立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具的制作方法
【專利摘要】提供一種即使在高硬度鋼的斷續(xù)切削加工中也發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性和耐磨性且在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能的cBN工具。其通過以下方式解決上述課題：在cBN燒結(jié)體制切削工具中，將作為硬質(zhì)相成分至少含有cBN粒子的cBN燒結(jié)體作為工具基體，所述cBN粒子在表面具有平均層厚為1.0～10nm的Al2O3層，該Al2O3層具有平均形成比例為0.02以上0.20以下的破口，所述cBN燒結(jié)體在所述cBN粒子的周邊具有單獨(dú)包含TiN的結(jié)合相或包含TiN及TiC、TiB2、TiCN、AlN、Al2O3、WC等的結(jié)合相，將自所述cBN粒子的表面起50nm的區(qū)域的體積設(shè)為100體積％時(shí)，合計(jì)形成于所述cBN粒子的表面上的Al2O3和在所述結(jié)合相中存在的Al2O3后的平均含有比例為2～40體積％。
【專利說明】立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種耐崩刀性和耐缺損性優(yōu)異的立方晶氮化硼（以下用CBN表示）基 燒結(jié)體制切削工具（以下稱為cBN工具）。
[0002] 本申請(qǐng)基于2012年5月16日在日本申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)2012-112492號(hào)、及2013 年3月22日在日本申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)2013-60098號(hào)主張優(yōu)先權(quán)，并將其內(nèi)容援用于此。

【背景技術(shù)】
[0003] 以往，已知有在鋼、鑄鐵等鐵系工件的切削加工中，將cBN基燒結(jié)材料（以下稱為 cBN燒結(jié)體）作為與工件之間的親和性較低的工具材料而使用的cBN工具。
[0004] 例如，如專利文獻(xiàn)1所示，已知含有40?80體積％的cBN作為硬質(zhì)相，剩余部分 中將元素周期表中的IVB、VB、VIB的碳化物、氮化物、硼化物等的陶瓷化合物作為結(jié)合相的 cBN工具。
[0005] 并且，例如，如專利文獻(xiàn)2所示，還提出有將燒結(jié)體作為工具基體的cBN工具，該燒 結(jié)體是將使用A1203層均勻且無破口地包覆cBN粒子表面的包覆cBN粒子作為原料粉末而 制作的，根據(jù)該cBN工具，已知工具的耐月牙洼磨損性和耐崩刀性得到改善。
[0006] 專利文獻(xiàn)1 :日本專利公開昭53-77811號(hào)公報(bào)（A)
[0007] 專利文獻(xiàn)2 :日本專利公開2011-183524號(hào)公報(bào)（A)
[0008] 在所述專利文獻(xiàn)2所述的以往cBN工具中，將預(yù)先由A1203層包覆的cBN粒子用作 原料粉末來制作cBN燒結(jié)體，從而，當(dāng)將cBN燒結(jié)體作為工具基體時(shí)，cBN不會(huì)直接暴露在前 刀面表面，有助于提高耐磨性，但因cBN與A1203層的熱膨脹特性差異而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，當(dāng)用 于高硬度鋼的斷續(xù)切削時(shí)，耐崩刀性和耐缺損性不充分，因此還存在工具壽命較短的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 因此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)課題，即本發(fā)明的目的在于提供一種即使在高硬度 鋼的斷續(xù)切削加工中也發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性及耐缺損性且在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削 性能的cBN工具。
[0010] 本發(fā)明人等為了解決上述課題而著眼于CBN工具的硬質(zhì)相成分即CBN粒子進(jìn)行了 深入研究，結(jié)果得到如下見解。
[0011] 如專利文獻(xiàn)2所示的以往cBN工具的cBN燒結(jié)體將在cBN粒子表面預(yù)先包覆有 A1203層的包覆CBN粒子作為原料粉末而使用，并將其與結(jié)合相粉末混合，進(jìn)行預(yù)成型之后， 在5GPa、1500°C的條件下進(jìn)行超高壓高溫?zé)Y(jié)，從而制作cBN燒結(jié)材料。包覆于cBN粒子表 面的A1203層因熱膨脹特性差異而產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。
[0012] 當(dāng)將這種cBN工具提供于高硬度鋼的斷續(xù)切削加工時(shí)，由于切削時(shí)的斷續(xù)的沖擊 性負(fù)荷和拉伸殘余應(yīng)力，觀察到如下現(xiàn)象，即，尤其在暴露于前刀面表面的A1203層與cBN粒 子之間的界面產(chǎn)生裂紋，該裂紋成為起點(diǎn)，發(fā)生崩刀和缺損。
