立方晶氮化硼超高压烧结材料制刀片的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种立方晶氮化硼超高压烧结材料制刀片，其为耐磨性及耐缺损性优异且防止了精加工面粗糙度下降的立方晶氮化硼基超高压烧结体刀片。切削刃由立方晶氮化硼基超高压烧结体构成的立方晶氮化硼基超高压烧结体刀片中，自该切削刃的前切削刃边界至横切削刃侧，由立方晶氮化硼含量为55容量%以上的高含量立方晶氮化硼基超高压烧结体构成，另一方面，自前切削刃边界至棱线，由立方晶氮化硼含量相对于上述高含量立方晶氮化硼基超高压烧结体少10容量%以上的低含量立方晶氮化硼基超高压烧结体构成，上述高含量立方晶氮化硼基超高压烧结体和上述低含量立方晶氮化硼基超高压烧结体被一体烧结。
【专利说明】立方晶氮化硼超高压烧结材料制刀片
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种由立方晶氮化硼基超高压烧结体(以下以“cBN烧结体”表示)构成的耐磨性、耐缺损性优异且防止了精加工面粗糙度下降的cBN烧结体刀片。
【背景技术】
[0002]—直以来cBN烧结体具有优异的耐久性、热稳定性及热传导性，且耐冲击性及摩擦系数也优异是众所周知的，并且，由于与铁系材料的亲和性较低，因此有效地利用这些特性，用作钢、铸铁等铁系工件的切削工具材料。
[0003]例如，专利文献I提出有如下cBN烧结体工具，其为一种用于淬火钢的高精度加工中的cBN烧结体工具，将烧结体作为切削刃部分，并将烧结体的cBN含量百分比设为20?80体积％，并且从切削深度在与工件接触的切削刃部分成为最大的观点考虑，进给方向的切削刃的切深为x% (其中，X为10以上且50以下)，与进给方向反向的切削刃的切深为7%(其中，y为10以上)由CBN单晶体构成，与工件接触的其它切削刃部分由CBN多晶体构成，由此改善耐磨性，并抑制工件的表面粗糙度的恶化及条纹的产生。
[0004]专利文献2提出有如下cBN烧结体工具，将cBN烧结体作为切削刃部分，并将烧结体的cBN含量百分比设为20?99体积％，其中，从切削深度在与工件接触的切削刃部分成为最大的观点考虑，进给方向的切削刃的切深的x%(其中，X为60以上且99以下)至y%(其中，y为101以上)由cBN单晶体构成，与工件接触的其它切削刃部分由cBN多晶体构成，由此当进行铸铁的粗加工或耐热合金等难切削材料的切削加工时，减少了包括横切削刃边界部在内的横切削刃部分的损伤。
[0005]另外，专利文献3公开有如下cBN烧结体工具，即为了提高cBN烧结体的耐磨性及耐缺损性等，将具有如下结合相的cBN烧结体焊接到设置在刀片主体的刀尖部的刀片安装台，其中，所述结合相中共存选自化学元素周期表第4、5及6族金属中的至少一种金属元素的碳化物和选自化学元素周期表第4、5及6族金属中的至少一种金属元素的氮化物。
[0006]此外还示出如下内容，即根据该cBN烧结体工具，能够同时抑制cBN粒子的脱落和结合相的磨损及脱落，因此耐磨性高且耐缺损性优异。
[0007]专利文献1:日本专利公开2010-228070号公报
[0008]专利文献2:日本专利公开2010-228071号公报
[0009]专利文献3:日本专利公表2008-517860号公报
[0010]上述专利文献I及专利文献2所示的cBN烧结体刀片中，特别提出将cBN单晶应用到刀尖强度和精加工面粗糙度的改善，但实际应用到切削加工时，磨损激烈超出了预期，因此无法称为充分满足耐磨性这一方面。
[0011]并且，在所述专利文献3中，着眼于cBN烧结体的结合相，当作为结合相使特定金属元素的碳化物和特定金属元素的氮化物共存时，能够同时实现结合相的强度及与cBN粒子的粘附力的强化，其结果能够同时抑制cBN粒子的脱落和结合相的磨损及脱落的进行来改善耐磨性及耐缺损性，但至于切削加工时的切削刃的磨损形态没有阐明，针对此也没有采取措施，因此工具寿命因产生月牙洼磨损或后刀面磨损仍旧短暂。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于解决上述现有立方晶氮化硼基超高压烧结体刀片(以下以“cBN烧结体刀片”表示)的问题，并提供一种耐缺损性优异并抑制精加工面粗糙度的下降，且经长期使用发挥优异的耐磨性的cBN烧结体刀片。
