专利名称：工具部件的制作方法
王具部件
背景技术：
本发明涉及工具部件。
利用金刚石复合片(杨为多晶金刚石(pcd))和立方氮^tml合片(也
称为PCBN)的超硬研磨切削元件或工具部件广泛地应用于钻孔、铣削、切削和 其它这样的研磨应用中。该元件或工具部件通常会包含粘结于载体的PCD或 PCBN层，该载体通常为,碳"ft^栽体。该PCD或PCBN层可呈现尖锐的切削刃 或切削点或者切削表面ii^f磨表面。
PCD包括含有大量的直4^r刚石与金刚石粘结的金刚石颗粒物料。PCD将典 型地具有第^目，该第>目包*刚石催化剂/溶剂例如钴、镍、4M包^"种 或多种这样的金属的*。 PCBN通常还会包^^占结相，该粘结相典型是cBN催 化剂或包^t样的催化剂。合适的粘结相的例子是铝、碱金属、钴、镍、鴒等。
PCD切削; L件广;i^]于才;U口工一系列的金属和*以^^制复合材料。特别 地，汽车、航空献以^Ot加工工业^^ PCD，以便从^_供的较高水平的生 产率、精度和一致性中受益。在金属加工工业中，45^s金、双金属、铜合金、 ^/石墨鴻强的塑Wp金属M复^^;U l PCD进^f;a口工的典型材料， 、水沪*、刨花敗、碎^^^^^L4这类;M^产品的例子。PCDii^石油 4^果工业中用作钻体的镶嵌件(insert )。
^^/Oa工期间，切削工具的^Ut常由下列过程中的一个或其組合引起
參由于^:坏4生的断裂(突然^t)
*由于累积*损(、渐ii性M) ，由于塑'f生变形(突然^t)
导致形状改变的塑性变形通常在超硬切削工具材料中不是非常重要的因 素，所述工具材彬口在提高的温度下##其强度的PCD。渐进'^t损导致的工具 ^t的特征为工具上的磨损特征的演变。典型的磨损特征包括侧面磨损、月牙 ^^损、DOC(切削^l觖口磨损以;Mi緣口磨损。侧面磨损带的^l(VBBmax) 是合适的工具磨损量度，并且VB卿x的预定值被视为良好的工具寿命标准闺际标准(ISO) 3685， 1993, ^^1单点车削工具测试的工具寿命]。在特^I用中 产生磨损特征(磨痕)的磨损模式通常絲于切削工具的显孩&且织、枳加工条 件和切削刃的几何结构。廇^损才莫式可以包:^M"磨损、孩O见断裂磨损(碎裂、 剥#开裂)、粘着磨损(形成切屑瘤)或摩^f匕学磨损(扩^^损和形成新的 ^R^物)。通常将大量的时间和精力花费在寻找最优的工具材料、几何结构和机 加工錄。
金刚石的高石MAPCD的良好磨损棒性的原因，然而，该高石级负面地影 响其断IUl耐切屑性。当在某种应用中工具处于使用的磨合(break-in)阶段 或早期阶段时,PCD的该低耐切屑性可以通过微见断^^损模式而引起破坏性的 断,磨损。为了P且ih^坏性的断裂，通常在切削刃上制备倒棱和绗磨头以便 增加其强度。
相对于^1化物较低的PCD耐切屑性将其应用限制于仅"f5Ult加工用途。^*EL 加工和严重受阻的应用(高的进给率和切削深度)中，在这种情况下切削刃上 的负荷比较高，PCD 4睹易断裂，导致工具过早缓。另一方面碳化物比PCD 磨损得决，但是耐切屑性更高。不同于^lMt加工辦中，^^口工辦中尺寸 容卩W是很重要(VBBmax〉0.6),这意^M"工具磨损不A^要的因素，而耐切屑 性是。而且，在较不苛刻的应用中，如MDF (中密度纤條)低SiAl^r^刨 ，磨损率通常tb^低，所以碳化物因较低的，-性能比而成为M。
除jtb^卜，由于PCD的高石^^导^口工威本可能会高，1吏得它不如^^化物 引人注意。由高温高压(HPHT )^成生产的超硬切削工具材州多晶金刚石(PCD )、 多晶立方氮化硼(PCBN)、单晶金刚石等)，在将它们用作切削工具的镶嵌件前 必须经iiX个加工步骤。这些加工步 常包括以下
