊料的導(dǎo)熱率。
在以下條件下，使用其中在參與切削的表面中具有上述cBN燒結(jié)體、并且其刀頭形狀屬于ISO CNGA120408型的工具進(jìn)行切削評價。
對于所有刀頭，使用不同的釬焊料將具有硬質(zhì)合金襯底的cBN燒結(jié)體材料連接到硬質(zhì)合金基體上，接著通過研磨來加工cBN燒結(jié)體工具切削刃部分的切削面和刀尖圓弧R部分，隨后，對上述各種切削刃形狀進(jìn)行加工。在經(jīng)過上述切削刃形狀加工后，所有刀頭的cBN燒結(jié)體和硬質(zhì)合金襯底的厚度均為0.8mm，并且在刀尖圓弧半徑為0.8R的刀頭中，cBN燒結(jié)體材料底面的釬焊區(qū)面積是3.2mm2。使用多種釬焊料進(jìn)行釬焊，并且在真空氣氛和870℃的條件下進(jìn)行釬焊。對于所有樣品，釬焊層的釬焊料厚度均為0.05mm，并且釬焊料中沒有孔隙。
對于所有刀頭，如前所述，在將cBN燒結(jié)體釬焊到各種刀頭基體上之后，通過研磨來加工cBN燒結(jié)體切削面和刀尖圓弧R部分。隨后，進(jìn)一步進(jìn)行研磨加工，使得所有上述刀頭的切削刃均形成角度為-25°、寬度為0.13mm的倒角形狀；當(dāng)?shù)额^被安裝到夾持器中時，刃傾角為-5°，側(cè)前角為-5°，背后角為5°，側(cè)后角為5°，副偏角為5°，斜切削刃角為-5°。最后，在加工成上述切削刃形狀之后，通過電弧離子鍍PVD涂敷厚度1μm的TiAlN耐熱膜，其中TiAlN中的Al與Ti的原子比Al/Ti為1。
被切削工件JIS SCR415型(DIN 15Cr3型)，外徑車削加工，連續(xù)加工被切削工件的硬度HRc 58切削速度V＝100m/分鐘切削深度d＝0.2mm進(jìn)給量f＝0.08mm/轉(zhuǎn)切削時間150分鐘冷卻液稀釋20倍的乳液(制造商為Japan Fluid System株式會社，商品名為System Cut 96)[表2]

*1表示150分鐘切削時間后的后刀面磨損VB的測量值。
*2在150分鐘切削時間后，在將加工表面的橫截面拋光并且用硝酸乙醇溶液(乙醇+5重量％硝酸)蝕刻后，測量加工影響層的厚度。
*3
在150分鐘切削時間后，使用微區(qū)X射線應(yīng)力分析儀通過sin2Ψ法(等傾法)來測量加工表面的殘余應(yīng)力。表中的負(fù)號表示受到壓應(yīng)力。
如表2中的樣品28-32所示，在由相同組成的cBN燒結(jié)體材料(具有由相同組成的硬質(zhì)合金制成的金屬襯底)、用不同的釬焊料制備的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具中，特別是，使用導(dǎo)熱率等于或大于80W/m·K的釬焊料制成的工具會形成較少的加工影響層、并且具有較高的殘余壓應(yīng)力值。
如樣品34-36所示，在由cBN燒結(jié)體(具有由不同組成的硬質(zhì)合金制成的金屬襯底)、用相同組成的釬焊料制備的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具中，特別是，其中所用金屬襯底由導(dǎo)熱率等于或大于80W/m·K的硬質(zhì)合金制成的工具會形成較少的加工影響層、并且具有較高的殘余壓應(yīng)力值。
據(jù)推測，切削過程中產(chǎn)生的熱量從導(dǎo)熱率優(yōu)異的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體的內(nèi)部傳導(dǎo)到導(dǎo)熱率優(yōu)異的本發(fā)明的硬質(zhì)合金襯底和釬焊料中，從而增強(qiáng)了對切削刃溫升的抑制作用，并且減少了流向加工表面的熱量的比例。
實施例3如表3所示，準(zhǔn)備其中Al含量為選自TiN、TiC和ZrN中的至少一種物質(zhì)的3重量％到25重量％的粘結(jié)劑材料粉，以及平均粒徑為4.5μm的市售cBN粉。通過高頻電感耦合等離子體發(fā)射分析(ICP分析)檢驗cBN粉中除cBN以外的成分，結(jié)果該cBN粉含有0.18重量％的氧，以及總計為0.35重量％的Li、Si、Al、Ca、Mg和C。使用由硬質(zhì)合金制成的桶和球?qū)⒄辰Y(jié)劑材料粉和cBN粉混合。
將各種混合粉裝入由硬質(zhì)合金制成的各種容器中，在壓力5.5GPa和溫度1,850℃下燒結(jié)60分鐘，由此得到包含不小于72體積％并且不大于99體積％的cBN以及余量為粘結(jié)劑(TiN、TiB2、AlB2、AlN和Al2O3)的燒結(jié)體，其導(dǎo)熱率為72W/m·K。
對各個cBN燒結(jié)體組成，通過X射線衍射分析來鑒定產(chǎn)品、并通過ICP分析來檢驗cBN的百分含量。
對上述cBN燒結(jié)體中除了cBN成分以外的其它成分，使用電感耦合等離子發(fā)射分析(ICP分析)定量檢驗Al化合物的百分含量，以及在日本使用的元素周期表4a、5a和6a族元素的摩爾數(shù)加和M與C和N的摩爾數(shù)加和之比。使用氙閃導(dǎo)熱率測試儀測量導(dǎo)熱率。
在以下條件下，使用其中在參與切削的表面中具有這種cBN燒結(jié)體、并且其刀頭形狀屬于ISO CNGA120408型的工具進(jìn)行切削評價。
