本發(fā)明涉及燒結(jié)體和包含該燒結(jié)體的切削工具。
背景技術(shù)：
通常，包含立方氮化硼(以下也稱為“cBN”)以及Al2O3、Zr化合物等的燒結(jié)體被用于諸如切削工具之類的工具中(國際公開No.2008/087940(專利文獻(xiàn)1)、國際公開No.2012/029440(專利文獻(xiàn)2)和日本專利特開No.2013-039668(專利文獻(xiàn)3))。
此外，ZrO2-Al2O3類固溶體陶瓷被用于各種陶瓷部件中(國際公開No.2012/153645(專利文獻(xiàn)4)和日本專利特開No.2014-189474(專利文獻(xiàn)5))。
引用列表
專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)1：國際公開No.2008/087940
專利文獻(xiàn)2：國際公開No.2012/029440
專利文獻(xiàn)3：日本專利特開No.2013-039668
專利文獻(xiàn)4：國際公開No.2012/153645
專利文獻(xiàn)5：日本專利特開No.2014-189474
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
技術(shù)問題
已知的是，當(dāng)使用包含cBN以及Al2O3、Zr化合物等的燒結(jié)體作為切削工具時(shí)，該燒結(jié)體在離心鑄鐵的高速切削過程中具有優(yōu)異的耐磨性。然而，Al2O3是低韌性材料，因此，當(dāng)將該燒結(jié)體用于高速長距離切削時(shí)，燒結(jié)體可能會崩裂。因此，人們試圖改進(jìn)耐崩裂性。
鑒于上述情況而做出本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的在于提供一種在高速切削中具有增強(qiáng)的耐崩裂性和優(yōu)異的耐磨性的燒結(jié)體。
解決問題的方案
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燒結(jié)體為包含第一材料和立方氮化硼的燒結(jié)體。該第一材料為部分穩(wěn)定的ZrO2，其包含5體積％至90體積％的分散在部分穩(wěn)定的ZrO2的晶粒邊界或晶粒中的Al2O3。
發(fā)明的有益效果
根據(jù)上述內(nèi)容，獲得了在高速切削中具有增強(qiáng)的耐崩裂性和優(yōu)異的耐磨性的燒結(jié)體。
具體實(shí)施方式
[本發(fā)明實(shí)施方案的描述]
首先，將列出并描述本發(fā)明的實(shí)施方案
[1]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燒結(jié)體為包含第一材料和立方氮化硼的燒結(jié)體，該第一材料為部分穩(wěn)定的ZrO2，其包含5體積％至90體積％的分散在部分穩(wěn)定的ZrO2的晶粒邊界或晶粒中的Al2O3。該燒結(jié)體在高速切削中具有增強(qiáng)的耐崩裂性和優(yōu)異的耐磨性。
[2]所述第一材料可以為部分穩(wěn)定的ZrO2，其包含5體積％至50體積％的分散在部分穩(wěn)定的ZrO2的晶粒邊界或晶粒中的Al2O3。其結(jié)果是，尤其實(shí)現(xiàn)了高速切削時(shí)的耐崩裂性的增強(qiáng)。
[3]所述第一材料可以為部分穩(wěn)定的ZrO2，其包含大于50體積％且不超過70體積％(超過50體積％且等于小于70體積％)的分散在部分穩(wěn)定的ZrO2的晶粒邊界或晶粒中的Al2O3。其結(jié)果是，尤其實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的耐磨性。
[4]所述第一材料可以為部分穩(wěn)定的ZrO2，其包含大于70體積％且不超過90體積％(超過70體積％且等于小于90體積％)的分散在部分穩(wěn)定的ZrO2的晶粒邊界或晶粒中的Al2O3。其結(jié)果是，尤其實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的耐磨性。
[5]所述Al2O3優(yōu)選為粒徑不大于1μm的顆粒。其結(jié)果是，提高了部分穩(wěn)定的ZrO2的韌性。
[6]所述Al2O3更優(yōu)選為粒徑不大于0.5μm的顆粒。其結(jié)果是，進(jìn)一步提高了部分穩(wěn)定的ZrO2的韌性。
[7]所述Al2O3更優(yōu)選為粒徑不大于0.1μm的顆粒。其結(jié)果是，進(jìn)一步提高了部分穩(wěn)定的ZrO2的韌性。
[8]所述燒結(jié)體優(yōu)選包含20體積％至80體積％的第一材料。其結(jié)果是，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)體的更高水平的耐磨性和耐崩裂性。
[9]該燒結(jié)體進(jìn)一步包含第三相，其中該第三相優(yōu)選為選自由氧化鋁、氧化鎂、氧化鈰、氧化釔、氧化鉿和ZrO構(gòu)成的組中的至少一者。其結(jié)果是，提高了燒結(jié)性并進(jìn)一步提高了燒結(jié)體的強(qiáng)度。
[10]該燒結(jié)體進(jìn)一步包含第四相，其中所述第四相優(yōu)選為由選自由在日本使用的元素周期表中的第4族元素、第5族元素和第6族元素、Al和Si構(gòu)成的組中的至少一種元素、以及選自由碳、氮和硼構(gòu)成的組中的至少一種元素所形成的至少一種化合物。其結(jié)果是，類似地，提高了燒結(jié)性并進(jìn)一步提高了燒結(jié)體的強(qiáng)度。
