表面被覆氮化硼燒結體工具的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種表面被覆氮化硼燒結體工具，其中至少切削刃部分包括立方氮化 硼（以下還稱為"CBN"）燒結體和在該cBN燒結體的表面上形成的覆膜。
【背景技術】
[0002] 由cBN燒結體作為基材而形成的切削工具（以下將稱為"被覆cBN工具"）具有這 樣的表面，由陶瓷材料等制成的覆膜形成在該表面上。該工具展示出了優良的耐磨性，因此 將該工具用于淬火鋼的切削加工。
[0003] 對于這樣的工具，例如W0 2010/150335 (專利文獻1)和W0 2012/005275 (專利文 獻2)分別公開了由cBN燒結體形成的、表面上被覆有覆膜的工具，該覆膜包括下層和上層， 其中所述下層由具有特定陶瓷組成的多個層形成，所述上層由化合物層形成。
[0004] 此外，具有覆膜的工具的基材不僅能通過cBN燒結體來形成，（例如）還可以 由硬質合金等形成（日本專利待審公開No. 2008-188689(專利文獻3)和日本專利公開 No. 2008-534297 (專利文獻 4))。
[0005] 引用列表
[0006] 專利文獻
[0007] 專利文獻 1 :W0 2〇10/15〇335
[0008] 專利文獻 2:TO2012/005275
[0009] 專利文獻3 :日本專利待審公開No. 2008-188689
[0010] 專利文獻4 :日本專利公開No. 2008-534297
【發明內容】
[0011] 技術問題
[0012] 近年來，切削加工要求極高的精度。在這種情況下，所要求的精確度是指：加工后 的加工材料展示出優異的表面粗糙度，使得切削加工后不需要進行精加工（如拋光）。換言 之，其與常規技術不同，切削加工還需要提供精加工。因此，當前，將能夠保持規定的表面粗 糙度的切削距離（以下還稱為"表面粗糙度壽命"）視為用于確定工具性能的重要特征。然 而，常規的切削工具還沒有能夠充分滿足當前用戶需求的表面粗糙度壽命。因此，在目前的 情況下，表面粗糙度壽命往往被簡單地視為工具壽命，并且強烈希望延長表面粗糙度壽命。
[0013] 可以考慮各種對加工材料的表面粗糙度產生影響的因素。其中，認為由磨損導致 的刀頭形狀改變是有明顯影響的因素。因此，據認為提高耐磨損性能夠有效地延長表面粗 糙度壽命。
[0014] 到現在為止，通過在基材的表面上形成覆膜已經研制出具有更高的耐磨性的切削 工具。例如，已有這樣一種切削工具，其由硬質合金制基材形成，并且該基材的表面上形成 有覆膜。已知這樣的切削工具在鋼加工過程中展示出了合適的耐磨性。
[0015] 然而，在硬度比鋼更高的淬火鋼的高精度加工中，即使與硬質合金類似，在由CBN 燒結體制成的基材的表面上形成覆膜，也難以獲得足夠的表面粗糙度壽命。因此，在目前的 情況下，還未研制出在淬火鋼的高精度加工中具有長使用壽命的切削工具。
[0016] 鑒于上述情況完成了本發明，本發明的目的在于提供一種被覆cBN工具，其在硬 質材料（如淬火鋼）的加工中實現了高尺寸精度并具有優異的工具使用壽命。
[0017] 解決問題的方案
[0018] 為了解決上述問題，本發明人利用被覆有覆膜的被覆cBN工具加工淬火鋼，所述 覆膜具有各種化學組成和晶體結構，并以各種疊層的形式形成，并且本發明人還對工具的 受損狀態進行了詳細分析。結果表明，除了正常的月牙洼磨損和后刀面磨損外，在對應于磨 損部分的一端的前邊界部也發生了邊界磨損。另外，本發明人發現，這種邊界磨損對于表面 粗糙度壽命具有最顯著的影響。
