用于高表面完整性加工的cBN燒結(jié)體、cBN燒結(jié)體切削工具、以及使用該cBN燒結(jié)體切削工...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、cBN燒結(jié)體切削工具、以及使用該cBN燒結(jié)體切削工 ...的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種用于在高硬度難切削的鐵基材料(例如硬化鋼、FCD鑄鐵和ADI鑄鐵)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，而達到以下效果使切削工具導致的位于切削表面上的切削工具影響層的產(chǎn)生受到抑制，促進壓應力的殘留，增強切削工具的疲勞壽命，并延長切削工具的壽命。

背景技術(shù)：
例如，與諸如硬質(zhì)合金工具等切削工具所用的傳統(tǒng)材料相比，由于cBN燒結(jié)體具有化學穩(wěn)定性和極高的硬度，所以cBN基燒結(jié)體切削工具具有高效率和長壽命之類的高性能材料特征。另外，與作為變形加工工具(例如切削工具)的研磨工具相比，cBN燒結(jié)體切削工具由于具有優(yōu)異的撓性和環(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含有率相對較低，cBN成分間的接觸率低，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)異的機械性能(高硬度、高強度、高韌性)和高導熱性，所以在分斷切屑以及不容易產(chǎn)生剪切熱的用途中，前一類cBN含有率高的燒結(jié)體可達到高的穩(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陶瓷或TiC陶瓷的粘結(jié)劑，所以顯示出優(yōu)異的耐磨性，特別是在使用傳統(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工具。
近年來，通過提高機械工具的剛性、以及調(diào)節(jié)cBN含有率低的燒結(jié)體中的cBN與Ti基粘結(jié)劑的百分比，在要求精度達到10點平均粗糙度(以下縮寫為“Rz”)為3.2μm到6.3μm的加工應用中，人們使用cBN燒結(jié)體工具代替研磨工具，其中所述的加工應用為(例如)含有難以切削的鐵基材料的汽車傳動部分和發(fā)動機部分的切削加工應用，其中所述的難以切削的鐵基材料為(例如)硬化鋼，以SCM420、SCR420、S50C和SUJ2為代表，是通過所謂的滲碳硬化處理使表面硬度提高到Hv為4.5GPa到8.0GPa(HRc 45到HRc 64)的鋼；FCD(可鍛)鑄鐵，例如其硬度高達HB 200或更高的FCD 600；以及ADI(奧氏體等溫轉(zhuǎn)變)鑄鐵，例如ADI 1000。
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)表面等表面中，在要求加工區(qū)具有足夠疲勞強度的優(yōu)等表面的最終精加工步驟的應用中、或者僅使用加工公差極小(5到10μm或更低)的精加工過程(例如機械珩磨)來得到優(yōu)等表面的半精加工(其要求加工公差比傳統(tǒng)研磨工藝的加工公差更小)的應用中，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性方面都受到制約的研磨加工。
然而，在硬化鋼的切削加工中，當加工效率為切削速度V＝100m/分鐘、切削深度d＝0.15mm、進給量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)化應用于硬化鋼加工或高強度鑄鐵(例如FCD和ADI)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。加工影響層形成的量的允許范圍是根據(jù)加工件被制成最終產(chǎn)品時預期應用的各種應力環(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膜。對于施加高應力的應用，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，由此在工業(yè)中，機械加工還要用另外的研磨加工費時地除去數(shù)十微米的加工公差。
公知的是，在硬化后進行切削的情況下，在高效率條件下進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，并易于形成拉應力，這與據(jù)推測主要為壓應力的硬化鋼表面殘余應力不同，如果加工影響層超過10μm，則在所有情況下加工表面最終都會殘留有拉應力。
當在高效率條件下加工、或者當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(這種情況對于硬化鋼特別明顯)、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表面形成的馬氏體會發(fā)生相變而成為奧氏體。而在切削之后通過在含有氧氣、氮氣和水蒸汽的空氣中快速冷卻，就會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，熱應力使得被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力被抵消。根據(jù)這一機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力，根據(jù)加工件用途的不同，這種拉應力可能會降低其疲勞強度。
此外，為了闡明解決上文所述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行評價。無論cBN燒結(jié)體工具和陶瓷工具何時達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更不容易產(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力均從壓應力變?yōu)槔瓚Α?br> 從上述殘余應力產(chǎn)生機理的相關(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，當使用市售的用于切削硬化鋼的cBN燒結(jié)體工具(其使用了含有TiN或TiC的陶瓷粘結(jié)劑材料)進行各種研究時，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(從尺寸精度的觀點來看，該值通常是在切削硬化鋼時可確定使用壽命的后刀面磨損量VB值)的一半)時，也會通過切削刃在加工件上刮擦時摩擦生熱所導致的溫度進一步升高而產(chǎn)生厚度為10μm的加工影響層，殘余應力為拉應力，并且作為使用cBN燒結(jié)體工具切削硬化鋼的一大優(yōu)點的高效率加工也變得不可能實現(xiàn)。
因此，需要開發(fā)一種方法來防止產(chǎn)生殘余拉應力，同時保持使cBN燒結(jié)體刀頭的加工效率達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)。
專利文獻1日本專利公開昭52-43486
專利文獻2日本專利公開平10-158065
專利文獻3日本專利公開昭53-77811
專利文獻4日本專利公開平08-119774

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是在高硬度難切削的鐵基材料(例如硬化鋼、FCD鑄鐵和ADI鑄鐵)的高效切削加工中，提供一種用于高表面完整性加工的cBN含有率高的燒結(jié)體，其特征在于，與傳統(tǒng)cBN燒結(jié)體工具相比，所述的cBN含有率高的燒結(jié)體通過抑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、以及通過促進壓應力的殘留，可以改善加工件的疲勞壽命并延長工具的壽命。
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，cBN燒結(jié)體工具的導熱率提高，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。
具體而言，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案。
