CN108778583A - 表面被覆立方氮化硼烧结体以及包括该烧结体的切削工具 - Google Patents

Abstract

根据本发明的表面被覆cBN烧结体包括cBN烧结体和覆盖cBN烧结体的表面的覆膜。cBN烧结体包含cBN颗粒和结合剂。cBN烧结体中cBN颗粒的比例大于80体积％但小于或等于98体积％；结合剂包含第一化合物，该第一化合物由Al和Cr中的至少一种元素，以及选自由N、B和O组成的组中的至少一种元素形成。覆膜包括与cBN烧结体接触的A层。该A层由Al_x1Cr_y1M_z1C_a1N_b1O_c1构成(其中M为选自Ti、V、Nb和Si中的一种或多种元素；0.25≤x1≤0.75、0.25≤y1≤0.75、0≤z1≤0.5；(x1+y1+z1＝1；0≤a1≤0.5；0.5≤b1≤1；0≤c≤0.1；且(a1+b1+c1)＝1)。

Description

表面被覆立方氮化硼烧结体以及包括该烧结体的切削工具

技术领域

本发明涉及表面被覆立方氮化硼烧结体，以及包括该表面被覆立方氮化硼烧结体的切削工具。本申请要求基于2016年3月30日提交的日本专利申请No.2016-068327的优先权。该日本专利申请中描述的所有内容通过引用并入本文。

背景技术

作为切削工具之一，有这样一种切削工具，其使用包含立方氮化硼(下文中，也称为“cBN”)和结合剂的立方氮化硼烧结体(下文中，也称为“cBN烧结体”)作为基材。根据cBN烧结体中所包含的cBN颗粒的比例的不同，cBN烧结体的性质倾向于有很大区别。例如，在cBN烧结体中cBN颗粒的含量比例高的情况下，虽然可以发挥高耐磨性，但耐热性趋于不足。另一方面，在cBN颗粒的含量比例低的情况下，与含量比例高的情况相比虽然耐磨性降低，但是可以提高耐热性。这是因为cBN颗粒主要有助于提高cBN烧结体的硬度，而结合剂主要有助于提高cBN烧结体的耐热性。

耐磨性、耐热性等是作为切削性能的重要因素。因此，在技术领域中，根据被加工材料的材质、所需的加工精度等来选择用于切削加工的cBN烧结体的类型。例如，在切削刃温度会变得非常高的切削加工(如硬化钢的高速加工的情况)中，采用这样的cBN烧结体(以下也称为“低cBN烧结体”)，其中cBN颗粒的含量比例低(结合剂的含量比例高)，并且耐热性更优异。另一方面，在切削刃温度没有怎么升高的切削加工(如铸铁或烧结合金的精密加工的情况)中，采用这样的cBN烧结体(以下也称为“高cBN烧结体”)，其中cBN颗粒的含量比例高，并且具有更优异的耐磨性。

此外，近年来，已经开发了通过在cBN烧结体的表面上设置覆膜来改善切削性能的技术。例如，在日本专利待审查公开No.2009-095889(专利文献1)中，公开了一种通过在高cBN烧结体的表面上设置特征性覆膜来抑制cBN颗粒脱落的技术。另外，在日本专利待审查公开No.2015-085465(专利文献2)中，公开了一种通过在低cBN烧结体的表面上设置特征性覆膜来改善加工材料的精加工表面粗糙度的技术。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利待审查公开No.2009-095889

专利文献2：日本专利待审查公开No.2015-085465

发明内容

根据本公开的一个实施方案的表面被覆cBN烧结体包括cBN烧结体和覆盖所述cBN烧结体的表面的覆膜，其中所述cBN烧结体包含cBN颗粒和结合剂，所述cBN烧结体中的所述cBN颗粒的比例大于80体积％且小于或等于98体积％，所述结合剂包含第一化合物，该第一化合物含有Al和Cr中的至少一种元素以及选自由N、B和O组成的组中的至少一种元素，所述覆膜包括与所述cBN烧结体接触的A层，所述A层由Al_x1Cr_y1M_z1C_a1N_b1O_c1构成(条件是M为Ti、V、Nb和Si中的一种以上，并且满足0.25≤x1≤0.75、0.25≤y1≤0.75、0≤z1≤0.5、x1+y1+z1＝1、0≤a1≤0.5、0.5≤b1≤1、0≤c≤0.1和a1+b1+c1＝1)。

根据本公开的一个实施方案的切削工具是包括上述表面被覆cBN烧结体的切削工具。

附图说明

图1是根据第一实施方案的表面被覆cBN烧结体的示意性透视图。

图2是关于图1中的X-X线的箭头方向的示意性剖视图。

图3是用于描述cBN烧结体的构造的示意性局部剖视图。

图4是经过了珩磨处理的表面被覆cBN烧结体的示意性局部剖视图。

图5是根据第二实施方案的表面被覆cBN烧结体的示意性局部剖视图。

图6是根据第三实施方案的表面被覆cBN烧结体的示意性局部剖视图。

图7是根据第三实施方案的另一种表面被覆cBN烧结体的示意性局部剖视图。

图8是根据第五实施方案的切削工具的示意性局部剖视图。

图9是根据第五实施方案的其他切削工具的示意性局部剖视图。

具体实施方式

[本公开所要解决的问题]

顺带提及，在使用高cBN烧结体的精密加工中，毛刺的产生经常成为问题。毛刺是在待成为精密部件的加工材料的精加工表面(切削加工后的表面)上产生的凸起，并且会导致精密部件的精度降低。因此，在通过使用高cBN烧结体制造精密部件的情况下，通过诸如抛光之类的后处理从切削加工之后的精加工表面去除毛刺。这种后处理导致生产成本和生产过程的增加。

鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种表面被覆立方氮化硼烧结体(下文中，也称为“表面被覆cBN烧结体”)和包括该表面被覆立方氮化硼烧结体的切削工具，所述烧结体能够抑制加工材料中毛刺的产生。

[本公开的效果]

根据上文所述，可以提供这样的表面被覆cBN烧结体和包括该表面被覆cBN烧结体的切削工具，其中在应用于切削处理时，所述烧结体能够抑制加工材料中毛刺的产生。

[本发明实施方案的说明]