對所有刀頭，將沒有硬質(zhì)合金襯底的cBN燒結(jié)體釬焊到硬質(zhì)合金基體上，接著通過研磨來加工cBN燒結(jié)體切削面和刀尖圓弧R部分，隨后，對上述各種切削刃形狀進(jìn)行加工。在經(jīng)過上述切削刃形狀加工后，所有刀頭的cBN燒結(jié)體厚度均為0.8mm，并且在刀尖圓弧半徑為0.8R的刀頭中，cBN燒結(jié)體材料底面的釬焊區(qū)面積是3.2mm2。釬焊料的組成為Ag 76重量％，Cu 21重量％，Zr 1重量％，Ti 2重量％，在850℃進(jìn)行釬焊。所有樣品的釬焊層的釬焊料厚度均為0.05mm，并且釬焊料中沒有孔隙。
對所有刀頭，如前所述，在將cBN燒結(jié)體釬焊到各種刀頭基體上之后，通過研磨來加工cBN燒結(jié)體切削面和刀尖圓弧R部分。隨后，進(jìn)一步進(jìn)行研磨加工，使得所有上述刀頭的切削刃均形成角度為-25°、寬度為0.13mm的倒角形狀；當(dāng)?shù)额^被安裝到夾持器中時，刃傾角為-5°，側(cè)前角為-5°，背后角為5°，側(cè)后角為5°，副偏角為5°，斜切削刃角為-5°。最后，在加工成上述切削刃形狀之后，通過電弧離子鍍PVD涂敷厚度為1μm的TiAlN耐熱膜，其中TiAlN中的Al與Ti的原子比Al/Ti為1。
被切削工件JIS SUJ2型(DIN 100Cr6型)，外徑車削加工，連續(xù)加工被切削工件的硬度HRc 62切削速度V＝120m/分鐘切削深度d＝0.15mm進(jìn)給量f＝0.08mm/轉(zhuǎn)切削時間80分鐘冷卻液稀釋20倍的乳液(制造商為Japan Fluid System株式會社，商品名為System Cut 96)[表3]

*1樣品37是實施例1中樣品9使用的市售刀頭。
*2
表示80分鐘切削時間后的后刀面磨損寬度VB的測量值。
*3僅在樣品52中，由于TiAlN耐熱膜剝落，導(dǎo)致10分鐘切削時間后的后刀面磨損寬度VB達(dá)到300μm，于是停止切削，測量加工影響層厚度和殘余應(yīng)力。對其它樣品，測量80分鐘切削時間后的后刀面磨損寬度VB，并測量此時的加工影響層厚度和殘余應(yīng)力。
*4除樣品52以外，其它樣品均在80分鐘切削時間后，在將加工表面的橫截面拋光并且用硝酸乙醇溶液(乙醇+5重量％硝酸)蝕刻后，測量加工影響層的厚度。
*5除了樣品52以外，其它樣品均在80分鐘切削時間后，使用微區(qū)X射線應(yīng)力分析儀通過sin2Ψ法(等傾法)來測量加工表面的殘余應(yīng)力。表中的負(fù)號表示受到壓應(yīng)力，并且正號表示受到拉應(yīng)力。
如表3所示，與傳統(tǒng)cBN燒結(jié)體中加工影響層為15μm相比，樣品38-51(本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具)的加工影響層都等于或小于9μm，并且所受到的殘余應(yīng)力都是較高的殘余壓應(yīng)力。
具體而言，結(jié)果表明樣品40-43以及47-51的cBN燒結(jié)體切削工具(其中cBN燒結(jié)體中的粘結(jié)劑包含選自在日本使用的元素周期表4a、5a和6a族元素的氮化物、碳化物和碳氮化物中的至少一者以及Al化合物，在日本使用的元素周期表4a、5a和6a族元素的摩爾數(shù)加和M與C和N的摩爾數(shù)加和之比M/(C+N)不小于1.3并且不大于1.6，Al化合物的百分含量等于或小于20％，并且其導(dǎo)熱率等于或大于80W/m·K)，達(dá)到了較高等級的表面完整性。
當(dāng)M/(C+N)小于1.3時，cBN顆粒與粘結(jié)劑之間的結(jié)合力不足，顆粒界面區(qū)易于出現(xiàn)微缺陷，這些缺陷區(qū)成為熱障，因此使導(dǎo)熱率降低。當(dāng)M/(C+N)超過1.6時，導(dǎo)熱率也會降低，據(jù)推測其原因為由于構(gòu)成粘結(jié)劑的晶體點陣的諧振動受到粘結(jié)劑材料中微小的析出物或固溶物的影響而被擾亂，使得聲子傳導(dǎo)性下降。
樣品52具有類似于本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具的良好的導(dǎo)熱性。因此，如果可以抑制過大的后刀面磨損VB的形成(這是cBN百分含量高的cBN燒結(jié)體切削工具的弱點)，就可以在切削硬化鋼時得到高表面完整性。但是，cBN體積百分含量超過95％的cBN燒結(jié)體不能得到像本發(fā)明一樣的高等級的表面性能，這是因為這種cBN燒結(jié)體含有少量(相對于不導(dǎo)電的cBN顆粒)導(dǎo)電的粘結(jié)劑材料；cBN燒結(jié)體與通過電弧離子鍍PVD形成的耐熱膜之間的結(jié)合強(qiáng)度不足以承受對熱處理工件所進(jìn)行的切削加工；耐熱膜在切削早期就剝離，于是后刀面磨損寬度增大。
實施例4以市售hBN和三聚氰胺樹脂粉為起始原料，并利用含有微量Al和Si的金屬催化劑MgBN和LiCaBN，合成出表4所示的高純度cBN粉，其平均粒徑為2到5μm，并且Li、Si、Mg、Al、Ca和C占cBN成分的0.222重量％或更低。
通過含有微量Al和Si的金屬催化劑MgBN和LiCaBN的加入量，來控制混入cBN成分中的Li、Ca、Al、Si和Mg的量。并且，通過使用高頻爐在氫氣氣氛中將上述hBN起始原料的預(yù)處理溫度從1,100℃調(diào)節(jié)到1,500℃，來控制碳的混入量。