(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87體積％并且不大于99體積％的cBN成分，該cBN燒結(jié)體的導熱率等于或大于100W/m·K，并且其最外表面涂有厚度為0.5μm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)根據(jù)以上(1)所述的用于高表面完整性加工的cBN燒結(jié)體， 其中，在構(gòu)成該cBN燒結(jié)體的cBN成分中，B與N的摩爾比不小于1.10并且不大于1.17，此外，所述cBN燒結(jié)體還包含碳；以及選自Co化合物、Al化合物、W化合物和O化合物中的至少一種，其中該化合物可作為粘結(jié)劑材料。
(3)根據(jù)以上(1)或(2)所述的用于高表面完整性加工的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1.0μm、并且不大于6.0μm；所述的cBN成分含有碳、氧以及選自Li、Si、Al、Ca和Mg中的至少一種元素；所述的Li、Si、Al、Ca、Mg與碳的總量不小于所述cBN成分的0.02重量％、并且不大于所述cBN成分的0.20重量％；所述的cBN成分包含其中氧含量不超過所述cBN成分的0.17重量％的高純cBN成分，并且所述cBN燒結(jié)體的導熱率不小于130W/m·K。
(4)根據(jù)以上(1)到(3)中任意一項所述的用于高表面完整性加工的cBN燒結(jié)體， 其中，所述耐熱膜的導熱率不小于30W/m·K并且不大于45W/m·K。
(5)一種cBN燒結(jié)體切削工具， 其中，根據(jù)以上(1)到(4)中任意一項所述的cBN燒結(jié)體被直接釬焊到基材上、或者通過金屬襯底(backing)被釬焊到基材上，其中，所述基材包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷或鐵基材料，所述金屬襯底包括與所述cBN燒結(jié)體一體燒結(jié)的硬質(zhì)合金；并且所述金屬襯底和所述釬焊料部分的導熱率均不小于80W/m·K。
(6)根據(jù)以上(5)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、Cu、Au和Ni中的至少一者，并且所述釬焊料部分的導熱率不小于220W/m·K；所述釬焊料部分的厚度不小于0.02mm、并且不大于0.20mm；并且所述釬焊料部分不含長徑超過0.5mm的孔隙。
(7)根據(jù)以上(5)或(6)所述的cBN燒結(jié)體切削工具， 其中，所述釬焊料部分包含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；并且所述釬焊料部分的導熱率不小于280W/m·K。
(8)根據(jù)以上(5)到(7)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R為刀尖圓弧半徑，d為切削深度，f為進給量，αb為側(cè)前角(side rake angle)，αs為刃傾角(inclination angle)。
(9)根據(jù)以上(8)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。
(10)一種用于加工被切削工件而使之具有高表面完整性的切削方法， 其中，在切削速度V不低于40m/分鐘、并且不大于70m/分鐘、切削深度不低于0.05mm、并且不大于0.30mm、進給量f不低于0.16mm/轉(zhuǎn)、并且不大于0.20mm/轉(zhuǎn)的條件下，在以大于或等于300cc/分鐘的速度向切削刃上噴射水溶性切削液的情況下，使用根據(jù)以上(5)到(9)中任意一項所述的cBN燒結(jié)體切削工具來連續(xù)地切削其HRc值大于或等于45的硬化鋼。
(11)一種用于加工被切削工件而使之具有高表面完整性的切削方法， 其中，在切削速度V不低于40m/分鐘、并且不大于70m/分鐘、切削深度不低于0.05mm、并且不大于0.30mm、進給量f不低于0.16mm/轉(zhuǎn)、并且不大于0.20mm/轉(zhuǎn)的條件下，在以不低于1cc/小時、并且低于300cc/小時的速度向切削刃上噴射油霧的情況下，使用根據(jù)以上(5)到(9)中任意一項所述的cBN燒結(jié)體切削工具來連續(xù)地切削其HRc值大于或等于45的硬化鋼。
作為上述手段i)的一個具體措施，為了主要提高cBN燒結(jié)體本身的導熱性，而不是提高TiN或TiC(其導熱率最高為幾十W/m·K)的導熱性、以及諸如W化合物、Co化合物和Al化合物之類的粘結(jié)劑材料的導熱性，在本發(fā)明的cBN燒結(jié)體中采用的方法是增大cBN粉(其導熱率為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。
為了借助于上述cBN燒結(jié)體所具有的高導熱特性來更加有效地對切削熱在切削刃中停滯而造成的高溫進行抑制，采用以下方法對cBN燒結(jié)體周圍的硬質(zhì)合金和釬焊料分別配置導熱率不小于80W/m·K和不小于220W/m·K的材料，由此可以更加可靠地在切削過程中實現(xiàn)切削刃的溫度下降。
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、CoB2或CoWB這些與鐵的反應性大于與cBN顆粒的反應性的化合物(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1.10并且不大于1.17。
作為將cBN顆粒的化學計量關(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(sintering capsule)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3.5到4.0GPa下加熱到1,100到1,400℃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)劑之間的氮氣容易逸出)，由此可以得到在構(gòu)成cBN燒結(jié)體的cBN成分中B與N的摩爾比不小于1.10并且不大于1.17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)印到被加工物表面上、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)生機械磨損，同時高應力作用于cBN顆粒和粘結(jié)劑材料，這種高應力導致顆粒脫落和破裂。
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致的后刀面磨損，本領域技術(shù)人員所知的解決此缺陷的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的體積含有率被設置為不小于40％并且不大于60％，并且該cBN燒結(jié)體材料能強烈地抵抗熱磨損(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)熱來防止殘余拉應力，而這正是本發(fā)明要解決的問題。
同時，在專利文獻1中描述的傳統(tǒng)cBN燒結(jié)體中，cBN成分不少于65體積％并且不超過99體積％，并含有Co化合物和Al化合物作為粘結(jié)劑材料，該cBN燒結(jié)體的導熱率為70到90W/m·K。但是，在使用通過將這種cBN燒結(jié)體釬焊到硬質(zhì)合金材質(zhì)的金屬基體上而制成的cBN燒結(jié)體工具來切削硬化鋼時，即使是在不超過V＝70m/分鐘的低速條件下，這種cBN燒結(jié)體工具雖然在開始切削后幾分鐘內(nèi)的切削初期中不會出現(xiàn)缺陷，但是也會由于形成數(shù)百μm的后刀面磨損而導致切削不可能繼續(xù)進行。在專利文獻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，使得熱性能變差，從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。
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87體積％并且不大于99體積％的cBN燒結(jié)體(其中，切削刃的溫升會不可避免地在cBN燒結(jié)體中出現(xiàn)熱磨損)，如上所述，通過將具有高導熱率和高潤滑性的cBN燒結(jié)體承載在高導熱性的基材上，也可以降低溫升。并且，甚至在傳統(tǒng)cBN工具不能達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用中，通過利用高cBN含有率所帶來的高強度特性，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力。