[0013]本发明人等对将cBN烧结体作为切削刃的cBN烧结体刀片中，就cBN烧结体中的cBN含有比例和切削刃的磨损形态之间的关联性进行了深入研究，结果得到了如下见解。
[0014]即发现如下情况:cBN烧结体因cBN的含有比例的不同而磨损形态不同，例如cBN含有比例高的材料种类耐月牙洼磨损性优异，并且强度也较高，然而后刀面磨损(例如前切削刃边界磨损)的进行较快，另一方面，cBN含有比例较少的材料种类，虽然耐后刀面磨损性优异，但耐月牙洼磨损性及强度方面较差，因此为了将这两个彼此相反的特性有效地应用到切削工具上，自切削刃的刀尖圆弧R至横切削刃侧，配置cBN含有比例高的cBN烧结体，另一方面，自决定精加工面粗糙度的刀尖圆弧R的前切削刃边界至棱线，配置cBN含有比例低的cBN烧结体，此外，在超高压下一体烧结cBN含有比例高的cBN烧结体和cBN含有比例低的cBN烧结体，由此获得耐磨性及强度优异且能够防止焊接接合上述cBN含有百分比不相同的cBN烧结体时产生的接合界面上的异常磨损或在界面附近产生崩刀的cBN烧结体刀片。
[0015]本发明是基于上述见解而完成的，具有如下特征:
[0016]一种立方晶氮化硼基超高压烧结体刀片，其将由立方晶氮化硼基超高压烧结体构成的切削刃材料作为切削刃固着接合到WC基硬质合金基体，其中，
[0017]自该切削刃的前切削刃边界至横切削刃侧，由立方晶氮化硼含量为55容量％以上
的高含量立方晶氮化硼基超高压烧结体构成，另一方面，自前切削刃边界至棱线，由立方晶氮化硼含量相对于上述高含量立方晶氮化硼基超高压烧结体少10容量％以上的低含量立方晶氮化硼基超高压烧结体构成，上述高含量立方晶氮化硼基超高压烧结体和上述低含量立方晶氮化硼基超高压烧结体被一体烧结。
[0018]另外，利用以下方法测定cBN含量(容量％)。
[0019]将利用扫描式电子显微镜观察的二次电子图像，通过图像处理抽出cBN粒子，并将通过图像分析算出的其总面积的值除以图像总面积来计算面积比率，由此以该面积比率规定cBN粒子的含有比例。将通过上述方法对扫描式电子显微镜的5000倍、10000倍的图像中的各自三个视场进行处理的值的平均值作为测定结果。
[0020]以下，对本发明进行详细说明。
[0021]图1中示出cBN烧结体刀片的示意俯视图，本发明的cBN烧结体刀片由构成切削刃I的cBN烧结体切削刃材料和固着保持该切削刃的WC基硬质合金基体2构成。另外，切削刃I形状为常规形状并将本发明的具体切削刃形状的几个例子示于图2?图4。
[0022]图2的(a)?(d)中示出本发明的cBN烧结体刀片的制作工序的示意图。
[0023]参考图1、图2对本发明的cBN烧结体刀片的制作工序的基本情况进行说明。
[0024]如图2的(a)?(d)所示，构成切削刃I的cBN烧结体切削刃材料由cBN含量为55容量％以上的高含量cBN材料A (11)和cBN含量相对于该高含量cBN材料A (11)少10容量％以上的低含量CBN材料B (12)构成。
[0025]本发明中，制作切削刃I时，首先分别制作由高含量cBN材料A (11)构成的预烧结体和由低含量cBN材料B (12)构成的预烧结体，并将此层叠并载置到WC基硬质合金基体材料C (13)上，并施行超高压高温处理，以获得对整体进行一体烧结的切削刃用烧结体(参考图2的(a))。
[0026]接着，利用电火花线切割机将该切削刃用烧结体切割成长条状(参考图2的(b))，进一步整理成与形成在WC基硬质合金基体的凹部吻合的规定形状，制作由高含量CBN烧结体11、低含量cBN烧结体12及WC基硬质合金烧结体13构成的切削刃片(参考图2的(C))。
