專利名稱：立方氮化硼燒結材料以及利用其的切削工具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及由被粘結相粘結的立方氮化硼粒子構成的立方氮化硼燒結材料以及使用它的切削工具。
背景技術：
立方氮化硼(cBN)以僅次于鉆石的高硬度特色著稱，而且不像鉆石那樣會與含鐵金屬發(fā)生反應?；诖耍⒎降馃Y材料(cBN燒結材料)用來制作切削含鐵材料的切削工具，尤其是高硬度的鋼和鑄鐵。
當一切削工具由cBN燒結材料制成，例如據專利文獻1，在超高壓條件下由燒結cBN制成的cBN燒結材料與一種作為粘合劑的其體積濃度在10％-60％的金屬例如鈷(Co)和陶瓷例如碳化鈦(TiC)一起使用。專利文獻1還建議為避免使cBN燒結材料的耐磨以及耐熱能力受損，應保持粘結相于最小量，形成其余cBN直接彼此結合的結構。
近年來，在金屬切削領域內，亟待提高切削操作的效率以及賦予切削機器對難于切削材料的切削能力。而且cBN燒結材料作為基本需要也還需要改善耐磨損以及耐碎裂能力。專利文獻2提議一種了cBN燒結材料，為改善其以上所述性能，其cBN粒子被大量的由陶瓷例如碳氮化鈦(TiCN)、一種鈦和鋁的金屬間化合物以及碳化鎢(WC)組成的粘合劑粘結。
日本審查專利(Kokoku)No.52-43846[專利文獻2]日本未審查專利(Kokai)No.2003-175407發(fā)明內容[本發(fā)明待解決的問題]但是，當堅硬的鋼或者鑄鐵被使用文獻1中介紹的cBN燒結材料制成的切削工具切割時，產生了這樣的問題cBN粒子在切削操作中從燒結體內脫落，于是導致了切削工具的磨損顯著加速。
當使用文獻2中介紹的方法加入大量的粘合劑時，也有如下問題雖然可能限制了cBN粒子的跑出以及切削工具磨損的快速發(fā)生，由碳氮化鈦(TiCN)、一種鈦和鋁的金屬間化合物以及碳化鎢(WC)組成的粘結相具有低的機械性能以及低的熱性能。結果粘合劑相的磨損以及脫落變得顯著而導致了切削工具的磨損和碎裂，這樣使得延長切削工具的壽命變得不太可能。
本發(fā)明目的之一在于提供一種能限制耐磨損能力下降以及具有優(yōu)秀耐碎裂能力的cBN燒結材料和用其制成的切削工具。
本發(fā)明的發(fā)明者們進行研究來同時成功解決切削工具的磨損以及碎裂問題。通過研究發(fā)現，由被粘結相粘結的cBN粒子組成的cBN燒結材料，當粘結相含有特定金屬元素的碳化物以及同時存在于其中的特定金屬元素的氮化物時，會表現出用由碳化物、氮化物或者作為它們的固溶體的碳氮化物組成的粘結相時無法比擬的優(yōu)異性能，還發(fā)現具有這種組成的cBN燒結材料可以抑制cBN粒子的脫落，同時能夠抑制粘結相磨損和脫落，從而表現出高的耐磨損能力以及，尤其是，優(yōu)秀的耐碎裂能力，這樣完成了本發(fā)明。
特別的是，本發(fā)明中的cBN燒結材料由被粘結相粘結的cBN粒子組成，其中粘結相含有選自元素周期表中第4、5、6族元素中至少一種金屬元素的碳化物以及在其中共存地含有選自元素周期表中第4、5、6族元素中至少一種金屬元素的氮化物。
本發(fā)明中的另一種cBN燒結材料具有一個單絲纖維狀結構，由于該結構，由被粘結相粘結的cBN粒子構成的cBN燒結材料制成的殼構件覆蓋著由被粘結相粘結的cBN粒子構成的cBN燒結材料制成的纖維狀芯構件的圓周表面，用于殼構件的粘結相由選自元素周期表中第4、5、6族組成的組中的至少一種金屬元素的氮化物組成，用于芯構件的粘結相由選自元素周期表中第4、5、6族組成的組中的至少一種金屬元素的碳化物組成。
而且，本發(fā)明中的另一種cBN燒結材料具有一個單絲纖維狀結構，該結構使得，由被粘結相粘結的cBN粒子構成的cBN燒結材料制成的殼構件覆蓋著由被粘結相粘結的cBN粒子構成的cBN燒結材料制成的纖維狀芯構件的圓周表面，用于殼構件的粘結相由選自元素周期表中第4、5、6族中至少一種金屬元素的碳化物組成，用于芯構件的粘結相選自元素周期表中第4、5、6族中至少一種金屬元素的氮化物組成。
本發(fā)明中的切削工具由本發(fā)明中以上所述的cBN燒結材料制成，利用沿著切削工具的側面和前傾面相遇的脊線形成的刀刃在金屬切削操作中使用。
本發(fā)明中的cBN燒結材料的主要特色是特定金屬元素的碳化物以及特定金屬元素的氮化物同時存在。這同時賦予了粘結相一定水平的強度以及粘結相和cBN粒子之間的一定水平的結合力，這些是使用由碳化物、氮化物或者它們的固溶體的碳氮化物構成的粘結相的傳統燒結材料不能獲得的優(yōu)勢。這樣就使得阻止cBN粒子的脫落以及同時抑制粘結相的磨損和脫落成為可能，這樣便賦予cBN燒結材料具有高的耐磨損性能以及極大地改善其耐碎裂能力。
結果，本發(fā)明中的cBN燒結材料以及切削工具，在切削操作中正常條件下，能夠間歇切割難于切割的材料例如高硬度的鋼，并表現出優(yōu)異的耐磨損以及耐碎裂能力。


圖1(a)是本發(fā)明中cBN燒結材料結構示意圖，圖1(b)是具有均一組成的粘結相的cBN燒結材料結構示意圖。
圖2是本發(fā)明中cBN燒結材料的X-射線衍射分析圖，顯示了衍射峰。
圖3是第5個實施方案的cBN燒結材料截面示意圖。
圖4(a)是本發(fā)明中具有單絲纖維狀結構的cBN燒結材料的截面示意圖，圖4(b)是圖4(a)的透視圖。
圖5(a)是本發(fā)明中具有多絲纖維狀結構的cBN燒結材料的截面示意圖，圖5(b)是圖5(a)的透視圖。
圖6(a)至圖6(d)是顯示本發(fā)明中具有纖維狀結構的cBN燒結材料的排列示例的透視示意圖。
圖7(a)和圖7(b)是顯示據本發(fā)明的制備具有單絲纖維狀結構的cBN燒結材料的方法制備復合生壓坯(green compact)方法示意圖。
圖8是顯示據本發(fā)明的制備具有單絲纖維狀結構的cBN燒結材料的方法制備生壓坯的方法示意圖。
圖9是顯示本發(fā)明的制備具有單絲纖維狀結構的cBN燒結材料的方法制備另一形式的生壓坯的方法示意圖。
圖10是示出本發(fā)明中切削工具的實施方案的透視圖。
圖11(a)是顯示本發(fā)明中的刃尖角(tool tip corner)的結構的實例的截面示意圖，圖11(b)是顯示另外一個例子中的刃尖角的結構的截面示意圖。
1 cBN燒結材料2 cBN粒子3 粘結相4 中間相5 碳化物6 氮化物7 碳氮化物8 cBN燒結材料制成的纖維狀芯構件8acBN燒結材料制成的纖維狀芯構件(粘結相由碳化物構成。)8bcBN燒結材料制成的纖維狀芯構件(粘結相由氮化物構成。)9 cBN燒結材料制成的殼構件9acBN燒結材料制成的殼構件(粘結相由氮化物構成。)9bcBN燒結材料制成的殼構件(粘結相由碳化物構成。)10具有單絲纖維狀結構的cBN燒結材料10a初級cBN燒結材料10b 次級cBN燒結材料11具有多絲纖維狀結構的cBN燒結材料12刀尖
13刀片14刀刃15支撐件16片狀結構16A 片狀結構的復合cBN燒結材料16B 16A中片狀排列結構按照纖維平行的方式堆棧16C 16A中片狀排列結構按照纖維相互垂直的方式堆棧16D 16A中片狀排列結構按照纖維垂直于片表面的方式堆棧17芯構件的生壓坯18殼構件的生壓坯19復合生壓坯20具有單絲纖維狀結構的復合生壓坯21具有多絲纖維狀結構的復合生壓坯22具有片形狀的復合生壓坯23輥子30制作切削工具用cBN燒結材料31前傾面32側面40堅硬涂層膜IcBNcBN粒子的X-射線衍射分析中最高峰IN氮化物的X-射線衍射分析中(200)平面處峰強度IC碳化物的X-射線衍射分析中(200)平面處峰強度dC芯構件的直徑dS殼構件的厚度具體實施方式
<cBN燒結材料>
根據本發(fā)明，優(yōu)選的cBN燒結材料的實施方案將會附以參考圖例詳細說明。
(實施方案一)
圖1(a)顯示的是根據本發(fā)明中的實施方案一的cBN燒結材料結構示意圖。如圖1(a)所示，cBN燒結材料1由cBN粒子2(圖1(a)黑色部分)和粘結相3組成。特別的是cBN燒結材料1由構成被周圍的粘結相3結合在一起的堅硬相的cBN粒子2構成。cBN燒結材料還具有一個中間相4，其介于cBN粒子2和粘結相3之間以結合cBN粒子2和粘結相3。
在該實施方案中的粘結相3內，選自元素周期表中第4、5、6族元素中至少一種金屬元素的碳化物5與選自元素周期表中第4、5、6族元素中至少一種金屬元素的氮化物6同時存在。當粘結相3由該成分組成時，使得同時提高粘結相3的強度以及粘結相和cBN粒子2之間的結合力成為可能，而且也產生了粘結相3和cBN粒子2之間的殘余應力，也就保證了cBN粒子2之間的緊密結合。結果，這使得抑制cBN粒子2的脫落和粘結相的磨損成為可能，也就賦予了cBN燒結材料1高度的耐磨損性能，尤其是優(yōu)異的耐碎裂特性。碳化物5和氮化物6同時存在的語意在于碳化物5和氮化物6的物質狀態(tài)在粘結相3中彼此獨立地存在。