混合82重量％的TiN和8重量％的Al，制成用于這種高純度cBN粉的粘結(jié)劑粉。使用由硬質(zhì)合金制成的桶和球混合高純度cBN粉和粘結(jié)劑。
將這種混合后的粉末裝入硬質(zhì)合金容器中，在壓力8.0GPa和溫度1,700℃下燒結(jié)30分鐘。在對燒結(jié)體進(jìn)行X射線衍射分析時，確定每個樣品中除cBN以外的TiN、TiB2、AlN、Al2O3等。在cBN燒結(jié)體的ICP分析結(jié)果中，除樣品54外，其它所有樣品的cBN體積百分含量均為72％，并且TiN的特征在于Ti與N的摩爾比為1.4。通過ICP分析檢測cBN百分含量以及Ti與N的摩爾比，通過氙閃導(dǎo)熱率測試儀測量cBN燒結(jié)體的導(dǎo)熱率。
各個cBN燒結(jié)體列在表4中。為測定燒結(jié)體中的氧以及Li、Ca、Al、Si、Mg和C相對于cBN成分的含量，將每邊長3到7mm、厚0.3到0.5mm的長方形燒結(jié)體試樣，在密閉容器中用氫氟酸-硝酸(其中氫氟酸-硝酸是將濃度等于或大于60％并小于65％的2倍稀釋的硝酸40mL與濃度等于或大于45％并小于50％的氫氟酸10mL混合)在等于或大于120℃并且小于150℃的溫度下處理48小時，并通過上述ICP法來檢驗殘余的成分。當(dāng)對此殘余成分進(jìn)行X射線衍射分析時，在任何樣品的殘余成分中均未發(fā)現(xiàn)TiN、TiB2、AlN或Al2O3。
接著，在以下條件下，使用在其中參與切削的表面中具有表4中53-67所示不同成分的cBN燒結(jié)體、并且其刀頭形狀屬于ISOCNGA120412型的工具對所得燒結(jié)體進(jìn)行切削評價。
對所有刀頭，將沒有硬質(zhì)合金襯底的cBN燒結(jié)體釬焊到硬質(zhì)合金基體上，接著通過研磨來加工cBN燒結(jié)體切削面和刀尖圓弧R部分，隨后，對上述各種切削刃形狀進(jìn)行加工。在經(jīng)過上述切削刃形狀加工后，所有刀頭的cBN燒結(jié)體厚度均為0.8mm，并且在刀尖圓弧半徑為1.2R的刀頭中，cBN燒結(jié)體材料底面的釬焊區(qū)面積是2.9mm2。釬焊料的組成為Ag 76重量％，Cu 21重量％，Zr 1重量％，Ti 2重量％，在850℃進(jìn)行釬焊。所有樣品的釬焊層的釬焊料厚度均為0.05mm，并且釬焊料中沒有孔隙。
對所有刀頭，如前所述，在將cBN燒結(jié)體釬焊到各種刀頭基體上之后，通過研磨來加工cBN燒結(jié)體切削面和刀尖圓弧R部分。隨后，進(jìn)一步進(jìn)行研磨加工，使得所有上述刀頭的切削刃均形成角度為-25°、寬度為0.13mm的倒角形狀；當(dāng)?shù)额^被安裝到夾持器中時，刃傾角為-5°，側(cè)前角為-5°，背后角為5°，側(cè)后角為5°，副偏角為5°，斜切削刃角為-5°。最后，在加工成上述切削刃形狀之后，通過電弧離子鍍PVD涂敷厚度為1μm的TiAlN耐熱膜，其中TiAlN中的Al與Ti的原子比Al/Ti為1。
被切削工件JIS SCR415型(DIN 15Cr3型)，外徑車削加工，連續(xù)加工被切削工件的硬度HRc 58切削速度V＝120m/分鐘切削深度d＝0.15mm
進(jìn)給量f＝0.08mm/轉(zhuǎn)切削時間60分鐘冷卻液無

*1樣品53是實施例1中樣品9(以市售cBN粉作為起始原料)使用的市售刀頭。
樣品54是實施例1中樣品24(以市售cBN粉作為起始原料)所用的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體。
樣品55-67是本發(fā)明的cBN燒結(jié)體(使用由hBN粉合成的cBN粉)。
*2表示燒結(jié)體中的cBN成分所包含的除氧以外的元素(例如Li、Ca、Al、Si、Mg和C)的加和占cBN成分的重量百分比。
*3表示60分鐘切削時間后的后刀面磨損寬度測量值。
*4表面粗糙度Rz是JIS B0601中規(guī)定的10點平均粗糙度，是在切削掉0.8μm、并且基準(zhǔn)長度l＝4mm的條件下沿被切削材料的軸向測出的。
*5在60分鐘切削時間后，在將加工表面的橫截面拋光并且用硝酸乙醇溶液(乙醇+5重量％硝酸)蝕刻后，測量加工影響層的厚度。
如表4所示，與傳統(tǒng)cBN燒結(jié)體產(chǎn)生的加工影響層厚度15μm相比，樣品54-67(本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具)把產(chǎn)生的加工影響層的量控制在等于或小于8μm。
在本發(fā)明的樣品中，樣品56-58、60、62-64和66包含高純度cBN成分，其中構(gòu)成cBN燒結(jié)體的cBN的平均粒徑不小于2μm并且不大于4μm；cBN成分中包含碳、氧和選自Li、Si、Al、Ca和Mg中的至少一者；上述Li、Si、Al、Ca、Mg和碳的加和不小于cBN成分的0.02重量％并且不大于cBN成分的0.2重量％；氧占cBN成分的0.17重量％或更低。本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具均具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性，并且所產(chǎn)生的加工影響層的厚度均限制在等于或小于3.5μm以內(nèi)。據(jù)推測其原因是因為cBN顆粒中阻礙cBN晶體點陣諧振動的Li、Si、Al、Ca、Mg和碳成分的量減少，所以聲子的傳導(dǎo)性提高。
