立方晶氮化硼基燒結(jié)材料制切削工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種立方晶氮化硼基燒結(jié)材料制切削工具，該立方晶氮化硼基燒結(jié)材料制切削工具在高硬度鋼的斷續(xù)切削加工中發(fā)揮優(yōu)異的耐缺損性。本發(fā)明的立方晶氮化硼基燒結(jié)材料制切削工具中，立方晶氮化硼顆粒的平均粒徑優(yōu)選為0.5～8μm，立方晶氮化硼顆粒內(nèi)的至少一部分的表面被平均膜厚為10～100nm的含氧氮化鋁膜包覆，該含氧氮化鋁膜中的平均氧濃度為1～15原子%，并且，包覆立方晶氮化硼顆粒的表面的含氧氮化鋁膜中存在局部裂縫，該局部裂縫的平均形成比例h/H滿足0.02≤h/H≤0.08。其中，h表示含氧氮化鋁膜的裂縫長度、H表示立方晶氮化硼顆粒的周長。
【專利說明】立方晶氮化硼基燒結(jié)材料制切削工具
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在高硬度鋼的斷續(xù)切削加工中發(fā)揮優(yōu)異的耐缺損性的立方晶氮化硼(以下以CBN表示)基燒結(jié)材料制切削工具(以下稱為cBN工具)。
【背景技術(shù)】
[0002]以往，已知有在鋼、鑄鐵等鐵系工件的切削加工中，從與工件的親和性較低且為高硬度這一點出發(fā)而將cBN基燒結(jié)材料(以下稱為cBN燒結(jié)體)用作工具材料的cBN工具。
[0003]例如，如專利文獻I所示，已知有含有20~80體積％的作為硬質(zhì)相的cBN，且剩余部分以周期表的4a、5a、6a的碳化物、氮化物及硼化物等陶瓷化合物作為結(jié)合相的cBN工具。
[0004]并且，例如專利文獻2中提出有如下方案:以T1、Zr、Hf、Al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種包圍cBN顆粒，且進一步在其之上以T1、TiAl、Zr、Hf中的至少一種氮化物、碳化物、氧化物或者其固溶體中的至少任一種包圍，從而通過以兩層包覆cBN顆粒，對cBN工具賦予優(yōu)異的韌性、耐磨損性、耐熱性及高溫強度。
[0005]另外，例如專利文獻3中提出有如下方案:在具備cBN顆粒和結(jié)合相的cBN工具中，由包圍cBN顆粒的第I結(jié) 合相和除此之外的第2結(jié)合相來構(gòu)成結(jié)合相，第I結(jié)合相由與所述cBN顆粒接觸并包圍的第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T1、Zr、Hf、Al中的至少一種氮化物、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T1、TiAl, Zr、Hf中的至少一種氮化物、碳化物、氧化物或者其固溶體中的至少任一形態(tài)構(gòu)成，另外，所述第2結(jié)合相在被所述第I結(jié)合相包圍的多個所述顆粒之間包含粒子生長抑制結(jié)合相，所述粒子生長抑制結(jié)合相以T1、Zr、Hf中的至少一種硼化物或者其固溶體中的至少任一形態(tài)，或者以Al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，由此能夠改善cBN工具的耐磨損性及耐缺損性。
[0006]并且，專利文獻4中提出有如下方案:在以耐熱膜包覆cBN工具的表面的包覆cBN工具中，作為cBN燒結(jié)體的結(jié)合材料成分，含有至少含有鋁的氮氧化物的鋁化合物，并且當將cBN的質(zhì)量設為MA、不溶解于氟硝酸(7 'y硝酸)的所述鋁化合物中含有的鋁的質(zhì)量設為MB、溶解于氟硝酸的所述鋁化合物中含有的鋁的質(zhì)量設為MC時，將質(zhì)量比MC/MA設為0.001以上且0.1以下，并且將質(zhì)量比MB/MC設為0.1以上且15以下，從而防止產(chǎn)生耐熱膜的剝離，并且防止龜裂等向cBN燒結(jié)體傳播。
[0007]另外，專利文獻5中提出有如下方案:在硬質(zhì)相由cBN和/或wBN構(gòu)成的復合高密度相BN燒結(jié)體工具中，以T1、Zr、Hf、Al及Si的氮化物、硼化物及它們的相互固溶體中的至少一種的單層或多層的第I層包覆硬質(zhì)相的顆粒表面，并且使該第I層的表面含有10體積％以上的以周期表的4a、5a、6a族金屬的碳化物、氮化物、碳氧化物、氮氧化物、硼化物和氧化鋁、氮氧化鋁以及它們的相互固溶體中的至少一種的單層或多層的第2層包覆的復合硬質(zhì)相，由此改善復合高密度相BN燒結(jié)體工具的耐磨損性、耐缺損性、韌性及耐沖擊性。
[0008]專利文獻1:日本專利公開昭53-77811號公報[0009] 專利文獻2:日本專利公開昭58-61253號公報
[0010]專利文獻3:日本專利公開平10-218666號公報
[0011]專利文獻4:日本專利第4933922號公報
[0012]專利文獻5:日本專利公開平5-186272號公報
[0013]cBN工具為高硬度，并且在與鋼、鑄鐵等鐵系工件的親和性較低等方面優(yōu)異，但由于cBN顆粒與結(jié)合相的粘附強度不充分，因此如所述專利文獻I~5所示為了改善粘附強度而提出各種方案。