本發(fā)明的效果 在利用含有本發(fā)明的cBN燒結(jié)體的切削工具來切削硬度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，所以使加工件切削表面上的加工影響層的產(chǎn)生受到抑制，并促進了壓應力的殘留，由此增長了加工件的疲勞壽命，并顯著延長了切削工具的壽命。
實施本發(fā)明的最佳方式 如圖1所示，通過在含有上述高導熱率cBN燒結(jié)體1的工具的最外表面上涂敷厚度為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力(這是低導熱率陶瓷的缺點)的形成。
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通過釬焊部分4直接結(jié)合到基材3上，或者通過釬焊部分4和金屬襯底13而結(jié)合到基材3上，其中所述基材3包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷或鐵基材料，所述金屬襯底13包括與cBN燒結(jié)體1一體燒結(jié)的硬質(zhì)合金。
此外，即使在要求精度Rz需為0.4μm到3.2μm、加工效率為單位時間的排屑體積W大于或等于1,200mm3/分鐘的硬化鋼切削應用中，通過在不低于V＝40m/分鐘、并且不高于V＝70m/分鐘的條件下使用本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具10，可以防止拉應力的殘留，同時可以達到與使用傳統(tǒng)cBN燒結(jié)體工具在高速條件下切削硬化鋼的情況相等的使用壽命。雖然不低于V＝40m/分鐘并且不高于V＝70m/分鐘的切削條件有利于降低切削溫度、并且產(chǎn)生較少的加工影響層，但是由于被加工件在切削過程中沒得到充分軟化，所以切削阻力反而較高，并且由于產(chǎn)生機械磨損和破損(這種情況在超過V＝100m/分鐘的高速條件下不會出現(xiàn))而使表面粗糙性變差以及形成缺陷，因此工具的使用壽命不可避免地縮短。結(jié)果，即使是在使用由cBN含有率低的燒結(jié)體制成的、既涂敷有上述耐熱膜又含有TiN或TiC陶瓷粘結(jié)劑的cBN燒結(jié)體切削工具進行切削時，由于該cBN燒結(jié)體的強度和韌性都比本發(fā)明cBN燒結(jié)體的低，所以也很難象本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具那樣進行穩(wěn)定的長時間的加工并且保持令人滿意的表面粗糙性。
因為如上文所述，cBN含有率高的cBN燒結(jié)體工具具有優(yōu)異的強度和韌性，所以據(jù)預測，只要本發(fā)明的耐熱膜可以以足夠的粘結(jié)強度被涂敷，那么cBN燒結(jié)體的cBN含有率越高，則cBN燒結(jié)體工具的性能就會表現(xiàn)得越好。但是實際上，cBN體積百分含量超過95％的cBN燒結(jié)體是不理想的，這是因為作為電導體的粘結(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)合強度不足以承受對熱處理工件所進行的切削加工。
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。
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R為刀尖圓弧半徑、d為切削深度、f為進給量、αb為側(cè)前角、αs為刃傾角，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，在工具參與切削的部分中，從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，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優(yōu)異的表面完整性。
實施例1 準備平均粒徑為2.5μm的市售cBN粉、以及粘結(jié)劑粉。該粘結(jié)劑粉是通過混合50重量％的Co、40重量％的Al和10重量％的WC而制成的；其中Co、Al和WC是平均粒徑為1μm的粉末。
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和碳。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。將混合后的粉末裝入由硬質(zhì)合金制成的容器中，在壓力7.2GPa和溫度2,050℃下燒結(jié)60分鐘，從而得到表1中11到25所示的各種燒結(jié)體。對于每種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的含有率。通過氙閃導熱率測試儀(xenon flash thermal conductivitymeter)測量cBN燒結(jié)體的導熱率。
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的cBN燒結(jié)體、并且其刀頭形狀屬于ISO CNGA120408型的工具來進行切削評價。
對于所有刀頭，將沒有硬質(zhì)合金襯底的整體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)材料制成的基底上，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行加工。在經(jīng)過上述切削刃形狀加工后，所有工具中的cBN燒結(jié)體和硬質(zhì)合金基底的總厚度均為0.8mm，并且在刀尖圓弧半徑為2.4R的工具中，cBN燒結(jié)體材料底面的釬焊區(qū)面積是9.0mm2。釬焊部分的組成為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)體釬焊到相應的刀頭基底之后，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，進一步進行研磨加工，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?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 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 60 切削速度V＝40m/分鐘 切削深度d＝0.2mm 進給量f＝0.18mm/轉(zhuǎn) 切削時間100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)，300cc/分鐘。
[表1] *1 樣品1是用于硬化鋼精切削加工的、其形狀屬于CNGA120416型的市售TiC-Al2O3(黑陶瓷)刀頭，以及在與其它樣品相同的切削刃制備過程中進行了處理的試樣。
關(guān)于樣品2，從用于硬化鋼精切削加工的、其形狀屬于CNMA120416型的市售TiC-Al2O3(黑陶瓷)刀頭上，采用線切割切出一塊尺寸與其它cBN燒結(jié)體材料相同的TiC-Al2O3(黑陶瓷)整體材料，并釬焊到硬質(zhì)合金基底上，按照與其它樣品相同的方式進行切削刃制備和施加TiAlN涂層，并進行切削評價。
樣品3到5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、以及由含有TiN和Al的粘結(jié)劑材料粉構(gòu)成的混合粉末作為起始原料，并在壓力5GPa和溫度1,500℃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4以外其它樣品均涂敷TiAlN，然后進行切削評價。cBN燒結(jié)體的厚度與其它樣品相同，通過微結(jié)構(gòu)觀察、XRD分析和ICP分析對cBN的含有率、粒徑和組成進行研究，并將結(jié)果示于表1中。
樣品6到10是釬焊的cBN燒結(jié)體工具，用于市售鑄鐵的切削加工，其中采用cBN粉、以及通過混合50重量％的Co、40重量％的Al和10重量％的WC而制成的平均粒徑為1μm的粘結(jié)劑混合粉末作為起始原料，在壓力5GPa和溫度1,500℃的條件下將該起始原料燒結(jié)60分鐘。實施與其它樣品相同的切削刃制備，除樣品9以外其它樣品均涂敷TiAlN，然后進行切削評價。cBN燒結(jié)體的厚度與其它樣品相同，通過微結(jié)構(gòu)觀察、XRD分析和ICP分析對cBN的含有率、粒徑和組成進行研究，并將結(jié)果示于表1中。
