立方氮化硼压块的制作方法

立方氮化硼压块的制作方法
【专利摘要】本发明涉及立方氮化硼压块，其包含立方氮化硼颗粒的多晶物质以及粘合剂相，所述多晶物质的存在量是至少70体积%，所述粘合剂相为金属特性。本发明提供了其中粘合剂相优选为超耐热合金特性的压块。
【专利说明】立方氮化硼压块
[0001]本申请是 优先权日:为2006年12月11日、发明名称为“立方氮化硼压块”的中国发明专利申请200780045918.6 (国际申请号为PCT/IB2007/055019)的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及立方氮化硼(CBN)磨料压块(compact)。
【背景技术】
[0003]氮化硼典型地以三种晶体形式存在，即立方氮化硼(CBN)、六方氮化硼(hBN)和纤锌矿型立方氮化硼(wBN)。立方氮化硼为结构类似于金刚石的氮化硼的硬质闪锌矿形式。在CBN结构中，原子之间形成的健是牢固的，主要为共价四面体健。
[0004]CBN在机加工工具等中具有广泛的商业应用。可以将其用作砂轮、刀具等中的磨料颗粒，或者使用常规电镀技术将其粘结于工具本体以形成工具嵌体。
[0005]CBN也可以按粘结形式用作CBN压块，也称作PCBN(多晶CBN)。CBN压块包含CBN颗粒的烧结物质。当CBN含量为该压块的至少70体积％时，存在大量的CBN与CBN接触。当CBN含量较低时，例如在该压块的40-60体积％范围内，这时直接的CBN与CBN接触的程度是有限的。
[0006]CBN通常还可含有基本是陶瓷性质的粘合剂。当压块的CBN含量小于70体积％时，基质相即非CBN相还将典型地包含另外或第二硬质相，该相通常也是陶瓷性质的。适宜的陶瓷硬相的实例为第4、5或6族过渡金属(依据新的IUPAC版式)的碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物，氧化铝，及它们的混合物。该基质相构成组合物中除CBN之外的全部成分。
[0007]CBN压块倾向于具有良好的抗磨损性，是热稳定的，具有高导热性、良好的抗冲击性并且与工件滑动接触时具有低 的摩擦系数。通常将具有或不具有基材(该基层在烧结处理期间被整体粘结至PCBN层)的CBN压块切割成待用的特定切削或钻孔工具的所需尺寸和/或形状，并然后使用钎焊技术安装在工具本体上。
[0008]CBN压块可以在工具嵌体或工具的成形中直接机械固定于工具本体。然而，对于许多应用，优选将该压块粘结于基材/载体材料，形成负载的压块结构，并然后将该负载的压块结构机械固定于工具本体。该基材/载体材料典型地为胶结金属碳化物，其与粘合剂如钴、镍、铁或者其混合物或合金粘结在一起。金属碳化物颗粒可以包含钨、钛或钽的碳化物颗粒或其混合物。
[0009]制造多晶CBN压块和负载的压块结构的已知方法包括，使CBN颗粒的未烧结物质与粉状基质相一起经受高温和高压(HPHT)条件(即CBN在结晶学或热力学上稳定的条件)适当的时间段。
[0010]所用的典型高温高压条件为1100°c或更高的温度和2GPa或更高数量级的压力。保持这些条件的时间段通常为约3-120分钟。
[0011 ] 具有至少70体积％CBN含量的CBN压块称作高CBN PCBN材料。它们广泛地应用于制造对灰口铸铁、白口铸铁、粉末冶金钢、工具钢和高锰钢进行机加工所用的切削工具。除了使用条件例如切削速度、切削的进刀和深度外，通常已知PCBN工具的性能还取决于工件的几何形状，且特别地取决于该工具是否长时期不变地作用于工件，本领域中称作为“连续切削”，或者取决于该工具是否以断续方式作用于工件，本领域中通常称作“断续切削”。
[0012]高CBN PCBN材料典型地用于灰口铸铁、白口铸铁、高锰钢和粉末冶金钢的粗加工和精加工操作。
[0013]在对该领域的深入研究之后发现，这些不同模式的切削、机加工操作和不同类型的工件材料对构成工具切削刃的PCBN材料具有非常不同的要求。典型地，这些应用领域中就高性能而言的PCBN材料应具有高的抗磨损性、高的抗冲击性、高的导热性、良好的抗月牙洼磨损性和良好的耐热性，即能够在高温下维持这些性能。切削工具尖端在机加工期间可达到约1100°C的温度。
