专利名称：立方氮化硼烧结体工具的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及立方氮化硼烧结体工具，特别是具有优异的耐热性和耐崩裂性的立方氮化硼烧结体工具。
背景技术：
与常规硬质合金相比，立方氮化硼(下文中也称为“cBN”)烧结体工具所采用的cBN烧结体因其化学稳定性、对铁的低亲和性以及高硬度，从而被认为是一种高效的、具有长使用寿命的材料。当将这种cBN烧结工具用作切削工具时，它具有柔韧性优于磨削工具、、环境负荷小等优点。因此，cBN烧结体工具在难加工的铁系材料的加工中取代了常规工具。cBN烧结体主要分为两种组成，即，高cBN含量烧结体和低cBN含量烧结体。前者具有高的cBN含有率，其中cBN颗粒彼此结合，并且余物由含有Co和/或Al作为主要成分的结合剂结合在一起。后者具有较低的cBN颗粒含有率，因此所表现出的cBN颗粒之间的接触率低，并且通过诸如Ti的氮化物(TiN)和Ti的碳化物(TiC)之类的对铁的亲和性低的陶瓷结合在一起。这两种cBN烧结体由于cBN含有率的不同，相对应的切削加工的工件也不同。下文将对每种cBN烧结体所适合的工件进行说明。在对铁系烧结部分进行切削加工、以及对灰铸铁进行切削加工时，由于切屑容易分断为小片，因此不容易产生由切屑所导致的剪切热，其中，在对铁系烧结部分进行切削加工中，与硬颗粒接触而造成的机械磨损和损伤是主要的；在对灰铸铁进行切削加工中，由高速断续机械加工产生的热冲击所造成的损伤是主要的。在对这种材料进行切削加工时，适宜通过使用前者(高cBN含量烧结体)来进行机械加工。换言之，在对灰铸铁等进行切削加工时，由于cBN的优异的机械性能(高硬度、高强度、高韧性)和高导热率，因此高cBN含量烧结体具有显著的稳定性和长使用寿命。然而，在将高cBN含量烧结体应用于硬化钢的机械加工时，会因高硬度和连续产生切屑而导致产生剪切热。高cBN含量烧结体的切削刃被暴露在高温下，cBN和铁之间的反应致使磨损快速发展。由此无法获得足够长的工具使用寿命。因此，对硬化钢进行机械加工时，优选使用低cBN含量烧结体。换言之，由于低cBN含量烧结体含有大量的基于TiN或TiC陶瓷的结合剂，该结合剂在高温下对铁的亲和性低，因此低cBN含量烧结体尤其在高温下表现了优异的耐磨性。工具使用寿命可以达到常规工具的十倍至几十倍。具有这样性质的低cBN含量烧结体打开了硬化钢的切削市场。近来在汽车产业领域，一些汽车制造厂开始使用非常薄的高强度铸铁部件，致力于改善性能并减轻汽车的重量。例如，将由片状石墨铸铁制成的汽缸体改良为由蠕墨铸铁制成的汽缸体，并将差速器箱(一种汽车部件)的材料由F⑶450改为F⑶700。F⑶的后三位数字表示抗张强度，数值越大意味着强度越高。随着这种材料的更替，人们开始需要一种能够以高效率和高精度加工高强度铸铁材料的工具。使用常规硬质合金工具和陶瓷工具时，只能在至多200m/分钟的速度下对诸如球墨铸铁之类的高强度材料进行机械加工。此外，即使使用常规的cBN烧结体工具，切削速度也最多为300m/分钟至400m/分钟，并且工具的使用寿命也没达到满意的水平。例如，日本专利特开No. 08-120391 (PTL I)公开了能够以长使用寿命切削球墨铸铁的cBN烧结体的组成。具体而言，根据专利文献I所述，通过采用Hf、TiHf、元素周期表中的IVa族元素、Va族元素、VIa族元素中任意元素的碳氮化物作为构成cBN烧结体的结合相的主要组分，由此使cBN烧结体获得长使用寿命。