*2 表示基底所用材料。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100分鐘切削時間之后的后刀面磨損寬度VB的測量值。
*5 在100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，無論后刀面磨損寬度VB是多少，產(chǎn)生的加工影響層的厚度均等于或大于37μm。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18-25(本發(fā)明的樣品)都具有優(yōu)異的導熱性，加工影響層的厚度都等于或小于5μm。特別是，導熱率都等于或大于120W/m·K的樣品13-16以及18-25，能得到具有優(yōu)異的表面完整性的加工表面。
樣品12的導熱率等于或大于100W/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VB＝210μm)之間的摩擦熱，導致產(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的導熱率等于或大于120W/m·K，因為耐熱膜的厚度為15μm，所以極大地抑制了后刀面的磨損量(VB＝90μm)，但與上述形成對照的是，加工影響層的厚度為18μm，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，并且其導熱率比cBN燒結(jié)體的導熱率低，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 準備平均粒徑為3.5μm的市售cBN粉、以及粘結(jié)劑粉。該粘結(jié)劑粉是通過混合50重量％的Co、40重量％的Al和10重量％的WC而制成的；其中Co、Al和WC是平均粒徑為1μm的粉末。通過電感耦合等離子體發(fā)射分析(ICP分析)檢驗cBN粉中除cBN成分以外的其它成分，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和碳。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。
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7.1GPa和溫度2,050℃下燒結(jié)60分鐘，由此得到其中包含90體積％的cBN成分以及余量為粘結(jié)劑材料(W2Co21B6、Co3W3C、CoWB和WC)的燒結(jié)體，其導熱率為125W/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的含有率。在通過研磨去除其它材料之后，使用氙閃導熱率測試儀，單獨測量硬質(zhì)合金襯底和釬焊料的導熱率。
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 CNGA120412型的工具進行切削評價。
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)合金基底上，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。多種釬焊料可用于釬焊部分，并且在真空氣氛和870℃的條件下進行釬焊。對于所有樣品，釬焊層的釬焊部分的厚度均為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)體釬焊到各種刀頭基底上之后，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，進一步進行研磨加工，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?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 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＝90m/分鐘 切削深度d＝0.2mm 進給量f＝0.12mm/轉(zhuǎn) 切削時間60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)，300cc/分鐘。
[表2] *1 表示60分鐘切削時間之后的后刀面磨損寬度VB的測量值。
*2 在60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。
*3 在60分鐘切削時間之后，使用微區(qū)X射線應力分析儀通過sin2Ψ法(等傾法)來測量加工表面的殘余應力。表中的負號表示受到壓應力。
如表2中的樣品26-30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力值。
如樣品32-33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力值。
據(jù)推測其原因是，切削過程中產(chǎn)生的熱量從導熱率優(yōu)異的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體的內(nèi)部傳導到導熱率優(yōu)異的本發(fā)明的硬質(zhì)合金襯底和釬焊料中，從而使得切削過程中產(chǎn)生的熱量不會流向加工表面，并且增強了對切削刃溫升的抑制作用。
實施例3 準備平均粒徑為3μm的市售cBN粉、以及粘結(jié)劑粉。該粘結(jié)劑粉是通過混合65重量％的Co、25重量％的Al和10重量％的WC而制成的；其中Co、Al和WC是平均粒徑為1μm的粉末。通過電感耦合等離子體發(fā)射分析(ICP分析)檢驗cBN粉中除cBN成分以外的其它成分，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和碳。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。
表3中的樣品35-47所代表的cBN燒結(jié)體是通過以下方法而得到的向混合粉末中加入1重量％的氫氧化銨(NH4OH)粉末，將得到的混合物密封在Ti燒結(jié)管中，然后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1,200℃到1,600℃下進行脫氮處理，接著在壓力6.7GPa和溫度1,900℃下燒結(jié)120分鐘。
在對燒結(jié)體進行X射線衍射分析時，確定每個樣品中含有除cBN成分以外的W2Co21B6、Co3W3C、CoWB和WC成分；如表3所示，得到了導熱率為88-510W/m·K的燒結(jié)體。
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40mL硝酸與濃度等于或大于45％并小于50％的10mL氫氟酸混合)在等于或大于120℃并且小于150℃下處理48小時。通過上述ICP法來檢驗所得樣品的殘余成分。當對該殘余成分進行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)W2Co21B6、Co3W3C、CoWB和WC。通過ICP分析來檢驗cBN的含有率，并使用氙閃導熱率測試儀測量cBN燒結(jié)體的導熱率。
接著，使用所得到的燒結(jié)體來制備多個工具，其中在各個所述工具的參與切削的表面上分別具有表3中樣品35-47所示的不同組成的cBN燒結(jié)體、并且其刀頭形狀均屬于ISO CNGA120420型。
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)合金基底上，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2.0R的刀頭中，cBN燒結(jié)體材料底面的釬焊區(qū)面積是9.5mm2。釬焊料部分的組成為Ag 76重量％，Cu 21重量％，Zr 1重量％和Ti2重量％，并在850℃進行釬焊。所有樣品的釬焊料部分的釬焊層厚度均為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底上之后，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，進一步進行研磨加工，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?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 FCD600型(DIN GJS-600型)，外徑車削加工，連續(xù)加工 被切削工件的硬度HB 200 切削速度V＝100m/分鐘 切削深度d＝0.15mm 進給量f＝0.16mm/轉(zhuǎn) 切削時間100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)，300cc/分鐘。
