耐缺损性优异的立方晶氮化硼烧结体切削工具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种以立方晶氮化硼（以下以cBN表示）为主要成分，在超高压、高温 下对其进行烧结成型而成的cBN烧结体切削工具，尤其涉及一种在合金钢、轴承钢等的由 淬火材料构成的高硬度钢的断续切削加工中能够抑制缺口和缺损的产生的同时能够在长 期使用中维持优异的切削性能的cBN烧结体切削工具。
【背景技术】
[0002] 以往，作为高硬度钢的切削工具，已知有以cBN烧结体作为工具基体的cBN烧结体 切削工具等，以提高工具寿命为目的，提出有各种方案。
[0003] 例如，在专利文献1、2中公开了在通过超高压烧结来制作cBN烧结体时，在作为硬 质粒子的cBN粒子的表面形成被膜，并用被膜包围cBN粒子，由此消除cBN粒子之间、结合 相之间或者cBN粒子与结合相之间出现的气孔，提高耐磨损性和韧性。
[0004] 另外，在专利文献3中公开了通过将cBN烧结体中包含的铝化合物中的至少一种 设为A1的氮氧化物，提高在cBN烧结体上包覆的耐热膜的密合性。
[0005] 专利文献1 :日本专利公开昭58-61253号公报
[0006] 专利文献2 :日本专利公开平10-218666号公报
[0007] 专利文献3 :日本专利第4933922号公报
[0008] 在对比文件1所公开的现有技术中，示出了一种cBN烧结体，其组成中含有作为结 合强化金属的A1、以及A1的氧化物和氮化物中的一种或两种，剩余部分由cBN和不可避免 的杂质构成，并且该cBN烧结体具有结合强化金属以0. 1 μ m~1 μ m的平均层厚包围cBN粒 子的组织，但该烧结体中存在如下问题：在诸如对淬火钢进行切削时刀尖温度达到l〇〇〇°C 以上的用途中，若在断续切削中使用，则刀尖变得容易缺损，工具寿命短。
[0009] 另外，在对比文件2所公开的现有技术中，示出了如下cBN烧结体：在具备cBN粒 子和结合相的cBN工具中，由包围cBN粒子的第1结合相和除此之外的第2结合相来构成 结合相，第1结合相由与所述cBN粒子接触并包围的第3结合相和包围所述第3结合相的 第4结合相构成，所述第3结合相以Ti、Zr、Hf、A1中的至少一种的氮化物、硼化物或者其 固溶体中的至少任一形态构成，并且，所述第4结合相以Ti、TiAl、Zr、Hf中的至少一种的 氮化物、碳化物、氧化物或者其固溶体中的至少任一形态构成，此外，所述第2结合相在被 所述第1结合相包围的多个所述粒子之间包含粒子生长抑制结合相，所述粒子生长抑制结 合相以Ti、Zr、Hf中的至少一种的硼化物或者其固溶体中的至少任一形态、或者以A1的氮 化物、硼化物或者其固溶体中的至少任一形态构成，但该烧结体中存在如下问题：由于第一 层与cBN粒子的粘附强度弱，因此若在高负荷的断续切削中使用，则刀尖变得容易缺损，工 具寿命短。
[0010] 此外，在对比文件3所公开的现有技术中，示出了将平均粒径为0. 1 μL?到0. 9 μL? 的铝的氮氧化物加入到结合相内，由此能够提高与在工具表面上包覆的耐热膜之间的密合 力，但存在如下问题：由于铝的氮氧化物分散在结合相内，因此对提高cBN与结合相的粘附 力的贡献小。
【发明内容】
[0011] 为此，本发明要解决的技术问题即本发明的目的在于，提供一种cBN烧结体切削 工具，该cBN烧结体切削工具即使在进行要求高负荷的切削条件的高硬度钢的断续切削加 工时，也不易产生工具刀尖的缺口和缺损，长期维持优异的切削性能。
[0012] 本发明人为了解决上述问题，着眼于作为构成cBN工具的cBN烧结体的硬质相成 分的cBN粒子，进行了深入研究，结果得到了如下见解。
[0013] (1)若在cBN粒子的周围存在A1金属，则在诸如对淬火钢进行断续切削时刀尖温 度达到KKKTC以上的用途中，变得容易产生缺损。为了追究其原因，通过扫描电子显微镜细 心地对产生缺损的刀尖进行了截面观察，结果查明在cBN粒子的周围存在的A1金属的熔融 是使刀尖强度下降的原因。
[0014] (2)发现了通过将包围cBN粒子的包覆层由A1金属设为A1N，能够避免包覆层在 KKKTC以上发生熔融，而进一步通过将A1N设为含氧A1N，与未积极地使其含氧的通常的 A1N相比，与cBN粒子之间的粘附力提高。
[0015] (3)进一步发现了如果不是通过含氧A1N直接包覆cBN颗粒，而是首先作为第一层 由A1 203包围，之后作为第二层由含氧A1N包围，则因第一层与第二层的热膨胀系数差而对 第二层的含氧A1N施加压缩应力，耐缺损性进一步提高。
[0016] (4)并且，发现了通过在包围cBN粒子的包覆层局部形成破口，能够抑制因拉伸残 余应力而导致的cBN粒子与包覆层的界面上的龟裂的产生，所述拉伸残余应力因包覆层与 cBN粒子的热膨胀特性之差引起。