[11]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案還涉及包含上述任意一種類型的上述燒結(jié)體的切削工具。由于該切削工具包含上述燒結(jié)體，所以該切削工具在高速切削中具有增強(qiáng)的耐崩裂性和優(yōu)異的耐磨性。
[本發(fā)明實(shí)施方案的細(xì)節(jié)]
下面將對本發(fā)明的實(shí)施方案(以下也稱為“本實(shí)施方案”)進(jìn)行更詳細(xì)地描述。
<燒結(jié)體>
通常，已知當(dāng)將包含cBN以及Al2O3、Zr化合物等的燒結(jié)體用作切削工具時(shí)，該燒結(jié)體在離心鑄鐵的高速切削中具有優(yōu)異的耐磨性。然而，Al2O3是低韌性材料，因此，當(dāng)將該燒結(jié)體用于高速長距離切削時(shí)，燒結(jié)體可能會崩裂，這是一個(gè)需要解決的問題。
然而，本發(fā)明人的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)由cBN和作為高韌性材料的部分穩(wěn)定的ZrO2構(gòu)成的燒結(jié)體包含以特定形式存在的微細(xì)Al2O3時(shí)，令人意外的是，燒結(jié)體的耐崩裂性極大提高。這可能是因?yàn)槲⒓?xì)析出的Al2O3使得部分穩(wěn)定的ZrO2的結(jié)構(gòu)變得強(qiáng)韌，并且這協(xié)同作用于cBN的原始特性，從而極大地提高了耐崩裂性。這樣的燒結(jié)體也具有優(yōu)異的耐磨性。
基于上述發(fā)現(xiàn)獲得的本實(shí)施方案的燒結(jié)體為包含第一材料和立方氮化硼的燒結(jié)體，并且該第一材料為部分穩(wěn)定化的ZrO2，其包含5體積％至90體積％(不小于5體積％至不大于90體積％，當(dāng)在本申請中用“至”表示數(shù)值范圍時(shí)，該范圍旨在包括上限值和下限值)的分散在部分穩(wěn)定的ZrO2的晶粒邊界或晶粒中的Al2O3。
燒結(jié)體可以包含另一任意組分，只要上述燒結(jié)體包含第一材料和立方氮化硼即可。另一任意組分的實(shí)例可以包括但不限于下述的第三相、第四相等。此外，燒結(jié)體可以包含不可避免的雜質(zhì)，只要燒結(jié)體表現(xiàn)出所期望的效果即可。當(dāng)然，燒結(jié)體可以為僅包含第一材料和立方氮化硼的燒結(jié)體。
下面將對形成上述燒結(jié)體的組分進(jìn)行描述。
<第一材料>
該第一材料為部分穩(wěn)定的ZrO2，其包含5體積％至90體積％的分散在部分穩(wěn)定的ZrO2的晶粒邊界或晶粒中的Al2O3。換言之，該第一材料是復(fù)合氧化物，該復(fù)合氧化物包含5體積％至90體積％的分散在部分穩(wěn)定的ZrO2的晶粒邊界或晶粒中的Al2O3。
此處，部分穩(wěn)定的ZrO2具有常規(guī)已知的含義，并且通常是指這樣的ZrO2，其中除氧化鋯以外的氧化物進(jìn)入固溶體中，從而減少了結(jié)構(gòu)中的氧空穴且該結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定，因此即使在室溫下，立方晶體和四方晶體也變得穩(wěn)定或亞穩(wěn)。上述氧化物的實(shí)例可以包括氧化鈣、氧化鎂和稀土氧化物(例如，氧化釔)?？梢园ㄉ鲜鲅趸镏械囊环N類或兩種以上。相對于ZrO2，進(jìn)入固溶體中的除氧化鋯以外的氧化物的量為約1摩爾％至4摩爾％。
相對于全部第一材料，上述部分穩(wěn)定的ZrO2包含5體積％至90體積％的Al2O3?，F(xiàn)在關(guān)注Al2O3的含量。相對于全部第一材料，當(dāng)Al2O3的含量為5體積％至50體積％時(shí)，獲得了高硬度、高強(qiáng)度和高韌性，這使得能夠?qū)﹄y切削鋼材進(jìn)行高速切削。在這種情況下，更優(yōu)選的含量為15體積％至30體積％。當(dāng)Al2O3的含量小于5體積％時(shí)，不能獲得上述性能。
另一方面，當(dāng)Al2O3的含量大于50體積％且不大于90體積％時(shí)，與上述含量的情況相比，在提高耐磨性的同時(shí)，極大地降低了韌性。即，當(dāng)Al2O3的含量在該范圍內(nèi)時(shí)，在難切削鋼材的高速切削中，獲得了等于或大于單獨(dú)使用Al2O3時(shí)的耐崩裂性，并且獲得了等于或大于在使用包含5體積％至50體積％的Al2O3的第一材料的情況下的耐磨性。與當(dāng)含量大于70體積％且不大于90體積％時(shí)的情況相比，當(dāng)含量大于50體積％且不大于70體積％時(shí)，更適當(dāng)?shù)靥岣吡四湍バ?。?dāng)Al2O3的含量超過90體積％時(shí)，不能獲得超過單獨(dú)使用Al2O3時(shí)的性能。
這種Al2O3以分散在部分穩(wěn)定的ZrO2的晶粒邊界或晶粒中的方式存在。即，“以分散的方式存在”是指微細(xì)晶粒Al2O3存在于晶粒邊界或晶粒中。因此，Al2O3優(yōu)選為不大于1μm的顆粒(晶粒)，更優(yōu)選為不大于0.5μm的顆粒，進(jìn)一步優(yōu)選為不大于0.1μm的顆粒。隨著粒徑變小，韌性趨于變高，因此對粒徑的下限沒有特別限制。然而，當(dāng)粒徑變得太小時(shí)，物質(zhì)本身的韌性降低。因此，粒徑優(yōu)選為不小于0.005μm。
這種Al2O3的粒徑具有根據(jù)燒結(jié)條件而變化的特性。此外，即使在相同的燒結(jié)條件下，在僅燒結(jié)第一材料的情況、以及混合并燒結(jié)第一材料和立方氮化硼的情況中，Al2O3的粒徑在發(fā)生改變。即，將僅燒結(jié)第一材料的情況中的Al2O3的粒徑與混合并燒結(jié)第一材料和立方氮化硼的情況中的Al2O3的粒徑進(jìn)行比較，即使當(dāng)施加相同的燒結(jié)條件(例如，溫度和壓力)時(shí)，后者的粒徑(即，包含立方氮化硼的燒結(jié)體中的Al2O3的粒徑)是微細(xì)粒徑(結(jié)晶粒徑)，該粒徑為前者粒徑(即，在僅燒結(jié)第一材料的情況下的Al2O3的粒徑)的約十分之一。