[0014]然而，在前述以往的cBN工具、復合高密度相BN燒結(jié)體工具中，如高硬度鋼等的斷續(xù)切削加工那樣高負荷作用于切削刃的切削條件下，cBN顆粒和結(jié)合相的粘附強度依然不夠充分，因此，容易產(chǎn)生缺損，工具壽命短。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]為此，本發(fā)明的目的在于提供一種即使在高硬度鋼等的斷續(xù)切削加工中，也顯示出優(yōu)異的耐缺損性，在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能的cBN工具。
[0016]本發(fā)明人為解決上述課題，著眼于cBN顆粒與結(jié)合相之間的界面狀態(tài)，并進行深入研究的結(jié)果得到了如下見解。
[0017]首先，發(fā)現(xiàn)了對每個cBN顆粒表面，例如通過ALD (原子層沉積(Atomic LayerDeposition))法包覆較薄且均勻的氧化鋁(Al2O3)膜，并且在該氧化鋁(Al2O3)膜的表面進一步包覆較薄且均勻的氮化鋁(AlN)膜，從而在cBN顆粒表面預先形成由氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的薄膜，接著，將預先包覆形成由氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的薄膜的所述cBN顆粒作為原料粉末，在通常的條件下進行燒結(jié)而制作cBN燒結(jié)體，則所獲得的cBN燒結(jié)體中的cBN顆粒被含氧氮化鋁(以下以“A1N (O)”表示。)的薄膜包覆(包括形成有局部裂縫的情況)，并且，通過在cBN顆粒與結(jié)合相之間的界面存在所述AlN (O)膜，由此能夠改善cBN顆粒與結(jié)合相之間的粘附強度。
[0018]另外，ALD是指對真空腔室內(nèi)的基材，通過使原料化合物的分子按每一層進行反應并重復進行基于Ar和氮的吹掃來成膜的方法，為CVD法的一種。
[0019]因此，發(fā)現(xiàn)由上述cBN燒結(jié)體構(gòu)成的cBN工具，即使在斷續(xù)性/沖擊性負荷起作用的高硬度鋼的斷續(xù)切削加工條件下使用時，也能夠抑制崩刀、缺損的發(fā)生，在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
[0020]并且，發(fā)現(xiàn)如上述通過ALD法在cBN顆粒表面預先形成由氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的薄膜之后，例如在球磨機中攪拌該cBN顆粒，由此在氧化鋁(Al2O3)膜和氮化鋁(AlN)膜上形成局部裂縫，且將cBN顆粒表面在裂縫中露出的cBN顆粒用作原料粉末來制作cBN燒結(jié)體、cBN工具時，由于cBN顆粒表面被局部具有裂縫的AlN (O)膜所包覆，因此因cBN顆粒表面與局部性地包覆該顆粒表面的AlN (O)膜之間的熱膨脹特性的差異引起的界面的龜裂的產(chǎn)生會減少，其結(jié)果，能夠進一步抑制因該龜裂引起的崩刀的產(chǎn)生及缺損的產(chǎn)生。
[0021 ] 本發(fā)明是基于上述見解而完成的，具有如下特征。
[0022](I) 一種立方晶氮化硼基燒結(jié)材料制切削工具(cBN工具)，其含有立方晶氮化硼(cBN)顆粒作為硬質(zhì)相成分，該立方晶氮化硼基燒結(jié)材料制切削工具(cBN工具)中，所述立方晶氮化硼(cBN)顆粒中的至少一部分的表面被平均膜厚10~IOOnm的含氧氮化鋁膜(AlN (O)膜)包覆，所述含氧氮化鋁膜(AlN (O)膜)中的平均氧濃度為I~15原子％。
[0023](2)根據(jù)上述(I)所述的立方晶氮化硼基燒結(jié)材料制切削工具(cBN工具)，其中，所述含氧氮化鋁膜(AlN (O)膜)中局部形成有裂縫。
[0024](3)根據(jù)上述(2)所述的立方晶氮化硼基燒結(jié)材料制切削工具(cBN工具)，其中，觀察由所述含氧氮化鋁膜(AlN (O)膜)包覆的立方晶氮化硼(cBN)顆粒的截面圖像，并求出沿立方晶氮化硼(cBN)顆粒的表面形成的含氧氮化鋁膜(AlN (O)膜)的局部裂縫的平均形成比例時，滿足0.02 ( h/H ^ 0.08ο
[0025]其中，h表示含氧氮化鋁膜(AIN (O)膜)的裂縫長度、H表示立方晶氮化硼(cBN)顆粒的周長。
[0026](4)根據(jù)上述(I)~(3)中任一項所述的立方晶氮化硼基燒結(jié)材料制切削工具，其中，所述立方晶氮化硼顆粒的平均粒徑為0.5~8μπι。
[0027]以下對本發(fā)明的cBN工具進行詳細說明。
[0028]cBN 燒結(jié)體:
[0029]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工具的基材即cBN燒結(jié)體含有被AlN (O)膜或局部具有裂縫的AlN (O)膜包覆的cBN顆粒作為硬質(zhì)相成分。
[0030]并且，作為cBN燒結(jié) 體中的其他構(gòu)成成分，例如含有Ti的氮化物、碳化物、碳氮化物及硼化物，Al的氮化物及硼化物等通常在cBN燒結(jié)體中含有的成分。
[0031]cBN的平均粒徑:
[0032]本發(fā)明中使用的cBN顆粒的平均粒徑并無特別限定，但優(yōu)選在0.5~8 μ m的范圍內(nèi)。
[0033]在燒結(jié)體內(nèi)含有硬質(zhì)的cBN顆粒，從而具有提高耐缺損性的效果，并且在燒結(jié)體內(nèi)分散平均粒徑為0.5 μ m~8 μ m的CBN顆粒，從而不僅抑制在工具使用中因工具表面的cBN顆粒脫落而產(chǎn)生的以刀尖的凹凸形狀為起點的崩刀，而且通過分散于燒結(jié)體中的cBN顆粒抑制在工具使用中因施加于刀尖的應力而產(chǎn)生的從cBN顆粒與結(jié)合相之間的界面擴展的龜裂或因cBN顆粒破裂而擴展的龜裂的傳播，由此能夠具有優(yōu)異的耐缺損性。
