CN102639268A

CN102639268A - 切削工具

Info

Publication number: CN102639268A
Application number: CN2011800047445A
Authority: CN
Inventors: 瀬户山诚; 久木野晓
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2031-08-30
Also published as: KR101729804B1; MX2012005970A; JP2015127095A; US9186728B2; EP2614906B1; JP5927685B2; EP2614906A4; US20120213601A1; WO2012032966A1; CN102639268B; EP2614906A1; MX346059B; IN2012DN03420A; JP5765658B2; KR20130106757A; JPWO2012032966A1

Abstract

本发明提供一种具有优异的切屑处理性和抗附着性的切削工具（1）。所述切削工具（1）具有前刀面（2）和后刀面（3），并且至少在切削刃中包含硬质烧结体（4）。所述前刀面（2）具有凸形或凹凸形状的断屑槽（5）。所述硬质烧结体包含至少20体积%的立方氮化硼。自所述硬质烧结体（4）的在所述前刀面那侧的表面到在深度方向上小于或等于20μm距离处的这一区域包含A结构和B结构，所述A结构由立方氮化硼制成，所述B结构由选自由六方氮化硼、非晶氮化硼和氧化硼组成的组中的至少一种制成。所述B结构占所述A结构和所述B结构的总和的体积比率B/（A+B）为大于或等于5体积%且小于或等于90体积%。

Description

切削工具

技术领域

本发明涉及一种包含含有立方氮化硼（以下也称为cBN）的硬质烧结体的切削工具。

背景技术

通过将cBN细粉末与多种粘结剂进行烧结而制备的cBN烧结体工具具有优异的耐磨性和强度，并且因此对高硬度铁系金属和铸铁表现出优异的切削性能。

在这里，cBN烧结体由通过粘结相而粘结的cBN颗粒制成，其中粘结相的主要成分为TiN、TiC、W、Co和Al。cBN颗粒具有仅次于金刚石的第二高的硬度和导热性，并且具有比陶瓷材料更高的耐断裂韧性。cBN烧结体具有高含量的cBN颗粒，因此具有优异的耐塑性形变性、韧性、强度和耐崩裂性等特性。

近年来，由于机床自动化及生产过程无人化，切屑处理性已经被认为是机床连续运转必不可少的重要因素。为了提高切屑处理性，通常在工具的前刀面处形成断屑槽，并且多种方法正在研究当中。

例如，日本专利特开No.3-178736（PTL 1）公开了一种方法，该方法对切削工具的前刀面进行激光加工或放电加工，从而形成断屑槽。根据PTL 1的方法，在形成断屑槽之后，对工具进行处理以减少在形成断屑槽的过程中所引起的损伤，由此使得切削性能增强。

此外，日本专利特开No.2004-223648（PTL 2）和2006-281386（PTL 3）均公开了一种方法，该方法在形成断屑槽之后，利用松散的磨料对其表面进行处理。根据PTL 2和PTL 3所公开的方法，由表面粗糙引起的附着或者由于在断屑槽的表面上发生的结构改变而引起的附着的发生得到降低，并且消除了加工损伤，例如内部裂纹。因此，切削工具不易发生崩裂。

引用列表

专利文献

PTL 1：日本专利特开No.3-178736

PTL 2：日本专利特开No.2004-223648

PTL 3：日本专利特开No.2006-281386

PTL 4：日本专利特开No.2003-127007

PTL 5：日本专利特开No.2007-216327

发明内容

技术问题

然而，近年来，要求切削加工更加快速化且更加高效化，并且工件也变得更加难以切削。因此，工件切屑的摩擦使得工件更加易于附着到前刀面上。目前常用的切削工具有以下缺点，例如，由于工件附着到前刀面而引起的尺寸精度的劣化、导致发生崩裂的切削阻力增加，以及表面结构的劣化。

为了克服上述缺点，直接的方式是使工件难以附着到前刀面。然而，目前还没有提供有效的方法。

鉴于上述情况，完成了本发明，并且本发明的目的在于提供一种切削工具，该切削工具在保持包括耐崩裂性和耐磨性等性能的同时，具有优异的切屑处理性和抗附着性。

解决问题的手段

本发明的切削工具具有前刀面和后刀面，并且至少在切削刃中包含硬质烧结体。所述前刀面具有凸形或凹凸形状的断屑槽。所述硬质烧结体包含至少20体积%的立方氮化硼。自所述硬质烧结体的在所述前刀面那侧的表面到在深度方向上小于或等于20μm距离处的这一区域包含A结构和B结构，所述A结构由立方氮化硼制成，所述B结构由选自由六方氮化硼、非晶氮化硼和氧化硼组成的组中的至少一种制成。所述B结构占所述A结构和所述B结构的总和的体积比率B/（A+B）为大于或等于5体积%且小于或等于90体积%。

优选地，所述切削工具具有连接所述前刀面和后刀面的面，并且该面包括选自由棱面、倒棱面和珩磨部分组成的组中的至少一种面。自该面的表面到在深度方向上小于或等于20μm距离处的这一区域中，所述的体积比率B/(A+B)为大于或等于0.1体积%且小于或等于5体积%。

优选地，所述切削工具具有连接所述前刀面和后刀面的面，并且该面包括选自由棱面、倒棱面和珩磨部分组成的组中的至少一种面。在自脊线到小于或等于10μm距离处的这一区域中，所述的体积比率B/(A+B)为大于或等于0.1体积%且小于或等于5体积%，其中所述前刀面、所述后刀面、所述棱面、所述倒棱面和所述珩磨部分中的任意两者在所述脊线处彼此邻接。