因此，Al2O3的粒徑(結(jié)晶粒徑)不大于0.1μm的現(xiàn)象是當(dāng)將第一材料和立方氮化硼混合并燒結(jié)時(shí)出現(xiàn)的獨(dú)特現(xiàn)象。當(dāng)不包含立方氮化硼時(shí)，Al2O3的粒徑從不會為0.1μm以下(通常超過0.2μm)。
如上所述，Al2O3微細(xì)地分散在第一材料中，因此顯著提高了韌性。這被認(rèn)為是由于通過Al2O3使結(jié)構(gòu)的韌性得到增強(qiáng)所導(dǎo)致的。此外，Al2O3可以存在于晶粒界面或晶粒中、或者同時(shí)存在于晶粒界面和晶粒中。即，這意味著存在Al2O3的位置并不限于部分穩(wěn)定的ZrO2的特定位置。
按照以下方式可以確定Al2O3的粒徑、含量(體積％)和存在位置。具體而言，使用離子束對燒結(jié)體進(jìn)行CP(截面拋光機(jī))加工，從而形成平滑的截面。然后，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察該截面，從而確定存在Al2O3的位置。另外，使用圖像分析軟件并通過二值化處理來計(jì)算當(dāng)量圓直徑和Al2O3的面積，并將該當(dāng)量圓直徑定義為粒徑以及將該面積定義為含量。
本實(shí)施方案的第一材料的原料可以通過(例如)下述的中和共沉淀法或溶膠-凝膠法來獲得。
(中和共沉淀法)
中和共沉淀法是包括以下步驟A和步驟B的方法。例如，在2013年發(fā)表的文章(J.Jpn.Soc.Powder Power Metallurgy，第60卷，第10期，第428-435頁)中描述了該方法。
步驟A：混合鋯鹽、釔鹽和鋁鹽的步驟，使得氧化鋯(ZrO2)與氧化釔(Y2O3)之間的摩爾比為98.2:1.8至98.8:1.2，并且添加有氧化釔的氧化鋯與氧化鋁(Al2O3)之間的摩爾比為10:90至95:5，從而制備混合溶液。在上述描述中，作為示例，描述了氧化釔(Y2O3)作為進(jìn)入氧化鋯(ZrO2)中的固溶體中的氧化物。然而，該氧化物并不限于此。
步驟B：向上述步驟A中獲得的混合溶液中添加堿來進(jìn)行中和，并使鋯、釔和鋁共沉淀，從而獲得沉淀物，并干燥沉淀物，然后在650℃至750℃下進(jìn)行7小時(shí)至12小時(shí)的熱處理、并進(jìn)一步在850℃至950℃下進(jìn)行煅燒0.5小時(shí)至3小時(shí)，從而制備Y2O3穩(wěn)定的ZrO2-Al2O3固溶體粉末的步驟。
上述步驟A中的鋯鹽的實(shí)例包括氯氧化鋯(ZrOCl2)、硝酸氧鋯(ZrO(NO3)2)等。釔鹽的實(shí)例包括氯化釔(YCl3)，硝酸釔(Y(NO3)3)等。鋁鹽的實(shí)例包括氯化鋁(AlCl3)等。用于制備混合溶液的溶劑的實(shí)例包括硝酸、鹽酸等。
(溶膠-凝膠法)
溶膠-凝膠法是包括以下步驟X的方法。例如，在2011年發(fā)表的文章(J.Jpn.Soc.Powder Power Metallurgy，第58卷，第12期，第727-732頁)中描述了該方法。
步驟X：使用溶膠-凝膠法制備非晶固溶體粉末，該粉末由5摩爾％至90摩爾％的Al2O3和添加有0.3摩爾％至1.7摩爾％的Y2O3的ZrO2(99.7摩爾％至98.3摩爾％的ZrO2-0.3摩爾％至1.7摩爾％的Y2O3)組成，以及在等于或高于結(jié)晶溫度的溫度下煅燒所得的非晶固溶體粉末，從而制備結(jié)晶ZrO2固溶體粉末。
(其他方法)
可以通過除上述兩種方法之外的其他方法獲得本實(shí)施方案的第一材料。具體而言，使用諸如珠磨機(jī)或球磨機(jī)之類的粉碎機(jī)將部分穩(wěn)定的ZrO2和Al2O3在諸如乙醇之類的溶劑中混合，由此得到漿料。接著，使用該漿料進(jìn)行造粒，從而可以得到第一材料。對造粒方法沒有特別的限制，造粒方法的實(shí)例可以包括熔融造粒、噴霧造粒等。
可以通過以下方法提高如此獲得的造粒材料(第一材料)的強(qiáng)度：
(1)在熱處理爐中對造粒材料進(jìn)行燒結(jié)(例如，1000℃下在真空中燒結(jié)3小時(shí))；或
(2)在造粒材料的前體階段向上述漿料中添加10質(zhì)量％的粘結(jié)劑(例如，PVB(聚乙烯醇縮丁醛)，其為典型粘結(jié)劑)。
如上所述，可以通過各種方法獲得第一材料，并且對用于制造第一材料的方法沒有特別限制。
上述第一材料優(yōu)選以20體積％至80體積％的比例包含在燒結(jié)體中。當(dāng)該比例小于20體積％時(shí)，可能降低耐磨性和耐崩裂性。當(dāng)該比例超過80體積％時(shí)，可能降低硬度，由此可能會降低耐磨性。第一材料的比例更優(yōu)選為30體積％至60體積％。
另外，上述第一材料的平均粒徑優(yōu)選為0.01μm至1μm。當(dāng)平均粒徑小于0.01μm時(shí)，在與其他粉末混合期間可能會發(fā)生絮凝，因此傾向于發(fā)生不良燒結(jié)。當(dāng)平均粒徑超過1μm時(shí)，由于燒結(jié)期間的晶粒生長，強(qiáng)度傾向于降低。平均粒徑更優(yōu)選為0.1μm至0.5μm。
按照以下方式可以獲得上述第一材料的平均粒徑。具體而言，使用離子束對燒結(jié)體進(jìn)行CP(截面拋光機(jī))加工，從而形成平滑的截面。然后，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察該截面。使用圖像分析軟件并通過二值化處理，計(jì)算第一材料的當(dāng)量圓直徑，并且可以將該當(dāng)量圓直徑定義為平均粒徑。