[0034]因此，本發(fā)明中使用的cBN顆粒的平均粒徑優(yōu)選設為在0.5~8 μ m的范圍內(nèi)。
[0035]另外，當cBN燒結(jié)體中所占的cBN顆粒的含有比例低于50容積％時，工具的耐缺損性顯示出降低的趨勢，另一方面，當cBN顆粒的含有比例超過80容積％時，在燒結(jié)體中容易產(chǎn)生以龜裂為起點的空隙，且耐缺損性降低，因此cBN燒結(jié)體中所占的cBN顆粒的含有比例優(yōu)選設為50~80容積％。
[0036]包覆cBN顆粒表面的AlN (O)膜的平均膜厚:
[0037]在本發(fā)明中需要將在cBN顆粒表面包覆形成的AlN (O)膜的平均膜厚、或局部形成裂縫且在該裂縫露出有cBN顆粒表面的AlN (O)膜的平均膜厚設為10~lOOnm。
[0038]若AlN (O)膜的平均膜厚低于10nm，則包覆效果降低，且作為結(jié)果，耐缺損性不充分故不優(yōu)選。另一方面，當AlN (O)膜的平均膜厚超過IOOnm時，燒結(jié)體中的cBN顆粒表面的AlN (O)膜內(nèi)的拉伸殘余應力變大，因此作為工具使用時，變得容易在cBN顆粒表面和AlN (O)膜的界面產(chǎn)生龜裂，且降低耐缺損性。[0039]因此，本發(fā)明中，在cBN顆粒表面包覆形成的AlN (O)膜的平均膜厚設為10~IOOnm0
[0040]另外，當將AlN(O)膜的膜厚設為較厚時，優(yōu)選通過形成形成有局部裂縫的AlN(O)膜來減少因cBN顆粒表面與AlN (O)膜之間的熱膨脹特性差引起的界面的龜裂的產(chǎn)生。
[0041]AlN (O)膜中的平均氧濃度:
[0042] 若包覆cBN顆粒表面的AlN (O)膜中的平均氧濃度低于I原子％，則無法實現(xiàn)AlN(O)膜對cBN顆粒表面的粘附力的提高，另一方面，即使AlN (O)膜中的平均氧濃度超過15原子％，也無法期待進一步提高粘附力的效果，因此AlN (O)膜中的平均氧濃度設為I~15
原子％。
[0043]另外，cBN燒結(jié)體或cBN工具中，形成于cBN顆粒表面的AlN (O)膜中的平均氧濃度，能夠通過根據(jù)后述的ALD法制作cBN顆粒時的包覆cBN顆粒表面的氧化鋁(Al2O3)膜的膜厚與包覆該氧化鋁(Al2O3)膜表面的氮化鋁(AlN)膜的膜厚比進行控制。
[0044]AlN (O)膜中的平均氧濃度的測定:
[0045]包覆cBN顆粒表面的AlN (O)膜中的平均氧濃度如下求出。即在制作cBN燒結(jié)體之后，研磨該截面后使用FIB (聚焦離子束(Focused 1n Beam))進行薄片加工，且通過透射型電子顯微鏡(TEM)獲取透射電子圖像。接著，通過對同截面圖像內(nèi)的從cBN顆粒到AlN(O)膜的區(qū)域的Al、T1、O、N這四種元素進行元素線分析，計算出以該四種元素的分析結(jié)果為基礎的各元素的原子％，由此能夠求出cBN顆粒周圍的AlN (O)膜中的平均氧濃度Y。
[0046]進行線分析時的位置的細度從觀察精度的觀點考慮優(yōu)選以1.0nm左右進行。進行加工的薄片的厚度優(yōu)選30nm~130nm。若比30nm薄，則操作困難,若比130nm厚，貝U圖像的分析變得困難，故不優(yōu)選。在求出平均氧濃度Y時，由于利用AlN (O)膜的膜厚，因此觀察倍率設為反映cBN界面和AlN (O)膜的膜厚整體的倍率，且優(yōu)選倍率為X80k左右。透射電子圖像投射包含于厚度方向的信息，因此優(yōu)選觀察cBN界面相對于研磨面呈垂直狀態(tài)的部位。
[0047]若更具體地敘述cBN顆粒周圍的AlN (O)膜中的平均氧濃度Y的計算順序，則為如下。
[0048]M=測定數(shù) >3
[0049]C=測定中心
[0050]Y=cBN顆粒周圍的AlN (O)膜中的平均氧濃度Y
[0051]P=在進行元素線分析時的膜厚方向的位置的細度(通過測定設備的調(diào)整)
[0052]T=在進行元素線分析的部位中的AlN (O)膜的膜厚
[0053]K=AlN (O)膜內(nèi)的測定個數(shù)
[0054]W=相對于膜的厚度方向垂直的方向上的距離測定中心的寬度
[0055]Z=將cBN界面位置設為0，在AlN (O)膜方向上通過(C_l)個元素線分析求出的氧原子％的合計值
[0056]當如上定義時，
[0057]在獲取的透射電子圖像內(nèi)在反映cBN界面和AlN (O)膜的膜厚整體的部位確定測定中心C，對Al、T1、0、N這四種元素進行元素線分析，計算出以該四種元素的分析結(jié)果為基礎的各元素的原子％。并且，測定進行元素線分析的部分的AlN (O)膜的膜厚Tc。此時，預先確定進行元素線分析時的位置的細度P。例如，設為p=l.0nm進行測定，得到如圖1所示的橫軸為分析位置，縱軸為氧原子％的曲線圖。
[0058]AlN (O)膜的膜厚Tc除以線分析的位置的細度P來求出AlN (O)膜內(nèi)的測定個數(shù)Kc (=Tc/P)。將cBN界面位置設為O而求出將與AlN (O)膜的膜厚方向的Kc-1個對應的AlN (O)膜的部分的氧原子％的全部總和的值Zc。
[0059]由于存在根據(jù)線分析時的位置的細度和厚度而存在除不盡的值，因此設為Kc-1個是為了可靠地得到AlN (O)膜內(nèi)的氧原子％的信息。