[0019] 除了以上所述，本發明人基于他們的上述發現進行了反復研究。結果還發現了抑 制邊界磨損的最有效的方法是形成這樣的覆膜，所述覆膜通過堆疊由晶粒形成的層而獲 得，所述晶粒各具有特定的組成、形狀和粒徑。由此，本發明人完成了本發明。
[0020] 具體而言，本發明的表面被覆氮化硼燒結體工具具有以下構成（1)至（10)。
[0021] (1)至少切削刃部分包括立方氮化硼燒結體以及形成在所述立方氮化硼燒結體的 表面上的覆膜。
[0022] (2)所述立方氮化硼燒結體包含30體積％以上80體積％以下的立方氮化硼顆粒， 并且還包含結合相，所述結合相包含選自由在日本使用的元素周期表中的4族元素、5族 元素和6族元素的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物及其固溶體構成的組中的至少一種化合 物、鋁化合物、以及不可避免的雜質。
[0023] (3)覆膜包括A層和B層。
[0024] (4)A層由柱狀晶體形成，并且包含MLazal (M表示在曰本使用的元素周期表中的4 族元素、5族元素和6族元素、以及A1和Si中的一種或多種；La表示B、C、N和0中的一種 或多種；且zal為0. 85以上1. 0以下）。
[0025] (5)B層由柱狀晶體形成，并且通過交替層疊一層或多層的各化合物層而形成，其 中所述各化合物層為具有不同組成的兩種或多種化合物層。
[0026] (6)各化合物層的厚度為0· 5nm以上且小于300nm〇
[0027] (7)上述化合物層之一為B1化合物層，所述B1化合物層包含xblyblSixblMlybl) (QzblNzbl) (Ml表示在日本使用的元素周期表中除了Ti之外的4族元素、5族元素和6族元 素、以及A1中的一種或多種；xbl為0. 01以上0. 25以下；ybl為0以上0. 7以下；且zbl為 0.4以上1以下）。
[0028] (8)上述化合物層之一為B2化合物層，所述B2化合物層不同于所述B1化合物層， 并且包含（Ahxb2M2xb2)(Qzb2Nzb2) (M2表示在日本使用的元素周期表中的4族元素、5族元素 和6族元素、以及Si中的一種或多種；xb2為0. 2以上0. 7以下；且zb2為0. 4以上1以 下）。
[0029] (9)A層的厚度為0· 2μπι以上10μπι以下，B層的厚度為0· 05μπι以上5μπι以下， 并且所述覆膜的整體厚度為〇. 3μm以上15μm以下。
[0030] (10)A層中包含的各柱狀晶體的粒徑Wa為10nm以上400nm以下，B層中包含的各 柱狀晶體的粒徑Wb為5nm以上70nm以下。
[0031] 發明的有益效果
[0032] 本發明的表面被覆氮化硼燒結體工具在硬質材料（如淬火鋼）的加工過程中實現 了高的尺寸精度并具有優異的工具壽命。
【附圖說明】
[0033] 圖1是示出了根據本發明實施方案的表面被覆氮化硼燒結體工具的結構實例的 截面視圖。
[0034] 圖2是示出了根據本發明實施方案的表面被覆氮化硼燒結體工具的主要部分的 結構實例的截面視圖。
【具體實施方式】
[0035] 下文將更詳細地描述本發明的實施方案。以下將參照附圖進行說明，其中在本發 明的附圖中相同的附圖標記表示相同或相應的部分。
[0036]〈〈表面被覆氮化硼燒結體工具》
[0037] 在本發明實施方案的被覆cBN工具中，至少切削刃部分包括cBN燒結體和在cBN 燒結體的表面上形成的覆膜。如下所述，覆膜具有通過層疊包含粒徑相對較大的柱狀晶體 的A層和包含粒徑相對較小的柱狀晶體的B層而形成的結構，從而當對燒結合金、難加工鑄 鋼、淬火鋼等進行加工時，所述工具獲得了能夠維持長時間高尺寸精度的優異效果，即，表 面粗糙度壽命相對較長。此外，特別是對于利用切削液進行的濕式切削而言，相比于常規切 削工具，本發明實施方案的被覆cBN工具能夠展示出顯著延長的表面粗糙度壽命。