除第一材料外，形成本實(shí)施方案的燒結(jié)體中的其他組分的組成和含量比例可以通過用掃描電子顯微鏡(SEM)測量經(jīng)CP加工的表面而獲得反射電子圖像、EDX(能量色散X射線分析)或俄歇電子能譜分析來確定。
<立方氮化硼>
本實(shí)施方案的燒結(jié)體中含有的立方氮化硼的平均粒徑優(yōu)選為0.1μm至5μm。當(dāng)平均粒徑小于0.1μm時(shí)，在與其他粉末混合期間可能發(fā)生絮凝，因此傾向于發(fā)生不良燒結(jié)。當(dāng)平均粒徑超過5μm時(shí)，由于燒結(jié)期間的晶粒生長，強(qiáng)度傾向于降低。
從不具有應(yīng)力集中和實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的觀點(diǎn)出發(fā)，上述立方氮化硼的粒徑優(yōu)選是均勻的。因此，此處的平均粒徑優(yōu)選呈現(xiàn)正態(tài)分布。當(dāng)包含具有大粒徑的顆粒和具有小粒徑的顆粒時(shí)，應(yīng)力集中在這些顆粒上并且強(qiáng)度降低。因此，優(yōu)選的是，平均粒徑呈現(xiàn)正態(tài)分布且是均勻的。
上述立方氮化硼優(yōu)選以20體積％至80體積％的比例包含在燒結(jié)體中。當(dāng)比例小于20體積％時(shí)，可能降低硬度，因此可能會降低耐磨性。當(dāng)比例超過80體積％時(shí)，可能會降低耐磨性和耐崩裂性。立方氮化硼的比例更優(yōu)選為40體積％至60體積％。
按照以下方式可以獲得立方氮化硼的平均粒徑。具體而言，使用離子束對燒結(jié)體進(jìn)行CP(截面拋光機(jī))加工，從而形成平滑的截面。然后，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察該截面。使用圖像分析軟件并通過二值化處理計(jì)算立方氮化硼的當(dāng)量圓直徑，并且可以將該當(dāng)量圓直徑定義為平均粒徑。
另外，通過用掃描電子顯微鏡(SEM)測量經(jīng)CP加工的表面而獲得反射電子圖像上，使用圖像分析軟件進(jìn)行二值化處理，從而通過測量面積來獲得立方氮化硼的含量比例。
<第三相>
除了上述第一材料和立方氮化硼之外，本實(shí)施方案的燒結(jié)體還可以包括第三相。第三相優(yōu)選為選自由氧化鋁、氧化鎂、氧化鈰、氧化釔、氧化鉿和ZrO構(gòu)成的組中的至少一者。當(dāng)燒結(jié)體包含上述第三相時(shí)，提高了燒結(jié)性并進(jìn)一步提高了燒結(jié)體的強(qiáng)度。
上述第三相的平均粒徑優(yōu)選為0.05μm至5μm。當(dāng)平均粒徑小于0.05μm時(shí)，在與其他粉末混合期間可能會發(fā)生絮凝，因此傾向于發(fā)生不良燒結(jié)。當(dāng)平均粒徑超過5μm時(shí)，由于燒結(jié)期間的晶粒生長，強(qiáng)度傾向于降低。
此外，上述第三相優(yōu)選以5體積％至50體積％的比例包含在燒結(jié)體中。當(dāng)比例小于5體積％時(shí)，在一些情況下不能充分地提高燒結(jié)體的強(qiáng)度。當(dāng)比例超過50體積％時(shí)，可能會降低高硬度cBN的比例，由此可能會降低燒結(jié)體的硬度。第三相的比例更優(yōu)選為10體積％至30體積％。
按照以下方式可以獲得上述第三相的平均粒徑。具體而言，使用離子束對燒結(jié)體進(jìn)行CP(截面拋光機(jī))加工，從而形成平滑的截面。然后，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察該截面。使用圖像分析軟件并通過二值化處理，計(jì)算第三相的當(dāng)量圓直徑，并且可以將該當(dāng)量圓直徑定義為平均粒徑。
另外，使用通過用掃描電子顯微鏡(SEM)測量經(jīng)CP加工的表面而獲得的反射電子圖像、或使用俄歇電子能譜的元素分析來確定第三相的區(qū)域，并使用圖像分析軟件進(jìn)行二值化處理來測量面積，從而獲得第三相的含量比例。
<第四相>
除了上述第一材料和立方氮化硼之外，本實(shí)施方案的燒結(jié)體還可以包含第四相。第四相可以與上述第三相一起包含在燒結(jié)體中。
上述第四相優(yōu)選為由選自由在日本使用的元素周期表中的第4族元素(Ti、Zr、Hf等)、第5族元素(V、Nb、Ta等)和第6族元素(Cr、Mo、W等)、Al和Si構(gòu)成的組中的至少一種元素、以及選自由碳、氮和硼構(gòu)成的組中的至少一種元素所形成的至少一種化合物。當(dāng)燒結(jié)體包括上述第四相時(shí)，提高了燒結(jié)性并且進(jìn)一步提高了燒結(jié)體的強(qiáng)度。
上述化合物的具體實(shí)例包括(例如)TiC、TiN、TiB2、TiCrN、ZrC、ZrN、ZrB2、AlCrN、AlN、AlB2、SiC、Si3N4、HfC、HfN、VC、VN、NbC、TaC、CrC、CrN、Cr2N、MoC、WC等。第四相可以僅由這些化合物中的一種形成，或者由這些化合物中的兩種或更多種組合形成。
上述第四相的平均粒徑優(yōu)選為0.05μm至5μm。當(dāng)平均粒徑小于0.05μm時(shí)，在與其他粉末混合期間可能發(fā)生絮凝，因此傾向于發(fā)生不良燒結(jié)。當(dāng)平均粒徑超過5μm時(shí)，由于燒結(jié)期間的晶粒生長，強(qiáng)度傾向于降低。
此外，上述第四相優(yōu)選以5體積％至50體積％的比例包含在燒結(jié)體中。當(dāng)比例小于5體積％時(shí)，在一些情況下不能充分地提高燒結(jié)體的強(qiáng)度。當(dāng)比例超過50體積％時(shí)，可能會降低高硬度cBN的比例并且可能會降低燒結(jié)體的硬度。第四相的比例更優(yōu)選為10體積％至30體積％。
