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（以下还称为"CBN"）烧结体和在该cBN烧结体上形成的覆膜。
【背景技术】
[0002] 存在这样一种切削工具，其由作为基材的cBN烧结体形成，在该cBN烧结体的表面 上形成有由陶瓷等制成的覆膜（以下还称为"被覆cBN工具"）。该切削工具展示出了优良 的耐磨性，因此将该工具用于淬火钢的切削加工。
[0003] 作为这样的切削工具，例如W02010/150335 (专利文献1)和W02012/005275 (专利 文献2)分别公开了由表面上被覆有覆膜的cBN烧结体形成的工具，该覆膜包括下层和上 层，所述下层由具有特定陶瓷组成的多个层形成，而所述上层由化合物层形成。
[0004] 此外，具有覆膜的工具的基材不仅能通过cBN烧结体来形成，（例如）还可以 用硬质合金等形成（日本专利特开No. 2008-188689(专利文献3)和日本专利国家公开 No. 2008-534297 (专利文献 4))。
[0005] 引用列表 [0006] 专利文献
[0007]专利文献 1 :W0 2010/150335
[0008]专利文献 2:TO2012/005275
[0009] 专利文献3 :日本专利特开No. 2008-188689
[0010] 专利文献4 :日本专利国家公开No. 2008-534297
【发明内容】
[0011] 技术问题
[0012] 近年来，切削加工要求极高的精度。这种情况下所要求的精度是指加工后的加工 材料展示出以下程度的优异的表面粗糙度，即使得切削加工后不需要精加工（如抛光）。换 言之，与常规技术不同，需要切削加工还提供精加工。因此，能够保持规定的表面粗糙度的 切削距离（以下还称为"表面粗糙度寿命"）近年来被视为用于确定工具性能的重要特征。 然而，常规的切削工具还没有实现能够充分满足当前用户需求的表面粗糙度寿命。因此，在 目前的情况下，表面粗糙度寿命往往被简单地视为工具寿命，并且强烈希望提高表面粗糙 度寿命。
[0013] 可以考虑对加工材料的表面粗糙度施加影响的各种因素。其中，由磨损导致的刀 片形状改变被认为是特别有影响力的因素。因此，据认为提高耐磨性是延长表面粗糙度寿 命的有效手段。
[0014] 到现在为止，通过在基材的表面上形成含硅覆膜，已经开发出耐磨性得到改善的 切削工具。例如，存在这样的切削工具，其由硬质合金制基材形成，在基材表面上形成有含 硅覆膜。已知的是这样的切削工具在钢加工过程中展示出合适的耐磨性。
[0015] 然而，在硬度比钢更高的淬火钢的高精度加工中，即使在CBN烧结体制的基材表 面上类似于硬质合金形成了含硅覆膜，也难以获得足够的表面粗糙度寿命。因此，在目前的 情况下，还未开发出在淬火钢的高精度加工中实现了足够表面粗糙度寿命的切削工具。
[0016] 鉴于上述情况完成了本发明。本发明的目的在于提供一种在硬质材料（如淬火 钢）的加工中实现了高尺寸精度且具有优异的工具使用寿命的被覆cBN工具。
[0017] 解决问题的方案
[0018] 为了解决上述问题，本发明人利用CBN工具（所述工具在其表面上形成有含硅的 多层）加工淬火钢，并且本发明人还对工具的破损状态进行了详细分析。结果表明，除了正 常的月牙洼磨损和后刀面磨损，在对应于磨损部的一端的前边界部也发生了边界磨损。另 外，本发明人发现，这种边界磨损对于表面粗糙度寿命具有最显著的影响。
[0019] 除了以上所述，本发明人基于他们的上述发现进行了反复研究。其结果是，他们还 发现，抑制边界磨损的最有效的方法是由具有特定组成的多层形成覆膜，并以层厚度比满 足特定关系的方式层叠这些多层。由此，本发明人完成了本发明。
[0020] 具体而言，本发明的表面被覆氮化硼烧结体工具具有以下构成（1)至（9)。