优选地，在所述硬质烧结体中，含有至少90体积%的所述B结构的各区域均散布在所述A结构中。

优选地，当对所述前刀面侧的所述硬质烧结体进行X射线衍射时，Ih(0001)/Ic(111)大于或等于0.1且小于或等于10，其中Ic(111)为所述立方氮化硼的（111）面的X射线衍射的积分强度，并且Ih(0001)为所述六方氮化硼的（0001）面的X射线衍射的积分强度。

优选地，当对所述前刀面侧的所述硬质烧结体的表面进行X射线衍射时，在2θ=10°至30°的衍射峰中除清晰衍射峰以外的背景组分的积分强度，是当对将所述前刀面侧的所述硬质烧结体的表面切削掉至少0.4mm而获得的表面进行X射线衍射时，在2θ=10°至30°的衍射峰中除清晰衍射峰以外的背景组分的积分强度的1.1倍以上，但在10倍以下。

优选地，当对所述前刀面侧的所述硬质烧结体进行XPS分析时，IBO/(IBO+IBN)大于或等于0.05且小于或等于0.9，其中IBN为代表B-N键的B信号的积分强度，并且IBO为代表B-O键的B信号的积分强度。

本发明的有益效果

本发明的切削工具具有上述构成和特征，因此在保持耐崩裂性和耐磨性的同时，表现出优异的切屑处理性和抗附着性。

附图说明

图1为本发明的切削工具的截面示意图。

具体实施方式

以下将进一步描述本发明的切削工具的各构成和特征。

<切削工具>

图1为本发明的切削工具的截面示意图。如图1所示，在切削加工时，本发明的切削工具1具有接触工件的切屑的前刀面2，和接触工件本身的后刀面3，并且至少在切削刃中包含硬质烧结体4。

本发明的切削工具可以非常有利地被用作（例如）钻头用可替换刀头、端铣刀用可替换刀头、铣削用可替换刀头或切削用可替换刀头、金工锯、齿轮切削刀具、铰刀、丝锥、曲轴针铣加工用可转位刀片等。

此切削工具可以为凹状或凸状。凹状是有利的，原因在于切削工具的两侧都能用于切削，因此每个可转位刀片的可用的切削刃的数目更多，因此更加优选。

在图1中，前刀面2与后刀面3彼此邻接的脊线6未经加工，因此具有锐边。然而，可以加工脊线6，从而在将前刀面2与后刀面3彼此连接的面上形成选自由棱面、倒棱面和珩磨部分组成的组中的至少一种形状。下文将进一步描述棱面、倒棱面和珩磨部分。

虽然图1示出的切削工具1仅在工具基材的切削刃中接合有硬质烧结体4，但切削工具不限于硬质烧结体4被设置在此位置上的形式。因此，硬质烧结体4可以被设置在切削工具1的除切削刃以外的任何位置。此外，虽然图1示出了仅被设置在切削工具的一个切削刃中的硬质烧结体，但显而易见的是，硬质烧结体可以被设置在两个或多个切削刃中。就本发明而言，“切削刃”是指切削工具1的参与切削的顶角部分。

<前刀面>

前刀面2是本发明的切削工具1的构成部分，它指的是，在切削加工时接触工件的切屑的面。例如，图1所示的切削工具的上表面和下表面均为前刀面2。所述前刀面2的特征在于，其具有凸形或凹凸形状的断屑槽5。由于提供了断屑槽5，切屑卷曲并断裂成大小合适的细小碎片。因此，切屑难以发生卷绕，并且切削加工可以顺利地完成。

<后刀面>

后刀面3是本发明的切削工具1的构成部分，它指的是，在切削加工时接触工件本身的面。例如，图1所示的切削工具1的侧面为后刀面3。

<硬质烧结体>

本发明的切削工具1在切削工具的至少一个切削刃中设置有硬质烧结体4。自该硬质烧结体4的在前刀面那侧的表面到在深度方向上20μm以内的这一区域包含A结构和B结构，A结构由立方氮化硼制成，B结构由选自由六方氮化硼、非晶氮化硼和氧化硼组成的组中至少一种制成。B结构占A结构与B结构的总和的体积比率B/(A+B)为大于或等于5体积%且小于或等于90体积%。

以此比率包含A结构和B结构，由此能同时提供A结构的优异的耐磨性和强度特性，以及B结构的优异的滑动性和抗附着性特征。由此，可以获得具有耐磨性、强度、滑动性和抗附着性的切削工具。

由于至少在切削刃中包含了具有上述特征的硬质烧结体4，因此，切屑难以附着到前刀面2上，并且切削工具可以被用于切削多种工件。因此，切削工具1具有提高的切屑处理性，并且因此可以在广泛的切削条件下使用。

例如，在对诸如烧结合金或难切削铸铁等在切削加工时产生细切屑的工件进行切削加工的情况中，前刀面的切屑摩擦部分的耐磨性降低。因此，由切屑摩擦部分的耐磨性引起的热量产生得到了抑制，并且由高速加工引起的弧坑磨损也可以得到抑制。

在对诸如硬化钢或钢等在切削加工时产生长切屑的工件进行切削加工的情况中，前刀面的滑动性和抗附着性能得以提高。因此，切屑可以被顺利地排出，并且因此降低了切削阻力，并且前刀面不易发生磨损。

在使用常规切削工具的情况中，当粘附到前刀面上的切屑积累，并且所积累的切屑脱落时，在切屑脱落的同时，硬质烧结体的组成成分剥离，因此，容易发生弧坑磨损。然而，由于如上文所述，包含了具有优异的抗附着性的B结构，因此有利于所粘附的切屑的剥离，因而可以减少弧坑磨损。

