工具部件的制作方法
【专利说明】工具部件
[0001]本发明是优先权是为2007年2月28日、发明名称为“工具部件”的中国发明专利申请第200880006477.3号(国际专利申请号PCT/IB2008/050717)的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及工具部件。
【背景技术】
[0003]利用金刚石复合片(也称为多晶金刚石(PCD))和立方氮化硼复合片(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，该载体通常为烧结碳化物载体。该PCD或PCBN层可呈现尖锐的切削刃或切削点或者切削表面或研磨表面。
[0004]P⑶包括含有大量的直接金刚石与金刚石粘结的金刚石颗粒物料。P⑶将典型地具有第二相，该第二相包含金刚石催化剂/溶剂例如钴、镍、铁或包含一种或多种这样的金属的合金。PCBN通常还会包含粘结相，该粘结相典型是cBN催化剂或包含这样的催化剂。合适的粘结相的例子是铝、碱金属、钴、镍、钨等。
[0005]PCD切削元件广泛用于机加工一系列的金属和合金以及木制复合材料。特别地，汽车、航空航天以及木材加工工业使用PCD，以便从其提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，铝合金、双金属、铜合金、碳/石墨增强的塑料和金属基质复合物是用PCD进行机加工的典型材料。层合铺地板、水泥板、刨花板、碎料板和胶合板是这类木材产品的例子。PCD还在石油钻探工业中用作钻体的镶嵌件(insert)。
[0006]在机加工期间，切削工具的失效通常由下列过程中的一个或其组合引起:
[0007].由于破坏性的断裂(突然失效)
[0008]?由于累积磨损(渐进性失效)
[0009].由于塑性变形(突然失效)
[0010]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，所述工具材料如在提高的温度下保持其强度的PCD。渐进性磨损导致的工具失效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、月牙洼磨损、DOC(切削深度)缺口磨损以及尾缘缺口磨损。侧面磨损带的宽度(VBBmax)是合适的工具磨损量度，并且VBBmax的预定值被视为良好的工具寿命标准[国际标准(ISO)3685，1993，使用单点车削工具测试的工具寿命]。在特定应用中产生磨损特征(磨痕)的磨损模式通常依赖于切削工具的显微组织、机加工条件和切削刃的几何结构。磨损模式可以包括磨料磨损、微观断裂磨损(碎裂、剥落和开裂)、粘着磨损(形成切肩瘤)或摩擦化学磨损(扩散磨损和形成新的化合物)。通常将大量的时间和精力花费在寻找最优的工具材料、几何结构和机加工参数。
[0011]金刚石的高硬度是PCD的良好磨损特性的原因，然而，该高硬度负面地影响其断裂或耐切肩性。当在某种应用中工具处于使用的磨合(break-1n)阶段或早期阶段时，PCD的该低耐切肩性可以通过微观断裂磨损模式而引起破坏性的断裂或磨损。为了阻止破坏性的断裂，通常在切削刃上制备倒棱和珩磨头以便增加其强度。
[0012]相对于碳化物较低的PCD耐切肩性将其应用限制于仅仅精加工用途。在粗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很容易断裂，导致工具过早失效。另一方面碳化物比PCD磨损得快，但是耐切肩性更高。不同于在精加工操作中，在粗加工操作中尺寸容限不是很重要(VBBmax>0.6)，这意味着工具磨损不是主要的因素，而耐切肩性是。而且，在较不苛刻的应用中，如MDF(中密度纤维板)低SiAl合金和刨花板，磨损率通常比较低，所以碳化物因较低的价格-性能比而成为优选。
[0013]除此之外，由于PCD的高硬度导致加工成本可能会高，使得它不如碳化物引人注意。由高温高压(HPHT)合成生产的超硬切削工具材料(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过几个加工步骤。这些加工步骤通常包括以下:
[0014]I)从超硬研磨表面和合成的盘片侧面去除金属杯状物，通常为钽或铌或钼的杯状物；
[0015]2)整体去除超硬研磨台的外部以便得到优选性能；
[0016]3)在上表面上进彳丁半精加工；
[0017]4)在上表面上进行抛光(精加工)。当用90°、3μπι的触针测量时，通常抛光的P⑶层具有Ra = 0.01 μ m的粗糙度；通常并不抛光PCBN
[0018]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性质，抛光可能是最成问题的。通常，在应用中需要研磨层的高品质的表面光洁度以增强其性能。
[0019]目前可用的PCD切削工具的另一缺点是并不将它们设计用于机加工钢铁材料。例如，当机加工铸铁时，在切削刃处的切削力以及切削温度比非铁材料机加工显著更高。由于P⑶在700°C左右开始石墨化，因此当机加工钢铁材料时，这将其用途限制为较低切削速度，使它相对于碳化物工具在某些应用中不经济。
