多晶立方氮化硼体的制作方法

本公开内容涉及多晶立方氮化硼(pcbn)体、其制造方法及其用途。

背景技术：

1、目前用于将难加工材料(诸如耐热镍基或钴基超合金(hrsa))加工的工具方案限于使用通常以相对低的切削速度操作的涂层硬质合金工具。这是当今航空航天制造业的普遍做法。

2、加工hrsa合金时发现的主要磨损形态为月牙洼磨损、后刀面/刀尖磨损、沟槽、裂纹、崩刃、塑性变形和灾难性失效。月牙洼通常归因于扩散或溶解磨损(dissolution wear)机制，其中观察到光滑的磨损表面。此外，由于工具材料在升高的切削温度下软化，磨耗与后刀面磨损的发展有关。切削工具的后刀面部分受到工件接触运动和后刀面磨损的影响，这将导致工件的表面质量差、切削过程中的精度差以及随着切削的进行而摩擦增加。多晶立方氮化硼(pcbn)的切削工具能够在高温下保持高硬度，因此在加工hrsa合金时越来越受欢迎。

3、随着在航空发动机制造中对例如通过提高切削速度或具有更高的金属去除率而提高生产率的需求日益增加，针对涂层硬质合金的替代方案已经出现，并可用于hrsa合金的高速加工的半精加工应用中。如今使用的替代方案的示例是具有碳化钛(tic)基或碳氮化钛(ticn)基粘结剂的pcbn切削工具。

4、然而，与硬质合金材料相比，pcbn材料具有更高的成本，并且为了具有成本效益，需要证明比具有tic或ticn作为粘结剂的常规pcbn方案甚至更高的生产率。

5、专利申请wo2011098556a1公开了具有包含tic或ticn的常规粘结相的pcbn材料的示例。作为与常规pcbn组合物的不同之处，专利申请ep3239116a1示出了具有40-85体积百分比(体积％)cbn和15-60体积％粘结相的pcbn烧结体。所述粘结相具有诸如al2o3、aln的铝(al)化合物作为主要成分和含量为全部立方氮化硼烧结体的至多10体积％的诸如一氧化锆(zro)和二氧化锆(zro2)的锆(zr)氧化物化合物作为添加剂。

6、为了满足上述需求，需要一种新型pcbn材料，该新型pcbn材料可用于切削工具体，其中所述pcbn材料具有先进的性能以在加工操作期间提高工具寿命。当获得更好的耐后刀面磨损性和/或耐沟槽磨损(notch wear)性时，对于一些加工应用和操作，将获得延长的工具寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种在加工操作中具有改善的性能的烧结pcbn体。

2、该目的通过如项1中定义的pcbn体和项14的方法来实现。

3、本公开内容提供了一种烧结多晶立方氮化硼(pcbn)体，其包含在40至85体积％之间的立方氮化硼(cbn)粒子和在15至60体积％之间的粘结相，其中所述粘结相包含至少一种金属氧化物和至少一种金属氮化物，其中所述至少一种金属氧化物以在所述粘结剂的总金属氧化物含量中的体积百分比计包含在20至100体积％之间的氧化锆(zro2)和至多80体积％的氧化铝(al2o3)，所述至少一种金属氮化物包含氮化铝(aln)和选自由氮化钒(vn)、氮化铌(nbn)和氮化铪(hfn)组成的组中的至少一种金属氮化物，所述金属氮化物的含量为粘结相的至少10体积％。由此获得了在加工操作中具有改善的性能的pcbn体。

4、本公开内容还提供了一种烧结多晶立方氮化硼(pcbn)体，其包含在40至85体积％之间的立方氮化硼(cbn)粒子和在15至60体积％之间的粘结相，其中所述粘结相包含至少一种金属氧化物和至少一种金属氮化物，其中所述至少一种金属氧化物以在所述粘结剂的总金属氧化物含量中的体积百分比计包含在20至100体积％之间的氧化锆(zro2)和至多80体积％的氧化铝(al2o3)，所述至少一种金属氮化物包含氮化铝(aln)和选自由氮化钒(vn)、氮化铌(nbn)和氮化铪(hfn)组成的组中的至少一种金属氮化物，其中所述选自氮化钒(vn)、氮化铌(nbn)和氮化铪(hfn)中的至少一种金属氮化物的含量为总粘结相的至少10体积％，并且其中所述至少一种金属氧化物占所述总粘结相的至少10体积％，优选地例如至少20体积％或至少30体积％、或至少40体积％、或至少50体积％或至少60体积％。

