表面被覆氮化硼烧结体工具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种表面被覆氮化硼烧结体工具，其中至少切削刃部分包括立方氮化 硼烧结体和在该立方氮化硼烧结体的表面上形成的覆层。
【背景技术】
[0002] 其中立方氮化硼烧结体的表面上被覆有陶瓷材料等的覆层的工具展示出了优良 的耐磨性，因此将这些工具用作切削淬火钢用切削工具。近年来，在这种切削加工中需要高 精度，因此需要改进工件表面的表面粗糙度。
[0003] 为了满足该需求，例如WO2010/150335(专利文献1)和WO2012/005275(专利文 献2)提出了其中立方氮化硼烧结体的表面上被覆有覆膜的工具，其中上述覆膜由下层和 上层构成，所述下层由具有特定陶瓷组成的多个层制成，而所述上层由化合物层制成。
[0004] 此外，作为这种被覆有多个层的工具的基材，（例如）还使用了硬质合金来代替 立方氮化硼烧结体（日本专利待审公开No. 2008-188689(专利文献3)和日本专利公开 No. 2008-534297 (专利文献 4))。
[0005] 引用列表
[0006] 专利文献
[0007] 专利文献I:W0 2〇10/15〇335
[0008] 专利文献 2:TO2012/005275
[0009] 专利文献3 :日本专利待审公开No. 2008-188689
[0010] 专利文献4 :日本专利公开No. 2008-534297
【发明内容】
[0011] 技术问题
[0012] 已知的是使用如下所述的工具作为钢加工用切削工具改进了耐磨性：在所述工具 中，由硬质合金制成的基材的表面被覆有具有陶瓷组成的多个层。然而，在加工淬火钢的情 况中，即使用于该应用中的采用立方氮化硼烧结体作为基材的切削工具的表面被覆有具有 陶瓷组成的多个层，也没有改进耐磨性。还需要进一步改进工件表面的表面粗糙度。
[0013] 鉴于上述情况完成了本发明，本发明的目的在于改进工具在淬火钢加工等过程中 的耐磨性，其中在所述工具中，至少切削刃部分包括由立方氮化硼烧结体制成的基材。
[0014] 解决问题的手段
[0015] 为了解决上述问题，本发明的本发明人研究了当加工淬火钢时出现的工具磨损的 情况。由此，揭示了除了常见的月牙洼磨损和后刀面磨损之外，在副切削刃部（endcutting edgeportion)(磨损部分的一端）的边界处还会发生边界磨损，该边界磨损最为显著地影 响工具使用寿命。
[0016] 本发明人基于该发现进行了深入研究，结果发现为了抑制这种边界磨损，最有效 的是以特定的层叠方式层叠具有特定组成的层，基于该发现进行了进一步研究从而完成了 本发明。
[0017] 在根据本发明的表面被覆氮化硼烧结体工具中，至少切削刃部分包括立方氮化硼 烧结体和形成在所述立方氮化硼烧结体表面上的覆层。所述立方氮化硼烧结体包含30体 积％以上80体积％以下的立方氮化硼，并且还包含结合相，该结合相包含铝化合物、不可 避免的杂质、以及选自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体所构成的组中的至少一种化合物。覆层包括A层和 B层。A层由MLazal构成，其中M表示Al、Si、以及元素周期表中的4族元素、5族元素和6 族元素中的一种或多种；La表示B、C、N和0中的一种或多种；且zal为0.85以上1.0以 下。B层是通过交替层叠一层或多层的各化合物层而形成的，其中所述各化合物层为具有不 同组成的两种或多种化合物层。各化合物层的厚度为〇.5nm以上且小于30nm。作为化合物 层之一的Bl化合物层由（Ti1xblyblSixblMlybl) (C1zblNzbl)构成，其中Ml表示A1、以及在日本 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族元素中的一种或多种；xbl为 0. 01以上0. 25以下；ybl为0以上0. 7以下；且zbl为0. 4以上1以下。作为所述化合物 层中不同于Bl化合物层的B2化合物层，其由（Al1xb2M2xb2) (C1zb2Nzb2)构成，其中M2表示Si 以及在日本使用的元素周期表中的4族元素、5族元素和6族元素中的一种或多种；xb2为 0.2以上0.77以下；且zb2为0.4以上1以下。所述A层的厚度为0.2ym以上IOym以 下。B层的厚度为0. 05ym以上5ym以下。覆层的整体厚度为0. 25ym以上15ym以下。
[0018] 发明的有益效果
[0019] 根据本发明，工具在淬火钢的加工等过程中的耐磨性得以改进，在所述工具中，至 少切削刃部分包括由立方氮化硼烧结体制成的基材。
【附图说明】
[0020] 图1是示出了根据本发明实施例的表面被覆氮化硼烧结体工具的一个示例性结 构的截面视图。
[0021] 图2是示出了根据本发明实施例的表面被覆氮化硼烧结体工具的主要部分的一 个示例性结构的截面视图。
【具体实施方式】
[0022] 下文将更详细地描述本发明。在实施方案的以下说明中，结合附图给出所述说明， 其中相同的附图标记表示相同或相应的元件。
[0023] 〈表面被覆氮化硼烧结体工具的结构〉
[0024] 至少根据本发明的表面被覆氮化硼烧结体工具的切削刃部分包括立方氮化硼烧 结体（以下称为"cBN烧结体"，术语"cBN"为立方氮化硼（cubicBoronNitride)的缩写） 和在所述cBN烧结体的表面上形成的覆层。具有这种基本结构的表面被覆氮化硼烧结体工 具尤其能够有效地用于机械加工（例如切削）烧结合金和难加工铸铁，或者用于加工淬火 钢，此外还能适用于除了上述之外的普通金属的各种加工。