[0038] 據認為，在濕式切削加工過程中，以如下方式發生邊界磨損。（a)由于在加工過程 中，切削液（其也被稱為冷卻劑）不連續地與刀頭接觸，在刀頭處反復發生由于摩擦熱導致 的溫度上升以及由于切削液導致的冷卻（溫度下降）。當刀頭經歷這樣的熱過程時，覆膜表 面上產生開裂，并且到達cBN燒結體。（b)這種開裂和磨損彼此結合，從而邊界磨損急速進 展。
[0039]關于本發明實施方案的被覆cBN工具在濕式切削中展示出優異的表面粗糙度壽 命的具體機制尚未明確。作為其原因，本發明人推測如下：包含具有大粒徑的各柱狀晶體的 A層抑制了磨損，并且包含具有小粒徑的各柱狀晶體的B層抑制了開裂的發生及其進展。將 在下文描述形成本發明實施方案的被覆cBN工具的各組分。
[0040]〈cBN燒結體〉
[0041] 在被覆cBN工具的切削刃部分中，本發明實施方案的cBN燒結體構成用于所述工 具的基材，并且所述cBN燒結體包含30體積％以上80體積％以下的cBN顆粒，并且還包含 結合相作為剩余部分。
[0042] 在這種情況下，結合相包含：選自由在日本使用的元素周期表中的4族元素、5族 元素和6族元素的氮化物、碳化物、硼化物和氧化物及其固溶體構成的組中的至少一種化 合物；鋁化合物；以及不可避免的雜質。結合相將燒結體結構中的cBN顆粒彼此結合在一 起。當cBN燒結體含有30體積％以上的cBN顆粒時，能夠防止作為工具基材的cBN燒結體 的耐磨性降低。此外，當cBN燒結體包含80體積％以下的cBN顆粒時，具有優異強度和韌 性的cBN顆粒充當了燒結體結構中的骨架結構，從而能夠確保cBN燒結體的耐斷裂性。
[0043] 在本說明書中，根據以下方法測定cBN顆粒的體積含量。具體而言，對cBN燒結體 進行鏡面拋光，然后用電子顯微鏡以2000倍的放大倍率觀察cBN燒結體結構中任意區域的 背散射電子圖像。在這種情況下，觀察到cBN顆粒為黑色區域，而觀察到結合相為灰色或白 色區域。在觀察視野圖像中，利用圖像處理對cBN顆粒區域和結合相區域進行二值化，從而 測定cBN顆粒區域的占有面積。然后，通過將占有面積代入如下公式，從而計算cBN顆粒的 體積含量：
[0044] (cBN顆粒的體積含量）=(cBN顆粒的占有面積）+ (視野圖像中cBN燒結體結構 的成像面積）X100。
[0045] 優選地，cBN顆粒的體積含量為50體積％以上65體積％以下。當cBN顆粒的體 積含量為50體積％以上時，被覆cBN工具傾向于表現出在耐磨性和耐斷裂性之間的優異均 衡。此外，當cBN顆粒的體積含量為65體積％以下時，則能夠適當地分布結合相，從而通過 結合相而增加cBN顆粒之間的接合強度。
[0046] 此外，在cBN燒結體和覆膜之間的界面處，cBN顆粒優選呈這樣的形狀，即cBN顆 粒朝向覆膜的突出程度大于其朝向結合相的突出程度。由此，能夠增加cBN燒結體和覆膜 之間的密著性。此外，cBN顆粒和結合相之間的高度差優選為0. 05μπι以上1. 0μπι以下。 當高度差在〇.05μπι以上時，可以實現錨定效果。此外，當高度差在1. 0μπι以下時，能夠有 效地抑制cBN顆粒從燒結體中脫落。在這種情況下，cBN顆粒和結合相之間的高度差更優 選為0. 1μπι以上0. 5μπι以下。當高度差落入該范圍內時，能夠進一步提高上述錨定效果 和防脫落效果。在本說明書中，高度差的測