[表3] *1 表示60分鐘切削時間之后的后刀面磨損寬度VB的測量值。
*2 在60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。
*3 僅在樣品47中，由于TiAlN耐熱膜剝落，導致10分鐘切削時間后的后刀面磨損寬度VB達到350μm。于是停止切削，測量加工影響層厚度和殘余應力。
對其它樣品，測量在60分鐘切削時間時的后刀面磨損寬度VB，并測量此時的加工影響層厚度和殘余應力。
*4 在切削后，使用微區(qū)X射線應力分析儀通過sin2Ψ法(等傾法)測量加工表面的殘余應力。表中的負號表示受到壓應力。
如表3所示，樣品36-42和44-46是本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具，并且所有這些樣品產(chǎn)生的加工影響層的厚度均被抑制為等于或小于6.0μm。在樣品39、41和44-46中，形成cBN燒結(jié)體的cBN顆粒中的B/N之比均不小于1.13、并且不大于1.15，這些樣品產(chǎn)生的加工影響層的量均被抑制為等于或小于2.5μm，并且殘余壓應力大。
在樣品36-42中，雖然導熱率隨著cBN成分中B/N的比值增大而略微下降，但仍得到了高的表面完整性。據(jù)推測，這是由于cBN成分中的B和N的化學計量關(guān)系發(fā)生偏離使得該成分中的B過剩，于是在被加工物的摩擦區(qū)域產(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43中，cBN成分中的B與N的摩爾比為1.20(超過1.17)，該樣品的加工影響層的量以及殘余應力特性之類的性能都變差。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，并且擾亂了用于形成cBN成分的cBN晶體點陣的諧振動。
樣品47具有等同于本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具的極為優(yōu)異的導熱性。因此，如果可以抑制過大的后刀面磨損寬度VB的形成(這是cBN含有率高的cBN燒結(jié)體切削工具的不利之處)，就可以在切削硬化鋼時得到高表面完整性。但是，cBN體積含有率超過99％的cBN燒結(jié)體表現(xiàn)出較高的VB，并且不能得到像本發(fā)明一樣的高表面完整性。這是因為這種cBN燒結(jié)體含有少量(相對于不導電的cBN顆粒)導電的粘結(jié)劑材料；在燒結(jié)之后，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)合強度不足以承受切削加工，于是耐熱膜在切削早期就剝離。
實施例4 以市售hBN和三聚氰胺樹脂粉為起始原料，并利用由MgBN和LiCaBN構(gòu)成的金屬催化劑(含有微量Al和Si)，合成出其平均粒徑為0.7到7μm的高純度的cBN粉，其中Li、Si、Mg、Al、Ca和碳占cBN成分的0.05重量％或更低。
通過改變由MgBN和LiCaBN構(gòu)成的金屬催化劑(含有微量Al和Si)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起始原料的預處理溫度從1,100℃調(diào)節(jié)到1,500℃，來控制碳的混入量。
通過混合70重量％的Co、20重量％的Al和10重量％的WC，制成這種粘結(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)劑粉。
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)體進行X射線衍射分析時，確定每個樣品中含有除cBN以外的W2Co21B6、Co3W3C、CoWB和WC等。在cBN燒結(jié)體的ICP分析結(jié)果中，除樣品49外，其它所有樣品的cBN體積含有率均為90％。
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和碳相對于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)體試樣置于密閉容器中，并且用氫氟酸-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40mL硝酸與濃度等于或大于45％并小于50％的10mL氫氟酸混合)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法來檢驗所得樣品的殘余成分。當對該殘余成分進行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)W2Co21B6、Co3W3C、CoWB和WC。
接著，使用所得到的燒結(jié)體來制備多個工具，其中在各個所述工具的參與切削的表面中分別具有表4中樣品48-62所示的不同組成的cBN燒結(jié)體、并且其刀頭形狀均屬于ISO CNGA120412型。
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)合金基底上，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1.6R的刀頭中，cBN燒結(jié)體材料底面的釬焊區(qū)面積是10.0mm2。釬焊料的組成為Ag 76重量％，Cu 21重量％，Zr1重量％和Ti2重量％，并在850℃進行釬焊。所有樣品的釬焊層的釬焊料部分的厚度均為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底上之后，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，進一步進行研磨加工，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?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的耐熱膜，其中所述耐熱膜中的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 63 切削速度V＝60m/分鐘 切削深度d＝0.25mm 進給量f＝0.12mm/轉(zhuǎn) 切削時間70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)，300cc/分鐘。
[表4] *1 樣品48是實施例1中樣品8(以市售cBN粉作為起始原料)使用的市售刀頭。
樣品49是實施例1中樣品14(以市售cBN粉料作為起始原料)所用的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體。
樣品50-62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)的總重量占cBN成分的重量百分比。
*3 表示70分鐘切削時間之后的后刀面磨損寬度VB的測量值。
*4 表面粗糙度Rz是JISB0601中規(guī)定的10點平均粗糙度，是在切削掉0.8μm、并且基準長度l＝4mm的條件下沿被切削工件的軸向測出的。
*5 在70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4所示，與傳統(tǒng)cBN燒結(jié)體產(chǎn)生的加工影響層厚度11.0μm相比，樣品49-62(本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具)能夠把產(chǎn)生的加工影響層的量抑制為等于或小于7.0μm。
在本發(fā)明的樣品中，樣品51-53、55、57-59和61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1.0μm、并且不大于6.0μm；cBN成分中包含碳、氧和選自Li、Si、Al、Ca和Mg中的至少一種或多種元素；上述Li、Si、Al、Ca、Mg和碳的總量不小于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)異的導熱性，并且所產(chǎn)生的加工影響層的厚度均被抑制在等于或小于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，所以聲子的傳導性提高。