首先，将列举并描述本发明的实施方案。

[1]根据本公开的一个实施方案的表面被覆cBN烧结体包括cBN烧结体和覆盖cBN烧结体的表面的覆膜，其中cBN烧结体包含cBN颗粒和结合剂，cBN烧结体中的cBN颗粒的比例大于80体积％且小于或等于98体积％，结合剂包含第一化合物，该第一化合物含有Al和Cr中的至少一种元素以及选自由N、B和O组成的组中的至少一种元素，覆膜包括与cBN烧结体接触的A层，并且A层由Al_x1Cr_y1M_z1C_a1N_b1O_c1构成(条件是M为Ti、V、Nb和Si中的一种以上，并且满足0.25≤x1≤0.75、0.25≤y1≤0.75、0≤z1≤0.5、x1+y1+z1＝1、0≤a1≤0.5、0.5≤b1≤1、0≤c≤0.1和a1+b1+c1＝1)。

根据上述表面被覆cBN烧结体，可以抑制在加工材料中产生毛刺。虽然其原因尚未明确，但根据本发明人的研究结果，已经证实，与常规cBN烧结体的耐磨性相比较，上述表面被覆cBN烧结体的后刀面侧的耐磨性得到改善，并且前刀面侧出现了月牙洼磨损。据此，可以推断，在使用该表面被覆cBN烧结体的精密加工中，由于在前刀面侧和后刀面侧之间磨损行为不同，因此抑制了表面被覆cBN烧结体的切削性能随着时间的推移而降低，与之相随的是，抑制了加工材料中毛刺的产生。

[2]在上述表面被覆cBN烧结体中，cBN烧结体中的cBN颗粒的比例优选为90体积％至98体积％(90体积％以上98体积％以下)。据此，表面被覆cBN烧结体可以具有更高的硬度。

[3]上述表面被覆cBN烧结体中的结合剂优选包含第二化合物，该第二化合物含有W和Co中的至少一种元素以及选自由N、B和O组成的组中的至少一种元素。具有上述结合剂的cBN烧结体在cBN颗粒之间具有高的结合强度，因此发挥了优异的烧结性，由此可以具有更高的强度。

[4]在上述表面被覆cBN烧结体中，结合剂中第一化合物的比例优选为0.5质量％至100质量％。据此，cBN烧结体和覆膜之间的密着性得到改善，并且表面被覆cBN烧结体具有优异的耐剥离性。

[5]上述表面被覆cBN烧结体中的第一化合物优选为选自由AlCrN、AlN和CrN组成的组中的至少一种。据此，表面被覆cBN烧结体的耐剥离性提高。

[6]关于上述表面被覆cBN烧结体，在表面被覆cBN烧结体的截面中，当观察夹在第一虚拟直线段和第二虚拟直线段之间的区域时，优选的是，在所述区域中存在空隙，并且进一步所述区域中的所述空隙的比例为0.1面积％至5面积％，其中所述第一虚拟直线段位于cBN烧结体的一个表面与覆膜彼此接触的界面处，并且第一虚拟直线段的长度为500μm，所述第二虚拟直线段是通过使第一虚拟直线段朝向cBN烧结体的内部平行移动10μm而获得的。据此，表面被覆cBN烧结体的耐剥离性提高。

[7]在上述表面被覆cBN烧结体中，覆膜的最外表面的表面粗糙度Ra优选为0.005μm至0.2μm。据此，表面被覆cBN烧结体的耐剥离性提高。

[8]在上述表面被覆cBN烧结体中，优选地，覆膜还包括B层，并且B层由Ti_x2Al_y2M_z2N构成(条件是M为V和Si中的一种以上，并且满足0.25≤x2≤0.65，0.35≤y2≤0.75，0≤z2≤0.2和x2+y2+z2＝1)。据此，表面被覆cBN烧结体的耐磨性进一步提高。

[9]在上述表面被覆cBN烧结体中，优选地，覆膜还包括C层，并且C层由Ti_x3M_y3C_a3N_b3构成(条件是M为Cr、Nb和W中的一种以上，并且满足0.3≤x3≤1，0≤y3≤0.7，x3+y3＝1，0≤a3≤1，0≤b3≤1和a3+b3＝1)。据此，表面被覆cBN烧结体的耐磨性、特别是在高温环境下的耐磨性进一步提高。

[10]根据本公开的一个实施方案的切削工具包括上述表面被覆cBN烧结体。根据该切削工具，可以抑制在加工材料中产生毛刺。

[本发明实施方案的详细描述]

在下文中，将详细描述本发明的一个实施方案(下文中称为“本实施方案”)，但是本实施方案不限于这些实施方案。另外，在本说明书中，在诸如“AlCrN”、“AlN”、“TiN”等的化学式中没有特别指定原子比并不表示各元素的原子比仅为“1”，而是表明所有常规已知的原子比都包括在内。

[第一实施方案]

<表面被覆cBN烧结体>

参考图1至图3，将描述根据本实施方案的表面被覆cBN烧结体。如图1所示，表面被覆cBN烧结体1的表面包括顶面、底面和四个侧面，并且整体上呈在垂直方向上略薄的四棱柱形状。此外，在表面被覆cBN烧结体1中，形成有贯穿顶面和底面的通孔。在本实施方案的表面被覆cBN烧结体1中，顶面和底面均形成前刀面1a，并且四个侧面均形成后刀面1b。此外，前刀面1a和后刀面1b相交的棱线附近成为用作切削刃的切削刃区域。

在本说明书中，将位于距棱线3000μm内的前刀面1a与位于距棱线1500μm内的后刀面1b组合而得到的区域设为切削刃区域。需注意的是，由于本实施方案的表面被覆cBN烧结体呈锐边形状，因此存在前刀面1a和后刀面1b之间的棱线，但是在已经对切削刃进行诸如珩磨加工等的加工的情况下，则不存在上述棱线。在这种情况下，如图4所示，将包含前刀面1a的虚拟面Pa和包含后刀面1b的虚拟面Pb相交处的虚拟棱线L视为上述棱线。此外，将位于距虚拟棱线L 3000μm内(图4中的距离d1所示)的前刀面1a和位于距虚拟棱线L 1500μm内(图4中的距离d2所示)的后刀面1b组合而得到的区域设为切削刃区域。

