本发明提供一种高韧性的cBN基超高压烧结材料及由此制作的耐崩刀性优异的切削工具。一种高韧性cBN基超高压烧结材料和利用该材料的切削工具,具有包含硬质分散相和结合相的组织的cBN基超高压烧结材料中,作为结合相形成成分,至少含有Ti氮化物粉末颗粒以及Al、Al与Ti的合金、Al的氧化物及Ti与Al的氮化物中的至少任一粉末颗粒,并且,作为硬质分散相形成成分,含有cBN,形成结合相的粉末颗粒的50%的累积粒度为0.6~0.9μm,另外,对上述cBN基超高压烧结材料进行X射线衍射时,在40.5°≤2θ≤41.5°的衍射角度范围内出现Ti、Al、N的复合化合物的衍射峰,将该Ti、Al、N的复合化合物的衍射峰强度设为I,cBN的衍射峰强度设为I
1.一种高韧性立方晶氮化硼基超高压烧结材料,具有包含硬质分散相和结合相的组织,其特征在于,作为上述结合相形成成分,至少含有Ti氮化物粉末颗粒以及A1、A1与Ti的合金、A1的氧化物及Ti与A1的氮化物中的1种或2种以上的粉末颗粒,并且,作为上述硬质分散相形成成分,具有至少包含立方晶氮化硼的配合组成,上述Ti氮化物粉末颗粒的配合比例为16~26体积百分比,上述立方晶氮化硼的配合比例为65~75体积百分比,形成上述结合相的粉末颗粒的50%的累积粒度为0.6~0.9μm,另外,对于上述立方晶氮化硼基超高压烧结材料测定X射线衍射强度时,在40.5°≤2θ≤
41.5°的衍射角度范围内出现Ti、A1、N的复合化合物的衍射峰,将该Ti、A1、N的复合化合物的衍射峰强度设为I,并将来自上述立方晶氮化硼的(111)面的衍射峰强度设为I₀时,满足0.15≤I/I₀≤0.3。
2.一种切削工具,由权利要求1所述的高韧性立方晶氮化硼基超高压烧结材料构成。
3.一种高韧性立方晶氮化硼基超高压烧结材料制切削工具,其特征在于,在权利要求1所述的高韧性立方晶氮化硼基超高压烧结材料的表面蒸镀形成由Ti氮化物层及Ti和A1的氮化物层中的1层或2层以上构成的硬质包覆层。技术领域
本发明涉及一种具有高韧性的立方晶氮化硼基超高压烧结材料和切削工具,尤其涉及一种如下高韧性立方晶氮化硼基超高压烧结材料和由此制作的切削工具:由于立方晶氮化硼基超高压烧结材料具有高韧性,因此在高硬度被切削材料的断续切削条件下使用由此制作的切削工具时,也表现出优异的耐缺损性,经长期使用发挥优异的切削性能。
背景技术
以往,作为需要耐磨性的切削工具用材料,从高硬度观点考虑使用了立方晶氮化硼(以下称为cBN)基超高压烧结材料(以下称为cBN烧结体),例如,如专利文献1所示,已知有由如下物质构成的烧结体:以体积比计含有80~40%的cBN,并且剩余部分以周期表第IVa、Va、VIa族过渡金属的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物或者它们的混合物或相互固溶体化合物为主体的物质,以及向这些添加Al和/或Si的物质,但是将该烧结体作为高硬度钢的切削中的切削工具材料使用时,存在耐缺损性、耐磨性不充分之类的问题点。为了解决这样的问题,例如如专利文献2所示,已知有如下切削工具用cBN烧结体:包含25~47体积百分比的cBN,并且,作为结合材料粉末包含选自由Ti的碳化物、氮化物、碳氮化物及硼化物构成的组中的1种或2种以上以及选自由Al、Al与Ti的合金、Al的氮化物、Ti与Al的氮化物及Al的硼化物构成的组中的1种或2种以上,并且,Ti的碳氮化物及硼化物合计为40~70体积百分比,所述Ti的碳氮化物中的碳和氮之比为60∶40~30∶70,Al的硼化物及氮化物合计为2~20体积百分比,所述cBN颗粒通过结合相相互接合。