[0060]將AlN (O)膜內(nèi)的氧原子％的合計Z。除以(Kc-1)的值設為AlN (O)膜中的氧原子濃度Yc。
[0061]根據(jù)圖1，現(xiàn)有產(chǎn)品(AlN膜)的平均氧濃度為0.5原子％，本發(fā)明產(chǎn)品的平均氧濃度為2.9原子％。
[0062]從測定中心C在土W的寬度上同樣地進行測定，求出Y_W、Y_W+1、…、…、Yw-P Yw。求出Y-W、Y-W+1、...>￥-!> Yc>Yi>…、Yw-P Yw的平均值Yp至少在不同的三處測定平均值YM，并將這些YpY2、…、Ym的平均值設為CBN顆粒周圍的AlN (O)膜中的平均氧濃度Y。W優(yōu)選在測定中心部C進行測定的AlN (O)膜的膜厚T的15%~30%。
[0063]在AlN (O)膜上形成的局部裂縫:
[0064]通過預定氧濃 度的AlN (O)膜包覆cBN顆粒的表面，由此能夠提高cBN顆粒與結(jié)合相之間的粘附強度。
[0065]其中，cBN燒結(jié)體在1000°C以上的高溫下進行燒結(jié)，接著，冷卻至室溫而進行制作。因此，包覆于cBN顆粒表面的AlN(O)膜中因熱膨脹特性的差異產(chǎn)生拉伸殘余應力。因此，根據(jù)在高負荷的切削加工條件時的斷續(xù)性/沖擊性負荷與所述拉伸殘留應力之間的協(xié)同作用，在cBN顆粒和AlN (O)膜的界面變得容易產(chǎn)生龜裂。該龜裂成為起點，發(fā)生工具刀尖的崩刀和缺損。為防止該所述界面的龜裂的產(chǎn)生，優(yōu)選在包覆cBN顆粒的表面的AlN(O)膜上局部形成裂縫。
[0066]該裂縫中，cBN顆粒表面與cBN燒結(jié)體的結(jié)合相成分(例如，Ti的氮化物、碳化物、碳氮化物及硼化物，Al的氮化物及硼化物等)實質(zhì)性接觸。
[0067]其中，以h表示沿cBN顆粒的表面形成的AlN (O)膜的裂縫長度，并且，以H表示cBN顆粒表面的周長時，若裂縫的平均形成比例h/H大于O (B卩，形成有裂縫)，則在包覆cBN顆粒的表面的AlN (O)膜產(chǎn)生的拉伸殘余應力減少，因此在高硬度鋼等中的負荷較大的斷續(xù)切削加工條件下使用時，在cBN顆粒與AlN (O)膜的界面難以產(chǎn)生龜裂，并能夠抑制在工具刀尖產(chǎn)生崩刀和缺損。
[0068]另外，若裂縫的平均形成比例h/H在0.02以上且0.08以下的范圍，則抑制龜裂產(chǎn)生的效果進一步提高故優(yōu)選。
[0069]裂縫的平均形成比例h/H的測定:
[0070]本發(fā)明中，在包覆于cBN顆粒表面的AlN (O)膜上形成的裂縫長度h與cBN顆粒表面的周長H之間的比例，例如能夠通過如下測定方法計算。
[0071]即，制作在圖2中以示意圖表示的燒結(jié)體之后，研磨燒結(jié)體的截面，并且，如圖3所不通過FIB (Focused 1n Beam)對截面進行加工，并通過SIM (掃描離子顯微鏡(Scanning1n Microscopy))獲得如圖4所示的進深不同的多個截面圖像。[0072]圖3表示通過FIB對燒結(jié)體進行截面加工時的例子，為長方體形狀的燒結(jié)體的正面的一部分，對長度及寬度的尺寸分別為20 μ m的正方形的區(qū)域(觀察區(qū)域)獲取SIM觀察圖像。
[0073]在進深方向上以每200nm進行FIB加工，每次獲取所述觀察區(qū)域的SM圖像。這是為了獲取在之后的分析中所需的充分數(shù)量的在進深方向上顆粒整體被收納到所述多個截面圖像中的cBN顆粒的數(shù)據(jù)。進行截面加工的長度(進深)設為(所使用的cBN顆粒的平均粒徑+ΙμM)以上。
[0074]圖4表示在截面加工長度(進深)O~5.0 μ m上的各自的進深的截面圖像。
[0075]通過上述順序獲得的片斷性的多個截面圖像(例如圖5中示出的截面圖像)中，關(guān)注反映一個cBN顆粒的全貌的cBN顆粒。其中，反映一個cBN顆粒的全貌意味著在所述觀察區(qū)域中包含該cBN顆粒整體圖像，并且在進深方向上顆粒整體被收納到所述多個截面圖像中。對于該cBN顆粒，測定cBN顆粒的表面的周長H1和裂縫的合計長度Ii1，并求出裂縫的形成比例hi/氏。另外，對于至少10個以上的cBN顆粒，同樣測定裂縫的形成比例hn/Hn，并從它們的平均值可計算出裂縫的平均形成比例h/H的值。其中，排除cBN顆粒表面上未包覆有AlN (O)膜的情況。
[0076]若更具體敘述裂縫的平均形成比例h/H的測定/計算順序，則為如下。
[0077]N=進行測定的cBN顆粒總數(shù)
[0078]η=進行測定的cBN顆粒的識別號碼≤N
[0079]M=在cBN顆粒η的測定中使用的總獲取圖像數(shù)
[0080]m=在cBN顆粒η的測定中使用的獲取圖像的識別號碼≤M
[0081]H=cBN顆粒的周長
[0082]h=AlN (O)膜的裂縫長度
[0083]如上定義時，
[0084](a)首先，在某一個cBN顆粒η的一截面圖像中測定長度信息。
[0085]例如，設為總獲取圖像數(shù)為30張、cBN顆粒的識別號碼=1的顆粒，在從第I圖像到第28圖像中反映全貌，在第10圖像中測定長度信息時(n=l、M=30、m=10)，
[0086]AlN (O)膜的裂縫長度=hmn=h1(ll=al+a2+a3+a4
[0087]cBN顆粒與AlN (O)膜接觸的長度=C
[0088]cBN 顆粒的周長 sH^^Hidfal+aZ+alB+aA+c
[0089](b)接著，計算出某一個cBN顆粒η的裂縫的形成比例。
