用于切削工具应用的烧结的超硬复合片和其制造方法

用于切削工具应用的烧结的超硬复合片和其制造方法
【专利摘要】提供烧结的超硬复合片的方法和组合物。该烧结的超硬复合片刀体可包含超硬粒子和粘结相。该粘结相可将超硬粒子粘结在一起。该粘结相包含钨和钴。钨与钴的比率介于1与2之间并且该烧结的超硬复合片中的W和Co的总和在约2至约20重量％的范围内。
【专利说明】用于切削工具应用的烧结的超硬复合片和其制造方法
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请要求2012年5月31日提交的临时申请61/653,779的优先权。本申请与 名称为 "CUTTING TOOLS MADE FROM STRESS FREE CBN COMPOSITE MATERIAL AND METHOD OF PRODUCTION"（由无应力CBN复合材料制成的切削工具和制造方法）并要求2012年5 月31日提交的临时申请61/653, 699的优先权的共同待审申请有关。本申请此外与名称为 "Method of making a cBN material"（制造 cBN材料的方法）并要求 2〇12 年 5 月 31 日 提交的临时申请61/653, 686的优先权的共同待审申请有关。

【技术领域】
[0003] 本发明涉及由适用于制造超硬磨料复合片的粉末组合物制成的烧结的超硬材料， 并且特别地涉及具有增强的韧度和良好一致性的含有立方氮化硼（cBN)的烧结体，其可用 于供硬零件车削应用使用的切削工具中。

【背景技术】
[0004] 多晶立方氮化硼（PcBN)、金刚石和金刚石复合材料通常用于提供用于切削工具例 如金属加工中使用的切削工具的超硬切削表面。
[0005] 通常认为，所述这些材料具有或多或少的脆性特性，即，材料在韧度要求苛刻的操 作例如硬化钢的间歇式加工中，显示不期望的随机断裂。这种脆性一部分是由于粘结相为 陶瓷，而且还由于cBN粒子和碳化钨磨屑（mill debris)分散不完全。分散不完全导致材 料中存在机械上薄弱的部件或缺陷。
[0006] 因此，需要均匀和一致地分散在材料中以制造在韧度要求苛刻的操作中、特别是 间歇式硬零件车削或研磨中使用的具有优异韧度特征的硬零件加工用超硬复合片。


【发明内容】

[0007] 在一个实施方案中，烧结的超硬复合片刀体可包含超硬粒子；和将超硬粒子粘结 在一起的粘结相，其中烧结的复合片中W/Co的重量％比率落在1. 0与2. 0之间，和烧结的 复合片中W和Co的重量％总和在约2至约20的范围内。
[0008] 在另一个实施方案中，烧结的超硬复合片刀体可包含超硬粒子；和将超硬粒子粘 结在一起的粘结相，其中粘结相包含源自磨屑的钨和钴，其中粘结相包含化学计量或亚化 学计量的铝、钛或元素周期表中IV族、V族或VI族的其它过渡金属的碳化物、氮化物、氧化 物或其总和。
[0009] 在又一个实施方案中，制造超硬复合片的方法可包括以下步骤：提供研磨体；用 研磨体研磨超硬粉末和粘结材料的粉末混合物和流体；和将来自研磨体的W和Co并入超硬 复合片中。