并且,例如如专利文献3所示,已知有如下切削工具用cBN烧结体,即具备连续结合相、硬质分散相、介于连续结合相-硬质分散相之间的中间粘附相的3相组织,并且以质量百分比计具有由如下构成的配合组成的烧结体:作为上述连续结合相形成成分,氮化钛和/或碳氮化钛:20~37%,作为上述中间粘附相形成成分,Ti和Al的金属间化合物:3~8%,Ti、Al、N的复合化合物:5~10%、碳化钨:5~15%,作为上述硬质分散相形成成分,立方晶氮化硼:剩余(其中,含有45~55%)。专利文献1:日本专利公开昭53-77811号公报专利文献2:日本专利公开平10-114575号公报专利文献3:日本专利公开2003-145319号公报近几年的切削装置的高性能化及高输出化显著,并且对切削加工的节省劳力化及节能化的要求也强烈,伴随此,切削加工有高速化、高效率化的倾向,但现状为如下:在由上述以往的cBN烧结体构成的切削工具中,例如在高硬度淬火钢等的难切削材料的干式断续切削中使用时,不但结合相、连续结合相本身的韧性不充分,而且cBN颗粒对构成结合相、连续结合相的TiN、TiCN等的粘附性也不充分,所以在刀片上产生崩刀(微小碎片),从而在比较短的时间内达到使用寿命。因此,本发明人们从上述的观点考虑,为了开发韧性优异的切削工具用cBN烧结体,进行研究的结果得到以下见解。在制造以往cBN烧结体时,通过如下进行制造:使用平均粒径为0.5~4μm的cBN粉末和结合材料粉末作为原料粉末,并将这些粉末配合成预定的配合组成后,例如用球磨机湿式混合并干燥后,将此粉末冲压成型为成型体,预烧结该成型体,接着在超高压烧结装置内进行烧结。本发明人们得到了如下见解:着眼于原料粉末中的结合材料粉末,首先,对于结合相中形成Ti和Al的氮化物的结合材料粉末,例如预先用球磨机混合Ti的氮化物粉末颗粒以及Al、Al与Ti的合金、Al的氧化物及Ti与Al的氮化物中的1种或2种以上的粉末颗粒后成型,在真空气氛中进行临时烧结,临时烧结后粉碎成粉末颗粒50%的累积粒度变成0.6~0.9μm,将该粉碎的结合材料粉末配合成在2~10μm、优选为4~8μm的平均粒径的cBN粉末中成为预定配合组成,接着,与以往方法相同地制造cBN烧结体,得到与以往的cBN烧结体相比韧性更优异的cBN烧结体(以下,称为本发明cBN烧结体)。另外,本发明人们确认了如下内容:对上述本发明cBN烧结体进行了X射线衍射。使用CuKα射线源作为X射线源。X射线的波长为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="159"/>X射线衍射的结果,在以往的cBN烧结体中未发现的衍射角度2θ(其中,40.5°≤2θ≤41.5°)的衍射角度范围内,重新出现Ti、Al、N的复合化合物的衍射峰。而且,发现了如下内容:将在40.5°≤2θ≤41.5°的衍射角度范围内出现的上述Ti、Al、N的复合化合物的衍射峰强度设为I,并将对cBN烧结体的硬质分散相形成成分cBN颗粒进行的X射线衍射中的来自cBN的(111)面的衍射峰强度设为I₀时,满足0.15≤I/I₀≤0.3的关系时,cBN烧结体的结合相具有优异的韧性,其结果作为cBN烧结体整体具备优异的韧性,当通过这种cBN烧结体制作切削工具时,即使在高硬度钢的断续切削加工中使用,也能表现出优异的耐崩刀性和优异的耐缺损性,经长期使用发挥优异的切削性能。另外还发现了如下情况:在上述具有优异韧性的cBN烧结体的表面,通过蒸镀形成由Ti的氮化物层及Ti与Al的氮化物层中的1层或2层以上构成的硬质包覆层来制作切削工具时,表现出更优异的耐崩刀性、耐磨性。