5、根据一个实施方式，所述烧结多晶立方氮化硼(pcbn)体中aln的含量在所述总粘结相的1至10体积％，诸如1至7体积％，例如2至6体积％或3至5体积％的范围内。根据一些方面，所述pcbn体的所述粘结相还包含至少一种金属氮氧化物，所述至少一种金属氮氧化物是所述至少一种金属氧化物中的一种和所述至少一种金属氮化物中的一种的反应产物。换言之，当所述粘结相包含至少一种金属氮氧化物时，所述至少一种金属氮氧化物是选自由zro2和al2o3组成的组中的金属氧化物与选自由vn、nbn和hfn组成的组中的金属氮化物的反应产物。测试已表明，与具有其它类型的粘结相组成的现有技术方案相比，具有根据上述公开的组成的粘结相的pcbn体的平均工具寿命增加。当所述pcbn体的所述粘结相具有根据上述公开的组成时，当使用相同的切削参数时，与现有技术的方案相比，在加工期间获得更高的耐后刀面磨损性以及更高的耐沟槽磨损性。

6、根据一些方面，所述pcbn体包含50至75体积％的cbn粒子，优选地60至75体积％的cbn粒子，甚至更优选地60至70体积％的cbn粒子。

7、根据一些方面，所述pcbn体包含25至50体积％、优选地25至40体积％、甚至更优选地30至40体积％的粘结相。

8、根据一些方面，所述pcbn体中cbn粒子和粘结相的含量至多为所述pcbn体的100体积％。

9、根据一些方面，所述粘结相中金属氧化物、金属氮化物和金属氮氧化物的含量至多为所述粘结相的100体积％。

10、根据一些方面，所述粘结相包含选自由氮氧化锆(zr(o,n))、氮氧化锆钒((zr,v)on)、氮氧化锆铌((zr,nb)on)和氮氧化锆铪((zr,hf)on)组成的组中的至少一种氮氧化物。

11、根据一些方面，所述粘结相包含选自由氮氧化铝(al(o,n))、氮氧化铝钒((al,v)on)、氮氧化铝铌((al,nb)on)和氮氧化铝铪((al,hf)on)组成的组中的至少一种氮氧化物。

12、根据一些方面，所述粘结相由zro2、al2o3、aln和选自由vn、nbn和hfn组成的组中的至少一种金属氮化物组成。

13、根据一些方面，所述选自由vn、nbn和hfn组成的组中的金属氮化物占所述总粘结相的至多60体积％，例如占所述总粘结相的至多50体积％，例如占所述总粘结相中的至多40体积％或至多30体积％或至多20体积％。通过使总粘结相的至多60体积％或至多50体积％或至多40体积％或至多30体积％或至多20体积％为选自由vn、nbn和hfn组成的组中的金属氮化物，与仅包含金属氧化物相的粘结剂相比，材料机械性能和耐切削刃崩裂性得到改善。

14、根据一些方面，所述选自由vn、nbn和hfn组成的组中的金属氮化物占所述总粘结相的10至50体积％之间。通过使总粘结相的10至50体积％为选自由vn、nbn和hfn组成的组中的金属氮化物，与仅包含金属氧化物相的粘结剂相比，材料机械性能和耐切削刃崩裂性得到改善。

15、根据一个实施方式，所述选自由vn、nbn和hfn组成的组中的金属氮化物占所述总粘结相的至少20体积％或至少30体积％或至少40体积％。

16、根据一个实施方式，所述至少一种金属氧化物和氮化铝(所述氮化铝的含量如本文中进一步规定的)一起，占所述总粘结相的至多90体积％或至多80体积％或至多70体积％或至多60体积％或至多50体积％或至多40体积％或至多30体积％或至多20体积％。

17、根据一些方面，所述粘结相由zro2，al2o3，aln，选自由vn、nbn和hfn组成的组中的至少一种金属氮化物以及选自由zr(o,n)、(zr,v)on、(zr,nb)on、(zr,hf)on、al(o,n)、(al,v)on、(al,nb)on和(al,hf)on组成的组的至少一种氮氧化物组成。测试已表明，与具有其它类型的粘结相组成的现有技术方案相比，包含由zro2，al2o3，aln，选自由vn、nbn和hfn组成的组中的至少一种金属氮化物以及选自由zr(o,n)、(zr,v)on、(zr,nb)on、(zr,hf)on、al(o,n)、(al,v)on、(al,nb)on和(al,hf)on组成的组的至少一种氮氧化物组成的粘结相的pcbn体的平均工具寿命增加。

18、根据一些方面，所述氮氧化物和金属氮化物占所述pcbn体的所述总粘结相的10至50体积％。优选地，所述氮氧化物和金属氮化物占所述pcbn体的所述总粘结相的25至50体积％。

