立方晶氮化硼燒結體及切削工具的制作方法

本發明涉及一種立方晶氮化硼燒結體及切削工具。

背景技術：

立方晶氮化硼燒結體(以下，有時簡稱為cBN燒結體。)具有優異的耐摩耗性，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合金。例如在專利文獻1中公開了一種cBN燒結體，其包含立方晶氮化硼(cBN)相和含有W、Co、Al的結合相，并且以規定的比率含有B₆Co₂₁W₂作為結合相。另外，在專利文獻2中公開了一種cBN燒結體，其含有80重量％以上的cBN粒子，并且在結合相中添加了Co以及含有比率超過50重量％的Al。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2004－331456號公報

專利文獻2：日本特開2013-538937號公報

技術實現要素：

發明要解決的課題

然而，即使為上述專利文獻1、2中記載的cBN燒結體，cBN粒子的脫粒也容易進行而使耐摩耗性降低，例如用作切削工具時的耐摩耗性稱不上充分。

用于解決課題的手段

本實施方式的立方晶氮化硼燒結體是含有85～97體積％的比例的立方晶氮化硼粒子和3～15體積％的比例的結合相的立方晶氮化硼燒結體，該立方晶氮化硼燒結體中的Al含量為0.1～5質量％，Co含量相對于Al含量之比以質量比(Co/Al)計為3～40，且具有Al₃B₆Co₂₀。

發明效果

根據本實施方式的立方晶氮化硼燒結體，結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。其結果為：若將該立方晶氮化硼燒結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的切削工具。

附圖說明

圖1為本實施方式的立方晶氮化硼燒結體的一例的X射線衍射數據。

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

具體實施方式

立方晶氮化硼燒結體(cBN燒結體)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％的比例的結合相，cBN燒結體中的Al含量為0.1～5質量％，Co含量相對于Al含量之比以質量比(Co/Al)計為3～40，且具有Al₃B₆Co₂₀。

由此，就本實施方式的cBN燒結體而言，結合相與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，在切刃部具有本實施方式的cBN燒結體的切削工具的耐摩耗性高，可以長時間用于切削加工。另外，由于cBN燒結體的電阻率低，因此能夠進行線放電加工。因此可以制作容易加工的切削工具。

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

在此，若cBN燒結體中的Al含量少于0.1質量％，則不存在Al₃B₆Co₂₀，結合相的密合力降低，從而燒結體的耐摩耗性降低。若Al含量多于5質量％，則難以進行線放電加工。若Co含量相對于Al含量之比以質量比(Co/Al)計低于3，則不存在Al₃B₆Co₂₀，且難以進行線放電加工。若Co含量相對于Al含量之比以質量比(Co/Al)計高于40，則結合相的密合性降低，從而使cBN燒結體的耐摩耗性變差。質量比(Co/Al)的優選的范圍為5～30。

在本實施方式中，從提高cBN燒結體的耐摩耗性及強度的方面出發，cBN粒子的平均粒徑為0.2～10μm、優選為1～5μm、特別優選為1.5μm～2.5μm的范圍。若為該范圍，則cBN燒結體的硬度變高且可以抑制cBN粒子的脫粒。予以說明，本實施方式中的cBN粒子的粒徑的測定依據CIS－019D－2005中規定的超硬合金的平均粒徑的測定方法進行測定。

結合相以填埋cBN粒子間的間隙之類的狀態存在，處于混雜有多個結晶相、非結晶相的狀態。在本實施方式中，除cBN粒子以外的成分均為結合相。

在本實施方式中，如圖1的Cu－Kα線的X射線衍射數據所示，在cBN燒結體中的cBN的衍射峰(以下，有時簡稱為cBN峰。有時對其他峰也同樣地進行同樣簡略。)中，歸屬于cBN的(111)面的峰(以下，有時簡稱為cBN(111)峰。有時對其他峰也同樣地進行簡略。)的峰強度最強。作為歸屬于結合相的峰，存在Co(200)峰。

