本发明涉及立方氮化硼烧结体工具、该工具所用的立方氮化硼烧结体、以及立方氮化硼烧结体工具的制造方法。本申请要求2015年11月5日提交的日本专利申请No.2015-217468的优先权，并引用上述日本申请中所记载的全部记载内容。
背景技术：
由于立方氮化硼(cBN)烧结体的耐磨性及强度优异，因此它被广泛用作工具。具备cBN烧结体的工具(以下称为“cBN烧结体工具”)中，一般具有经由接合层使cBN烧结体接合于工具母材而成的结构。
在这样的cBN烧结体工具中，若cBN烧结体与工具母材的接合强度低，则在加工中cBN烧结体会从cBN烧结体工具脱落，无法满足作为工具的功能。因此，在cBN烧结体工具中，提高cBN烧结体与工具母材之间的接合强度是重要的。
例如，日本特开2012-096934号公报(专利文献1)公开了如下的技术：通过从cBN烧结体的表面除去cBN烧结体中所含的结合相，从而在cBN烧结体的表面上设置凹凸，并通过该凹凸的锚定效应来提高cBN烧结体与工具母材之间的接合强度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-096934号公报
技术实现要素：
本发明的cBN烧结体工具具备：工具母材、设置于工具母材表面上的接合层、以及经由接合层而接合于工具母材的cBN烧结体，其中cBN烧结体具有与接合层接合的接合面，该接合面中的至少一个面上存在有包含选自由六方氮化硼(hBN)、硼(B)(以下，在标记为“硼”或“B”的情况下，指的是硼单体，不包括与其他元素构成化合物的硼)、氧化硼(B2O3)以及氮氧化硼(B2ON3)所组成的组中的至少一种的改性部，改性部具有0.1μm以上50.0μm以下的厚度。
本发明的cBN烧结体是在上述cBN烧结体工具中使用的cBN烧结体。
本发明的cBN烧结体工具的制造方法是制造具备工具母材、设置于工具母材表面上的接合层、以及经由接合层而接合于工具母材的cBN烧结体的cBN烧结体工具的方法，包括：使氮化硼(BN)粒子烧结以制作cBN烧结体的步骤；通过脉冲激光对cBN烧结体进行激光加工的步骤；经由接合层而将经激光加工后的cBN烧结体接合至工具母材的步骤，其中脉冲激光的脉冲能量为0.01J以上1.5J以下，脉冲宽度为0.01msec以上0.40msec以下，输出功率为30W以上500W以下。
附图简要说明
[图1]图1为示出了根据第1实施方式的cBN烧结体工具的一例的平面图。
[图2]图2为图1的cBN烧结体工具的主视图。
[图3]图3为图2的cBN烧结体工具的局部放大图。
[图4A]图4A为示出了使混合粉末配置在支持板上的状态的示意图。
[图4B]图4B为示出了由支持板和cBN烧结体构成的层叠体的示意图。
[图4C]图4C为示出了将支持板从层叠体除去后的状态的示意图。
[图4D]图4D为示出了cBN烧结体经激光加工后的状态的示意图。
[图5A]图5A为示意性示出了在被脉冲激光加工之前的被加工物的图。
[图5B]图5B为示意性示出了在被脉冲激光加工之后的被加工物的图。
[图6]图6为示出了根据第2实施方式的cBN烧结体工具的一例的平面图。
[图7A]图7A为示意性示出了在测定cBN烧结体工具的接合强度时冲压棒的施加方法的概要的平面图。
[图7B]图7B为示意性示出了在测定cBN烧结体工具的接合强度时冲压棒的施加方法的概要的主视图。
具体实施方式
[本发明所要解决的课题]
为了防止在满足近年市场需求的苛刻使用条件下的上述脱落，需要进一步提高cBN烧结体与工具母材之间的接合强度。
本发明的目的在于提供一种牢固地接合有cBN烧结体的cBN烧结体工具。
[本发明的效果]
根据本发明，可提供一种牢固地接合有cBN烧结体的cBN烧结体工具。
[实施方式的说明]
首先，列出本发明的实施方式并进行说明。
[1]本发明的cBN烧结体工具具备：工具母材、设置于工具母材表面上的接合层、以及经由接合层而接合于工具母材的cBN烧结体，其中cBN烧结体具有与接合层接合的接合面，该接合面中的至少一个面上存在有包含选自由hBN、B、B2O3以及B2ON3所组成的组中的至少一种的改性部，改性部具有0.1μm以上50.0μm以下的厚度。
根据上述cBN烧结体工具，通过具备上述改性部，从而在使工具母材与cBN烧结体牢固地接合的同时，还可抑制由于改性部的存在所引起的破损。由此，上述cBN烧结体工具牢固地接合有cBN烧结体。
[2]在上述cBN烧结体工具中，改性部优选具有0.3μm以上5.0μm以下的厚度。由此，可提高cBN烧结体与接合层之间的接合强度。
[3]在上述cBN烧结体工具中，cBN烧结体中cBN的含量优选为80.0体积％以上。由此，可提高cBN烧结体与接合层之间的接合强度。
[4]在上述cBN烧结体工具中，cBN烧结体中cBN的含量优选为96.0体积％以上。由此，可进一步提高cBN烧结体与接合层之间的接合强度。
[5]在上述cBN烧结体工具中，接合面当中由相互交叉的两个接合面所形成的角度优选为89.0°以上91.0°以下。由此，cBN烧结体与工具母材更牢固地接合。
[6]在上述cBN烧结体工具中，cBN烧结体的导热率优选为70W/m·K以上。在具有这样的导热率的cBN烧结体中，由于容易抑制厚度过大的改性部的存在，结果，可提高cBN烧结体与接合层之间的接合强度。
[7]本发明的cBN烧结体是在上述cBN烧结体工具中使用的cBN烧结体。
根据上述cBN烧结体，由于用于cBN烧结体工具，因而可提供牢固地接合有cBN烧结体的cBN烧结体工具。
[8]本发明的cBN烧结体工具的制造方法是制造具备工具母材、设置于工具母材表面上的接合层、以及经由接合层而接合于工具母材的cBN烧结体的cBN烧结体工具的方法，包括：使BN粒子烧结以制作cBN烧结体的步骤；通过脉冲激光对cBN烧结体进行激光加工的步骤；经由接合层而将经激光加工后的cBN烧结体接合至工具母材的步骤，其中脉冲激光的脉冲能量为0.01J以上1.5J以下，脉冲宽度为0.01msec以上0.40msec以下，输出功率为30W以上500W以下。