在粘結相3具有均一的由碳化物和氮化物構成的固體溶體(如圖1(b)所示)碳氮化物7組成的情況下，不可能同時提高粘結相3的強度以及粘結相和cBN粒子2之間的結合力。另一方面，在粘結相3僅由碳化物5組成時，粘結相和cBN粒子2之間的結合力會下降，于是會導致熔結的失敗或cBN粒子2的脫落，這樣導致了受沖擊時的斷裂或碎裂。另一方面，在粘結相3僅由氮化物6組成時，則會使得耐磨損能力顯著下降。
如以后將介紹到的纖維狀結構的cBN燒結材料10、11的情形，當結構由芯構件和殼構件組合構成的情況下，通過使芯構件和殼構件中的粘結相一個為碳化物而另一個為氮化物可以使芯構件和殼構件的性能以良好平衡的方式發(fā)揮作用，于是使得cBN燒結材料10、11表現出最佳性能。
碳化物5與氮化物6在粘結相3中“共存”可以通過以下方式確認，例如，把cBN燒結材料1在鏡磨中打磨并在金相顯微鏡下100～1000放大倍數下觀察打磨表面。例如在鈦被用作金屬元素以形成碳化物5和氮化物6時，最明亮的部分是碳化物5，最暗的部分是cBN粒子2，具有中間亮度的部分是氮化物6。
碳化物5與氮化物6在粘結相3中“共存”可以通過將組分分析圖譜化加以確認，在使用WDS(波長分散型X-射線分光計)進行EPMA(電子探針顯微分析)情況下，例如，碳化物5與氮化物6的共存可以通過碳、氮、硼以及金屬元素的圖譜分析進行確認。不同的區(qū)也可以通過X-射線光電波譜法(ESCA)來確認他們是由碳化物5還是氮化物6組成。另外，以下將要介紹的X-射線衍射分析也可以用來有效地確認碳化物和氮化物的共存情況。
雖然為了獲得高強度的粘結相3和cBN粒子2間的強結合作用，組成碳化物5的金屬元素和組成氮化物6的金屬元素優(yōu)先選用相同的金屬元素，但可以是不同的金屬元素。尤其優(yōu)先選用金屬元素鈦(Ti)，這樣粘結相3可以由碳化鈦(TiC)和氮化鈦(TiN)組成。這種情況下，因為鈦具有和cBN粒子2之間的高度親和性，可以使cBN粒子2之間保持高的殘余壓縮應力，這樣cBN粒子2之間的結合作用會加強，使得材料具有優(yōu)異的耐磨損和抗碎裂能力。
為了達到對cBN粒子2的脫落以及粘結相3的磨損和脫落的充分抑制，cBN燒結材料1中碳化物5的含量比例PC與氮化物6含量比例PN之間的比率(PC/PN)優(yōu)選在0.2～3.0的范圍內，最好是0.5～2.0之間。當使用cBN燒結材料1制成切削工具時，切削操作中耐磨損能力的下降可得以控制，可以阻止cBN粒子2的脫落，從而阻止過度磨損的現象發(fā)生。
最好在cBN燒結材料1中cBN粒子2的周圍存在中間相4，中間相4含有不是粘結相3的組分的化合物，它是選自元素周期表中第4、5、6族金屬，鐵族金屬和鋁中至少一種金屬元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物、硼碳化物、氮化硼以及氧化物中的一種。這種組成使得它可以將cBN粒子2緊密結合在一起。中間相4成分可以由例如TiB2、AlN或者類似物質組成。
cBN粒子2占整個cBN燒結材料1中面積比例PcBN最好在45～80％之間，碳化物5的面積比例PC最好在2～45％之間，氮化物6面積比例PN最好在3～50％之間，中間相4的面積比例Pm最好在0～25％之間。這樣可以充分利用碳化物5的高硬度、氮化物6以及cBN粒子2之間的結合力。還因為這種組成在cBN粒子2、粘結相3以及中間相4的含量之間具有良好的搭配平衡，可以保持高強度和高韌性以獲得高的耐磨損性能和高的耐碎裂能力。以上提到的這種面積百分比可通過例如金相顯微鏡圖片的圖像分析計算得到。
作為由碳化物5和氮化物6固溶體構成的碳氮化物在整個cBN燒結材料1中重量百分比在5％以下也是優(yōu)選的。這提高了cBN粒子2的比例而降低了粘結相3的比例，就可以抑制cBN粒子2的脫落以及粘結相3的磨損和脫落。碳氮化物的含量可以通過測量X-射線衍射分析中相應峰強度并與另外制備的標準樣品的校準曲線進行比較計算。
cBN粒子2的平均粒徑優(yōu)選0.2～5.0μm，考慮到耐磨損能力和強度最好在0.5～3.0μm之間。
制備具有這樣結構的cBN燒結材料的方法的例子如下。首先，通過如下步驟準備原料粉稱取平均粒徑為0.2～3μm的cBN材料粉末；稱取平均粒徑為0.2～3μm，優(yōu)選0.5～3μm，最好1～3μm碳化物的粉末，其金屬元素選自元素周期表第4、5、6族金屬元素中至少一種；稱取具有平均粒徑為0.2～3μm間優(yōu)選0.5～3μm間最好在1～3μm間氮化物的粉末，氮化物中金屬元素選自元素周期表第4、5、6族金屬元素中至少一種；另外如果需要根據特殊的成分要求稱取平均粒徑在0.5～5μm間的鋁或者至少一種鐵族金屬的粉末。這些粉末在球磨機中進行碾壓和研磨16～72小時。
然后將碾壓的粉末造型成為預定形狀?？梢圆捎迷S多已知的成型工藝，例如壓模、注模、鑄造或者擠壓成型。
生壓坯同另外制備的由燒結碳化物制成的支撐件一起置于超高壓力燒結裝置中，在壓力5GPa、溫度1200～1400℃下處理10～30分鐘，于是得到了本實施方案所述的cBN燒結材料。為了得到其中選自元素周期表第4、5、6族金屬元素中至少一種金屬的碳化物和選自元素周期表第4、5、6族金屬元素中一種金屬的氮化物獨立存在的結構，優(yōu)選升溫和降溫速度在每分鐘30～50℃而保溫時間(燒窯時間)在10～15分鐘范圍內。當燒窯溫度、燒窯恒壓時間、升溫和降溫速度與上述范圍有所偏差時，將會難以控制結構以便含有在其中共存的碳化物和氮化物。
以下將介紹本發(fā)明中cBN燒結材料的實施方案二。在此實施方案中，與實施方案一中同樣的或者類似組分將會使用同樣的參考數字表示而且其相關介紹將會被省略。
如圖1(a)所示，此實施方案中的cBN燒結材料在X-射線衍射分析中顯示出氮化物6產生的衍射峰和共存的碳化物5產生的衍射峰。特別的是如圖2所示，cBN燒結材料的特征是在X-射線衍射分析中同時存在選自元素周期表第4、5、6族金屬元素中至少一種金屬的氮化物6產生的衍射峰IN(氮化物峰)和選自元素周期表第4、5、6族金屬元素中至少一種金屬的碳化物5產生的衍射峰IC(碳化物峰)。
特別的是，氮化物6以及碳化物5在X-射線衍射分析中以這樣的水平同時存在氮化物6的平面(200)處產生的衍射峰以及碳化物5的平面(200)處產生的衍射峰。這樣使得在粘結相3和cBN粒子2之間產生殘余應力如圖1(a)所示，使得cBN粒子2之間的結和更強以及阻止cBN粒子2的脫落成為可能。本發(fā)明中峰強度I當衍射圖譜中峰過于擁擠互相重疊時可以通過將衍射峰同所述圖譜分離的方法進行估測。
在此實施方案中，氮化物6和碳化物5同時存在的意思在于碳化物5的平面(200)處的衍射峰強度IC與氮化物6的平面(200)處的衍射峰強度IN之間的比率(IC/IN)在0.5～20的范圍內。
使用X-射線衍射分析測量時，碳化物5的平面(200)處的衍射峰強度IC與氮化物6的平面(200)處的衍射峰強度IN之間的比率(IC/IN)優(yōu)選在0.5～1.2的范圍內，最好在0.3-0.9之間。這樣可以阻止cBN粒子2的脫落和過度磨損的發(fā)生而阻止切削操作中耐磨損性能的下降。
使用上文所述X-射線衍射分析時，氮化物6的衍射峰強度IN與cBN粒子2的平面(111)處產生的衍射峰強度IcBN之間的比率(IN/IcBN)也要優(yōu)選在0.3～1的范圍內，這樣可以在保持cBN燒結材料1的高硬度情況下提高cBN粒子2與粘結相3之間的結合力以及阻止cBN粒子2的脫落，從而改善cBN燒結材料1抗沖擊性。
使用X-射線衍射分析時，碳化物5的衍射峰強度IC與cBN粒子2的平面(111)處產生的衍射峰強度IcBN之間的比率(IC/IcBN)也要優(yōu)選在0.5～0.9的范圍內。這樣可以保障耐磨損和耐碎裂性能。各單峰的強度可以通過將各峰從X-射線衍射分析圖中分離的方法確定。
由碳化物5和氮化物6構成的固溶體碳氮化物7的平面(200)處產生的衍射峰強度ICN值，即介于碳化物5的平面(200)處產生的峰與氮化物6的平面(200)處產生的峰之間出現的峰，以及以上所述各峰強度IC和IN，也可以優(yōu)選各峰強度之間滿足如下關系ICN＜0.3IC和ICN＜0.3IN。換句話講，碳氮化物7的峰難于測到時是理想的。這樣可以阻止cBN粒子2之間的結合力的下降而保證防止cBN粒子2的脫落。
也優(yōu)選控制中間相4的(101)平面處產生的衍射峰強度IIL與cBN粒子2的(111)平面處產生的衍射峰強度IcBN間的比值(IIL/IcBN)在0.1與0.8之間，最好在0.4與0.7之間，使用X-射線衍射分析時。這樣可以牢固地保持cBN粒子2以及獲得cBN粒子2與粘結相3含量之間的合理比例而保證高的硬度和韌性。
(實施方案三)現說明本發(fā)明中的cBN燒結材料的實施方案三。該實施方案中與實施方案一和實施方案二中一樣或者類似的組分將使用同樣的參考數字表示，而且其說明將被省略。