在自硬质烧结体的在前刀面那侧的表面到在深度方向上小于或等于20μm距离处的这一区域中，如果B结构的体积比率小于5体积%，即，A结构占A结构和B结构的总和的体积比率A/(A+B)超过95体积%，则一部分有摩擦性的切屑附着到前刀面以及断屑槽的表面，这导致了以下缺点：切屑的流动受到阻碍，并且切削阻力增加。此外，当附着的切屑与新的切屑接触并且剥离时，一部分硬质烧结体也发生剥离，这使得前刀面上的弧坑磨损可能进一步发展。

相反，如果B结构的体积比率B/(A+B)大于90体积%，则缺点为，硬质烧结体4的耐磨性低。因此，虽然在切削过程的一开始表现出优异的特性，但B结构在早期阶段便发生磨损，因而无法保持长期的抗附着性的效果。就耐磨性、强度、滑动性和抗附着性之间的平衡而言，上述B结构的体积比率B/(A+B)优选为大于或等于10体积%且小于或等于70体积%，并且更优选为大于或等于25体积%且小于或等于50体积%。在本文中，本发明采用通过X射线衍射测得的数值作为表示A结构与B结构之间的体积比率的值。

对本发明而言，优选对A结构进行放电加工、电子束加工、激光加工或等离子电弧加工，从而对A结构施加一定能量，由此将A结构转变为B结构。因此可以将B结构形成为提供这样一种晶体结构：其中，在保持硬质烧结体的致密结构的同时，A结构与B结构混合的晶体结构。

在本文中，在距离硬质烧结体4的前刀面侧的表面小于或等于20μm的区域中，A结构与B结构的混合物的形式可以为原子混合物，或者A结构与B结构可以分离地相互散布（scattered separately）。然而，更优选的是，A结构基本上形成基质网络，而B结构散布在该网络中。由于B结构散布在A结构的网络中，因此，与A结构和B结构仅仅分离地相互混合、或者以层或原子的形式混合的情况相比，可以提高耐磨性和抗附着性。在B结构因此以散布在A结构网络中的方式被包含在硬质烧结体中的情况中，如果在切削加工完成时B结构发生磨损，则围绕B结构的A结构可抑制B结构的进一步磨损。此外，即使在切削加工完成时A结构附着到工件上，散布的B结构也不会附着到工件上。因此，工件附着到前刀面的面积小，这使得附着的工件碎片更容易剥离，并且使得A结构很难与附着的工件碎片一起剥离。

在本文中，“B结构散布”的状态是指这样的状态，当用透射电子显微镜或其它方法分析前刀面侧的硬质烧结体的晶体结构时，或者观察形成硬质烧结体的硼、氮和氧的分布状态时，包含至少90%体积的B结构的各区域（以下也称为“B结构区域”）与其它区域分离地存在。

在B结构散布在A结构网络的情况中，B结构区域的平均直径优选为大于或等于0.5μm且小于或等于50μm，并且更优选为大于或等于0.5μm且小于或等于10μm。如果平均直径小于0.5μm，则不能充分地获得B结构的提高滑动性和抗附着性的效果。如果平均直径大于50μm，则B结构会发生局部磨损，因此不能提高工具寿命。

虽然B结构区域不必须为圆形，但表明该区域的平均直径是为了便于定义B结构在前刀面侧的硬质烧结体中所占据的区域。

为了计算B结构区域的平均直径，首先进行电子背散射花样（EBSP）分析来测量硬质烧结体的表面。之后，计算结构相同的晶粒聚集的区域的面积，并且计算与所计算的面积相同的圆的直径。进行此操作至少10次，计算各次算得的圆直径的平均值以用作A结构区域和B结构区域的直径的平均值。

B结构优选存在于在深度方向上距离前刀面的表面大于或等于0.5μm且小于或等于20μm的区域中。就使适用性达到广泛使用的程度而言，B结构优选存在于深度为小于或等于10μm的区域中。更优选地，B结构存在于深度为小于或等于5μm的区域中。如果B结构被包含在深度小于0.5μm的范围内，则不能够充分获得B结构的抑制磨损的效果。此外，B结构的早期磨损则会发生在开始切削的初始阶段，而B结构的耐磨性效果也在早期阶段损失。相反，如果B结构被包含在深度超过20μm的区域中，则硬质烧结体的强度显著劣化。

在本文中，按照以下方式计算“距离前刀面的表面的深度”。利用扫描电子显微镜（SEM）或透射电子显微镜（TEM）观察垂直于硬质烧结体的前刀面的截面，之后利用透射电子衍射（TED）进行分析。此时，将所检测到的B结构所在的最大深度算作距离前刀面的表面的深度。关于上述“距离前刀面的表面的深度”，当对前刀面的表面进行溅射时，通过XPS分析测量深度方向上的氧含量和B-O键的量，并且将不再能检测到B-O键时的深度，或者将B-O键的量比表面区域的B-O键量的5%还小之处的深度作为上述距离前刀面的表面的深度的值。

在包含六方氮化硼作为B结构的情况中，当对前刀面侧的硬质烧结体进行X射线衍射时，Ih(0001)/Ic(111)的比率优选为大于或等于0.1且小于或等于10，更优选为大于或等于0.2且小于或等于1.5，并且更加优选为大于或等于0.3且小于或等于1，其中Ic(111)为cBN的（111）面的X射线衍射的积分强度，并且Ih(0001)为六方氮化硼的（0001）面的X射线衍射的积分强度。当硬质烧结体的晶体结构展现出此比率时，获得了六方氮化硼的最佳混合比，并且可以延长工具寿命。