[0090]例如，設為總獲取圖像數(shù)為30張、cBN顆粒的識別號碼=1的顆粒，在第I圖像到第28圖像中反映全貌，由此計算出裂縫的比例時(n=l、M=30、m=l~28),
[0091]cBN顆粒表面的整個圓周平均長度Hn= [(Hln+H2n+…+Hmn)/M]，
[0092]因此H1= [(Hn+H21+…+H281)/30]。
[0093]并且，裂縫的合計平均長度為hn= [(hln+h2n+…+h?)/M]，
[0094]因此Ii1= [(hn+h21+…+h281)/30]。
[0095]因此，裂縫的形成比例hn/Hn成為
[0096]VHn=VH^
[0097](C)接著，計算出裂縫的平均形成比例。[0098]例如，對15個cBN顆粒進行測定時(N=15、n=l~15)，
[0099]裂縫的平均形成比例[h/H]
[0100]= [((VH1)+ (h2/H2)+…+ (hn/Hn))/N]。
[0101]因此，裂縫的平均形成比例[h/H]能夠由[h/H]= [(Ch1ZH1)+ (h2/H2)+-+ Ch15/H15))/15]求出。
[0102]包覆有AlN (O)膜的(包括形成有局部裂縫時)cBN顆粒的比例:
[0103]當將未包覆有AlN (O)膜的cBN顆粒數(shù)設為q，包含于燒結(jié)體的整體cBN顆粒數(shù)設為Q時，包覆有AlN (O)膜的(包括形成有局部裂縫時)cBN顆粒數(shù)的比例(Q_q) /Q為0.85以上時，即當燒結(jié)體中的整體cBN顆粒中的85%以上的cBN顆粒被AlN(O)膜包覆(包括形成有局部裂縫時)時，提高cBN顆粒與結(jié)合相的界面的粘附強度的效果顯著，因此優(yōu)選(Q_q)/Q為0.85以上。
[0104]包覆有AlN (O)膜的(包括形成有局部裂縫時)cBN顆粒的含有比例的測定:
[0105]本發(fā)明中，包覆有AlN (O)膜的(包括形成有局部裂縫時)cBN顆粒的含有比例，例如能夠通過如下測定方法計算。
[0106]g卩，制作在圖2中以示意圖表示的燒結(jié)體之后，研磨燒結(jié)體的截面，并且以如圖3所示以FIB加工截面，且通過SM獲取位置不同的多個截面圖像。FIB加工向進深方向進行200nm，獲取觀察區(qū)域的SIM圖像。之所以獲取FIB加工后觀察區(qū)域的SIM圖像，是為了消除FIB加工前試料表面的污垢等的影響。觀察區(qū)域設為在所獲取的SIM圖像中，在圖像內(nèi)畫出對角線時，與對角線相接的cBN顆粒的數(shù)Q為10個以上。并且，觀察的區(qū)域設為位置不同的區(qū)域且為五處以上。
[0107]通過所述順序獲得的不同位置的多個截面圖像中，在各截面圖像畫出對角線，并關(guān)注相接的cBN顆粒。測定在各截面圖像中與對角線相接的cBN顆粒數(shù)Q1和其中未附有AlN (O)膜的cBN顆粒數(shù)qi，并求出被AlN (O)膜包覆的(包括形成有局部裂縫時)cBN顆粒數(shù)的含有比例(Qrq1VQ115進一步對至少4張以上的不同位置的SM圖像，求出被AlN (O)膜包覆的(包括形成有局部裂縫時)cBN顆粒數(shù)的含有比例(Qn_qn)/Qn，能夠從它們的平均值計算出被AlN (O)膜包覆的(包括形成有局部裂縫時)cBN顆粒數(shù)的含有比例(Q-q) /Q。
[0108]cBN顆粒的制作:
[0109]被AlN (O)膜包覆的cBN顆?；蚓哂芯植苛芽p的AlN (O)膜包覆的cBN顆粒，例如能夠通過以下的工序(a)、(b)制作。
[0110](a)在cBN顆粒表面,例如通過ALD (Atomic Layer Deposition)法，首先,包覆形成均勻且為薄膜的氧化鋁(Al2O3)膜，接著，在上述氧化鋁(Al2O3)膜的表面包覆均勻且為薄膜的氮化鋁(AlN)膜，由此在cBN顆粒表面預先形成由氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的薄膜。
[0111]另外，根據(jù)ALD法能夠在cBN顆粒表面使原料化合物的分子逐層進行反應而形成氧化鋁(Al2O3)膜或氮化鋁(AlN)膜，因此不引起cBN顆粒的凝聚便能夠形成均勻且為薄層的氧化鋁(Al2O3)膜和氮化鋁(AlN)膜這兩層結(jié)構(gòu)。
[0112]更具體而言，在爐內(nèi)裝入例如平均粒徑為0.5~8μπι的cBN顆粒，且使爐內(nèi)升溫至300°C左 右，并將Ar+Al (CH3) 3氣體流入工序、Ar氣體吹掃工序、Ar+H20氣體流入工序及Ar氣體吹掃工序作為一個循環(huán)，重復進行該循環(huán)至成為目標氧化鋁(Al2O3)膜厚。例如，經(jīng)過I小時的成膜，在CBN顆粒表面包覆形成膜厚為IOnm的Al2O3膜。
[0113]接著，將爐內(nèi)升溫至350°C左右，并將Ar+Al (CH3)3氣體流入工序、Ar氣體吹掃工序、Ar+H20氣體流入工序及Ar氣體吹掃工序作為一個循環(huán)，重復進行該循環(huán)至成為目標氮化鋁(AlN)膜厚。例如，通過2小時的成膜，在氧化鋁(Al2O3)膜表面包覆形成膜厚為20nm的氮化鋁(AlN)膜。
[0114]對在此獲得的cBN顆粒截面進行SEM (Scanning Electron Microscopy)觀察,其結(jié)果確認到在cBN顆粒的表面包覆有均勻且無裂縫的由氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的薄膜。