1) >^￡硬研磨表面和合成的盘片侧面去除金属杯状物，通常为M铌 或钼的^f^物；
2) ^l去RM1硬研磨台的夕NP以便得到^il性能；
3) 在Jl^面Ji^行"^W口工；
4) 在Ji4面上进《沐光(精加工)。当用90° 、 3nm的触针测量时， 通常抛光的PCD层具有Ra一. OljLim的粗lil;通常并^W光PCBN
5) 将盘片切割成锯片。将盘片和切割锯片两者供给市场。在所有这些 加工步骤中，由于研磨材料的超硬'^t，抛光可EAWJ、司题的。通常，在应用中需^9f磨层的高品质的表面光洁度以增强其f生能。
目tt^r用的pcd切削工具的另《泉是并不将它们设计用于才;u口工4赠失材
料。例如，当积加工#4失时，在切削刃处的切削力以及切削温度比非铁材料机
加工絲更高。由于PCD在700。C左右开始石,f4b，因此当才;U口工4赠失材料时，
这将其用途限制为较低切削逸复，使它相对于碳化物工具在某些应用中不经济。
US 5， 833，021公开了一种多晶金刚石刀具，该刀具具有 口于多晶金刚石 表面的难;it^层以《更提高刀具的工作寿命。难熔层具有0.1 - 30孩W的厚度并 且应用于合^,，例^^t或者化学或物理^^。
US 6，779，951公开了一种多晶金刚石刀具，其中经由另^r属^4fN层施 加于多晶金刚石表面。其它金属层可以是铌、钽、锆、钨和其它类似的此絲 属或包含此||^属的#。所^;l^的，具有大于100耀米的厚度。
US 6，439，327公开了一种用于旋转钻机的多晶金刚石刀具，其中刀具的侧 表面提供有高压粘结到多晶金刚石,滚面上的金属层。合适的金属的例子是钼。
US 3， 745, 623 //Hf 了在絲锆的防护罩中制备PCD,其中的一些在制絲 间转化为碳化物。该钬或锆的防护軍的薄层可留在PCD上位于断屑槽(chip breaker )面上方。
发明内容
本发明提供了一种工具部件，所述工具部件包含具有工作表面的多晶金 刚石层、具有至多IOO微米的厚JLIL含有沿着界面粘结于该多晶金刚石层的工 作表面的选自钼、4s^铌的^r属的i^i^， i^软层的^r属^J^属、金^^化物 或它们的组合的形式，并JJlt自4^M的^r属存在于多晶金刚石层的邻近该界 面的区域中。
较^bgr为工具部件提供了比多晶金刚石软的层。由于一些金属已扩"ft^
与该较M的界面々條的多晶金刚石区域，并iL4在于多晶金刚石的该区域中，
因此该较^g:牢固i^占结于多晶金刚石的工作表面。 一些金属例如钴，辦为
多晶金刚石中的第^目存在于该较M中。因而，在该较M和多晶金刚石之 间的粘结M上是扩散粘结。例如，在多晶金刚石的制絲间可以产生这样的 粘结，即，产生该较M并iL^it样的制备期间将其原位粘结于多晶金刚石。 ^Jf]例如US 5， 883， 021中所述的合^^涂覆或^^方法不育將到这样的牢固粘结，在所^法中，在苛刻环嫂下很可育^jl较软碳化物层的分层。
已经发现，将较软顶层提供于金刚石材料改善了其中耐切屑性是关键的工 具材料要求的应用中的工具部件的性能。典型应用包括复合物(包括木材)、铝
*、 #4失、钬*、耐热超M (服SA)和淬火钢的铣削、锯割和铰孔。需 要高耐切屑性的另一应用是在4^果石油和天然气中。在这种应用中，钻头必须 钻穿过^t类型的岩层(具有不同的'I"錄)，从而在切削刃上产生冲击负荷。钻 头旋转^Mf在切削刃上产生冲击负荷。某些车削应用也可能需^t切屑性。一 种这样的应用是用PCBN车削淬火钢。在该应用中，月牙洼形成在工具的前刀面 上产生较小的楔角，逸进而斷氐了切削刃的强度。过去，在工业中试图通# 切削刃Ji^口倒棱和对磨头树其加以弥补，并通it^樹iMUt大镶嵌件的楔 角。其中需^"切屑性的两个其它车削应用是车削#耐热超*,其中在切 削刃上有形成缺口的趋势。过去，在工业中通过增大刀尖(nose)的半径或通 it^镶嵌件的接近角M其加以弥补。