在包含非晶氮化硼作为B结构的情况中，当对前刀面侧的硬质烧结体的表面进行X射线衍射时，在2θ=10°至30°的衍射峰中除清晰衍射峰以外的背景组分的积分强度，优选是当对将前刀面侧的硬质烧结体的表面切削掉至少0.4mm而获得的表面进行X射线衍射时，在2θ=10°至30°的衍射峰中除清晰衍射峰以外的背景组分的积分强度的1.1倍以上，但在10倍以下，更优选是1.1倍以上，但在2倍以下。当背景组分的积分强度展现出此比率时，获得了非晶组分的最佳混合比，并且可以延长工具寿命。

此外，在包含氧化硼作为B结构的情况中，当对前刀面侧的硬质烧结体进行XPS分析时，IBO/(IBO+IBN)优选为大于或等于0.05且小于或等于0.9，更优选为大于或等于0.1且小于或等于0.5，并且更加优选为大于或等于0.25且小于或等于0.4，其中IBN为代表B-N键的B信号的积分强度，并且IBO为代表B-O键的B信号的积分强度。

<立方氮化硼>

上述硬质烧结体4的特征为，其含有至少20体积%的立方氮化硼。如果小于20体积%，则硬质烧结体中的B结构的体积比率会不可避免地较低，因此不能够充分获得提高滑动性和抗附着性的效果。

就本发明而言，在硬质烧结体4包含大于或等于20体积%且小于85体积%的cBN的情况中，优选的是，除cBN以外，还包含粘结相作为组成成分。所述粘结相优选包含：选自由周期表中的IVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al和Si组成的组中的至少一种元素与选自由氮、碳、硼和氧组成的组中的至少一种元素的化合物，或者该化合物的固溶体；以及Co和Ni中的一种或两种金属，或者所述金属与选自由氮、碳、硼和氧组成的组中的至少一种元素的化合物，或者该化合物的固溶体。具有如此组成的硬质烧结体就切削多种工件而言，都具有优异的切削性能。

就本发明而言，在硬质烧结体4包含大于或等于85体积%且小于或等于98体积%的cBN的情况中，粘结相优选包含钴和/或钴与选自由氮、碳、硼和氧组成的组中的至少一种元素的化合物，或者该化合物的固溶体。在包含大于或等于85体积%且小于或等于98体积%的cBN和上述组分的情况中，可以显著提高滑动性和抗附着性。在这种情况中，在自硬质烧结体的在前刀面那侧的表面到小于或等于20μm距离处的这一区域中，如果B结构所占的体积比率（B/(A+B)）为大于或等于5体积%且小于或等于50体积%，则可以防止耐磨性和强度发生劣化。硬质烧结体可以包含至少99体积%的cBN。

<工具的基材>

就本发明而言，在其上接合硬质烧结体4的工具的基材可以为任何基材，只要其是通常已知的这种类型的工具的基材即可，并且不对其进行特别限定。例如，作为工具的基材，可以合适地使用能够承受加工阻力的材料，例如硬质合金、钢或陶瓷材料。（例如）硬质合金可以被用作工具的这种基材。特别地，就工具基材的（例如）材料强度而言，使用硬质合金更加适合。

<珩磨部分>

在本发明的切削工具1中，前刀面2和后刀面3彼此邻接的脊线部分优选设置有珩磨部分。珩磨部分是指，通过切割前刀面2和后刀面3彼此邻接的脊线部分而形成圆形的部分。根据切削加工的条件来优化珩磨部分的宽度。宽度小的珩磨部分能提高工具的锋利性，宽度大的珩磨部分能增强切削刃的强度。珩磨部分的宽度优选为大于或等于1μm且小于或等于50μm。

<棱面和倒棱面>

在本发明的切削工具1中，前刀面2和后刀面3彼此邻接的脊线部分可以设置有棱面或倒棱面。棱面是指，位于切削刃脊线与前刀面上的断屑槽之间并且平行于切削工具的底面（前刀面）的部分。倒棱面是指，对前刀面和后刀面、或棱面和前刀面、或另一个倒棱面和后刀面进行倒角加工而形成的部分。并不是必须提供这些棱面和倒棱面，并且可以提供没有棱面和倒棱面的具有锐边的切削工具。

棱面和倒棱面均被形成为，优选占据距离刃脊线0.01mm以上0.3mm以下的区域，并且更优选占据距离刃脊线0.01mm以上0.2mm以下的区域。

棱面和倒棱面的宽度分别优选为大于或等于0.05mm且小于或等于3mm。宽度较大的棱面和倒棱面可以提供较大的切削刃强度，并且提高耐崩裂性。相反，宽度较小的棱面和倒棱面可以降低切削阻力，并且提高抗附着性。

倒棱面的角度优选为大于或等于5°且小于或等于65°。更大的倒棱面角度能为切削刃提供更高的强度并改善抗断裂性。相反，更小的角度能降低切削阻力并改善抗附着性。

<切削刃脊线附近的晶体结构>

关于B结构在硬质烧结体中的分布，随着到脊线的距离的缩短，可以使所混合的B结构的量越小，即，可以使所混合的A结构的量较大，从而使得切削刃的耐磨性和高强度得到提高。相反，随着到脊线的距离的增加，可以使所混合的B结构的量越大，从而在切屑摩擦的区域提供优异的滑动性和抗附着性，以便使切屑可以被顺利排出。

