專利名稱：立方氮化硼燒結(jié)體和立方氮化硼燒結(jié)體工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有優(yōu)異的耐磨性和耐斷裂性的立方氮化硼燒結(jié)體(cBN燒結(jié)體)，以及使用該cBN燒結(jié)體的燒結(jié)體工具。更特別的是，本發(fā)明涉及這樣的立方氮化硼燒結(jié)體，其具有優(yōu)異的耐磨性和耐斷裂性，并且充當(dāng)離心鑄鐵的切削工具。
背景技術(shù)：
近年來，為了減輕發(fā)動機(jī)的重量，用于形成汽缸體的材料有從鑄鐵向鋁轉(zhuǎn)換的趨勢，并且由離心鑄造工藝制造的鑄鐵被越來越多地用作汽缸體 的汽缸套。與使用砂模制造的普通鑄鐵相比，離心鑄鐵的可加工性較差，并且存在用于切削離心鑄鐵的工具的壽命明顯較短的問題。由于離心鑄鐵具有在常規(guī)的砂模鑄鐵中也能夠觀察到的細(xì)密的A型結(jié)構(gòu)，因此其與工件間的熱反應(yīng)會使切削工具的磨損顯著增加，從而導(dǎo)致離心鑄鐵的可加工性顯著降低。已知的是，為了對這種具有難加工性質(zhì)的離心鑄鐵進(jìn)行加工，將其中添加有Al2O3的cBN燒結(jié)體有效地用作了切削工具，其中Al2O3具有優(yōu)異的抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性。但是，添加有Al2O3的cBN燒結(jié)體的韌性和可燒結(jié)性低。為了克服此問題，專利文獻(xiàn)I和2分別公開了這樣的cBN燒結(jié)體，該cBN燒結(jié)體的耐斷裂性通過向Al2O3中添加ZrO2而得到改善。例如，專利文獻(xiàn)I公開了包含Al203、TiC或TiCN、以及ZrO2的cBN燒結(jié)體，其中該cBN燒結(jié)體是由這樣的起始材料制得的，該起始材料包含50體積％以上至80體積％以下的cBN成分；I體積％以上至20體積％以下的TiC、或者O. 5體積％以上至15體積％以下的TiCN ；以及15體積%以上至50體積%以下的Al2O3和ZrO2, ZrO2Al2O3的重量比為O. I以上且4以下。當(dāng)將ZrO2Al2O3的重量比轉(zhuǎn)化為體積比時，則為O. 065 ( ZrO2Al2O3 ( 2. 62。此外，專利文獻(xiàn)2公開了一種燒結(jié)體的材料，其組成包括40體積％至70體積％的cBN粉末顆粒；15體積％至45體積％的氮化鈦，其作為結(jié)合相的主要成分；以及15體積％至35體積％的由Al203、Zr02、AlN和SiC的針狀晶體構(gòu)成的混合粉末顆粒，該混合粉末顆粒作為結(jié)合相的副成分，其中結(jié)合相的副成分由50體積％至65體積％的A1203、I體積％至5體積％的Zr02、20體積％至40體積％的AlN以及5體積％至15體積％的SiC針狀晶體組成。在離心鑄造工藝中，有利的是，通過將熔融的鑄鐵澆注到旋轉(zhuǎn)的圓柱形模具中，能夠制造薄的襯套。但是，由于襯套與模具接觸的部分以及襯套位于內(nèi)徑表面的部分被快速冷卻，因此鑄鐵結(jié)構(gòu)被微細(xì)化，產(chǎn)生樹枝狀結(jié)構(gòu)和玫瑰狀結(jié)構(gòu)等異常結(jié)構(gòu)。這些樹枝狀結(jié)構(gòu)和玫瑰狀結(jié)構(gòu)等異常結(jié)構(gòu)的可加工性非常差。在最近由離心鑄鐵制作的襯套中，為了縮短缸內(nèi)徑之間的距離而降低了厚度，并且除了作為常規(guī)離心鑄鐵的待切削區(qū)域的細(xì)密的A型結(jié)構(gòu)區(qū)域以外，還有必要切削玫瑰狀結(jié)構(gòu)和樹枝狀結(jié)構(gòu)所存在的區(qū)域，而玫瑰狀結(jié)構(gòu)和樹枝狀結(jié)構(gòu)的存在區(qū)域并不是常規(guī)離心鑄鐵的待切削區(qū)域。當(dāng)對玫瑰狀結(jié)構(gòu)和樹枝狀結(jié)構(gòu)的存在區(qū)域進(jìn)行切削時，具有這樣的問題與常規(guī)的離心鑄鐵相比，需要在嚴(yán)格的熱條件下進(jìn)行加工，于是可加工性顯著降低。
