耐缺損性?xún)?yōu)異的立方晶氮化硼燒結(jié)體切削工具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種以立方晶氮化硼（以下以cBN表示）為主要成分，在超高壓、高溫 下對(duì)其進(jìn)行燒結(jié)成型而成的cBN燒結(jié)體切削工具，尤其涉及一種在合金鋼、軸承鋼等的由 淬火材料構(gòu)成的高硬度鋼的斷續(xù)切削加工中能夠抑制缺口和缺損的產(chǎn)生的同時(shí)能夠在長(zhǎng) 期使用中維持優(yōu)異的切削性能的cBN燒結(jié)體切削工具。
【背景技術(shù)】
[0002] 以往，作為高硬度鋼的切削工具，已知有以cBN燒結(jié)體作為工具基體的cBN燒結(jié)體 切削工具等，以提高工具壽命為目的，提出有各種方案。
[0003] 例如，在專(zhuān)利文獻(xiàn)1、2中公開(kāi)了在通過(guò)超高壓燒結(jié)來(lái)制作cBN燒結(jié)體時(shí)，在作為硬 質(zhì)粒子的cBN粒子的表面形成被膜，并用被膜包圍cBN粒子，由此消除cBN粒子之間、結(jié)合 相之間或者cBN粒子與結(jié)合相之間出現(xiàn)的氣孔，提高耐磨損性和韌性。
[0004] 另外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)3中公開(kāi)了通過(guò)將cBN燒結(jié)體中包含的鋁化合物中的至少一種 設(shè)為A1的氮氧化物，提高在cBN燒結(jié)體上包覆的耐熱膜的密合性。
[0005] 專(zhuān)利文獻(xiàn)1 :日本專(zhuān)利公開(kāi)昭58-61253號(hào)公報(bào)
[0006] 專(zhuān)利文獻(xiàn)2 :日本專(zhuān)利公開(kāi)平10-218666號(hào)公報(bào)
[0007] 專(zhuān)利文獻(xiàn)3 :日本專(zhuān)利第4933922號(hào)公報(bào)
[0008] 在對(duì)比文件1所公開(kāi)的現(xiàn)有技術(shù)中，示出了一種cBN燒結(jié)體，其組成中含有作為結(jié) 合強(qiáng)化金屬的A1、以及A1的氧化物和氮化物中的一種或兩種，剩余部分由cBN和不可避免 的雜質(zhì)構(gòu)成，并且該cBN燒結(jié)體具有結(jié)合強(qiáng)化金屬以0. 1 μ m~1 μ m的平均層厚包圍cBN粒 子的組織，但該燒結(jié)體中存在如下問(wèn)題：在諸如對(duì)淬火鋼進(jìn)行切削時(shí)刀尖溫度達(dá)到l〇〇〇°C 以上的用途中，若在斷續(xù)切削中使用，則刀尖變得容易缺損，工具壽命短。
[0009] 另外，在對(duì)比文件2所公開(kāi)的現(xiàn)有技術(shù)中，示出了如下cBN燒結(jié)體：在具備cBN粒 子和結(jié)合相的cBN工具中，由包圍cBN粒子的第1結(jié)合相和除此之外的第2結(jié)合相來(lái)構(gòu)成 結(jié)合相，第1結(jié)合相由與所述cBN粒子接觸并包圍的第3結(jié)合相和包圍所述第3結(jié)合相的 第4結(jié)合相構(gòu)成，所述第3結(jié)合相以Ti、Zr、Hf、A1中的至少一種的氮化物、硼化物或者其 固溶體中的至少任一形態(tài)構(gòu)成，并且，所述第4結(jié)合相以Ti、TiAl、Zr、Hf中的至少一種的 氮化物、碳化物、氧化物或者其固溶體中的至少任一形態(tài)構(gòu)成，此外，所述第2結(jié)合相在被 所述第1結(jié)合相包圍的多個(gè)所述粒子之間包含粒子生長(zhǎng)抑制結(jié)合相，所述粒子生長(zhǎng)抑制結(jié) 合相以Ti、Zr、Hf中的至少一種的硼化物或者其固溶體中的至少任一形態(tài)、或者以A1的氮 化物、硼化物或者其固溶體中的至少任一形態(tài)構(gòu)成，但該燒結(jié)體中存在如下問(wèn)題：由于第一 層與cBN粒子的粘附強(qiáng)度弱，因此若在高負(fù)荷的斷續(xù)切削中使用，則刀尖變得容易缺損，工 具壽命短。