如下可以獲得第四相的平均粒徑。具體而言，使用離子束對燒結(jié)體進(jìn)行CP(截面拋光機(jī))加工，從而形成平滑的截面。然后，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察該截面。使用圖像分析軟件并通過二值化處理，計(jì)算第四相的當(dāng)量圓直徑，并且可以將該當(dāng)量圓直徑定義為平均粒徑。
另外，使用通過用掃描電子顯微鏡(SEM)測量經(jīng)CP加工的表面而獲得的反射電子圖像、或使用俄歇電子能譜的元素分析來確定第四相的區(qū)域，并使用圖像分析軟件進(jìn)行二值化處理來測量面積，從而獲得第四相的含量比例。
<制造方法>
可以通過常規(guī)已知的制造方法來制造本實(shí)施方案的燒結(jié)體，并且對制造方法沒有特別限制。
例如，使用珠磨機(jī)、球磨機(jī)等將作為原料的第一材料、cBN和其他組分(諸如(例如)第三相顆粒和第四相顆粒)混合。然后，將混合物在1300℃至1700℃的溫度、10MPa至7GPa的壓力下燒結(jié)10分鐘至60分鐘，由此得到燒結(jié)體。特別地，該混合物優(yōu)選在4GPa至7GPa的壓力下進(jìn)行燒結(jié)。對燒結(jié)方法沒有特別的限制。然而，可以使用放電等離子體燒結(jié)(SPS)、熱壓、超高壓壓制等。
<切削工具>
由于本實(shí)施方案的燒結(jié)體顯示出如上所述的性能(例如，優(yōu)異的耐崩裂性和耐磨性)，因此本實(shí)施方案的燒結(jié)體適合用于切削工具等。即，本實(shí)施方案的切削工具包括上述燒結(jié)體。
上述切削工具的例子可以包括鉆頭、端銑刀、鉆頭用切削刃替換型切削刀片、端銑刀用切削刃替換型切削刀片、銑削用切削刃替換型切削刀片、車削用切削刃替換型切削刀片、金工鋸、齒輪切削刀具、鉸刀、絲錐、切削工具等。
可以由本實(shí)施方案的燒結(jié)體形成全部上述切削工具，或可以由本實(shí)施方案的燒結(jié)體僅形成上述切削工具的一部分(例如，切削刃部)。此外，可以在上述切削工具的表面上形成覆膜。
實(shí)施例
下面將參考實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地描述。然而，本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。
<實(shí)施例1>
準(zhǔn)備了60體積％的cBN和40體積％的第一材料作為原料。cBN的平均粒徑為2μm。通過如下所述的中和共沉淀法來制造第一材料。第一材料是部分穩(wěn)定的ZrO2，其中相對于全部第一材料，30體積％的Al2O3處于固溶狀態(tài)，并且第一材料的粒徑為0.01μm。
(第一材料(前體)的制造)
如上所述，基于2013年發(fā)表的文章(J.Jpn.Soc.Powder Power Metallurgy，第60卷，第10期，第428-435頁)，可以通過以下方法來制造第一材料。
具體而言，首先，將氯氧化鋯(ZrOCl2·8H2O)、氯化鋁(AlCl3)和氯化釔(YCl3)加入水中，由此制備混合水溶液，使得ZrO2和Y2O3之間的摩爾比滿足“ZrO2:Y2O3＝98.5:1.5”并且其中添加有Y2O3的ZrO2與Al2O3的摩爾比滿足“(其中添加有Y2O3的ZrO2):Al2O3＝75:25”。
接著，向該混合水溶液中加入氨水溶液，通過同時(shí)中和而使Zr、Y和Al共沉淀。過濾所得沉淀物并用水洗滌，然后干燥。由此制備無定形水合氧化鋯(75摩爾％(98.5摩爾％ZrO2-1.5摩爾％Y2O3)-25摩爾％Al2O3)的固溶體粉末。
接著，將上述得到的固溶體粉末在空氣中在700℃下進(jìn)行9小時(shí)煅燒(熱處理)，并進(jìn)一步在900℃下煅燒1小時(shí)，由此得到結(jié)晶ZrO2粉末(其中Al2O3和Y2O3處于固溶狀態(tài))，其為第一材料(前體)。該第一材料(前體)為部分穩(wěn)定的ZrO2，其中相對于全部第一材料，30體積％的Al2O3處于固溶狀態(tài)。
隨后，使用球磨機(jī)將cBN和如上制備的第一材料(前體)混合，從而得到混合物。
接著，將上述混合物分成五等份，并在7GPa的壓力和表1所示的燒結(jié)溫度下保持15分鐘。由此獲得五種類型的燒結(jié)體，即，燒結(jié)體No.1至燒結(jié)體No.5。
對如此得到的各燒結(jié)體No.1至燒結(jié)體No.5進(jìn)行上述的CP加工，使用SEM，在不小于10000且不大于150000的放大倍率下觀察其截面，由此確認(rèn)第一材料中的Al2O3的存在位置。此外，使用圖像分析軟件(商標(biāo)：“WinROOF ver.6.5.3”，由Mitani Corporation制造)進(jìn)行二值化處理，計(jì)算Al2O3的當(dāng)量圓直徑(粒徑)和含量。其結(jié)果是，可以確認(rèn)粒徑如下表1所示，并且其含量幾乎等于原料的含量(30體積％，并且存在的位置在晶粒邊界或晶粒中)。同時(shí)，確認(rèn)cBN的平均粒徑和第一材料的平均粒徑。然后，可以確認(rèn)cBN的平均粒徑等于原料的平均粒徑，而第一材料中的Al2O3的粒徑根據(jù)燒結(jié)溫度不同而發(fā)生變化。
此外，關(guān)于燒結(jié)體No.1至燒結(jié)體No.5，使用通過用掃描電子顯微鏡(SEM)測量經(jīng)CP加工的表面而獲得的反射電子圖像、或使用俄歇電子能譜的元素分析，從而確認(rèn)cBN和第一材料的區(qū)域，并使用上述圖像分析軟件進(jìn)行二值化處理來測量面積。接著，還可以確認(rèn)各燒結(jié)體包含第一材料和cBN，并且第一材料和cBN之比等于原料比。如上所述，第一材料為部分穩(wěn)定的ZrO2，其包含30體積％的分散在部分穩(wěn)定的ZrO2的晶粒邊界或晶粒中的Al2O3。
