立方晶氮化硼基超高压烧结材料制切削工具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种耐缺损性优异的立方晶氮化硼（以下用cBN表示）基超高压烧结 材料制切削工具（以下称为cBN工具）。
【背景技术】
[0002] 以往，已知有如下CBN工具，即，在钢、铸铁等铁系工件的切削加工中使用cBN基超 高压烧结材料（以下，根据情况有时还称为"cBN烧结体"）作为与工件的亲和性较低的工 具材料。
[0003] 例如，如专利文献1所示，已知有如下cBN工具，即，作为cBN烧结材料的结合相， 以Al2O3或Al 203为主体且包含碳化物、氮化物，并将cBN含量设为20~80vol %的范围，由 此提高热冲击特性。
[0004] 并且，如专利文献2所示，已知有如下cBN工具，即，cBN烧结体的结合相包含Al2O 3和Ti的碳氮化物，且cBN含量为30~70vol%的范围，利用用于结合相的材质涂布cBN粒 子，并以压力0. 5GPa~2GPa进行烧结，由此设为致密的组织，并且提高韧性和强度。
[0005] 另外，如专利文献3所示，已知有如下CBN工具，即，CBN烧结体的结合相在二维观 察时是连续的，且结合相为Ti的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物、Al的氮化物、硼化物、 氧化物、Fe、Co、Ni的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物，通过将cBN含量设在45~70vol % 的范围、将cBN粒子的平均粒径设为2~6 μ m、结合相厚度的平均值设为1. 5 μ m以下、标准 偏差设为0. 9以下来减小结合相的平均厚度的偏差，由此，减少成为缺陷的部分，改善耐缺 损性。
[0006] 专利文献1 :日本特开昭55-130859号公报
[0007] 专利文献2 :日本特开平7-172923号公报
[0008] 专利文献3 :日本特开2000-44350号公报
[0009] 如专利文献1~3所示，虽然提出了用于改善cBN工具的特性的各种方案，但在高 负荷作用于刀尖的条件下使用时，工具寿命较短。
[0010] 例如，专利文献1中，能够将CBN含量设至80vol %，但若CBN含量增加，则CBN粒 子彼此接触的比例增高，cBN粒子彼此的接触部由于没有具有保持cBN粒子的效果的结合 相，因此刀尖强度下降，当在负荷较高的切削条件下使用时，存在刀尖容易发生缺损、工具 寿命缩短的问题。
[0011] 并且，专利文献2中记载的cBN工具，若cBN含量超过70vol%，则形成连续网络的 结合相的致密化受阻，无法得到致密且高硬度的烧结体，而且，若烧结压力超过2. OGPa，则 烧结体的韧性及强度显示出下降趋势，因此当用作cBN工具时，存在寿命缩短的问题。
[0012] 另外，专利文献3中，结合相在二维观察时是连续的，但若cBN含量增加，则cBN粒 子接触的比例增高，在cBN粒子彼此的接触部中刀尖的强度下降，存在刀尖容易发生缺损 的与引用文献1中记载的cBN工具同样的问题。
【发明内容】
[0013] 本发明人等为了解决上述课题，着眼于CBN工具的CBN烧结材料构成成分即CBN 粒子进行了深入研宄，结果得到如下见解。
[0014] 当制作以往的cBN工具时，将cBN烧结体构成成分即cBN粉末与粘结剂（结合相） 形成成分即TiN粉末、TiAl3粉末、Al 203粉末等进行混合，并将其在超高压高温条件下进行 烧结，由此制作cBN烧结材料，并将其钎焊接合于硬质合金母材来形成刀尖。尤其为了提高 工具的耐月牙洼磨损性，通过化学蒸镀等蒸镀形成Al2O3硬质膜时，由于蒸镀时暴露在高温 而产生刀尖脱落。
[0015] 因此，本发明人等制作cBN烧结体时，在cBN烧结体的构成成分即cBN粒子的表 面，例如通过ALD (原子层沉积（Atomic Layer Deposition)，在真空腔室内的基材上，使原 料化合物的分子逐层发生反应，并重复进行Ar和氮的吹扫来进行成膜的方法，是CVD法的 一种）法等，预先形成好微小膜厚的Al2O3膜，将该预先由Al 203膜涂布的cBN粒子和Al 203粉末用作原料粉末制作cBN烧结体，结果发现如下：由于cBN粒子的表面预先由Al2O3膜涂 布，因此即使提高该cBN烧结体的cBN含有比例，cBN粒子彼此接触的频率也会减小，cBN粒 子由结合相牢固地保持，因此即使在有高负荷作用的切削条件下使用，也可抑制刀尖发生 缺损。