[0014]应用中提供上述行为的性能组合仅可通过如下材料实现:该材料具有高CBN含量(高于70体积％)和能与CBN形成高强度粘结的粘合剂相，高韧性且在高温下可保持其性倉泛。
[0015]高CBN含量PCBN材料的常规PCBN材料设计方法曾使用金属基起始材料与CBN反应形成作为粘合剂相的稳定陶瓷化合物。高压高温烧结的PCBN材料基本上无孔隙且是陶瓷性质的。已知陶瓷材料具有高的抗磨损性、高的导热性、良好的抗月牙洼磨损性，但它们由于其固有的脆性而缺乏抗冲击性。
[0016]主要问题是，工具趋于因粘合剂相的弱点而破裂或碎裂所致的灾难性失效，其由于市场中对于更高产率的日益增加的需求而加剧。这典型地导致工具的缩减寿命，这使得必须定期更换工具。这进而典型地导致不希望的生产成本增加。
[0017]CBN是高CBN含量PCBN材料中的最关健组分。其提供硬度、强度、韧性、高导热性、高抗磨损性和与含铁材料滑动接触时的低摩擦力。因此粘合剂相的主要作用是为结构中的CBN晶粒提供高强度粘结和补充复合物中的CBN性能，特别是弥补CBN相的脆性。
[0018]需要开发改善的CBN基材料,该材料起到更有效的作用，例如表现出改善的抗磨损性、导热性、抗冲击性和耐热性。

【发明内容】

[0019]根据本发明，立方氮化硼压块(PCBN)包含立方氮化硼颗粒的多晶物质和粘合剂相，所述多晶物质以至少70体积％的量存在，所述粘合剂相在特性上为金属性。
[0020]本发明的要点是粘合剂相在特性上为金属性。换言之，粘合剂相在性质上主要是金属性的。因此，由其产生PCBN的组合物中存在的金属在最终烧结PCBN材料中基本保持为金属形式。
[0021 ] 典型地，至少50体积％、更优选60体积％的粘合剂相是金属。
[0022]粘合剂相优选使得压块表现出磁性行为，从而使其具有至少0.350X 10_3韦伯的比饱和磁化强度。
[0023]根据本发明的优选形式,粘合剂相是具有超耐热合金(superalloy)特性的粘合剂相。特别地，该粘合剂相优选基本由包含如下成分的合金构成:
[0024].至少40重量％、优选至少50重量％的一种或多种选自镍、铁和钴的第一兀素，
[0025]?两种或更多种选自如下第一组合金化元素的第二元素:铬、钥、鹤、镧、铺、乾、银、钽、锆、钒、铪、铝和钛。该组元素可典型地占合金的5-60重量％。
[0026]合金粘合剂还可以含有一种或多种选自如下第二组合金化元素的第三元素:碳、猛、硫、娃、铜、憐、砸、氣和锡。
[0027]本文和权利要求书中使用的术语“基本由……构成”表示粘合剂含有合金和任何其它仅仅以不影响粘合剂的基本合金(优选超耐热合金)特性的痕量或少量存在的元素。
[0028]含有上文限定的优选超耐热合金特性的立方氮化硼压块具有特有的粘合剂结构，使得:
[0029].依照于X-射线衍射分析:最高强度的衍射峰(除CBN外)是对应于主要的Co、Fe或Ni合金组分的金属峰。该峰在纯Co、Ni或Fe最高强度衍射峰的任何一侧上的位移不大于1.5度2 Θ。
[0030].依照于元素分析(使用例如X-射线荧光和能量色散谱的表征方法)，粘合剂相还含有可检测水平的至少两种或更多种上文限定的第二元素。当存在时，一种或多种第三元素也将是可检测的。
[0031]粘合剂相优选还含有少量的合适氧化物。该氧化物在存在时优选分散在整个粘合剂相中并且据认为有助于确保粘合剂相性能、特别是高温性能得到提高。合适氧化物的例子选自稀土氧化物，氧化钇，4、5、6族的氧化物，氧化铝，氧化硅，和称作SIALON的硅铝氮氧化物。氧化物相优选是微细的并且典型以亚微米尺寸的颗粒存在。
[0032]氧化物在存在时优选以粘合剂相和氧化物总和的小于5质量％的量存在。粘合剂相中存在的少量氧化物不影响粘合剂相的金属性质或特性。任何其它陶瓷相仅以痕量存在，同样不影响粘合剂相的基本金属性质或特性。
[0033]立方氮化硼 压块典型地包含70-95体积％CBN、优选70_90且最优选优选75_85体
