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烧结体的表面上形成的覆膜。
【背景技术】
[0002] 由cBN烧结体作为基材而形成的切削工具（以下将称为"被覆cBN工具"）具有这样 的表面，由陶瓷材料等制成的覆膜形成在该表面上。该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] 对于这样的工具，例如WO 2010/150335(专利文献1)和W02012/005275(专利文献 2)分别公开了由cBN烧结体形成的、表面上被覆有覆膜的工具，该覆膜包括下层和上层，其 中所述下层由具有特定陶瓷组成的多个层形成，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)还可以由硬质 合金等形成（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 1:W0 2010/150335
[0008] 专利文献2:W0 2012/005275
[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] 近年来，切削加工要求极高的精度。在这种情况下，所要求的精确度是指:加工后 的加工材料展示出优异的表面粗糙度，使得切削加工后不需要进行精加工(如抛光）。换言 之，其与常规技术不同，切削加工还需要提供精加工。因此，当前，将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"）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，并且强烈希望延长表面粗糙度寿命。
[0013] 可以考虑各种对加工材料的表面粗糙度产生影响的因素。其中，认为由磨损导致 的刀头形状改变是有明显影响的因素。因此，据认为提高耐磨损性能够有效地延长表面粗 糙度寿命。
[0014] 到现在为止，通过在基材的表面上形成覆膜已经研制出具有更高的耐磨性的切削 工具。例如，已有这样一种切削工具，其由硬质合金制基材形成，并且该基材的表面上形成 有覆膜。已知这样的切削工具在钢加工过程中展示出了合适的耐磨性。
[0015] 然而，在硬度比钢更高的淬火钢的高精度加工中，即使与硬质合金类似，在由cBN 烧结体制成的基材的表面上形成覆膜，也难以获得足够的表面粗糙度寿命。因此，在目前的 情况下，还未研制出在淬火钢的高精度加工中具有长使用寿命的切削工具。
[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被覆cBN工具，其在硬质 材料(如淬火钢)的加工中实现了高尺寸精度并具有优异的工具使用寿命。
[0017]解决问题的方案
[0018] 为了解决上述问题，本发明人利用被覆有覆膜的被覆CBN工具加工淬火钢，所述覆 膜具有各种组成和层叠结构，并且本发明人还对工具的受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外，在对应于磨损部分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] 本发明人基于上述发现进行了反复研究，结果发现具有特定组成的多层能够有效 抑制边界磨损。然后，他们获得了以下灵感:将具有耐边界磨损性的层和具有耐月牙洼磨损 性的层加以组合，从而能够形成同时具有这些耐性特征的覆膜。由此，在用于实施上述灵感 的手段方面进行了刻苦研究，申请人发现:在于具有边界磨损性的层和具有耐月牙洼磨损 性的层之间设置特殊的陶瓷层，不仅能够具有这两种耐性，而且还能够显著提高表面粗糙 度寿命。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)至少切削刃部分包括立方氮化硼烧结体以及形成在所述立方氮化硼烧结体的 表面上的覆膜。
[0022] (2)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、B层和C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，并且各化合物层的厚度为30nm以上300nm以下。 [0026] (6)上述化合物层之一为B1化合物层，所述B1化合物层包含(Th-xbl- yblSixblMlybl) (Ci-zbiNzbi) (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)上述化合物层之一为B2化合物层，所述B2化合物层不同于所述B1化合物层，并 且包含(Ali-xb2M2xb2) (Ci-zb2Nzb2) (M2表不在日本使用的兀素周期表中的4族兀素、5族兀素和 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)C层设置在A层和B层之间，所述C层包含McLcz。(Me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;Lc表示B、C、N和0中的一 种或多种;且zc为大于0小于等于0.85)。
[0029] (9)A层的厚度为0.2μηι以上ΙΟμπι以下，B层的厚度为0.05μηι以上5μηι以下，C层的厚 度为0.005μηι以上0.5μηι以下，并且所述覆层的整体厚度为0.3μηι以上15μηι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实现了高的尺寸精度，并在硬质材料(如淬 火钢)的加工过程中展示出优异的表面粗糙度寿命。
【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部分。
[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，覆膜由具有优异耐月牙洼磨损性的A层、具有优异的 耐边界磨损性的B层、以及牢固地接合A层和B层的C层形成，从而当对烧结合金、难加工铸 钢、淬火钢等进行加工时，所述工具获得了能够维持长时间高尺寸精度的效果，即，表面粗 糙度寿命相对较长。此外，特别是对于利用切削液进行的湿式切削而言，相比于常规切削工 具，本发明实施方案的被覆cBN工具能够具有显著延长的表面粗糙度寿命。。
[0037] 在湿式切削中，切削液(其也被称为冷却剂)不连续地与刀头接触，从而刀头重复 发生快速冷却和快速加热。此外，当覆膜具有通过层叠多个具有不同特性（如不同化学组 成）以及不同厚度的层而获得的结构时，会出现由于热膨胀系数等的不同而更易于出现剥 离的问题。
[0038] 为了抑制这种剥离，提出了这样一种方法，该方法在层之间设置作为密着层的金 属层。然而，这样的金属层对于机械变形表现出了耐剥离性，但在伴随边界磨损的损坏模式 中却没有取得足够的效果。据推测其原因是:空气更易于渗透进入边界磨损部分，并且刀头 暴露于高温下，由此导致金属层更易于氧化，从而难以维持耐剥离性。与此相反，根据本发 明的实施方案，由于采用了仍保留有金属特性的陶瓷层作为密着层（以下所述的C层），因此 该密着层具有耐热性和耐氧化性，因此能够保持密着性。从而能够提供优异的表面粗糙度。 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] 在被覆cBN工具的切削刃部分中，本发明实施方案的cBN烧结体构成用于所述工具 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，能够防止作为工具基材的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 充当了烧结体结构中的骨架结构，从而能够确保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cBN烧结体结构中任意区域的背 散射电子图像。在这种情况下，观察到cBN颗粒为黑色区域，而观察到结合相为灰色或白色 区域。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）+ (视野图像中cBN烧结体结构的 成像面积）X 100。
[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工具倾向于表现出在耐磨性和耐断裂性之间的优异均衡。此 外，当cBN颗粒的体积含量为65体积％以下时，则能够适当地分布结合相，从而通过结合相 而增加 cBN颗粒之间的接合强度。
[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其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. Ομπι以下。当高度差在 0.05μπι以上时，可以实现锚定效果。此外，当高度差在Ι.Ομπι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0. Ιμπι以上0.5 μπι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，高度差的测量方法与以下所述的覆膜的整体厚度等的测量方法