專利名稱：Pcbn材料、包含該材料的工具元件及其使用方法
PCBN材料、包含該材料的工具元件及其使用方法本公開大體上涉及PCBN材料以及包含該材料的工具元件，特別地但非專門地以用于對含金屬工件進行加工。聚晶立方氮化硼(PCBN)材料是聚晶超硬材料的實例，其可以具有至少約28GPa的維氏硬度?？梢酝ㄟ^在幾個GPa的超高壓下燒結立方氮化硼(cBN)的晶粒來制造PCBN材料?？梢酝ㄟ^如下方式由PCBN材料的盤片制成機械工具:借助于激光或電火花加工(EDM)設備將盤片切削成小段，并將這些段硬釬焊到工具或工具部件上，諸如鑲片(insert)、尖端(tip)或鉆頭(bit)?？梢酝ㄟ^機械磨削或EDM進一步處理所述段以形成精確切削刃。這些工具可以是可轉位鑲片或旋轉機械工具(machine tool)。PCBN材料可特別有利地用于加工鐵類金屬工件。PCBN工具的缺點是PCBN材料可趨于斷裂和碎裂，或者過早磨損，特別是當在工件的斷續(xù)加工中使用時。美國專利號7，524，785公開了一種立方氮化硼(cBN)燒結體，其含有立方氮化硼顆粒和用于將cBN顆粒相互結合的結合材料，規(guī)定:cBN顆粒含量在70體積％至98體積％范圍內；以及剩余的結合材料，所述結合材料由Co化合物、Al化合物和WC以及這些的固溶體構成。日本專利號61-142003公開了由cBN和燒結碳化物基材制成的多晶燒結體構成的復合刀具。該多晶燒結體由以下組成:70%-95%量的cBN，其余部分是由金屬成分制成的粘合材料。該粘合材料可以包含Mo，和N1、Co和Fe中的任一種，以及Al。需要具有增強的抗斷裂性的PCBN材料以及包含該PCBN材料的工具元件，特別地用于對難加工的鐵和鋼材料進行加工。從第一方面看，提供了基本上由cBN晶粒和粘合劑材料組成的PCBN材料；cBN晶粒的含量為所述PCBN材料的至少約80重量百分比或至少約85重量百分比；粘合劑材料包含大于約50重量百分比的Al、`至少約60重量百分比的Al或至少約70重量百分比的Al ；以及至少約5重量百分比、至少約10重量百分比、至少約20重量百分比或至少約25重量百分比的鐵族元素和難熔元素的總含量；選自由Co、Fe、Ni和Mn構成的組的鐵族元素，以及選自由W、Cr、V、Mo、Ta、T1、Hf和Zr構成的組的難熔元素；或者選自由W、Cr、V、Mo、Nb、Ta、T1、Hf和Zr構成的組的難熔元素。在一個實例中，難熔元素可以選自由W、Cr、V、Ta、T1、Hf和Zr構成的組。鐵族元素或難熔元素可以是未反應的形式,或者包含在合金或化合物中。本公開擬議具有不同組成、顯微組織和組分的各種示例性PCBN材料。例如，PCBN材料可以包含分散在粘合劑材料(即除cBN之外的PCBN的組分材料)內的大量cBN晶粒(SP包含許多晶粒的聚集體)，其中，cBN的含量為PCBN材料的至少約50體積百分比。cBN晶粒可以具有至少約5微米和至多約20微米的平均尺寸。在一個示例中，PCBN材料可以包含至少約86重量百分比的cBN。示例性PCBN材料中的粘合劑材料可以具有各種組成和組分材料的組合。例如，粘合劑材料可以包含至多約95重量百分比的Al、至多約92重量百分比的Al或至多約90重量百分比的Al，并且在一個實例中，鐵族元素可以是Co且難熔元素可以是W。