【专利附图】

【附图说明】
[0010] 当结合附图阅读时，将更好地理解前述
【发明内容】
以及所述实施方案的如下详细说 明。应理解，所描绘实施方案不限于所示的精确配置和手段。
[0011] 图1是由使用硬质合金研磨体的辊式研磨机制造的烧结的超硬复合片刀体的微 观结构的背散射扫描电子显微镜（BSE)图像；
[0012] 图2是由使用金属陶瓷研磨体的辊式研磨机制造的烧结的超硬复合片刀体的微 观结构的背散射扫描电子显微镜（BSE)图像；
[0013] 图3是根据一个实施方案由使用金属陶瓷研磨体的立式球磨机（attritor mill) 制造的烧结的超硬复合片刀体的微观结构的背散射扫描电子显微镜（BSE)图像；
[0014] 图4是与商业品级相比，由使用金属陶瓷研磨体的立式球磨机研磨的材料制造的 切削工具的后刀面磨损进程（progression)的图；
[0015] 图5是与商业品级相比，由使用金属陶瓷研磨体的立式球磨机研磨的材料制造的 切削工具的凹坑磨损进程的图；以及
[0016] 图6是与商业品级相比，由使用金属陶瓷研磨体的立式球磨机研磨的材料制造的 切削工具的韧度测试结果的图。
[0017] 发明详述
[0018] 一个实施方案提供具有确定的重量％比率的W/Co的烧结的超硬复合片刀体和其 制造方法。超硬粒子可选自立方氮化硼、金刚石和金刚石复合材料。在制造多晶cBN复合 片中使用的原料组合物包含呈粉末或颗粒形式的cBN和粘结相。粘结相可在高压和高温 (HPHT)烧结期间至少部分熔化并且通过反应烧结与cBN反应和形成粘结。
[0019] 一个实施方案可改进具有增加的耐磨性和工具寿命可变性降低的cBN材料对于 特定应用领域的韧度。超硬烧结复合片和其制造方法提供显著改善的微观结构均匀性和比 其它超硬烧结复合片更好的韧度。
[0020] 实施方案使用研磨体，例如金属陶瓷研磨体。金属陶瓷研磨体可由如下原材料粉 末掺合物制成，其包含18重量％六方密堆积（HCP)WC、16% HCP Co和平衡面心立方（FCC) TiCN。在烧结后，金属陶瓷研磨体可含有在15 %至20 %范围内的W，其可溶解在（FCC) (Ti，W) (C，N)中。金属陶瓷材料还可含有至多15%钴，其又可含有至多12%溶解的钨。
[0021] CBN粒子的分散主要在研磨步骤期间实现。通常，作为粉碎和分散手段的研磨是本 领域中公知的。在碾磨陶瓷粉末中常用的研磨技术包括常规的球磨机、翻滚式球磨机、行星 式球磨机、立式球磨机和搅拌式球磨机。在常规的球磨中，通过研磨介质的尺寸和密度、研 磨罐的直径和旋转速度来确定能量输入。由于该方法需要球体翻滚，所以旋转速度以及因 此能量是受限的。常规的球磨非常适合于研磨具有低到中等粒子强度的研磨粉末。通常使 用常规的球磨，其中粉末被研磨至约1微米或更大的最终粒度。
[0022] 在行星式球磨中，研磨罐的行星式运动允许加速度最高达重力加速度的20倍。当 使用致密研磨体时，这允许在研磨中产生比常规球磨更大得多的能量。这种技术非常适合 于具有中等强度的粒子的粉碎，其中最终粒度为约1微米。
[0023] 另一方面，立式球磨机由具有搅拌器的封闭碾磨腔组成，所述搅拌器以垂直或水 平构造高速旋转。研磨体通常在〇. 2至15_的尺寸范围内，在以粉碎为目的时，研磨介质 通常为高密度硬质合金。搅拌器的高旋转速度与高密度、小直径研磨体结合，提供高能量。 此外，立式球磨机中的高能量在浆料中产生高剪切，这提供非常成功的共分散或粉末掺合。 相比于提及的其它方法，立式球磨机通常实现更精细的粒子和在烧结复合片中更好的材料 均匀性。
[0024] -个实施方案可使用如下的立式球磨机或其它研磨机，其具有由含有85-90 % HCP WC和7-15% Co的硬质合金硬质金属（cemented carbide hard metal)制造的研磨体，所 述硬质合金硬质金属也称为WC/Co硬质金属。在一些实施方案中，所期望形式的磨屑可允 许更长的研磨时间和改进的分散。如此处所用的，术语"磨屑"是指由于磨料粒子、研磨体 和衬里之间的摩擦而从研磨体或研磨机的衬里产生的任何材料。在研磨期间不同相的分散 是关键的。在现有技术中，最大可能的分散受到以下事实的限制：硬质合金研磨体磨损并 产生含有高WC含量的磨屑。这可造成在PcBN掺合物中WC含量随延长的研磨时间而增加。 这在一定程度上是可容许的；然而，如果WC含量变得过高，则其可造成材料性质的显著劣 化。因此，由于硬质合金具有比金属陶瓷高得多的W含量，因此对于硬质合金研磨体可容许 的研磨时间远远低于金属陶瓷研磨体的，这极大地限制可以通过使用硬质合金研磨体进行 研磨实现的分散水平。