本實施方案中的cBN燒結材料中，如圖1(a)所示氮化物6與碳化物5在粘結相3中同時共存。通過計算相當于位于cBN粒子2之間的碳化物5的各個顆粒所占面積的等價圓的平均粒徑得到的平均粒徑dC，通過觀察cBN燒結材料的橫截面測量；以及通過計算相當于位于cBN粒子2之間的氮化物6的各個顆粒所占面積的等價圓的平均粒徑得到的平均粒徑dN，滿足這樣的比例關系(dN/dC)介于0.4與1.2之間。這樣的組成可以更有效阻止cBN粒子2的脫落，這在粘結相由碳化物，氮化物或者作為它們的固溶體的碳氮化物構成的情況下是不可能的。結果這樣使抑制cBN粒子的脫落和同時阻止粘結相3的磨損和脫落成為可能，于是賦予了cBN燒結材料的高的耐磨性能以及極大地改善其耐碎裂能力。
該實施方案中的平均粒徑是這樣確定的?；衔锶绲?以及碳化物5的位置通過顯微鏡觀察cBN燒結材料來確定，氮化物6和碳化物5的平均面積通過Luzex或者其他類似方法確定，那么具有與平均面積相等面積的圓的直徑就成為氮化物6或者碳化物5的平均粒徑。顯微鏡觀察可以通過使用金相顯微鏡、激光顯微鏡、數字顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡或者其他根據cBN燒結材料的組成選定的任意合適的顯微鏡進行。
cBN粒子2的平均粒徑dcBN優(yōu)選在5μm或者更小，碳化物5的平均粒徑dC優(yōu)選于1μm與3μm之間而氮化物6的平均粒徑dN優(yōu)選于0.5μm與2μm之間。這樣改善了cBN燒結材料的硬度以及使得cBN粒子2之間的結合力更為緊密，于是改善了耐磨損性能。
(實施方案四)現說明本發(fā)明中的cBN燒結材料的實施方案四。該實施方案中與實施方案一到三中一樣或者類似的組分將使用同樣的參考數字表示，而且其說明將被省略。
在該實施方案的cBN燒結材料中，如圖1(a)所示的cBN粒子2之間保有的殘余壓縮應力σcBN在300MPa或更多，優(yōu)選在300與1000MPa之間，在500與700MPa之間更好。這樣可以更有效阻止cBN粒子2的脫落，改善耐磨損性能以及極大地改善耐碎裂性能。
較好的選擇是殘余壓縮應力在cBN粒子2以及粘結相3中都存在，而且cBN粒子2中的殘余壓縮應力σcBN與粘結相3中的殘余壓縮應力σb之間的比例(σcBN/σb)在2到5之間，更好的是在2到3之間。這樣可以更有效的阻止cBN粒子2的脫落以及提高cBN燒結材料的強度。當比例(σcBN/σb)在2到3之間時耐磨損性能也可以得以改善。
殘余壓縮應力可以通過例如對cBN燒結材料1使用X-射線衍射分析(XRD)的X-射線殘余應力測量方法(2θ-sin2)確定。在cBN燒結材料1含有兩種或者更多種如碳化物5以及氮化物6這樣的材料作為粘結相3時，粘結相3中的殘余應力通過考慮碳化物5與氮化物6的含量比例的方法確定。每種材料的殘余應力可以具體地加以確定。這些材料的含量比例可以通過假定X-射線衍射分析中的最大峰強度正比于含量來計算得到。那么每種材料的殘余應力乘以它們的含量比例(該材料的量與粘結相的總量間的比例)，所有材料的加合起來，于是得到粘結相3的殘余應力。
粘結相3中保有的殘余壓縮應力σb優(yōu)選在60到300MPa之間，更好的是在100與300MPa之間。這樣可以更有效阻止cBN粒子2的脫落，改善耐磨損性能以及極大地改善耐碎裂性能。
在粘結相3中，作用于碳化物5上的殘余壓縮應力σC與作用于氮化物6上的殘余壓縮應力σN間比值(σC/σN)優(yōu)選在1.5到5之間。這樣可以使cBN燒結材料1中的殘余應力得以優(yōu)化而且改善cBN燒結材料1的耐磨損與耐碎裂性能。
用于氮化物6上的殘余壓縮應力σN也可以優(yōu)選在30～200MPa，作用于碳化物5上的殘余壓縮應力σC也可以優(yōu)選在100～700MPa，它們間比值(σC/σN)優(yōu)選在以上所述范圍內。
(實施方案5)現說明本發(fā)明中的cBN燒結材料的實施方案五。該實施方案中與實施方案一到四中一樣或者類似的組分將使用同樣的參考代碼表示，而且其說明將被省略。
圖3是該實施方案中cBN燒結材料的截面示意圖。如圖3所示，該實施方案中的cBN燒結材料A是涂了一種形成于其表面上的特定的硬膜40的cBN燒結材料1。換句話講，cBN燒結材料A具有這樣組成由cBN粒子2和含有碳化物5與氮化物6的粘結相3組成的cBN燒結材料1表面涂了一種上文所提到的特定的硬膜40。
在這種組成下，在粘結相3中同時存在碳化物5與氮化物6具有這樣效果殘余壓縮應力將因為碳化物5與氮化物6之間熱膨脹以及收縮的差異在cBN燒結材料1中存在直到燒結完成，從而改善cBN燒結材料1的強度。在該實施方案中的cBN燒結材料A中，因為cBN燒結材料1的表面涂有一種特定的硬膜40，cBN燒結材料1進一步受到殘余應力作用，使得因為碳化物5與氮化物6的殘余壓縮應力的協同作用將在硬膜40與cBN燒結材料1間的界面附近產生一種高的殘余壓縮應力。結果硬膜40表面的殘余應力將會降低，使得cBN燒結材料A可以具有非常高的韌性。而且，由于硬膜40具有高的硬度，耐磨損性能可以進一步得以改善。也因為硬膜40在高溫下具有硬度、抗氧化能力以及潤滑性能方面的優(yōu)越性，它在當使用切削工具和耐磨材料時的苛刻條件下表現出優(yōu)異的耐磨損性能與耐碎裂能力。
硬膜40由至少一層由選自元素周期表中第4、5、6族至少一種金屬元素的碳化物、氮化物、硼化物、氧化物以及碳氮化物，Al、Si以及它們固溶體，堅硬的碳和硼氮化物組成的硬質材料構成。圖3顯示了一個硬膜40由兩層構成的例子。
優(yōu)選的硬膜40的例子包括選自一組膜的單層膜，該組膜包括由Ti的化合物組成的膜、Al2O3膜、多晶鉆石膜、類鉆石碳(DLC)膜、立方氮化硼(cBN)膜，或者由二層或者三層構成的膜。
硬膜40可以使用一種薄膜成膜方法例如熱CVD、等離子體CVD或者其他化學蒸汽沉積方法、離子電鍍、弧離子電鍍、濺射、蒸汽沉積或者其他物理蒸汽沉積方法(PVD)或電鍍方法在某一特定區(qū)域包括切割邊緣或者在整個cBN燒結材料1表面形成一預定厚度的膜。具體地說，在使用弧離子電鍍方法形成(Ti，Al)N硬膜的特定情況下，鈦鋁合金用作弧狀放電的蒸發(fā)和離子化金屬源的目標物，以便金屬離子同用作氮源的氮氣(N2)反應形成膜。為了提高膜的密度和同底物的結合，優(yōu)選采用30～300V的偏壓成膜。X-射線衍射分析峰的狀況可以通過改變成膜時氣體種類以及氣壓來控制在如后所述預先指定的范圍。
硬膜40優(yōu)選采用物理蒸汽沉積方法(PVD)形成。這樣使得改善膜同cBN燒結材料1的粘合強度以及優(yōu)化存在于cBN燒結材料A表面的殘余應力成為可能，于是改善了cBN燒結材料A的耐磨損性能和耐碎裂能力。
硬膜40的總厚度優(yōu)選于0.01～15μm的范圍，更好在0.1～10μm范圍。這樣提高了硬膜40同cBN燒結材料1的粘合強度并且使得它不易剝落，從而在保持耐磨損性能的同時抑制膜的剝落。更為明確的是，對于形成硬膜，每種不同材料有一個最優(yōu)厚度。例如，一種具有超高硬度的硬膜例如DLC膜或者cBN膜優(yōu)選是具有0.01～0.3μm厚度的單層膜。如后所述由Ti化合物組成的硬膜優(yōu)選是厚度為0.5～8μm的單層膜。在以上所述的厚度范圍內硬膜40可以獲得合適的殘余應力。
硬膜40中存在的殘余壓縮應力優(yōu)選在0.1～30GPa范圍內。這樣提高了硬膜40同cBN燒結材料1的粘合強度以及優(yōu)化了存在于cBN燒結材料A表面的殘余應力，于是提高了cBN燒結材料A的強度。
涂有硬膜40的cBN燒結材料A的殘余壓縮應力優(yōu)選在200MPa或者更高，更好的是在300～1000MPa范圍內，最好在500～1000MPa范圍內。這樣提高了硬膜40的粘合強度以及優(yōu)化了存在于cBN燒結材料A表面的殘余應力，于是提高了cBN燒結材料A的強度。
硬膜40的至少一層膜優(yōu)選采用以以下通用分子式(1)表達的化合物制備。這提高了硬膜40的硬度和韌度以及它同cBN燒結材料1的粘合強度。
[Tia，M1-a][BxCyNzO1-(x+y+z)]…(1)這里M代表至少一種選自元素周期表第4、5以及6族除Ti元素以外的金屬元素、Al以及Si元素。0＜a≤1，0≤x≤1，0≤y≤1以及0≤z≤1.
而且，硬膜40的至少一層膜優(yōu)選采用以以下通用分子式(2)表達的化合物制備。這使得改善硬膜40的諸如硬度以及強度等特性方面成為可能，并使cBN燒結材料A具有高的韌度和高的硬度。
[Tia，M1-a][BxCyNzO1-(x+y+z)]…(2)這里M代表至少一種選自元素周期表第4、5以及6族除Ti元素以外的金屬元素、Al以及Si元素。0.3≤a≤0.7，0≤x≤0.5，0≤y≤0.5，0.5≤z≤1而且x+y+z≤1.