根据上述cBN烧结体的制造方法，由于在通过脉冲激光所形成的加工面中，生成了厚度为0.1μm以上50.0μm以下的上述改性部，结果，可制造牢固地接合有cBN烧结体的上述cBN烧结体工具。
在上述cBN烧结体的制造方法中，脉冲激光优选为光纤激光。这是因为由光纤激光形成的加工面与接合面之间的接合强度优异。
[实施方式的详细说明]
以下，对于本发明的实施方式进行说明，但是本实施方式并不限于此。需要说明的是，在本说明书中，“A至B”这种形式的表述指的是范围的上限下限(即A以上B以下)，在未记载A的单位而仅记载B的单位的情况下，A的单位与B的单位相同。
[第1实施方式]
[cBN烧结体工具]
图1为示出了根据本实施方式的cBN烧结体工具的一例的平面图，图2为图1的cBN烧结体工具的主视图。如图1及图2所示，cBN烧结体工具10具备工具母材1、设置于工具母材1表面上的接合层2、以及经由接合层2而接合于工具母材1的cBN烧结体3。
这样的cBN烧结体工具10可以用于普通金属的各种加工，特别是可有效地用于烧结合金、难切削铸铁、淬火钢、耐热合金的机械加工。
在将cBN烧结体工具10用于切削加工的用途的情况下，其可有效地用作(例如)钻头、端铣刀、铣削加工用或车削加工用切削刃替换型切削刀片、金工锯、齿轮切削刀具、铰刀、丝锥、或曲轴销铣加工用刀片等。
在将cBN烧结体工具10用于塑性加工的用途的情况下，其可有效地用作(例如)冲压模具、模具用模具、摩擦焊接等。另外，可举例示出发动机部件、硬盘驱动器(HDD)、硬盘驱动器磁头、绞盘、晶圆卡盘半导体转移臂、相机用变焦镜头密封圈、摩擦搅拌接合用工具等。
需要说明的是，所谓的“切削加工”，是指在切削出切屑的同时机械加工为所需尺寸形状的物品，所谓的“塑性加工”，是指对加工物施加力使其变形，从而成形加工为所需尺寸形状的物品。塑性加工与切削加工的不同之处在于不会产生切屑。
[工具母材]
作为工具母材1的材料，只要是用作这种工具母材的常规公知的材料即可，没有特别的限定。例如，可适当地使用超硬合金、钢、陶瓷等具有耐加工性的材料。其中，从强度的观点来看，优选为超硬合金。
作为工具母材1的形状，也只要是用作这种工具母材的常规公知的形状即可，没有特别的限定。在本实施方式中，如图1和图2所示，对于具有2个面(面1a及面1b)作为经由接合层2而接合cBN烧结体3的面这样的形状的工具母材1进行说明。
[接合层]
接合层2起到了用于将工具母材1和cBN烧结体3接合的作用。本实施方式的接合层2设置在工具母材1的面1a及面1b上。关于工具母材1，其材料没有特别的限定，只要它能够实现该作用即可。例如，可以使用以下(1)或(2)的接合层。
(1)一种接合层，其中相对于整个接合层，包含5质量％以上的Ti和5质量％以上的Zr，且Ti及Zr的合计为90质量％以下，余量为Cu；
(2)一种接合层，其中相对于整个接合层，包含1质量％以上的Ti和15质量％以上的Cu，余量为Ag。
在使用上述(1)的接合层作为接合层2的情况下，由于Ti及Zr的存在，从而可使接合层2表现出高的高温耐性和高的润湿性，因而能够提高接合层2与cBN烧结体3的接合强度。另外，由于Cu的存在，使得低温下的接合加工变得可能，同时由于Cu所具有的高的弹性模量，从而在加工时所产生的热通过cBN烧结体3而流入至工具母材1时，通过接合层2可缓和由于cBN烧结体3的热膨胀系数与工具母材1的热膨胀系数之间的差异所引起的应变。在使用上述(2)的接合层作为接合层2的情况下，也可以起到上述同样的效果。
另外，优选的是，在上述(1)的接合层及上述(2)的接合层中进一步混合有5质量％以上的Ni。在这种情况下，由于可进一步提高接合层2对cBN烧结体3的润湿性，因而cBN烧结体3与接合层2的接合强度进一步提高。
接合层2的厚度优选为10μm以上。当接合层2的厚度小于10μm时，接合层2的接合力可能会容易降低。另外，接合层2的厚度优选为200μm以下。通常，由于有接合层2的硬度比工具母材1及cBN烧结体3的硬度更低的倾向，因而若接合层2的厚度超过200μm，则接合层2本身可能会发生破损。
[cBN烧结体]
cBN烧结体3经由接合层2而接合于工具母材1。如图1及图2所示，本实施方式的cBN烧结体3具有2个接合面3a、3b作为与接合层2相接合的接合面，2个接合面3a、3b彼此交叉而形成脊线3c。
cBN烧结体3包含由cBN构成的晶粒(cBN晶粒)。cBN晶粒的粒径没有特别的限定，但从提高硬度的观点来看，可设定为0.1至10μm。cBN烧结体可以仅由cBN晶粒构成，也可以包含其他成分。
作为上述除了cBN晶粒以外的其他成分，可列举出结合相。结合相具有使cBN粒子彼此结合的作用，只要能够具有这种作用，则其材料没有特别的限定。例如，作为cBN烧结体3中所含的结合相，可使用以下的(3)或(4)。
(3)一种结合相，其由下述的化合物或该化合物的固溶体、以及Al化合物(AlN、AlB2、Al2O3等)构成，所述化合物由选自元素周期表第4至6族元素所组成的组中的至少一种元素、以及选自由N、C、B及O所组成的组中的至少一种元素构成；
(4)一种结合相，其由下述的化合物或该化合物的固溶体构成，所述化合物选自由Al化合物、钴(Co)、W化合物(WC、W2Co21B6、Co3W3C、W3CoB3等)所组成的组。
在cBN烧结体3中，当存在有诸如上述(3)及(4)这样的结合相时，在烧结合金、铸铁、淬火钢、耐热合金等的机械加工中能够表现出特别良好的耐磨性。
另外，作为除了cBN晶粒以外的其他成分，可列举出具有cBN以外的晶体结构的BN，例如，具有纤锌矿型晶体结构的氮化硼(wBN)、具有压缩型六方晶晶体结构的氮化硼(压缩型BN)等(但是，“具有cBN以外的晶体结构的BN”不包括hBN)。
