烧结的立方氮化硼切削工具的制作方法

烧结的立方氮化硼切削工具的制作方法
【专利摘要】一种用于制造切削工具的烧结复合片，所述烧结复合片包含约10体积％到约90体积％立方氮化硼和如下的粘结相，所述粘结相包含约0.1体积％到约10体积％石墨烯。一种用于烧结复合片的方法，所述方法包括：混合具有约10体积％到约90体积％立方氮化硼和约0.1体积％到约10体积％石墨烯的粉末掺合物，将所述粉末掺合物压制成小球，并在高压和高温下烧结所述小球。一种烧结的切削工具，其包含约10体积％到约90体积％立方氮化硼和如下的粘结相，所述粘结相包含约0.1体积％到约10体积％石墨烯，其中所述烧结在约45千巴的压力和约1500℃的温度下进行约30分钟。
【专利说明】烧结的立方氮化硼切削工具
[0001] 相关申请案的交叉参考
[0002] 本申请要求2011年12月5日提交的美国临时申请61/566798的权益。

【技术领域】
[0003] 本发明涉及立方氮化硼（cBN)切削工具和制造具有改进的耐磨性和韧度的cBN切 削工具的方法，更特别地，涉及由烧结复合片制成的切削工具，所述烧结复合片包含立方氮 化硼和粘结相，所述粘结相包含单层或多层纳米级材料，例如石墨烯。

【背景技术】
[0004] 在下文的背景讨论中，提及特定的结构和/或方法。然而，下文的提及不应理解为 承认这些结构和/或方法构成先前技术。 申请人:明确地保留证明此类结构和/或方法不作 为现有技术的权利。
[0005] 在高压和高温下，通常在60千巴或高于60千巴的压力和1350°C或高于1350°C的 温度下，进行立方氮化硼（cBN)的合成。铝和其合金通常用于在略微较低的压力下、例如在 约45千巴到75千巴的压力下催化六方氮化硼（hBN)转化成cBN。所得的cBN粉末（即， 多晶cBN)的复合片可用于例如金属的机械加工，其中cBN粒子之间存在直接结合以形成硬 质、坚韧的固体块。
[0006] 已经制造出多晶cBN(PCBN)复合片，其具有高含量cBN (例如，大于约60体积％ ) 以使复合片硬质和坚韧。然而，已经发现，在特定机械加工应用中，此类复合片并不具有 优良的性能。例如，当机械加工硬钢（例如，大于50HRc)或致密石墨铸铁（CGI)时，刀尖 (tooltip)处由摩擦生成的热可使刀尖的温度增加到高于1000°C。这种高温看起来促进 cBN转化回其六方结晶形式，并且导致PCBN工具快速磨损和破坏。这通常称为"化学磨损"， 并且可通过将cBN的量降低到例如小于约50体积％和用常规耐热陶瓷例如A1 203、TiN、 Si3N4等替换而减轻。然而，那些常规的陶瓷没那么坚韧，并且通常非常易碎，因此，在其组 成中包含那些材料的PCBN复合片在机械加工应用中由于断裂而更易于破坏。
[0007] 认为添加剂，例如通过添加最高达15体积％的氧化锆（Zr02)，可改进氧化铝 (A1 203)陶瓷复合片的断裂韧度。还已经向热压的氧化铝陶瓷中添加陶瓷晶须，例如SiC晶 须。
[0008] 最近，针对通过添加最高达1. 5体积％石墨烯对氮化硅（Si3N4)陶瓷进行断裂韧化 处理，对石墨烯（即，纳米级石墨粒子，其中单独的原子层石墨薄片已经分离）进行了研究。 然而，Si 3N4材料是火花等离子体烧结的，火花等离子体烧结这种方法并不适用于形成PCBN 复合片。


【发明内容】

[0009] 在一个实施方案中，描述了用于制造切削工具的烧结复合片，所述烧结复合片包 含约10体积％到约90体积％立方氮化硼和如下的粘结相，所述粘结相包含约0. 1体积％ 到约10体积％单层或多层纳米级材料。
[0010] 在另一个实施方案中，描述了制造用于制造切削工具的烧结复合片的方法。所述 方法包括：混合具有约10体积％到约90体积％立方氮化硼和约0. 1体积％到约10体积％ 单层或多层纳米级材料的粉末掺合物，将该粉末掺合物压制成小球（pill)，和在高压和高 温下烧结所述小球。
[0011] 在另一个实施方案中，描述了烧结的切削工具，其包含约1〇体积％到约90体积％ 立方氮化硼和如下的粘结相，所述粘结相包含常规的陶瓷材料，例如氧化铝、氮化钛或氮化 硅，和包含约0. 1体积％到约10体积％单层或多层纳米级材料，其中所述单层或多层纳米 级材料的氧含量小于约2. 0%。
[0012] 应理解，上文的概括描述和下文的发明详述均为例示性和解释性的，和旨在提供 对所要求保护的本发明的进一步解释。