[0013] 因此，本發(fā)明人等通過在cBN粒子表面形成局部具有破口的A1203層，來抑制產(chǎn)生 因cBN粒子表面與包覆所述粒子表面的A1203層之間的熱膨脹特性差異而產(chǎn)生的拉伸殘余 應(yīng)力所引起的界面上的裂紋，并防止以該裂紋為原因的崩刀的發(fā)生和缺損的發(fā)生，由此實(shí) 現(xiàn)工具性能的改善。
[0014] 本發(fā)明是基于上述見解而完成的，其具有以下方式。
[0015] (1)一種立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具，其將作為硬質(zhì)相成分至少含有立方 晶氮化硼粒子的立方晶氮化硼燒結(jié)體作為工具基體，其中，所述立方晶氮化硼粒子在表面 上具有平均層厚為1. 〇?10nm的A1203層，該A1203層形成有平均形成比例為0. 02?0. 20 的破口，所述立方晶氮化硼燒結(jié)體在所述立方晶氮化硼粒子的周邊具有結(jié)合相，所述結(jié)合 相包含鈦的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物、鋁的氮化物、氧化物、不可避免的產(chǎn)物及它 們的相互固溶體中的至少1種。
[0016] (2)所述（1)中記載的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具，其中，將自所述立方 晶氮化硼粒子的表面起朝向所述立方晶氮化硼粒子的外側(cè)50nm的區(qū)域的體積設(shè)為100體 積％時(shí)，合計(jì)所述區(qū)域中所包含的形成于所述立方晶氮化硼粒子的表面上的A1203和在所 述結(jié)合相中存在的A1203后的含有比例為2?40體積％。
[0017] (3)所述（1)或（2)中記載的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具，其中，所述立方 晶氮化硼粒子的平均粒徑為〇. 5?8ym。
[0018] (4)所述（1)或（3)中記載的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具，其中，在所述 A1203層上形成有平均層厚為10?lOOnm的TiN層。
[0019] (5) (1)至（4)中的任一項(xiàng)中記載的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具，其中，在 所述A1203層上形成的所述破口是通過將形成有所述A1203層的所述立方晶氮化硼粒子裝入 硬質(zhì)合金制容器中，并與硬質(zhì)合金制球一同進(jìn)行球磨混合而形成的。
[0020] (6)⑴至（5)中的任一項(xiàng)中記載的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具，其中， 所述立方晶氮化硼粒子在所述立方晶氮化硼燒結(jié)體整體中所占的含有比例為50?80體 積％。
[0021] (7) -種立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具的制造方法，所述立方晶氮化硼基燒 結(jié)體制切削工具將作為硬質(zhì)相成分至少含有立方晶氮化硼粒子的立方晶氮化硼燒結(jié)體作 為工具基體，所述方法具備如下工序：A1203層形成工序，在所述立方晶氮化硼粒子上形成 平均層厚為1.0?l〇nm的A1203層；破口形成工序，在所述A1203層上形成平均形成比例為 0. 02?0. 20的破口；及燒結(jié)工序，通過對(duì)包含所述立方晶氮化硼粒子的混合粉末進(jìn)行燒結(jié) 來得到立方晶氮化硼燒結(jié)體，其中，所述立方晶氮化硼粒子被形成有所述破口的所述A1203 層所包覆。
[0022] (8)所述（7)中記載的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具的制造方法，其中，在所 述破口形成工序中，將所述立方晶氮化硼粒子裝入硬質(zhì)合金制容器中，并與硬質(zhì)合金制球 一同進(jìn)行球磨混合。
[0023] (9)所述（7)或（8)中記載的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具的制造方法，其 中，所述A1203層形成工序中的A1203層的形成通過ALD法進(jìn)行。
[0024] (10)所述（7)或（9)中記載的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具的制造方法，其 中，在所述A1203層形成工序后還具有在所述立方晶氮化硼粒子上形成TiN層的TiN層形成 工序。
[0025] (11) (7)至（10)中的任一項(xiàng)中記載的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具的制造 方法，其中，所述立方晶氮化硼粒子在所述立方晶氮化硼燒結(jié)體整體中所占的含有比例為 50?80體積％。