當(dāng)使用任一上述專利文獻(xiàn)中所記載的燒結(jié)體對這種離心鑄鐵進(jìn)行加工時，由于含有大量的、與Al2O3相比熱傳導(dǎo)率極低的ZrO2，因此，燒結(jié)體的熱傳導(dǎo)率降低，加工時與工件間的反應(yīng)進(jìn)展明顯，從而導(dǎo)致耐磨性顯著降低。引用列表專利文獻(xiàn) 專利文獻(xiàn)I :國際公開No. 2008/087940專利文獻(xiàn)2 :日本專利No. 297120
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題 本發(fā)明的目的是提供一種cBN燒結(jié)體，并提供一種cBN燒結(jié)體工具，該cBN燒結(jié)體即使在加工具有難加工性質(zhì)、且除了細(xì)密的A型結(jié)構(gòu)之外還具有玫瑰狀結(jié)構(gòu)和樹枝狀結(jié)構(gòu)的離心鑄鐵時也具有優(yōu)異的耐磨性和耐斷裂性。解決問題的手段本發(fā)明人經(jīng)過深入研究后發(fā)現(xiàn)，通過在cBN燒結(jié)體中添加Al203、Zr02、以及選自由Zr的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和硼氮化物及其固溶體所構(gòu)成的組中的至少一種以作為結(jié)合劑，ZrO2的X射線衍射強(qiáng)度會發(fā)生變化。此外發(fā)現(xiàn)了 l0SM2(lOl)/IaA12()3(llO)的比值與切削性能和可燒結(jié)性有關(guān)。此外還發(fā)現(xiàn)，通過將cBN燒結(jié)體中的ZrO2與Al2O3的體積比以及l(fā)0SM2(lOl)/IaA12()3(llO)的比值設(shè)定在指定范圍內(nèi)，可以使耐磨性和耐斷裂性均得到顯著提高。由此完成了本發(fā)明。S卩，本發(fā)明如下所述。(I) 一種cBN燒結(jié)體,包含占所述燒結(jié)體整體的20體積％以上且65體積％以下的cBN ;作為結(jié)合劑的Al2O3以及選自由Zr的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和硼氮化物及其固溶體所構(gòu)成的組中的至少一種(以下稱為“X”)，其中Al2O3占所述燒結(jié)體整體的34體積％以上且小于80體積％ ；以及ZrO2，其中相對于所述燒結(jié)體整體，X和ZrO2的總量為I. O體積％以上且6. O體積％以下，ZrO2與Al2O3的體積比ZrO2Al2O3為大于或等于O. 010且小于O. 100 ^cBN燒結(jié)體的特征在于Imi&Q2(101)/IaA12Q3(110)的比值為大于或等于O. I且小于或等于3，其中，在所述cBN燒結(jié)體的X射線衍射峰中，I(101)為正方晶ZrO2的(101)面的強(qiáng)度，IaA12Q3(110)為CiAl2O3的(110)面的強(qiáng)度。(2)根據(jù)上述(I)所述的cBN燒結(jié)體，特征在于含有ZrC作為所述X。(3)根據(jù)上述(I)或(2)所述的cBN燒結(jié)體，特征在于所述I正方SZrQ2(101)/IaAi2O3(HO)的比值為大于或等于O. 2且小于或等于O. 5。 (4) 一種cBN燒結(jié)體工具，特征在于至少在其刃口部包括根據(jù)上述(I)至(3)中任意一項所述的cBN燒結(jié)體。