然而，需要进一步改善专利文献I中的cBN烧结体的耐磨性，从而满足当前对高速和长使用寿命的需求。此外，日本专利特开No. 2008-222485 (PTL 2)和 W02007/057995 (PTL 3)公开了一种被覆复合烧结体，这种被覆复合烧结体具有被陶瓷包覆的高cBN含量烧结体。然而，作为任何被覆复合烧结体基材的cBN烧结体均不具备充分的耐磨性。需要进一步改善耐磨性。此外，日本专利特开No. 2000-044347 (PTL 4)和日本专利特开No. 2000-044350(PTL 5)公开了一种cBN烧结体，其是通过用诸如TiN和AlN之类的金属氮化物层包覆cBN颗粒，并将该cBN颗粒与构成结合相的材料一同烧结而获得的。引用列表专利文献PTL I :日本专利特开 No. 08-120391PTL 2 :日本专利特开 No. 2008-222485PTL 3 W0 2007/057995PTL 4 :日本专利特开 No. 2000-044347PTL 5 :日本专利特开 No. 2000-044350
发明内容
技术问题如同上述专利文献4和5所公开的，当cBN烧结体的表面被金属氮化物层包覆时，由于cBN颗粒之间结合不充分，因此导致容易发生崩裂的问题。鉴于上述问题，本发明的目的是通过使立方氮化硼烧结体的耐热性和耐崩裂性达到高度平衡，从而使立方氮化硼烧结体工具获得长使用寿命。解决问题的手段对球墨铸铁进行机械加工所常规使用的cBN烧结体是由大致相当于含有率一半的cBN和基于结合相的剩余部分所构成的，其中结合相包含Ti的碳化物和碳氮化物，以及Al化合物作为主要成分。所述结合相还含有在cBN烧结体的烧结过程中产生的少量TiB2和 AlB2。本发明人通过改变构成结合相的成分的组成比率，从而对磨损速度和材料强度间的关系进行研究，结果发现，当提高TiB2和AlB2之类的硼化物的含量时，材料的强度趋向于增加，同时磨损速度升高。此外，通过研究当改变TiC与TiB2或AlB2之间的X射线衍射的峰值强度比值时材料强度和磨损速度的变化，结果发现在材料强度和磨损速度之间存在平衡状态，而非材料强度和磨损速度之间的简单的不可兼得的关系。基于此发现，经过刻苦研究完成了本发明。本发明所述立方氮化硼烧结体工具至少在切削刃处具有立方氮化硼烧结体，该立方氮化硼烧结体包含有立方氮化硼颗粒和结合相。所述立方氮化硼烧结体包含40体积％_70体积％(大于等于40体积％且小于等于70体积％;下文中，除非有其它说明，否则其表示相同的含义)的立方氮化硼颗粒。所述结合相包含第一成分和第二成分。所述第一成分包含TiC，所述第二成分包含TiB2和AlB2中的一者或两者。在立方氮化硼烧结体中除立方氮化硼颗粒之外的其它所有组分的X射线衍射强度中，第一成分的(200)面的X射线衍射强度I1最高，并且满足0. 01 ( Vl1 < 0. I，其中I2为第二成分(101)面的X射线衍射强度。第二成分中的至少有一部分与立方氮化硼颗粒表面相接触。立方氮化硼颗粒表面上的第二成分的表面占有率为20%-70%。结合相优选包含I体积％_10体积％的第二成分。发明效果
本发明所述立方氮化硼烧结体工具具有上述构造，从而实现了立方氮化硼烧结体的耐热性和耐崩裂性之间的高度平衡，由此可使立方氮化硼烧结体工具获得长使用寿命。