在cBN烧结体3包含上述结合相的情况下，为了发挥使cBN晶粒彼此结合的这种效果，优选至少包含大于3体积％的结合相。另一方面，在cBN烧结体3不含结合相的情况下，cBN烧结体3中的cBN粒子的含有比例为98体积％以上。也就是说，不含结合相的cBN烧结体3中可含有的wBN及压缩型BN的合计含有比例小于2体积％。这是因为，当制造不含结合相的cBN烧结体时，在制造工艺上会在cBN烧结体3中生成(残留)wBN及压缩型BN，其生成率(残留率)存在上限。
上述cBN烧结体3可以含有氮(N)、氢(H)、氧(O)等不可避免的杂质。此外，当cBN烧结体3包含结合相时，在制造工艺上也可能会含有超硬合金、氮化硅、氧化锆、氧化铝等杂质。在cBN烧结体3中，作为不可避免的杂质的各成分的含量均小于4％，作为杂质的各成分的含量均小于3％。
[改性部]
此外，在上述cBN烧结体3中，在接合面3a、3b中的至少一个面上存在改性部。在本实施方式中，对于仅在接合面3a上存在改性部的情况，使用图2及图3来进行说明。
如图2及图3所示，在cBN烧结体3的表面当中，与接合层2接合的接合面3a上存在改性部31，该改性部31包含选自由hBN、B、B2O3以及B2ON3所组成的组中的至少一种。通过后述的加工步骤使得位于cBN烧结体表面的cBN发生相变，从而生成了hBN。通过后述的加工步骤使cBN脱氮，从而生成了B。通过后述的加工步骤使cBN脱除全部或部分的氮而成为B或BNx(x<1)，该B或BNx(x<1)被氧化从而生成了B2O3及B2ON3。
也就是说，在cBN烧结体3当中，改性部31的区域中存在有选自由hBN、B、B2O3以及B2ON3所组成的组中的至少一种、以及cBN。需要说明的是，当cBN烧结体3包含结合相时，在改性部31的区域中可进一步含有结合相，另外当cBN烧结体3包含wBN及/或压缩型BN时，在改性部31的区域中可进一步含有wBN及/或压缩型BN。
在此，在cBN烧结体3中，通过如下方式对改性部31以及除了该改性部31以外的区域进行区分。需要说明的是，将cBN烧结体3当中的除了改性部31以外的区域作为基体32。
首先，对于cBN烧结体31当中的可观察到接合面3a的厚度方向上的构成的面，使用截面抛光机(CP：Cross section Polisher)进行CP加工。作为这样的面，可列举出图2及图3中所示的面。CP加工条件如下所述。另外，在无法识别接合面3a的厚度方向(深度方向)的这种构成的情况下，在包含接合面3a的表面的法线的面上将cBN烧结体切断，并对所出现的断面进行CP加工。
(CP加工条件)
加压速度：6kV
照射电流：0.30mA
照射时间：300分钟。
接下来，通过各种分析方法来观察CP加工面，从而分析cBN烧结体的成分。具体而言，通过进行使用了拉曼光谱装置的拉曼光谱分析，从而确认在cBN烧结体中是否存在hBN、B2O3以及B2ON3中的至少任意一种。另外，通过进行使用了能量色散型X射线分析装置的能量分散型X射线分析(EDS分析)或俄歇电子能谱分析(AES法)，从而确认在cBN烧结体中是否存在有B。然后，将被认为存在有hBN、B2O3或B2ON3的区域、以及/或者被认为存在有B的区域视为改性部31。
需要说明的是，在拉曼光谱分析(1μm×1μm的观察区域)中，将相对于cBN而观察到了5体积％以上的hBN、B2O3或B2ON3的区域视为其中存在有各成分的区域。另外，在EDS分析(2μm×2μm的观察区域)中，将B元素的比例为95原子％以上的区域视为其中存在有B的区域。或者，在AES法(0.2μm×0.2μm的观察区域)中，将B元素的比例为95原子％以上的区域视为其中存在有B的区域。但是，在AES法中，通过对吸附于观察区域表面的C及O进行补正(排除)，从而计算出B元素的比例。作为用于AES法的装置，可使用“PHI 700”(ULVAC-PHI股份有限公司制)。
改性部31具有0.1至50.0μm的厚度d。在改性部31包含选自由hBN、B2O3以及B2ON3所组成的组中的至少一种的情况下，厚度d可通过拉曼光谱法来确定。例如，通过拉曼光谱装置来观察图2中纸面上所示的cBN烧结体3的表面，并确定出其中存在有hBN、B2O3或B2ON3的区域。然后，在该区域中，从与接合层2接触的接合面3a的最外表面的位置出发，到其中存在有hBN、B2O3或B2ON3的区域当中的最内部那一侧的位置(距离接合面3a为最深处的位置)的最短距离作为“厚度d”。
另外，在改性部31中含有B的情况下，厚度d可通过EDS分析法来确定。例如，对图2中纸面上所示的cBN烧结体3的表面进行EDS分析，并确定出其中存在有B的区域。然后，在该区域中，从与接合层2接触的接合面3a的位置出发，到其中存在有B的区域当中的最内部那一侧的位置的最短距离作为“厚度d”。
因此，为了实际确定厚度d，通过拉曼光谱分析及EDS分析，从而确定出其中存在有hBN、B、B2O3或B2ON3各成分的区域，在所确定的区域当中，需要确定从接合面3b的位置出发到位于最内部那一侧的位置的区域的最短距离。
[cBN烧结体工具的制造方法]
对于根据本实施方式的cBN烧结体工具的制造方法，使用图4A至图4D进行说明。在此，对于在cBN烧结体中含有结合相的情况进行说明。
[粉碎步骤]
首先，通过本步骤来制备结合相用的原料粉末。例如，当使用TiN、AlN、TiAlN等作为结合相时，准备TiN粉末及Al粉末，并制备它们的混合粉末，使用球磨机对该混合粉末进行粉碎。由此，制作了结合相用的原料粉末。
作为球磨机的材料，可列举出硬质合金、氮化硅、氧化锆、氧化铝等。当制作包含结合相的cBN烧结体时，由于该粉碎步骤，有时使得上述硬质合金、氮化硅、氧化锆、氧化铝等杂质会混入到结合相的原料粉末中。