[0027]接着，将上述切削刃片安装到形成在WC基硬质合金基体的凹部，通过焊接将切削刃片与WC基硬质合金基体接合(参考图2的(d))，由此制作本发明的cBN烧结体刀片。
[0028]图3、图4表示本发明的cBN烧结体刀片的切削刃部的另一形态，图中，21、31表示高含量cBN烧结体，22,32表示低含量cBN烧结体，另外，23、33表示WC基硬质合金烧结体。
[0029]Ca)高含量cBN烧结体:
[0030]超高压烧结材料制工具基体中的cBN极其坚硬，且在烧结材料中形成分散相，并且通过该分散相实现耐磨性的提高。
[0031]然而，因cBN烧结体刀片中cBN含有比例的不同，对于月牙洼磨损和后刀面磨损的表现有所不同，因此需要根据切削刃的位置改变cBN含有比例。
[0032]S卩，自切削刃的刀尖圆弧R至横切削刃侧，需要配置cBN含有比例高的高含量cBN烧结体，由此，能够提高切削刃的强度的同时也能够提高耐月牙洼磨损性。
[0033]其中，cBN含有比例高的高含量cBN烧结体中，若cBN含有比例小于55容量％，则不仅强度改善效果较小，且无法确保优异的耐月牙洼磨损性，另一方面，若cBN含有比例过多，则cBN烧结体的烧结性会下降，其结果导致切削刃上容易产生缺损，因此优选cBN含有比例最大为80容量％，更优选70容量％以下。
[0034]另外，高含量cBN烧结体中，作为其成分，例如能够含有Ti化合物、TiAl化合物、Al等，但本发明中并没有特别限制它们的含量。
[0035]但是，例如，对于Ti化合物(选自TiN、TiCN及TiC中的一种或两种以上)而言，虽然具有提高烧结性并在烧结体中形成连续相来提高强度的作用，但若其配合比例过少则无法确保所期望的强度，另一方面，若其配合比例过多，则cBN含量就相对变少，而容易产生月牙洼磨损等，因此优选基于这些观点设定其配合量。
[0036]并且，TiAl化合物、Al在烧结时优先凝聚到cBN粉末的表面进行反应，而形成反应产物，在烧结后的cBN烧结体中，介于形成连续相的Ti化合物相和形成硬质分散相的cBN相之间而存在，该反应产物具有牢固地粘附接合形成所述连续相的Ti化合物相和形成硬质分散相的cBN相中的任一个的性质，因此所述cBN相对于连续结合相即Ti化合物相的粘附性得到显著提高，并提高了切削刃的耐崩刀性，但是，若该量变得过多，则使得cBN含量减少，且容易产生月牙洼磨损等，因此需要基于这些观点设定其配合量。
[0037](b )低含量cBN烧结体:
[0038]自切削刃的刀尖圆弧R至横切削刃侧，如上所述，需要配置cBN含有比例高的高含量cBN烧结体，而另一方面，自决定精加工面粗糙度的前切削刃边界至棱线，需要配置cBN含有比例低的低含量cBN烧结体。[0039]并且，低含量cBN烧结体中的cBN含有比例要比高含量cBN烧结体中所含的cBN含有比例(即为55容量％以上，优选80容量％以下，更优选70容量％以下)少10容量％以上，由此，后刀面磨损性、尤其自前切削刃边界至切削刃棱线的前切削刃边界磨损性得到改
盡
口 ο
[0040]其中，之所以将低含量cBN烧结体中的cBN含有比例作为与高含量cBN烧结体的cBN含有比例之间的关系下的相对值来设定，是因为因cBN烧结体刀片的切削条件的不同而对切削刃的强度要求也不同，因此，首先设定符合切削条件的高含量cBN烧结体的cBN含有比例，然后根据此来设定抑制前切削刃边界磨损所需的低含量cBN烧结体中的cBN含有比例。
[0041]但是，低含量cBN烧结体中的cBN含有比例过少时，不仅强度会下降，而且耐磨性本身也会下降，因此优选低含量cBN烧结体中的cBN含有比例与高含量cBN烧结体的cBN含有比例相比低10?25容量％，更优选低10?15容量％。
[0042]另外，关于低含量cBN烧结体中所含有的成分例如Ti化合物、TiAl化合物、Al等与所述高含量cBN烧结体的情形相同，本发明中，对于这些成分的含量没有特别限定。