具体实施例方式下文将对本发明的立方氮化硼烧结体工具的每种构成进行说明。<立方氮化硼烧结体工具>本发明所述cBN烧结体工具至少在切削刃处具有cBN烧结体，该cBN烧结体包含cBN颗粒和结合相。换言之，cBN烧结体工具可以仅由cBN烧结体制成；或者也可以具有通过使用粘合剂而接合至基材(该基材由硬质合金、金属陶瓷等制成)的切削刃处的cBN烧结体。此外，cBN烧结体工具的表面可以被硬质陶瓷覆盖层覆盖。关于硬质陶瓷覆盖层，可以采用人们所熟知的组成。在本发明中，“切削刃”表示和工件相接触的区域。本发明cBN烧结体工具通过使用接下来将进行说明的cBN烧结体，使得耐热性和耐崩裂性之间达到高度平衡，因此即使对球墨铸铁(奥氏体等温石墨铸铁)和蠕墨铸铁(片状石墨铸铁)也能以(例如)大于或等于400m/分钟的高切削速度进行切削加工。此外，可以获得长使用寿命。当将本发明cBN烧结体工具用于切削加工应用时，其尤其可用于车削加工、铣削
加工等。<立方氮化硼烧结体>本发明所述立方氮化硼烧结体的特征在于，其含有cBN颗粒和结合相，并且cBN颗粒的含量为40体积％_70体积％。由于含有所述体积比率的cBN颗粒，使得在立方氮化硼烧结体的强度和耐热性之间建立起非常好的平衡，从而实现了耐热性和耐崩裂性间的高度平衡。如果cBN颗粒少于40体积％，其强度不足以对难以切削的球墨铸铁进行切削加工，并且耐崩裂性发生劣化。如果cBN颗粒超过70体积％，由于结合相的含量相对降低，因此耐热性发生劣化。切削加工时产生的热会使cBN发生反应从而促进磨损。cBN颗粒的体积比率优选为大于或等于50体积％且小于或等于65体积％。在本发明中，除了 cBN颗粒和结合相夕卜，cBN烧结体还可以包含其它成分。<立方氮化硼颗粒>从提高材料强度的角度来看，本发明cBN烧结体中的cBN颗粒优选具有较小的平均粒径，并且平均粒径优选为小于或等于6 u m。从不使cBN烧结体的韧性发生劣化的角度来看，cBN颗粒的平均粒径优选为大于或等于0.1 Pm。从材料强度和韧性间的平衡的角度来看，cBN颗粒的平均粒径优选为大于或等于I 且小于或等于4 Pm。此外，优选使用表面被金属层包覆的cBN颗粒。后面将对其中的理由和所述金属层进行说明。<结合相>在本发明中，结合相的特征在于，其表现出将cBN颗粒结合的作用，并且其包含有第一成分和第二成分。所述第一成分包含TiC，所述第二成分包含TiB2和AlB2中的一者或两者。当第一成分的(200)面的X射线衍射强度为I1，并且第二成分的(101)面的X射线衍射强度为I2时，在立方氮化硼烧结体中除立方氮化硼颗粒之外的其它所有组分的X射线衍射强度中，I1是最大的，并且满足0.01 ( I2ZI1 < o. I。通过将第一成分和第二成分包括在此特定的X射线衍射强度比中，在第一成分和第二成分的组成之间建立起良好的平衡， 从而显著增强了耐热性和耐崩裂性。更优选的是，X射线衍射强度为0. 02 ( VI1 ( 0. 05。如果I2A1小于0. 01，就无法增强CBN颗粒之间的结合力，从而导致耐崩裂性的劣化。如果I2ZI1超过0. 1，则具有优异的耐磨性的TiC的含量将会相对降低，而耐磨性较差的TiB2和AlB2的含量将会增加，由此导致cBN烧结体的耐磨性发生明显劣化。构成第二成分的TiB2和AlB2的X射线衍射的峰值波长相当接近。因此，尽管很难确认第二成分(101)面的X射线衍射强度I2是来自于TiB2还是AlB2，但来自于其中任何一个都是可以的。在本发明中，结合相优选包含I体积％_10体积％的、由金属硼化物形成的第二成分。通过含有所述体积比率的第二成分，能够增强cBN颗粒的粘结力，从而提高cBN烧结体的耐磨性。更加优选的是，含有3体积％-7体积％的第二成分。如果第二成分小于I体积％，则cBN颗粒之间的粘结力不足，从而导致强度劣化。