[0025] 在其它实施方案中，金属陶瓷硬质金属研磨体可包含（Ti，W) (C，N)的组合物。所 述组合物可有利地作为最终坯体组成的一部分而添加。即使在其它的这些实施方案中，也 可加入含有W和/或Co的原材料以实现所期望的最终材料组成。在一个实施方案中，钨和 钴来自磨屑。通过使用金属陶瓷研磨体，可形成更有利形式的磨屑，其中磨屑实际上是原料 掺合物的一部分。使用金属陶瓷磨屑作为原料的优点在于，该磨屑含有具有恰当比例的W/ Co的（Ti，W) (C，N)和Co,并且它们总是在一起。在预烧结工艺或HPHT烧结的早期阶段中， (Ti，W)(C，N)中的W被还原成金属W，其在HPHT烧结期间溶解在熔化的Co中。因此，熔化 的Co可帮助W均匀分布在粒子周围并且帮助增加Co、W和A1与cBN和粘结相粒子之间的 反应的均匀性。在HPHT烧结后，至少一些Co和W已经反应并形成陶瓷相。
[0026] 与这种理念相似，还可以将烧结的金属陶瓷固体粉碎成粉末并且将其与cBN和陶 瓷粘结相材料掺合在一起以实现相同的作用。相反，如果用硬质合金研磨体研磨PCBN掺合 物，则来自磨屑的W将会过多而不能溶解在Co中。即使在掺合物中加入了 Co粉末，W和Co 粒子也不总是彼此相邻。因此，在微观结构中通常存在大的W或WC粒子，这可能不是加工 应用所期望的。
[0027] 在一个实施方案中，超硬粒子可包含31重量％ cBN，其中粘结相包括5重量％ A1、 32重量％ Ti (Q^Nu)、32重量％亚化学计量的TiNa72。通过在立式球磨机中使用金属陶瓷 体来研磨材料，得到来自研磨体的3. 1+/-1重量％ 1和2. 2+/-1重量％ Co的加入量。
[0028] 在一个实施方案中，钨与钴的比率可在1.0至2.0的范围内。在另一个实施方案 中，钨与钴的比率可在1. 〇至1. 8的范围内。在又一个实施方案中，钨与钴的比率可在1. 0 至1.5的范围内。
[0029] 用于硬质部件车削的PCBN类材料通常包含如下的烧结体，其具有体积份额在35 至85体积％范围内的cBN粒子，和如下的陶瓷粘结相，其包含铝、钛或元素周期表IV族、V 族或VI族的任何其它过渡金属的碳化物、氮化物、氧化物或其总和。在高压高温（HPHT)工 艺中烧结cBN类材料。在HPHT工艺期间的相转变例如导致产生新的相，例如硼化物、氮化 物和碳氮化物。少量的不可避免的污染物可能存在于这些材料中，其可在特定工艺步骤例 如研磨中产生，这导致产生源于研磨体的钨和钴含量。
[0030] 在制造超硬复合片的方法的一个实施方案中，可通过研磨工艺将超硬原材料例如 cBN与流体和陶瓷材料掺合，其包含化学计量或亚化学计量的铝、钛或元素周期表IV族、V 族或VI族的其它过渡金属的碳化物、氮化物、氧化物或其总和。一个实施方案还可包括以 下步骤：从超硬粉末、陶瓷粉末、有机粘结材料和流体的混合物制备颗粒；预压实颗粒以形 成确定形状的软质生坯部件；在真空炉中加热软质生坯部件以形成硬质生坯部件；将一个 或多个硬质生坯部件插入容器中。一个实施方案还可包括以下步骤：在压力腔中在预定压 力和温度下烧结容器中的硬质生坯；从压力腔中移出容器以露出超硬复合片。
[0031] 通常可通过CBN、陶瓷相和铝或铝化合物的粉末掺合物的HPHT烧结来制造PCBN， 并且通常可形成大的PCBN盘或"坯体"形状。另外，可归因于cBN和粘结相材料的两相可 例如选自41 203、!^2411并且可通过父射线衍射邮0)来检测至少一种含硼化物的1、&) 或W-Co合金相，例如WB 2、C〇2B或C〇W2B2。在一些实施方案中，在坯体中未检测到W相。
[0032] 还可由预压实的硬质生坯盘的HPHT烧结来制造PCBN坯体。除了 cBN和加入的粘 结相材料之外，这样的硬质生坯具有可包括在预烧结步骤中产生的Al3Ti、Ti2AlN、W、CoAl、 A1B 2的中间相。