因此，对脊线及其附近区域而言，虽然对抗切屑与工件之间的摩擦的滑动性是重要的，但由于施加到此区域的冲击力强，因此耐磨性和强度也是必要的。

因此，优选的是，在脊线和距离脊线10μm以内的区域中，B结构的体积比率非常低或基本上为零。当（例如）进行XPS时，更优选的是，对应于B结构的信号达到基本上不能被检测到的程度。更加优选的是，B结构的体积比率B/(A+B)为大于或等于0.1体积%且小于或等于5体积%。在这种情况中，可以制备具有高强度的切削刃并且难以发生崩裂的切削工具。如果B结构的体积比率小于0.1体积%，则切削刃的滑动性和抗附着性不够。如果B结构的体积比率大于5体积%，则强度和耐磨性不够，这导致脊线磨损或崩裂，从而使切削刃阻力增大，并且切屑排出不良。

当要在脊线附近形成棱面、倒棱面和珩磨部分的情况中，大的冲击力被分别施加到这些部分，或者由这些部分分别与前刀面或后刀面所形成的脊线处，以及前刀面的脊线处，因此，也需要耐磨性和强度。鉴于此，上述各面的B结构的体积比率B/(A+B)优选为非常低或基本上为零。更优选地，B结构的体积比率B/(A+B)为大于或等于0.1体积%且小于或等于5体积%。

<制备切削工具的方法>

利用以下方法制备本发明的切削工具。首先，将cBN颗粒和形成粘结相的材料粉末烧结，从而制备包含A结构的硬质烧结体。利用接合材料将该硬质烧结体接合到工具的基材上以形成切削工具。之后，对该切削工具的前刀面进行表面处理，从而形成断屑槽，并且将A结构转变为B结构。以这种方式制备了本发明的切削工具。在下文中，将具体描述制备本发明的切削工具的方法。

利用以下方法制备用于本发明的硬质烧结体4。首先，将cBN颗粒和形成粘结相的材料粉末引入超高压装置中，对这些颗粒进行超高压烧结，从而产生大块烧结体。将大块烧结体置于放电加工机床中，之后利用铜丝将大块烧结体切割为所需形状。将切割表面抛光，从而获得硬质烧结体4。

将接合材料保持在如此制备的硬质烧结体4和工具基材之间，并将它们置于真空炉中。之后，将真空炉的压力降低至小于或等于2×10^-2Pa，并且将炉中的温度设定为大于或等于750℃，使接合材料熔融，从而使硬质烧结体4与工具基材接合到一起。

接下来，将接合的硬质烧结体4和工具基材冷却，以使熔融的接合材料固化。之后，将硬质烧结体4与工具基材彼此接合的面抛光，从而使硬质烧结体4和工具基材彼此接合的面平滑。由此，制备了其上尚未形成断屑槽的切削工具。

之后，以高的速度对切削工具的前刀面进行表面处理以除去烧结体，从而形成断屑槽。此时，通过刷光处理或喷砂处理来除去在断屑槽附近与断屑槽一起形成的损伤层。在这里，用于表面处理的加工方法可以包括放电加工、电子束加工、激光加工和等离子电弧加工。在下文中，对这些加工处理的条件进行详细描述。

之后，在缓和的加工条件下，对前刀面侧的硬质烧结体实施上文所列出的任意的表面处理方法，从而将A结构转变为B结构。由此，在不同的表面处理条件下形成了断屑槽和B结构，从而可以更加精确地控制B结构区域的大小和深度，以及所混合的B结构的量。在这里，当形成断屑槽时，可以使B结构与断屑槽同时形成。在这种情况中，优选的是，可以适当地改变形成断屑槽的表面处理条件。

这样，对A结构进行表面处理以形成B结构，并且因此，能提高滑动性和抗附着性的B结构精细地散布在具有优异的耐磨性和强度的A结构网络中。由此，可以形成表面结构的耐磨性、强度、滑动性和抗附着性均优异的硬质烧结体。

在本文中，用于形成B结构的表面处理就空间而言可以连续地进行，或者以部分地完成表面处理的方式间断式地进行。当部分地完成表面处理时，可以使用掩模等。可以使用这些方法中的任意方法来调整B结构区域的大小和所混合的B结构区域的量，从而提供更致密的结构。

<表面处理的方法>

下面将具体描述进行上述表面处理的方法的条件。优选地，进行以下表面处理方法中的任意方法来将硬质烧结体的表面中的A结构转变为B结构。

（1）放电加工

将包含硬质烧结体的切削工具置于放电加工机床中。将每单位时间、待处理表面每单位面积上的放电电流调整为，用于形成断屑槽的放电电流的1/2至1/100，并且完成表面处理。根据待处理的表面的情况，金属丝的形状优选为弯曲状或针状。

（2）电子束加工

关于电子束加工，首先将包含硬质烧结体的切削工具置于真空容器中，之后将真空容器中的压力降低至0.03Pa。之后，向真空容器中引入氩气和氧气，并且将该容器中的内部压力设定至0.05Pa。之后，对前刀面侧的硬质烧结体的表面施加电子束大约10000次，从而将硬质烧结体的表面中的一部分A结构转变为B结构。在这里，电子束的能量优选为大于或等于0.1J/cm²且小于或等于5J/cm²，并且毎次施加电子束的电子束施加时间优选为大于或等于1秒且小于或等于100秒。