[0043]高含量cBN烧结体与低含量cBN烧结体的一体烧结:
[0044]本发明中，在超高压下对cBN含有比例高的高含量cBN烧结体和含有比例低的低含量cBN烧结体进行一体烧结，由此形成耐磨性及强度优异的切削刃材料。
[0045]并获得如下cBN烧结体刀片:将由上述一体烧结的cBN烧结体构成的切削刃材料加工成规定形状，并安装到形成于WC基硬质合金基体的凹部，通过焊接进行接合时，不会产生高含量cBN烧结体和低含量cBN烧结体的接合界面上的异常磨损或界面附近的崩刀。
[0046]本发明的cBN烧结体刀片例如能够通过以下所示的(a)?(h)工序制作。
[0047](a)通过球磨机并利用丙酮将由70容量％的cBN粉末(粒径为2?4μ m)、剩余为TiN粉末(粒径为0.3?0.9 μ m)、TiAl化合物粉末(粒径为0.3?0.9 μ m)及Al粉末(粒径为0.3?0.9 μ m)构成的结合相形成成分湿式混合24小时。
[0048](b)对所获混合粉末进行干燥后，在成型压120MPa下加压成型。
[0049](c)在真空IPa中、温度1000°C、保持时间30分钟的条件下对所获成型体进行热处理，去除挥发成分及吸附在粉末表面的成分来获得预烧结体A。
[0050]Cd)另一方面，通过球磨机并利用丙酮将由50容量％的cBN粉末(粒径为2?4 μ m)、剩余为TiN粉末(粒径为0.3?0.9μπι)、TiAl化合物粉末(粒径为0.3?0.9 μ m)及Al粉末(粒径为0.3?0.9 μ m)构成的结合相形成成分湿式混合24小时，之后以与上述工序(b)、(c)相同的方式获得预烧结体B。
[0051]Ce)将上述所获的预烧结体A和预烧结体B层叠并载置到WC基硬质合金基材(参考图2的(a))，代表性地，制作由在压力5GPa、温度1500°C、保持时间30分钟的条件下进行超高压高温处理并一体烧结而获得的烧结体构成的切削刃材料。
[0052](f)利用电火花线切割机将由烧结体构成的上述切削刃材料切割成规定的长条状(参考图2的(b))，进一步整理成与形成在WC基硬质合金基体的刀尖部的凹部吻合的规定形状，制作由烧结体构成的切削刃片(参考图2的(C))。
[0053](g)将由上述烧结体构成的切削刃片安装到形成在WC基硬质合金基体的凹部，在950°C下利用Ag-Cu-Ti系钎料进行焊接。[0054](h)实施上下表面及外周研磨及刃口修磨处理，制作ISO标准CNGA120408的cBN烧结体刀片(参考图2的(d))。
[0055]另外，通过光学显微镜对以上一体烧结的预烧结体A和预烧结体B之间的界面进行了观察，其结果，如图5所示，界面粘附接合，且未确认到界面存在缺陷。
[0056]根据本发明，自cBN烧结体刀片的切削刃的刀尖圆弧R至横切削刃侧配置cBN含有比例高的高含量cBN烧结体，另一方面，自决定精加工面粗糙度的前切削刃边界至棱线部配置cBN含有比例低的低含量cBN烧结体，并且在超高压下对高含量cBN烧结体和低含量cBN烧结体进行一体烧结，由此获得耐磨性及强度优异且在焊接有上述cBN烧结体构成的切削刃的接合界面不产生异常磨损或崩刀的cBN烧结体刀片。
【专利附图】
【附图说明】
[0057]图1表示本发明的cBN烧结体刀片的示意俯视图。另外切削刃I形状为常规形状并将本发明的具体切削刃形状的其他例子示于图2?图4。
[0058]图2的(a)?(d)中示出用于制作本发明的cBN烧结体刀片的工序示意图。
[0059]图3表示本发明的cBN烧结体刀片的切削刃部分的一个例子。
[0060]图4表示本发明的cBN烧结体刀片的切削刃部分的另一例子。
[0061]图5表示构成本发明的cBN烧结体的切削刃的高含量cBN烧结体和低含量cBN烧结体的接合界面的光学显微镜照片。
[0062]图6为表示产生在比较例的cBN烧结体的切削刃上的前切削刃边界磨损的一例的扫描式电子显微镜照片。