X-射線衍射分析中，硬膜40的至少一層的(111)平面處的衍射峰強度I(111)同(200)平面處衍射峰強度I(200)的比值I(111)/I(200)優(yōu)選0.7或更高。這樣使得組成硬膜40的化合物晶體的粒徑更小可以使硬膜40的硬度變的更高，于是改善其耐磨損性能。當硬膜40的顆粒更小時，硬膜40的顆粒缺陷下降，硬膜40同cBN燒結材料1的粘合強度增強，這樣可以在極大改善耐碎裂能力以及耐熱沖擊能力的條件下抑制膜的剝落。
為了提高硬膜40同cBN燒結材料1之間的粘合強度，在硬膜40同cBN燒結材料1之間可以提供一個中間層(沒有示出)，中間層可由一種金屬如鈦，或者選自元素周期表中第4、5、6族元素中的至少一種金屬元素的氮化物、碳化物或者碳氮化物，硼、鋁以及硅等組成。
在形成硬膜40之前，cBN燒結材料1的表面可以使用噴丸硬化、噴砂、電解浸蝕、化學蝕刻、機械研磨、拋光、離子注入或者其他方法進行處理。通過這樣的表面處理，硬膜40的粘合強度也可以得到提高。
據實施方案一至五屬于另外一種cBN燒結材料1的具有纖維狀結構的cBN燒結材料將使用參考圖示詳細進行說明，以實施方案一為例。圖4(a)顯示了本實施方案中其他cBN燒結材料的截面示意圖，圖4(b)是其透視圖。如圖4(a)、(b)所示，cBN燒結材料10具有這樣單絲纖維狀結構一個由特定cBN燒結材料制成的殼構件9覆蓋著由特定cBN燒結材料制成的纖維狀芯構件8的圓周表面。
單絲纖維狀結構可以由以下兩種方式中的任意一種制成。第一種cBN燒結材料10a具有這樣的單絲纖維狀結構由cBN燒結材料制成的外皮構件9a，該材料由被粘結相粘結的cBN粒子2構成，粘結相由選自元素周期表中第4、5、6族元素中的金屬中至少一種金屬元素的氮化物6組成；外皮構件9a覆蓋著纖維狀芯構件8a的圓周表面，芯構件8a由cBN燒結材料制成，該材料由被粘結相粘結的cBN粒子構成，粘結相由選自元素周期表中第4、5、6族元素至少一種金屬元素的碳化物5組成。
第二種cBN燒結材料10b具有這樣的單絲纖維狀結構由cBN燒結材料制成的殼構件9b，該材料由被粘結相粘結的cBN粒子2構成，粘結相由選自元素周期表中第4、5、6族元素中至少一種金屬元素的碳化物5組成；殼構件9b覆蓋著纖維狀芯構件8b的圓周表面，芯構件8b由cBN燒結材料制成，該材料由被粘結相粘結的cBN粒子構成，粘結相由選自元素周期表中第4、5、6族元素至少一種金屬元素的氮化物6組成。
即使cBN燒結材料具有如上所述的單絲纖維狀結構，cBN燒結材料10整體上具有這樣的組成碳化物5和氮化物6同時存在于粘結相3中，于是cBN燒結材料10可以獲得同以前所介紹的cBN燒結材料1類似的效果。而且，當cBN燒結材料具有單絲纖維狀結構并且其芯構件和殼構件的粘結相的其中之一由碳化物5組成而另一個由氮化物6組成時，芯構件8與殼構件9的性能可以良好平衡地發(fā)揮作用，于是導致cBN燒結材料整體上表現出最優(yōu)效果。結果，cBN燒結材料的耐磨損性能與耐碎裂能力都更有效地得到提高。也使得通過控制纖維的走向而優(yōu)先改善耐磨損性能或耐碎裂性能成為可能。
除了以上所介紹的單絲纖維狀結構，具有纖維狀結構的cBN燒結材料也可以是具有多絲纖維狀結構的cBN燒結材料11，多絲纖維狀結構中多個具有單絲纖維狀結構的cBN燒結材料10成為束狀如圖5(a)、圖5(b)所示。這種組成進一步改善了耐磨損性能和耐碎裂性能。
當包束具有單絲纖維狀結構的cBN燒結材料10時，可以只把第一種cBN燒結材料10a成束，或者只把第二種cBN燒結材料10b成束，或者第一種cBN燒結材料10a與第二種cBN燒結材料10b一起成束，這取決于應用。
為了改善用其制備的切削工具的耐碎裂性能，纖維狀結構的cBN燒結材料10、11的尺寸優(yōu)選這樣的情況如圖4(a)所示芯構件8的平均粒徑dC在10～200μm范圍內，殼構件9的厚度dS在1～20μm范圍內。芯構件8的平均粒徑dC與殼構件9的厚度dS可以通過在掃描電子顯微鏡(SEM)下或金相顯微鏡下觀察具有纖維狀結構的cBN燒結材料10、11的橫截面積進行確定。
除了圖5(a)、圖5(b)所示的束狀結構，多絲纖維狀結構也可以如圖6(a)至(d)所示的結構。圖6(a)顯示了一種cBN燒結材料16A，其中的具有纖維狀結構的cBN燒結材料10(或11)以片層構造排列；圖6(b)顯示了cBN燒結材料16B，其中多個片狀cBN燒結材料16A以同樣的方向堆棧；圖6(c)顯示了cBN燒結材料16C，其中多個片狀cBN燒結材料16A以不同的方向堆棧；圖6(d)顯示了cBN燒結材料16D，其中具有纖維狀結構的cBN燒結材料10(或11)沿垂直于片表面的方向排列。如具有纖維狀結構的cBN燒結材料10(或11)隨機無序排列的這樣的結構也可以采用。
前面所介紹的實施方案2是這樣的情況其粘結相3中同時含有碳化物5與氮化物6的cBN燒結材料1在X-射線衍射分析中表現出同時顯示出氮化物6的衍射峰與碳化物5的衍射峰。但是本發(fā)明并不局限于此，具有單絲纖維狀結構的cBN燒結材料10、11在X-射線衍射分析中也可以同時顯示出氮化物6的衍射峰與碳化物5的衍射峰。
用于制備以后將要介紹的切削工具30的cBN燒結材料由實施方案二中的cBN燒結材料制成的情況下，尤其是，使用X-射線衍射分析前面所述具有纖維結構的cBN燒結材料10、11的纖維結構的橫截面時，碳化物5的平面(200)處的衍射峰強度IC與氮化物6的平面(200)處的衍射峰強度IN之間的比率(IC/IN)也控制在0.2～1.2的范圍內，最好在0.3-0.9之間。這樣在不使切削操作中耐磨損性能下降的條件下，阻止了cBN粒子2的脫落與過度磨損的發(fā)生。對實施方案二中的比值IN/IcBN、比值IC/IcBN、峰強度ICN、峰強度IC與峰強度IN也滿足以上所述條件。
實施方案三處理的是在其粘結相3中含有同時存在的碳化物5與氮化物6的cBN燒結材料1中比值(dN/dC)具有預先設定值的情況。但是，本發(fā)明并沒有局限于此，優(yōu)選的是在具有單絲纖維狀結構的cBN燒結材料10、11中，比值(dN/dC)也具有預先設定值。
用于制備以后將要介紹的切削工具30的cBN燒結材料由實施方案三中的cBN燒結材料制成的情況下，當cBN燒結材料被當作一個整體看待時，具有纖維狀結構的cBN燒結材料也具有含有同時存在的碳化物5與氮化物6的粘結相3，而且氮化物6與碳化物5以氮化物6的平均粒徑dN與碳化物5的平均粒徑dC的比值(dN/dC)在0.4～1.2范圍間為特征。cBN粒子2的平均粒徑dcBN也優(yōu)選5μm或者更小，碳化物5的平均粒徑dC也優(yōu)選在1～3μm之間，氮化物6的平均粒徑dN也優(yōu)選在0.5～2μm之間。這樣可以阻止cBN粒子2的脫落，這在使用傳統的粘結相時是不可能的。結果使得阻止cBN粒子的脫落和同時阻止粘結相的磨損以及脫落成為可能，于是賦予了cBN燒結材料高的耐磨損性能，尤其是優(yōu)異的耐碎裂性能。
在具有纖維狀結構的cBN燒結材料10、11中，也要優(yōu)選在cBN粒子2中保持300MPa或者更高的殘余壓縮應力σcBN。這樣可以抑制cBN粒子2的脫落。對具有纖維狀結構的cBN燒結材料10、11的情況，cBN粒子2的殘余壓縮應力σcBN以及粘結相3的殘余壓縮應力σb皆傾向于高于前面所述的傳統的具有均一陶瓷結構的情況。
實施方案五處理的是其粘結相3中含有同時存在的碳化物5與氮化物6的cBN燒結材料1的表面覆蓋了硬膜40的情況。但是本發(fā)明并沒有局限于此，硬膜40也可以覆蓋在具有單絲纖維狀或者多絲纖維狀結構的cBN燒結材料10、11的殼構件9的表面上。
下面將要輔以參考圖示詳細介紹一個制備具有纖維狀結構的cBN燒結材料的方法的例子，即本實施方案中另外一種cBN燒結材料。圖7(a)與圖7(b)顯示制備由具有單絲纖維狀結構的cBN燒結材料制成的復合生壓坯的方法的示意圖。
首先，除了只加入碳化物和氮化物中的其中一種作為粘結相組分外，芯構件的原材料通過類似前面介紹的cBN燒結材料的制備方法的工藝經壓碎和混合材料制備。然后將有機粘合劑加入芯構件的原材料中并混合。混合物通過壓模、擠壓成模、鑄造或者類似的方法形成一個圓柱形狀，然后制成一個芯構件17的生壓坯，如圖7(a)所示。