[0026] 在作為本發(fā)明的一方式的cBN工具（以下稱為本發(fā)明的cBN工具）為將作為硬質(zhì) 相成分至少含有立方晶氮化硼粒子的立方晶氮化硼燒結(jié)體（以下稱為cBN燒結(jié)體）作為 工具基體的立方晶氮化硼燒結(jié)體制切削工具，其中，立方晶氮化硼粒子在表面上具有平均 層厚為1. 0?10nm的A1203層，該A1203層具有平均形成比例為0. 02?0. 20的破口，立方 晶氮化硼燒結(jié)體在立方晶氮化硼粒子的周邊具有包含鈦的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化 物、鋁的氮化物、氧化物、不可避免的產(chǎn)物及它們的相互固溶體中的至少1種的結(jié)合相，立 方晶氮化硼粒子在燒結(jié)體整體中所占的含有比例為50?80體積％，從而能夠形成為即使 在高負(fù)荷的切削時(shí)也不易產(chǎn)生裂紋，且耐缺損性較高的高韌性燒結(jié)體。
[0027] 另外，將自立方晶氮化硼粒子的表面起50nm的區(qū)域的體積設(shè)為100體積％時(shí)，合 計(jì)該區(qū)域中的形成于所述立方晶氮化硼粒子的表面上的A1203和在所述結(jié)合相中存在的 A1203后的含有比例為2?40體積％，從而燒結(jié)時(shí)能夠抑制cBN粒子附近生成的A1203，因此 通過確保充分的界面強(qiáng)度的同時(shí)設(shè)為在cBN粒子附近增加由鈦的氮化物等構(gòu)成的結(jié)合相 的含量的組織，能夠得到優(yōu)異的耐崩刀性及耐缺損性。而且，通過減少cBN粒子附近的A1203 量，能夠加強(qiáng)cBN粒子對(duì)由鈦的氮化物等構(gòu)成的結(jié)合相的保持力來抑制cBN粒子的脫落所 引起的缺損惡化。
[0028] 并且，通過作為本發(fā)明的另一方式的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具的制造方 法（以下稱為本發(fā)明的cBN工具制造方法），能夠有效地制造出上述本發(fā)明的cBN工具。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1表示破口的形成比例測(cè)定中使用的具有平均層厚為6.Onm的A1203層的cBN 粒子的截面圖像。
[0030] 圖2表示破口的形成比例測(cè)定中使用的具有平均層厚為3. 9nm的A1203層的cBN 粒子的截面圖像。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 作為本發(fā)明的一實(shí)施方式的cBN工具的基體中所包含的cBN粒子被平均膜 壓為1.0?10nm的極薄的氧化錯(cuò)層所包覆。該氧化錯(cuò)層能夠利用ALD(AtomicLayer Deposition，原子層沉積）法形成。ALD法為CVD法的一種，是在真空腔室內(nèi)的基材上使原 料化合物的分子逐層發(fā)生反應(yīng)并重復(fù)進(jìn)行基于Ar和氮的原料化合物的吹掃以進(jìn)行成膜的 方法。
[0032] 并且，根據(jù)需要形成于所述氧化鋁層的外側(cè)的TiN層也能夠利用所述ALD法形成。
[0033] 以下，對(duì)基于ALD法的氧化鋁膜及TiN層的形成進(jìn)行說明。
[0034] 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、 及作為反應(yīng)氣體的H20氣體，將下述（1)?（4)作為1個(gè)循環(huán)，重復(fù)進(jìn)行該循環(huán)直至成為目 標(biāo)層厚，例如進(jìn)行1小時(shí)的成膜，從而將平均層厚為l〇nm的A1203層包覆形成于cBN粒子表 面。其后，在包覆形成于cBN粒子表面上的A1203層上，同樣通過ALD法進(jìn)行TiN層的成膜。
[0035] (1)Ar+Al(CH3)3 氣體流入工序
[0036] (2)Ar氣吹掃工序
[0037] (3)Ar+H20氣體流入工序
[0038] (4)Ar氣吹掃工序
[0039] 為了通過ALD法在A1A層上進(jìn)行TiN層的成膜，在爐內(nèi)裝入cBN粒子并升溫至 400°C，作為原料氣體使用TiCl4氣體及NH3氣體，將下述（1)?（4)作為1個(gè)循環(huán)，重復(fù)進(jìn) 行該循環(huán)直至成為目標(biāo)層厚（10?l〇〇nm)，從而得到所希望的層厚的TiN層。
[0040] (l)Ar+TiCl4氣體流入工序
[0041] (2)Ar氣吹掃工序
[0042] (3)Ar+NH3氣體流入工序
[0043] (4)Ar氣吹掃工序
[0044] 接著，通過球磨機(jī)對(duì)A1203層上成膜有TiN層的cBN粒子進(jìn)行0. 25?3. 0小時(shí)的 混合攪拌來在A1203層上形成局部破口，從而制作CBN粒子表面在破口部分中暴露的CBN粒 子。
[0045] 此時(shí)，若在A1203層上成膜的TiN層的層厚過薄，則在經(jīng)超高壓高溫處理而制作的 cBN燒結(jié)體中的cBN粒子表面附近不可避免地生成的A1203量增大，基于結(jié)合相的cBN粒子 的保持力下降，在切削時(shí)cBN粒子的脫落容易進(jìn)行。另一方面，若A1203層上成膜的TiN層 的層厚過厚，則在cBN粒子表面附近不可避免地生成的A1203量減少，進(jìn)而超高壓高溫處理 時(shí)的A1N和TiB2等反應(yīng)產(chǎn)物量也減少。即，cBN粒子表面附近的燒結(jié)反應(yīng)不充分進(jìn)行，cBN 燒結(jié)體的硬度下降。