典型地，CBN平均颗粒尺寸为亚微米至约10 μ m。可以使用任选具有多峰尺寸分
布的较粗CBN颗粒尺寸。
[0034]还根据本发明，适合于制造立方氮化硼压块(PCBN)的组合物包含立方氮化硼的粒状物质、粒状金属粘合剂和任选的具有可以为亚微米即I μ m或更小颗粒尺寸的合适氧化物，该氧化物在存在时以金属粘合剂和氧化物总和的小于5质量％的量存在。该氧化物优选是上文所述的氧化物。
[0035]粒状金属粘合剂优选包含制备具有超耐热合金特性的合金所需的金属组分。
[0036]根据本发明的另一个方面，通过使上述组合物经受适合于由该组合物产生压块的提高温度的条件来制备立方氮化硼压块(PCBN)。
【专利附图】

【附图说明】
[0037]图1和2分别是合金组合物和由这样的合金组合物制成的烧结PCBN的XRD扫描。
[0038]图3是现有技术PCBN材料的烧结组合物的参照XRD扫描。
【具体实施方式】
[0039]本发明涉及CBN压块，更具体地，涉及包含多晶CBN和粘合剂相以及任选的少量合适氧化物的CBN压块，所述粘合剂相基本上是金属特性且优选是超耐热合金特性，所述合适氧化物优选为氧化钇。[0040]该压块是高CBN PCBN材料，其中CBN内含物是最关键的组分，并且其提供硬度、强度、韧性、高导热性、高抗磨损性和与含铁材料接触时的低摩擦系数。该立方氮化硼压块典型地包含70-95体积％CBN、优选70-90且最优选75-85体积％CBN。如果CBN含量高于95体积％，则粘合剂相不能有效地与CBN颗粒形成高强度粘结，这是因为形成高分数的脆性陶瓷反应产物。在另一方面，如果CBN含量小于70体积％，则主要是金属性的粘合剂相与铁基工件材料相互作用，从而降低切削效率且增加磨料磨损、粘着磨损和化学磨损。
[0041]本发明的另一个基本特征是主要为金属性质的粘合剂相。优选地，该粘合剂相具有超耐热合金特性的冶金学性质(metallurgy)。超耐热合金是为耐高温和腐蚀的应用而设计的特殊类别的铁、镍、钴合金。先前不知道将它们用作PCBN的粘合剂体系。这种粘合剂相优选包含处在多晶CBN结构内的金属合金或化学均匀组合物的混合物，从而改善材料的总体性能。
[0042]正是这种粘合剂相的存在给CBN压块提供了其优异的耐热性、抗磨损性和抗冲击性性能。
[0043]该粘合剂相优选基本由含有如下成分的合金构成:
[0044].至少40重量％的一种或多种选自镍、铁和钴的第一元素，
[0045]?两种或更多种选自如下合金化元素的第二元素:铬、钥、鹤、镧、铺、乾、银、钽、错、钥、給、招和钦。
[0046]该合金粘合剂还可以含有一种或多种选自如下第二组合金化元素的第三元素:碳、猛、硫、娃、铜、磷、硼、氮和锡。
[0047]可通过使包含粒状立方氮化硼颗粒、粒状形式的所选金属粘合剂和任选的合适氧化物的组合物经受适合于产生压块的提高的温度和压力条件。所使用的典型高温和高压(HpHT)条件为1100°C或更高的温度以及2GPa或更高、优选4GPa或更高量级的压力。保持这些条件的时间段通常为约3-120分钟。
[0048]在压块制造期间附加的金属或金属合金可以从另外来源渗入未粘结的组合物。金属或金属合金的其它来源典型包含例如来自硬质合金基材的铁、镍或钴的金属，在施加高温和高压条件之前将组合物置于所述基层的表面上。
[0049]本发明的CBN压块将典型地表现出下面的粘合剂相特性:
[0050]主要是金属性的特性
[0051]本发明的CBN压块具有主要是金属特性的粘合剂。与本领域已知的大多数高CBN含量PCBN材料相反，本发明的起始或未烧结混合物中的金属粘合剂相材料在HpHT条件下不与CBN颗粒明显反应原位产生主要是陶瓷性的相例如氮化物和硼化物。
[0052]制备PCBN的现有技术反应途径产生主要是陶瓷特性的粘合剂相:例如，在金属铝基粘合剂体系中(例如US4，666，466中描述的粘合剂体系)，金属铝几乎完全与CBN反应产生包含铝的氮化物和硼化物的粘合剂体系。这种类型的反应过程及其所得产物在制备良好烧结或胶结的PCBN材料中被看作是关键的。所得陶瓷相将典型地在PCBN复合物结构中具有比烧结前引入的金属相更加理想的物理和化学性能。因此，起始材料中存在的主要具有金属特性的粘合剂相(其继续存在于烧结的PCBN中)通常看作是不理想的，这是因为:
[0053].这些金属将典型地不具有合适的抗磨损性以致无法形成PCBN材料的主要部分而不有害影响性能:[0054].以及因为金属的继续存在而将典型表明与CBN颗粒的不完全反应；且因此表明CBN和粘合剂之间的不充分粘结。
[0055]不希望受理论束缚，认为本发明中(特别是以其优选形式)的粘合剂相的金属特性可由于包含合金化元素而得到满足，所述合金化元素与CBN颗粒充分反应以有效地烧结材料。巧合地，还发现这些合金化元素和另外的添加剂也改善粘合剂的性能，使得它们对PCBN本身的材料性能具有积极贡献。
[0056]使用在结构上敏感的技术例如X-射线衍射分析可容易地确立粘合剂相的金属性质。在金属的简单单质存在不指示它们的化学形态(speciation)时,可使用X-射线衍射来确定粘合剂相的关键元素例如Fe、Ni和/或Co的结构性质即金属性质。
[0057]因此本发明的CBN压块材料(以它们的优选形式)的标准X-射线衍射分析显示出对应于Fe、Ni或Co的至少一个金属相的强粘合剂峰。这将是合金中的主要金属。因此除CBN峰外，这种金属组分的峰将是观测到的最强峰。与粘合剂体系内发生的同其它元素的合金化及同CBN的反应相关的结构偏移将典型地导致该峰相对于纯金属参照物稍微移位至较小或较大的2 Θ值。这种移位从纯金属峰起在任一方向上小于1.5度2 Θ、更优选小于1.0度2 0。
[0058]另外合金化材料的存在
[0059]粘合剂相冶金学性质的进一步优选的要求是，其包含选自如下的至少两种第二元素:铬、钥、钨、镧、铈、钇、铌、钽、锆、钒、铪、铝和钛。这些元素的累积重量百分数典型地为粘合剂合金的5-60重量％。
`[0060]使用合适的元素分析技术例如X-射线荧光或能量色散谱可容易地确定这些元素的存在。
[0061]该粘合剂合金还可以包含至少一种选自如下的附加合金化元素:碳、锰、硫、硅、铜、磷、硼、氮和锡。
[0062]磁特性
[0063]众所周知铁、镍、钴和一些稀土元素(钆、镝)表现出称作铁磁性的独特磁性行为。材料可根据它们对外加磁场的响应分类为反磁性、顺磁性或铁磁性。这些磁性响应的强度极大地不同。反磁性是所有材料的性能且对抗施加的磁场，但其非常弱。顺磁性在存在时比反磁性强且沿施加的磁场方向产生磁化强度，并与施加的磁场成比例。铁磁性效应非常大，有时产生比施加的场大若干数量级的磁化强度，因此比反磁性或顺磁性效应大很多。
[0064]本发明的PCBN含有的粘合剂相具有金属特性，该相优选含有大量的铁、镍和钴中的一种或多种。因此PCBN将典型地表现出磁性行为，使得其具有至少0.350X10_3韦伯的比饱和磁化强度。
[0065]比饱和磁化强度表征了铁磁性相并且其原则上不依赖于样品的结构和形状。当铁磁性材料处于磁场中时，其被磁化。其磁化强度值随施加的磁场而增加，并然后达到最大值。比饱和磁化强度是最大磁矩与材料质量之比。通过将样品移出磁场并且测量线圈中的感应e.m.f(电动势),可实现磁矩测定。该积分(integral)与样品的比饱和磁化强度值成比例，条件是其在磁场中是饱和的。
[0066]任选存在微细氧化物
[0067]还发现通过加入少量合适的微细氧化物可改善本发明的PCBN材料。该氧化物当存在时通常均匀分散在整个粘合剂相中并且被认为有助于确保粘合剂相性能、特别是高温性能得到提闻。
[0068]合适氧化物的例子选自稀土氧化物，氧化钇，4、5、6族元素的氧化物，氧化铝，氧化硅，和称作SIALON的硅铝氮氧化物。氧化物相典型以亚微米尺寸的颗粒存在。氧化物加入的优选水平为小于(粘合剂的)5重量％ ;更优选小于(粘合剂的)3重量％。
[0069]本发明的立方氮化硼压块典型地用于硬质含铁材料例如灰口铸铁、高铬白口铸铁、高锰钢和粉末冶金钢的机加工。
[0070]现将参照下面的非限定性实施例更加详细地描述本发明:
[0071]实施例
[0072]实施例1:本发明材料的改善性能
[0073]材料A