本發(fā)明的有益效果根據(jù)本發(fā)明，可以獲得具有優(yōu)異的耐磨性和耐斷裂性的cBN燒結(jié)體，其可用作用于加工諸如離心鑄鐵等難加工工件的切削工具，所述離心鑄鐵除了具有細(xì)密的A型結(jié)構(gòu)之夕卜，還具有玫瑰狀結(jié)構(gòu)和樹枝狀結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式本發(fā)明的cBN燒結(jié)體包含占所述燒結(jié)體整體的20體積％以上且65體積％以下的cBN ;作為結(jié)合劑的Al2O3以及選自由Zr的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和硼氮化物及其固溶體所構(gòu)成的組中的至少一種(以下稱為“X”)，其中Al2O3占所述燒結(jié)體整體的34體積％以上且小于80體積％ ;以及ZrO2，其中X和ZrO2的總量為I. O體積％以上且6. O體積%以下，ZrO2與Al2O3的體積比ZrO2Al2O3為大于或等于O. 010且小于O. 100。該cBN燒結(jié)體的特征在于I正方szr02 (101)/Iqa1203 (110)的比值為大于或等于O. I且小于或等于3，其中，在所述cBN燒結(jié)體的X射線衍射峰中，I Zr02 (101)為正方晶ZrO2的(101)面的強(qiáng)度，IaAi203 (HO)為a Al2O3的(110湎的強(qiáng)度。在此情況下，燒結(jié)體中的cBN含量占所述燒結(jié)體整體的20體積％以上且65體積％以下，優(yōu)選為40體積％以上且50體積％以下。當(dāng)cBN成分的含量低于20體積％時，其強(qiáng)度不足以切削難加工的離心鑄鐵，并且耐斷裂性降低，從而會導(dǎo)致刃口斷裂。另一方面，當(dāng)cBN含量超過65體積％時，由于Al2O3含量相對降低，因此耐熱性降低。由此，切削時所產(chǎn)生的熱易于導(dǎo)致反應(yīng)的發(fā)生，并且磨損也易于增加。
此外，在本發(fā)明中，各成分相對于燒結(jié)體整體的組成與所使用的起始材料相同，各成分組成并未發(fā)生改變，其中各成分相對于燒結(jié)體整體的組成可以按照(例如)下述方式進(jìn)行測量。關(guān)于各成分的組成，首先，對cBN燒結(jié)體進(jìn)行鏡面拋光，以10，000倍的放大倍率，拍攝給定區(qū)域中的結(jié)構(gòu)作為掃描電子顯微鏡的背散射電子像。在拍攝的相片中，觀察到與組成相對應(yīng)的3個層次的明暗對比。同時在同一視野中，利用能量色散型X射線分析儀(EDX)進(jìn)行的分析表明，觀察區(qū)域中最暗的部分對應(yīng)于cBN顆粒，中間色調(diào)部分對應(yīng)于Al2O3顆粒，最亮部分對應(yīng)于Zr的化合物(氧化物、碳化物、氮化物、硼化物和硼氮化物)。通過對背散射電子像進(jìn)行圖像分析，確定各成分的體積含量。此外，通過化學(xué)分析對Zr化合物的組成進(jìn)行測定，所述化學(xué)分析為(例如)等離子體發(fā)射光譜分析(ICP)或氣體分析?，F(xiàn)在對結(jié)合劑進(jìn)行說明。本發(fā)明的cBN燒結(jié)體所含的Al2O3的含量占所述燒結(jié)體整體的34體積％以上且小于80體積％，優(yōu)選為50體積％以上且60體積％以下。當(dāng)Al2O3含量低于34體積％時，耐磨性降低。當(dāng)Al2O3含量為80體積％以上時，耐斷裂性降低。通過摻入Al2O3,可利用Al2O3的抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性等性質(zhì)，從而防止因鑄鐵和刃口成分之間的反應(yīng)而導(dǎo)致的磨損增加。