如图2所示，表面被覆cBN烧结体1包括cBN烧结体2和覆盖cBN烧结体的表面的覆膜3。覆膜3可以覆盖cBN烧结体2的全部或部分表面。但是，假设覆膜3至少设置在构成切削刃区域的前刀面1a和后刀面1b上。本实施方案的覆膜3仅包括后述的A层。

<cBN烧结体>

如图2所示，cBN烧结体2具有前刀面2a和后刀面2b。与上述描述类似，前刀面2a和后刀面2b相交的棱线附近构成切削刃区域。此外，如图3所示，cBN烧结体2含有cBN颗粒21和结合剂22。需注意的是，cBN烧结体2可含有不可避免的杂质。

<cBN颗粒>

cBN颗粒21是由cBN构成的晶粒。cBN烧结体2中的cBN颗粒21的含量比例大于80体积％且小于或等于98体积％。即，cBN烧结体2是高cBN烧结体。cBN颗粒21的含量比例优选为90体积％至98体积％。由此，cBN烧结体2的硬度更优异，因此表面被覆cBN烧结体1的耐磨性提高。

如下所述确定cBN烧结体2中的cBN颗粒21的含量比例。首先，切割表面被覆cBN烧结体1的任意位置，以制备包括cBN烧结体2的截面的样品。然而，在该截面中，并不包括cBN烧结体2的表面附近(距表面10μm以内)。这是因为存在后面描述的空隙23存在于表面附近的一些情况，难以明确地确定cBN颗粒的含量比例。另外，在cBN烧结体2与硬质合金接触的情况下，在上述截面中，不包括距cBN烧结体2与硬质合金之间的界面100μm以内的范围。这是因为存在硬质合金的超硬成分溶解在硬质合金附近的cBN烧结体中的情况。

为了制作cBN烧结体2的截面，可以使用聚焦离子束装置、截面抛光装置等。接下来，通过扫描电子显微镜(SEM)在2000倍下观察cBN烧结体2的截面，并获得背散射电子图像。在背散射电子图像中，存在cBN颗粒21的区域是黑色区域，而存在结合剂22的区域是灰色区域或白色区域。

接下来，通过使用图像分析软件(例如，MITANI CORPORATION的“WinROOF”)对上述背散射电子图像进行二值化处理，从而确定cBN颗粒21所占的面积。通过在下面的等式(1)中代入上述获得的cBN颗粒21所占的面积，可以获得cBN烧结体2中cBN颗粒21的体积含量比例。

(cBN烧结体2中cBN颗粒21的体积含量比例)＝(cBN颗粒21所占的面积)÷(拍摄的背散射电子图像的面积)×100...等式(1)

对于cBN颗粒21的粒径没有特别的限制，但是从提高强度的观点出发，d50优选为0.5μm至2μm。此外，cBN颗粒的粒径的变化优选较小。这是因为cBN烧结体2的性质被均一化。例如，d50优选满足0.5μm至2μm，并且进一步d90满足1.0μm至3.5μm。更优选地，d90为1.5μm至3.0μm。

如下所述获得cBN颗粒21的d50和d90。首先，根据确定cBN颗粒21的含量比例的程序制备包括cBN烧结体2的截面的样品，并获得背散射电子图像。通过使用图像分析软件(例如，MITANICORPORATION的“WinROOF”)计算背散射电子图像中的每个黑色区域的等效圆直径。通过观察5个以上的视野，计算100个以上的cBN颗粒21的各等效圆直径，然后将各等效圆直径由最小值到最大值并排绘制以获得累积分布。在累积分布中，将累积面积为50％时的粒径设为d50，并且将累积面积为90％时的粒径设为d90。需注意的是，等效圆直径是指具有与各cBN颗粒21的面积相同面积的圆的直径。

<结合剂>

结合剂22具有使cBN颗粒21彼此结合的作用。对于结合剂22的含量比例没有限制，只要满足该作用即可。但是，在本实施方案中，由于cBN颗粒21的含量比例大于80体积％，因此结合剂22的含量比例的上限值为20体积％。

结合剂22包含第一化合物，该第一化合物包含Al和Cr中的至少一种元素以及选自由N、B和O组成的组中的至少一种元素。第一化合物的实例包括AlCrN、AlN、CrN、Al₂O₃、AlB₂、Cr₂O₃和CrB₂。由于这种结合剂22对含有Al和Cr的A层(后述)具有良好的亲和性，并且与A层的密着性优异，因此可以提高表面被覆cBN烧结体1的耐剥离性。

第一化合物优选为选自AlCrN、AlN和CrN中的至少一种，更优选为AlCrN和AlN，特别优选为AlCrN。在这种情况下，第一化合物在提高耐剥离性方面特别优异。此外，结合剂22中第一化合物的含量比例优选为0.5质量％至100质量％。

可以如下所述确定结合剂22中所含化合物的种类和含量比例(质量％)。首先，根据确定cBN颗粒21的含量比例的程序制备包括cBN烧结体2的截面的样品。接下来，通过使用连接有SEM或透射电子显微镜(TEM)的能量分散X射线装置计算各元素的种类和含量比例。随后，通过使用X射线衍射装置来估计各化合物的种类和含量比例，并由这些结果计算各化合物的含量比例。

结合剂22可以进一步含有第二化合物，该第二化合物含有W和Co中的至少一种元素以及选自N、B和O所构成的组中的至少一种元素。在结合剂22含有第二化合物的情况下，cBN颗粒之间的结合强度高，因此发挥了优异的烧结性，由此可以提供高强度。结合剂22中第二化合物的含量比例优选小于或等于95.5％。此外，结合剂22可以含有其他常规已知的化合物。

<A层>

覆膜3是与cBN烧结体2接触的A层。A层由Al_x1Cr_y1M_z1C_a1N_b1O_c1构成(条件是M为Ti、V、Nb和Si中的一种以上，并且满足0.25≤x1≤0.75、0.25≤y1≤0.75、0≤z1≤0.5、x1+y1+z1＝1、0≤a1≤0.5、0.5≤b1≤1、0≤c≤0.1和a1+b1+c1＝1)。