[0021] (1)本发明提供了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 方氮化硼烧结体和形成在所述立方氮化硼烧结体的表面上的覆膜。
[0022] (2)立方氮化硼烧结体包含30体积％以上80体积％以下的立方氮化硼颗粒，并且 还包含结合相，所述结合相包含：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、氧化物及其固溶体构成的组中的至少一种化合物； 铝化合物；以及不可避免的杂质。
[0023] (3)覆膜包括A层和B层。
[0024] (4)A层包含MLazal (M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A1和Si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）。
[0025] (5)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，并且每个所述化合物层的厚度为30nm以上300nm 以下。
[0026] (6)作为上述化合物层之一的B1化合物层包含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）。
[0027] (7)作为上述化合物层之一且不同于B1化合物层的B2化合物层包含（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 的一种或多种；xb2为0. 2以上0. 7以下；且zb2为0. 4以上1以下）。
[0028] (8)t2/tl为B1化合物层的平均厚度tl和B2化合物层的平均厚度t2的比值，t2/ tl满足关系式 0· 5〈t2/tl< 10. 0。
[0029] (9)A层的厚度为0· 2μm以上10μm以下，B层的厚度为0· 1μm以上5μm以下， 并且覆膜的整体厚度为〇. 5μπι以上15μπι以下。
[0030] 发明的有益效果
[0031]本发明的表面被覆氮化硼烧结体工具在硬质材料（如淬火钢）的加工过程中实现 了高的尺寸精度，并展示出优异的工具使用寿命。
【附图说明】
[0032] 图1是示出了根据本发明实施方案的表面被覆氮化硼烧结体工具的结构实例的 截面视图。
[0033] 图2是示出了根据本发明实施方案的表面被覆氮化硼烧结体工具的主要部分的 结构实例的截面视图。
【具体实施方式】
[0034] 下文将更详细地描述根据本发明的实施方案。以下将参照附图进行说明，其中在 本发明的附图中相同的附图标记表示相同或相应的元件。
[0035]〈〈表面被覆氮化硼烧结体工具》
[0036]在本发明实施方案的被覆cBN工具中，至少切削刃部分包括cBN烧结体和在cBN烧结体的表面上形成的覆膜。如下所述，覆膜由耐月牙洼磨损性优异的A层和耐边界磨损 性优异的B层形成，因此当对烧结合金、难以切割的铸铁、淬火钢等进行加工时，所述工具 获得了能够长时间维持高尺寸精度的优异效果，即，表面粗糙度寿命相对较长。此外，特别 是对于轻断续切削而言，相比于常规切削工具，本发明实施方案的被覆cBN工具能够展示 出显著延长的表面粗糙度寿命。
[0037]据认为，轻断续切削加工过程中的边界磨损以如下方式发生。（a)由于反复冲击而 在覆膜的表面上出现裂缝。（b)裂缝穿过覆膜延伸，然后到达cBN烧结体。（c)氧气通过该 裂缝渗入到覆膜中，并从覆膜开始损伤深度进展到cBN烧结体。
[0038]本发明实施方案的被覆cBN工具在轻断续切削中展示出优异的表面粗糙度寿命 的具体机制尚未明确。作为其原因，本发明人推测如下层由多个含Si层构成，并且以获 得特定的层厚比的方式堆叠这些多个层的每个层，从而抑制了裂缝的发展并抑制了氧气的 渗入。将在下文描述形成本发明实施方案的被覆cBN工具的各部分。
[0039]〈cBN烧结体〉