然而，在含有大量Al2O3的體系中，cBN的表面易于形成氣孔，從而導(dǎo)致可燒結(jié)性和耐斷裂性降低。此外，Al2O3具有高耐熱性，但是缺乏韌性。因此，僅摻入Al2O3會導(dǎo)致刃口易于發(fā)生崩裂。通過摻入選自由Zr的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和硼氮化物及其固溶體所構(gòu)成的組中的至少一種(以下稱為“X”)以及ZrO2，可以同時顯著提高耐斷裂性和耐磨性，其中X易于與cBN反應(yīng)并顯著提高結(jié)合劑中的熱傳導(dǎo)率，ZrO2可有效提高Al2O3的韌性。在cBN燒結(jié)體中，選自由Zr的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和硼氮化物及其固溶體所構(gòu)成的組中的至少一種(以下稱為“X”)和ZrO2的總含量占燒結(jié)體整體的I. O體積％以上且6. O體積％以下，并且ZrO2與Al2O3的體積比ZrO2Al2O3為大于或等于O. 010且小于O. 100。
通過摻入總含量為I. O體積％以上且6. O體積％以下的X和ZrO2,提高了耐斷裂性。X和ZrO2的總含量更加優(yōu)選為大于2. 5體積％且小于或等于4. O體積％，此時耐斷裂性得以進(jìn)一步提聞。此外，通過將ZrO2與Al2O3的體積比ZrO2Al2O3設(shè)置為大于或等于O. 010以上且小于O. 100，可以提高耐磨性和耐斷裂性。當(dāng)ZrO2Al2O3的比值小于O. 010時，無法通過ZrO2獲得改善Al2O3的韌性的效果，從而導(dǎo)致耐斷裂性下降。當(dāng)ZrO2Al2O3的比值大于或等于O. 100時，耐磨性降低。ZrO2與Al2O3的體積比ZrO2Al2O3更加優(yōu)選為大于或等于O. 02且小于 O. 06。此外，當(dāng)I@s&Q2(101)/IaA12Q3(110)的比值為大于或等于O. I且小于或等于3時，可燒結(jié)性提高，并可獲得致密的燒結(jié)體，其中在通過X射線衍射儀(Cu用于X射線管)所測得的cBN燒結(jié)體的X射線衍射峰中，I^szr02(IOl)為正方晶ZrO2的(101)面的強(qiáng)度，IaA12<B(110)為CiAl2O3的(110)面的強(qiáng)度。因此，燒結(jié)體具有優(yōu)異的耐斷裂性和耐磨性，并且燒結(jié)體的產(chǎn)量也顯著增加，從而有助于降低成本。當(dāng)l0Szrt2(lOl)/IaA12(B(llO)的比值 小于O. I時，不能獲得提高可燒結(jié)性的效果。當(dāng)lE^&Q2a01)/IaA12Q3(110)的比值超過3時，耐磨性降低。l0S&Q2(lOl)/IaA12Q3(llO)的比值更加優(yōu)選為O. 2以上且O. 5以下。尤其是，通過摻入ZrC作為X，可選擇性地提高正方晶ZrO2 (101)的峰強(qiáng)度。即使當(dāng)ZrC含量較低從而使Al2O3含量相對增加時，I^Szro2(101)/IaAi2o3(110)的比值也可為O. 2以上且O. 5以下，從而使可燒結(jié)性、耐斷裂性和產(chǎn)率均得以提高。優(yōu)選的是，CBN燒結(jié)體中的ZrC含量為O. I體積％以上且3. O體積％以下。本發(fā)明的燒結(jié)體可通過對燒結(jié)體的初始材料進(jìn)行燒結(jié)而獲得。例如，首先，預(yù)先將A1203、ZrO2和X粉碎并混合，以制得結(jié)合劑。然后，將cBN顆粒與結(jié)合劑均勻混合，并將所得到的混合粉末在超高壓條件(5. 5GPa至7GPa，I, 300°C至1，800°C)下進(jìn)行燒結(jié)。從而能夠制得本發(fā)明的cBN燒結(jié)體。用作結(jié)合劑的Al2O3的體積平均粒徑優(yōu)選為Iym以下,更加優(yōu)選為50nm至500nm。