在通过使用高cBN烧结体连续进行铸铁或烧结合金的精密加工的情况下，后刀面倾向于易于磨损。也就是说，即使高cBN烧结体在开始切削时表现出优异的切削性能，也存在这样的趋势，即在通过使用高cBN烧结体持续进行精密加工的同时引起后刀面的磨损。当后刀面磨损时，cBN烧结体和加工材料之间的切削阻力变大，与此同时，加工材料中的精加工表面上毛刺的产生变得显著，或者产生大的毛刺。另一方面，即使通过使用具有A层的表面被覆cBN烧结体1(即，上述[1]中的表面被覆cBN烧结体)持续进行铸铁或烧结合金的精密加工时，也抑制了如上所述的毛刺的产生。

尽管上述原因尚未明确，但认为首先，由于抗氧化性优异的ArCrN的存在，结合剂22的氧化受到抑制，据此，伴随结合剂22的氧化而产生的cBN烧结体1的后刀面磨损受到抑制。另外，根据本发明人的研究，已经证实，当使用表面被覆cBN烧结体1进行切削加工时，后刀面1b侧发挥高耐磨性，但是在前刀面1a侧引起(加速)月牙洼磨损。通常，在高cBN烧结体中难以出现月牙洼磨损。因此，在后刀面1b侧观察到上述行为的同时在前刀面1a侧观察到如上所述的行为是令人惊讶的现象。

此外，从上文中可以推断出以下内容。即，根据表面被覆cBN烧结体1，通过改善后刀面1b侧的耐磨性从而抑制了切削阻力的增加，并且通过在前刀面1a侧产生月牙洼磨损从而进一步保持了切削刃的尖锐形状或者提高了切削刃的尖锐度。因此，在表面被覆cBN烧结体1中，通过抑制切削阻力的增加和维持(或提高)切削刃的尖锐度的协同效果，抑制了切削性能随时间推移而降低，由此抑制了加工材料中毛刺的产生。

此处，如上所述通常在高cBN烧结体中不会产生月牙洼磨损。另一方面，在表面被覆cBN烧结体1中，已经证实，由于覆膜3下面的cBN烧结体1也会随着覆膜3的脱落而脱落，因此产生了月牙洼磨损。因此，认为月牙洼磨损的产生不仅与A层的固有特性相关，而且还与A层和cBN烧结体2之间的密着性的高低相关。另外，在铸铁或烧结合金的精密加工中，前刀面1a侧的温度趋向于高于后刀面1b侧的温度。据此，也可以认为在后刀面1b侧保持了A层的原始强度，但是在前刀面1a侧，A层的强度降低到适当的范围内，从而出现月牙洼磨损。

覆膜3的厚度(即A层的厚度)优选为0.5μm至10μm。当覆膜3的厚度大于或等于0.5μm时，可以防止由于覆膜3的厚度较小而导致的工具寿命的缩短，此外，可以适当地发挥A层的效果。当覆膜3的厚度小于或等于10μm时，可以改善切削初始阶段的耐崩裂性。

如下所述确定覆膜3的厚度。首先，根据上述确定cBN颗粒21的含量比例的程序准备包括表面被覆cBN烧结体1的截面的样品。此时，准备包括位于前刀面1a侧的覆膜3的截面的样品，以及包括位于后刀面1b侧的覆膜3的截面的样品。通过SEM或TEM观察表面被覆cBN烧结体1的截面，并且在5个点处测量位于前刀面1a侧和后刀面1b侧的覆膜3的各厚度。随后，将所获得的10个值的平均值作为覆膜3的厚度。这也适用于以下各层的厚度。

覆膜3的最外表面的表面粗糙度Ra优选为0.005μm至0.2μm。由此，可以减少切削加工时表面被覆cBN烧结体1与加工材料之间产生的摩擦力，由此可以进一步提高表面被覆cBN烧结体1的耐磨性。另一方面，在表面粗糙度超过0.2μm的情况下，摩擦力的减小变得不充分，而在表面粗糙度小于0.005μm的情况下，覆膜3的密着性降低，因此耐磨性反而降低。需注意的是，表面粗糙度Ra是指JIS B 0601(2001)的算术平均粗糙度Ra，并且可以通过使用形状测量用的激光显微镜等来测量该表面粗糙度Ra。

<空隙>

在本实施方案中，优选的是，当观察表面被覆cBN烧结体1的截面这一特定区域时，存在空隙23。此外，该区域中的空隙23的比例优选为0.1面积％至5面积％。如下所述确认在特定区域中是否存在空隙，并确认空隙的比例。

首先，切割表面被覆cBN烧结体1的任意位置，并制作包括表面被覆cBN烧结体1的截面的样品。如此确定此时的任意位置，使得在截面中包括作为特定区域的区域F(图2中由点划线包围的区域)。此时的区域F是夹在第一虚拟直线段F₁和第二虚拟直线段F₂之间的区域，该第一虚拟直线段F₁位于cBN烧结体2的一个表面(在本实施方案中为前刀面2a)与覆膜3彼此接触的界面上，并且第一虚拟直线段F₁的长度为500μm，并且该第二虚拟直线段F₂是通过使第一虚拟直线段F₁朝向cBN烧结体2的内部(图2中的下侧)平行移动10μm而获得的。特别地，在第一虚拟直线段F₁中，包括构成前刀面2a中的切削刃区域的部分。

接下来，通过SEM在2000倍下观察表面被覆cBN烧结体1的截面，并获得背散射电子图像。在背散射电子图像中，观察到的灰色或深灰色区域为存在覆膜3的区域，观察到的黑色区域为存在cBN颗粒21的区域，观察到的灰色区域或白色区域为存在结合剂22的区域，而观察到的深黑色区域为构成空隙23的区域。因此，通过识别背散射电子图像中深黑色区域的存在，从而确认区域F中空隙23的存在。