對于有機粘合劑，可以使用例如石蠟、聚苯乙烯、聚乙烯、乙烯-乙基丙烯酸酯、乙烯-乙烯基醋酸酯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚乙二醇或者二丁基鄰苯二甲酸酯。
接下來，殼構件的原材料通過同前面介紹的類似的方法工藝進行制備，除了加入與芯構件使用的不同的碳化物與氮化物二者中的一種作為結合相組分外。于是前面提到的粘合劑加入制備殼構件的原材料中并混合。使用前面介紹的方法，如圖7(a)所示，兩個半圓柱形狀的殼構件18的生壓坯從混合物中形成。殼構件18的生壓坯置于芯構件17的生壓坯周圍以包圍其圓周，于是來制備復合生壓坯19。
如圖7(b)所示，復合生壓坯19通過同時擠壓成型(共擠出成型法)方法制備而成。即芯構件17的生壓坯以及殼構件18的生壓坯在同時擠壓成型。這種制備工藝使具有單絲纖維狀結構的復合生壓坯20以小直徑拉伸，其中殼構件18的生壓坯置于芯構件17的生壓坯上以覆蓋其周邊。
具有多絲纖維狀結構的生壓坯21可以通過把多個使用同時擠壓成型形成的具有單絲纖維狀結構的復合生壓坯20包束而成，再一次對該束采用同時擠壓成型的方法。使用這種方法，可使得進一步提高生壓坯20中復合材料間的粘合強度成為可能。
在同時擠壓成型工藝中，如前面所介紹方法形成的纖維狀生壓坯的橫截面可以通過改變擠壓模具制成所需的如圓形、三角形、長方形以及六角形等形狀。
為了制備由如圖6所示以片狀構造排布的復合材料形成的復合結構，如前面所述制備的復合生壓坯20按照形成片狀生壓坯22的方式排布。片狀生壓坯22中的復合生壓坯20可以以相互平行的方式堆?；蛘咭韵嗷ソ徊娉?0°或者45°角度方式排布。這種情況下，按照需要，片狀生壓坯22也可以使用冷等壓成型(CIP)或者類似的方法同復合生壓坯20之間的粘合材料如前面所述的粘合劑一起壓縮?；蛘?，片狀生壓坯22也可以通過使用一對輥子23(如圖9所示)進行滾壓成型。使用復合材料(如圖6所示cBN燒結材料16A至16D)時片狀生壓坯22也可以采用例如已知的快速原型方法的成型方法制備。生壓坯21也可以用來代替復合生壓坯20使用。
于是如前面方法制備的生壓坯20至22在真空度2Pa或更低壓力下于600～1000℃高溫下處理1～72小時進行脫脂熱處理。這樣處理過的生壓坯同另外準備好的由燒結碳化物制成的支撐件一起置于超高壓燒窯裝置中，在前面所述的條件下煅燒來獲得具有纖維狀結構的cBN燒結材料。
煅燒也可以通過把脫脂處理過的生壓坯連同另外準備好的由燒結碳化物制成的支撐件一起置于超高壓燒結裝置中進行，燒至其同燒結碳化物制成的支撐件結合成一體的狀態(tài)。燒結體使用鉆石輪磨、電解拋光、刷或者類似的方法進行碾磨或者拋光到預定厚度。
當切削工具使用cBN燒結材料制備時，高強度和鋒利的刀刃可以通過使用一種彈性磨石、刷或其他類似物把C面處理或者R面處理修成cBN燒結材料的邊緣來形成。
<切削工具>
輔以參考圖示，現將介紹本發(fā)明中使用前面各實施方案中的cBN燒結材料制備的切削工具。圖10是顯示本發(fā)明中一種切削工具的實施方案的透視圖。如圖10所示，刀尖12具有這樣的結構制備切削工具用的cBN燒結材料削成預定的形狀，通過支撐件15焊接于刀片13一角上的梢支座(tip mounting seat)上。用于切削工具30的cBN燒結材料具有沿著頂面與側面相接處形成的切割邊緣14。
圖11是顯示刀尖12的角的構造的截面示意圖，刀尖12采用了如前面所述的具有維狀結構的cBN燒結材料。圖11(a)是一個例子的截面示意圖而圖11(b)是另外一個例子的截面示意圖。圖11(a)所示的刀尖12中，用于切削工具30的cBN燒結材料由片狀cBN燒結材料16C組成，其中具有纖維狀結構的cBN燒結材料10(或11)按照這樣的方式放置纖維的走向與前傾面31互相平行(纖維的橫截面沖著側面32)。
如圖11(b)所示的刀尖12中，制備切削工具30的cBN燒結材料由cBN燒結材料16D組成，其中具有纖維狀結構的cBN燒結材料10(或11)按照這樣的方式放置纖維的走向與側面32互相平行(纖維的橫截面沖著前傾面31)。
除了上面提到的構造，也有這樣的構造，具有纖維狀結構的cBN燒結材料10(或11)的纖維與前傾面31以預定角度走向放置，或者具有纖維狀結構的cBN燒結材料的纖維10(或11)按照隨機方式放置。在所有這些構造中，如圖11(b)所示的構造在改善耐碎裂性能方面是理想的。除了具有纖維狀結構的cBN燒結材料10(或11)，刀尖12也可以由如以前所述的簡單的cBN燒結材料1有利地制得。
cBN燒結材料表現出優(yōu)異的耐磨損性能和耐碎裂能力，可以被優(yōu)選用作要求具有耐磨損和耐碎裂能力的工具如挖掘機的鉆頭以及制備鋼模或者滑片成分的耐磨損材料的結構材料。cBN燒結材料可以用于制備具有長使用壽命的切削工具，在金屬切削操作中使用沿著側面和前傾面相接處脊線形成的切割刃表現出優(yōu)秀的性能，切削工具緊壓著要切割的工件，尤其是例如鐵、鋁或者耐熱合金等金屬。cBN燒結材料在難于切割的金屬如硬化鋼的加工方面表現出優(yōu)異的切削性能。
當用于切削工具時，切削工具最好具有這樣的結構包括刀片以及焊接于刀片的支座上的刀尖，這里，刀尖由該實施方案中的cBN燒結材料制成。這種情況下，雖然cBN燒結材料中持有的殘余應力傾向于在焊接刀尖的同時釋放，刀尖的cBN燒結材料中的殘余應力控制在合適的范圍內以便獲得高的耐磨損能力和高的耐碎裂能力。
將以例子的方式對本發(fā)明進行詳細說明，但需要理解的是本發(fā)明并非僅僅限于以下所列的實施例。
具有平均粒徑2μm的cBN材料粉末，具有平均粒徑1μm的TiC材料粉，具有平均粒徑1μm的TiN材料粉，具有平均粒徑1μm的TiCN材料粉，具有平均粒徑1μm的HfC材料粉，具有平均粒徑1μm的NbC材料粉，具有平均粒徑1.2μm的金屬鋁粉以及具有平均粒徑0.8μm的金屬鈷粉，按照表1比例配制，在使用氧化鋁球的球磨機中研磨混和16小時。
然后混合粉末在壓力98Mpa下壓制成模。這種生壓坯在超高壓力、高溫裝置中如表1所示的條件下煅燒，即按照表1所示升溫速度、表1所示的煅燒溫度下保持5.0Gp壓力一定時間，然后就按照表1降溫速度冷卻，于是獲得cBN燒結材料(表1所示No.I-1至No.I-10中樣品)。
(含量)上面工藝獲得的cBN燒結材料樣品進行打磨和拋光達到鏡面修飾，然后在金相顯微鏡下對其結構進行觀察。表現為黑色的cBN燒結材料、表現為褐色的氮化物以及表現為白色的碳化物輪廓分明，而且使用WDS(波長散射型X-射線光度計)通過EPMA(電子探針顯微分析)中間相以及碳氮化物也得以區(qū)分。每種化合物的20個或更多粒子的面積使用圖像分析測量，面積的平均值用來表示cBN粒子、碳化物、氮化物、中間相、以及碳氮化物的含量。結果如表1所示。碳氮化物的存在通過觀察X-射線衍射分析中的峰來確定。當觀察到相應的峰，那種組分的含量比例通過與標準樣品的比較來確定(由cBN粒子和碳氮化物粉末組成的混合物制備而成的生壓坯)。
表1

1)標有*的樣品在本發(fā)明范圍外。
2)含量比例cBN粒子、碳化物、氮化物在金相顯微鏡下觀察(％面積)。碳氮化物的含量通過XRD峰計算而得。
cBN燒結材料樣品使用有線放電切割方法或類似的方法切割成預定尺寸，每個被焊接于燒結碳化物基底的支座上，于是制成了具有如JISCNGA120408中所規(guī)定的構造的拋棄型切削工具，該切削工具在以下所述條件下接受連續(xù)切削測試或間斷的切削測試。結果如表2所示。
(連續(xù)切削測試)切削模式旋轉工件SCM415H滲碳硬化的具有70mm直徑圓柱形狀的鋼(HRC58-62)切削速度200m/min.
橫進給0.2mm給料速度0.2mm/rev.
切削時間25分鐘測量末端的磨損量(間斷切削測試)切削模式旋轉工件SCM415H滲碳硬化的具有8個洞的蓮藕形狀的鋼(HRC58-62)切削速度150m/min.
橫進給0.2mm給料速度0.2mm/rev.