（3）激光加工

关于激光加工，将前刀面侧的硬质烧结体的表面按一定方向设置，以使得该表面为上表面，并且将该切削工具置于激光加工装置中。之后，将激光加工装置的输出功率设定为大于或等于1W且小于或等于100W（优选为大于或等于10W），并且对前刀面侧的硬质烧结体的表面施加光点尺寸为60μm的激光束，从而将硬质烧结体的表面中的A结构转变为B结构。在这里，激光束的频率优选为大于或等于5Hz且小于或等于100kHz。

（4）等离子电弧加工

优选按以下方式进行等离子电弧加工。首先，将硬质烧结体置于真空容器的电极上，并且将真空容器的压力降低以形成小于或等于0.1Pa的真空。在此之后，向真空容器中引入氩气和氧气，并且将该容器的内部压力升高至大于或等于0.1Pa且小于或等于10Pa。之后，对硬质烧结体施加高频电功率以产生等离子体，从而将前刀面侧的硬质烧结体的表面中的A结构转变为B结构。在这里，高频电功率的振荡频率优选为大于或等于1MHz且小于或等于100MHz，并且其输出功率优选为大于或等于500W且小于或等于5000W。此外，可以调整被引入真空容器中的氩气和氧气之间的比例，从而提高将A结构转变为B结构的效率。

实施例

下面将参照实施例对本发明进行更加详细的描述。然而本发明不限于这些实施例。

<实施例1>

按照以下方式制备切削工具。首先，将平均粒径为20μm的TiN粉末与平均粒径为20μm的Al粉末混合，以使TiN∶Al的质量比为4∶1。之后，在真空中，在1250℃下对该混合物进行热处理30分钟。利用φ4mm的硬质合金球和硬质合金坩埚对经热处理而获得的混合物进行粉碎，从而获得形成粘结相的材料粉末。

之后，将如此获得的用于形成粘结相的材料粉末与平均粒径为4μm的cBN颗粒掺混，从而使cBN的含量为25体积%。将掺混物置于真空炉中，加热至950℃，之后保持30分钟，从而对所述材料粉末和cBN颗粒进行脱气。

之后，将脱气的材料粉末和cBN颗粒叠积在由硬质合金制成的支持板上，并且填入由Nb制成的囊体中。之后，将粉末和颗粒与囊体一起置于超高压装置中。将超高压装置中的压力设定为5GPa，并且在1300℃下烧结20分钟。随后，从囊体中移出烧结体，将该烧结体研磨并且进一步进行抛光以使该烧结体成形。由此制备了板状的大块烧结体。

利用放电加工机床的铜丝切割如此获得的大块烧结体。由此，获得了底面为等腰三角形并且厚度为1.2mm的三棱镜状的硬质烧结体，所述等腰三角形底面的两腰为2mm，并且该两腰之间的顶角为80°。将此硬质烧结体浸入纯水中，并且暴露于100W的超声波中10分钟，利用纯水超声清洗cBN烧结体的表面。

之后，准备工具的硬质合金基材，在cBN烧结体与工具的基材之间的界面上提供由Ti、Zr、Cu和Ni制成的接合材料，并且将它们置于真空炉中。之后，将真空炉中的压力设定为1×10^-2Pa，并且将炉的内部温度提高至850℃,从而将硬质烧结体接合到工具的基材上。

在此之后，从反应炉中移出接合有硬质烧结体的工具基材，并放置至冷却。之后，进行抛光以完成硬质烧结体与工具的基材彼此接合的面的制作。这样，制备了ISO编号为CNMA120408所定义的形状并且具有包含硬质烧结体的切削刃的切削工具。

对如此制备的切削工具的前刀面施加强度为10J/cm²的电子束，从而形成断屑槽。这时，将位于断屑槽附近的一部分cBN转变为B结构，例如六方氮化硼。利用松散的磨料除去B结构。随后，以合适的扫描速度对前刀面施加强度为25J/cm²的电子束，从而将形成前刀面侧的硬质烧结体的表面的A结构转变为六方氮化硼B结构。

接下来，在前刀面和后刀面彼此邻接的脊线上，利用金刚石磨料形成角度为25°且宽度为0.1mm的倒棱面。之后，使用保持有SiC磨粒的刷子除去脊线附近的B结构。

<实施例2-8、比较例1>

利用与实施例1相似的方法分别制备实施例2至8和比较例1的切削工具，不同之处在于：如表1“cBN含量”栏所示，包含在硬质烧结体中的cBN的体积比率不同于实施例1中切削工具的体积比率。

<实施例9-16、比较例2>

利用与实施例1相似的方法分别制备实施例9至16和比较例2的切削工具，不同之处在于：如表1“cBN含量”栏所示，包含在硬质烧结体中的cBN的体积比率不同于实施例1中切削工具的体积比率；改变了所施加的电子束的强度和扫描速度；并且利用刷子除去的部分的量不同。就如此制备的切削工具而言，如表1“B结构的体积比率”栏所示，B结构的体积比率不同，并且如表1“x射线强度比Ih(0001)/Ic(100)”栏所示，前刀面的X射线强度比不同。对实施例14的切削工具而言，未除去脊线附近的B结构。

<比较例3>

利用与实施例9相似的方法制备比较例3的切削工具，不同之处在于：未进行用于形成B结构的电子束加工。

<比较例4>

利用与实施例9相似的方法制备比较例4的切削工具，不同之处在于：对前刀面侧的硬质烧结体的整个表面进行电子束加工，从而使前刀面侧的硬质烧结体的整个表面都由B结构制成。

表1

<实施例17-23>

利用与实施例3相似的方法分别制备实施例17至23的切削工具，不同之处在于：在空气中施加激光束以代替施加电子束，这一点上与实施例3的切削工具不同。关于激光束，以100μm的间距施加10次，并且各个位置以彼此相距20μm进行位移。