[0046] 因此，發(fā)現(xiàn)如下情況：通過將TiN層的層厚控制在規(guī)定的范圍內(nèi)來將cBN粒子表 面附近的A1203量設(shè)在規(guī)定的范圍內(nèi)。更具體而言，當(dāng)將自cBN粒子的表面起50nm的區(qū) 域的體積設(shè)為100體積％時(shí)，合計(jì)形成于cBN粒子的表面的A1203和在結(jié)合相中存在的不 可避免的產(chǎn)物即A1203的含有比例優(yōu)選為2?40體積％。在此，A1203的體積％是作為由 TEM(TransmissionElectronMicroscopy)圖像獲取的二值化圖像的面積％而求出的。
[0047] 將如此制作的cBN粒子和選自TiN粉末、TiC粉末、TiCN粉末、TiAl3粉末、A1粉 末、A1203粉末及WC粉末的結(jié)合相原料中的若干種原料粉末以濕式方式均勻地混合，并將所 得到的混合粉末進(jìn)行干燥后，通過液壓沖壓機(jī)以IMPa的成型壓力進(jìn)行成型。接著，將該成 型體在真空中且在lPa、1000°C、30分鐘的條件下進(jìn)行熱處理和脫氣。另外，層壓該成型體 和硬質(zhì)合金基材，并且例如在壓力5. 5GPa、溫度1400°C和保持時(shí)間30分鐘的條件下進(jìn)行超 高壓高溫處理，從而得到cBN燒結(jié)體。由如此得到的cBN燒結(jié)體制作出的cBN工具即使在 高負(fù)荷切削時(shí)也不易產(chǎn)生裂紋，耐崩刀性及耐缺損性優(yōu)異，其結(jié)果，在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異 的切削性能。
[0048]S卩，在所述cBN工具中，cBN粒子表面被局部具有破口的A1203層所包覆，因此可以 抑制因cBN粒子表面與包覆所述粒子表面的A1203層的熱膨脹特性差異而在界面處產(chǎn)生裂 紋，從而可以防止以該裂紋為原因的崩刀的發(fā)生和缺損的發(fā)生。
[0049] 并且，通過在cBN粒子表面的A1203層上進(jìn)行TiN層的成膜，能夠抑制在燒結(jié)時(shí)cBN 粒子附近不可避免地發(fā)生的A1203的生成，因此能夠確保充分的界面強(qiáng)度的同時(shí)設(shè)為在cBN 粒子附近增加TiN等的含量的組織，其結(jié)果，能夠得到優(yōu)異的耐崩刀性及耐缺損性。
[0050] 另外，通過減少cBN粒子附近的A1203量，能夠加強(qiáng)cBN粒子對(duì)由鈦的氮化物、碳化 物、碳氮化物、硼化物、鋁的氮化物、氧化物、不可避免的產(chǎn)物及它們的相互固溶體等構(gòu)成的 結(jié)合相的保持力來抑制cBN粒子的脫落所引起的缺損惡化。
[0051] 以下，對(duì)構(gòu)成本發(fā)明的一實(shí)施方式的cBN工具的要件進(jìn)行更詳細(xì)說明。
[0052] cBN 燒結(jié)體：
[0053] cBN燒結(jié)體通常由硬質(zhì)相成分和結(jié)合相成分構(gòu)成，但本發(fā)明的cBN工具的作為工 具基體的cBN燒結(jié)體含有被A1 203層所包覆的cBN粒子作為硬質(zhì)相成分，另外，該cBN粒子 通過在A120 3層上形成有TiN層的狀態(tài)下由球磨機(jī)混勻來在A1203層上局部形成有破口。
[0054] 即，cBN粒子表面被局部形成有破口的A1203層所包覆，因此可以抑制通常由A1 203 層包覆cBN粒子表面時(shí)容易產(chǎn)生的因熱膨脹特性差異而在界面處產(chǎn)生裂紋，因此可以防止 以該裂紋為原因的崩刀的發(fā)生和缺損的發(fā)生。
[0055] 另外，通過控制A1203層上形成的TiN層的層厚，能夠抑制燒結(jié)時(shí)在cBN粒子附近 不可避免地生成的A1 203，因此能夠確保充分的界面強(qiáng)度的同時(shí)設(shè)為在cBN粒子附近增加鈦 的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物等結(jié)合相成分的含量的組織，其結(jié)果，能夠得到優(yōu)異的 耐崩刀性及耐缺損性。
[0056] 而且，由于在由TiN層包覆cBN粒子的狀態(tài)下進(jìn)行燒結(jié)，因此能夠在cBN粒子表面 附近減少燒結(jié)時(shí)源自結(jié)合相中的A1成分等的A1203的生成量，由此，能夠加強(qiáng)基于結(jié)合相的 cBN粒子的保持力來抑制cBN粒子的脫落所引起的缺損惡化。
[0057] cBN的平均粒徑：
[0058] 本發(fā)明中使用的cBN粒子的平均粒徑在與本發(fā)明所產(chǎn)生的效果之間的關(guān)系方面 沒有特別限定，但優(yōu)選〇. 5?8iim的范圍。
[0059] 通過在燒結(jié)體內(nèi)包含硬質(zhì)cBN粒子來提高耐缺損性的效果的基礎(chǔ)上，通過在燒結(jié) 體內(nèi)分散平均粒徑為〇. 5 y m?8 y m的cBN粒子，不僅抑制工具使用過程中以由于工具表 面的cBN粒子脫落而產(chǎn)生的刀尖的凹凸形狀為起點(diǎn)的崩刀，而且通過在燒結(jié)體中分散的 cBN粒子來抑制工具使用過程中由施加于刀尖的應(yīng)力而產(chǎn)生的從cBN粒子與結(jié)合相之間的 界面擴(kuò)展的裂紋，或由于cBN粒破裂而擴(kuò)展的裂紋的傳播，從而能夠具有優(yōu)異的耐缺損性。
[0060] 因此，為了進(jìn)一步發(fā)揮本發(fā)明所產(chǎn)生的效果，cBN粒子的平均粒徑優(yōu)選設(shè)在0. 5? 8iim的范圍。
[0061] cBN粒子在cBN燒結(jié)體中所占的含有比例：