[0074]将合金粉末与约I重量％亚微米(即75纳米)Y2O3粉末一起粉碎研磨。该合金粉末的组成如下:
[0075]
【权利要求】
1.一种制造立方氮化硼压块的方法，所述立方氮化硼压块包含 Ca)立方氮化硼颗粒的多晶物质，其存在量是至少70体积％ ； (b)粘合剂，所述粘合剂基本上由以下合金组成:该合金包含至少40重量％的一种或多种选自镍、铁和钴的第一元素，且该合金的余量包含两种或更多种选自铬、钥、钨、镧、铈、钇、铌、钽、锆、钒、铪、铝和钛的第二元素，所述两种或更多种第二元素的累积重量百分比是5-60重量％， 所述方法包括将包含粒状立方氮化硼颗粒和粒状形式的所选金属粘合剂的组合物经受适合于制造压块的高温和压力条件，所述金属粘合剂包含用以产生所述合金的金属组分； 其中所述高温是1100°c以上，且其中所述压力条件是2GPa以上。
2.根据权利要求1的方法，其中所述压块的粘合剂的至少50体积％是金属。
3.根据权利要求1的方法，其中所述压块的粘合剂的至少60体积％是金属。
4.根据权利要求1的方法，其中所述合金包含一种或多种选自碳、锰、硫、硅、铜、磷、硼、氮和锡的第三元素。
5.根据权利要求1的方法，其中所述合金包含至少50重量％的所述第一元素。
6.根据权利要求1的方法，其中经受高温和压力条件的所述组合物包含氧化物。
7.根据权利要求6的方法，其中所述氧化物为亚微米尺寸。
8.根据权利要求6的 方法，其中所述氧化物以小于粘合剂和氧化物总和的5质量％的量存在。
9.根据权利要求6的方法，其中所述氧化物选自稀土氧化物，氧化钇，4、5、6族金属的氧化物，氧化硅，氧化铝，和硅铝氮氧化物。
10.根据权利要求6的方法，其中所述氧化物分散在整个粘合剂中。
11.根据权利要求1的方法，其中所述压块包含70-95体积％的CBN。
12.根据权利要求1的方法，其中所述压块包含70-90体积％的CBN。
13.根据权利要求1的方法，其中所述压块包含75-85体积％的CBN。
14.根据权利要求1的方法，其中所述CBN颗粒的平均颗粒尺寸为亚微米至10微米。
15.立方氮化硼压块，其包含立方氮化硼颗粒的多晶物质和粘合剂相，所述多晶物质的存在量是至少70体积％，其中所述粘合剂基本上由以下合金组成:该合金包含至少40重量％的一种或多种选自镍、铁和钴的第一元素，且该合金的余量包含两种或更多种选自铬、钥、钨、镧、铈、钇、铌、钽、锆、钒、铪、铝和钛的第二元素。
16.根据权利要求15的立方氮化硼压块，其中至少50体积％的所述粘合剂相是金属。
17.根据权利要求15的立方氮化硼压块，其中至少60体积％的所述粘合剂相是金属。
18.根据权利要求15的立方氮化硼压块，其中所述合金包含一种或多种选自碳、锰、硫、娃、铜、磷、硼、氮和锡的第三元素。
19.根据权利要求18的立方氮化硼压块，其中所述合金包含至少50重量％的所述第一元素。
20.根据权利要求18至19中任一项的立方氮化硼压块，其中所述合金包含5-60重量％的所述第二元素。
21.根据权利要求15的立方氮化硼压块，其还包含氧化物，所述氧化物以小于粘合剂相和氧化物总和的5质量％的量存在。
22.根据权利要求21的立方氮化硼压块，其中所述氧化物选自稀土氧化物，氧化钇，4、5、6族金属的氧化物，氧化铝，氧化硅，和硅铝氮氧化物。
23.根据权利要求21或22的立方氮化硼压块，其中所述氧化物分散在整个粘合剂相中。
24.根据权利要求15-19和21-22中任一项的立方氮化硼压块，其包含70-95体积％的CBN。
25.根据权利要求15-19和21-22中任一项的立方氮化硼压块，其包含70-90体积％的CBN。
26.根据权利要求15-19和21-22 中任一项的立方氮化硼压块，其包含75-85体积％的CBN。
【文档编号】C22C29/16GK103451460SQ201310048964
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2007年12月11日 优先权日:2006年12月11日
【发明者】A·R·特韦尔斯基, N·坎 申请人:六号元素（产品）（控股）公司