发明内容
该发明是基于上述见解而完成的,其具有如下特征:(1)一种高韧性立方晶氮化硼基超高压烧结材料,具有包含硬质分散相和结合相的组织,其特征在于,作为上述结合相形成成分,至少含有Ti氮化物粉末颗粒以及Al、Al与Ti的合金、Al的氧化物及Ti和Al的氮化物中的1种或2种以上的粉末颗粒,并且,作为上述硬质分散相形成成分,具有至少包含立方晶氮化硼的配合组成,形成上述结合相的粉末颗粒的50%的累积粒度为0.6~0.9μm,另外,对于上述立方晶氮化硼基超高压烧结材料测定X射线衍射强度时,在40.5°≤2θ≤41.5°的衍射角度范围内出现Ti、Al、N的复合化合物的衍射峰,将该Ti、Al、N的复合化合物的衍射峰强度设为I,并将来自上述立方晶氮化硼的(111)面的衍射峰强度设为I₀时,满足0.15≤I/I₀≤0.3。(2)一种由所述(1)记载的高韧性立方晶氮化硼基超高压烧结材料构成的切削工具。(3)一种高韧性立方晶氮化硼基超高压烧结材料制切削工具,其特征在于,在所述(1)记载的高韧性立方晶氮化硼基超高压烧结材料的表面蒸镀形成由Ti氮化物层及Ti和Al的氮化物层中的1层或2层以上构成的硬质包覆层。以下对于本发明进行详细说明。该发明中,使用cBN粉末和结合材料粉末作为原料粉末,但是结合材料粉末的制备尤为重要。即,在混合cBN粉末和结合材料粉末而使之成为预定配合组成之前,需要如下制作结合材料粉末,并且,需要制备结合材料粉末的配合,以使存在于结合相中的Ti和N的含有比率成为预定比例。本发明的cBN烧结体中,结合相的主要成分为Ti的氮化物、Ti与Al的化合物、Al的氧化物等,但将这些结合相形成成分Ti的氮化物粉末颗粒以及Al、Al与Ti的合金、Al的氧化物及Ti与Al的氮化物中的1种或2种以上的粉末颗粒配合成存在于结合相中的Ti与N和含有比率成为预定比例(如后述,将Ti与N的含有比率以组成式:TiN_X(其中,X为基于原子比的N对Ti的含有比例)表示时,配合成X值成为0.90~0.92),预先用球磨机混合,成型这些粉末,在真空气氛中临时烧结成型体,将临时烧结后的成型体粉碎成50%累积粒度成为0.6~0.9μm的粉末颗粒,用球磨机将该粉碎后得到的结合材料粉末与cBN粉末进行混合,由结合材料粉末和cBN粉末得到混合粉末,将该混合粉末作为原料粉末,以下,经过与通常相同的工序(例如,原料粉末的成型、以900~1300°C范围内的预定温度在真空中的预烧结、在超高压烧结装置内的1200~1400°C的温度×5GPa压力下的烧结)制作本发明的cBN烧结体。如果上述粉碎得到的结合材料粉末的50%累积粒度不到0.6μm,则结合材料粉末过度粉碎,结合相的表面积变大且在超高压烧结时大量产生由结合材料粉末和cBN粉末构成的反应生成物(TiB₂,AlN),其反应生成物的过度产生成为使cBN烧结体及cBN工具的韧性降低的主要原因。另一方面,若50%累积粒度超过0.9μm,则由于结合材料粉末的粉碎不充分,所以结合相的表面积变小,超高压烧结时,只产生少量的由结合材料粉末和cBN粉末构成的反应生成物(TiB₂,AlN),因此,结合相·cBN的界面的结合力变弱,并且由于粉碎不充分,所以结合材料未填充于cBN-cBN之间,结果成为使cBN烧结体及cBN工具的韧性降低的主要原因。因此,在本发明中,有必要将粉碎得到的结合材料粉末的50%累积粒度设为0.6~0.9μm。另外,50%累积粒度是指,利用激光衍射/散射型粒度直径分布测定装置进行测定的粒度分布测定结果中,将粉体从某个粒径分为2部分时,以其粒径设为分界,粒度较大的一侧的体积和粒度较小的一侧的体积成为等量的粒径。