在本發(fā)明的樣品中，其中cBN顆粒中的Li、Si、Al、Ca、Mg和碳成分超過0.2％的樣品53、54和65具有較低的導(dǎo)熱率，據(jù)推測這是因為上述諧振動受阻之故。
與此形成對照的是，其中cBN顆粒中的Li、Si、Al、Ca、Mg和碳成分小于0.02重量％的樣品61具有較低的導(dǎo)熱率，據(jù)推測其原因是如果Li、Si、Al、Ca、Mg和碳成分太少，則不再具有增強(qiáng)cBN顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度的效果，使得cBN燒結(jié)體內(nèi)形成了成為熱障的缺陷。
樣品59的導(dǎo)熱率也較低。據(jù)推測其原因是cBN顆粒尺寸非常細(xì)小，使得cBN顆粒的顆粒界面表面積增大，從而成為熱障。
同時，由于樣品67的cBN粒徑大，使得作為熱障的顆粒界面面積減少，從而使導(dǎo)熱率提高，并且所產(chǎn)生的加工影響層的厚度也小。但是，與達(dá)到令人滿意的表面粗糙度(Rz等于或小于2.4μm)的其它樣品相比，樣品67的表面粗糙性差，其Rz為4.0μm。通過觀察已經(jīng)評價過的刀頭切削刃，在所有樣品工具的副切削刃部分均觀察到cBN顆粒脫落，這些脫落顆粒留下的痕跡轉(zhuǎn)移到加工表面而引起粗糙，并決定表面粗糙度。
實施例5通過將實施例4中樣品58中使用的cBN粉和粘結(jié)劑材料粉的混合粉封閉在Ti管中，將該管真空密封在硬質(zhì)合金容器中，在壓力3到3.5GPa和溫度1,000℃到1,200℃的條件下脫氮，接著在壓力7.7GPa和溫度2,000℃的條件下燒結(jié)60分鐘，得到表5中68-75所示的cBN燒結(jié)體。
在對燒結(jié)體進(jìn)行X射線衍射分析時，確定每個樣品中除cBN成分以外的TiN、TiB2、AlN、Al2O3等。在cBN燒結(jié)體的ICP分析結(jié)果中，除樣品2外，其它所有樣品的cBN體積百分含量均為72％，并且TiN的特征在于Ti與N的摩爾比為1.4。
關(guān)于燒結(jié)體中cBN成分的B與N的摩爾比，將每邊長3到7mm、厚0.3到0.5mm的長方形燒結(jié)體試樣，在密閉容器中用氫氟酸-硝酸(其中氫氟酸-硝酸是將濃度等于或大于60％并小于65％的2倍稀釋的硝酸40mL與濃度等于或大于45％并小于50％的氫氟酸10mL混合)在等于或大于120℃并且小于150℃的溫度下處理48小時，并通過上述ICP法來檢驗殘余的成分。當(dāng)對此殘余成分進(jìn)行X射線衍射分析時，在所有樣品的殘余成分中均未發(fā)現(xiàn)TiN、TiB2、AlN或Al2O3。
接著，在與實施例4相同的條件下，使用其中在參與切削的表面中具有表5中68-75所示的不同組成的cBN燒結(jié)體、并且其刀頭形狀屬于ISO CNGA120412型的工具對所得燒結(jié)體進(jìn)行切削評價。
對于所有刀頭，將沒有硬質(zhì)合金襯底的cBN燒結(jié)體釬焊到硬質(zhì)合金基體上，接著通過研磨來加工cBN燒結(jié)體切削面和刀尖圓弧R部分，隨后，對上述各種切削刃形狀進(jìn)行加工。在經(jīng)過上述切削刃形狀加工后，所有刀頭的cBN燒結(jié)體厚度均為0.8mm，在刀尖圓弧半徑為1.2R的刀頭中，cBN燒結(jié)體材料底面的釬焊區(qū)面積是2.9mm2。釬焊料的組成為Ag 76重量％，Cu 21重量％，Zr 1重量％，Ti 2重量％，在850℃進(jìn)行釬焊。所有樣品的釬焊層的釬焊料厚度均為0.05mm，并且釬焊料中沒有孔隙。
對所有刀頭，如前所述，在將cBN燒結(jié)體釬焊到各種刀頭基體上之后，通過研磨來加工cBN燒結(jié)體切削面和刀尖圓弧R部分。隨后，進(jìn)一步進(jìn)行研磨加工，使得所有上述刀頭的切削刃均形成角度為-25°、寬度為0.13mm的倒角形狀；當(dāng)?shù)额^被安裝到夾持器中時，刃傾角為-5°，側(cè)前角為-5°，背后角為5°，側(cè)后角為5°，副偏角為5°，斜切削刃角為-5°。最后，在加工成上述切削刃形狀之后，通過電弧離子鍍PVD涂敷厚度為1μm的TiAlN耐熱膜，其中TiAlN中的Al與Ti的原子比Al/Ti為1。


*1表示60分鐘切削時間后的后刀面磨損測量值。
*2在60分鐘切削時間后，在將加工表面的橫截面拋光并且用硝酸乙醇溶液(乙醇+5重量％硝酸)蝕刻后，測量加工影響層的厚度。
*3在切削5分鐘后，使用微區(qū)X射線應(yīng)力分析儀通過sin2Ψ法(等傾法)測量加工表面的殘余應(yīng)力。表中的負(fù)號表示受到壓應(yīng)力。
如表5所示，樣品68-75是本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具，并且所有樣品產(chǎn)生的加工影響層的厚度均在小于3.5μm以內(nèi)。在樣品71-74中，形成cBN燒結(jié)體的cBN成分中的B與N的摩爾比不小于1.15并且不大于1.2，其形成的加工影響層的厚度均在等于或小于1.9μm以內(nèi)，并且殘余壓應(yīng)力大。