[0115](b)接著，根據(jù)需要，將包覆有由通過所述(a)制作的氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的均勻的薄膜的cBN顆粒裝入到硬質(zhì)合金制容器，并通過與硬質(zhì)合金制球(直徑Imm) —同以預定的條件進行球磨混合，從而制作由預定膜厚的氧化鋁(Al2O3)膜和氮化鋁(AlN)膜這兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，并且被具有局部裂縫的薄膜所包覆的cBN顆粒。
[0116]另外，若相對于所混合的cBN顆粒的硬質(zhì)合金制球的重量比變大，則裂縫的形成比例變大，并且，若cBN顆粒與硬質(zhì)合金制球的混合時間變長，則裂縫的形成比例變大。
[0117]通過SEM觀察在此獲得的cBN顆粒截面的結(jié)果，確認到cBN顆粒表面的由氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的薄膜上局部形成有裂縫。
[0118]在所述工序(a)中，之所以首先制作被均勻且無裂縫的氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的薄膜包覆的cBN顆粒，其理由是為了在接下來的所述(b)工序中，能夠?qū)⒀趸X(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)的膜厚控制成所期望的值，并且，將氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這 兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的薄膜的裂縫長度h和cBN顆粒的周長H的比例(h/H)控制成所期望的值。
[0119]cBN燒結(jié)體、cBN工具的制作:
[0120]將在所述工序(a)制作的被均勻且無裂縫的氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)的薄膜包覆的cBN顆粒，或在所述工序(b)中制作的被具有局部裂縫且由預定膜厚的氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的薄膜包覆的cBN顆粒作為原料粉末，通過以下所示的工序(c)制作cBN燒結(jié)體，另外，通過工序(d)制作cBN工具。
[0121](c)作為原料粉末，準備在所述工序(a)中制作的被均勻且無裂縫的氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)的薄膜包覆的cBN顆粒，或在所述工序(b)中制作的被具有局部裂縫且由預定膜厚的氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的薄膜包覆的cBN顆粒作為原料粉末，另外，作為原料粉末，準備例如TiN粉末、Al粉末、TiAl3粉末及Al2O3粉末，將這些原料粉末以成為預定組成的方式配合，并制作預定尺寸的成型體之后，制作預燒結(jié)體。
[0122]接著，將該預燒結(jié)體在使其與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)條件即壓力:5GPa、溫度:1500°C及保持時間:30分鐘的條件下進行超高壓高溫燒結(jié)，制作cBN燒結(jié)體。
[0123]進行上述燒結(jié)時，預先包覆于cBN顆粒表面的由氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的薄膜中，通過產(chǎn)生氧原子的擴散，形成含氧氮化鋁膜(AlN (O)膜)。
[0124]AlN(O)膜中的平均氧濃度，主要依賴于預先包覆于cBN顆粒表面的氧化鋁(Al2O3)膜和氮化鋁(AlN)膜的膜厚。[0125]例如，在氧化鋁(Al2O3)膜以5nm的膜厚包覆、且氮化鋁(AlN)膜以45nm的膜厚包覆時，AlN (O)膜中的平均氧濃度成為6原子％。
[0126]并且，將氧化鋁(Al2O3)膜以12nm的膜厚包覆，并且將氮化鋁(AlN)膜以38nm的膜厚包覆時，AlN (O)膜中的平均氧濃度成為15原子％。
[0127] 為了使平均氧濃度大于15%，需使氧化鋁(Al2O3)膜變厚，但若使氧化鋁(Al2O3)膜變厚，則導致進行上述燒結(jié)時形成氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)，無法形成與cBN顆粒相接的單層的AlN (O)膜。
[0128]因此，cBN燒結(jié)體中形成于cBN顆粒表面的含氧氮化鋁膜(AlN (O)膜)中的平均氧濃度，能夠通過所述工序(a)中的氧化鋁(Al2O3)膜和氮化鋁(AlN)膜的膜厚比控制。
[0129]另外，作為原料粉末，使用在所述工序(b)制作的包覆有具有局部裂縫的由氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)這兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的薄膜的cBN顆粒時，形成于AlN (O)膜的裂縫長度h、形成于AlN (O)膜的裂縫的平均形成比例h/H，例如能夠通過所述工序(b)中的硬質(zhì)合金制球相對于所混合的cBN顆粒的重量比、及cBN顆粒和硬質(zhì)合金制球的混合時間來進行控制。