接著，使用各燒結(jié)體No.1至燒結(jié)體No.5，制造具有CNMA120408形狀、負(fù)刃帶角度(negative land angle)為15°且負(fù)刀帶寬度(negative land width)為0.12mm的切削工具，并且在以下的切削條件下進(jìn)行高速切削的切削試驗(yàn)。
(切削條件)
切削速度：900m/分鐘
進(jìn)給速度：0.2mm
切削深度：0.3mm
濕式/干式：濕式(冷卻液：乳液)
設(shè)備：LB4000(由Okuma Corporation制造)
工件：離心鑄鐵(具有致密珠光體、枝晶結(jié)構(gòu)等的FC250(灰口鑄鐵))
工件的形狀：圓柱形(外徑φ：95mm)
(切削試驗(yàn))
測量切削10.0km后的后刀面磨損量(μm)，并觀察切削12.0km后的磨損形態(tài)和崩裂狀況。結(jié)果示于表1中。
作為比較例，制造了燒結(jié)體No.6，并進(jìn)行了與上述相同的切削試驗(yàn)。結(jié)果也示于表1中。
如下所述制造了燒結(jié)體No.6。具體而言，準(zhǔn)備了60體積％的cBN粉末(與上述相同)、34體積％的ZrO2粉末(平均粒徑為0.05μm)和6體積％的Al2O3粉末(平均粒徑為2μm)。ZrO2粉末和Al2O3粉末為第一材料的替代物，并且ZrO2粉末不包含Al2O3(為了方便起見，在表1中，在第一材料的平均粒徑的部分中示出了Al2O3粉末的平均粒徑)。
然后，與上述類似地混合這些粉末，且與上述類似地對該混合物進(jìn)行燒結(jié)，不同之處在于：燒結(jié)溫度為1400℃。由此得到了燒結(jié)體No.6。
[表1]
從表1可以明顯證實(shí)，與比較例的燒結(jié)體No.6相比，實(shí)施例的燒結(jié)體No.1至No.5在切削10.0km后的后刀面磨損量較小，因此耐磨損性更優(yōu)異，并且在切削12.0km后的磨損形態(tài)也更優(yōu)異，因此耐崩裂性更優(yōu)異。
當(dāng)對燒結(jié)體No.1至No.5進(jìn)行比較時(shí)，可以確認(rèn)，隨著燒結(jié)溫度變低，Al2O3的平均粒徑變小，并且耐磨性和耐崩裂性都變得更加優(yōu)異。
<參考實(shí)驗(yàn)>
按照與上述方式類似的方式獲得了四種類型的燒結(jié)體，即，燒結(jié)體No.7至燒結(jié)體No.10，不同之處在于：僅使用在上述中制備的第一材料(前體)并將燒結(jié)溫度設(shè)定為表1所示的溫度。然后，與上述類似地進(jìn)行了切削試驗(yàn)。
上表1中示出了通過與上述類似的方式測量的Al2O3的粒徑的結(jié)果和關(guān)于燒結(jié)體No.7至燒結(jié)體No.10的切削試驗(yàn)的結(jié)果。
從表1可以明顯看出，隨著燒結(jié)溫度降低，Al2O3的粒徑趨于減小。然而，燒結(jié)體No.7至燒結(jié)體No.10中的Al2O3的粒徑為燒結(jié)體No.1至燒結(jié)體No.5(即，通過將第一材料和cBN進(jìn)行混合并燒結(jié)而獲得的燒結(jié)體)中的Al2O3的粒徑的大約5至10倍。此外，燒結(jié)體No.7至燒結(jié)體No.10在切削12.0km后出現(xiàn)了崩裂。
基于上述結(jié)果，可以確認(rèn)，當(dāng)將第一材料和cBN進(jìn)行混合并燒結(jié)時(shí)，產(chǎn)生具有極小粒徑的Al2O3并且增加了韌性。
<實(shí)施例2>
通過與實(shí)施例1中的燒結(jié)體No.3(即，燒結(jié)溫度為1500℃)類似的方式制造了七種類型的燒結(jié)體(燒結(jié)體No.3a、No.3b、No.3c、No.3d、No.3e、No.3f和No.3g)，不同之處在于：如下表2所示，改變了燒結(jié)體中的第一材料的含量。
然后，使用這七種類型的燒結(jié)體，進(jìn)行與實(shí)施例1相同的切削試驗(yàn)。結(jié)果示于下表2中。
關(guān)于這七種類型的燒結(jié)體，根據(jù)與實(shí)施例1相同的方法，確認(rèn)第一材料中的Al2O3的存在位置，并計(jì)算了Al2O3的當(dāng)量圓直徑(粒徑)和含量。然后，可以確認(rèn)，這七種類型的燒結(jié)體與實(shí)施例1中的燒結(jié)體No.3相似。此外，根據(jù)與實(shí)施例1相同的方法，可以確認(rèn)各燒結(jié)體的組成(第一材料的含量)如表2所示。
[表2]
從表2可以看出，所有的燒結(jié)體均顯示出優(yōu)異的耐磨性和耐崩裂性。
<實(shí)施例3>
按照與實(shí)施例1中的燒結(jié)體No.3類似的方式制造了七種類型的燒結(jié)體(燒結(jié)體No.3t、No.3u、No.3v、No.3w、No.3x、No.3y和No.3z)，不同之處在于：如下表3所示，改變了第一材料中的Al2O3的含量。
在上述燒結(jié)體之中，將燒結(jié)體No.3t構(gòu)造為使得第一材料僅由Al2O3構(gòu)成(即，僅由Al2O3構(gòu)成，其中Al2O3的含量為100體積％)，并且將由Taimei Chemicals Co.,Ltd.制造的TM-DAR用作該Al2O3。例外，按照與實(shí)施例1中的第一材料類似的方式制備了包含在其他燒結(jié)體中的第一材料，不同之處在于：雖然使用了與實(shí)施例1相同的鋯鹽、鋁鹽和釔鹽，但是制備了具有以下摩爾比的混合水溶液，其中氧化鋯(ZrO2)和氧化釔(Y2O3)之間的摩爾比為“ZrO2:Y2O3＝98.2:1.8至98.8:1.2”，并且其中添加有氧化釔的氧化鋯與氧化鋁(Al2O3)的摩爾比((其中添加有Y2O3的ZrO2):Al2O3)分別為10:90(No.3u)、30:70(No.3v)、50:50(No.3w)、55:45(No.3x)、75:25(No.3)、85:15(No.3y)和95:5(No.3z)。