而且,对在上述制作的本发明的cBN烧结体进行了X射线衍射。为了参考,对根据以往方法制造的以往cBN烧结体(例如,专利文献2所记载的烧结体)也进行了X射线衍射。使用CuKα射线源作为X射线源。X射线的波长为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="161"/>如图1所示,对于本发明的cBN烧结体,除了在2θ=35°~45°的衍射角度范围内出现Ti的碳氮化物的衍射峰(约42.2°,42.6°)及cBN的(111)面的衍射峰(约43.2°)之外,在2θ=40.5°~41.5°的范围内出现Ti、Al、N的复合化合物的衍射峰。而且,本发明的任一cBN烧结体中,将2θ=40.5°~41.5°范围内的Ti、Al、N的复合化合物的衍射峰强度设为I,并将2θ=43.2°中的cBN的(111)面的衍射峰强度设为I₀时,I/I₀的值始终满足0.15≤I/I₀≤0.3。与此相反,如图2所示,关于上述以往cBN烧结体,在2θ=35°~45°的衍射角度范围内,虽然与本发明cBN烧结体相同地观察Ti的碳氮化物的衍射峰(约42.2°,42.6°)、cBN的(111)面的衍射峰(约43.2°),但是在2θ=40.5°~41.5°的范围内,未观察到Ti、Al、N的复合化合物的衍射峰。并且可知,关于本发明的cBN烧结体和以往cBN烧结体,制作切削工具,进行高硬度钢的干式断续切削试验,并且调查由其冲击次数引起的缺损的有无,进行韧性评价的结果,如后述的表4所示,在以往cBN烧结体中,在180秒的切削时间内均产生缺损并达到工具寿命,但在本发明的cBN烧结体中,能够进行180秒以上(试验刀片7为300秒以上)的切削,本发明的cBN烧结体与以往cBN烧结体相比韧性更优异。并且,从表4的干式断续切削试验结果可知,本发明的cBN烧结体的冲击特性(韧性)还根据结合相中的Ti与N的含有比例变化,但以组成式:TiN_X(其中,X为基于原子比的N对Ti的含有比例)表示cBN烧结体的结合相中的Ti与N的含有比例时,在X=0.90~0.92的范围内,显示出非常优异的冲击特性(韧性)。并且,为X=0.90~0.92的范围时,在2θ=40.5°~41.5°中,Ti、Al、N的复合化合物的衍射峰强度I和cBN的(111)面的衍射峰强度I₀满足0.15≤I/I₀≤0.3的关系。另外,若叙述本发明的cBN烧结体所含有的各个成分的作用效果,则为如下。Ti的氮化物具有提高烧结性的同时提高结合相的强度的作用,但是,若其配合比例不到16体积百分比,则很难确保所希望的强度,另一方面,若其配合比例超过26体积百分比,则耐磨性显示降低倾向,因此其配合比例优选设为16~26体积百分比。Al、Al与Ti的合金、Al的氧化物及Ti与Al的氮化物中的1种或2种以上的成分,在烧结时优先反应,在结合相中形成Ti、Al、N的复合化合物的同时,形成TiB₂、AlN,凝聚在硬质分散相cBN表面,因此烧结后的cBN烧结体在Al、Al与Ti的合金、Al的氧化物及Ti与Al的氮化物中的1种或2种以上的成分与Ti、Al、N的复合化合物与硬质分散相的cBN之间介入有TiB₂、AlN,并且提高结合相的韧性。而且,该Ti、Al、N的复合化合物因具有与Ti的氮化物、TiB₂、AlN及cBN均坚固地粘附接合的性质,因此结合相与硬质分散相的粘附性显著提高,其结果有助于韧性、耐崩刀性的提高。构成cBN硬质分散相的cBN若其配合比例不到65体积百分比,则无法确保所希望的优异的耐缺损性,另一方面,若其配合比例超过75体积百分比,则结合材料的体积相对减少,从而在cBN颗粒-cBN颗粒之间产生缝隙,其结果,容易产生崩刀,由此其比例优选设为65~75体积百分比。