[烧结步骤]
接下来，将所制作的结合相用的原料粉末及cBN粉末(氮化硼粒子)混合，从而制备混合粉末41，如图4A所示，将该混合粉末41配置于超硬合金制的支持板42上并进行成形。然后，将其导入至超高压装置中，进行超高压烧结。超高压烧结条件如下所述。
(烧结条件)
压力：3至7GPa
温度：1100至1900℃
时间：10至180分钟。
由此，如图4B所示，在支持板上形成了由结合相和cBN粒子构成的cBN烧结体，由此制作了在cBN烧结体3A的单面(一个面)上附着有支持板42而成的层叠体。在本实施方式中，通过进一步从上述层叠体上除去整个支持板42，如图4C所示，制作了cBN烧结体3A。支持体42的去除方法没有特别的限定，可列举出(例如)研磨去除。需要说明的是，在cBN烧结体3A中可含有不可避免的杂质及杂质。
[加工步骤]
接下来，通过脉冲激光对所制作的cBN烧结体3A进行加工。具体而言，在将cBN烧结体3A成形为板状之后，将该板状的烧结体安装于脉冲激光装置中，将板状的烧结体激光加工为所需的形状，如图4D所示，得到了经激光加工的cBN烧结体3B。脉冲激光的脉冲能量为0.01J以上1.5J以下，脉冲宽度为0.01msec以上0.40msec以下，输出功率为30W以上500W以下。以下，示出了包括这些条件在内的脉冲激光的优选加工条件A。
(加工条件A)
脉冲能量：0.01至1.5J
脉冲宽度：0.01至0.40msec
输出功率：30至500W
频率：100到2000Hz
波长：1070nm。
在经激光加工后的cBN烧结体3B当中的通过脉冲激光进行了加工的加工面中，形成了改性部31。这是因为，在上述条件下的加工中，cBN烧结体被热加工，因而使得位于加工面的cBN的一部分相变为hBN，并使位于加工面的cBN脱除全部或部分的氮而成为B或BNx(x<1)，该B或BNx(x<1)被氧化。
[接合步骤]
然后，经由接合层2将经激光加工后的cBN烧结体3B接合至工具母材1。具体而言，首先，用经激光加工后的cBN烧结体3B和工具母材1夹着成为接合层2的原料的材料。此时，以工具母材1的面1a与cBN烧结体3B的加工面(即存在有改性部31的面，本实施方式中为接合面3a)彼此相对的方式配置各部件。
接下来，将由经激光加工后的cBN烧结体3B和工具母材1夹着构成接合层2的材料而得的层叠体设置于真空炉内。然后，在将真空炉内的压力减压至2×10-2Pa以下的同时，将炉内的温度设为750℃以上，从而使构成接合层2的材料溶解。由此，对经激光加工后的cBN烧结体3B和工具母材1进行接合加工。接下来，将接合加工后的加工物从真空炉中取出并将其放冷，从而使构成接合层2的材料固化。然后，对cBN烧结体3B和接合层2的接合面的外周、以及工具母材1与接合层2的接合面的外周进行研磨处理，由此使得接合面周边(作为cBN烧结体工具10的外表面而露出的部分)变得平滑。如上所述地，制作了经由接合层2使cBN烧结体3与工具母材1接合而成的cBN烧结体工具10。
当cBN烧结体3当中的相当于后刀面或前刀面的面上也存在有改性部时，在上述研磨处理时，优选也对存在有该改性部的部分进行研磨以将改性部除去。这是因为，虽然改性部起到了提高cBN烧结体3和工具母材1的接合强度的效果，但是另一方面，与基体32相比，改性部有硬度较低的倾向。
在上述制造方法中，对于制造包含上述(3)或(4)的结合相的cBN烧结体工具10的情况进行了说明，但是通过不实施上述制造方法中的粉碎步骤、且如下所述地变更烧结步骤，从而可以制造不含结合相的cBN烧结体工具10。
首先，作为BN粒子，将由hBN或热分解氮化硼(pBN)之类的常压型BN构成的粉末导入至超高压装置中。然后，对该粉末进行超高压烧结。超高压烧结条件如下所述。由此，将常压型BN的大部分(98％以上)转变为cBN，结果，制作了不含结合相的cBN烧结体。在该cBN烧结体中可含有2体积％以下的具有cBN以外的晶体结构的BN(wBN及/或压缩型BN)。
(烧结条件)
压力：8至20GPa
温度：1300至2300℃
时间：5至30分钟。
当制造不含结合相的cBN烧结体工具10时，超高压烧结条件中的压力与温度的关系是重要的。例如，当压力为约10GPa时，温度优选为约1900至2300℃，当压力为约20GPa时，温度可设为约1300至1900℃。
另外，当使用hBN作为常压型BN时，从提高硬度的观点来看，优选使用高结晶性的hBN。所谓的高结晶性的hBN，指的是X射线衍射法中的石墨化指数(GI值)小于5。所谓的GI值，是通过将hBN的X射线衍射的三个峰(即(100)、(101)、(102))的峰面积导入到下式(1)而求得的值，结晶性越大，则GI值越小。
GI＝(I(100)+I(101))/I(102)…式(1)。
另一方面，当使用pBN作为常压型BN时，从提高硬度的观点来看，优选使用具有取向性的pBN。例如，pBN可以在(002)面上具有取向性，当从c轴方向对pBN进行X射线衍射时，也可以将此时的pBN的(010)面的X射线衍射强度与(002)面的X射线衍射强度之比设为0.1以下。pBN只要具有这样的取向性，则可使用市售的产品。
[效果]
对于根据本实施方式的cBN烧结体工具10的作用效果，在与常规技术进行比较的同时进行说明。
根据专利文献1中所公开的技术，通过从cBN烧结体的表面除去结合相，从而在cBN烧结体的表面上设置凹凸，并通过该凹凸的锚定效应从而提高了cBN烧结体与工具母材的接合强度。然而，在这种技术中，为了在cBN烧结体的表面上适当地设置凹凸，需要将cBN烧结体中的cBN的含有比例设定地比较低。