[0062] cBN粒子在cBN燒結(jié)體中所占的含有比例在與本發(fā)明所產(chǎn)生的效果之間的關(guān)系方 面沒有特別限定，但當(dāng)小于50體積％時(shí)，燒結(jié)體中硬質(zhì)物質(zhì)較少，當(dāng)用作工具時(shí)，耐缺損性 下降。另一方面，若超過80體積％，則在燒結(jié)體中生成成為裂紋起點(diǎn)的空隙，從而耐缺損性 下降。因此，為了進(jìn)一步發(fā)揮本發(fā)明所產(chǎn)生的效果，cBN粒子在cBN燒結(jié)體中所占的含有比 例優(yōu)選設(shè)在50?80體積％的范圍。
[0063] 在此，關(guān)于cBN粒子在cBN燒結(jié)體中所占的含有比例（體積％ )，通過 SEM(Scanning Electron Microscopy)以 15 umX 15 um左右的視場(chǎng)區(qū)域觀察 cBN燒結(jié)體的 截面組織，并通過圖像處理選出所得到的二次電子圖像內(nèi)的cBN粒子部分，通過圖像分析 計(jì)算cBN粒子所占的面積，并將該面積比例作為cBN粒子的含有比例（體積％ )。
[0064] 由具有破口的A1203層形成包覆層的cBN粒子的制作：
[0065] 本發(fā)明中的由具有局部破口的A1203層形成包覆層的cBN粒子例如可通過以下的 工序（I)?（III)進(jìn)行制作。
[0066]工序⑴：
[0067] 首先，通過ALD法在cBN粒子表面包覆形成薄層的A1203層。根據(jù)ALD法，能夠在 cBN粒子表面上逐層進(jìn)行A1203的成膜，因此不會(huì)引起cBN粒子的凝集而能夠包覆形成薄膜 的A1203層。
[0068] 更具體而言，在爐內(nèi)裝入例如平均粒徑為0. 5?8iim的cBN粒子并將爐內(nèi)升溫至 350°C左右，將下述（1)?（4)作為1個(gè)循環(huán)，重復(fù)進(jìn)行該循環(huán)直至成為目標(biāo)層厚，例如進(jìn)行 1小時(shí)的成膜，從而能夠在cBN粒子表面包覆形成層厚為10nm的A1203層。
[0069] (1)Ar+Al(CH3) 3 氣體流入工序
[0070] (2)Ar氣吹掃工序
[0071] (3)Ar+H20氣體流入工序
[0072] (4)Ar氣吹掃工序
[0073] 另外，將在此所得到的cBN粒子的截面研磨之后，使用FIB(聚焦離子束，F(xiàn)ocused IonBeam)進(jìn)行薄片加工，并通過TEM進(jìn)行觀察，結(jié)果確認(rèn)到在cBN粒子的表面包覆形成有 無破口的A1203層。
[0074]工序（II):
[0075] 接著，通過ALD法在A1203層上進(jìn)行TiN層的成膜。
[0076] 為了通過ALD法在A1A層上進(jìn)行TiN層的成膜，在爐內(nèi)裝入cBN粒子并升溫至 400°C，使用TiCl4氣體及NH3氣體作為原料氣體，將下述（1)?（4)作為1個(gè)循環(huán)，重復(fù)進(jìn) 行該循環(huán)直至成為目標(biāo)層厚（10?l〇〇nm)，從而得到所希望的層厚的TiN層。
[0077] (l)Ar+TiCl4氣體流入工序
[0078] (2)Ar氣吹掃工序
[0079] (3)Ar+NH3氣體流入工序
[0080] (4)Ar氣吹掃工序
[0081]工序（III):
[0082] 接著，將A1203層上進(jìn)行了TiN層的成膜的cBN粒子裝入硬質(zhì)合金制容器中，與硬 質(zhì)合金制球（例如直徑為1mm) -同球磨混合〇. 25?3. 0小時(shí)，從而能夠制作出被形成有 局部破口的規(guī)定平均層厚的A1203層所包覆的cBN粒子。
[0083] 在所述工序（I)中，首先，制作被無破口的A1203層所包覆的cBN粒子是因?yàn)?，在?續(xù)的所述（II)的工序中，為了能夠?qū)1203層的平均層厚控制為所希望的值，并且，為了能 夠?qū)⒀刂鳦BN粒子的表面形成的A1203層的破口的形成比例同樣地控制為所希望的值。
[0084]工序（IV):
[0085]cBN燒結(jié)體的制作：
[0086]1)作為結(jié)合材料用的原料粉末，準(zhǔn)備TiN粉末、TiC粉末、TiCN粉末、TiAl3粉末、 A1粉末、A1203粉末及WC粉末。
[0087] 2)將所述工序（III)中得到的包覆有形成有局部破口的A1203層及TiN層的cBN 粉末和選自所述結(jié)合材料用的原料粉末中的若干種原料粉末，以成為規(guī)定的配合比例的方 式進(jìn)行稱量，并在硬質(zhì)制容器內(nèi)均勻地濕式混合。
[0088] 3)在對(duì)所得到的混合粉末進(jìn)行干燥之后，在相同條件下通過液壓沖壓機(jī)以IMPa 的成型壓力進(jìn)行成型，從而得到成型體。
[0089] 4)將成型體在真空中以IPa以下、溫度1000°C、保持時(shí)間30分鐘的條件進(jìn)行熱處 理、脫氣。
[0090] 5)層壓成型體和硬質(zhì)合金基材，以壓力5. 5GPa、溫度1400°C、保持時(shí)間30分鐘的 條件進(jìn)行超高壓高溫處理，從而得到本發(fā)明cBN工具用的cBN燒結(jié)體。
[0091]A1203層的平均層厚：
[0092] 在cBN粒子表面上包覆形成的A1203層即局部形成有破口的A1203層的平均層厚需 設(shè)為1?10nm。