[0010] 此外，在對(duì)比文件3所公開(kāi)的現(xiàn)有技術(shù)中，示出了將平均粒徑為0. 1 μL?到0. 9 μL? 的鋁的氮氧化物加入到結(jié)合相內(nèi)，由此能夠提高與在工具表面上包覆的耐熱膜之間的密合 力，但存在如下問(wèn)題：由于鋁的氮氧化物分散在結(jié)合相內(nèi)，因此對(duì)提高cBN與結(jié)合相的粘附 力的貢獻(xiàn)小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 為此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題即本發(fā)明的目的在于，提供一種cBN燒結(jié)體切削 工具，該cBN燒結(jié)體切削工具即使在進(jìn)行要求高負(fù)荷的切削條件的高硬度鋼的斷續(xù)切削加 工時(shí)，也不易產(chǎn)生工具刀尖的缺口和缺損，長(zhǎng)期維持優(yōu)異的切削性能。
[0012] 本發(fā)明人為了解決上述問(wèn)題，著眼于作為構(gòu)成cBN工具的cBN燒結(jié)體的硬質(zhì)相成 分的cBN粒子，進(jìn)行了深入研究，結(jié)果得到了如下見(jiàn)解。
[0013] (1)若在cBN粒子的周?chē)嬖贏1金屬，則在諸如對(duì)淬火鋼進(jìn)行斷續(xù)切削時(shí)刀尖溫 度達(dá)到KKKTC以上的用途中，變得容易產(chǎn)生缺損。為了追究其原因，通過(guò)掃描電子顯微鏡細(xì) 心地對(duì)產(chǎn)生缺損的刀尖進(jìn)行了截面觀察，結(jié)果查明在cBN粒子的周?chē)嬖诘腁1金屬的熔融 是使刀尖強(qiáng)度下降的原因。
[0014] (2)發(fā)現(xiàn)了通過(guò)將包圍cBN粒子的包覆層由A1金屬設(shè)為A1N，能夠避免包覆層在 KKKTC以上發(fā)生熔融，而進(jìn)一步通過(guò)將A1N設(shè)為含氧A1N，與未積極地使其含氧的通常的 A1N相比，與cBN粒子之間的粘附力提高。
[0015] (3)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了如果不是通過(guò)含氧A1N直接包覆cBN顆粒，而是首先作為第一層 由A1 203包圍，之后作為第二層由含氧A1N包圍，則因第一層與第二層的熱膨脹系數(shù)差而對(duì) 第二層的含氧A1N施加壓縮應(yīng)力，耐缺損性進(jìn)一步提高。
[0016] (4)并且，發(fā)現(xiàn)了通過(guò)在包圍cBN粒子的包覆層局部形成破口，能夠抑制因拉伸殘 余應(yīng)力而導(dǎo)致的cBN粒子與包覆層的界面上的龜裂的產(chǎn)生，所述拉伸殘余應(yīng)力因包覆層與 cBN粒子的熱膨脹特性之差引起。
[0017] 基于上述見(jiàn)解，本發(fā)明人歷經(jīng)無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)，成功制造出即使在對(duì)刀尖施加高負(fù)荷和 高溫的高硬度鋼的斷續(xù)切削中使用也不易產(chǎn)生缺損且切削壽命長(zhǎng)的工具。本發(fā)明中的包圍 cBN粒子的雙層包覆層例如可以利用如下方法來(lái)形成。
[0018] (a)Al203層成膜工序：
[0019] 首先，利用原子層沉積法（ALD，Atomic Layer Deposition :對(duì)真空腔室內(nèi)的基材， 通過(guò)使原料化合物的分子按每一層進(jìn)行反應(yīng)并重復(fù)進(jìn)行基于Ar和氮的原料化合物的吹掃 來(lái)成膜的方法，是CVD法的一種），在爐內(nèi)裝入cBN粒子，并升溫至350°C左右，使用作為A1 的前體的A1 (CH3) 3氣體和作為反應(yīng)氣體的Η 20氣體，
[0020] (1) Ar+Al (CH3) 3氣體流入工序
[0021] (2) Ar氣體吹掃工序
[0022] (3)Ar+H20氣體流入工序
[0023] (4) Ar氣體吹掃工序
[0024] 將上述（1)~（4)作為一個(gè)循環(huán)，重復(fù)進(jìn)行該循環(huán)，直至成為目標(biāo)層厚為止，例如， 經(jīng)過(guò)1小時(shí)的成膜，在cBN粒子表面包覆形成平均層厚為10nm的A1 203層。
[0025] (b)AlN層成膜工序：
[0026] 接著，通過(guò)ALD法在A1203層之上形成A1N層。