与此相对，根据本实施方式的cBN烧结体工具10，通过在cBN烧结体3的表面上存在有厚度d为0.1至50.0μm的改性部31，从而提高了cBN烧结体3与工具母材1之间的接合强度。因此，由于没有像上述技术那样的限制，因而可适用于广泛范围的工具。在根据本实施方式的cBN烧结体工具10中，cBN烧结体3与工具母材1之间的接合强度得以提高的原因，本发明人推测如下。
改性部31中所存在的hBN、B、B2O3及B2ON3的润湿性高于cBN的润湿性。因此，在对应于(沿着)接合层2的状态下，两者接合于cBN烧结体表面的微细的凹凸，因而，相比于没有改性部31的cBN烧结体与工具母材1经由接合层2而接合的情况，具有改性部31的cBN烧结体3与工具母材1经由接合层2而接合的情况下cBN烧结体3与接合层2之间的接触面积变大。由于2个部件的接合强度随着接触面积越大而越高，因而与常规相比，根据本实施方式的cBN烧结体工具10中cBN烧结体3与工具母材1之间的接合强度变高。需要说明的是，此处的“润湿性”指的是相对于用于构成接合层2的材料发生熔解的熔体的润湿性。
另一方面，当改性部31的厚度d小于0.1μm时，由于厚度过薄，因而无法适当地展现出由hBN等的高润湿性所带来的上述效果。当厚度d超过50.0μm时，改性部31本身成为了破损、破坏的起点。厚度d优选为0.3至5.0μm。
在根据本实施方式的cBN烧结体工具10中，优选在改性部31中存在有hBN及B中的至少一者。在这种情况下，接合强度有进一步提高的倾向。其原因如下。
也就是说，为了制造具备工具母材、接合层以及cBN烧结体的cBN烧结体工具，至少需要实施上述的接合步骤，在接合步骤中，对接合加工后的加工物实施放冷。然而，相比于cBN的热膨胀系数，接合层2的热膨胀系数有较高的倾向，因而在放冷时，相比于cBN，接合层2会更大地收缩。因此，在常规的cBN烧结体工具(即基体32与接合层2相互接触的cBN烧结体工具)中，会有由上述热膨胀系数差所引起的较大的内部应力存留的倾向。这种内部应力可能成为引起cBN烧结体从cBN烧结体工具脱落的原因。
与此相对，由于hBN及B具有比cBN更大的热膨胀系数，因而通过在基体32与接合层2之间存在包含hBN及B中至少一种的改性部31，从而可缓和上述热膨胀系数差。因此，根据具有包含hBN及B中至少一种的改性部31的cBN烧结体工具10，与常规相比，其可缓和(减少)内部应力，结果，与常规相比，cBN烧结体3与工具母材1之间的接合强度变高。
另外，更优选地，优选在改性部31中仅存在hBN、B、B2O3或B2ON3当中的hBN。这是因为，hBN在上述的润湿性、热膨胀系数方面是最优异的。
此外，cBN烧结体3中的cBN粒子的含有比例优选为80.0体积％以上，更优选为96.0体积％以上。在这种情况下，可提高cBN烧结体3与工具母材1之间的接合强度。另外，对于cBN粒子的这样的高含有比例，在专利文献1所公开的技术中可能会有困难，但根据本实施方式却是可能的。
在此，虽然在cBN烧结体3当中，基体32中的cBN粒子的含有比例不同于改性部31中的cBN粒子的含有比例，但是只要整个cBN烧结体3中的cBN粒子的含有比例在上述范围内，则可实现上述效果。
另外，当cBN烧结体3包含结合相时，该结合相的含有比例优选为4至97体积％，更优选为4至39体积％。当cBN烧结体3不含结合相时，cBN粒子的含有比例优选为98至100体积％。在这种情况下，在cBN烧结体3中，cBN粒子彼此的结合强度与cBN烧结体3的硬度之间的均衡性优异。
此外，cBN烧结体3的导热率优选为70W/m·K以上。在这种情况下，易于将改性部31的厚度d控制在上述范围内，进一步地，改性部31的厚度d倾向于变得均匀。据认为这是因为，当cBN烧结体3的导热率为70W/m·K以上时，脉冲激光加工时难以在块状烧结体的表面处产生热量滞留，因而能够抑制由热量滞留所引起的热改性的过度扩展(促进)。
cBN烧结体3的导热率优选为85W/m·K以上，更优选为100W/m·K以上，特别优选为120W/m·K以上。另外，cBN烧结体3的导热率优选为2000W/m·K以下。这是因为，当超过2000W/m·K时，由于热的传导速度过快，从而会有难以形成足够厚度的改性部31的倾向。
cBN烧结体3的导热率可通过依照“JIS R 1611：2010”的激光闪光法来求得。具体而言，从cBN烧结体3切出测定试样用的样品之后，研磨除去脉冲激光加工面，从而制作了直径18mm、厚度1mm的导热率用的测定试样。然后，使用热常数测定装置对测定试样照射脉冲激光，从而对测定试样的比热和热扩散率进行测定。通过将热扩散率乘以比热和cBN烧结体的密度来计算cBN烧结体3的导热率。
由cBN烧结体3所制作的测定试样为相当于cBN烧结体的基体32的部分，并不存在改性部31。因此，在本说明书中，“cBN烧结体3的导热率”与“构成cBN烧结体3的基体32的导热率”一致。
根据本实施方式的cBN烧结体3是通过使用上述脉冲激光的制造方法而首次制造的。这是因为，通过上述的加工步骤，cBN烧结体表面的cBN以适当比例以及适当深度的方式发生了热改性，从而首次生成了上述的改性部31。
与此相对，本发明人确认了：当通过线锯、电火花线切割加工(WEDM)等来加工cBN烧结体时，不会形成上述的改性部。另外，相比于脉冲激光的情况，其加工面较粗糙，可能会存在微小裂纹、破碎等。
作为脉冲激光，可列举出：以光纤作为放大介质的光纤激光、以YAG作为放大介质的YAG激光、以CO2作为放大介质的CO2激光等。另外，脉冲激光加工方法根据激光波长、脉冲宽度的不同而划分为热加工和非热加工。需要说明的是，在热加工中，激光转换为材料表面所吸收的热量，通过该热量使材料熔解，同时对该材料进行了加工，与此相对，在非热加工中，吸收了激光的位置处的原子间或分子间的键被切断，从而使材料以原子或分子状态瞬间蒸发，同时对该材料进行了加工。