然后，使用這七種類型的燒結(jié)體，進(jìn)行與實(shí)施例1相同的切削試驗(yàn)。結(jié)果示于下表3中。
關(guān)于這七種類型的燒結(jié)體，根據(jù)與實(shí)施例1相同的方法，確認(rèn)第一材料中的Al2O3的存在位置，并計(jì)算了Al2O3的當(dāng)量圓直徑(粒徑)和含量。然后，可以確認(rèn)，除了Al2O3的含量之外，這七種類型的燒結(jié)體與實(shí)施例1中的燒結(jié)體No.3相似。此外，根據(jù)與實(shí)施例1相同的方法，確認(rèn)各燒結(jié)體的組成。然后，可以確認(rèn)，除了Al2O3的含量之外，這七種類型的燒結(jié)體與實(shí)施例1中的燒結(jié)體No.3相似。
在通過上述中和共沉淀法進(jìn)行制備的過程中，對第一材料中的Al2O3的含量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[表3]
從表3可以清楚地看出，除燒結(jié)體No.3t之外的燒結(jié)體顯示出優(yōu)異的耐磨性和耐崩裂性。特別地，燒結(jié)體No.3、No.3x、No.3y和No.3z(其中第一材料中的Al2O3的含量為5體積％至50體積％)顯示出優(yōu)異的耐崩裂性，并且燒結(jié)體No.3u、No.3v和No.3w(其中第一材料中的Al2O3的含量為大于50體積％且不大于90體積％)顯示出優(yōu)異的耐磨性。
<實(shí)施例4>
按照與實(shí)施例1中的燒結(jié)體No.3類似的方式制造了24種類型的燒結(jié)體(燒結(jié)體No.301至No.324)，不同之處在于：用23體積％的第一材料和17體積％的表4中示出的第三相和/或第四相來代替燒結(jié)體中的第一材料(含量：40體積％)。
然后，使用這24種類型的燒結(jié)體，進(jìn)行與實(shí)施例1相同的切削試驗(yàn)。結(jié)果示于下表4中。
關(guān)于這24種類型的燒結(jié)體，根據(jù)與實(shí)施例1相同的方法，確認(rèn)第一材料中的Al2O3的存在位置，并計(jì)算了Al2O3的當(dāng)量圓直徑(粒徑)和含量。然后，可以確認(rèn)，這24種類型的燒結(jié)體與實(shí)施例1中的燒結(jié)體No.3相似。
此外，使用通過用掃描電子顯微鏡(SEM)測量經(jīng)CP加工的表面而獲得的反射電子圖像、或使用俄歇電子能譜的元素分析來確認(rèn)cBN、第一材料、第三相和第四相的區(qū)域，并使用上述圖像分析軟件進(jìn)行二值化處理來測量面積。接著，可以確認(rèn)，cBN、第一材料、第三相和第四相的組成和含量與上述相同并且為表4中示出的那些組成和含量。
從表4可以看出，所有燒結(jié)體均顯示出優(yōu)異的耐磨性和耐崩裂性。
<實(shí)施例5>
按照與實(shí)施例1中的燒結(jié)體No.3類似的方式制造了六種類型的燒結(jié)體，不同之處在于：分別用下述的第一材料(1)至第一材料(6)來代替燒結(jié)體中的第一材料(含量：40體積％)。
[第一材料(1)]
使用球磨機(jī)將部分穩(wěn)定的ZrO2粉末(商標(biāo)：“TZ-3Y”，由Tosoh Corporation制造，平均粒徑：45nm)和Al2O3粉末(商標(biāo)：“TM-DAR”，由Taimei Chemicals Co.,Ltd.制造，平均粒徑：0.1μm)在溶劑(乙醇)中混合，由此得到混合漿料。將這些粉末混合，使得燒結(jié)體中ZrO2的含量比例為34體積％以及燒結(jié)體中的Al2O3的含量比例為6體積％(第一材料中Al2O3的比例為15體積％)。
然后，利用噴霧干燥器(商品名：“FR125”，由PRECI Co.,Ltd.制造)對上述得到的混合漿料進(jìn)行造粒(噴霧造粒)，由此得到造粒粉末。
接著，使用熱處理爐，在“1000℃、真空中和3小時(shí)”的條件下對該造粒粉末進(jìn)行燒結(jié)，由此獲得第一材料(1)，其為具有更高強(qiáng)度的造粒產(chǎn)物。
[第一材料(2)]
按照與第一材料(1)類似的方式獲得了第一材料(2)，不同之處在于：將部分穩(wěn)定的ZrO2粉末和Al2O3粉末混合，使得燒結(jié)體中ZrO2的含量比例為28體積％，并且燒結(jié)體中的Al2O3的含量比例為12體積％(第一材料中Al2O3的比例為30體積％)。
[第一材料(3)]
按照與第一材料(1)類似的方式獲得了第一材料(3)，不同之處在于：將部分穩(wěn)定的ZrO2粉末和Al2O3粉末混合，使得燒結(jié)體中ZrO2的含量比例為20體積％，并且燒結(jié)體中的Al2O3的含量比例為20體積％(第一材料中Al2O3的比例為50體積％)。
[第一材料(4)]
使用球磨機(jī)將部分穩(wěn)定的ZrO2粉末(商標(biāo)：“TZ-3Y”，由Tosoh Corporation制造，平均粒徑：45nm)和Al2O3粉末(商標(biāo)：“TM-DAR”，由Taimei Chemicals Co.,Ltd.制造，平均粒徑：0.1μm)在溶劑(乙醇)中混合，該溶劑具有作為粘結(jié)劑而加入其中的10質(zhì)量％的聚乙烯醇縮丁醛(商品名：“S-LEC B”，由Sekisui Chemical Co.,Ltd.制造)，由此得到混合漿料。將這些粉末混合，使得燒結(jié)體中ZrO2的含量比例為34體積％，并且燒結(jié)體中的Al2O3的含量比例為6體積％(第一材料中Al2O3的比例為15體積％)。