[0017] 基于上述见解，本发明人历经无数实验，成功制造出即使在对刀尖施加高负荷和 高温的高硬度钢的断续切削中使用也不易产生缺损且切削寿命长的工具。本发明中的包围 cBN粒子的双层包覆层例如可以利用如下方法来形成。
[0018] (a)Al203层成膜工序：
[0019] 首先，利用原子层沉积法（ALD，Atomic Layer Deposition :对真空腔室内的基材， 通过使原料化合物的分子按每一层进行反应并重复进行基于Ar和氮的原料化合物的吹扫 来成膜的方法，是CVD法的一种），在炉内装入cBN粒子，并升温至350°C左右，使用作为A1 的前体的A1 (CH3) 3气体和作为反应气体的Η 20气体，
[0020] (1) Ar+Al (CH3) 3气体流入工序
[0021] (2) Ar气体吹扫工序
[0022] (3)Ar+H20气体流入工序
[0023] (4) Ar气体吹扫工序
[0024] 将上述（1)~（4)作为一个循环，重复进行该循环，直至成为目标层厚为止，例如， 经过1小时的成膜，在cBN粒子表面包覆形成平均层厚为10nm的A1 203层。
[0025] (b)AlN层成膜工序：
[0026] 接着，通过ALD法在A1203层之上形成A1N层。
[0027] 具体而言，在炉内装入被A1203层包覆的cBN粒子之后，使炉内升温至350 °C，使用 A1C13气体、NH 3气体作为原料气体，
[0028] (5)Ar+AlCl3气体流入工序
[0029] (6) Ar气体吹扫工序
[0030] (7)Ar+NH3气体流入工序
[0031] (8) Ar气体吹扫工序
[0032] 将上述（5)~（8)作为一个循环，重复进行该循环，直至成为目标层厚为止，例如， 经过2小时的成膜，得到平均层厚为20nm的A1N层。
[0033] (c)破口形成工序：
[0034] 此外，将形成有由A1203层和A1N层的双层结构构成的包覆层的cBN粒子通过球磨 机混合搅拌0. 25~3. 0小时，由此能够在包覆层形成局部破口，制作出cBN粒子表面在破 口部分中露出的cBN粒子。
[0035] 在上述工序（a)和（b)中，之所以首先制作被无破口的A1203层和A1N层包覆的 cBN粒子，其理由是为了在接下来的上述（c)工序中，能够将A1203层和A1N层合计后的平 均层厚控制成所期望的值，并且，能够将沿cBN粒子的表面形成的A1 203层和A1N层的破口 的形成比例同样控制成所期望的值。
[0036] (d)成型工序：
[0037] 作为硬质相形成用原料粉末，准备被通过上述工序（a)和工序（b)或者通过（a)、 (b)和（c)制作的A1203层和A1N层的双层结构的薄膜包覆的cBN粒子，并且进一步作为结 合相形成用原料粉末，准备例如TiN粉末、A1粉末、TiAl 3粉末和A1 203粉末，将这些原料粉 末以成为预定组成的方式配合，并制作预定尺寸的成型体以制作预烧结体。
[0038] (e)烧结工序：
[0039] 然后，在使该预烧结体与WC基硬质合金制支承片重叠的状态下，装入到通常的超 高压烧结装置，例如，在通常的烧结条件即5GPa的压力、1500°C的温度和30分钟的保持时 间的条件下进行超高压高温烧结，制作出cBN烧结体。在上述超高压高温烧结处理时，在预 先包覆于cBN粒子表面的由A1 203层和在其之上形成的A1N层的双层结构构成的包覆层中， 氧原子从A120 3层向A1N层扩散，由此形成含氧A1N层。
[0040] 此时，若在A1203层之上形成的含氧A1N层的层厚较薄，则包覆含氧A1N层的效果 降低，耐缺损性下降。另一方面，若在A1 203层之上形成的含氧A1N层的层厚较厚，则由于 A1203层与含氧A1N层的界面上的应力差变大，因而在用作工具时，变得容易在A1 203层与含 氧A1N层的界面产生龟裂，使耐缺损性下降。因此，将含氧A1N层的层厚控制在预定范围内。
[0041] 由这样制作出的cBN烧结体制作了 cBN工具，结果该cBN工具即使在对刀尖施加 高负荷和高温的高硬度钢的断续切削时，也不易产生龟裂，耐崩刀性和耐缺损性优异，其结 果在长期使用中发挥优异的切削性能。
[0042] 也就是说，在上述cBN工具中，由于cBN粒子表面被由A1203层和含氧A1N层的双 层结构构成的包覆层包覆，因此能够抑制因 cBN粒子表面与包覆该粒子表面的含氧A1N层 热膨胀特性之差而引起的界面上的龟裂的产生，能够防止因该龟裂而引起的崩刀的产生、 缺损的产生。
[0043] 此外，通过在包围cBN粒子的包覆层局部形成破口，能够增加结合相形成用原料 与包围cBN粒子的包覆