在进行本实施方式的加工步骤中，优选经由光纤激光或YAG激光的热加工。当使用这些进行加工步骤时，可满足上述优选的加工条件。其中，优选使用光纤激光。这是因为，与YAG激光加工面相比，光纤激光加工面的改性部的厚度较薄，并且可特别抑制微小裂纹的产生，从而使cBN烧结体与工具母材1之间的接合强度优异。
另外，关于加工条件A，脉冲能量优选为0.01至1.5J，脉冲宽度优选为0.01至0.40msec。在这种情况下，可进一步适当地形成上述改性部31。
此外，除了上述加工条件A以外，还优选使用满足以下规格的脉冲激光。在这种情况下，由于可使接合层2的厚度变得均匀，因而在接合步骤时施加到接合面上的应力变得均匀，结果，可进一步提高工具母材1与cBN烧结体3之间的接合强度。光纤激光特别容易满足以下规格。
(激光振荡器及加工机的规格)
激光发散角：2.0mm/mrad以下
光斑直径：15μm以下。
在满足加工条件A的情况下，对于接合强度得以进一步提高的原因，使用图5A及图5B进行说明。图5A为示意性示出了在脉冲激光加工之前的被加工物的图，图5B为示意性示出了在脉冲激光加工之后的被加工物的图。图5A中的箭头表示照射到长方体的被加工物20上的激光的方向。
制备如图5A所示的长方体(板状)的被加工物20，当想要使用脉冲激光将其在点划线所示的位置处切断时，由于脉冲激光的性质，无法在点划线所示的位置处分割被加工物20，实际上，制作了图5B所示的被加工物20A及被加工物20B这两者。
这是因为，在用脉冲激光来切断被加工物20的过程中，在激光的入射面那一侧(面21那一侧)与出射面那一侧(面22那一侧)，被加工除去的区域的宽度(图中的左右方向)发生变化。需要说明的是，在图5B中，采用斜线的阴影表示被加工除去的区域。因此，面21及面22分别与由切断而形成的切断面20a、20b交叉而成的角度α和角度β并没有成为所期望的90度。
对于这样的加工物20B，相对于图1及图2所示的工具母材1(面1a及面1b所成的角度为90°)，以加工面20b与工具母材1的面1a相向、面22与工具母材1的面1b相向的方式配置这两者，在这种情况下，工具母材1与加工物20B的相互相向的面彼此不平行。因此，应当填充在工具母材1与加工物20B的相互相向的面彼此之间的间隙中的接合层2的厚度不均匀，从而需要随着间隙而发生变化。
当接合层2的厚度不均匀时，在接合步骤时施加到接合面上的应力变得不均匀，结果，加工物20B与工具母材1之间的接合强度可能会变得不足。特别地，在常规使用的脉冲激光的条件下，图5B中所示的角度α实际上为88°以下。
与此相对，采用满足上述条件A的脉冲激光，可使所制作的加工面20b跟与其交叉的面22之间的角度α为89.0°至90.0°。同样地，可使加工面20b跟与其交叉的面21之间的角度β为90.0°至91.0°。也就是说，在cBN烧结体工具中，可使用应当成为接合面的相互交叉的两个面所形成的角度为89.0至91.0°的cBN烧结体。
因此，可使工具母材1与加工物20B的相向的面之间的间隙减小。因此，与常规相比，可使接合层2的厚度均匀，因而在接合步骤时施加到接合面上的应力变得均匀，结果，可进一步提高工具母材1与cBN烧结体3之间的接合强度。另外，从进一步提高接合强度的观点来看，角度α更优选为89.5°至90.0°，角度β更优选为90.0至90.5°。也就是说，在cBN烧结体工具中，应当成为接合面的相互交叉的两个面所形成的角度为89.5至90.5°的cBN烧结体是优选的。
[第2实施方式]
在上述第1实施方式中，对除去了支持板后的cBN烧结体进行激光加工，并使用其形成cBN烧结体工具，但是，在本实施方式中，对没有除去支持板而附有支持板的cBN烧结体进行激光加工，并使用其形成cBN烧结体工具。
具体而言，如图6所示，在cBN烧结体3的一个面上附有支持板4。也就是说，在本实施方式中，在cBN烧结体3与接合层2之间配置有支持板4。由于如上所述地经过了烧结步骤，因而cBN烧结体3与支持板4彼此牢固地结合。
需要说明的是，支持板4可以是图4B所示的烧结步骤后的支持板42，也可以是支持板42的一部分。也就是说，对于支持板4来说，其可以通过使烧结步骤后的支持板42全部残留，从而存在于cBN烧结体3的一个面上，其也可以通过不除去全部的支持板42而残留有一部分，从而存在于cBN烧结体3的一个面上。
在本实施方式中，与第1实施方式同样地，在接合面3a上存在有改性部，由此提高了cBN烧结体3与工具母材1之间的接合强度。
[第3实施方式]
在上述第1实施方式中，对于在cBN烧结体3的接合面3a上存在有改性部31的情况进行了说明，但是，在本实施方式中，对于在cBN烧结体3的接合面3a及接合面3b这两个面上都存在有改性部31的情况进行说明。需要说明的是，除了在接合面3b上存在有改性部31以外，其余与第1实施方式相同，因而省略其说明。
参照图2，在cBN烧结体3的接合面3a及接合面3b这两个面上都存在有上述改性部31。通过不仅在接合面3a的形成中、而且在接合面3b的形成中也进行上述加工步骤，从而可制作这样的cBN烧结体。
根据本实施方式的cBN烧结体工具10，通过在接合面3a及接合面3b上均存在有改性部31，从而提高了cBN烧结体3与工具母材1之间的接合强度。
另外，在制作接合面3a及接合面3b时，通过满足加工条件A的脉冲激光来制作各个面，从而可使接合面3a、3b这两个面所形成的角度(即，图2中以脊线3c为顶点的角度)为89.0°以上91.0°以下。因此，与常规相比，可使接合层2的厚度更加均匀，因而在接合步骤时施加到接合面上的应力变得更加均匀，结果，可进一步提高工具母材1与cBN烧结体3之间的接合强度。
实施例
以下，列举实施例来对本实施方式进行更详细的说明，但是本实施方式并不限于这些实施例。
[实施例1]
如下所示，制作了具有图1及图2所示形状的cBN烧结体工具。