【专利附图】

【附图说明】
[0013] 可结合附图阅读下文的发明详述，在附图中，相同的数字指代相同的元件：
[0014] 图1示出了如根据耐磨性测试所测定的，和其它烧结立方氮化硼切削工具可比较 的示例性实施方案的工具性能的图；
[0015] 图2示出了和其它烧结立方氮化硼切削工具可比较的示例性实施方案的冲击韧 度的工具测试结果；
[0016] 图3示出了示例性实施方案的代表性X射线衍射图案；
[0017] 图4示出了示例性实施方案中使用的石墨烯的拉曼光谱；并且
[0018] 图5示出了示例性实施方案的代表性拉曼光谱。
[0019] 发明详述
[0020] 在描述本发明的方法、体系和材料之前，应理解，本发明并不限于所述的特定方 法、体系和材料，因为这些可以变化。还应理解，描述中所用的术语仅出于描述特定的形式 或实施方案的目的，并不旨在限制范围。例如，除非上下文另外明确指出，否则如此处所使 用的，单数形式的"一个"、"一种"和"该，所述"包括复数个指示物。另外，如此处所使用的 词语"包含"旨在表示"包括但不限于"。除非另有规定，否则此处所使用的所有技术和科学 术语都具有与本领域普通技术人员所通常理解的含义相同的含义。
[0021] 除非另有说明，否则说明书和权利要求中所用的所有表示成份的量、性质例如尺 寸、重量、反应条件等的数字在所有情况下均应理解为由术语"约"修饰。因此，除非指明相 反的情况，否则以下说明书和所附权利要求中所述的数值参数均为近似值，所述近似值可 根据通过本发明旨在达成的期望性质而变化。至少地，和并非试图限制权利要求范围的等 效项的原则的应用，各数值参数均应至少根据所报道有效数字的数量和通过使用普通舍入 技术来解释。
[0022] 如此处中所使用的，术语"约"是指所使用数字的数值的加或减10%。因此，约 50%是指在45% -55%的范围内。
[0023] 如此处中所使用的，术语"超硬磨料粒子"可以指努氏硬度为5000KHN或更大的超 硬粒子。超硬磨料粒子可包括例如金刚石、立方氮化硼。
[0024] 如此处所使用的，术语"石墨烯"是指其中碳原子以2维六方晶格排列的可与一个 原子层一样薄（小于lnm)的石墨碳形式。这些层还可作为多个堆叠的薄片存在。石墨烯 粒子具有非常高的纵横比，以使厚度（z轴）可为约l〇〇nm(纳米），而"X"尺寸和"y"尺寸 可为约100 μ m(微米）。所述材料的氧含量可为约1.0%到约5.0%，在一些实施方案中是 约1. 2%到约2. 0%，和在一些实施方案中是约1. 4%。
[0025] 六方氮化硼（hBN)具有与石墨类似的原子结构，它也可形成石墨烯类似物，称为 "白石墨烯"。白石墨烯可形成与石墨烯结构类似的单层或多层薄片。当与立方氮化硼粒子 混合并在HPHT下烧结时，白石墨烯可展示类似的有利性质。因此，尽管此处所述的实例具 体地关于石墨烯进行陈述，但可使用白石墨烯构造类似的实例。
[0026] 其它也与石墨烯类似的材料，例如MXene，具有化学通式Mn+1Xn，其中Μ是第4族或 第5族的过渡金属，并且X是C或Ν。实例包括Ti 2C*Ti3CN。可将它们描述为2维金属碳 化物或金属碳氮化物薄片。因此，尽管此处所述的实例具体地关于石墨烯进行陈述，但预期 可使用MXene构造类似的实例。
[0027] 描述如下的立方氮化硼（cBN)切削工具，所述切削工具通过向该工具中并入石墨 烯形式的碳，与由目前可得的材料制造的切削工具相比，能够以更高的速度操作并且耐用 时间更长。甚至用石墨烯替换立方氮化硼切削工具中的少量陶瓷也改进工具的断裂韧度， 并且使材料具有改进的切削性能和寿命。通过使用增加均质性的粉末掺合方法可进一步增 强所述改进，所述粉末掺合方法例如为超声混合、立式球磨和喷雾干燥，条件是优化了组成 参数。
[0028] 在一个示例性实施方案中，所述切削工具包含如下的烧结复合片，所述烧结复合 片包含约10体积％到约90体积％立方氮化硼和如下的粘结相，其中所述粘结相包含约0. 1 体积％到约10体积％单层或多层纳米级材料。在示例性实施方案中，所述复合片包含约 30体积％到约80体积％立方氮化硼，和所述粘结相包含约1体积％到约3体积％单层或 多层纳米级材料。所述单层或多层纳米级材料包含石墨烯、MXene、白石墨烯中的至少一种。 在一个实施方案中，使用由美国俄亥俄州代顿Angstron材料制造的石墨烯（产品编号为 N008-100-P-10)。所述粘结相还可包含例如Al 203、Si3N4、TiN、TiC、TiCN或其混合物。在实 施方案中，所述立方氮化硼的粒度小于约20微米。
[0029] 特定铸铁合金例如致密石墨铸铁（CGI)或球墨铸铁的机械加工具有挑战性，因为 在机械加工过程期间生成大量摩擦热。由摩擦引起的对刀尖的加热（通常超过l〇〇〇°C)导 致高cBN含量的PCBN工具（通常具有大于约60体积％ cBN)，由于cBN与铁的化学反应而 快速磨损。用诸如氧化铝的更惰性的陶瓷替换cBN可减轻这种与热有关的问题，但代价是 断裂韧度降低。当cBN的含量远小于约40体积％时，磨损以脆性断裂为主。因此，需要提 供具有低的cBN含量但具有出色的断裂韧度性质的PCBN工具。
[0030] 在不受理论束缚的情况下，推测石墨烯作为韧化剂而阻止陶瓷相中的裂纹扩展。 因此，通过并入可通过增加其断裂韧度改进性能的材料，与目前可得的材料相比，由CBN加 上一定量的石墨烯的组合物形成的工具能够以更高的速度操作并且耐用时间更长。