接下来，通过使用图像分析软件(例如，MITANI CORPORATION的“WinROOF”)对背散射电子图像进行二值化处理，从而确定区域F中的空隙23所占的面积。需注意的是，当在一个视野中未观察到所有区域F时，则在多个视野中观察所有区域F。通过在下面的等式(2)中代入上述获得的空隙23所占的面积，可以确定区域F中的空隙23的面积比例。

(区域F中的空隙23的面积含有率)＝(空隙23所占的面积(μm²))÷(10μm×500μm)×100...等式(2)

此处，如图3所示，存在截面中所观察到的“cBN烧结体2的前刀面2a和覆膜3之间的界面”是蜿蜒的这种情况。在这种情况下，将穿过位于界面中最靠近覆膜侧(图2中的上侧)的部分并且平行于覆膜3的表面的直线设为当确定上述区域F时的“cBN烧结体2的前刀面2a和覆膜3之间的界面”。此外，在cBN烧结体2和覆膜3之间的界面处存在的空隙23的面积(即，与cBN烧结体2和覆膜3这两者接触的空隙23的面积)不包括在空隙23所占的面积中。

通过在表面被覆cBN烧结体1的区域F中存在空隙23，前刀面2a侧的cBN烧结体2的导热率变小。据此，切削加工时前刀面1a侧的覆膜3的温度容易升高，因此，上述月牙洼磨损加速，由此对毛刺的抑制效果进一步增加。此外，当在cBN烧结体2和覆膜3之间的界面处存在空隙23时，覆膜3容易进入空隙23的内部。由于覆膜3进入cBN烧结体2的空隙23的内部，可以获得锚固作用，因此可以提高表面被覆cBN烧结体1的耐剥离性。

[第二实施方案]

<表面被覆cBN烧结体>

根据本实施方案的表面被覆cBN烧结体与第一实施方案的不同之处在于，覆膜3除了包括A层之外还包括B层。在下文中，将详细描述与第一实施方案的不同之处。

如图5所示，覆膜3包括A层31和B层32。B层32是构成覆膜3的最外表面的层。A层31类似于第一实施方案的A层。B层32由Ti_x2Al_y2M_z2N构成(条件是M为V和Si中的一种以上，并且满足0.25≤x2≤0.65，0.35≤y2≤0.75，0≤z2≤0.2和x2+y2+z2＝1)。

B层32具有优异的耐磨性，此外还具有优异的硬度。因此，包括含有A层31和B层32的覆膜3的表面被覆cBN烧结体1的耐磨性更为优异。

B层32的厚度优选为0.1μm至10μm。在这种情况下，由于B层32的存在引起的对耐磨性的改善特别优异。此外，第一实施方案中的A层的优选厚度为0.5μm至10μm，但是本实施方案中的A层31的厚度优选为0.1μm至10μm。需注意的是，覆膜3的优选厚度类似于第一实施方案中的厚度。

[第三实施方案]

<表面被覆cBN烧结体>

根据本实施方案的表面被覆cBN烧结体与第一实施方案的不同之处在于，覆膜3除了包括A层之外还包括C层。以下，将详细描述与第一实施方案的不同之处。

如图6所示，覆膜3包括A层31和C层33。C层33是构成覆膜3的最外表面的层。A层31类似于第一实施方案的A层。C层33由Ti_x3M_y3C_a3N_b3构成(条件是M为Cr、Nb和W中的一种以上，并且满足0.3≤x3≤1、0≤y3≤0.7、x3+y3＝1、0≤a3≤1、0≤b3≤1和a3+b3＝1)。

C层33在高温环境下的耐磨性优异。因此，包括含有A层31和C层33的覆膜3的表面被覆cBN烧结体1在耐磨性方面、特别是在高温环境下的耐磨性方面变得优异。

C层33的厚度优选为0.1μm至10μm。在这种情况下，由于C层33的存在引起的对耐磨性的改善变得特别优异。此外，第一实施方案中的A层的优选厚度为0.5μm至10μm，但是本实施方案中的A层31的厚度优选为0.1μm至10μm。需注意的是，覆膜3的优选厚度类似于第一实施方案中的厚度。

另外，如图7所示，在本实施方案的覆膜3中，A层31和C层33可以交替层叠。在图7中，通过交替层叠两个A层31和两个C层33来形成覆膜3，但覆膜3的构成不限于此。例如，覆膜3也可以具有三层结构，其中由cBN烧结体2侧起依次层叠有A层31、C层33和A层31，此外还可以具有五层以上的结构。

通过交替层叠A层31和C层33，可以在长期切削加工中抑制毛刺的产生。这是因为通过层叠具有优异抗氧化性的A层和具有优异导热性的C层，由于C层的作用，覆膜3的温度升高受到抑制，由此可以有效地抑制由于覆膜3和cBN烧结体2的氧化而导致的后刀面磨损。

在覆膜3包括A层31和C层33并且还具有三层以上的层叠结构的情况下，C层33的厚度优选为0.05μm至5μm，A层31的厚度优选为0.05μm至5μm。通过具有这样的厚度，可以抑制各层的剥离。上述层叠结构中的层叠层数的上限值没有特别的限制，但是从批量生产的观点出发，层叠层数的上限值为100，并且从性能的观点出发，层叠层数的优选范围为4至20。

[第四实施方案]

<表面被覆cBN烧结体的制造方法>

可以(例如)如下所述制备根据第一至第三实施方案的各表面被覆cBN烧结体。

首先，制备cBN烧结体2。具体而言，制备作为cBN颗粒21的原料的cBN粉末和作为结合剂的原料的化合物粉末。接下来，将通过混合这些粉末获得的混合粉末在高温和高压下烧结。作为烧结方法，也可以使用任一种常规已知的方法。据此，制备cBN烧结体2。

接下来，覆膜3覆盖cBN烧结体2的表面(表面至少包括构成切削刃区域的前刀面1a和后刀面1b在内)。覆膜3可以通过常规已知的成膜方法制造，例如电弧离子镀法(AIP法)或溅射法。