较姊可舰伸跨工作表面的-"^分或跨整个工作表面。 多晶金刚石层的工作表面^A这样的层的Ji^面，并且与该层的另一个 表面相交，从而在交线处限定切削点或切削刃。较^J^^w切削刃或切削点 ;^伸5fitX作表面的至少一^p分。
较M的金属的形式可以是金属本身或者碳化物或它们的组合。伏M， 该较^lr主要由碳化物形式的金属和少量的处于金属形式的金属以;M^自多晶 金刚石第^目的金属组成。
对于本发明重要的是，该较M具有至多IOO孩沐的厚度。已^^现，较 厚层例如在专利US 6， 779， 951中描述的那些层在金属加工和;Mt加工应用中并 不是特别有效。该较^bg^具有至少50微米的厚度。
在本发明的工具部件中，与多晶金刚石层的工作表面粘结的较^i:可以在 工具部件的制备中原位产生。在这样的方法中，将用于产生多晶金刚石层的部 件置于金^T浙物或壳体中，然后^/斤述金属杯水物或壳体经受产生多晶金刚 石所需的提高的温度和压力的条件。 一些所述金属M物或壳体在制^I间附 着或粘结于多晶金刚石的夕卜表面。由于该金属是碳化物形^L素，因此#^发 生一些碳4綠的形成，特别在接触金刚石的区域中。林高温/高压装置回收多 晶金刚石^，例^魂过研磨去除来自杯水物的^H过多金属和/或碳^^，留下具有至多ioo樣沐導的较软层。来自该M物或壳体的一些金属在制备期间
将扩"lUiA多晶金刚石。类似地，来自多晶金刚石的第J^目中的一些金属(例 如钴)将扩^iiA包含碳^^的层。
金刚石层的工作表面可为光滑的、抛光的或净雄的或不細，j的。当工作表 面是扭睃的或不规则的时候，这可t^由于工作表面经历喷砂或相似处理。
可以对较M的暴露的Ji4面进"fm光。对较lt&抛光明显t时多晶金刚 石层表面抛M易得多。
多晶金刚石^te^占结于栽^i^时，通常沿着与工作表面相对的表面。
载^J^舰由麟碳^^制成。该碳4W勿舰为碳4械、碳4媳、碳4b^il 碳她。
附图是本发明的工具部件的实施方案局部的截面,抖见图。 M实施方案
因而，本发明在其中耐切屑性是工具材料重要需求的应用中提供了具有改 善f生能的工具部件。来自于该较H:的'^t和它与多晶金刚石层的牢固粘结的
其它优点是
粘结于较硬磨料层的较软层在磨损的初始阶段产生了切削刃的自磨圆 (self-rounding)或自绗磨^。逸进而将提高切削刃的强度并JJ ^t^合磨 损阶段。可以通过提高或斷^^软层的硬^控制磨圆程度。该层的材料^# 填充多晶金刚石层的i^的孔隙和凹M而导致较少的磨损诱发位点。在初始 磨圓步骤后，该较软顶层可以磨损成为断屑槽的形状。
抛光的较软顶M在工作表面上产生相对于tt技术的多晶金刚石产品较 少的瑕疯。该较^^还挣决速变形以侵在初始切削期间提供更强的、^o磨圆 的刃。通常，金属层相对于多晶金刚石还将具有较高的断裂軔性。较弱侵蚀性 抛光的方法将在多晶金刚石表面中导致较低的应力。所有这些因素将减少剥落、 >^ ^开裂的频率与严重禾1^,特别是在M的中断和/或冲击'對;Oa工中。
!^将参照图解工具部件的切削刃部分的附图^ii^发明的实施方案。 参照该附图，工具部件包含沿着界面14粘结有多晶金刚石层12的烧结碳4缘 8M 10。多晶金刚石层12具有作为工具部件的工作表面的Ji^面16。该表面 16沿着线24与顺'滚面18相交，该线24限定了工具部件的切削刃。
较软层20粘结于工作表面16。该较软层20延伸到切削刃24。该较软层20 由选自钼、4fe^钽的金属以金属、碳4緣或它们的組^^SL^。来自层20中的一 些该金属将存在于由虚线标识的多晶金刚石层的区域22中。来自多晶金刚石层 12的一些金属将存在于较絲20中。因此，扩"l^占结存在于较^"20和多晶 金刚石层12之间。