使用本发明的高韧性cBN烧结体作为切削工具时,预烧结cBN烧结体(例如,在真空中以900~1300°C保持1小时)之后,例如,能够通过以与硬质合金刀片重叠的状态,在超高压烧结装置内高温高压条件下(例如,1200~1400°C×5GPa)进行烧结来制作。并且,为了更加提高切削工具的耐热性、耐崩刀性、耐磨性,在cBN烧结体表面,例如蒸镀Ti的氮化物层及Ti与Al的氮化物层中的1层或2层以上,制作表面由硬质包覆层包覆形成的切削工具即可。发明效果本发明的cBN烧结体通过在结合相中,形成满足0.15≤I/I₀≤0.3的衍射峰强度比的Ti、Al、N的复合化合物相,从而结合相的韧性提高,其结果能够得到具有优异的韧性的cBN烧结体,并且,使用该cBN烧结体作为切削工具时,由于显示出优异的耐崩刀性、耐缺损性,因此能够得到经长期使用发挥优异的切削性能的切削工具。
附图说明
图1表示本发明的cBN烧结体的X射线衍射图表。图2表示以往的cBN烧结体的X射线衍射图表。
具体实施方式
以下根据实施例具体说明本发明。[实施例]作为原料粉末中的结合材料粉末,准备均具有0.5~4μm范围内的预定平均粒径的表1所示的Ti的氮化物粉末、Al粉末、Al与Ti的合金粉末、Al的氧化物粉末及Ti与Al的氮化物粉末,配合成表1所示的配合比例,并用球磨机湿式混合72小时且干燥之后冲压成型,将该成型体在真空中以900~1300°C范围内的温度临时烧结,将临时烧结后的成型体粉碎成如表1所示的50%累积粒度成为0.6~0.9μm的粉末颗粒。接着,将作为硬质分散相形成成分的另一原料粉末即表2所示的平均粒径为2~10μm(优选4~8μm)的cBN粉末与上述粉碎的结合材料粉末配合成为表2所示的预定配合比例,制作本发明原料粉末之后,在表2所示的条件下用球磨机混合,用100MPa的压力冲压成型为具有直径:50mm×厚度:1.5mm尺寸的成型体,并且在真空中,以在900~1300°C范围内的预定温度中保持1小时的条件对该成型体进行预烧结。接着,在将此与另外准备的具有直径:50mm×厚度:2mm尺寸的硬质合金刀片(组成:WC-8%Co)重叠的状态下,装入超高压烧结装置中,以在1200~1400°C范围内的预定温度并在5GPa的压力下保持30分钟的条件进行烧结,制作本发明cBN烧结体1~8的同时,利用金刚石磨刀石对烧结后的上下面进行研磨,实施由电弧放电引起的线切割,由此制作用所述硬质合金做衬垫的本发明的cBN烧结体制切削刀片(以下称为本发明刀片)1~8。为了比较,对于表1所示的配合组成的结合材料粉末,与平均粒径为0.5~8μm的cBN粉末混合而制作比较例原料粉末,以使成为表1所示的预定配合比例,在表2所示的条件下用球磨机混合,用100MPa的压力冲压成型为具有直径:50mm×厚度:1.5mm尺寸的成型体,并且在真空中,以在900~1300°C范围内的预定温度中保持1小时的条件对该成型体进行预烧结,接着,在将此与另外准备的具有直径:50mm×厚度:2mm尺寸的硬质合金刀片(组成:WC-8%Co)重叠的状态下,装入超高压烧结装置中,以在1200~1400°C范围内的预定温度并在5GPa的压力下保持30分钟的条件进行烧结,制作比较例cBN烧结体1~8的同时,利用金刚石磨刀石对烧结后的上下面进行研磨,实施由电弧放电引起的线切割加工,由此分别制造了用所述硬质合金做衬垫的比较例的cBN烧结体制切削刀片(以下称为比较例刀片)1~8。