例如，在AIP方法中，可以通过使用含有构成覆膜3的金属的金属蒸发源和CH₄、N₂、O₂等的反应气体形成覆膜3。另外，在溅射方法中，可以通过使用含有构成覆膜3的金属的金属蒸发源、CH₄、N₂、O₂等的反应气体、以及Ar、Kr、Xe等溅射气体来形成覆膜3。需注意的是，在覆膜3具有两层以上的层的情况下，可以按顺序形成各层。

[第五实施方案]

<切削工具>

根据本实施方案的切削工具是包括第一至第三实施方案中的任何一种表面被覆cBN烧结体的切削工具。将使用图8详细描述根据本实施方案的切削工具。

如图8所示，切削工具100具有基底金属101，并且表面被覆cBN烧结体1固定在基底金属101的预定区域中，且钎焊层102介于基底金属101和表面被覆cBN烧结体1之间。对于基底金属101和钎焊层102各自的形状和材料没有特别的限制，并且可以使用常规已知的形状和材料作为其形状和材料。

表面被覆cBN烧结体1也可以是第一至第三实施方案的表面被覆cBN烧结体中的任何一种。此外，在图8中，在表面被覆cBN烧结体1中，仅在面向切削工具100的前刀面100a和后刀面100b的表面上设置有覆膜3，但是覆膜3可以设置在所有表面上。在这种情况下，覆膜3也介于钎焊层102和cBN烧结体2之间。

例如，可以通过下述方式制造切削工具100。首先，根据上述制造方法制备表面被覆cBN烧结体1。接下来，将表面被覆cBN烧结体1钎焊到基底金属101上。以这种方式，制造图8中所示的切削工具100。

根据本实施方案的切削工具100包括上述表面被覆cBN烧结体1，因此，在切削时可以表现出表面被覆cBN烧结体1的上述特性。

另外，在本实施方案的切削工具100中，如图9所示，覆膜3可以延伸到基底金属101的表面。图9中所示的切削工具100可以(例如)通过以下方法来制造：将cBN烧结体2钎焊到基底金属101，然后在cBN烧结体2和基底金属101的表面上设置覆膜3。相比于图8中所示的切削工具100，在图9所示的切削工具100中，cBN烧结体2的定位更容易。

实施例

在下文中，将参考实施例更详细地描述本发明，然而，本发明不限于以下实施例。

[研究1]

<切削工具No.1的制造>

(cBN烧结体的制备)

首先，将Co粉末(平均粒径2μm)、WC粉末(平均粒径1μm)和Al粉末(平均粒径3μm)以原子比为70:8:22的方式混合，从而制备混合粉末。将该混合粉末在1200℃下真空热处理30分钟，然后研磨。由此获得作为结合剂原料的化合物粉末。

随后，以使得cBN烧结体中cBN颗粒的含量比例为91体积％的方式将包含d50为1.3μm且d90为1.9μm的cBN颗粒的cBN粉末和化合物粉末混合。在该混合中，使用球磨研磨方法，其使用由氮化硼制成并且直径为3mm的球介质。将得到的混合粉末层压在由硬质合金制成的支撑基板上，然后填充到由Mo制成的密封室中。此外，将上述密封室置于超高压装置中，并在6.5GPa的压力和1600℃的温度下烧结30分钟。由此获得cBN烧结体。

(将cBN烧结体钎焊到基座上)

将所获得的cBN烧结体的形状形成为三棱柱状，该三棱柱的底面是顶角为55°且夹持该顶角的两条边均为2mm的等腰三角形，并且该三棱柱的厚度为2mm。将得到的三棱柱状的cBN烧结体接合到包含硬质合金材料(相当于K10)的基底金属(具有ISO标准DNGA150408的形状)的拐角部分，以获得接合体。需注意的是，由Ti-Zr-Cu制成的钎焊材料用于该接合。接下来，研磨接合体的外周面、顶面和底面，并在切削刃中形成负刃带(negative land)形状(负刃带宽度为150μm，负刃带角为25°)。以这种方式，获得具有包含cBN烧结体的切削刃部分的切削工具(但是没有覆膜)。

(覆膜的制备)

作为用于制备覆膜的成膜装置，准备了用于AIP方法的成膜装置。另外，将切削工具放置在成膜装置的腔室中的工作台上，并在下列条件下在暴露出cBN烧结体的表面上形成厚度为1.4μm的A层(Al_0.7Cr_0.3N)。需注意的是，通过该方法制造的切削工具具有图9所示构造的覆膜。

(A层的成膜条件)

靶材：Al(70原子％)和Cr(30原子％)

引入的气体：N₂

成膜压力：3Pa

电弧放电电流：150A

基板偏置电压：-50V

工作台转速：2rpm

成膜温度：580℃

表1中示出了用于制造切削工具No.1的原料等。关于表1中的“X射线检出化合物”一栏中所示的化合物，其为当通过连接有SEM的能量色散X射线装置(JEOL Ltd.制造的“EX-23000BU”)对cBN烧结体的截面进行定性分析时检测到的结合剂中的化合物。表1中“第一化合物(质量％)”一栏中所示的值是当使用相同装置对结合剂中包含的第一化合物的含量比例(质量％)进行定量分析时获得的值。需注意的是，在No.1中经证实的第一化合物是AlN。

<切削工具No.2至9的制造>

以与No.1中类似的方式获得No.2至9的cBN烧结体，不同之处在于：如表1中所示改变cBN颗粒的体积含量和平均粒径。此外以与No.1中类似的方式制造切削工具，不同之处在于：如表1所示改变在cBN烧结体上成膜时的覆膜。C1层至C3层(TiC_0.5N_0.5)的成膜条件如下所示。但是，在No.8中，未得到cBN烧结体。据认为这是因为结合剂的含量太少。

(C1层至C3层的成膜条件)

靶材：Ti

引入的气体：N₂和CH₄

成膜压力：2Pa

电弧放电电流：130A

基板偏置电压：-200V

工作台转速：4rpm

成膜温度：600℃

需注意的是，表1中“组成和结构”一栏中的表述“A1/C1/A2/C2/A3/C3”表示在cBN烧结体上由cBN烧结体的表面侧开始按照A1层(A层)、C1层(C层)、A2层(A层)…的顺序形成具有六层结构的覆膜。此外，在“厚度”一栏中示出了各层的厚度。