在樣品68-75中，雖然導(dǎo)熱率隨B/N的比值增大而略微下降，但得到了高等級的表面完整性。據(jù)推測，這是由于cBN成分中的B和N的化學(xué)計量關(guān)系發(fā)生偏離使得該成分中的B過剩，于是在加工物的摩擦部分產(chǎn)生了潤滑性優(yōu)異的B2O3，因此使摩擦熱降低。
另一方面，在樣品75中，cBN成分中的B與N的摩爾比為1.25(超過1.20)，該樣品的加工影響層厚度以及殘余應(yīng)力特性之類的特性都變差。據(jù)推測其原因是未參與cBN點陣中的原子結(jié)合的過量B成分的存在降低了耐磨性，并擾亂了諧振動。
實施例6將實施例2中樣品28使用的具有硬質(zhì)合金襯底的cBN燒結(jié)體材料，用三種釬焊料在真空氣氛和700℃到1,000℃的條件下釬焊到硬質(zhì)合金基體上。表6示出各種cBN燒結(jié)體切削工具，它們具有與實施例2相同的刀頭形狀和耐熱膜涂層、并經(jīng)過與實施例2相同的切削刃加工。
樣品76-93使用的釬焊料的組成為Ag 76重量％、Cu 23重量％、Ti 1重量％，或者該釬焊料中分散有平均粒徑為5到200μm的cBN、金剛石、WC或W。樣品94使用的釬焊料的組成為Ag 70重量％、Cu 29重量％、Ti 1重量％；樣品95使用的釬焊料的組成為Ag 65重量％、Cu 32重量％、Ti 2重量％、Zr 1重量％。
通過研磨去除釬焊料部分的周圍部分，使釬焊料部分成為一個單獨(dú)的單元，接著使用氙閃導(dǎo)熱率測試儀測量釬焊料部分的導(dǎo)熱率。
在與實施例2所述相同進(jìn)行工具切削刃的加工之后，通過電弧離子鍍PVD涂敷厚度為1μm的TiAlN耐熱膜，其中TiAlN中的Al與Ti的原子比Al/Ti為1。在與實施例2相同的切削條件下評價加工影響層的生成。


*1表示150分鐘切削時間后的后刀面磨損寬度VB測量值。
*2在150分鐘切削時間后，在將加工表面的橫截面拋光并且用硝酸乙醇溶液(乙醇+5重量％硝酸)蝕刻后，測量加工影響層的厚度。
*3在150分鐘切削時間后，使用微區(qū)X射線應(yīng)力分析儀通過sin2Ψ法(等傾法)測量加工表面的殘余應(yīng)力。表中的負(fù)號表示受到壓應(yīng)力。
如表6所示，樣品76-95所示的樣品是本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具。特別是，如樣品78-81和94所示，這些工具(其中包含導(dǎo)熱率等于或大于220W/m·K的釬焊料，其釬焊層的厚度不小于0.02mm并且不大于0.2mm，并且其釬焊層不含長徑大于0.5mm的孔隙)均生成較少的加工影響層并且表現(xiàn)出較高的殘余壓應(yīng)力值。
樣品84-87和91中的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具(其釬焊層中含有5體積％到40體積％、平均粒徑為5到150μm或更小的cBN或金剛石顆粒，并且其導(dǎo)熱率等于或大于280W/m·K)均生成較少的加工影響層并表現(xiàn)出較高的殘余壓應(yīng)力值。
樣品76-82使用導(dǎo)熱率為250W/m·K的一種釬焊料作為釬焊料部分。據(jù)推測，在釬焊溫度低的樣品76中，釬焊材料的熔化以及cBN燒結(jié)體材料與硬質(zhì)合金基體之間的潤濕都不充分，并且形成釬焊料未滲透的等于或大于0.6mm的孔隙，因此這些孔隙起到熱障的作用，使導(dǎo)熱率明顯降低。
另一方面，在樣品82中，釬焊料充分熔化，但溫度很高。因此，據(jù)推測，熔融釬焊料的粘度降低，使得釬焊料從cBN燒結(jié)體材料和硬質(zhì)合金基體的界面流出，而形成0.8mm的大孔隙。
關(guān)于樣品83-92，為了降低在切削過程中cBN燒結(jié)體部分的切削刃的溫度，在釬焊料部分中分布著導(dǎo)熱率和楊氏模量都優(yōu)異的硬質(zhì)顆粒。但是，關(guān)于樣品88-90，在所述硬質(zhì)顆粒的粒徑太大或者加入釬焊料中的量太多的情況下，釬焊料滲透不充分，反而產(chǎn)生孔隙缺陷，并且不能提高加工表面的表面特性。
由此看出，硬質(zhì)顆粒的種類影響其與釬焊料的潤濕性，并且cBN顆粒(作為硬質(zhì)顆粒單體，其導(dǎo)熱率比金剛石顆粒低)與釬焊料具有優(yōu)異的潤濕性。因此，釬焊料中分散有cBN顆粒的樣品91相當(dāng)優(yōu)異。
實施例7準(zhǔn)備其刀頭形狀屬于ISO CNGA120408型、并且其中在參與切削的表面中具有實施例2中樣品29所用的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體材料的工具，通過電弧離子鍍PVD制備表7所示的被覆有厚度為1μm的各種耐熱膜的cBN燒結(jié)體切削工具，并在以下條件下進(jìn)行切削評價。