[0093] 若A1203層的平均層厚小于lnm，則cBN粒子與鈦的氮化物等結(jié)合相之間的界面的 接合強(qiáng)度下降，從而燒結(jié)體的韌性下降。另外，界面容易成為裂紋的起點(diǎn)，耐缺損性下降。另 一方面，當(dāng)A1203層的平均層厚超過10nm時(shí)，燒結(jié)體中的cBN粒子表面的A1203層內(nèi)的拉伸 殘余應(yīng)力增大，因此當(dāng)用作工具時(shí)，在cBN粒子表面與A1203層之間的界面容易產(chǎn)生裂紋，從 而耐崩刀性和耐缺損性下降。并且，鈦的氮化物等結(jié)合相的相對(duì)的含有比例下降，從而耐磨 性下降。
[0094] 因此，在cBN粒子表面上包覆形成的A1203層的平均層厚設(shè)為1?10nm。
[0095] 形成于A1203層的局部破口 ：
[0096] 在cBN粒子表面上包覆的A1203層上形成有局部破口。在此，本發(fā)明中的"局部破 口"可以破口的平均形成比例進(jìn)行定義。即，所述破口中，cBN粒子表面實(shí)質(zhì)上與鈦的氮化 物等結(jié)合相接觸，這是用于產(chǎn)生本發(fā)明的效果的必要條件，進(jìn)一步而言，優(yōu)選以破口的平均 形成比例成為0. 02?0. 20的方式局部形成破口。
[0097] 若破口的平均形成比例小于0. 02,則成為cBN粒子的表面整體幾乎由A1203層所包 覆的狀態(tài)，因此在A1203層上產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，由于切削加工時(shí)的斷續(xù)的沖擊性負(fù)荷與所 述拉伸殘余應(yīng)力的協(xié)同作用，在CBN粒子與A1203層之間的界面容易產(chǎn)生裂紋。另一方面， 若破口的平均形成比例超過〇. 20,則破口的比例變得過大，從而基于在cBN粒子表面包覆 形成A1203層的原來的效果下降。
[0098] 因此，形成于在cBN粒子表面上包覆的A1203層的破口的平均形成比例優(yōu)選設(shè)為 0. 02 ?0. 20。
[0099] 破口的平均形成比例及形成破口后的A1203層的平均層厚的測(cè)定法：
[0100] 形成于在cBN粒子表面上包覆的A1203層的破口的平均形成比例例如可通過如下 測(cè)定法進(jìn)行計(jì)算。
[0101] 將所述工序（IV)中制作的燒結(jié)體的截面研磨之后，使用FIB進(jìn)行薄片加工，并且， 為了在求出形成于A1203層的破口的平均形成比例時(shí)使用而通過TEM獲取透射電子圖像。
[0102] 薄片的厚度優(yōu)選為30nm?130nm。若比30nm薄則難以進(jìn)行操作，若比130nm厚則 難以進(jìn)行圖像分析，因此不優(yōu)選。觀察區(qū)域?yàn)?00nmX200nm左右，設(shè)為能夠觀察到cBN粒 子與結(jié)合相之間的界面的倍率。
[0103] 圖1及圖2表示具有不同平均層厚的A1203層的cBN粒子的截面圖像，圖1表示在 形成于在具有平均層厚為6.Onm的A1203層的cBN粒子的表面上包覆的A1203層的破口的平 均形成比例的測(cè)定中使用的TEM圖像，圖2表示在形成于在具有平均層厚為3. 9nm的A1203 層的cBN粒子的表面上包覆的A1203層的破口的平均形成比例的測(cè)定中使用的TEM圖像。
[0104] 在上述所得到的片斷的多個(gè)截面圖像中，利用TEM的功能進(jìn)行元素映射。而且，將 A1 > 5原子％、0 > 5原子％的部分二值化，將以黑色表示重疊部分的區(qū)域設(shè)為A1203的存 在區(qū)域。
[0105] 注目于與結(jié)合相分清界面的cBN粒子，在200nmX200nm的觀察區(qū)域中，將該cBN 粒子的表面以l〇nm以下的間隔等分為20個(gè)以上（圖1及圖2的以"一一"表示的部分）， 測(cè)定各個(gè)部位的A1203層的層厚，并將其測(cè)定值進(jìn)行平均來作為該cBN粒子的A1203層的平 均層厚。
[0106] 并且，對(duì)于至少10個(gè)以上（i= 1、2……）的cBN粒子，對(duì)A1203層的破口（例如圖 1及圖2的以"X"表示的部分）進(jìn)行計(jì)數(shù)，并計(jì)數(shù)等分為20個(gè)以上的部位（等分部位的數(shù) 量隊(duì)）中有幾個(gè)是破口（計(jì)數(shù)數(shù)量1〇,并求出其比例即破口相對(duì)于cBN粒子i的形成比例 IVX，由它們的平均值計(jì)算破口的平均形成比例n/N的值。
[0107] 當(dāng)制作cBN工具時(shí)，將如前述制作的由局部形成有破口的A1203層包覆的cBN粒子 用作硬質(zhì)相形成用原料粉末，另外，所述破口中，cBN粒子表面實(shí)質(zhì)上與由鈦的氮化物等構(gòu) 成的結(jié)合相接觸，從而能夠緩和結(jié)合相與cBN粒子表面之間的界面的殘余應(yīng)力，因此能夠 提高cBN燒結(jié)體的耐崩刀性及耐缺損性。
[0108] 作為構(gòu)成與如此形成的cBN粒子的結(jié)合相的成分，例如使用鈦的氮化物等的粉末 作為結(jié)合相形成用原料粉末，將兩種原料粉末配合成規(guī)定配合組成，并在通常的超高壓高 溫條件下進(jìn)行燒結(jié)，從而制作出cBN燒結(jié)體。
[0109]另外，作為cBN燒結(jié)體中的其他構(gòu)成成分，不妨含有cBN燒結(jié)體中通常含有的成分 即選自元素周期表IVB、VB、VIB族元素的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物及它們的固溶體 中的至少一種以上。
[0110]TiN層的平均層厚：