[0063]图7为表示产生在比较例的cBN烧结体的切削刃上的月牙洼磨损的一例的扫描式电子显微镜照片。
[0064]符号说明
[0065]1-切削刃，2-WC基硬质合金基体，11、21、31-高含量cBN烧结体，12、22、32_低含量cBN烧结体，13、23、33-WC基硬质合金烧结体。
【具体实施方式】
[0066]接着，根据实施例对本发明进行具体说明。
[0067][实施例]
[0068](a)作为高含量cBN烧结体的原料粉末，准备具有表I所示的平均粒径的cBN粉末、具有0.3?0.9 μ m的平均粒径的Ti化合物粉末、TiAl化合物粉末、Al粉末，将这些原料粉末配合成表I所示的配合组成，用球磨机湿式混合24小时，干燥之后，以120MPa的压力成型，在真空IPa中、温度1000°C、保持时间30分钟的条件下，对所获成型体进行热处理，去除挥发成分及吸附在粉末表面的成分，制作预烧结体A。
[0069](b)接着，作为低含量cBN烧结体的原料粉末，准备具有表I所示的平均粒径并且比预烧结体A少10容量％以上的cBN粉末、具有0.3?0.9 μ m的平均粒径的Ti化合物粉末、TiAl化合物粉末、Al粉末，并以与高含量cBN烧结体的情形相同的方式对这些原料粉末进行处理，制作预烧结体B。
[0070](c)接着，通过将预烧结体A和预烧结体B层叠并载置到具有Co:8质量％、WC:剩余组成的WC基硬质合金基材上，在压力5GPa、温度1500°C、保持时间30分钟的条件下进行超高压高温处理，并一体烧结，由此制作切削刃材料，利用电火花线切割机将其切割成长条状，进一步制作出与形成于WC基硬质合金基体的刀尖部的宽度:约1.5mm、长度:约3mm、最大厚度:约0.5mm的凹部吻合的形状的切削刃片。
[0071](d)将该切削刃片安装到形成于WC基硬质合金基体上的凹部，在950°C下利用Ag-26质量％Cu-5质量％Ti系钎料进行焊接,通过实施上下表面及外周研磨以及刃口修磨处理，制作出表2所示的ISO标准CNGA120408的本发明cBN烧结体刀片1~5、11~15。
[0072]为了比较，准备具有表1所示的平均粒径的cBN粉末、具有0.3~0.9 μ m平均粒径的Ti化合物粉末、TiAl化合物粉末、Al粉末、Al2O3粉末、WC粉末等，将这些原料粉末配合成表1所示的配合组成，利用球磨机湿式混合24小时，干燥之后，以120MPa的压力成型，在1Pa的真空中、温度1000°C、保持时间30分钟的条件下，对所获成型体进行热处理，去除挥发成分及吸附在粉末表面的成分，制作预烧结体，并将该预烧结体载置到具有Co:8质量％、WC:剩余组成的WC基硬质合金基材上，在与所述(c)、(d)相同的工序中，制作出表2所示的ISO标准CNGA120408的比较例cBN烧结体刀片6~10、16~20。
[0073]另外，对于比较例cBN烧结体刀片6~9、16~19，仅使用预烧结体A来进行烧结，而未使用预烧结体B。
[0074][表 1]
[0075]
【权利要求】
1.一种立方晶氮化硼基超高压烧结体刀片，其将由立方晶氮化硼基超高压烧结体构成的切削刃材料作为切削刃固着接合到WC基硬质合金基体，该立方晶氮化硼基超高压烧结体刀片的特征在于， 自该切削刃的前切削刃边界至横切削刃侧，由立方晶氮化硼含量为55容量％以上的高含量立方晶氮化硼基超高压烧结体构成，另一方面，自前切削刃边界至棱线，由立方晶氮化硼含量相对于上述高含量立方晶氮化硼基超高压烧结体少10容量％以上的低含量立方晶氮化硼基超高压烧结体构成，上述高含量立方晶氮化硼基超高压烧结体和上述低含量立方晶氮化硼基超高压烧结体被一体烧结。
【文档编号】B23B51/02GK103801918SQ201310511692
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2012年11月8日
【发明者】大桥忠一, 矢野雅大, 油本宪志, 宫下庸介 申请人:三菱综合材料株式会社