如果第二成分超过10体积％，则耐磨性将会发生劣化。在本发明中，第二成分有利于增强cBN颗粒与结合相之间的结合力，不利的是其大量存在于结合相中会导致耐磨性的降低。因此，高浓度的第二成分仅局部存在于cBN颗粒周围。由此增强cBN颗粒的结合力，从而增加cBN烧结体的强度。为了将第二成分设置于围绕cBN颗粒的局部区域，优选将构成第二成分的金属包覆层(以下称为“金属层”)施加于cBN颗粒的表面，再将其与构成结合相的原料粉末混合，然后对其进行烧结。包覆cBN颗粒的金属层的组成优选为Ti和Al中的一者或两者，更加优选为TiAl。此外，相对于cBN颗粒的质量比率,被用作包覆层的金属层的量优选为I质量％_40质量％,更加优选为5质量％-20质量％。在本发明中，占据cBN颗粒表面的第二成分的表面占有率为20%_70%，更加优选为40%-60%。通过满足所述表面占有率，可进一步提高cBN烧结体的耐磨性和耐崩裂性。本文中所用的“表面占有率”是针对局部分布于cBN颗粒周围的第二成分来进行定量评估的，其由下述方式来进行计算。首先，沿任意截面切割本发明的cBN烧结体，当使用SEM观察截面时，准备一张以上的放大10000倍的观察图像。在所述观察图像上出现的CBN颗粒中，任选20个粒径大于或等于I U m的颗粒，计算这些颗粒的外周长的总和。然后，计算这20个cBN颗粒中与第二成分接触的区域的长度的总和。将这些cBN颗粒与第二成分接触的区域的长度的总和除以这些cBN颗粒的外周长的总和，所得到的百分率即为cBN颗粒表面的第二成分的表面占有率。表面占有率小于20%是不优选的，这是因为cBN颗粒的粘结力会降低。如果表面占有率超过70%，由于除第二成分外的其它成分的含量会相对降低，从而会使耐热性劣化。因此，切削加工所生成的热将会增加，从而容易导致cBN颗粒发生反应，继而促进磨损。结合相可以仅包含第一成分和第二成分，或者可以包含除第一成分和第二成分之外的其它成分。所述其它成分包括人们所熟知的成分，例如下述化合物或相关化合物的相互固溶体中的至少一种，该化合物包含选自由周期表中的IVa族元素、Va族元素、VIa族元素和铝所构成的组中的至少一种元素；以及选自由氮、碳和硼所构成的组中的至少一种元素(TiC、TiB2和AlB2除外)。<cBN烧结体的制造方法> 本发明所采用的cBN烧结体由下述方法制造。首先，cBN颗粒表面优选为由Ti和Al中的一者或两者形成的金属层包覆。所述金属层的施加(例如)通过RF溅射PVD进行。将包覆有金属层的cBN颗粒和构成结合相的原料粉末引入超高压装置中。对此混合粉末进行超高压烧结，从而制得cBN烧结体。由于在烧结之前用金属层覆盖于cBN颗粒表面，因此在烧结之后，第二成分(TiB2或AlB2)局部分布于cBN颗粒的周围，从而使cBN颗粒和结合相间的粘结力得到增强。通常，cBN颗粒的表面被金属氮化物层包覆，然后将cBN颗粒与结合相的原料粉末混合并进行烧结。尽管从技术角度来看，用金属氮化物层包覆cBN颗粒的方法似乎与本发明所限定的利用金属层来包覆cBN颗粒的方法一样，但是需要指出的是，从cBN颗粒中所含硼的扩散的角度来看，金属氮化物层和金属层显示出完全相反的特性。具体而言，本发明用金属层包覆cBN颗粒的表面是为了促使构成cBN颗粒的硼扩散进入结合相中(具体而言，为了构成第二成分)，而常规方法中利用金属氮化物层包覆cBN颗粒的表面是为了防止cBN颗粒中的硼的扩散。因此，本发明的构造(即，被金属层包覆)难以由常规技术中获得。上述超高压烧结时的压力优选为大于或等于5. 