[0020]US 5，833，021公开了一种多晶金刚石刀具，该刀具具有施加于多晶金刚石表面的难熔涂层以便提高刀具的工作寿命。难熔层具有0.1 — 30微米的厚度并且应用于合成后操作，例如镀覆或者化学或物理沉积。
[0021]US 6，779，951公开了一种多晶金刚石刀具，其中经由另一金属层将钼层施加于多晶金刚石表面。其它金属层可以是铌、钽、锆、钨和其它类似的此类金属或包含此类金属的合金。所述层是厚的，具有大于100微米的厚度。
[0022]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侧表面上的金属层。合适的金属的例子是钼。
[0023]US 3，745，623公开了在钛或锆的防护罩中制备P⑶，其中的一些在制备期间转化为碳化物。该钛或错的防护罩的薄层可留在P⑶上位于断肩槽(chip breaker)面上方。
【发明内容】
[0024]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100微米的厚度且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、钽和铌的金属的较软层，较软层的金属是金属、金属碳化物或它们的组合的形式，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。
[0025]较软层为工具部件提供了比多晶金刚石软的层。由于一些金属已扩散进入与该较软层的界面邻接的多晶金刚石区域，并且存在于多晶金刚石的该区域中，因此该较软层牢固地粘结于多晶金刚石的工作表面。一些金属例如钴，将作为多晶金刚石中的第二相存在于该较软层中。因而，在该较软层和多晶金刚石之间的粘结本质上是扩散粘结。例如，在多晶金刚石的制备期间可以产生这样的粘结，即，产生该较软层并且在这样的制备期间将其原位粘结于多晶金刚石。使用例如US 5，883，021中所述的合成后涂覆或沉积方法不能得到这样的牢固粘结，在所述方法中，在苛刻环境下很可能发生较软碳化物层的分层。
[0026]已经发现，将较软顶层提供于金刚石材料改善了其中耐切肩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)、铝合金、铸铁、钛合金、耐热超合金(HRSA)和淬火钢的铣削、锯割和铰孔。需要高耐切肩性的另一应用是在钻探石油和天然气中。在这种应用中，钻头必须钻穿过各种类型的岩层(具有不同的性质)，从而在切削刃上产生冲击负荷。钻头旋转也将在切削刃上产生冲击负荷。某些车削应用也可能需要耐切肩性。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，这进而降低了切削刃的强度。过去，在工业中试图通过在切削刃上施加倒棱和珩磨头来对其加以弥补，并通过这样做来增大镶嵌件的楔角。其中需要耐切肩性的两个其它车削应用是车削钛和耐热超合金，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)的半径或通过改变镶嵌件的接近角来对其加以弥补。
[0027]较软层可仅延伸跨工作表面的一部分或跨整个工作表面。
[0028]多晶金刚石层的工作表面优选是这样的层的上表面，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。较软层优选从切削刃或切削点延伸跨过工作表面的至少一部分。
[0029]较软层的金属的形式可以是金属本身或者碳化物或它们的组合。优选地，该较软层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及来自多晶金刚石第二相的金属组成。
[0030]对于本发明重要的是，该较软层具有至多100微米的厚度。已经发现，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木材加工应用中并不是特别有效。该较软层优选具有至少50微米的厚度。
[0031]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软层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属杯状物或壳体中，然后使所述金属杯状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。一些所述金属杯状物或壳体在制备期间附着或粘结于多晶金刚石的外表面。由于该金属是碳化物形成元素，因此将会发生一些碳化物的形成，特别在接触金刚石的区域中。在从高温/高压装置回收多晶金刚石之后，例如通过研磨去除来自杯状物的任何过多金属和/或碳化物，留下具有至多100微米厚的较软层。来自该杯状物或壳体的一些