[0130](d)將在所述工序(C)制作的cBN燒結(jié)體通過電火花加工機切割成預定尺寸，例如釬焊于具有預定的刀片形狀的WC基硬質(zhì)合金制刀片主體的釬焊部(拐角部)，之后，通過實施研磨/刃口修磨處理等，制作具有預定刀片形狀的CBN工具。
[0131]本發(fā)明的cBN工具中，cBN顆粒的表面被AlN (O)膜包覆，因此改善了 cBN顆粒與結(jié)合相的界面粘附強度，并且，當cBN顆粒表面被形成有局部裂縫的AlN (O)膜包覆時，抑制cBN顆粒與AlN (O)膜之間的界面產(chǎn)生龜裂，另外，cBN顆粒與結(jié)合相之間的界面粘附強度進一步提高，因此即使在斷續(xù)性/沖擊性負荷作用于切削刃的高硬度鋼等的斷續(xù)切削加工中使用時，也能夠抑制崩刀、缺損的產(chǎn)生，在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0132]圖1表示cBN燒結(jié)體的cBN顆粒周圍的AlN (O)膜(本發(fā)明)及AlN膜(現(xiàn)有產(chǎn)品)的膜中平均氧濃度的測定例。
[0133]圖2表示本發(fā)明cBN燒結(jié)體的cBN顆粒周圍的AlN (O)膜的截面示意圖。
[0134]圖3表示基于FIB的截面加工和通過SIM獲取截面圖像的概要示意圖。
[0135]圖4表示在圖3中示出的截面加工中在各進深的截面圖像。
[0136]圖5表示本發(fā)明的cBN燒結(jié)體中，cBN顆粒和包覆其表面的形成有局部裂縫的AlN
(O)膜的SM截面圖像的一例。
[0137]圖6表示通過圖5中示出的SM截面圖像測定cBN顆粒的周長和AlN (O)膜的裂縫長度的例子。
【具體實施方式】
[0138]以下，根據(jù)實施例對本發(fā)明的cBN工具進行說明。
[0139][實施例]
[0140]被AlN (O)膜包覆的cBN顆粒的制作:
[0141](a)將平均粒徑為0.5~8 μ m的cBN顆粒作為基材，根據(jù)ALD (Atomic LayerD印osition)法在該顆粒表面包覆形成均勻且為薄膜的Al2O3膜，接著，在該Al2O3膜之上包覆形成均勻且為薄膜的AlN膜。
[0142]更具體而言，在爐內(nèi)例如裝入預定粒徑的cBN顆粒，使爐內(nèi)升溫至300°C。接著，在該爐內(nèi)作為成膜用氣體使用Al (CH3)3和H2O氣體，并且作為吹掃用氣體使用Ar氣體，進行
(i)Ar+Al (CH3)3氣體流入工序、(ii)Ar氣體吹掃工序、(iii)Ar+H20氣體流入工序、(iv)Ar氣體吹掃工序。將該(i)到(iv)的工序作為一個循環(huán)，按所期望的膜厚重復進行該循環(huán)。
0.25~3小時進行成膜，由此在cBN顆粒表面均勻地包覆形成各自所期望的膜厚的Al2O3膜。
[0143]接著，使爐內(nèi)升溫至350°C，且作為成膜用氣體使用Al (CH3) 3和NH3氣體，并且作為吹掃用氣體使用Ar氣體,進行(v)Ar+Al (CH3)3氣體流入工序、(vi)Ar氣體吹掃工序、(vii)八0順3氣體流入工序、(viii)Ar氣體吹掃工序。并且，將該(V)到(viii)的工序作為一個循環(huán)，重復進行該循環(huán)至成為所期望的氮化鋁(AlN)膜厚。具體而言，經(jīng)過0.5~9小時進行成膜，由此在氧化鋁(Al2O3)膜表面包覆形成所期望的氮化鋁(AlN)膜。
[0144]另外，對由通過上述過程獲得的Al2O3膜和AlN膜這兩層膜結(jié)構(gòu)所包覆的cBN顆粒,用SEM (Scanning Electron Microscopy)觀察截面的結(jié)果,確認到在cBN顆粒表面包覆有均勻且為薄膜的Al2O3膜和AlN膜這兩層。
[0145](b)接著，將在所述(a)制作的其表面包覆形成有均勻且為薄膜的Al2O3膜和AlN膜這兩層的幾個cBN顆粒裝入到硬質(zhì)合金制容器內(nèi)。在該容器內(nèi)加入有機溶劑，并與硬質(zhì)合金制球(直徑Imm)—同以50rpm的球磨機轉(zhuǎn)速進行球磨混合。在cBN顆粒表面形成有具有預定膜厚、且具有預定裂縫比例的裂縫的Al2O3膜和AlN膜這兩層的薄膜。在該裂縫上露出有cBN顆粒表面。
[0146]另外，混合的cBN顆粒和硬質(zhì)合金制球的比例調(diào)整為以重量比計為1:10~20。并且，混合時間調(diào)整為0.25~1.5小時。
[0147] 作為原料粉末，準備在上述的工序(a)制作的包覆有均勻且為薄膜的Al2O3膜和AlN膜這兩層的cBN顆粒粉末、或通過上述工序(a)及(b)制作的包覆有形成局部裂縫的Al2O3膜和AlN膜這兩層的cBN顆粒粉末、及TiN粉末、Al粉末、TiAl3粉末及Al2O3粉末，將這些原料粉末配合成cBN顆粒粉末的含量成為60容積％。所述TiN粉末、Al粉末、TiAl3粉末及Al2O3粉末均具有0.3~0.9μπι范圍內(nèi)的平均粒徑。在有機溶劑中通過超聲波攪拌器進行混合，并進行干燥之后，用液壓沖壓機在120MPa的成型壓力下沖壓成型為直徑:50mmX厚度:1.5mm的尺寸。接著將該成型體在壓力:lPa以下的真空氣氛中、溫度1000°C、保持時間30分鐘的條件下進行熱處理，去除揮發(fā)成分及吸附于粉末表面的成分來作為預燒結(jié)體。接著，在將該預燒結(jié)體與另外準備的具有Co:8質(zhì)量％、WC:剩余的組成以及直徑:50mmX厚度:2mm的尺寸的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)裝置中。接著將它們在通常條件即壓力:5GPa、溫度:1500°C、保持時間:30分鐘的條件下進行超高壓高溫燒結(jié)，得到cBN燒結(jié)體。用電火花加工機將如此獲得的圓板形狀的cBN燒結(jié)材料切割成預定尺寸，用具有包括以質(zhì)量％計Cu為26%、Ti為5%、Ag為剩余部分的組成的Ag系釬料，對具有Co為5質(zhì)量％、TaC為5質(zhì)量％、WC為剩余部分的組成且具有ISO標準CNGA120408的刀片形狀的WC基硬質(zhì)合金制刀片主體的釬焊部(拐角部)進行釬焊。之后，實施上下面及外周研磨、刃口修磨處理，從而制造出具有ISO標準CNGA120408的刀片形狀的本發(fā)明cBN工具I~30。