5GPa且小于或等于7GPa。超高压烧结时的温度优选为大于或等于1200°C且小于或等于1500°C。超高压烧结处理所需要的时间优选为大于或等于5分钟且小于或等于30分钟。与原料粉末混合时的cBN颗粒的体积比率相比，超高压烧结后的cBN颗粒的体积比率要低2-3体积％。例子尽管将基于实施例对本发明做更详细的说明，但应该理解到，本发明并不局限于这些实施例。<实施例1>cBN烧结体工具由下述方法制造。首先，使用PF溅射PVD装置将由TiAl形成的金属层覆盖于平均粒径为3 ii m的cBN颗粒的表面上。在功率为2kW/h、溅射室转数为18Hz、并且氩气流为14. Occm的条件下，进行8个半小时的溅射。由此cBN颗粒表面被覆盖的质量比率为15质量％。接下来，将由极薄的TiAlN薄膜形成的保护层施加于金属层的最外表面。该包覆工序的条件为功率和溅射室的转数与上述金属层施加时相同，并且氩气流为14. Occm、氮气流为7. Occm的条件，该包覆工序进行30分钟。
接下来，对平均粒径为I ii m的TiC粉末和平均粒径为4 ii m的Al粉末进行粉碎，并以TiC: Al=95:5的质量比进行混合，然后在真空中于1200°C的条件下对其进行30分钟的热处理，从而获得化合物。通过球磨机粉碎法将该化合物均匀粉碎，从而获得构成结合相的原料粉末，其中球磨机粉碎法使用了由硬质合金制成的、6mm直径的球状介质。然后，将包覆有金属层的cBN颗粒和构成结合相的原料粉末混合，以获得表I中“ cBN含有率”列中所示出的组成,并使用由氮化硼制成的、3mm直径的球状媒介，通过球磨机混合法将该混合物混合均匀。将混合后的粉末层压到由硬质合金制成的支持板上，然后将其填充到由Mo制成的容器中，接着使用超高压设备在5. 5GPa的压力以及1400°C下将混合粉末烧结30分钟，从而获得cBN烧结体。<实施例2-7，比较例1_4>实施例2-7和比较例1-4的cBN烧结体工具由与实施例I类似的方法制造，不同之处在于按照表I所不改变cBN含有率、金属层包覆率、以及构成结合相的原料粉末的组 成和质量比。特别是，调整了与金属层包覆率相应的金属相的质量比率，以得到表I (下文中将对其进行说明)中的“12/%”值。例如,实施例2中，cBN烧结体中cBN颗粒的体积比率为60体积％，包覆在cBN颗粒表面上的金属层的含量为10质量％，将97质量％的TiC和3质量％的Al作为构成剩余的结合相的原料粉末。比较例3的cBN烧结体工具由与实施例2类似的方法制造，不同之处在于相对与实施例2的cBN烧结体工具来说，采用了未被金属层包覆的cBN颗粒。<实施例8>按照如下方法制造cBN烧结体工具。首先，使用RF溅射PVD装置在平均粒径为
2iim的cBN颗粒上包覆由15质量％的TiAl形成的金属层。接下来，将平均粒径为1.5iim的TiC粉末与平均粒径为3 ii m的Al粉末以TiC:Al=95:5的质量比混合，然后在真空中于1200°C下对其进行30分钟的热处理，从而获得化合物。利用球磨机粉碎法将该混合物均匀粉碎，从而获得构成结合相的原料粉末，其中所述球磨机粉碎法使用了由硬质合金制成的、6mm直径的球状介质。接下来，将被金属层包覆的cBN颗粒、未被包覆的cBN颗粒、以及构成结合相的原料粉末以12:50:38的质量比混合，以获得表2中的“体积比率”然后使用球磨机混合法将该混合物均勻混合，其中该球磨机混合法使用了由氮化硼制成的、3_直径的球状介质。