在這種情況下，對所有刀頭都像實施例2一樣，使用各種釬焊料將具有硬質(zhì)合金襯底的cBN燒結(jié)體結(jié)合到硬質(zhì)合金基體上，接著通過研磨來加工cBN燒結(jié)體切削面和刀尖圓弧R部分，隨后，對上述各種切削刃形狀進(jìn)行加工。在上述切削刃形狀加工之前，所有工具的cBN燒結(jié)體和硬質(zhì)合金襯底的厚度均為0.8mm，并且在刀尖圓弧半徑為0.8R的刀頭中，cBN燒結(jié)體材料底面的釬焊區(qū)面積是3.2mm2。在真空氣氛和850℃的條件下使用釬焊料進(jìn)行釬焊，所述釬焊料的組成為Ag 76重量％，Cu 23重量％、Ti 1重量％。所有樣品的釬焊層的釬焊料厚度均為0.05mm，并且釬焊料部分中沒有孔隙。
對所有刀頭，如前所述，在將cBN燒結(jié)體釬焊到各種刀頭基體上之后，通過研磨來加工cBN燒結(jié)體切削面和刀尖圓弧R部分。隨后，進(jìn)一步進(jìn)行研磨加工，使得所有上述刀頭的切削刃均形成角度為-25°、寬度為0.13mm的倒角形狀；當(dāng)?shù)额^被安裝到夾持器中時，刃傾角為-5°，側(cè)前角為-5°，背后角為5°，側(cè)后角為5°，副偏角為5°，斜切削刃角為-5°。
關(guān)于耐熱膜的導(dǎo)熱率，在SUS 304板上形成厚度為15μm的耐熱膜，并且通過氙閃導(dǎo)熱率測試儀來測量該膜。
在以下條件下進(jìn)行切削評價。
被切削工件JIS S55C型(DIN C55型)，外徑車削加工，連續(xù)加工被切削工件的硬度HRc 45切削速度V＝150m/分鐘切削深度d＝0.2mm進(jìn)給量f＝0.1mm/轉(zhuǎn)切削時間150分鐘冷卻液無

*1表示100分鐘切削時間后的后刀面磨損寬度VB的測量值。
*2表示100分鐘切削時間后的磨損深度KT的測量值。
*3在150分鐘切削時間后，在將加工表面的橫截面拋光并且用硝酸乙醇溶液(乙醇+5重量％硝酸)蝕刻后，測量加工影響層的厚度。
如表7所示，樣品96-115所示的樣品是本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具。特別是，如樣品100、104-110以及113-115所示，具有導(dǎo)熱率不小于30W/m·K并且不大于45W/m·K的耐熱膜的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具，產(chǎn)生其厚度等于或小于8μm的很少的加工影響層，并具有長的壽命。樣品96-99和101的耐熱膜的導(dǎo)熱率等于或小于29W/m·K，由于妨礙了加工表面產(chǎn)生的切削熱流入本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具內(nèi)，所以產(chǎn)生的加工影響層的厚度等于或大于11μm。
另一方面，樣品102、103、111和112的導(dǎo)熱率等于或大于47W/m·K，由于加工表面產(chǎn)生的切削熱大量流入本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具內(nèi)，所以形成月牙洼磨損而導(dǎo)致切削工具破損。
實施例8制備其刀頭形狀屬于ISO CNGA120408型、并且其中參與切削的表面中具有實施例7中樣品109所用的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體的工具。
對所有刀頭，將沒有硬質(zhì)合金襯底的cBN燒結(jié)體釬焊到硬質(zhì)合金基體上，接著通過研磨來加工cBN燒結(jié)體切削面和刀尖圓弧R部分，隨后，對上述各種切削刃形狀進(jìn)行加工。在經(jīng)過上述切削刃形狀加工后，所有刀頭的cBN燒結(jié)體厚度均為0.8mm，并且在刀尖圓弧半徑為0.8R的刀頭中，cBN燒結(jié)體材料底面的釬焊區(qū)面積是3.2mm2。釬焊料的組成為Ag 76重量％，Cu 21重量％，Zr 1重量％，Ti 2重量％，在850℃進(jìn)行釬焊。所有樣品的釬焊層的釬焊料厚度均為0.05mm，并且釬焊料中沒有孔隙。
對所有刀頭，如前所述，在將cBN燒結(jié)體釬焊到各種刀頭基體上之后，通過研磨來加工cBN燒結(jié)體切削面和刀尖圓弧R部分。隨后，進(jìn)一步進(jìn)行研磨加工，使得所有上述刀頭的切削刃均形成角度為-25°、寬度為0.13mm的倒角形狀；當(dāng)?shù)额^被安裝到夾持器中時，刃傾角為-5°，側(cè)前角為-5°，背后角為5°，側(cè)后角為5°，副偏角為5°，斜切削刃角為-5°。
然后，按照與實施例7中樣品109所表示的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體工具相同的方式，在加工成上述切削刃形狀之后，通過電弧離子鍍PVD在切削刃上涂敷厚度為1μm的TiAlVN耐熱膜，其中Ti、Al、V的百分含量分別為85原子％、10原子％和5原子％。
最后，通過從參與切削的工具部分中去除其面積不小于切削橫截面積Q的0％并且不大于切削橫截面積Q的80％這樣一塊區(qū)域的耐熱膜，制成18種表8所示的樣品，其中將切削橫截面積Q定義為Q＝{R2·tan-1[f/sqr(4R2-f2)]+0.25f·sqr(4R2-f2)+f(d-R)}/(cosαs·cosαb)其中設(shè)R為刀尖圓弧半徑，d為切削深度，f為進(jìn)給量，αb為側(cè)前角，αs為刃傾角。使用不同類型的冷卻液在以下條件下進(jìn)行切削評價。