在本發(fā)明中，其中cBN顆粒中的Li、Si、Al、Ca、Mg和碳成分的總量超過0.2％的樣品48、50和60具有較低的導熱率，據(jù)推測這是因為上述諧振動受阻之故。
與上述形成對照的是，其中cBN顆粒中的Li、Si、Al、Ca、Mg和碳成分的總量小于0.02％的樣品56具有較低的導熱率，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cBN顆粒之間的結(jié)合強度的效果，使得cBN燒結(jié)體內(nèi)形成了成為熱障的缺陷。
樣品54的導熱率也較低，據(jù)推測其原因是cBN顆粒尺寸非常細小，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62的cBN粒徑大，使得形成熱障的顆粒界面面積減少，從而使導熱率提高，并且加工影響層的產(chǎn)生量也小。但是，與達到令人滿意的表面粗糙度(Rz等于或小于3.2μm)的其它樣品相比，樣品62的表面粗糙性差，其Rz為5.0μm。對已經(jīng)評價過的刀頭切削刃進行觀察，結(jié)果在所有樣品工具的副切削刃處均觀察到cBN顆粒脫落，這些脫落顆粒留下的痕跡被轉(zhuǎn)印到加工表面而引起粗糙，并決定表面粗糙度。
實施例5 在700℃到1,000℃的真空氣氛下，采用3種釬焊料將實施例2中的樣品26所用的具有硬質(zhì)合金襯底的cBN燒結(jié)體材料與硬質(zhì)合金基底連接到一起。表5示出了其刀頭形狀、切削刃處理以及耐熱膜涂層均與實施例2中的相同的各種cBN燒結(jié)體切削工具。
在樣品63-79中，采用其組成為Ag 76重量％、Cu 23重量％和Ti 1重量％的釬焊料，或者采用其中分散有平均粒徑為5-200μ的cBN、金剛石、WC或W的釬焊料。樣品81采用其組成為Ag 89重量％、Cu 10重量％和Ti 1重量％的釬焊料；樣品82采用其組成為Ag 76重量％、Cu 21重量％、Ti 2重量％和Zr1重量％的釬焊料。
在通過研磨操作除去釬焊料部分之外的其它材料之后，采用氙閃導熱率測試儀單獨測量釬焊料部分的導熱率。
在上述的以與實施例2所述相同的方式進行工具切削刃加工之后，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相同的切削條件下測定加工影響層的生成。
[表5] *1 表示60分鐘切削時間之后的后刀面磨損寬度VB的測量值。
*2 在60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。
*3 在切削60分鐘之后，使用微區(qū)X射線應力分析儀通過sin2Ψ法(等傾法)測量加工表面的殘余應力。表中的負號表示受到壓應力。
樣品63-82所示的樣品是本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具，具體而言，如樣品65-68和81所示，這些工具(其中包含導熱率等于或大于220 W/m·K的釬焊料部分，其釬焊層的厚度不小于0.02mm、并且不大于0.2mm，并且該釬焊料部分不含長徑大于0.5mm的孔隙)均生成較少的加工影響層并且具有較高的殘余壓應力值。
此外，由樣品71-74和78所代表的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具(其釬焊料部分含有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，并且其導熱率等于或大于280W/m·K)均生成較少的加工影響層并具有較高的殘余壓應力值。
在樣品63中，釬焊溫度較低，據(jù)推測，釬焊料的熔化以及cBN燒結(jié)體材料與硬質(zhì)合金基底之間的潤濕都不充分，并且形成了釬焊料未滲透的等于或大于0.6mm的孔隙，因此這些孔隙成為熱障，使導熱率大大降低。
另一方面，在樣品69中，釬焊料完全熔化，但溫度過高。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)合金基底之間的界面流出，而形成0.8mm的大孔隙。
在樣品75-77、79和80中，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熱率和楊氏模量都優(yōu)異的硬質(zhì)顆粒，但是，如果所述硬質(zhì)顆粒的粒徑太大或者加入釬焊料中的量太多，那么釬焊料滲透不充分，反而會產(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78相當優(yōu)異。
實施例6 準備其刀頭形狀屬于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27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6所示的最終被覆有厚度為1μm的各種耐熱膜的cBN燒結(jié)體切削工具，并在以下條件下進行切削評價。
對所有刀頭，都把沒有硬質(zhì)合金襯底的整體cBN燒結(jié)體材料釬焊到硬質(zhì)合金基底上，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行加工。在上述切削刃形狀加工之后，所有刀頭的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。在850℃的條件下使用釬焊料進行釬焊，所述釬焊料的組成為Ag 76重量％、Cu 21重量％、Zr 1重量％和Ti 2重量％。所有樣品的釬焊料部分的釬焊層厚度均為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底上之后，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，進一步進行研磨加工，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?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)于耐熱膜的導熱率，在SUS 304板上形成厚度為15μm的耐熱膜，并且使用氙閃導熱率測試儀來測量導熱率。
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＝120m/分鐘 切削深度d＝0.3mm 進給量f＝0.12mm/轉(zhuǎn) 切削時間100分鐘 冷卻液無 [表6] *1 表示60分鐘切削時間之后的后刀面磨損寬度VB的測量值。
*2 表示60分鐘切削時間之后的月牙洼磨損深度KT的測量值。
*3 在100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。
樣品83-102所示的樣品是本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具，但是具體而言，如樣品87、91-97以及100-102所示，具有導熱率不小于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9μm的很少的加工影響層，并且表現(xiàn)出較長的壽命。
樣品83-86和88的耐熱膜的導熱率等于或小于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10.0μm。
另一方面，樣品89、90、98和99的導熱率等于或大于47W/m·K，由于加工表面產(chǎn)生的切削熱積極流入本發(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致切削工具破損。
實施例7 制備其刀頭形狀屬于ISO CNGA 120408型、并且其中參與切削的表面中具有實施例6中樣品96所用的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體材料的工具。