19、根据一些方面，所述zro2占所述粘结相的总金属氧化物含量的20至90体积％。优选地，所述zro2占所述粘结相的总金属氧化物含量的50至90体积％，甚至更优选地，所述zro2占所述粘结相的总金属氧化物含量的70至90体积％。

20、根据一些方面，所述al2o3占所述总粘结相的5至25体积％。优选地，所述al2o3占所述总粘结相的5至15体积％。根据一个实施方式，所述粘结相中可以包含其它成分，例如tic或其它常规使用的成分。然而，所述粘结相优选由金属氧化物和金属氮化物组成，如本文进一步规定的。

21、根据一些方面，所述pcbn体被硬质合金背衬体背衬。

22、根据一些方面，所述pcbn体涂覆有厚度为0.8μm至15μm之间的pvd或cvd涂层。

23、根据一些方面，所述pcbn体涂覆有pvd涂层，所述pvd涂层包含作为单个(ti1-xalx)nz(其中0.1<x<0.4，0.6<z<1.2)层的第一(ti,al)基氮化物子涂层、和作为包含(ti1-x1-y1alx1cry1)nz1(其中0.5<x1<0.75，0.05<y1<0.2，0.6<z1<1.2)层的层叠结构的第二(ti，a1)基氮化物子涂层。优选地，所述第一(ti,al)基氮化物子涂层具有0.1μm至2μm之间的厚度。所述具有层叠结构的第二(ti,al)基氮化物子涂层可以由交替的a层和b层组成：a/b/a/b/a/b/…，其中，层a为(ti1-xalx)nz(0.1<x<0.4，0.6<z<1.2)，且层b为(ti1-x1-y1alx1cry1)nz1(0.5<x1<0.75，0.05<y1<0.2，0.6<z1<1.2)。优选地，所述第二(ti,al)基氮化物子涂层具有厚度为0.5μm至10μm之间的层叠结构，并且所述层叠结构的a层和b层具有1nm至100nm、优选地5nm至50nm、最优选地5nm至30nm的平均单个层厚度。

24、根据一些方面，所述pcbn体涂覆有pvd涂层，所述pvd涂层包含交替的a层和b层的柱状多晶纳米层叠结构，其中层a是(ti1-xalxme1p)na(其中0.3<x<0.95，优选地0.45<x<0.75，0.90<a<1.10，优选地0.96<a<1.04，0≤p<0.15，并且me1是zr、y、v、nb、mo和w中的一种以上)，层b是(ti1-y-zsiyme2z)nb(0.05<y<0.25，优选地0.05<y<0.18，0≤z<0.4，0.9<b<1.1，优选地0.96<b<1.04，并且me2是y、v、nb、mo、w和al中的一种以上)。所述纳米层叠结构具有0.5μm至10μm之间、优选地0.5μm至5μm之间的厚度，平均柱宽为20nm至1000nm之间，并且a层和b层的平均单个厚度为1nm至50nm之间。

25、根据一些方面，所述pcbn体是切削工具或切削工具的切削尖端。所述切削工具用于诸如在车削、铣削或钻孔操作中通过去除碎屑进行加工。所述切削工具的示例有可转位切削刀片、整体钻头和立铣刀。

26、本公开内容提供了一种制造根据上述方面中任一项的pcbn体的方法，包括以下步骤：

27、(a)提供平均粒度为0.5μm至15μm之间的立方氮化硼(cbn)粉末，

28、(b)提供粘结剂成分，所述粘结剂成分包含zro2或者是zro2和al2o3的混合物，选自由vn、nbn和hfn组成的组中的至少一种金属氮化物，和金属铝，所述至少一种金属氮化物占粘结剂混合物的至少10体积％，

29、(c)将所述粘结剂成分与所述cbn粉末混合成粉末混合物，

30、(d)碾磨所述粉末混合物，

31、(e)形成所述粉末混合物的生坯，

32、(f)在高于600℃的温度下在真空下对所述生坯进行热处理，以确保充分脱气并且去除所吸收的物质，

33、(g)在至少1200℃的温度和至少4gpa的压力下对所述生坯进行烧结，以形成实心烧结pcbn致密体，从而形成pcbn体。

34、根据一个实施方式，所述金属铝以所添加成分总量的1至10体积％或1至5体积％的量添加。

35、根据一些方面，对所述生坯的热处理在低于1100℃的温度下进行。

36、根据一些方面，所述生坯的烧结步骤在低于2000℃的温度下进行。

37、根据一些方面，随后通过使用电火花加工(edm)或激光将所制造的实心烧结pcbn致密体切削成零件。

38、本公开内容提供了根据上述方面中任一项的pcbn体在用于对镍基和/或钴基超合金进行加工中的用途。