首先，以质量比为4：1的方式将TiN粉末及Al粉末(平均粒径均为约20μm)混合以制备混合物。接下来，在真空中在1250℃下对混合物进行30分钟的热处理。使用φ4mm的超硬合金制的球和超硬合金制的坩埚将经热处理而得的混合物粉碎，从而得到了结合相的原料粉末(粉碎步骤)。
接下来，制备由cBN粒子(平均粒径为约4μm)构成的cBN粉末，以上述结合相用的原料粉末与cBN相用的cBN粉末的混合比例(体积％)成为39:61的方式将两种粉末混合，从而制备了混合粉末。将该混合粉末置于真空炉内，升温至950℃后保持30分钟，从而使混合粉末脱气。然后，将脱气后的混合粉末堆叠在超硬合金制的支持板上并填充于Mo制的胶囊中，再将该胶囊置于超高压装置内，在下述烧结条件下进行烧结步骤(烧结步骤)。在烧结步骤后，从胶囊中取出烧结体，对支持板进行研磨以将其全部除去，进一步进行研磨以调整形状，从而制备了圆盘状的cBN烧结体。
(烧结条件)
压力：5GPa
温度：1300℃
时间：20分钟。
接下来，使用光纤激光装置，在下述加工条件下对圆盘状的cBN烧结体进行加工(加工步骤)。由此，切出了厚度为1.0mm的三棱柱形的cBN烧结体，该三棱柱形的底面为如图1及图2所示的两边边长为2mm、且两边之间的顶角为80°的等腰三角形。在该切出的cBN烧结体当中的矩形形状的面为经激光加工的面。
(激光加工条件)
激光振荡器：IPG制的YLR-150/1500(型号)
放大介质：光纤
脉冲能量：0.02J
脉冲宽度：0.10msec
输出功率：150W
频率：300Hz
波长：1070nm
导入气体：氮气
加工速度：50mm/分钟。
接下来，制备由超硬合金构成的工具母材，将由25质量％的Ti、25质量％的Zr、30质量％的Cu以及20质量％的Ni构成的接合层用的材料夹在cBN烧结体与工具母材之间，并将该层叠体置于真空炉内。然后，将真空炉内的压力设为1×10-2Pa，将其内部温度升高至850℃，通过使接合层用的材料熔解，从而使cBN烧结体与工具母材结合。cBN烧结体具有由上述加工步骤形成的1个加工面，将该加工面配置为相当于图1及图2中的cBN烧结体的接合面3a，将非加工的面(对应于图5B中的面22)配置为相当于cBN烧结体的接合面3b。
其后，从真空炉中取出将cBN烧结体接合于工具母材而得的材料并放冷。然后，通过对cBN烧结体与接合层的接合面的外周、以及工具母材与接合层的接合面的外周进行研磨处理，从而使接合面周围变得平滑。由此，制作了具有ISO型号为CNGA 120408的形状、其顶角部分具有cBN烧结体的cBN烧结体工具。
表1示出了实施例1中的cBN烧结体工具的制造方法的各种条件、以及所制造的cBN烧结体工具的各种特征。
在表1中，cBN含量一栏示出了cBN烧结体中的cBN含有比例(体积％)，结合相一栏示出了构成结合相的化合物的组成。另外，切断方法一栏示出了cBN烧结体的切断(加工)方法(“FB”指的是光纤激光)，脉冲宽度及能量这两栏示出了加工时的脉冲宽度(msec)及脉冲能量的值(J)。
如下计算出cBN烧结体中的cBN含有比例。首先，对加工步骤后(未进行接合步骤)的cBN烧结体进行镜面研磨(但是，将研磨的厚度限定为小于50μm)，通过电子显微镜以2000倍对任意区域的cBN烧结体进行拍照，并观察到黑色区域、灰色区域及白色区域。通过附带的能量色散X射线光谱装置(EDX：Energy Dispersive X-ray spectroscopy)，从而确认了黑色区域为cBN，灰色区域及白色区域为除了cBN以外的结合相。接下来，使用图像处理软件对上述所拍摄的2000倍的照片进行二值化处理，计算出该照片中cBN粒子所占区域(黑色区域)的总面积，并将在该照片中cBN烧结体所占的黑色区域的比例的百分数定为体积％。
需要说明的是，cBN烧结体中的cBN含量与原料的配合比例(BN粒子与结合材料用的材料的配合比例)相一致。因此，可理解为，即使构成cBN烧结体的cBN的一部分(其中位于表面区域的cBN的一部分)相转变为hBN，hBN相对于整个cBN烧结体的含有比例仍不足1体积％。
通过对加工步骤后(未进行接合步骤)的cBN烧结体进行X射线衍射(XRD：X-ray diffraction)，从而确认了cBN烧结体中构成结合相的化合物的组成。需要说明的是，在以下的实施例2至41以及比较例1至20中，cBN烧结体中的cBN含量的求出方法、以及构成结合相的化合物的组成的确认方法也与实施例1相同。
[实施例2至25]
通过与实施例1相同的方法制作了cBN烧结体工具，不同之处在于：对于实施例1的cBN烧结体工具，如表1所示那样改变构成结合相的化合物的组成，如表1所示那样改变支持体的有无(“有”：残留有支持体的一部分；“—”：除去全部的支持体)，并且如表1所示那样改变cBN含量(体积％)并进行烧结步骤，进一步如表1所示那样改变加工步骤中的脉冲宽度及脉冲能量。
需要说明的是，在实施例2至8中，使用了与实施例1相同的结合相用的原料粉末。在实施例9至16中，将以质量比为8:1的方式混合cBN粉末及AlN粉末而得的混合物作为原料粉末。在实施例17至25中，将以质量比为9:1的方式混合cBN粉末及结合材粉末(以2:7:1的质量比混合Co粉末、WC粉末及Al粉末而得的粉末)而得的混合物作为原料粉末。在实施例2、10及18中，进行配置使得对应于图5B中的面21的面位于面3b处。
[实施例26至41]
通过与实施例1相同的方法制作了cBN烧结体工具，不同之处在于：将市售的球状的hBN作为原料而装入至由高熔点金属构成的胶囊内，并将该胶囊导入至超高压装置内，在以下烧结条件下进行烧结步骤，另外如表2所示那样改变加工步骤中的脉冲宽度及脉冲能量。在该烧结步骤中，hBN直接转变为cBN。
(烧结条件)
压力：10GPa
温度：2100℃
时间：20分钟。