[0027] 具體而言，在爐內(nèi)裝入被A1203層包覆的cBN粒子之后，使?fàn)t內(nèi)升溫至350 °C，使用 A1C13氣體、NH 3氣體作為原料氣體，
[0028] (5)Ar+AlCl3氣體流入工序
[0029] (6) Ar氣體吹掃工序
[0030] (7)Ar+NH3氣體流入工序
[0031] (8) Ar氣體吹掃工序
[0032] 將上述（5)~（8)作為一個(gè)循環(huán)，重復(fù)進(jìn)行該循環(huán)，直至成為目標(biāo)層厚為止，例如， 經(jīng)過(guò)2小時(shí)的成膜，得到平均層厚為20nm的A1N層。
[0033] (c)破口形成工序：
[0034] 此外，將形成有由A1203層和A1N層的雙層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的包覆層的cBN粒子通過(guò)球磨 機(jī)混合攪拌0. 25~3. 0小時(shí)，由此能夠在包覆層形成局部破口，制作出cBN粒子表面在破 口部分中露出的cBN粒子。
[0035] 在上述工序（a)和（b)中，之所以首先制作被無(wú)破口的A1203層和A1N層包覆的 cBN粒子，其理由是為了在接下來(lái)的上述（c)工序中，能夠?qū)1203層和A1N層合計(jì)后的平 均層厚控制成所期望的值，并且，能夠?qū)⒀豤BN粒子的表面形成的A1 203層和A1N層的破口 的形成比例同樣控制成所期望的值。
[0036] (d)成型工序：
[0037] 作為硬質(zhì)相形成用原料粉末，準(zhǔn)備被通過(guò)上述工序（a)和工序（b)或者通過(guò)（a)、 (b)和（c)制作的A1203層和A1N層的雙層結(jié)構(gòu)的薄膜包覆的cBN粒子，并且進(jìn)一步作為結(jié) 合相形成用原料粉末，準(zhǔn)備例如TiN粉末、A1粉末、TiAl 3粉末和A1 203粉末，將這些原料粉 末以成為預(yù)定組成的方式配合，并制作預(yù)定尺寸的成型體以制作預(yù)燒結(jié)體。
[0038] (e)燒結(jié)工序：
[0039] 然后，在使該預(yù)燒結(jié)體與WC基硬質(zhì)合金制支承片重疊的狀態(tài)下，裝入到通常的超 高壓燒結(jié)裝置，例如，在通常的燒結(jié)條件即5GPa的壓力、1500°C的溫度和30分鐘的保持時(shí) 間的條件下進(jìn)行超高壓高溫?zé)Y(jié)，制作出cBN燒結(jié)體。在上述超高壓高溫?zé)Y(jié)處理時(shí)，在預(yù) 先包覆于cBN粒子表面的由A1 203層和在其之上形成的A1N層的雙層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的包覆層中， 氧原子從A120 3層向A1N層擴(kuò)散，由此形成含氧A1N層。
[0040] 此時(shí)，若在A1203層之上形成的含氧A1N層的層厚較薄，則包覆含氧A1N層的效果 降低，耐缺損性下降。另一方面，若在A1 203層之上形成的含氧A1N層的層厚較厚，則由于 A1203層與含氧A1N層的界面上的應(yīng)力差變大，因而在用作工具時(shí)，變得容易在A1 203層與含 氧A1N層的界面產(chǎn)生龜裂，使耐缺損性下降。因此，將含氧A1N層的層厚控制在預(yù)定范圍內(nèi)。
[0041] 由這樣制作出的cBN燒結(jié)體制作了 cBN工具，結(jié)果該cBN工具即使在對(duì)刀尖施加 高負(fù)荷和高溫的高硬度鋼的斷續(xù)切削時(shí)，也不易產(chǎn)生龜裂，耐崩刀性和耐缺損性?xún)?yōu)異，其結(jié) 果在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
[0042] 也就是說(shuō)，在上述cBN工具中，由于cBN粒子表面被由A1203層和含氧A1N層的雙 層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的包覆層包覆，因此能夠抑制因 cBN粒子表面與包覆該粒子表面的含氧A1N層 熱膨脹特性之差而引起的界面上的龜裂的產(chǎn)生，能夠防止因該龜裂而引起的崩刀的產(chǎn)生、 缺損的產(chǎn)生。
[0043] 此外，通過(guò)在包圍cBN粒子的包覆層局部形成破口，能夠增加結(jié)合相形成用原料 與包圍cBN粒子的包覆