对实施例17至23而言，改变激光束的大小，由此来调整B结构的尺寸，并且改变施加激光束的时间，由此来调整B结构区域的平均直径。如表2“B结构区域的平均直径”栏所示，如此制备的切削工具具有彼此不同的各自的B结构区域的平均直径。

<实施例24-30>

利用与实施例1相似的方法，将硬质烧结体接合到工具的基材上，从而获得切削工具。在空气中，对切削工具的前刀面施加激光束以形成断屑槽。利用松散的磨料除去断屑槽附近的B结构。之后，在减压条件下，在含有氩气和氧气的气氛下进行等离子加工。由此，在前刀面侧的硬质烧结体的表面中形成了B结构。之后，利用与实施例1相似的方法，分别制备实施例24至30的切削工具。在这里，当进行等离子加工时，利用氩气含量与氧气含量之间的比例调整A结构与B结构之间的体积比率。

利用与实施例3相似的方法，分别制备实施例24至30的切削工具，不同之处在于：如表2“B结构体积比率”栏的“表面区域”所示，硬质烧结体中的B结构的体积比率不同，并且如“IBO/(IBO+IBN)”栏所示，X射线的强度不同。

<比较例5>

利用与实施例24相似的方法，制备比较例5的切削工具，不同之处在于：未进行用于形成B结构的电子束加工。

<比较例6>

利用与实施例24相似的方法，制备比较例6的切削工具，不同之处在于：对前刀面侧的硬质烧结体的整个表面进行电子束加工，从而使前刀面侧的硬质烧结体的整个表面都由B结构制成。

表2

硬质烧结体的分析

以如下方式计算表1和表2中的“cBN含量”。首先，对在实施例和比较例中制备的各个硬质烧结体进行镜面抛光（注意将抛光去除的厚度限定为小于50μm），并且利用电子显微镜，以2000x的放大倍数拍摄硬质烧结体的任意区域中的晶体结构的照片。结果，观察到黑色、灰色和白色区域。利用作为辅助设备的能量色散型X射线光谱（EDX）证实黑色区域为cBN颗粒，并且灰色和白色区域为粘结相。

接下来，利用图像处理软件对如此拍摄的2000x照片进行二值化处理。计算照片中被cBN颗粒占据的区域（黑色区域）的总面积。用百分比表示照片中的黑色区域与cBN烧结体的比值，该比值被用作表1和表2中“cBN含量”的体积百分比。

利用TEM观察和EBSP分析进行测量，从而确定/计算出表1和表2中“B结构”、“混合状态”和“B结构的体积比率”栏的各格中的特征。此外，利用X射线衍射和XPS分析，计算出表1和表2中的“x射线强度比”下面的“Ih(0001)/Ic(111)”、“背景比”和“IBO/(IBO+IBN)”栏中的各个数值。此外，以如下方式计算出表1和表2中的“B结构的存在深度”。利用SEM和TEM观察与硬质烧结体的前刀面垂直的截面，并且将电子衍射（EDS）施加在其上。此时，计算检测到B结构处的最大深度。

以如下方式确定表1和表2中的“B结构区域的平均直径”。利用EBSP测量前刀面侧的硬质烧结体，计算具有B结构的晶粒所聚集的区域的面积，并且计算与所计算的面积相同的圆的直径。进行此操作10次。示出的是各次测量的圆直径的平均值。

由上述结果可知，以下内容是显而易见的。具体而言，实施例1至30的切削工具均为在至少切削刃中包含硬质烧结体的切削工具。该切削工具具有前刀面和后刀面。前刀面具有凸形或凹凸形状的断屑槽。所述硬质烧结体含有至少20体积%的立方氮化硼。自硬质烧结体的在前刀面那侧的表面到小于或等于20μm距离处的这一区域包含A结构和B结构，A结构由立方氮化硼制成，B结构由选自由六方氮化硼、非晶氮化硼和氧化硼组成的组中至少一种制成。B结构占A结构和B结构的总和的体积比率（即B/(A+B)）为大于或等于5体积%且小于或等于90体积%。

利用实施例和比较例中的如此制备的各个硬质烧结体制备具有如下所述的工具形状的切削工具，并且进行切削测试1至3。测试结果在表3至表5中示出。

<切削测试1>

在以下条件下，对实施例1至23和比较例1至4的各切削工具进行连续加工测试。

工件：渗碳工件SCM 435，直径为50mm的圆棒

工件的硬度：HRC60

切削条件：切削速度V=120m/分钟

进给速度f=0.15mm/转

切削深度d=0.2mm

干/湿：干式

表3

在表3的“工具寿命终止时的切削长度”栏下，示出了在圆棒的尺寸精度φ直至达到49.6mm±10μm时的切削长度（km）。切削长度越长表示工具寿命越长。就该连续切削测试而言，由于切屑以较高的稳定性流动，因此切削阻力降低，从而提供了稳定的更长的寿命。

从表3中可以明显看出，与比较例1的切削工具相比，实施例1至8的切削工具具有延长的工具寿命。同样，从表3中可以明显看出，与比较例2的切削工具相比，实施例9至16的切削工具具有延长的工具寿命，并且与比较例3和4的切削工具相比，实施例17至23的切削工具具有延长的工具寿命。