另外，用作結(jié)合劑的X和ZrO2的體積平均粒徑均優(yōu)選為Iym以下，更加優(yōu)選為IOnm至IOOnm0作為本發(fā)明的cBN燒結(jié)體工具，可以列舉的有至少在由硬質(zhì)合金制成的基材的刃口部包括cBN燒結(jié)體的cBN燒結(jié)體工具，或者僅由cBN燒結(jié)體構(gòu)成的cBN燒結(jié)體工具。這些cBN燒結(jié)體工具可以通過已知的方法制造。此外，cBN燒結(jié)體的表面上可具有硬質(zhì)陶瓷覆層。實施例下面將基于實施例對本發(fā)明的實施方案的實例進(jìn)行說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，以下實施例僅是示例性的，并不對并發(fā)明進(jìn)行限定。[實施例I]使用了體積平均粒徑為I μ m以下的Al2O3,體積平均粒徑為O. 5 μ m以下的ZrO2,以及體積平均粒徑為I μ m以下的Zr化合物，其組成如表中所示。預(yù)先使用直徑為O. 6mm的ZrO2球介質(zhì)，在流速為O. 61/分鐘的乙醇溶劑中對化合物進(jìn)行混合和粉碎150分鐘。然后除去介質(zhì)，從而制得特殊的結(jié)合劑，其中Zr化合物的超細(xì)顆粒均勻分散于Al2O3中?；旌喜⒎鬯楹蟮腁l2O3的體積平均粒徑為250nm，X和ZrO2的體積平均粒徑為50nm。
利用直徑為3mm的ZrO2球介質(zhì)，通過球磨混合法將組成如表中所示的cBN顆粒(體積平均粒徑2ym)與結(jié)合劑均勻混合，并將由此獲得的混合粉末堆疊在由硬質(zhì)合金制成的支持板上，并填充到由Mo制成的膠囊中。然后，使用超高壓裝置，在6. 5GPa的壓力和1，700°C的溫度條件下燒結(jié)30分鐘，從而制得燒結(jié)體。利用X射線衍射測量對化合物進(jìn)行
鑒定，計算I 正方晶Zr02
(101)/1
αΑ1203
(110)的比值。[實施例2至10和對比例I至5]按照與實施例I相同的方式制造cBN燒結(jié)體，不同之處在于，燒結(jié)體初始材料的組成和化合物如表中所示發(fā)生了改變。[評價]將所得燒結(jié)體加工為符合ISO標(biāo)準(zhǔn)SNGN090312的切削刀片，并進(jìn)行連續(xù)切削測試(內(nèi)徑)。
在下列條件下對內(nèi)徑為85mm的離心鑄鐵襯套進(jìn)行車削切削速度為700m/分鐘，切削深度為O. 3_，進(jìn)給量為O. 05mm/轉(zhuǎn)，并采用濕法切削[冷卻劑乳液(由Japan FluidSystem株式會社制造,商品名為System Cut 96),稀釋20倍]。對切削達(dá)Ikm后的后刀面磨損量以及切削達(dá)2km后的刀口狀態(tài)(是否存在后刀面磨損和崩裂)進(jìn)行檢查。其結(jié)果如表中所示。在實施例的全部cBN燒結(jié)體中，均獲得了正常的拋光面。相反，在不含X的對比例I和2中，觀察到非常小的燒結(jié)體脫落，這是由燒結(jié)不充分而造成的。當(dāng)將實施例I至4進(jìn)行比較時，在其中cBN含量在40體積％至50體積％的范圍內(nèi)的實施例3中，其磨損量最小，得到了好的結(jié)果。在實施例I至10中，X+Zr02的值在I. O體積％至6. O體積％的范圍內(nèi)，與X+Zr02的值為10. O體積％的對比例3相比，實施例I至10的磨損量明顯較小，獲得了好的結(jié)果。另外，在實施例3中，X+Zr02的值在2. 5體積%至4. O體積%的范圍內(nèi)，ZrO2Al2O3的比值在O. 02至O. 06的范圍內(nèi)，I ^szr02 (101) /Iqa1203 (110)的比值在O. 2至O. 5的范圍內(nèi)，其磨損量最小，未發(fā)生斷裂和崩裂，得到了最佳結(jié)果。在對比例4中，ZrO2Al2O3的比值為O. 125，并且I正方晶&。2 (101)/I αΑ12(Β (110)的比值為5. 8，與實施例I至10相比，對比例4的磨損量明顯較大，這是因為ZrO2的耐磨性明顯低于Al2O3，據(jù)推斷在切削達(dá)到2km時，由于磨損量較大，使得切削力增加，從而導(dǎo)致斷裂。在對比例5中，l0SM)2(lOl)/IaA12()3(llO)的比值為O. 05，據(jù)推斷其耐磨性和耐斷裂性因燒結(jié)不充分而降低。[表 I]