[0025] 〈cBN烧结体〉
[0026] 在表面被覆氮化硼烧结体工具的切削刃部分中，cBN烧结体构成所述工具的基材， 并且所述cBN烧结体包含30体积％以上80体积％以下的立方氮化硼（以下称为"cBN"）， 并且还包含结合相。本文中所用的结合相包含铝化合物、不可避免的杂质以及选自由在日 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 物及其固溶体构成的组中的至少一种化合物。结合相将cBN结合在一起。当cBN烧结体含 有30体积％以上的cBN时，能够防止表面被覆氮化硼烧结体工具的基材的耐磨性降低。此 外，当cBN烧结体包含80体积％以下的cBN时，cBN可以分散在cBN烧结体中，从而通过结 合相确保了cBN之间的接合强度。本文中，根据以下方法确定cBN的体积含量。对 结体进行镜面抛光，然后用电子显微镜以2000倍的放大倍率获得cBN烧结体中给定区域的 结构的反射电子图像。此时，cBN制颗粒（以下称为"cBN颗粒"）以黑色区域示出，结合相 以灰色或白色区域示出。由获得的cBN烧结体结构的图像，利用图像处理对cBN烧结体区 域和结合相区域进行二值化以确定cBN颗粒的占有面积。通过将所确定的cBN颗粒的占有 面积代入如下公式能够确定cBN的体积含量：
[0027] (cBN的体积含量）=(cBN颗粒的占有面积）AcBN烧结体结构的成像面 积）XlOO0
[0028] 优选地，cBN烧结体包含50体积％以上65体积％以下的cBN。当cBN烧结体包含 50体积％以上的cBN时，可以提供在耐磨性和耐缺损性之间具有优异均衡性的表面被覆氮 化硼烧结体工具的基材。此外，当cBN烧结体包含65体积％以下的cBN时，则能够通过结 合相而增加cBN之间的接合强度。
[0029] 优选地，在cBN烧结体和覆层之间的界面处，cBN颗粒朝向覆层的突出程度大于结 合相的突出程度。这增加了cBN烧结体和覆层之间的密着性。更优选地，cBN颗粒和结合 相之间的高度差为0. 05ym以上I. 0ym以下。当高度差在0. 05ym以上时，可以实现锚定 效果。此外，当高度差在I. 0ym以下时，能够抑制cBN颗粒从cBN烧结体中脱落。更优选 地，cBN颗粒和结合相之间的高度差为0.Iym以上0. 5ym以下。当高度差在0.Iym以上 时，可以有效地实现锚定效果。此外，当高度差在〇. 5ym以下时，能够进一步抑制cBN颗粒 从cBN烧结体中脱落。此处，按照与以下所述的测量覆层的整体厚度等相同的方法测定高 度差。
[0030] 优选地，由cBN烧结体和覆层之间的界面处向cBN烧结体的内部，cBN烧结体中的 cBN体积含量增加。因此，在cBN烧结体和覆层之间的界面处，结合相的体积含量高于cBN 的体积含量，其结果是提高了cBN烧结体和覆层之间的密着性。另一方面，在cBN烧结体的 内部，cBN的体积含量高于结合相的体积含量，这使得cBN烧结体的耐缺损性得以提高。例 如，接近与覆层间的界面处（在朝向cBN烧结体的内部的方向上距离cBN烧结体和覆层之 间的界面0ym以上20ym以下的区域）的cBN体积含量为40 %。在cBN烧结体的厚度方 向上的中心附近（在朝向cBN烧结体的内部的方向上距离cBN烧结体和覆层之间的界面 20ym以上100ym以下的区域），cBN体积含量为60%。
[0031] 优选地，由cBN烧结体和覆层之间的界面处向cBN烧结体的内部，包含在cBN烧结 体中的cBN颗粒的粒径增大。因此，在cBN烧结体和覆层之间的界面处，cBN颗粒的粒径较 小，其结果是提高了cBN烧结体和覆层之间的密着性。另一方面，在cBN烧结体的内部，cBN 颗粒的粒径较大，这提高了韧性。例如，在朝向cBN烧结体的内部的方向上距离cBN烧结 体和覆层之间的界面0ym以上20ym以下的区域内，cBN颗粒的粒径为0.Iym以上Iym 以下。在朝向cBN烧结体的内部的方向上距离cBN烧结体和覆层之间的界面20ym以上 300ym以下的区域内，cBN颗粒的粒径为2ym以上IOym以下。在本文中，按以下方法测 定cBN颗粒的粒径。在确定cBN的体积含量时所获得的cBN烧结体结构的反射电子图像中， 测量与cBN颗粒外接的圆的直径，并且将所测定的直径确定为cBN颗粒的粒径。
[0032] 值得注意的是，所述cBN烧结体可以设置在表面被覆氮化硼烧结体工具的切削刃 部分。因此，表面被覆氮化硼烧结体工具的基材可以包括由cBN烧结体制成的切削刃部分、 以及由不同于cBN烧结体的材料（例如，硬质合金）制成的基材本体。在这种情况下，优选 利用介于切削刃部分与基材本体之间的钎焊材料等将由cBN烧结体制成的切削刃部分接 合至基材本体上。可以考虑接合强度或熔点来选择钎焊材料。cBN烧结体也可构成表面被 覆氮化硼烧结体工具的整个基材。
[0033] 〈覆层〉
[0034] 覆层包括A层和B层。只要本发明的覆层包括A层和B层，它还可以包括除了A 层和B层之外的其他层。这种其他层的例子可包括但不限于如下所述的位于A层和B层之 间的C层，以及作为底层的D层。
[0035] 覆层的厚度为0.25ym以上15ym以下。当覆层的厚度为0.25ym以上时，能够 防止发生由于覆层的厚度变小而造成的表面被覆氮化硼烧结