下面将描ii^发明的实施例。
实施例1
掩ir刚石颗粒的物^itx在具有钴作为粘结相的烧结碳^^i^上。将这
种未粘结的物#^ 在钼壳体内，并且该壳#^ 在常规的高压/高温装置的反 应区中。使壳体中的内^4勿承受约1400。C的温度和约5 GPa的压力。将这些条 件维持足够长的时间，以便产生具有粘结到烧结碳4緣基材的表面和相对的暴 露表面的多晶金刚石层。该多晶金刚石层具有^4左的第^目。
将该壳^gjl区中移出。钼/碳^4目层粘结于多晶金刚石的夕卜表面。通过 研磨去掉该钼/碳^4目层的夕卜部区域，留下比多晶金刚石软的材料薄层，其粘结 于该多晶金刚石层的i^面之一。
该较M具有IOO孩沐的厚度。使用EDS的分析显示，该较M由主要的 碳化钼和次要量的钼金属以絲自烧结碳化物糾的钴組成。^f^U同样的EDS 分析发现，与较^bg:的界面邻近的多晶金刚石区域包含钼。较^和多晶金刚 石层之间的粘结牢固。>^^^化物承载的多晶金刚石制备多^^刀削工具部件，这 样的切削工具镶嵌件具有由附图所图解的结构。在试验中发现，这些切削工具 部件^Mt加工和金属加工应用中是有效的。没有纽较化艮的分层。
实施例2
以与实施例1中相同的方式制备了碳化物絲的多晶金刚石产品，该产品 包^^结于舰碳^4勿M的多晶金刚石层并且具有由主要的碳^T^次要量 的铌(金属形式)以絲自多晶金刚石的钴^L^的较絲，斜同的是， 铌壳体取代了钼壳体。发现次要量的铌存在于与较软层的界面邻近的多晶金刚 石的区域中。较M的厚度为100微米。/Ait种产品可以生产多个工具部件， 每个所述多个工具部件具有由附解的结构并适M孑L应用。
权利要求
1.工具部件，包含具有工作表面的多晶金刚石层、沿着界面粘结于多晶金刚石层的工作表面的较软层，该较软层具有至多100微米厚度并且包含选自钼、钽和铌的金属，该较软层的金属以金属碳化物、金属或它们的组合的形式存在，并且来自较软层的金属存在于多晶金刚石层的邻近该界面的区域中。
2. 才財居权利要求1所述的工具部件，其中该较^(5l^工作表面的-"^
3. 才N^权利要求1所述的工具部件，其中该较^b&縣卦工作表面。
4. 才娥前ii^U'J要求中的^-项所述的工具部件，其中工作表面是多晶金 刚石层的顶表面，"^T贞表面与,'滚面相交，从而在交线处限定了工具部件的切 削刃。
5. 才^t权矛J^求4所述的工具部件，其中该较lt^从切削刃延伸i^t该工 作表面的至少一^P分。
6. 才娥前i^'要求中的^^项所述的工具部件，其中该较M具有至少 50孩沐的厚度。
7. 條前i^WJ要求中的^-项所述的工具部件，其中该较M主要由碳 化物形式的金属和次要量的金属形式的金属以;5Ul自多晶金刚石的金属桑JL^。
8. 根梧前述权利要求中的任一项所述的工具部件，其中多晶金刚石层粘结 于糾。
9. 才娥前i^WJ要求中的任一项所述的工具部件，其中该^t^^碳化 物絲
10. —种工具部件，其J^如本文参照附图所述。
11. 一种工具部件，其絲如本文参照^""实施例所述。
全文摘要
本发明提供了一种工具部件，其包含具有至多100微米厚度的多晶金刚石层(12)和工作表面(16)。包含选自钼、钽和铌的金属的较软层(20)沿着界面粘结于多晶金刚石层(12)的工作表面(16)。该较软层(20)的金属以金属碳化物、金属或它们的组合的形式存在，并且存在于邻近该界面的多晶金刚石层(12)的区域(22)中。
文档编号B23B27/14GK101678457SQ200880006477
公开日2010年3月24日 申请日期2008年2月28日 优先权日2007年2月28日
发明者C·J·比勒陀利乌斯, P·M·哈登 申请人:六号元素(产品)(埪股)公司