【具体实施方式】
[0033] 实施例1
[0034] 实施例A.在辊式研磨机中在异丙醇中用硬质合金研磨体将cBN(39重量％ )、亚化 学计量TiN(ssTiN) (56重量％ )和A1 (5重量％ )的粉末研磨2小时。然后在烘箱中在空气 中干燥浆料以除去醇。然后将粉末分散在乙醇（99. 6%纯度）中，将其与聚乙二醇（PEG)溶 液混合。然后将浆料喷雾干燥成球形颗粒，将其预压实成圆盘。将该盘在氢气中在约400°C 下进行烧制并且然后在真空中在900°C下预烧结。在预烧结后，将硬质生坯盘装载在腔室中 并且在约1300至1450°C的温度下用至少2GPa的压力进行HPHT烧结。
[0035] 实施例B.在辊式研磨机中用金属陶瓷研磨体研磨cBN(39重量％ )、ssTiN(56重 量％)和Al(5重量％)的粉末。将ssTiN和Al粉末在乙醇（99?6%纯度）中研磨15小 时，然后将cBN粉末加入浆料中并再研磨10小时。然后在研磨后将浆料与PEG溶液混合。 以下喷雾干燥、预压实、预烧结和HPHT工艺与实施例A中所述的相同。
[0036] 实施例C.在立式球磨机中在乙醇中用金属陶瓷研磨体将cBN(39重量％ )、 ssTiN(27重量％ )、TiCN(28重量％ )和A1 (6重量％ )的粉末一起研磨3小时。金属陶瓷 研磨体具有以下组成（重量％ ) :W 17. 36, Col7. 47, Ti 50. 65, N 4.84,和C 9.83。在研磨 后将浆料与PEG溶液混合。以下喷雾干燥、预压实、预烧结和HPHT工艺与实施例A中所述 的相同。
[0037] 表1示出实施例A、B和C的通过X射线荧光（XRF)得到的W和Co含量和所计算 的W/Co比率以及W与Co含量的总和。所有三个实施例具有相同的W含量（4. 2至4. 5重 量％ )，但在实施例C中的Co含量比其它两种情况中的高得多。在实施例B中，虽然用金属 陶瓷研磨体研磨粉末，但由于研磨体研磨具有WC衬里的研磨罐的表面，所以WC磨屑可能来 自WC衬里以及研磨体。因此，W/Co比率可比来自金属陶瓷研磨体的W/Co比率高得多。在 实施例C中，立式球磨作用决定了研磨体之间的磨损比来自研磨罐的磨损严重得多。因此， 即使立式球磨罐由不锈钢制成，来自立式球磨罐的磨屑也不多。最终掺合物中的铁含量仅 为约0. 3重量％。用金属陶瓷研磨体进行立式球磨的磨屑主要来自研磨体，其产生低的W/ Co比率。
[0038] 图1、图2和图3示出实施例A、B和C的背散射电子（BSE)显微照片。图1示出 用硬质合金研磨体辊式研磨两小时的具有39重量％ cBN的实施例A的BSE图像。图2示 出用金属陶瓷研磨体辊式研磨25小时的具有39重量％ cBN的实施例B的BSE图像。图3 示出用金属陶瓷研磨体立式球磨三小时的具有39重量％ cBN的实施例C的BSE图像。可 见在相同W含量下，实施例A中的分散不太好。与实施例A相比，实施例B和C中的分散被 大幅改进。应注意到，在实施例A和B中，由于W过量，因此可看到大的磨屑（显微照片中 的白点），而在实施例C中，由于W溶解在Co中并均匀分布在微观结构中，因此很少见到大 的磨屑。
[0039] 表 1 :
[0040]