而且，根據本實施方式，在2θ＝38.5°、42.2°、45.0°、49.2°、51.3°等存在Al₃B₆Co₂₀峰。予以說明，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，在本實施方式中，是否存在Al₃B₆Co₂₀通過有無存在不與其他結晶相的峰重疊的2θ＝42.2°及45.0°的任意峰來判定。另外，Al₃B₆Co₂₀的最強峰的峰強度為在2θ＝42.2°及45.0°中峰強度高的一方。予以說明，各峰有時還會因固溶狀態的若干不同或殘留應力等而使衍射角(2θ)的值偏移，只要可以維持Al₃B₆Co₂₀的晶格而檢測到各衍射角的峰，則判斷存在Al₃B₆Co₂₀峰。

若不存在Al₃B₆Co₂₀，結合相的密合性降低而使cBN粒子容易脫粒，cBN燒結體的耐摩耗性降低。另外，若不存在Al₃B₆Co₂₀，則有時難以進行cBN燒結體的線放電加工。

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

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

進而，若相對于Co(200)的峰強度，Al₃B₆Co₂₀的最強峰的峰強度為0.01～0.25，則可以抑制cBN粒子的脫粒，并且能夠進行線放電加工。另外，若相對于cBN(111)的峰強度，Co(200)的峰強度為0.5～3，則可以優化cBN燒結體的耐摩耗性及電阻率。

在cBN燒結體中，除cBN峰、Co峰、Al₃B₆Co₂₀峰以外，還可以存在金屬Al峰或BCo峰。進而，雖然在圖1中并未檢測到，但是也可以存在AlN的峰，此時，相對于cBN(111)的峰強度的AlN的最強峰的峰強度優選為0.05以下。若為該范圍，則可以抑制cBN粒子的脫粒，并且能夠進行線放電加工。

另外，在cBN燒結體中可以進一步含有W。W以金屬W、WC、W₂B、B₆Co₂₁W₂等形式存在。金屬W、WC、W₂B、B₆Co₂₁W₂等可以通過在X射線衍射數據中檢測到各峰來確認。進而，在cBN燒結體中可以含有Ti、除Ti以外的周期表4、5及6族金屬成分。

進而，在本實施方式中，Al₃B₆Co₂₀粒子的平均粒徑的優選范圍為0.02μm～0.5μm。由此，使Al₃B₆Co₂₀粒子牢固地結合cBN粒子，從而可以抑制cBN粒子的脫粒。予以說明，本實施方式中的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的直徑而求得。

基于圖2對以上述的cBN燒結體作為切刃部的切削工具的一例進行說明。圖2的切削鑲刀(以下，簡稱為鑲刀。)1將包含cBN燒結體6的切刃片5經由包含含有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構成包含前刀面2、后刀面3和作為其交差脊線的切刃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。予以說明，圖2的鑲刀1僅切刃片5包含cBN燒結體6，但是，本實施方式并不限定于該實施方式，也可以使切削鑲刀整體由cBN燒結體6構成。

接下來，對于上述cBN燒結體的制造方法進行說明。

例如，將75～88質量％的比率的平均粒徑為1.0～4.5μm的cBN原料粉末、10～24.9質量％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質量％的比率的平均粒徑為0.3～1.5μm的WC原料粉末進行調合。在此，在本實施方式中，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)設為0.7～1.6。

將上述調合粉末球磨機粉碎混合15～72小時。之后，根據需要形成為規定形狀。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℃的范圍內的規定的溫度且4～7GPa的壓力下保持10～60分鐘后，以3℃/秒以下的速度進行降溫。由此，可以將cBN燒結體中的cBN粒子的存在比率調整為規定的范圍內，并且可以存在Al₃B₆Co₂₀。

