立方氮化硼烧结体及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及立方氮化硼烧结体及其制造方法，尤其涉及一种包含粘合剂和催化剂 的立方氮化硼烧结体及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 立方氮化硼（下文称为"cBN"）烧结体具有仅次于金刚石的第二高的硬度、并且具 有不与铁系材料反应的特征，因此通常被用在铁系材料的切削工具中（如，日本专利特开 No. 2011-207690)〇
[0003]单独直接烧结cBN颗粒（粉末）是非常困难的，因此，通常用于切削工具中的cBN烧结体是通过利用TiC或TiN等陶瓷材料作为粘合剂、并且在超高压力下烧结cBN粉末从 而制得的。
[0004] 此外，在一些情况中，为了改善抗断裂性，常规的cBN烧结体包含催化剂元素，其 为选自由钴（Co)、铬（Cr)、镍（Ni)和钼（Mo)所构成的组中的至少一种元素。在这种情况 中，添加催化剂元素的目的是为了改善cBN烧结体的韧性从而改善抗断裂性。催化剂元素 为金属元素，因而具有延展性。然而，延展性使得催化剂元素难以与cBN粉末粉碎并混合。
[0005] 鉴于此，通过如下方式制造常规cBN烧结体。即，通过利用化合物（如碳化物或氮 化物）形式的催化剂元素制备粉末状的催化剂元素，并将催化剂元素粉末和cBN粉末的混 合物烧结。
[0006] 引用列表
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献1 :日本专利特开No. 2011-207690
【发明内容】
[0009] 技术问题
[0010] 然而，在常规CBN烧结体中，如上所述，粉末形式的催化剂元素与CBN粉末混合 (下文也称为"粉末混合"），因而在一些情况中，催化剂元素未均匀分散在所得cBN烧结体 中。此外，已知催化剂元素的硬度低于cBN的硬度，因此使用大量的催化剂元素会造成耐磨 性的劣化。因而，在考虑到（例如）耐磨性因而催化剂元素的用量应较小的情况中，催化剂 元素不能足够地产生改善cBN烧结体的抗断裂性的效果。
[0011] 本发明旨在解决上述问题。本发明的主要目的是提供这样一种立方氮化硼烧结体 及其制造方法，其中该立方氮化硼烧结体在将催化剂元素的添加量保持为较小的同时，具 有改善的抗断裂性。
[0012] 问题的解决手段
[0013] 本发明的立方氮化硼烧结体为包含立方氮化硼、粘合剂和金属催化剂元素的立方 氮化硼烧结体，所述立方氮化硼的百分含量为50体积％以上85体积％以下，并且所述催化 剂元素的百分含量为〇. 5质量％以上5质量％以下。所述粘合剂包含：选自由在日本使用 的元素周期表中第IVa族元素、第Va族元素和第Via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者；以及铝化合物。
[0014] 因此，在该立方氮化硼烧结体中，催化剂元素可分散于粘合剂中，这使得可改善立 方氮化硼烧结体的抗断裂性。
[0015] 催化剂元素可包括选自由钴（Co)、铬（Cr)、镍（Ni)和钼（Mo)所构成的组中的至 少一种元素。
[0016] 将利用扫描透射电子显微镜观察本发明的立方氮化硼烧结体的结构中的 8ymXSym区域而获得的图像沿线段分为四行四列的部分区域，在所述线段上进行组成分 析，并计算在所述线段上的各任意测量点处的氮（N)的检测峰值和硼（B)的检测峰值的合 计值，将合计值为最大值的一半以下的测量点确定为粘合部测量点，其中所述最大值为所 有测量点处的各个所述合计值中的最大值，并且所述粘合部测量点中未检测到所述催化剂 元素的测量点数目与全部粘合部测量点的总数之比可为30%以下。
[0017] 当立方氮化硼的百分含量为70体积％以上80体积％以下时，立方氮化硼烧结体 的弯曲强度可大于125kgf/mm2。
[0018] 本发明的制造立方氮化硼烧结体的方法包括如下步骤：准备立方氮化硼粉末；通 过将金属催化剂元素附着至所述粉末的表面，从而制备催化剂附着粉末；将所述催化剂附 着粉末与粘合剂混合；以及将所述催化剂附着粉末与所述粘合剂的混合物烧结。
[0019] 通过这种方式，可制造催化剂元素分散于粘合剂中的、具有优异的抗断裂性的立 方氮化硼烧结体。
[0020] 所述制备催化剂附着粉末的步骤可包括：用包含催化剂元素的膜通过物理气相沉 积来包覆粉末的表面的步骤。
[0021] 发明的有益效果
[0022] 根据本发明，可提供这样一种立方氮化硼烧结体及其制造方法，其中该立方氮化 硼烧结体在将催化剂元素的添加量保持为较小的同时，具有改善的抗断裂性。
[0023] 附图简要说明
[0024] 图1为示出在本实施方案的cBN烧结体中，评价催化剂元素在粘合剂中的分散的 方法的图。
[0025] 图2为示出本实施方案中cBN烧结体的制造方法的流程图。
[0026] 图3为示出本发明实施例1中实验1的测试方法的图。
[0027] 图4示出了本发明实施例2中的实施例样品的组织图像。
[0028] 图5为示出由在图4中的直线V上进行的组成分析而获得的特性的图。
[0029] 图6示出了本发明实施例2中的比较例样品的组织图像。
[0030] 图7为示出由在图6中的直线VII上进行的组成分析而获得的特性的图。
【具体实施方式】
[0031] 在下文中，将对本发明的实施方案进行说明。