測量碎裂前的沖擊次數(上限40000)
表2

1)標有*的樣品在本發(fā)明研究范圍外。
表1與表2結果表明其cBN燒結材料只含碳化物(TiC)的樣品No.I-5、8以及9等具有不理想的耐碎裂能力，因為cBN粒子間的粘結作用不充分。cBN燒結材料中只含氮化物(TiN)的樣品No.I-6具有不理想的耐磨損性能，表現為具有短的使用壽命。粘結相只由碳氮化物(TiCN)組成的No.I-7以及10在耐磨損以及耐碎裂能力方面表現不佳。
本發(fā)明中由cBN燒結材料(No.I-1至4)，制成的切削工具，相反，都表現出足夠的耐磨損能力，連續(xù)切削難于切削的滲碳硬化的鋼中具有0.20mm或者更少的磨損量。在間斷切削測試中，這些樣品在碎裂前都能忍受30000或更多次沖擊。尤其是，樣品No.I-1至4表現出優(yōu)異耐碎裂能力，在40000次沖擊后仍然沒有碎裂，在延長的時間內表現出穩(wěn)定的切削性能。

芯構件的生壓坯通過把混合了45％體積的cBN、42％體積的TiN以及15％體積的Al而且加入有機粘合劑而制備的材料擠壓成型制備而成。表皮構件的生壓坯通過把混合了55％體積的cBN、35％體積的TiC以及10％體積的Al而且加入一種有機粘合劑而制備的一種材料擠壓成型方法制備而成。
如上面所述，芯構件與殼構件的的生壓坯如圖7所示擠壓成型，于是制備成一個復合生壓坯。如圖8所示的方式，這種復合生壓坯捆束在一起制成了具有多纖維結構的復合生壓坯。這種具有多纖維結構的復合生壓坯進一步排列成片狀構造，多個片層堆棧起來然后壓縮。堆棧物在一個超高壓、高溫裝置中煅燒，升溫速度50℃每分鐘、在壓力5.0GPa以及溫度1400℃下保持15分鐘，然后以50℃每分鐘速度降溫，于是得到了復合cBN燒結材料。
上面工藝獲得的復合cBN燒結材料樣品進行打磨和拋光達到鏡面修飾，然后在金相顯微鏡下對其結構進行觀察。表現為黑色的cBN粒子、表現為褐色的氮化物(TiN)以及表現為白色的碳化物(TiC)輪廓分明，而且碳氮化物(TiCN)也輪廓分明。使用圖像分析測量得到的各種組分所占面積的比例為cBN為50％、TiC為10％、TiN為25％以及TiCN為2％。
cBN燒結材料樣品使用有線放電切削方法切削成預定尺寸，每個被焊接于燒結碳化物基底上的支座上，于是制成了具有如JIS CNGA120408中所規(guī)定的構型的拋棄型切削工具，該切削工具接受類似于例1中的切削測試。這些樣品在切削20分鐘后其磨損量小到0.15mm，在間斷切削測試中接受了40000次沖擊后沒有表現出碎裂，于是表現出優(yōu)異的切削性能。
具有平均粒徑2μm的cBN材料粉，具有平均粒徑1μm的TiC材料粉，具有平均粒徑1μm的TiN材料粉，具有平均粒徑1μm的TiCN材料粉，具有平均粒徑1μm的HfC材料粉，具有平均粒徑1μm的TaC材料粉，具有平均粒徑1.2μm的金屬鋁粉以及具有平均粒徑0.8μm的金屬鈷粉，按照表3比例配制，在使用氧化鋁球的球磨機中混和16小時，混合粉末在壓力98MPa下壓制成型。
生壓坯按照類似于例I的方法在一個超高壓、高溫的裝置中煅燒，只是采用表3中的煅燒條件而不是表1中的煅燒條件，于是得到cBN燒結材料(如表3所示樣品No.III-1至10)。
表3

1)標有*的樣品在本發(fā)明范圍外。
(X-射線衍射峰強度)cBN燒結材料樣品以角度2θ＝30°至50°使用Cu-Kα線源(Kα2線被清除)進行X-射線衍射分析(XRD)，在衍射圖表中確定碳化物與氮化物的峰，計算碳化物與氮化物的峰的強度比值。結果如表4所示。
(切削測試)與例I類似，使用cBN燒結材料樣品制備如JIS CNGA120408中規(guī)定的構造的拋棄型切削工具。與例I類似進行連續(xù)的切削測試與間斷切削測試，只不過間斷切削測試中碎裂前經受的沖擊次數的上限設定為60000，而不是40000。
表4

1)標有*的樣品在本發(fā)明范圍外。
2)在cBN、氮化物、碳化物以及碳氮化物列中的“-”標記表示峰無法測到。
表3與表4中結果表明只有碳化物的峰被觀察到的樣品No.III-5中因為cBN粒子間不足的結合作用所以耐碎裂能力不足。只有氮化物的峰被觀察到的樣品No.III-6中在耐磨損能力方面不足，導致短的切削工具使用壽命。使用TiCN粉做粘結相的樣品No.III-7與通過煅燒作用使粘結相轉變成TiCN相的樣品No.III-8在耐磨損與耐碎裂能力方面都不足。粘結相由TiCN相和TiC相組成的樣品No.III-9與粘結相由TiCN相和TiN相組成的樣品No.III-10在耐磨損與耐碎裂能力方面都不足。
樣品No.III-1至4，是由顯示出TiC的XRD峰與TiN的XRD峰的cBN燒結材料制備的刀刃，表現出充分的耐磨損能力，在對難于切削的滲碳硬化的鋼的連續(xù)切削測試中磨損量不超過0.20mm。尤其是，這些刀刃在間斷切削測試中通過在碎裂前耐受30000次或者更多次沖擊表現出優(yōu)異的耐碎裂能力，顯示出長時間內的穩(wěn)定的切削性能。
與例II類似制備芯構件的生壓坯。然后與例II類似制備殼構件的生壓坯，只不過將TiC的含量從35％體積改變至30％體積。與例II類似芯構件的生壓坯與殼構件的生壓坯用來制備具有多絲結構的復合生壓坯，煅燒復合生壓坯以制備cBN燒結材料。
在復合cBN燒結材料橫截面上進行X-射線衍射分析(XRD)，確認衍射圖表中殼構件的碳化物的峰與芯構件的氮化物的峰。碳化物的峰強度IC與氮化物的峰強度IN的比值(IC/IN)為0.42。微觀的觀察與組成分析表明在芯構件中TiN的存在以及在殼構件中TiC的存在。
cBN燒結材料樣品使用有線放電切削方法切削成預定尺寸，每個被焊接于燒結碳化物基底上的支座上，于是制成了具有如JIS CNGA120408中所規(guī)定的構造的拋棄型切削工具，該切削工具接受類似于例I中的切削測試。這些樣品在切削20分鐘后其磨損量小至0.15mm，在間斷切削測試中接受了60000次沖擊后沒有表現出碎裂，于是表現出優(yōu)異的切削性能。
具有平均粒徑2.5μm的cBN材料粉，具有平均粒徑1.5μm的TiC材料粉，具有平均粒徑1.2μm的TiN材料粉，具有平均粒徑1μm的TiCN材料粉，具有平均粒徑1μm的NbC材料粉，具有平均粒徑1.1μm的TaC材料粉，具有平均粒徑0.9μm的NbN材料粉，具有平均粒徑1.2μm的金屬鋁粉以及具有平均粒徑0.8μm的金屬鈷粉，按照表5比例配制，在使用氧化鋁球的球磨機中混和16小時。
混合粉末在壓力98MPa下壓制成型。生壓坯按照類似于例I的方法在一個超高壓、高溫的裝置中煅燒，只是采用表5中的煅燒條件而不是表1中的煅燒條件，于是得到cBN燒結材料(如表5所示樣品No.V-1至10)。
表5

1)標有*的樣品在本發(fā)明范圍外。
(X-射線衍射峰強度)與例III類似，樣品進行X-射線衍射分析，在衍射圖表中確定碳化物、氮化物以及其他組分的峰，計算如表6所示峰的強度比值。
(平均粒徑)使用金相顯微鏡觀察不同顏色的微觀結構，以及檢視粘結相中氮化物與碳化物存在狀態(tài)。平均粒徑dN、dC以及dcBN使用Luzex圖像分析儀進行測量。dN、dC以及dcBN的值通過使用微觀結構照片中顯示的每個相中的50?；蛘吒鄶的苛Ｗ觼泶_定。
在某一單視野內某一相不足50粒的情況下，將其他視野內該相的粒子數考慮進來。對每相的50?；蛘吒鄶的康牧Ｗ拥囊幌盗袦y量在每三個或更多點上進行，然后取平均值作為dN、dC以及dcBN的值。測量結果總結于表6中。
(切削測試)與例I類似，使用cBN燒結材料樣品制備如JIS CNGA120408中規(guī)定的構型的拋棄型切削工具。與例I類似進行連續(xù)的切削測試與間斷切削測試，只不過將間斷切削測試中碎裂前經受的沖擊次數的極限值設置為60000以取代40000。結果如表6所示。
表6

1)標有*的樣品在本發(fā)明范圍外。
表5與表6中結果表明樣品No.V-5至10中因為粘結相中沒有碳化物與氮化物的共存，cBN粒子間的結合作用都不足，所以耐碎裂能力不足，導致短的切削工具使用壽命。
其粘結相中同時存在碳化物與氮化物，而且氮化物的平均粒徑dN與碳化物的平均粒徑dC之間比值dN/dC在0.4～1.2之間的樣品No.V-1至4，相反，都具有足夠的耐磨損能力，在連續(xù)切削難于切削的滲碳硬化的鋼時，磨損量不超過0.20mm，而且表現出優(yōu)異的耐碎裂能力，尤其是在間斷切削測試中在碎裂前具有30000次或更多次沖擊，延長的時間段內表現出穩(wěn)定的切削性能。
芯構件的生壓坯通過把混合了47％體積的cBN、39％體積的TiN以及14％體積的Al而且加入一種有機粘合劑而制備的一種粉體材料擠壓成型方法制備而成。殼構件的生壓坯通過把混合了60％體積的cBN、30％體積的TiC以及10％體積的Al而且加入一種有機粘合劑而制備的材料擠壓成型方法制備而成。
如上面所述制備的芯構件的生壓坯與殼構件的的生壓坯用來制備具有與例II類似多絲結構的復合生壓坯，然后煅燒制成復合cBN燒結材料。
通過顯微鏡觀察對cBN燒結材料中的氮化物(TiN)與碳化物(TiC)的圖像分析表明碳化物的平均粒徑dC＝1.2μm，氮化物的平均粒徑dN＝0.7μm，他們的比值dN/dC＝0.6。對cBN燒結材料制備的芯構件和殼構件的X-射線衍射分析表明在X-射線衍射圖表中存在碳化物與氮化物的峰，碳化物的峰強度IC與氮化物的峰強度IN之間的比值IC/IN確定為0.42。
燒結材料使用有線放電切削方法切削成預定尺寸，每個被焊接于燒結碳化物基底的支座上，于是制成了具有如JIS CNGA120408中所規(guī)定的構型的拋棄型切削工具，該切削工具接受類似于例1中的切削測試。這些樣品在切削20分鐘后其磨損量小至0.16mm，在間斷切削測試中接受了60000次沖擊后沒有表現出碎裂，于是表現出優(yōu)異的切削性能。
cBN燒結材料具有平均粒徑2μm，TiC材料粉具有平均粒徑1μm，TiN材料粉具有平均粒徑1μm，TiCN材料粉具有平均粒徑1μm，TaC材料粉具有平均粒徑1μm，ZrC材料粉具有平均粒徑1.2μm，ZrN材料粉具有平均粒徑1.1μm，WC材料粉具有平均粒徑0.9μm，金屬鋁粉具有平均粒徑1.2μm以及金屬鈷粉具有平均粒徑0.8μm，將它們按照表7比例配制，在使用氧化鋁球的球磨機中混和16小時。
混合粉末在壓力98MPa下壓制成型，生壓坯按照類似于例I的方法在一個超高壓、高溫的裝置中煅燒，只是采用表7中的煅燒條件而不是表1中的煅燒條件，于是得到cBN燒結材料(如表7所示樣品No.VII-1至12)。