權(quán)利要求
1.一種CBN燒結(jié)體，包含 占所述燒結(jié)體整體的20體積％以上且65體積％以下的cBN ； 作為結(jié)合劑的Al2O3以及選自由Zr的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和硼氮化物及其固溶體所構(gòu)成的組中的至少一種(以下稱為“X”)，其中Al2O3占所述燒結(jié)體整體的34體積％以上且小于80體積％ ；以及ZrO2, 其中相對于所述燒結(jié)體整體，X和ZrO2的總量為I. O體積％以上且6. O體積％以下，ZrO2與Al2O3的體積比ZrO2Al2O3為大于或等于O. 010且小于O. 100 ;并且其中Iα01)/ΙαΑ12(Β(110)的比值為大于或等于O. I且小于或等于3，其中，在所述cBN燒結(jié)體的X射線衍射峰中，I正方晶ZrQ2(101)為正方晶ZrO2的(101)面的強(qiáng)度，I αΑ1203 (110)為a Al2O3的(110)面的強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的cBN燒結(jié)體，其中所述cBN燒結(jié)體含有ZrC作為所述X。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的cBN燒結(jié)體，其中所述I正方晶Zr02(101)/Iqa1203 (110)的比值為大于或等于O. 2且小于或等于O. 5。
4.一種cBN燒結(jié)體工具，至少在其刃口部包括根據(jù)權(quán)利要求I至3中任意一項所述的cBN燒結(jié)體。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種cBN燒結(jié)體，并提供一種cBN燒結(jié)體工具，該cBN燒結(jié)體即使在加工具有難以加工的性質(zhì)的離心鑄鐵時也具有優(yōu)異的耐磨性和耐斷裂性。本發(fā)明的cBN燒結(jié)體包含20體積%以上且65體積%以下的cBN；作為結(jié)合劑的Al2O3以及選自由Zr的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和硼氮化物及其固溶體所構(gòu)成的組中的至少一種(以下稱為“X”)，其中Al2O3為34體積%以上且小于80體積%；以及ZrO2，X和ZrO2的總量為1.0體積%以上且6.0體積%以下，ZrO2與Al2O3的體積比ZrO2/Al2O3為大于或等于0.010且小于0.100，其中I正方晶ZrO2(101)/IαAl2O3(110)的比值為大于或等于0.1且小于或等于3，其中，在所述cBN燒結(jié)體的X射線衍射峰中，I正方晶ZrO2(101)為正方晶ZrO2的(101)面的強(qiáng)度，IαAl2O3(110)為αAl2O3的(110)面的強(qiáng)度。
文檔編號C04B35/583GK102821898SQ20118001712
公開日2012年12月12日 申請日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者岡村克己, 阿部真知子, 久木野曉 申請人:住友電工硬質(zhì)合金株式會社