[0148]cBN顆粒的平均粒徑的測定:
[0149]對通過上述獲得的cBN燒結(jié)體的截面組織，通過掃描電子顯微鏡觀察cBN燒結(jié)體組織并獲得二次電子圖像。通過圖像分析抽出獲得的圖像內(nèi)的cBN顆粒的部分，并通過圖像分析求出各cBN顆粒的最長徑而作為各顆粒的直徑[μ m]。
[0150]以通過圖像分析求出的各顆粒的直徑為基礎計算各顆粒的體積。關(guān)于體積，將顆粒假設為理想球體來計算體積(體積=(4X π X半徑3)/3)。
[0151]將縱軸設為體積百分比[%]、橫軸設為直徑[ym]來繪制曲線圖，將體積百分比為50%的值設為cBN顆粒的平均粒徑。
[0152]對于圖像，優(yōu)選在一個圖像內(nèi)反映200個左右的顆粒的倍率，將三個圖像通過上述方法進行處理而求出的值的平均值作為測定結(jié)果。
[0153]并且，對于上述本發(fā)明cBN工具I~30的cBN燒結(jié)體，在研磨燒結(jié)體的截面之后，使用FIB (Focused 1n Beam)進行薄片加工，且通過透射型電子顯微鏡(TEM)獲取X80k的組織截面圖像，對從該組織截面圖像內(nèi)的cBN顆粒到AlN (O)膜的區(qū)域的Al、T1、O、N這四種元素進行元素線分析，計算出以該四種元素的分析結(jié)果為基礎的各元素的原子％，由此能夠求出包覆cBN顆粒表面的AlN (O)膜中的平均氧濃度。求平均氧濃度時，設為測定數(shù)M=3、膜的厚度方向的位置的細度P=lnm、相對于膜的厚度方向為垂直的方向上的距離測定中心的寬度W=10nm。
[0154]并且，對于上述 本發(fā)明cBN工具I~30的cBN燒結(jié)體，研磨燒結(jié)體的截面之后，進一步通過FIB對截面進行加工，并通過SIM獲取截面圖像。圖像的倍率優(yōu)選在圖像內(nèi)畫出對角線時，十個以上的cBN顆粒與該對角線接觸的倍率。例如，使用平均粒徑為3 μ m的cBN顆粒時，優(yōu)選倍率為4000倍左右。
[0155]為了能夠觀察cBN顆粒整體，每隔200nm進行FIB加工，并且，進行截面加工的長度(進深)設為在所使用的cBN顆粒的平均粒徑上加I μ m的值以上。
[0156]通過上述所獲得的片斷性的多個截面圖像，關(guān)注能夠掌握全貌的cBN顆粒，對于該cBN顆粒，測定cBN顆粒的周長和裂縫長度，并求出裂縫的形成比例hl/Hl。另外，對于其他十五個cBN顆粒，同樣測定cBN顆粒的周長和裂縫長度，并求出各cBN顆粒的裂縫的形成比例，由它們的平均值計算出裂縫的平均形成比例h/H的值。
[0157]并且，對于上述本發(fā)明cBN工具I~30的cBN燒結(jié)體中的包覆cBN顆粒表面的AlN (O)膜的膜厚，根據(jù)上述獲得的片斷的多個截面圖像，在各截面圖像內(nèi)畫出對角線，關(guān)注與對角線接觸的cBN顆粒。對每一個圖像至少測定五處包覆所接觸的各cBN顆粒的表面的AlN (O)膜的膜厚，由其平均值求出AlN (O)膜的膜厚。另外，對于其他與對角線接觸的多個cBN顆粒同樣也測定包覆cBN顆粒表面的AlN (O)膜的膜厚，并通過求出它們的平均值求出其平均膜厚。
[0158]在表1中示出上述各自的值。
[0159][表 I]
【權(quán)利要求】
1.一種立方晶氮化硼基燒結(jié)材料制切削工具，其含有立方晶氮化硼顆粒作為硬質(zhì)相成分，其特征在于， 所述立方晶氮化硼顆粒中的至少一部分的表面被平均膜厚為10~IOOnm的含氧氮化鋁膜包覆， 所述含氧氮化鋁膜中的平均氧濃度為1~15原子％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立方晶氮化硼基燒結(jié)材料制切削工具，其特征在于， 所述含氧氮化鋁膜中局部形成有裂縫。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立方晶氮化硼基燒結(jié)材料制切削工具，其特征在于， 觀察被所述含氧氮化鋁膜包覆的立方晶氮化硼顆粒的截面圖像，并求出沿立方晶氮化硼顆粒的表面形成的含氧氮化鋁膜的局部裂縫的平均形成比例時，滿足0.02 Sh/H ≤ 0.08， 其中，h表示含氧氮化鋁膜的裂縫長度、H表示立方晶氮化硼顆粒的周長。
4.根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項所述的立方晶氮化硼基燒結(jié)材料制切削工具，其特征在于， 所述立方晶氮化 硼顆粒的平均粒徑為0.5~8 μ m。
【文檔編號】C04B35/5831GK103964858SQ201410041537
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月31日
【發(fā)明者】矢野雅大, 宮下庸介, 大橋忠一 申請人:三菱綜合材料株式會社