與例I類似，使用cBN燒結材料樣品制備如JIS CNGA120408中規(guī)定的構造的拋棄型切削工具。樣品No.VII-11單獨形成刀刃而不用焊接一片使用有線放電切削的燒結材料。樣品VII-12涂有一層TiAlN膜，該膜是使用離子電鍍技術在溫度500℃和30V的偏壓下形成至1μm厚度的。
表7

1)標有*的樣品在本發(fā)明范圍外。
(X-射線衍射峰強度)與例III類似，對cBN燒結材料樣品進行X-射線衍射分析(XRD)，確定碳化物峰、氮化物峰以及其他峰，計算如表8所示峰的強度比值。
(殘余應力)作用于cBN粒子的以及作用于粘結相的殘余應力通過X-射線殘余應力測量方法(2θ-sin2)在角度2θ≥100°處對峰的觀察而計算得到，對cBN使用Fe-Kα線，對粘結相的TiC和TiN使用Cu-Kα線，例如，cBN在平面(311)特有的峰以及粘結相在平面(422)特有的峰。這種計算對cBN粒子采用彈性模數E為712GPa，泊松比為0.215，而對TiN采用彈性模數E為250GPa，泊松比為0.19，對TiC采用彈性模數E為400GPa，泊松比為0.19。
樣品No.VII-11的殘余應力在一個被有線放電切開的燒結材料內測量，樣品No.VII-12的殘余應力在TiAlN層被電解拋光清除后的狀態(tài)下測量。
(切削測試)與例I類似對cBN燒結材料進行連續(xù)的切削測試與間斷切削測試，只不過將間斷切削測試中碎裂前經受的沖擊次數的極限值設置為60000來取代40000。結果如表8所示。
表8

1)標有*的樣品在本發(fā)明范圍外。
表7與表8的結果表明樣品No.VII-5至10中cBN粒子的殘余壓縮應力小于300MPa，具有cBN粒子間弱的結合作用，于是在耐碎裂能力方面不足而導致短的使用壽命。
樣品No.VII-1至4，11和12，其cBN粒子的殘余壓縮應力大于等于300MPa，都具有足夠的耐磨損能力，在連續(xù)切削難于切削的滲碳硬化的鋼時，磨損量不超過0.20mm，而且表現出優(yōu)異的耐碎裂能力，尤其是在間斷切削測試中在碎裂前具有30000次或更多次沖擊，延長的時間段內表現出穩(wěn)定的切削效果。
芯構件的生壓坯通過把混合了50％體積的cBN、37％體積的TiN以及13％體積的Al而且加入一種有機粘合劑而制備的一種粉體材料擠壓成型方法制備而成。殼構件的生壓坯通過把混合了60％體積的cBN、30％體積的TiC以及10％體積的Al而且加入一種有機粘合劑而制備的一種材料擠壓成型方法制備而成。
如上面所述制備的芯構件的生壓坯與殼構件的生壓坯用來制備具有與例II類似多絲結構的復合生壓坯，然后煅燒制成復合cBN燒結材料。
從對復合cBN燒結材料的芯構件和殼構件的X-射線衍射分析得到的衍射強度的分析表明殘余壓縮應力σcBN＝717MPa以及σb＝281MPa。碳化物與氮化物的峰被觀察到，而且碳化物的峰強度IC與氮化物的峰強度IN的比值IC/IN為0.42。
燒結材料使用有線放電切削方法切削成預定尺寸，每個被焊接于燒結的碳化物基底的支座上，于是制成了具有如JIS CNGA120408中所規(guī)定的構造的拋棄型切削工具。
對如前所述制備的刀刃的殘余應力的測量表明殘余壓縮應力σcBN＝535MPa、σTiC＝120MPa以及σTiN＝220MPa。該切削工具接受類似于例1中的切削測試。這些樣品在切削20分鐘后其磨損量小至0.16mm，在間斷切削測試中接受了60000次沖擊后沒有表現出碎裂，于是表現出優(yōu)異的切削性能。
cBN材料粉具有平均粒徑1.5μm，TiC材料粉具有平均粒徑1μm，TiN材料粉具有平均粒徑1μm，TiCN材料粉具有平均粒徑1μm，HfC材料粉具有平均粒徑1μm，NbC材料粉具有平均粒徑1μm，金屬鋁粉具有平均粒徑1.2μm以及金屬鈷粉具有平均粒徑0.8μm，將它們按照表9比例配制，在使用氧化鋁球的球磨機中混和16小時。
混合粉末在壓力98Mpa下壓制成模。這種生壓坯在一個超高壓、高溫的裝置中煅燒，保持壓力5GPa以及溫度1400℃15分鐘，于是得到了cBN燒結材料(如表9所示樣品No.IX-1至9)。
表9

1)標有*的樣品在本發(fā)明范圍外。
cBN燒結材料樣品使用有線放電切削方法或者類似方法切削成如JISCNGA120408中所規(guī)定的形狀，每個被焊接于燒結的碳化物基底的支座上。每個焊接的cBN燒結材料刀刃根據表11中所示的組成和成膜方法涂上一層硬膜，于是制成了由涂有硬膜的cBN燒結材料(表面涂膜的cBN燒結材料)制備的拋棄型切削工具。硬膜使用離子電鍍技術在500℃下以及偏壓150V條件下形成。
如前所述制備的切削工具使用下面的方法來評價其組分含量、衍射峰強度、膜厚度、比值[I(111)/I(200)]、殘余壓縮應力、連續(xù)切削測試與間斷切削測試。組分含量、、以及衍射峰強度的測量結果如表10所示，膜厚度、比值[I(111)/I(200)]、殘余壓縮應力、連續(xù)切削測試與間斷切削測試的測量結果如表11所示。
(各組分含量)與例I類似，每個切削工具的組分含量通過在金相顯微鏡下觀察其結構來確定。
對于碳氮化物，其存在可以通過X-射線衍射峰來確定。當觀察峰時，碳化物的峰、氮化物的峰以及碳氮化物的峰可以通過峰分離的方法進行量化，碳氮化物的含量通過峰強度的比例來計算。
(衍射峰強度)與例III類似，進行X-射線衍射分析。從衍射圖表中，歸一化的峰強度IC、IN、IIL以及ICN通過假定IcBN為100而計算得到。
(硬膜厚度)硬膜的厚度通過在電子掃描顯微鏡下觀察表面涂有涂層的cBN燒結材料的斷裂表面來測量。
(硬膜的X-射線衍射峰的比值[I(111)/I(200)])硬膜在平面(111)處特有的衍射峰強度I(111)與平面(200)處特有的衍射峰強度I(200)通過X-射線衍射分析測量，它們的比值[I(111)/I(200)]計算得到。
(cBN燒結材料的殘余壓縮應力)作用于cBN粒子與硬膜上的殘余應力使用類似于例VII的方法確定。在硬膜由多層組成的情況下，測量最厚一層的殘余應力。
(切削測試)與例I類似對cBN燒結材料進行連續(xù)的切削測試與間斷切削測試，只不過將間斷切削測試中碎裂前經受的沖擊次數的極限值設置為60000以取代40000。
表10

1)標有*的樣品在本發(fā)明范圍外。
2)含量比例cBN粒子、碳化物、氮化物在金相顯微鏡下觀察而得。碳氮化物的含量從XRD峰計算而得。
3)燒結材料中X-射線衍射峰強度比例IcBNcBN平面(111)處衍射峰，IN氮化物平面(200)處衍射峰，IC碳化物平面(200)處衍射峰，IIL中間相平面(101)處衍射峰，ICN碳氮化物平面(200)處衍射峰。
表11

1)標有*的樣品在本發(fā)明范圍外。
2)圓括號()內數字表示硬膜的厚度(單位μm)3)方括號[]內數字表示XRD中平面(111)處峰強度與平面(200)處峰強度比值[I(111)/I(200)]。
4)具有負號“-”的數值表示拉伸殘余應力。
表9-11結果表明其燒結材料中只含碳化物(TiC)的樣品No.IX-6以及9在cBN粒子間具有弱的結合作用，于是在耐碎裂能力方面不足。其燒結材料中只含氮化物(TiN)的樣品No.IX-7具有不充分的耐磨損性能以及短的使用壽命。碳氮化物(TiCN)用作粘結相的樣品No.IX-8在耐磨損和耐碎裂方面都不足。沒有提供硬膜的樣品No.IX-9在耐磨損和耐碎裂方面都不足。
在本發(fā)明范圍內的樣品No.IX-1至5，都具有足夠的耐磨損能力，在連續(xù)切削難于切削的滲碳硬化的鋼時，磨損量不超過0.20mm，而且在間斷切削測試中在碎裂前能耐受35000次或更多次沖擊。尤其是樣品No.IX-1，在經歷50000次沖擊后沒有表現出碎裂，于是表現出優(yōu)異的耐碎裂能力，在延長的時間段內表現出穩(wěn)定的切削效果。
芯構件的生壓坯通過把混合了50％體積的cBN、35％體積的TiN以及15％體積的Al而且加入一種有機粘合劑而制備的一種粉體材料擠壓成型制備而成。殼構件的生壓坯通過把混合了65％體積的cBN、25％體積的TiC以及10％體積的Al而且加入一種有機粘合劑而制備的一種材料擠壓成型制備而成。
如上面所述制備的芯構件的生壓坯與殼構件的生壓坯用來制備具有與例II類似多絲結構的復合生壓坯，然后煅燒制成復合cBN燒結材料。
cBN燒結材料樣品使用有線放電切削方法切削成預定尺寸(如JISCNGA120408中所規(guī)定的形狀)，每個被焊接于燒結的碳化物基底的支座上。被焊接的cBN燒結材料使用陰極電弧離子電鍍技術在其表面鍍上一層2.0μm的(Ti0.5，Al0.5)N膜，于是制成由表面涂膜的cBN燒結材料制備的一種切削工具(樣品No.X-1)。
這樣獲得的切削工具的結構在金相顯微鏡下進行觀察。表現為黑色的cBN粒子、表現為褐色的TiC以及表現為白色的TiN輪廓分明。通過圖像分析測量每種組分的30粒顆粒的面積并取平均。被這些組分占據的面積的比例通過比較這些平均值而計算得到，結果是cBN為50％、TiC為10％、TiN為25％以及TiCN為2％。
通過X-射線衍射分析(XRD)如上所述切削工具的硬膜，與例IX類似，測量在平面(111)處特有的衍射峰強度I(111)與平面(200)處特有的衍射峰強度I(200)，它們的比值[I(111)/I(200)]確定為1.8。
樣品接受類似于例IX中的切削測試。這些樣品在切削20分鐘后其磨損量小至0.15mm，在間斷切削測試中接受了60000次沖擊后沒有表現出碎裂，于是表現出優(yōu)異的切削性能。
同表9中所示的樣品No.IX-1一樣的cBN燒結材料使用類似于例IX的方法制備。cBN燒結材料使用有線放電方法切削成預定形狀，焊接到銑刀的由燒結碳化物制備而成的拋棄型刀刃的支座上，于是制成一個與例IX類似的切削工具，只不過使用等離子體CVD工藝形成了一個厚度為0.2μm的類鉆石碳膜(樣品No.XI-1)。
制備同表9中所示的樣品No.IX-8一樣的cBN燒結材料。cBN燒結材料使用有線放電方法切削成預定形狀，焊接到銑刀的由燒結碳化物制備而成的拋棄型刀刃的支座上，于是制成一個與例IX類似的切削工具，只不過使用等離子體CVD工藝形成了一個厚度為0.2μm的類鉆石碳膜(樣品No.XI-2)。
按照以上方法制備的切削工具在以下所述條件下接受切削性能測試。
切削模式銑削工件Ti-16Al-4V合金切削速度500m/min.