[0111] 在包覆形成有A1203層的cBN粒子表面上形成的TiN層作為用于燒結(jié)時(shí)形成結(jié)合 相的成分而發(fā)揮作用，與所配合的結(jié)合相形成用原料粉末發(fā)生反應(yīng)。另外，TiN層越厚，與 cBN粒子附近的結(jié)合相形成用原料粉末的反應(yīng)越是難以進(jìn)行。
[0112] 本發(fā)明中并沒有特別限定TiN層的平均層厚，但優(yōu)選設(shè)為10?lOOnm。
[0113] 若TiN層的平均層厚小于10nm，則抑制燒結(jié)時(shí)在cBN粒子附近不可避免地生成的 A1203的功能下降，因此A1203量會(huì)增加，從而界面強(qiáng)度下降。另一方面，當(dāng)TiN層的平均層 厚超過lOOnm時(shí)，在cBN粒子表面附近不可避免地生成的A1203量減少，但cBN粒子表面附 近的燒結(jié)反應(yīng)不能充分進(jìn)行，cBN燒結(jié)體的硬度下降，因此當(dāng)用作工具時(shí)，在cBN粒子表面 與TiN層之間的界面容易產(chǎn)生裂紋，從而耐崩刀性和耐缺損性下降。
[0114] 因此，在cBN粒子表面作為外層而包覆形成的TiN層的平均層厚設(shè)為10?lOOnm。
[0115] 另外，由使用TEM觀察被包覆形成的cBN粒子的截面的圖像求出5處的層厚并進(jìn) 行平均，從而計(jì)算出TiN層的平均層厚。
[0116] 將自cBN粒子的表面起50nm的區(qū)域的體積設(shè)為100體積％時(shí)，合計(jì)形成于所述 cBN粒子的表面上的A1203和在結(jié)合相中存在的A1203的含有比例：
[0117] 在cBN粒子附近不可避免地生成的A1203量可通過控制包覆形成于cBN粒子的TiN 層的層厚來進(jìn)行調(diào)整。關(guān)于該量和預(yù)先形成于cBN粒子表面上的A1203的總量，若將自cBN 粒子的表面起50nm的區(qū)域的體積設(shè)為100體積％時(shí)超過40體積％，則cBN粒子對(duì)結(jié)合相的 保持力下降，促進(jìn)cBN粒子的脫落所引起的缺損惡化，因此不優(yōu)選。并且，當(dāng)設(shè)為2體積％ 以下時(shí)，cBN粒子表面附近的燒結(jié)反應(yīng)不能充分進(jìn)行，cBN燒結(jié)體的硬度下降，因此設(shè)為2體 積％以上。
[0118] 另外，關(guān)于將自cBN粒子的表面起50nm的區(qū)域的體積設(shè)為100體積％時(shí)合計(jì)形成 于所述cBN粒子的表面上的A1203和在結(jié)合相中存在的A1203的含有比例的測(cè)定方法，通過 以下的方法求出所述含有比例：通過TEM以200nmX200nm的視場(chǎng)觀察cBN燒結(jié)體的截面， 并選出通過TEM的元素映射測(cè)定的A1 > 5原子％、0> 5原子％的部分，將重疊部分二值 化，獲取以黑色表示區(qū)域的圖像。在自cBN粒子的表面起50nm的區(qū)域中，通過圖像分析計(jì)算 出A1及0重疊的黑色區(qū)域（A1203存在區(qū)域）部分的面積比例，并將其作為合計(jì)形成于cBN 粒子表面上的A1203和在結(jié)合相中存在的A1203的含有比例（體積％ )。
[0119] 以下，根據(jù)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的cBN工具進(jìn)行具體說明。
[0120] 實(shí)施例
[0121] 作為原料粉末的cBN粒子的制作：
[0122]工序（I):
[0123] 將平均粒徑為0. 5?8iim的cBN粒子作為基材，在其上通過ALD法包覆形成薄膜 A1203層。
[0124] 更具體而言，在爐內(nèi)裝入平均粒徑為0. 5?8iim的cBN粒子并將爐內(nèi)升溫至 350°C，使用作為成膜用氣體的A1的前體即A1 (CH3)3氣體、及作為反應(yīng)氣體的H20氣體，將 下述（1)?（4)的工序作為1個(gè)循環(huán)，按照如表1所示的目標(biāo)層厚（1?10nm)重復(fù)進(jìn)行該 循環(huán)，從而在cBN粒子表面包覆形成薄膜A1203層。
[0125] (l)Ar+Al(CH3)3 氣體流入工序
[0126] (2)Ar氣吹掃工序
[0127] (3)Ar+H20氣體流入工序
[0128] (4)Ar氣吹掃工序
[0129]工序（II):
[0130] 接著，同樣通過ALD法，在形成于cBN粒子表面上的A1A層上進(jìn)行TiN層的成膜。
[0131] 為了通過ALD法在A1A層上進(jìn)行TiN層的成膜，在爐內(nèi)裝入cBN粒子并升溫至 400°C，使用TiCl4氣體及NH3氣體作為原料氣體，將下述（1)?（4)作為1個(gè)循環(huán)，重復(fù)進(jìn) 行該循環(huán)直至成為目標(biāo)層厚（10?l〇〇nm)，從而得到所希望的層厚的TiN層。
[0132] (l)Ar+TiCl4氣體流入工序
[0133] (2)Ar氣吹掃工序
[0134] (3)Ar+NH3氣體流入工序
[0135] (4)Ar氣吹掃工序
[0136]工序（III):
[0137] 接著，將所述工序（II)中制作的薄膜A1203層包覆形成于表面且在其上形成有TiN 層的cBN粒子和硬質(zhì)合金制球（直徑為1mm)，以cBN粒子與硬質(zhì)合金制球的比例以重量比 計(jì)為1:10?20的方式進(jìn)行配合，并裝入硬質(zhì)合金制容器內(nèi)，并且添加有機(jī)溶劑，在球磨機(jī) 的轉(zhuǎn)速50rpm、混合時(shí)間0. 25?3. 0小時(shí)下進(jìn)行球磨混合而在A1203層上形成局部破口，從 而制作出cBN粒子表面在破口部分中暴露的cBN粒子1?15。