将混合后的粉末层压到由硬质合金制成的支持板上，然后将其填充到由Mo制成的容器中，接下来使用超高压设备在5. 5GPa的压力以及1400°C下对其进行30分钟的烧结，从而获得cBN烧结体。< 实施例 9-12〉实施例9-12的cBN烧结体由与实施例8类似的方法制造，不同之处在于相对于实施例8的cBN烧结体工具来说，按照表2所示改变了被金属层包覆的cBN颗粒和未被包覆的cBN颗粒的混合比率。通过改变cBN颗粒的混合比率，从而调整了实施例9-12的cBN烧结体中第二成分的体积比率和表面占有率(如下文表3中的“第二成分含有率”和“表面占有率”列中所示)。上述所制造的各实施例中的cBN烧结体工具至少在切削刃处具有立方氮化硼烧结体，该立方氮化硼烧结体包含立方氮化硼颗粒和结合相。所述立方氮化硼烧结体包含40体积％-70体积％的立方氮化硼颗粒。所述结合相包含第一成分和第二成分。所述第一成分包含TiC，所述第二成分包含TiB2和AlB2中的一者或两者。当第一成分(200)面的X射线衍射强度为I1，并且第二成分(101)面的X射线衍射强度为12时，在立方氮化硼烧结体中除所述立方氮化硼颗粒之外的其它所有组分的X射线衍射强度中，^是最大的，并且满足0. Oi ( Vi1 ( 0. I。<比较例5>采用了市售可得 的cBN烧结体(产品名称BX930(由Tungaloy株式会社制造))。〈比较例6>采用了市售可得的cBN烧结体(产品名称MB710(Mitsubishi Material株式会社制造))。[表 I]
权利要求
1.一种立方氮化硼烧结体工具，其至少在切削刃处具有立方氮化硼烧结体，该立方氮化硼烧结体包含立方氮化硼颗粒和结合相，其中 所述立方氮化硼烧结体包含40体积％至70体积％的所述立方氮化硼颗粒， 所述结合相包含第一成分和第二成分， 所述第一成分包含TiC， 所述第二成分包含TiB2和AlB2中的一者或两者，并且 当所述第一成分的(200)面的X射线衍射强度为I1，并且所述第二成分的(101)面的X射线衍射强度为I2时，在所述立方氮化硼烧结体中除了所述立方氮化硼颗粒之外的其它所有成分的X射线衍射强度中，所述I1最大，并且满足O. 01 ( VI1 < O. I。
2.根据权利要求I所述的立方氮化硼烧结体工具，其中 所述第二成分中的至少一部分与所述立方氮化硼颗粒的表面接触， 所述第二成分在所述立方氮化硼颗粒表面处的表面占有率为20%至70%，并且 所述结合相包含I体积％至10体积％的所述第二成分。
全文摘要
本发明涉及一种立方氮化硼烧结体工具，通过使立方氮化硼烧结体的耐热性与耐崩裂性之间达到高度平衡，从而使立方氮化硼烧结体工具实现长使用寿命。本发明的立方氮化硼烧结体工具至少在切削刃处具有立方氮化硼烧结体，该立方氮化硼烧结体包含立方氮化硼颗粒和结合相。所述立方氮化硼烧结体包含40体积%至70体积%的所述立方氮化硼颗粒。所述结合相包含第一成分和第二成分。所述第一成分包含TiC，所述第二成分包含TiB2和AlB2中的一者或两者。当所述第一成分的(200)面的X射线衍射强度为I1，并且所述第二成分的(101)面的X射线衍射强度为I2时，在所述立方氮化硼烧结体中除了所述立方氮化硼颗粒之外的其它所有成分的X射线衍射强度中，所述I1最大，并且满足0.01≤I2/I1≤0.1。
文档编号C04B35/583GK102712048SQ201180006194
公开日2012年10月3日 申请日期2011年10月7日 优先权日2010年10月19日
发明者久木野晓, 冈村克己, 阿部真知子 申请人:住友电工硬质合金株式会社