然后，利用噴霧干燥器(商品名：“FR125”，由PRECI Co.,Ltd.制造)對上述得到的混合漿料進(jìn)行造粒(噴霧造粒)，由此得到造粒粉末，并將此用作第一材料(4)。
[第一材料(5)]
按照與第一材料(4)類似的方式獲得了第一材料(5)，不同之處在于：將部分穩(wěn)定的ZrO2粉末和Al2O3粉末混合，使得燒結(jié)體中ZrO2的含量比例為28體積％，并且燒結(jié)體中的Al2O3的含量比例為12體積％(第一材料中Al2O3的比例為30體積％)。
[第一材料(6)]
按照與第一材料(4)類似的方式獲得了第一材料(6)，不同之處在于：將部分穩(wěn)定的ZrO2粉末和Al2O3粉末混合，使得燒結(jié)體中ZrO2的含量比例為20體積％，并且燒結(jié)體中的Al2O3的含量比例為20體積％(第一材料中Al2O3的比例為50體積％)。
然后，使用上述獲得的六種類型的燒結(jié)體，進(jìn)行與實(shí)施例1相同的切削試驗(yàn)。結(jié)果示于下表5中。
關(guān)于這六種類型的燒結(jié)體，根據(jù)與實(shí)施例1相同的方法，確認(rèn)第一材料中的Al2O3的存在位置，并計(jì)算了Al2O3的當(dāng)量圓直徑(粒徑)和含量。然后，確認(rèn)了第一材料的粒徑為約0.15μm，Al2O3的粒徑為0.1μm，燒結(jié)體中的ZrO2和Al2O3的含量比例幾乎如上所述。
另外，使用通過用掃描電子顯微鏡(SEM)測量經(jīng)CP加工的表面而獲得的反射電子圖像、或使用俄歇電子能譜的元素分析來確認(rèn)cBN、ZrO2和Al2O3的區(qū)域，并使用上述圖像分析軟件進(jìn)行二值化處理來測量面積。接著，可以確認(rèn)，cBN、ZrO2和Al2O3各自的組成和含量與將原料共混時(shí)的組成和含量幾乎相同。
[表5]
從表5可以看出，所有燒結(jié)體均顯示出優(yōu)異的耐磨性和耐崩裂性。
<實(shí)施例6>
按照與實(shí)施例1中的燒結(jié)體No.3類似的方式制造了燒結(jié)體(為了方便起見，將該燒結(jié)體稱為“燒結(jié)體No.601”)，不同之處在于：用如下所述的方式制造的第一材料(為了方便起見，將該第一材料稱為“第一材料A”)來代替燒結(jié)體中的第一材料(即，用下述“第一材料A”來代替燒結(jié)體的原料中的第一材料前體)。
(第一材料A的制造)
如上所述，基于2011年發(fā)表的文章(J.Jpn.Soc.Powder Power Metallurgy，第58卷，第12期，第727-732頁)，可以通過以下方法(溶膠-凝膠法)來制造第一材料A。
具體而言，首先，在2-丙醇中將Zr-i-(OC3H7)4、Al(OC3H7)3和Y(OC3H7)3處理2小時(shí)，然后添加NH4OH。接著，在78℃下進(jìn)行回流24小時(shí)，由此獲得水解產(chǎn)物。接著，將該水解產(chǎn)物離心分離，然后用熱水洗滌。
接著，將上述洗滌后的產(chǎn)物在120℃下真空干燥，由此得到前體。進(jìn)行共混，使得Y2O3與ZrO2的共混比為1.5摩爾％，Al2O3與ZrO2的共混比為25摩爾％。將上述得到的前體(粉末)在700℃的空氣中煅燒(熱處理)9小時(shí)，并進(jìn)一步在900℃下煅燒1小時(shí)，由此得到結(jié)晶ZrO2(Al2O3和Y2O3處于固溶的狀態(tài))粉末，其為第一材料A。該第一材料A是部分穩(wěn)定的ZrO2，其中相對于全部第一材料，30體積％的Al2O3處于固溶的狀態(tài)。
另一方面，按照與燒結(jié)體No.601類似的方式制造了16種類型的燒結(jié)體(燒結(jié)體No.602至No.617)，不同之處在于：用23體積％的第一材料A和17體積％的表6中示出的第三相和/或第四相來代替上述燒結(jié)體中的第一材料A(含量：40體積％)。
然后，使用這17種類型的燒結(jié)體，進(jìn)行與實(shí)施例1相同的切削試驗(yàn)。結(jié)果示于下表6中。
關(guān)于這17種類型的燒結(jié)體，根據(jù)與實(shí)施例1相同的方法，確認(rèn)第一材料中的Al2O3的存在位置，并計(jì)算了Al2O3的當(dāng)量圓直徑(粒徑)和含量。然后，可以確認(rèn)，這17種類型的燒結(jié)體與實(shí)施例1中的燒結(jié)體No.3相似。
此外，使用通過用掃描電子顯微鏡(SEM)測量經(jīng)CP加工的表面而獲得的反射電子圖像、或使用俄歇電子能譜的元素分析來確認(rèn)cBN、第一材料、第三相和第四相的區(qū)域，并使用上述圖像分析軟件進(jìn)行二值化處理來測量面積。接著，可以確認(rèn)cBN、第一材料、第三相和第四相的組成和含量與上述的那些相同，并且為表6中示出的那些組成和含量。
從表6可以清楚地看出，所有燒結(jié)體均顯示出優(yōu)異的耐磨性和耐崩裂性。
盡管已經(jīng)對本發(fā)明的實(shí)施方案以及實(shí)施例進(jìn)行了說明，但是，從一開始就旨在可以對上述實(shí)施方案以及實(shí)施例的構(gòu)成以各種方式進(jìn)行適當(dāng)組合或修改。
應(yīng)該理解的是，本文公開的實(shí)施方案在任何方面都是示例性的而不是限制性的。本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求的權(quán)項(xiàng)、而不是上述實(shí)施方案來限定，并且旨在包括與權(quán)利要求書的權(quán)項(xiàng)等同的范圍和含義內(nèi)的任何修改。