【权利要求】
1. 一种烧结的超硬复合片刀体，其包含： 超硬粒子；和 将所述超硬粒子粘结在一起的粘结相，其中所述粘结相包含W和Co,其中所述烧结的 超硬复合片中W/Co的重量％比率落在1. 0与2. 0之间，和所述烧结的超硬复合片中W和Co 的重量％的总和在约2. 0至约20的范围内。
2. 根据权利要求1所述的烧结的超硬复合片刀体，其中所述超硬粒子选自立方氮化 硼、金刚石和金刚石复合材料。
3. 根据前述权利要求1至2所述的烧结的超硬复合片刀体，其还包含化学计量的铝、钛 或元素周期表IV族、V族和VI族的过渡元素中的其它金属的碳化物、氮化物、氧化物或其 总和。
4. 根据前述权利要求1至3所述的烧结的超硬复合片刀体，其还包含亚化学计量的铝、 钛或元素周期表IV族、V族和VI族的过渡元素中的其它金属的碳化物、氮化物、氧化物或 其总和。
5. 根据前述权利要求1至4所述的烧结的超硬复合片刀体，其中钨与钴的比率在1. 0 至1. 8的范围内。
6. 根据前述权利要求1至5所述的烧结的超硬复合片刀体，其中钨与钴的比率在1. 0 至1.5的范围内。
7. 根据前述权利要求1至6所述的烧结的超硬复合片刀体，其还包含至少一种含硼的 钨、钴、或钨-钴相，如通过X射线衍射（XRD)所检测的。 包含至少一种选自WB2、C〇2B或C〇W2B 2的相，如通过X射线衍射（XRD)所检测的。
9. 根据前述权利要求1至8所述的烧结的超硬复合片刀体，其中通过X射线衍射（XRD) 检测不到钨或碳化钨。
10. 根据前述权利要求1至9所述的烧结的超硬复合片刀体，其中所述钨和钴是来自研 磨体的磨屑。
11. 一种制造超硬复合片的方法，所述方法包括： 提供研磨体； 用所述研磨体研磨超硬粉末、粘结材料的粉末混合物和流体；和 将来自所述研磨体的钴和钨并入所述超硬复合片中，其中所述研磨体是低钨含量研磨 体。
12. 根据权利要求11所述的制造超硬复合片的方法，其还包括从超硬粉末掺合物、有 机粘结材料和流体的混合物制备颗粒。
13. 根据权利要求11至12所述的制造超硬复合片的方法，其还包括预压实所述颗粒以 形成确定形状的软质生坯部件。
14. 根据权利要求13所述的制造超硬复合片的方法，其还包括在真空炉中加热所述软 质生坯部件以形成硬质生坯部件。
15. 根据权利要求11至14所述的制造超硬复合片的方法，其还包括将一个或多个所述 硬质生坯部件插入容器中。
16. 根据权利要求11至15所述的制造超硬复合片的方法，其还包括在压力腔中在预定 压力和温度下烧结所述容器。
17. 根据权利要求11至16所述的制造超硬复合片的方法，其还包括从所述压力腔中移 出所述容器以露出所述超硬复合片。
18. 根据权利要求11至17所述的制造超硬复合片的方法，其中所述超硬粉末包括选自 立方氮化硼、金刚石和金刚石复合材料的材料。
19. 根据权利要求11至18所述的制造超硬复合片的方法，其中所述颗粒包含立方氮化 硼和铝的聚乙二醇有机粘结材料的混合物。
20. 根据权利要求11至19所述的制造超硬复合片的方法，其中所述粉末混合物包含含 有W和Co的化合物以实现所期望的组成。
【文档编号】C22C26/00GK104350028SQ201380027467
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年5月31日 优先权日:2012年5月31日
【发明者】托尔比约恩·塞林德, 格罗尔德·温尔, 邵锐 申请人:戴蒙得创新股份有限公司