<No.1至9的特性评价>

关于各切削工具No.1至9，通过上述方法确认覆膜的最外表面的表面粗糙度Ra(μm)和上述特定区域中的空隙的比例(面积％)。结果如表1所示。

另外，在下列切削条件下使用各切削工具No.1至9进行切削试验。表1中的“后刀面磨损量(μm)”和“切削寿命(km)”栏中示出了加工材料中产生高度为0.07mm的毛刺时的后刀面磨损量的最大值(μm)，以及加工材料中产生高度为0.07mm的毛刺时的切削距离。

(切削条件)

切削方式：湿式切削

加工材料：烧结合金SMF4040的圆棒(材料标准ISO-5755，外径70mm，内径25mm，厚度60mm)

切削速度：200mm/min

切削深度：0.2mm

进给率：0.1mm/rev

<结果和讨论>

参照表1可以确认，只要是cBN烧结体中cBN颗粒的比例大于80体积％且小于或等于98体积％、结合剂含有第一化合物、并且覆膜包括与cBN烧结体接触的A层的切削工具(各切削工具No.1至6)，则该切削工具可以减少后刀面磨损量，并且可以延长产生高度为0.07mm以上的毛刺时的切削寿命。如上所述，根据各切削工具No.1至6，抑制了加工材料中毛刺的产生。

另外，通过将No.1至6的结果进行相互比较，关于cBN烧结体中cBN颗粒的比例，在cBN颗粒的比例为91体积％至98体积％的情况下，后刀面侧的耐磨性变得更加优异，并且在cBN颗粒的比例为91体积％至95体积％的情况下，后刀面侧的耐磨性变得特别优异。

[研究2]

<切削工具No.10至17的制造>

以与No.1中类似的方式获得No.10至17的cBN烧结体，不同之处在于：如表2所示改变cBN颗粒的体积含量和平均粒径。此外，以与No.1中类似的方式制造切削工具，不同之处在于：如表2所示改变在cBN烧结体上成膜时的覆膜。各层的成膜条件类似于上述A层和C层的成膜条件，不同之处在于：改变靶材和/或引入的气体以使其具有目标层的组成。

<No.10至17的特性评价>

关于各切削工具No.10至17，通过上述方法确认覆膜的最外表面的表面粗糙度Ra(μm)和上述特定区域中的空隙的比例(面积％)。结果如表2所示。

另外，在以下切削条件下使用各切削工具No.10至17进行切削试验。表2中的“切削寿命(km)”一栏中示出了在加工材料中产生高度为0.1mm的毛刺时的切削距离。

(切削条件)

切削方式：湿式切削

加工材料：相当于SMF4040材料的链轮A(材料标准ISO-5755(F-08C2)，外径40mm，内径20mm，厚度50mm，齿数8)

切削速度：130mm/min

切削深度：0.1mm

进给率：0.2mm/rev

<结果和讨论>

参考表2证实了，在cBN烧结体中cBN颗粒的比例大于80体积％且小于或等于98体积％、结合剂含有第一化合物、并且覆膜包括与cBN烧结体接触的A层的切削工具(各切削工具No.10至17)中，抑制了毛刺的产生。

[研究3]

<切削工具No.18至27的制造>

以与No.1中类似的方式获得No.18至27的cBN烧结体，不同之处在于：如表3所示改变cBN颗粒的体积含量和平均粒径，以及作为结合剂原料的化合物粉末的混合比。此外，以与No.1中类似的方式制造切削工具，不同之处在于：如表3所示改变在cBN烧结体上成膜时的覆膜。各层的成膜条件类似于上述A层和C层的成膜条件，不同之处在于：改变靶材和/或引入的气体以使其具有目标层的组成。

<No.18至27的特性评价>

关于各切削工具No.18至27，通过上述方法确认覆膜的最外表面的表面粗糙度Ra(μm)和上述特定区域中的空隙的比例(面积％)。结果如表3所示。

另外，在以下切削条件下使用各切削工具No.18至27进行切削试验。表3中的“后刀面磨损量(μm)”和“毛刺高度(mm)”栏中示出了在20轮切削后，后刀面磨损量的最大值(μm)以及加工材料的表面上确认到的毛刺中的最大毛刺高度(mm)。

(切削条件)

切削方式：干式切削

加工材料：相当于SMF4040材料的链轮B(材料标准ISO-5755(F-08C2)，外径135mm，内径60mm，厚度20mm，齿数16)

切削速度：120mm/min

切削深度：0.2mm

进给率：0.15mm/rev

<结果和讨论>

参考表3发现，在cBN烧结体的结合剂中的第一化合物的含量比例为0.5质量％至100质量％的情况下，耐磨性特别优异。此外，当观察有无覆膜剥离时，在第一化合物的含量比例为0.3质量％的情况下，证实发生了剥离。

[研究4]

<切削工具No.28至32的制造>

以与No.1中类似的方式获得No.28至32的cBN烧结体，不同之处在于：如表4所示改变cBN颗粒的体积含量和平均粒径。此外，以与No.1中类似的方式制造切削工具，不同之处在于：如表4所示改变在cBN烧结体上成膜时的覆膜。A层的成膜条件类似于上述A层的成膜条件，不同之处在于：改变引入的气体和靶材，以使其具有目标层的组成，此外将成膜温度设为630℃。

(A层的成膜时所引入的气体和靶材)

引入气体：N₂和O₂

靶材：Al(50原子％)和Cr(50原子％)

<No.28至32的特性评价>

关于各切削工具No.28至32，通过上述方法确认覆膜的最外表面的表面粗糙度Ra(μm)和上述特定区域中的空隙的比例(面积％)。结果如表4所示。

另外，在以下切削条件下使用各切削工具No.28至32进行切削试验。表4中的“后刀面磨损量(μm)”和“毛刺高度(mm)”栏中示出了在20轮切削后，后刀面磨损量的最大值(μm)以及加工材料的表面上确认到的毛刺中的最大毛刺高度(mm)。

(切削条件)

切削方式：干式切削

加工材料:链轮B(与上述相同)