對所有刀頭，將沒有硬質(zhì)合金襯底的整體cBN燒結(jié)體釬焊到硬質(zhì)合金基底上，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。釬焊料部分的組成為Ag 76重量％，Cu 21重量％，Zr 1重量％和Ti 2重量％，并在850℃進行釬焊。所有樣品的釬焊料部分的釬焊層厚度均為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底上之后，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，進一步進行研磨加工，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?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6中樣品96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和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10％、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7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R為刀尖圓弧半徑，d為切削深度，f為進給量，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對上述樣品進行切削評價。
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 進給量f＝0.1mm/轉(zhuǎn) 切削時間80分鐘 (1)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)，500cc/分鐘 (2)油霧(制造商為Fuji BC Engineering株式會社，商品名為Bluebe LB-1) [表7] *1 表示60分鐘切削時間之后的后刀面磨損寬度VB的測量值。
*2 表示60分鐘切削時間之后的月牙洼磨損深度KT的測量值。
*3 在80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。
*4 在80分鐘切削時間之后，使用微區(qū)X射線應力分析儀通過sin2Ψ法(等傾法)測量加工表面的殘余應力。表中的負號表示受到壓應力。
樣品103-121所示的樣品是本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具。具體而言，如樣品105-107、110-113和115-121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10％、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，所形成的上述所有樣品均產(chǎn)生較少的加工影響層并具有較高的殘余壓應力值，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-f1)+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)體材料的導熱性明顯優(yōu)于耐熱膜的導熱性，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，與從工具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)體切削工具到發(fā)生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部分的楔角(wedge angle)，因此容易出現(xiàn)破損；并且從前刀面去除耐熱膜會加速月牙洼磨損KT的發(fā)展。
實施例8 制備這樣的工具，其中所述工具的刀頭形狀屬于ISOCNGA120408型，并且其中參與切削的表面中具有實施例6中樣品96所用的本發(fā)明的cBN燒結(jié)體材料，所述刀頭在cBN燒結(jié)體1的副切削刃部分上還具有如圖3所示的0.5mm寬的修光刃12。
對所有刀頭，都使用各種釬焊料將具有硬質(zhì)合金襯底的cBN燒結(jié)體材料釬焊到硬質(zhì)合金基底上，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行加工。在上述切削刃形狀加工之后，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)在切削刃形狀加工之后的面積是3.15mm2。釬焊部分的組成為Ag 76重量％、Cu 21重量％、Zr 1重量％和Ti 2重量％；并且在850℃下進行釬焊。所有樣品的釬焊料部分的釬焊層厚度均為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底上之后，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，進一步進行研磨加工，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?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，按照與實施例6中樣品96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和V的百分含量分別為85原子％、10原子％和5原子％。在如表8所示的不同的切削條件(切削速度、進給量、切削深度)、以及不同的冷卻液排放條件下進行切削評價。
預先確定切削速度、進給量和切削深度，使得所有的切削條件都具有相同的加工效率。
為了對比，制備其中含有Al(其含量為TiN的15重量％)和市售的cBN粉(其平均粒徑為3.5μm)的粘結(jié)劑粉。將所得的粘結(jié)劑粉置于硬質(zhì)合金容器中，在壓力8.5GPa和溫度2,100℃下燒結(jié)60分鐘。所得到的cBN燒結(jié)體的特征為cBN含有率為72體積％；TiN的特征在于Ti與N的摩爾比為1.4；氧含量為0.18重量％，并且cBN成分中的Li、Si、Al、Ca、Mg和碳的總量為0.35％；該cBN燒結(jié)體的導熱率為72 W/m·k。用這種cBN燒結(jié)體制備與樣品122-138具有相同的形狀和涂層的刀頭(樣品139-142)。對樣品139-142所代表的燒結(jié)體進行X射線衍射分析，確定上述所有樣品中含有的除cBN成分以外的TiN、TiB2、AlN和Al2O3等。采用ICP分析來定量檢驗cBN的含有率，并使用氙閃導熱率測試儀來測量cBN燒結(jié)體的導熱率。為測定這種cBN燒結(jié)體中的氧含量以及Li、Ca、Al、Si、Mg和碳相對于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)體試樣置于密閉容器中，并且用氫氟酸-硝酸(其中氫氟酸-硝酸是將濃度等于或大于60％、并且小于65％的2倍稀釋的40mL硝酸與濃度等于或大于45％、并且小于50％的10mL氫氟酸混合)在等于或大于120℃、并且小于150℃下處理48小時。通過上述ICP法來檢驗殘余成分。當對該殘余成分進行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。
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 60 切削時間60分鐘 排屑體積134,400mm3(加工效率為2,240mm3/分鐘) 冷卻液(1)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)，500cc/分鐘。
(2)油霧(制造商為Fuji BC Engineering株式會社，商品名為Bluebe LB-1) [表8] *1 表示60分鐘切削時間之后的后刀面磨損寬度VB的測量值。
*2 在60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。
*3 在60分鐘切削時間之后，使用微區(qū)X射線應力分析儀通過sin2Ψ法(等傾法)來測量加工表面的殘余應力。表中的負號表示受到壓應力。
樣品122-138都是本發(fā)明的cBN燒結(jié)體切削工具，當改為采用水溶性冷卻液和油霧的切削系統(tǒng)(而不是采用不需使用冷卻液的干式切削系統(tǒng))、并且在切削速度V不低于40m/分鐘、并且不超過70m/分鐘以及切削深度不低于0.05mm、并且不超過0.3mm以及進給量f不低于0.16mm/轉(zhuǎn)、并且不超過0.2mm/轉(zhuǎn)的切削條件下切削硬化鋼時，上述cBN燒結(jié)體切削工具達到了更優(yōu)異的表面完整性。
樣品126-132都采用了相同的切削條件，不同之處在于冷卻液的供給方法不同，與沒有使用冷卻液的樣品126相比，使用水溶性冷卻液的樣品127形成了較少的加工影響層并且殘余壓應力增加得較多。其中油霧排放速率為1cc/小時到300cc/小時的樣品129-131雖然形成了與沒有使用冷卻液的樣品126幾乎相同的后刀面磨損寬度VB，但是樣品129-131形成了較少的加工影響層并且殘余壓應力增加得較多，因此是優(yōu)選的。