被切削工件JIS SCM420型(DIN 25CrMo4型)，外徑車削加工，連續(xù)加工被切削工件的硬度HRc 58切削速度V＝120m/分鐘切削深度d＝0.2mm進(jìn)給量f＝0.1mm/轉(zhuǎn)切削時間80分鐘冷卻液(1)乳液(制造商為Japan Fluid System株式會社，商品名為System Cut 96)(2)油霧(制造商為Fuji BC Engineering株式會社，商品名為Bluebe LB-1)

*1表示60分鐘切削時間后的后刀面磨損寬度VB的測量值。
*2表示60分鐘切削時間后的月牙洼磨損深度KT的測量值。
*3在80分鐘切削時間后，在將加工表面的橫截面拋光并且用硝酸乙醇溶液(乙醇+5重量％硝酸)蝕刻后，測量加工影響層的厚度。
*4在80分鐘切削時間后，使用微區(qū)X射線應(yīng)力分析儀通過sin2Ψ法(等傾法)測量加工表面的殘余應(yīng)力。表中的負(fù)號表示受到壓應(yīng)力。
如表8所示，樣品116-134所示的樣品是本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具。特別是，如樣品118-121、123-126和128-134所示，其中從刀具后刀面或刀具前刀面去除面積不小于切削橫截面積Q的0％并且不大于切削橫截面積Q的80％這樣一個區(qū)域的耐熱膜，與不去除耐熱膜的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具相比，樣品118-121、123-126和128-134均產(chǎn)生較少的加工影響層并具有較高的殘余壓應(yīng)力值，其中將切削橫截面積Q定義為Q＝{R2·tan-1[f/sqr(4R2-f2)]+0.25f·sqr(4R2-f2)+f(d-R)}/(cosαs·cosαb)據(jù)推測，這是因為加工表面直接擦過本發(fā)明的cBN燒結(jié)體材料，而cBN燒結(jié)體材料的導(dǎo)熱性明顯優(yōu)于耐熱膜的導(dǎo)熱性，從而使得加工表面所產(chǎn)生的切削熱量被有效地釋放。
在上述去除部分耐熱膜的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具中，特別是，與從前刀面去除部分耐熱膜的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具相比，從后刀面去除部分耐熱膜的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具表現(xiàn)出較長的壽命。
與從后刀面去除耐熱膜的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具相比，從前刀面去除耐熱膜的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具到破損為止的壽命較短。據(jù)推測其原因是與后刀面的平面磨損VB不同，前刀面的月牙洼磨損KT形成月牙洼形狀，由于所述月牙洼磨損KT的形成會減小切削刃的楔角(wedge angle)，因此容易出現(xiàn)破損；并且從刀面去除耐熱膜會加速KT磨損的發(fā)展。
樣品131-133(其中油霧排量為1cc/hr到300cc/hr)雖然與未使用冷卻液的樣品128具有相同的后刀面磨損寬度VB，但前者生成較少的加工影響層，并且殘余壓應(yīng)力值也高。
據(jù)推測其原因是通過排出適量的油霧，使油霧滲透到工具與加工物之間的界面中，從而通過減小摩擦來抑制切削過程的發(fā)熱。
另一方面，在樣品130中，油霧排量小于1cc/hr，在樣品134中，油霧排量超出300cc/hr，在這兩個樣品中未觀察到與樣品131-133一樣的表面完整性得到改善的效果。據(jù)推測，這是因為如果油霧排量太小，則不能發(fā)揮油霧潤滑作用；如果油霧排量太大，則由于油霧顆粒聚集而使得油霧難以向工具與加工表面之間的界面中滲透。


圖1示出本發(fā)明cBN燒結(jié)體切削工具的一個實例。(a)是立體圖，(b)是cBN燒結(jié)體的局部放大圖；以及圖2是解釋本發(fā)明cBN燒結(jié)體切削工具的切削相關(guān)部分的示意圖。(a)、(b)、(c)、(d)和(e)分別示出cBN燒結(jié)體切削工具、背后角αof、背后角αof和刃傾角αs、側(cè)前角αb和側(cè)后角αos，以及切削工具的刀頭的放大圖。
附圖標(biāo)號說明1cBN燒結(jié)體2耐熱膜3支撐件(基體)4釬焊料部分10BN燒結(jié)體切削工具
權(quán)利要求
1.一種用于高表面完整性加工的cBN燒結(jié)體，該cBN燒結(jié)體含有不小于60體積％并且不大于95體積％的cBN成分，該cBN燒結(jié)體的導(dǎo)熱率等于或大于70W/m·K，并且其最外表面涂有厚度為0.5到12μm的耐熱膜，該耐熱膜含有選自在日本使用的元素周期表4a、5a、6a族元素和Al中的至少一種元素以及選自C、N和O中的至少一種元素所形成的化合物。