【具体实施方式】
[0031] 在下文的实验描述中，指定的来源和设备是工作实施方案的示例性说明，并不旨 在加以限制或另外受限于所示例的参数。在如所附权利要求所限定的本发明范围内，可利 用其它适合的来源和设备。
[0032] 实验程序-掺合物：
[0033] 在向cBN基质中并入石墨烯（由美国俄亥俄州代顿Angstron材料（产品编号为 N008-100-P-10)制造）下，制造若干种工具。使用立式球磨机，将粉末掺合物与异丙醇在 250mL容量的广口瓶中用WC碾磨介质在200rpm下混合10分钟。所得浆料在烘箱中在空气 中干燥若干个小时，随后通过40目筛。三种示例性粉末掺合物的制剂列在表1中。
[0034] 表1 -粉末掺合物的组成，以体积％计。
[0035]

【权利要求】
1. 一种用于制造切削工具的烧结复合片，所述烧结复合片包含： 约10体积％到约90体积％立方氮化硼；和 粘结相，其包含约0. 1体积％到约10体积％单层或多层纳米级材料。
2. 根据权利要求1所述的烧结复合片，其中所述单层或多层纳米级材料包含石墨烯、 Mxene、白石墨烯中的至少一种。
3. 根据权利要求1所述的烧结复合片，其中所述烧结复合片包含： 约30体积％到约80体积％立方氮化硼；和 所述粘结相，其包含约1体积％到约3体积％石墨烯。
4. 根据权利要求1所述的烧结复合片，其中所述粘结相还包含A1203、Si3N 4、TiN、TiC、 TiCN中的一种或多种。
5. 根据权利要求1所述的烧结复合片，其中所述立方氮化硼的粒度小于约20微米。
6. 根据权利要求1所述的烧结复合片，其中在小于约75千巴的压力下进行烧结。
7. 根据权利要求6所述的烧结复合片，其中所述烧结在约45千巴的压力和约1500°C 的温度下进行约15分钟到30分钟。
8. 根据权利要求2所述的烧结复合片，其中所述MXene包含过渡金属的碳化物和碳氮 化物。
9. 根据权利要求2所述的烧结复合片，其中所述石墨烯的氧含量小于约2. 0%。
10. -种制造用于制造切削工具的烧结复合片的方法，所述方法包括： 混合具有约10体积％到约90体积％立方氮化硼和粘结相的粉末掺合物，所述粘结相 包含约0. 1体积％到约10体积％单层或多层纳米级材料； 将所述粉末掺合物压制成小球；和 在高压和高温下烧结所述小球。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述单层或多层纳米级材料包含石墨烯、 Mxene、白石墨烯中的至少一种。
12. 根据权利要求10所述的方法，其中所述粉末掺合物包含： 约30体积％到约80体积％立方氮化硼；和 所述粘结相，其包含约1体积％到约3体积％石墨烯。
13. 根据权利要求10所述的方法，其中所述粘结相还包含A1203、Si3N 4、TiN、TiC、TiCN 中的一种或多种。
14. 根据权利要求10所述的方法，其中所述立方氮化硼的粒度小于约20微米。
15. 根据权利要求10所述的方法，其中在小于约75千巴的压力下进行烧结。
16. 根据权利要求10所述的方法，其中所述烧结在约45千巴的压力和约1500°C的温 度下进行约30分钟。
17. 根据权利要求11所述的方法，其中所述石墨烯的氧含量小于约2. 0%。
18. -种用于制造切削工具的烧结复合片，所述烧结复合片包含： 约10体积％到约90体积％立方氮化硼；和 粘结相，其包含约0. 1体积％到约10体积％单层或多层纳米级材料，其中所述单层或 多层纳米级材料的氧含量小于约2. 0%。
19. 根据权利要求18所述的烧结复合片，其中所述单层或多层纳米级材料包含石墨 烯、Mxene、白石墨烯中的至少一种。
20.根据权利要求18所述的烧结复合片，其中所述MXene包含过渡金属的碳化物和碳 氮化物。
【文档编号】C04B35/5831GK104245626SQ201280068379
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年12月5日 优先权日:2011年12月5日
【发明者】阿布德斯-塞米·马利克 申请人:戴蒙得创新股份有限公司