<切削测试2>

在以下条件下，对实施例1至23和比较例1至4的各切削工具进行间断式加工测试。

工件：渗碳工件SCM 435，直径为50mm的圆棒

工件的硬度：HRC60

切削条件：切削速度V=150m/分钟

进给速度f=0.1mm/转

切削深度d=0.25mm

干/湿：干式

表4

在表4的“工具寿命终止时的切削长度”栏下，示出了在圆棒的尺寸精度φ直至达到49.5mm±10μm时的切削长度（km）。切削长度越长表示工具寿命越长。就该间断式切削测试而言，由于工件附着达到较高的程度，因此切削阻力增加，这导致尺寸精度劣化，并且工具寿命缩短。

从表4中可以明显看出，与比较例1的切削工具相比，实施例1至8的切削工具具有延长的工具寿命。同样，从表4中可以明显看出，与比较例2的切削工具相比，实施例9至16的切削工具具有延长的工具寿命，并且与比较例3和4的切削工具相比，实施例17至23的切削工具具有延长的工具寿命。

<切削测试3>

在以下条件下，对实施例1至8和实施例24至32，以及比较例1、5和6的切削工具进行连续加工测试。

工件：精制工件SCM 420，直径为50mm的圆棒

工件的硬度：HRC50

切削条件：切削速度V=80m/分钟

进给速度f=0.2mm/转

切削深度d=0.5mm

干/湿：干式

表5

在表5的“工具寿命终止的切削长度”栏下，示出了在圆棒的尺寸精度φ直至达到49mm±10μm时的切削长度（km）。切削长度越长表示工具寿命越长。就连续切削测试而言，由于切屑以较高的稳定性流动，因此切削阻力降低，从而提供了更长的寿命。

从表5中可以明显看出，与比较例1的切削工具相比，实施例1至8的切削工具具有延长的工具寿命。从表5中还可以明显看出，与比较例5和6的切削工具相比，实施例24至30的切削工具具有延长的工具寿命。

由表3至表5的结果可以发现，实施例的切削工具的切屑附着性得到了抑制，由此降低了切削阻力，因此，与比较例的切削工具相比，它们的工具寿命显著提高。即，已经证实本发明的切削工具兼具A结构的特性和B结构的特性，并且因此同时具有耐磨性、强度、滑动性和抗附着性。

虽然已经对本发明的实施方案和实施例进行了说明，但是从开始就表示过可根据需要来组合上述实施方案和实施例的各构成和特征。

应当理解，本文所公开的实施方案和实施例在各方面都是示例性的，而非限定性的。本发明的范围由权利要求书、而不是上文的说明来限定，并且本发明旨在涵盖与权利要求等同的范围和含义内的任何更改和改变。

附图标记说明：

1 切削工具；2 前刀面；3 后刀面；4 硬质烧结体；5 断屑槽；6 刃口脊线

Claims

1.一种切削工具（1），其至少在切削刃中包含硬质烧结体（4），

所述切削工具（1）具有前刀面（2）和后刀面（3），

所述前刀面（2）具有凸形或凹凸形状的断屑槽（5），

所述硬质烧结体（4）包含至少20体积%的立方氮化硼，并且

自所述硬质烧结体（4）的在所述前刀面那侧的表面到在深度方向上小于或等于20μm距离处的这一区域包含A结构和B结构，所述A结构由立方氮化硼制成，所述B结构由选自由六方氮化硼、非晶氮化硼和氧化硼组成的组中的至少一种物质制成，所述B结构占所述A结构和所述B结构的总和的体积比率B/(A+B)为大于或等于5体积%且小于或等于90体积%。

2.根据权利要求1所述的切削工具（1），其中

所述切削工具具有连接所述前刀面（2）和所述后刀面（3）的面，并且该面包括选自由棱面、倒棱面和珩磨部分组成的组中的至少一种面，并且

自该面的表面到在深度方向上小于或等于20μm距离处的这一区域中，所述的体积比率B/(A+B)为大于或等于0.1体积%且小于或等于5体积%。

3.根据权利要求1所述的切削工具（1），其中

在自切削刃脊线（6）到小于或等于10μm距离处的这一区域中，所述的体积比率B/(A+B)为大于或等于0.1体积%且小于或等于5体积%，其中所述前刀面（2）、所述后刀面（3）、所述棱面、所述倒棱面和所述珩磨部分中的任意两者在所述切削刃脊线（6）处彼此邻接。

4.根据权利要求1所述的切削工具（1），其中

在所述硬质烧结体（4）中，含有至少90体积%的所述B结构的各区域均散布在所述A结构中。

5.根据权利要求1所述的切削工具（1），其中

当对所述前刀面侧的所述硬质烧结体（4）进行X射线衍射时，Ih(0001)/Ic(111)大于或等于0.1且小于或等于10，其中Ic(111)为所述立方氮化硼的（111）面的X射线衍射的积分强度，并且Ih(0001)为所述六方氮化硼的（0001）面的X射线衍射的积分强度。

6.根据权利要求1所述的切削工具（1），其中

当对所述前刀面侧的所述硬质烧结体（4）的表面进行X射线衍射时，在2θ=10°至30°的衍射峰中除清晰衍射峰以外的背景组分的积分强度，是当对将所述前刀面侧的所述硬质烧结体（4）的表面切削掉至少0.4mm而获得的表面进行X射线衍射时，在2θ=10°至30°的衍射峰中除清晰衍射峰以外的背景组分的积分强度的1.1倍以上，但在10倍以下。

7.根据权利要求1所述的切削工具（1），其中

当对所述前刀面侧的所述硬质烧结体（4）进行XPS分析时，IBO/(IBO+IBN)大于或等于0.05且小于或等于0.9，其中IBN为代表B-N键的B信号的积分强度，并且IBO为代表B-O键的B信号的积分强度。