在上述实施例1至41中的实施例8、16、25及38至41中，使用了YAG激光代替光纤激光。在使用了YAG激光的情况下，除了如表1所示那样改变脉冲宽度及脉冲能量以外，其他加工条件与实施例1相同。但是，在光纤激光中，其规格中的光斑直径、激光发散角分别为10μm、1.0mm/mrad，与此相对地，在YAG激光中，其规格都比这些值大。在实施例1至41中的实施例2、10、18及27中，进行配置使得对应于图5B中的面21的面位于面3b处，除了上述实施例以外，进行配置使得对应于图5B中的面22的面位于面3b处。
[比较例1至20]
关于粉碎步骤，在比较例1至5中，使用了与实施例1相同的结合相用的原料粉末；在比较例6至10中，使用了与实施例7相同的结合相用的原料粉末；在比较例11至14中，使用了与实施例13相同的结合相用的原料粉末。cBN粉末的混合比例如表3中的cBN含量(体积％)所示。
另外，关于加工步骤，在比较例1至20中，进行表3所示的加工。需要说明的是，在表3中，YAG(热)及YAG(非热)指的是经由YAG激光的热加工及经由YAG激光的非热加工。
关于表3，WEDM、线锯、经由YAG激光的热加工、经由YAG激光的非热加工的各加工条件如下所述。
(WEDM的加工条件)
线材料：黄铜
线直径：0.3mm
切断速度：2mm/分钟。
(线锯的加工条件)
线材料：金刚石
线直径：0.2mm
切断速度：0.05mm/分钟。
(经由YAG激光的热加工的加工条件)
激光加工机：MS 35
放大介质：YAG
脉冲能量：1.6J
脉冲宽度：0.5msec
输出功率：40W
频率：100Hz
波长：1064nm
加工速度：50mm/分钟。
(经由YAG激光的非热加工的加工条件)
激光振荡器：Hawk-Pro-532
放大介质：YAG
脉冲宽度：25nsec(0.025msec)
输出功率：15W
频率：1000Hz
波长：532nm
加工速度：50mm/分钟。
[关于cBN烧结体的导热率]
通过依照“JIS R 1611：2010”的激光闪光法，从而求得实施例1至41以及比较例1至20的各cBN烧结体的导热率。具体而言，首先从加工步骤后(未进行接合步骤)的cBN烧结体切出测定试样用的样品，然后充分地研磨直到样品表面不存在有改性部，从而制作了直径18mm、厚度1mm的测定试样。对该测定试样的表面照射脉冲激光，测定比热和热扩散率，并使用这些来算出导热率。其结果示于表1至表3中。需要说明的是，激光的波长为1.06μm，脉冲宽度为0.4ms。
[评价1：关于改性部的有无]
在各cBN烧结体工具中，对于cBN烧结体当中的与接合层接触的面上是否存在有改性部，通过拉曼光谱分析及EDS分析来观察。
关于拉曼光谱分析，首先，使用CP装置，对于cBN烧结体工具当中的相当于图2纸面上所示面的面进行CP加工，从而制备了观察用的样品。接下来，使用拉曼光谱装置(HORIBA LabRAM HR-800，波长：532nm)来观察该CP加工面，从而观察在cBN烧结体当中的与接合层接触的接触面附近是否有hBN、B2O3及B2ON3。
关于EDS分析，使用EDS分析装置(JED-2300，日本电子公司制)来观察上述CP加工面，从而观察在cBN烧结体当中的与接合层接触的接触面附近是否有B。
然后，在观察到了hBN、B、B2O3及B2ON3中至少一种成分的样品中，将从与接合层接触的接触面的位置出发，直到存在有上述成分中的任意一种的区域当中的最内部那一侧的位置为止的最短距离作为改性部的厚度(μm)。其结果示于表1至表3中。
如表1至表3所示，在通过光纤激光进行加工了的cBN烧结体以及通过经由YAG激光的热加工进行加工了的cBN烧结体中，确认到了在对应于面3a的面上存在有改性部。需要说明的是，所确认到的改性部在任意的cBN烧结体中均形成在各个面的整个面上。
需要说明的是，关于比较例14及20，由于无法进行经由WEDM的cBN烧结体加工，因而在表2中表示为“无法切断”。
[评价2：关于cBN烧结体的接合面所形成的角度]
使用显微镜来观察上述研磨面，并测定了接合面所形成的角度(面3a与面3b所形成的角度)。其结果示出于表1及表2中。
[评价3：关于接合强度]
在各cBN烧结体工具中，测定了cBN烧结体与工具母材之间的接合强度。对于该接合强度的测定方法，使用图7A及图7B来进行说明。
图7A为示意性示出了在测定cBN烧结体工具的接合强度时冲压棒的施加方法的概要的平面图，图7B为示意性示出了在测定cBN烧结体工具的接合强度时冲压棒的施加方法的概要的主视图。
如图7A及图7B所示，在cBN烧结体工具10中，仅对cBN烧结体3施加负荷，而不对工具母材1施加负荷，以这种方式使得超硬合金制的冲压棒30与cBN烧结体3的侧面面接触。需要说明的是，当cBN烧结体工具10具有支持板4时，进行调整以使得负荷施加于cBN烧结体3与支持板4这两者。然后，将工具母材1固定以使其不动，接着逐渐增加冲压棒30的载荷，并测定cBN烧结体3从工具母材1断裂时的负荷。将断裂时的负荷除以cBN烧结体3与工具母材1之间的接合面积，从而算出每单位面积的接合强度(kgf/mm2)。其结果示出于表1至表3中。
如表1至表3所示，可以确认，相比于比较例的cBN烧结体工具，实施例的cBN烧结体工具中cBN烧结体与工具母材之间的接合强度更高。
在此所公开的实施方式及实施例在所有方面都是示例性的，应该被认为不是限制性的。本发明的范围不是由上述实施方式及实施例来表示，而是由权利要求书来表示，并且旨在包括在与权利要求范围等同的意义、以及范围内的所有修改。
符号的说明
1 工具母材；2 接合层；3、3A cBN烧结体；4 支持板；10 cBN烧结体工具；31 改性部；32 基体；1a、1b、3a、3b 面；3c 脊线；20 被加工物；20A、20B 加工物；20Bb 加工面；20a 入射面；20b 出射面；30 冲压棒。