[0032] 本实施方案中的cBN烧结体包含cBN、粘合剂、以及由Co和Cr制成的催化剂元素。 在该cBN烧结体中，cBN的百分含量为80体积％。粘合剂包含：选自由在日本使用的元素 周期表中第IVa族元素、第Va族元素和第Via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者；以及铝化合物。在本实施方案的cBN烧结体中，粘合剂 由Ti、N和A1制成。在本实施方案的cBN烧结体中，粘合剂的百分含量为20体积％，由Co 和Cr制成的催化剂元素的总百分含量为3质量％。
[0033] 这里，在本实施方案的cBN烧结体中，Co和Cr分散于粘合剂中。即，cBN晶粒通过 由Ti、N和A1制成的粘合剂而结合在一起，并且Co和Cr并非局部分布、而是分散在粘合剂 中。
[0034] 这可通过如下方式得以证实：利用扫描透射电子显微镜观察本实施方案中立方氮 化硼烧结体的结构，并对所获得的图像进行线分析。具体而言，参见图1，利用扫描透射电 子显微镜观察立方氮化硼烧结体中的8ymX8ym的区域，将由此获得的图像沿线段分为 四行四列的部分区域（16个尺寸相同的区域），并在所述线段上进行组成分析，如EDX。基 于所获得的谱图，将氮（N)的检测峰值和硼（B)的检测峰值的合计值为最大值的一半以下 的测量点确定为粘合部测量点，其中所述最大值为所有测量点处的各个所述合计值中的最 大值。即，将N的检测峰值和B的检测峰值的合计值大于最大值的一半的区域确定为存在 cBN的cBN测量点，其中所述最大值为所有测量点处的各个合计值中的最大值；同时将合计 值为最大值的一半以下的区域确定为粘合部测量点，其中由Ti、N和A1制成的粘合剂位于 该粘合部测量点，其中所述最大值为所有测量点处的各个合计值中的最大值。
[0035] 此处，在本实施方案的立方氮化硼烧结体中，未检测到Co和Cr的测量点数目与确 定为粘合部测量点的测量点总数之比为30 %以下。在下文将说明的实施例中，将通过RF溅 射PVD包覆有CoCr的cBN粉末与粘合剂粉末（通过将TiN与A1混合而制备的粉末）混合 并烧结，从而制得这样的cBN烧结体，其中cBN的百分含量为80体积％，并且Co和Cr的总 百分含量为3质量％，并且该cBN烧结体的如上定义的比例为23. 6%。相反，在下文中将说 明的比较例中，将cBN粉末、粘合剂粉末和催化剂元素粉末混合并烧结以制造这样的cBN烧 结体，其中cBN的百分含量为80体积％，Co和Cr的总百分含量为3质量％，并且该cBN烧 结体的如上定义的比例为38. 4%。由此，与比较例相比，实施例的cBN烧结体中催化剂元素 更为均匀地分散在粘合剂中。
[0036] S卩，在本实施方案的cBN烧结体中，作为催化剂元素的Co和Cr分散在粘合剂中， 因此可使cBN烧结体中的cBN在更宽区域内与Co和Cr接触。相反，常规cBN烧结体是通 过以粉末混合方式向cBN中加入粉末形式的催化剂元素而制造的，因此催化剂元素并未均 匀分布于cBN烧结体的粘合剂中。因此，在常规cBN烧结体中，除非增加催化剂元素的百分 含量，否则无法使cBN与催化剂元素充分接触。
[0037] 从上面可看出，在本实施方案的cBN烧结体中，可使cBN和催化剂元素在更宽范围 内彼此接触。因而，通过将催化剂元素的添加量保持为5质量％以下，则催化剂元素可发挥 出改善抗断裂性的效果。
[0038] 在本实施方案的cBN烧结体中，如上所述，催化剂元素Co和Cr更均匀地分散在粘 合剂中。因此由本文中的下述实施例可证实，当催化剂元素的百分含量为1. 5质量％和5 质量％时，弯曲强度为115kgf/mm2以上。尤其是，由下述实施例可证实，对于其中cBN的百 分含量为70体积％以上80体积％以下的cBN烧结体，当催化剂元素的百分含量为0. 5质 量％和5质量％时，其弯曲强度大于125kgf/mm2。
[0039] 除了上述弯曲强度以外，本实施方案中的cBN烧结体还具有优异的韧性。本发明 的发明人通过如下方式评价了其韧性。利用使用了cBN烧结体的工具，在切削速率为100m/ 分钟、进给速率为0. 2mm/转且切削尺寸为0. 15mm的条件下，对JISG4404中所定义的钢型 SKD11-6V的加工材料进行断续切削，其中该加工材料的硬度HRC为64,直径lOOmmX长度 300mm，并且在表面上存在沿轴向的六条V型槽。然后，评价cBN烧结体在发生断裂之前所 经过的时间。从下述实施例可看出，与常规cBN烧结体（其所含的催化剂元素含量基本上 与本实施方案的含量相同）相比，在本实施方案中，cBN烧结体发生断裂之前所经过的时间 要长5 %以上。即，与常规cBN烧结体相比，本实施方案中的cBN烧结体具有优异的弯曲强 度和韧性以及优异的抗断裂性。
[0040] 参见图2,下面将对本实施方案中cBN烧结体的制造方法进行说明。本实施方案中 cBN烧结体的制造方法包括如下步骤：准备cBN粉末（SOI);通过将金属催化剂元素附着至 cBN粉末的表面，从而制备催化剂附着粉末（S02);将催化剂附着粉末与粘合剂混合（S03); 以及将催化剂附着粉末与粘合剂的混合物烧结（S04)。
[0041] 首先，在步骤（S01)中，准备平均粒径为0.5ym以上5.0ym以下的cBN粉末。
[0042] 接下来，在步骤中（S02)，将作为催化剂元素的Co和Cr通过RF溅射PVD附着至在 之前的步骤（S01)中所准备的CBN粉末的表面上。具体而言，使用通过使