據(jù)推測其原因是通過排放適量的油霧，使油霧滲透到工具與被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，在油霧排放速率小于1cc/小時的樣品128和油霧排放速率超出300cc/小時的樣品132的這兩個樣品中均未觀察到與樣品129-131一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放速率太小，則油霧不能發(fā)揮潤滑作用；如果油霧排放速率太大，則由于油霧顆粒凝聚而使得油霧難以向工具與被加工物之間的界面中滲透。
如樣品122-125、130、133、134和136-138所示，即使在油霧排放速率相同的條件下，這些樣品的加工影響層的生成量以及殘余應力值也不相同。據(jù)推測其原因是在以低速、低切削深度、高速進給的條件下進行切削使得切削速度V不低于40m/分鐘并且不超過70m/分鐘、切削深度不低于0.05mm并且不大于0.3mm、進給量f不低于0.16mm/轉(zhuǎn)并且不超過0.2mm/轉(zhuǎn)的過程中，在切削刃的溫度受到抑制的同時，工具與切削材料的擦過距離也被縮短，因此磨損量受到抑制。
另一方面，由樣品138(切削速度低于V＝40m/分鐘)表示的本發(fā)明cBN燒結(jié)體的磨損量反而增大，據(jù)推測其原因是切削溫度下降得太多，使得切削熱不能導致被加工物充分軟化，因此切削阻力高。
關(guān)于由樣品125(切削深度低于0.05mm)表示的本發(fā)明cBN燒結(jié)體，由于其擦過距離增大使得磨損量增加，并且由于工具和被加工物之間的摩擦熱增加，因此據(jù)推測其不能達到與樣品137和124同等水平的高表面完整性。
由樣品139-142表示的cBN燒結(jié)體是與本發(fā)明的cBN燒結(jié)體不同的高導熱性燒結(jié)體，其中粘結(jié)劑的主要成分為TiN。雖然樣品139-142的耐磨性優(yōu)異，但是其在低速范圍的耐缺損性能不足，因此其使用壽命比本發(fā)明cBN燒結(jié)體的使用壽命短。



圖1是示出本發(fā)明cBN燒結(jié)體切削工具的一個實例的視圖。(a)是立體圖，(b)是cBN燒結(jié)體的局部放大圖； 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；以及 圖3是本發(fā)明cBN燒結(jié)體切削工具的示意圖，并且說明了具有修光刃的cBN燒結(jié)體切削工具的一個實例。
附圖標號說明 1 cBN燒結(jié)體 2 耐熱膜 3 基底 4 釬焊料部分 10 cBN燒結(jié)體切削工具 12 修光刃 13 金屬襯底
權(quán)利要求
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87體積％、并且不大于99體積％的cBN成分，該cBN燒結(jié)體的導熱率等于或大于100W/m·K，并且其最外表面涂有厚度為0.5μm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.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高表面完整性加工的cBN燒結(jié)體，
其中，在構(gòu)成該cBN燒結(jié)體的cBN成分中，B與N的摩爾比不小于1.10、并且不大于1.17，此外，所述cBN燒結(jié)體還包含碳；以及作為粘結(jié)劑材料的、選自Co化合物、Al化合物、W化合物和O化合物中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于高表面完整性加工的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1.0μm、并且不大于6.0μm；所述的cBN成分含有碳、氧以及選自Li、Si、Al、Ca和Mg中的至少一種元素；所述的Li、Si、Al、Ca或Mg與碳的總量不小于所述cBN成分的0.02重量％、并且不大于所述cBN成分的0.20重量％；所述的cBN成分包含其中氧含量不超過所述cBN成分的0.17重量％的高純cBN成分；并且所述cBN燒結(jié)體的導熱率不小于130W/m·K。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任意一項所述的用于高表面完整性加工的cBN燒結(jié)體，
其中，所述耐熱膜的導熱率不小于30W/m·K、并且不大于45W/m·K。
5.一種cBN燒結(jié)體切削工具，
其中，根據(jù)權(quán)利要求1到4中任意一項所述的cBN燒結(jié)體被直接釬焊到基材上、或者通過金屬襯底被釬焊到基材上，其中，所述基材包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷或鐵基材料，所述金屬襯底包括與所述cBN燒結(jié)體一體燒結(jié)的硬質(zhì)合金；并且所述金屬襯底和所述釬焊料部分的導熱率均不小于80W/m·K。
6.根據(jù)權(quán)利要求5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、Cu、Au和Ni中的至少一者，并且所述釬焊料部分的導熱率不小于220W/m·K；所述釬焊料部分的厚度不小于0.02mm、并且不大于0.20mm；并且所述釬焊料部分不含長徑超過0.5mm的孔隙。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的cBN燒結(jié)體切削工具，
其中，所述釬焊料部分包含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；并且所述釬焊料部分的導熱率不小于280W/m·K。
8.根據(jù)權(quán)利要求5到7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R為刀尖圓弧半徑，d為切削深度，f為進給量，αb為側(cè)前角，αs為刃傾角。
9.根據(jù)權(quán)利要求8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如權(quán)利要求8所定義的切削橫截面積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。
10.一種用于加工被切削工件而使之具有高表面完整性的切削方法，
其中，在切削速度V不低于40m/分鐘并且不大于70m/分鐘、切削深度不低于0.05mm并且不大于0.30mm、進給量f不低于0.16mm/轉(zhuǎn)并且不大于0.20mm/轉(zhuǎn)的條件下、在以大于或等于300cc/分鐘的速度向切削刃上噴射水溶性切削液的情況下，使用根據(jù)權(quán)利要求5到9中的任意一項所述的cBN燒結(jié)體切削工具來連續(xù)地切削HRc值大于或等于45的硬化鋼。
11.一種用于加工被切削工件而使之具有高表面完整性的切削方法，
其中，在切削速度V不低于40m/分鐘并且不大于70m/分鐘、切削深度不低于0.05mm并且不大于0.30mm、進給量f不低于0.16mm/轉(zhuǎn)并且不大于0.20mm/轉(zhuǎn)的條件下、在以不低于1cc/小時并且低于300cc/小時的速度向切削刃上噴射油霧的情況下，使用根據(jù)權(quán)利要求5到9中的任意一項所述的cBN燒結(jié)體切削工具來連續(xù)地切削HRc值大于或等于45的硬化鋼。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種cBN含有率高的燒結(jié)體，與傳統(tǒng)cBN燒結(jié)體工具相比，所述的cBN含有率高的燒結(jié)體通過抑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、以及通過促進壓應力的殘留，可以改善加工件的疲勞壽命并延長工具的壽命。本發(fā)明的cBN燒結(jié)體是一種用于高表面完整性加工的cBN燒結(jié)體，其中，該cBN燒結(jié)體含有不小于87體積％、并且不大于99體積％的cBN成分，其導熱率等于或大于100W/m·K；并且該cBN燒結(jié)體1的最外表面涂有厚度為0.5μm到12μm的耐熱膜2，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。
文檔編號B23B27/14GK101102978SQ20068000238
公開日2008年1月9日 申請日期2006年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18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