2.一種cBN燒結(jié)體，該cBN燒結(jié)體含有不小于72體積％并且不大于95體積％的cBN成分，該cBN燒結(jié)體的導(dǎo)熱率等于或大于80W/m·K，并且其含有選自在日本使用的元素周期表4a、5a和6a族元素的氮化物、碳化物和碳氮化物中的至少一者以及Al化合物作為粘結(jié)劑材料，所述Al化合物在所述粘結(jié)劑材料中的含量不超過20重量％，在除了所述cBN成分以外的其它成分中，在日本使用的元素周期表4a、5a和6a族元素的摩爾數(shù)加和M與C和N的摩爾數(shù)加和之比不小于1.3并且不大于1.6，并且該cBN燒結(jié)體的最外表面涂有厚度為0.5到12μm的耐熱膜，該耐熱膜含有選自在日本使用的元素周期表4a、5a、6a族元素和Al中的至少一種元素以及選自C、N和O中的至少一種元素所形成的化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的cBN燒結(jié)體，其中，構(gòu)成所述cBN燒結(jié)體的cBN顆粒的平均粒徑不小于2μm并且不大于4μm；所述的cBN成分含有C、O以及選自Li、Si、Al、Ca和Mg中的至少一種元素；所述的C以及選自Li、Si、Al、Ca和Mg中的至少一種元素的含量之和不小于所述cBN成分的0.02重量％、并且不大于所述cBN成分的0.2重量％；所述的cBN燒結(jié)體包含高純度的其中O含量不大于所述cBN成分的0.17重量％的cBN成分，并且所述cBN燒結(jié)體的導(dǎo)熱率不小于85W/m·K。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任意一項所述的cBN燒結(jié)體，其中在構(gòu)成所述cBN燒結(jié)體的所述cBN成分中，B與N的摩爾比不小于1.15并且不大于1.20。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任意一項所述的cBN燒結(jié)體，其中所述耐熱膜的導(dǎo)熱率不小于30W/m·K并且不大于45W/m·K。
6.一種用于高表面完整性加工的cBN燒結(jié)體切削工具，其中，根據(jù)權(quán)利要求1到5中任意一項所述的cBN燒結(jié)體通過釬焊料與支撐件結(jié)合或與支撐件整體燒結(jié)，該支撐件包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷或鐵基材料；并且所述的cBN燒結(jié)體部分和所述釬焊料部分的導(dǎo)熱率均不小于80W/m·K。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的cBN燒結(jié)體切削工具，其中，所述釬焊料部分包含選自Ti和Zr中的至少一者、以及選自Ag和Cu中的至少一者，并且所述釬焊料部分由導(dǎo)熱率不小于220W/m·K的釬焊料構(gòu)成，所述釬焊料部分的厚度不小于0.02mm并且不大于0.20mm，并且所述釬焊料不含長徑超過0.5mm的孔隙。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的cBN燒結(jié)體切削工具，該cBN燒結(jié)體切削工具在所述釬焊料部分中包含5體積％到40體積％的平均粒徑不小于5μm并且不大于150μm的cBN顆粒或金剛石顆粒；并且該cBN燒結(jié)體切削工具的導(dǎo)熱率不小于280W/m·K。
9.根據(jù)權(quán)利要求6到8中任意一項所述的cBN燒結(jié)體切削工具，其中，在所述cBN燒結(jié)體切削工具參與切削的部分中，從所述耐熱膜去除其面積不小于切削橫截面積Q的10％并且不大于所述切削橫截面積Q的80％這樣一塊區(qū)域，使得該區(qū)域的cBN燒結(jié)體在切削過程中直接接觸被切削工件，其中，所述的切削橫截面積Q被定義為Q＝{R2·tan-1[f/sqr(4R2-f2)]+0.25f·sqr(4R2-f2)+f(d-R)}/(cosαs·cosαb)其中，設(shè)R為刀尖圓弧半徑，d為切削深度，f為進(jìn)給量，αb為側(cè)前角，αs為刃傾角。
10.根據(jù)權(quán)利要求6到9中任意一項所述的cBN燒結(jié)體切削工具，其中，在所述cBN燒結(jié)體切削工具的后刀面的參與切削的部分中，從所述耐熱膜去除其面積不小于所述切削橫截面積Q的10％并且不大于所述切削橫截面積Q的80％這樣一塊區(qū)域，使得該區(qū)域的cBN燒結(jié)體在切削過程中直接接觸被切削工件。
全文摘要
在高效率切削高硬度難切削的鐵基材料時，與傳統(tǒng)的cBN燒結(jié)體工具相比，本發(fā)明通過控制在被切削工件的加工表面上形成的加工影響層的產(chǎn)生以及通過促進(jìn)壓應(yīng)力的殘留，來提高加工件的疲勞壽命，得到使用時間更長的工具。本發(fā)明的cBN燒結(jié)體含有不小于60體積％并且不大于95體積％的cBN成分，并且其導(dǎo)熱率等于或大于70W/m·K；其最外表面涂有耐熱膜，所述耐熱膜含有選自在日本使用的元素周期表4a、5a、6a族元素和Al中的至少一種元素以及選自C、N和O中的至少一種元素所形成的化合物。
文檔編號B23B27/20GK101068759SQ200680000638
公開日2007年11月7日 申請日期2006年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月4日
發(fā)明者久木野曉, 黑田善弘, 深谷朋弘, 岡村克己 申請人:住友電工硬質(zhì)合金株式會社