切削速度：150mm/min

切削深度：0.2mm

进给率：0.2mm/rev

<结果和讨论>

参考表4发现，在表面被覆cBN烧结体中，在特定区域中空隙的比例为0.1面积％至5面积％的情况下，耐磨性特别优异，此外还抑制了加工材料中毛刺的产生。此外，当观察是否存在覆膜剥离时，在空隙的比例为0.03％面积和5.4％面积的情况下，观察到存在剥离。

[研究5]

<切削工具No.33至37的制造>

以与No.1中类似的方式获得No.33至37的cBN烧结体，不同之处在于：如表5所示改变cBN颗粒的体积含量和平均粒径。此外，以与No.1中类似的方式制造切削工具，不同之处在于：如表5所示改变在cBN烧结体上成膜时的覆膜。A层的成膜条件类似于上述A层的成膜条件，不同之处在于：改变引入的气体和靶材，以使其具有目标层的组成，并进一步将成膜温度设为650℃。

(A层的成膜中所引入的气体和靶材)

引入气体：N₂和O₂

靶材：Al(40原子％)、Cr(53原子％)和Si(7原子％)

<No.33至37的特性评价>

关于各切削工具No.33至37，通过上述方法确认覆膜的最外表面的表面粗糙度Ra(μm)和上述特定区域中的空隙的比例(面积％)。结果如表5所示。

另外，在以下切削条件下使用各切削工具No.33至37进行切削试验。表5中的“后刀面磨损量(μm)”和“毛刺高度(mm)”栏中示出了后刀面磨损量的最大值(μm)以及加工材料的表面上确认到的毛刺中的最大毛刺高度(mm)。

(切削条件)

切削方式：干式切削

加工材料：相当于SMF4040材料的链轮C(材料标准ISO-5755(F-08C2)，外径135mm，内径60mm，厚度20mm，齿数16，并且对外周部分施加感应淬火处理)

切削速度：200mm/min

切削深度：0.2mm

进给率：0.2mm/rev

评价方法：40轮加工后的后刀面磨损量VB

<结果和讨论>

参考表5发现，在表面被覆cBN烧结体中，在覆膜的表面粗糙度Ra为0.005至0.2的情况下，耐磨性特别优异，并且进一步抑制了加工材料中毛刺的产生。此外，当观察是否存在覆膜剥离时，在Ra为0.003的情况下证实存在剥离。

本文公开的实施方案和实施例在任何方面都是说明性的而不应认为是限制性的。本发明的范围由权利要求书的范围、而不是上述实施方案和实施例来限定，并且旨在包括与权利要求书等同的范围和含义内的任何修改。

附图标记列表

1：表面被覆cBN烧结体，2：cBN烧结体，3：覆膜，21：cBN颗粒，22：结合剂，23：空隙，31：A层，32：B层，33：C层，100：切削工具，101：基底金属，102：钎焊层，1a、2a和100a：前刀面，1b、2b和100b：后刀面。

Claims (10)

1.一种表面被覆立方氮化硼烧结体，包括：

具有前刀面和后刀面的立方氮化硼烧结体；

覆盖所述立方氮化硼烧结体的表面的覆膜，其中

所述立方氮化硼烧结体包含立方氮化硼颗粒和结合剂，

所述立方氮化硼烧结体中的所述立方氮化硼颗粒的比例大于80体积％且小于或等于98体积％，

所述结合剂包含第一化合物，该第一化合物含有Al和Cr中的至少一种元素以及选自由N、B和O组成的组中的至少一种元素，

所述覆膜包括与所述立方氮化硼烧结体接触的A层，

所述A层由Al_x1Cr_y1M_z1C_a1N_b1O_c1构成(条件是M为Ti、V、Nb和Si中的一种以上，并且满足0.25≤x1≤0.75、0.25≤y1≤0.75、0≤z1≤0.5、x1+y1+z1＝1、0≤a1≤0.5、0.5≤b1≤1、0≤c≤0.1和a1+b1+c1＝1)。

2.根据权利要求1所述的表面被覆立方氮化硼烧结体，其中

所述立方氮化硼烧结体中的所述立方氮化硼颗粒的比例为90体积％以上98体积％以下。

3.根据权利要求1或2所述的表面被覆立方氮化硼烧结体，其中，

所述结合剂包含第二化合物，该第二化合物含有W和Co中的至少一种元素以及选自由N、B和O组成的组中的至少一种元素。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的表面被覆立方氮化硼烧结体，其中

所述结合剂中的所述第一化合物的比例为0.5质量％以上100质量％以下。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的表面被覆立方氮化硼烧结体，其中

所述第一化合物为选自由AlCrN、AlN和CrN组成的组中的至少一种。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的表面被覆立方氮化硼烧结体，其中，

在所述表面被覆立方氮化硼烧结体的截面中，当观察夹在第一虚拟直线段和第二虚拟直线段之间的区域时，

在所述区域中存在空隙，并且所述区域中的所述空隙的比例为0.1面积％以上5面积％以下，

其中所述第一虚拟直线段位于所述立方氮化硼烧结体的一个表面与所述覆膜彼此接触的界面处，并且所述第一虚拟直线段的长度为500μm，所述第二虚拟直线段是通过使所述第一虚拟直线段朝向所述立方氮化硼烧结体的内部平行移动10μm而获得的。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的表面被覆立方氮化硼烧结体，其中

所述覆膜的最外表面的表面粗糙度Ra为0.005μm以上0.2μm以下。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的表面被覆立方氮化硼烧结体，其中

所述覆膜还包括B层，并且

所述B层由Ti_x2Al_y2M_z2N构成(条件是M为V和Si中的一种以上，并且满足0.25≤x2≤0.65，0.35≤y2≤0.75，0≤z2≤0.2和x2+y2+z2＝1)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的表面被覆立方氮化硼烧结体，其中，

所述覆膜还包括C层，并且

所述C层由Ti_x3M_y3C_a3N_b3构成(条件是M为Cr、Nb和W中的一种以上，并且满足0.3≤x3≤1，0≤y3≤0.7，x3+y3＝1，0≤a3≤1，0≤b3≤1和a3+b3＝1)。

10.一种切削工具，包括根据权利要求1至9中任一项所述的表面被覆立方氮化硼烧结体。