对上述的本发明刀片1~8及比较例刀片1~8的cBN烧结体进行X射线衍射,测定在40.5°≤2θ≤41.5°的衍射角度范围内出现的Ti、Al、N的复合化合物的衍射峰强度I的同时,测定在43.2°的衍射角度出现的来自cBN的(111)面的衍射峰强度I₀,求出I/I₀的值。使用CuKα射线源作为X射线源。X射线的波长为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="157"/>图1中表示本发明刀片(本发明cBN烧结体)1的X射线衍射图表,图2中表示比较例刀片(比较例cBN烧结体)1的X射线衍射图表。并且,将I、I₀、I/I₀的值示于表3。[表1]ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="700"/>[表2]ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="620"/>[表3]ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>将上述各刀片钎焊在形成于硬质合金主体(组成:WC-10重量%Co)的刀片前端部的切口台阶部,由此制作了具有JIS·TNMA160408中规定的形状的可转位刀片型切削工具。并且,关于本发明刀片1、3、4、5、7及比较例刀片2、4、5、7,在丙酮中超声波清洗该刀片并干燥的状态下,安装在通常的电弧离子镀装置内,安装金属Ti作为阴极电极(蒸发源),首先对装置内进行排气,在0.5Pa以下的真空中保持的同时,用加热器将装置内加热到500°C之后,对所述工具外加-1000V的直流偏压,另一方面,使100A的电流流过阴极电极的所述金属Ti与阳极电极之间而产生电弧放电,而且对所述刀片表面进行Ti轰击清洗,接着在装置内导入氮气作为反应气体而设为5Pa的反应气氛的同时,向所述工具外加-100V的直流偏压,另一方面,使100A的电流流过阴极电极和阳极电极之间而产生电弧放电,而且在所述本发明刀片1、3、4、5、7及比较例刀片2、4、5、7的表面蒸镀形成由所希望的平均层厚的Ti的氮化物层及Ti与Al和氮化物层中的1层或2层以上构成的硬质包覆层,由此制作本发明包覆刀片1、3、4、5、7及比较例包覆刀片2、4、5、7。利用上述各刀片、各包覆刀片,在以被切削材料:渗碳淬火钢(JIS·SCM415、硬度:HRC62)的长度方向等间隔开有4条纵槽的圆棒、切削速度:150m/min、切口:0.2mm、进给速度:0.2mm/rev的条件下,进行难切削材料的干式断续切削试验,测定刀片缺损为止的切削时间。将该测定结果示于表4。[表4]ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>从表3、4所示的结果可知,本发明cBN烧结体通过在结合相中形成有满足0.15≤I/I₀≤0.3的衍射峰强度比的Ti、Al、N的复合化合物相,从而提高结合相的韧性,其结果能够得到具有优异的韧性的cBN烧结体,并且,将由该cBN烧结体制作的本发明刀片、本发明包覆刀片作为切削工具使用时,在高硬度钢的干式断续切削加工中,显示出优异的耐崩刀性、耐缺损性,所以能够得到经长期使用发挥优异的切削性能的切削工具。另一方面,还可以了解到,未在结合相中形成有满足0.15≤I/I₀≤0.3的衍射峰强度比的Ti、Al、N的复合化合物相的比较例cBN烧结体,由于其韧性不充分,所以对于由比较例cBN烧结体制作的比较例刀片、比较例包覆刀片,均因刀尖的崩刀、缺损,工具寿命缩短。工业实用性该发明的cBN烧结体为韧性优异且为高硬度,从而可以用作铣削工具、车刀、立铣刀、切刀、钻头等各种切削工具。