橫進給1.0mm進刀速度0.3mm/刀測量當切削長度達到1m后在電子掃描顯微鏡下觀察切緣狀況。
在切削測試中，樣品No.XI-2受損，在切緣上表現出碎裂和膜的脫落，但是樣品No.XI-1的切緣保持完好，沒有表現出碎裂和膜的脫落。
權利要求
1.一種立方氮化硼燒結材料，由被粘結相粘結的立方氮化硼粒子組成，其中所述粘結相含有在其中同時存在的選自元素周期表中第4、5、6族金屬中的至少一種金屬元素的碳化物與選自元素周期表中第4、5、6族金屬中的至少一種金屬元素的氮化物。
2.一種立方氮化硼燒結材料，具有這樣的單絲纖維狀結構殼構件覆蓋著纖維狀芯構件的周圍表面，其中所述殼構件由立方氮化硼燒結材料制成，該立方氮化硼燒結材料由被氮化物粘結相粘結的立方氮化硼粒子組成，所述氮化物粘結相由選自元素周期表中第4、5、6族金屬中的至少一種金屬元素的氮化物制成；所述纖維狀芯構件由立方氮化硼燒結材料制成，該立方氮化硼燒結材料由被碳化物粘結相粘結的立方氮化硼粒子組成，所述碳化物粘結相由選自元素周期表中第4、5、6族金屬中的至少一種金屬元素的碳化物制成。
3.一種立方氮化硼燒結材料，具有這樣的單絲纖維狀結構殼構件覆蓋著纖維狀芯構件的周圍表面，其中所述殼構件由立方氮化硼燒結材料制成，該立方氮化硼燒結材料由被碳化物粘結相粘結的立方氮化硼粒子組成，所述碳化物粘結相由選自元素周期表中第4、5、6族金屬中的至少一種金屬元素的碳化物制成；所述芯構件由立方氮化硼燒結材料制成，該立方氮化硼燒結材料由被氮化物粘結相粘結的立方氮化硼粒子組成，所述氮化物粘結相由選自元素周期表中第4、5、6族金屬中的至少一種金屬元素的氮化物制成。
4.根據權利要求2或3的立方氮化硼燒結材料，其具有由多個所述的單絲纖維狀結構捆在一起而構成的多絲纖維狀結構。
5.根據權利要求1至3中任一項的立方氮化硼燒結材料，其中構成所述碳化物的金屬元素與構成所述氮化物的金屬元素為同種金屬元素。
6.根據權利要求5的立方氮化硼燒結材料，其中所述金屬元素為鈦。
7.根據權利要求1至3中任一項的立方氮化硼燒結材料，其中碳化物在整個立方氮化硼燒結材料中的含量比例pC與氮化物的含量比例pN的比值pC/pN在0.2～3.0范圍內。
8.根據權利要求1至3中任一項的立方氮化硼燒結材料，其中在所述的立方氮化硼粒子周圍上提供這樣的中間相其含有不同于所述粘結相的組分的化合物，所述化合物為選自元素周期表中第4、5、6族金屬、鐵族金屬、和鋁中的至少一種金屬元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物、硼碳化物、硼氮化物以及氧化物。
9.根據權利要求8的立方氮化硼燒結材料，其中所述的立方氮化硼粒子相對整個立方氮化硼燒結材料的面積含量比例pcBN在45％～80％范圍內，所述碳化物的面積含量比例pC在2％～45％范圍內，所述氮化物的面積含量比例pN在3％～50％范圍內，所述中間相的面積含量比例pm在0％～25％范圍內，
10.根據權利要求1至3中任一項的立方氮化硼燒結材料，其中作為所述碳化物與所述氮化物的固溶體的碳氮化物相對整個立方氮化硼材料的重量含量比例是5％或者更少。
11.根據權利要求1至3中任一項的立方氮化硼燒結材料，其中在X-射線衍射分析中，同時存在由所述的氮化物特有的峰，和由所述的碳化物特有的峰。
12.根據權利要求11的立方氮化硼燒結材料，其中在所述的X-射線衍射分析中，所述碳化物在平面(200)處的衍射峰強度IC與所述氮化物在平面(200)處的衍射峰強度IN的比值IC/IN在0.2～～1.2范圍內。
13.根據權利要求11的立方氮化硼燒結材料，其中在所述的X-射線衍射分析中，所述氮化物的衍射峰強度IN與所述立方氮化硼粒子在平面(111)處的衍射峰強度IcBN的比值IN/IcBN在0.3～1范圍內。
14.根據權利要求11的立方氮化硼燒結材料，其中在所述的X-射線衍射分析中，所述碳化物的衍射峰強度IC與所述立方氮化硼粒子在平面(111)處的衍射峰強度IcBN的比值IC/IcBN在0.1～0.9范圍內。
15.根據權利要求11的立方氮化硼燒結材料，其中在所述X-射線衍射分析中，作為所述碳化物與所述氮化物的固溶體的碳氮化物在平面(200)處的衍射峰強度ICN、以及峰強度IC和IN滿足這樣的關系式ICN＜0.3IC以及ICN＜0.3IN。
16.根據權利要求11的立方氮化硼燒結材料，其中在所述的X-射線衍射分析中，所述中間相在平面(101)的衍射峰強度IIL與所述立方氮化硼粒子在平面(111)處的衍射峰強度IcBN的比值IIL/IcBN在0.1～0.8范圍內。
17.根據權利要求1至3中任一項的立方氮化硼燒結材料，其中由與所述氮化物的單個顆粒的面積相應的等價圓計算得到的平均粒徑dN與由與位于立方氮化硼粒子之間的所述碳化物的單個顆粒的面積相應的等價圓計算得到的平均粒徑dC的比值dN/dC在0.4～1.2之間，所述面積通過觀察立方氮化硼燒結材料的橫截面而得。
18.根據權利要求17的立方氮化硼燒結材料，其中由與單個立方氮化硼粒子的面積相應的等價圓計算得到的平均粒徑dcBN是5μm或者更小，所述碳化物的平均粒徑在1～3μm范圍內，所述氮化物的平均粒徑dN在0.5～2μm范圍內，上述平均粒徑是通過觀察所述立方氮化硼燒結材料的橫截面而確定的。
19.根據權利要求1至3中任一項的立方氮化硼燒結材料，其中所述立方氮化硼粒子上保持的殘余壓縮應力σcBN為300MPa或者更大。
20.根據權利要求19的立方氮化硼燒結材料，其中殘余壓縮應力σb保持在所述粘結相中，而且殘余壓縮應力σcBN與殘余壓縮應力σb的比值(σcBN/σb)在2～5范圍內。
21.根據權利要求20的立方氮化硼燒結材料，其中所述粘結相中保持的殘余壓縮應力σb為60～300MPa。
22.根據權利要求19的立方氮化硼燒結材料，其中在所述粘結相中作用于所述碳化物上的殘余壓縮應力σC與作用于所述氮化物上的殘余壓縮應力σN的比值σC/σN在1.5～5范圍內。
23.根據權利要求22的立方氮化硼燒結材料，其中作用于所述氮化物上的殘余壓縮應力σN在30～200MPa范圍內，作用于所述碳化物上的殘余壓縮應力σC在100～700MPa范圍內。
24.根據權利要求1至3中任一項的立方氮化硼燒結材料，其中所述立方氮化硼材料表面涂有至少一層硬膜，所述硬膜由至少一種下列物質構成選自元素周期表中第4、5、6族金屬中的至少一種金屬元素的、Al的和Si的碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和碳氮化物以及它們的固溶體，硬碳和氮化硼。
25.根據權利要求24的立方氮化硼燒結材料，其中所述硬膜使用物理氣相沉積(PVD)方法形成。
26.根據權利要求24的立方氮化硼燒結材料，其中所述硬膜的總厚度為0.1-15μm。
27.根據權利要求24的立方氮化硼燒結材料，其中所述硬膜中保持的殘余壓縮應力在0.1～30GPa范圍內。
28.根據權利要求24的立方氮化硼燒結材料，其中以涂有所述硬膜狀態(tài)存在的立方氮化硼燒結材料的殘余壓縮壓力是200MPa或更高。
29.根據權利要求24的立方氮化硼燒結材料，其中所述硬膜中至少一層由下述通式(1)表示的化合物形成[化學分子式3][Tia，M1-a][BxCyNzO1-(x+y+z)] ...(1)其中M表示選自元素周期表中第4、5、6族元素中除Ti外的至少一種金屬元素，Al和Si，0＜a≤1，0≤x≤1，0≤y≤1以及0≤z≤1。
30.根據權利要求29的立方氮化硼燒結材料，其中所述硬膜中至少一層由下述通式(2)表示的化合物形成[化學分子式4][Tia，M1-a][BxCyNzO1-(x+y+z)] ...(2)其中M表示選自元素周期表中第4、5、6族元素中除Ti外的至少一種金屬元素，Al和Si，0.3≤a≤0.7，0≤x≤0.5，0≤y≤0.5，0.5≤z≤1以及x+y+z≤1。
31.根據權利要求24的立方氮化硼燒結材料，其中所述硬膜中至少一層的X-射線衍射分析中測量的在平面(111)處的衍射峰強度I(111)與在平面(200)處的衍射峰強度I(200)的比值I(111)/I(200)是0.7或者更高。
32.由根據權利要求1至3中任一項中的立方氮化硼燒結材料制成的切削工具，其通過將刀刃壓緊在要切削的工件上而用在切削操作中，其中刀刃沿著脊線形成，而在脊線處，其側面和前傾面相會。
33.根據權利要求32的切削工具，包含刀體和銅焊于所述刀體的支座上的刀尖，其中所述刀尖由所述立方氮化硼燒結材料制成。
34.制造根據權利要求32的切削工具的方法，所述切削工具通過將刀刃壓緊在要切削的工件上而用在切削操作中，其中刀刃沿著脊線形成，而在脊線處，其所述側面和所述前傾面相會。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種立方氮化硼燒結材料以及用其制備的切削工具，其耐磨損性能的下降被抑制，且具有優(yōu)異的耐碎裂性能。立方氮化硼燒結材料由被粘結相粘結的立方氮化硼粒子組成，粘結相含有選自元素周期表中第4、5、6族金屬中的至少一種金屬元素的碳化物和同時存在的選自元素周期表中第4、5、6族金屬中的至少一種金屬元素的氮化物組成?？梢砸种屏Ｗ拥拿撀湟约巴瑫r抑制粘結相的磨損和脫落，于是制成了具有高的耐磨損性能以及尤其優(yōu)異的耐碎裂性能的燒結材料。
文檔編號C04B35/622GK101031525SQ200580033358
公開日2007年9月5日 申請日期2005年10月26日 優(yōu)先權日2004年10月28日
發(fā)明者野田謙二, 柴田大輔 申請人:京瓷株式會社