即，若原料粉末的調合比率偏離上述范圍，則cBN燒結體中的cBN粒子的存在比率偏離規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燒結體中的cBN粒子的存在比率偏離規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燒結體利用線放電加工切割規定尺寸的切刃部。本實施方式的cBN燒結體為能夠進行線放電加工的電阻率。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，對釬焊后的鑲刀的上表面進行磨削加工，接著，將切刃部的側面包括cBN燒結體的滲出部分進行磨削加工。進而，根據需要對切刃前端部實施衍磨加工，由此可以制作本實施方式的切削工具。

實施例

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的組成進行調合，將該粉體利用使用了氧化鋁制珠粒的球磨機混合15小時。接著，將混合的粉體在壓力98MPa下進行加壓成形。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，以120℃/分鐘進行升溫，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燒結體。

接著，利用線放電加工從所制作的cBN燒結體及襯層的一體物切割為規定的形狀。關于線放電加工的加工性，將良好的情況標記○，將花費時間可以進行加工的情況標記Δ，將無法加工的情況標記×，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燒結體作為切刃部。然后，使用金剛石輪對該cBN燒結體的切刃部實施刃尖處理(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，對切刃部的cBN燒結體的cBN燒結體的任意截面，通過采用掃描型電子顯微鏡(SEM)的組織觀察，計算出cBN燒結體中的cBN粒子的含有比率。另外，依據CIS－019D－2005中規定的超硬合金的平均粒徑的測定方法，測定了cBN粒子的平均粒徑。在表1中示出結果。予以說明，在組織照片中，cBN粒子以外的部分設為結合相。

另外，利用ICP分析對cBN燒結體的組成進行確認，并測定Co、Al、W相對于cBN燒結體整體的含有比率。在表2中示出結果。

進而，使用BrukerAXS公司制D8DISCOVER with GADDS Super Speed、射線源：CuK_α、準直直徑：0.8mmφ，從前刀面及后刀面進行X射線衍射測定，鑒定cBN燒結體中的結晶相，并且將cBN(111)的峰強度設為1時的歸屬于各結晶相的峰中的最強峰的峰強度示于表3中。予以說明，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行了切削試驗。在表3中示出結果。

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：濕式(有切削油)

評價方法：評價直至摩耗或缺失為止的切削長度。

【表1】

【表2】

【表3】

根據表1～3所示的結果，cBN粒子的含量少于85體積％且結合相的含有比率多于15體積％的試樣No.1中，耐摩耗性降低，切削長度短。cBN粒子的含量多于97體積％且結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質量％的試樣No.18中，不存在Al₃B₆Co₂₀，無法進行線放電加工。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質量％的試樣No.14中，不存在Al₃B₆Co₂₀，切削長度短。試樣No.19～21中，不存在Al₃B₆Co₂₀，線放電加工性差，且切削長度短。

與此相對，含有85～97體積％的比例的立方晶氮化硼粒子和3～15體積％的比例的結合相、Al含量為0.1～5質量％、Co含量相對于Al含量之比以質量比(Co/Al)計為3～40且具有Al₃B₆Co₂₀的試樣No.2～5、8～12、15～17、22～25中，均能進行線放電加工，并且耐摩耗性高，切削長度長。

試樣No.2～5、8～12、15～17、22～25之中，在X射線衍射測定中相對于cBN(111)的峰強度，Al₃B₆Co₂₀的最強峰的峰強度為0.02～0.25的試樣No.2～5、8～12、16、17、22、23均能進行線放電加工，并且切削長度長。另外，相對于cBN(111)的峰強度，Co(200)的峰強度為0.5～3的試樣No.2～5、8～12、15～17、23、24均能進行線放電加工，并且切削長度長。

進而，相對于Co(200)的峰強度，Al₃B₆Co₂₀的最強峰的峰強度為0.01～0.25的試樣No.2～5、8～12、15～17、23、24均能進行線放電加工，并且切削長度長。

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

進而，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均能進行線放電加工，并且耐摩耗性高，切削長度長。

符號說明

1 鑲刀(切削鑲刀)

2 前刀面

3 后刀面

4 切刃

5 切刃部

6 cBN燒結體