[0138] 另外，關(guān)于球磨混合后的A1203層的平均層厚、破口的平均形成比例，在表1中示 出在制作cBN燒結(jié)體之后如上詳述由通過TEM獲取的截面圖像并根據(jù)前述計(jì)算方法求出的 值。
[0139] 另外，對(duì)于由上述得到的A1203層進(jìn)行包覆，并在其外層形成TiN層之后，經(jīng)球磨機(jī) 處理后的cBN粒子，使用TEM進(jìn)行觀察，結(jié)果確認(rèn)到在A1203層局部形成有破口。
[0140] [表 1]

【權(quán)利要求】
1. 一種立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具，其將作為硬質(zhì)相成分至少含有立方晶氮化 硼粒子的立方晶氮化硼燒結(jié)體作為工具基體，所述立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具的特 征在于， 所述立方晶氮化硼粒子在表面具有平均層厚為1. 0?l〇nm的A1203層，該A1203層形成 有平均形成比例為〇. 02?0. 20的破口， 所述立方晶氮化硼燒結(jié)體在所述立方晶氮化硼粒子的周邊具有結(jié)合相，所述結(jié)合相包 含鈦的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物、鋁的氮化物、氧化物、不可避免的產(chǎn)物及它們的 相互固溶體中的至少1種。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具，其特征在于， 將自所述立方晶氮化硼粒子的表面起朝向所述立方晶氮化硼粒子的外側(cè)50nm的區(qū)域 的體積設(shè)為100體積％時(shí)，合計(jì)所述區(qū)域中所包含的形成于所述立方晶氮化硼粒子的表面 上的A120 3和在所述結(jié)合相中存在的A1A后的含有比例為2?40體積％。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具，其特征在于， 所述立方晶氮化硼粒子的平均粒徑為〇. 5?8 μ m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具，其特征在 于， 在所述A1203層上形成有平均層厚為10?lOOnm的TiN層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具，其特征在 于， 在所述A1203層上形成的所述破口是通過將形成有所述A120 3層的所述立方晶氮化硼粒 子裝入硬質(zhì)合金制容器中，并與硬質(zhì)合金制球一同進(jìn)行球磨混合而形成的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具，其特征在 于， 所述立方晶氮化硼粒子在所述立方晶氮化硼燒結(jié)體整體中所占的含有比例為50?80 體積％。
7. -種立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具的制造方法，所述立方晶氮化硼基燒結(jié)體制 切削工具將作為硬質(zhì)相成分至少含有立方晶氮化硼粒子的立方晶氮化硼燒結(jié)體作為工具 基體，所述方法的特征在于，具備如下工序： A1203層形成工序，在所述立方晶氮化硼粒子上形成平均層厚為1. 0?10nm的A1203 層； 破口形成工序，在所述A1203層形成平均形成比例為0. 02?0. 20的破口；及 燒結(jié)工序，通過對(duì)包含所述立方晶氮化硼粒子的混合粉末進(jìn)行燒結(jié)來得到立方晶氮化 硼燒結(jié)體，其中，所述立方晶氮化硼粒子被形成有所述破口的所述A1203層所包覆。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具的制造方法，其特征在 于， 在所述破口形成工序中，將所述立方晶氮化硼粒子裝入硬質(zhì)合金制容器中，并與硬質(zhì) 合金制球一同進(jìn)行球磨混合。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具的制造方法，其特征 在于， 在所述A1203層形成工序中的A1203層的形成通過原子層沉積法進(jìn)行。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具的制造方 法，其特征在于， 在所述A1203層形成工序后還具有在所述立方晶氮化硼粒子上形成TiN層的TiN層形 成工序。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項(xiàng)所述的立方晶氮化硼基燒結(jié)體制切削工具的制造方 法，其特征在于， 所述立方晶氮化硼粒子在所述立方晶氮化硼燒結(jié)體整體中所占的含有比例為50?80 體積％。
【文檔編號(hào)】C04B35/583GK104284747SQ201380025431
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月16日
【發(fā)明者】宮下庸介, 矢野雅大, 大橋忠一 申請(qǐng)人:三菱綜合材料株式會(huì)社