[0040]本发明实施方案的cBN烧结体形成了用于被覆cBN工具的切削刃部分中的所述工 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cBN颗粒，并且还包含 结合相作为剩余部分。
[0041]在这种情况下，结合相包含：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；铝化合物；以及不可避免的杂质。结合相将烧结体结构中的cBN颗粒彼此结合在一 起。当cBN烧结体含有30体积％以上的cBN颗粒时，能够防止形成基材的cBN烧结体的耐 磨性降低。此外，当cBN烧结体包含80体积％以下的cBN颗粒时，具有优异强度和韧性的 cBN颗粒用作烧结体结构中的骨架结构，从而能够进一步确保cBN烧结体的耐断裂性。
[0042]在本说明书中，根据以下方法测定cBN颗粒的体积含量。具体而言，对cBN烧结体 进行镜面抛光，然后用电子显微镜以2000倍的放大倍率观察任意区域中cBN烧结体结构的 反射电子图像。在这种情况下，cBN颗粒以黑色区域示出，结合相以灰色区域或白色区域示 出。在观察视野图像中，利用图像处理对cBN颗粒区域和结合相区域进行二值化，从而测定cBN颗粒区域的占有面积。然后，通过将测定的占有面积代入如下公式，从而计算cBN颗粒 的体积含量：
[0043](cBN颗粒的体积含量）=(cBN颗粒的占有面积）八视野图像中〇8~烧结体结构 的面积）X100。
[0044]优选地，cBN颗粒的体积含量为50体积％以上65体积％以下。当cBN颗粒的体 积含量为50体积％以上时，被覆cBN工具倾向于显示出耐磨性和耐断裂性之间的优异的平 衡。此外，当cBN颗粒的体积含量为65体积％以下时，则能够适当地分散结合相，从而通过 结合相接合的cBN颗粒之间的接合强度增加。
[0045] 此外，在cBN烧结体和覆膜之间的界面处，cBN颗粒优选呈这样的形状，即cBN颗 粒朝向覆膜的突出程度大于cBN颗粒朝向结合相的突出程度。由此，能够增加cBN烧结体 和覆膜之间的密着性。此外，cBN颗粒和结合相之间的高度差优选为0. 05μπι以上1. 0μπι 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1.0μπι以下时， 能够有效地抑制cBN颗粒从烧结体中脱落。在这种情况下，cBN颗粒和结合相之间的高度 差更优选为〇. 1μπι以上0. 5μπι以下。当高度差落入该范围内时，能够进一步提高上述锚 定效果和防脱落效果。在本说明书中，按照与以下所述的测量覆膜的整体厚度等的方法相 同的方法测定高度差。
[0046] 此外，优选地，由cBN烧结体和覆膜之间的界面处向cBN烧结体的内部，cBN烧结 体中cBN颗粒的体积含量增加。利用这种构造，在cBN烧结体和覆膜之间的界面处，结合相 的体积含量高于cBN颗粒的体积含量，从而能够提高cBN烧结体和覆膜之间的密着性。与 之相反，在cBN烧结体的内部，cBN颗粒的体积含量高于结合相的体积含量，从而能够提高 cBN烧结体的耐断裂性。例如，在接近与覆膜间的界面的区域中（即，朝向cBN烧结体侧距 离cBN烧结体和覆膜之间的界面0μm以上20μm以下的区域）cBN颗粒的体积含量可以被 设定为40体积％，在厚度方向上cBN烧结体的中心附近（S卩，朝向cBN烧结体内侧距离cBN 烧结体和覆膜之间的界面超过20μm且小于等于100μm的区域），cBN颗粒的体积含量可 以被设定为60体积％。
[0047] 此外，优选地，由cBN烧结体和覆膜之间的界面处向cBN烧结体的内部，cBN颗粒的 粒径增大。在这样的构造中，在cBN烧结体和覆膜之间的界面处，各cBN颗粒的粒径较小， 从而能够提高cBN烧结体和覆膜之间的密着性。另一方面，在cBN烧结体的内部，各cBN颗 粒的粒径较大，因此韧性能得以提高。例如，在朝向cBN烧结体的内部距离cBN烧结体和覆 膜之间的界面0μm以上20