[0016] 另外，本发明人等发现如下：使用表面由Al2O3膜涂布的所述cBN粒子作为cBN烧 结体的原料粉末，而且，以成为规定粒径分布的方式决定烧结体中的该cBN粒子的粒径，由 此cBN粒子在结合相中进一步被可靠且牢固地保持，因此耐缺损性进一步得到提高。
[0017] 即，发现如下：当使用预先涂布微小膜厚的Al2OJ莫的cBN粒子作为cBN烧结体的 构成成分即cBN粒子、并且将其粒径分布规定为规定的粒径分布时，cBN粒子在结合相中被 牢固且可靠地保持，因此即使供于有高负荷作用的切削加工时，也可以改善耐缺损性。
[0018] 本发明是鉴于上述见解而完成的，其特征如下：
[0019] (1) 一种立方晶氮化硼基超高压烧结材料制切削工具，其中，立方晶氮化硼基超高 压烧结材料的构成成分中，立方晶氮化硼为50~85vol%，余量以氧化铝为主体，并且，当 对所述立方晶氮化硼基超高压烧结材料的截面进行测定时，立方晶氮化硼粒子群相对于立 方晶氮化硼粒子的总面积所占的总计面积比例大于〇. 10且〇. 35以下，所述立方晶氮化硼 粒子群具有大于立方晶氮化硼粒子的平均面积的2. 5倍的面积，所述立方晶氮化硼粒子的 平均面积能够由立方晶氮化硼粒子的平均粒径计算出。
[0020] (2)所述（1)中记载的晶氮化硼基超高压烧结材料制切削工具，其中，立方晶氮化 硼基超高压烧结材料中的立方晶氮化硼粒子的含有比例为70~85体积％。
[0021] 以下，对本发明进行说明。
[0022] 本发明的cBN工具中，由cBN烧结材料构成工具基体，使用预先涂布有微小膜厚的 Al2O3膜的cBN粒子作为该cBN烧结材料的cBN原料粉末。
[0023] 对cBN粒子表面涂布微小膜厚的Al2O3膜，例如能够通过ALD法进行。
[0024] 在ALD法中，在流化床炉内装入cBN粒子，并升温至350°C左右，将Al (CH3) 3气体 流入工序、Ar气吹扫工序、H2O气体流入工序、Ar气吹扫工序作为1个循环，将该循环重复 进行直至成为目标膜厚（例如，经1小时进行IOnm的Al2O3膜的成膜），由此能够在cBN粒 子表面形成平均包覆厚度为cBN粒子的平均粒径的1/2以下的Al2OJ莫。
[0025] 在此，若Al2OJ莫的平均包覆厚度超过cBN粒子的平均粒径的1/2,则刀尖边缘上存 在的Al2O3比cBN粒子先被磨耗，因此cBN粒子的脱落变得显著，无法维持刀尖的锋利度，并 且，耐缺损性也下降，因此Al2O3膜的平均包覆厚度优选设为cBN粒子的平均粒径的1/2以 下。
[0026] 对于cBN粒子表面的Al2O3膜的包覆均匀性，能够通过进行SEM(扫描型电子显微 镜）或TEM (透射型电子显微镜）观察来确认。
[0027] 本发明的cBN工具中，cBN粒子由Al2O3膜涂布，因此cBN粒子彼此的直接接触 减少，在cBN烧结材料中可被可靠地、牢固地保持，但以通过扫描型电子显微镜（Scanning Electron Microscopy :SEM)对cBN烧结体的截面进行观察而得到的SEM图像为基础进行 图像分析时，cBN粒子彼此接触，在图像分析方面，将作为1个cBN粒子来处理的cBN粒子 的聚集体作为cBN粒子群，在该cBN粒子群中，具有大于cBN粒子平均面积（能够由cBN粒 子平均粒径计算出）的2. 5倍的面积的cBN粒子群相对于cBN粒子的总面积所占的总计面 积比例有必要大于0. 10且在0. 35以下。
[0028] 用作原料的cBN粒子并非单一的粒子的集合体，而是具有某一粒度分布，因此将 cBN原料粉的截面基于SEM图像进行图像分析时，具有大于cBN粒子平均面积（能够由cBN 粒子平均粒径计算出）的2. 5倍的面积的cBN粒子预先被包含，且最多包含cBN粒子总面 积的0. 10,因此将下限定为0. 10。
[0029] 具有大于cBN粒子平均面积（能够由cBN粒子平均粒径计算出）的2. 5倍的面积 的cBN粒子群相对于cBN粒子的总面积所占的总计面积比例大于0. 35时，cBN粒子彼此直 接接触的比例增高，不能被结合相充分保持的cBN粒子增加，因此在高负荷切削加工中，容 易发生缺损，其结果，工具寿命也缩短，因此不优选。
[0030] 在此，cBN粒子的平均粒径能够如下求出。
[0031] 对于cBN烧结体的截面组织，通过SEM对cBN烧结体组织进行观察，得到二次电子 图像。通过图像处