在特定變體中，粘合劑材料可以包含至少約70重量百分比的Al和小于約95重量百分比的Al，以及至少約5重量百分比且至多約30重量百分比的Co和W的總含量。在一些實例中，粘合劑材料可以包含至少約I重量百分比的Co或至少約2重量百分比的Co，以及至多約15重量百分比的Co或至多約12重量百分比的Co。在一些實例中，粘合劑材料可以包含至少約I重量百分比的W、至少約5重量百分比的W或至少約6重量百分比的W，并且在一些實施方案中，粘合劑材料可以包含至多約25重量百分比的W或至多約20重量百分比的W。鐵族元素與難熔元素的摩爾比可以是至少約I比1、或至少約1.5比1，以及至多約3比I或至多約2.5 t匕I。在一個具體實例中，鐵族元素與難熔元素的摩爾比可以為約2比I。示例性PCBN材料可以基本上由cBN、Al、鐵族元素和難熔元素組成。在其它實例中，粘合劑材料可以包括氮化鋁或硼化鎢，其可以作為分散在粘合劑內的固體顆粒而存在，或者可以存在于固溶體中。在一些設置中，粘合劑材料可以包括含W和B的化合物，例如W2B5和民評。在一種示例性PCBN材料中，粘合劑材料可以基本上不含AlB2 (二硼化鋁)。從第二方面看，能夠提供一種用于對工件進行加工的工具元件，該工具元件包含PCBN材料，該PCBN材料包括含有所公開的PCBN材料的PCBN結構且被連接到燒結碳化物基材。例如，該工具元件可以是用于機械工具的可轉位鑲片。從第三方面看，能夠提供一種使用所公開的PCBN材料的方法，該方法包括提供所公開的工具元件以及使用該工具元件對工件進行加工(例如切削)。該工件可以包含具有至少約10重量百分比的Cr的相對高的鉻含量的鑄鐵，和/或該工件可以包含高錳鐵或鋼，其可能與高鉻鑄鐵一樣難以加工。高鉻鑄鐵可以含有至多約20重量百分比或至多30重量百分比的鉻。高錳的鐵和鋼可含有至少約12重量百分比和至多約20重量百分比的錳。可為該方法想到各種加工應用。例如，該方法可以包括粗車削大的工具鋼輥，如例如在鋼廠中可以使用的工具鋼輥；或者用于銑削硬化鋼，例如用于鍛模和注塑模具或鑄模的熱加工或冷加工的工具鋼；或者用于車削或仿形切削(profiling)碳化鎢輥用于破碎和軋制應用。該方法可以包括將工具元件用于對高鉻鑄鐵或白口鑄鐵(“白口鑄鐵”是源自于非常硬的鑄鐵、諸如 高Cr鐵的斷裂表面的顏色的術語)進行斷續(xù)切削、車削、銑削或鉆孔。該工件可以在馬氏體基質中包含大的一次碳化物顆粒，并且可以是非常磨蝕性的。該方法可以用來加工葉輪的鑄造部件以及大型泥漿泵和水泵的殼體，其直徑可高達四米，或者用于礦物處理設備例如用于壓碎巖石或礦石的設備。鑄件或其它工件可包含孔隙、熔渣(陶瓷廢料)和砂子，并對切削工具造成嚴重的干擾。為了具有成本效益，用于以上應用的切削工具很可能需要顯示出高耐磨性以及良好的韌性和抗熱沖擊性。公開的示例性PCBN材料具有良好熱硬度、良好耐磨性和足夠韌性的特征，這很可能導致延長且更可靠的工作壽命。公開的PCBN材料和工具可以具有增強的強度、特別是邊緣強度的特征。如果粘合劑中的Al含量實質上小于約50重量百分比，則PCBN材料的耐磨性或抗斷裂性可能不足。如果粘合劑中的Al含量實質上大于約98重量百分比，則PCBN材料的耐磨性或抗斷裂性可能不會顯著增強，尤其是當用于包含鐵類材料(ferrous material)的工件的斷續(xù)加工時。如果鐵族元素和難熔元素的總含量實質上小于粘合劑材料的約5重量百分比，則可能不會顯著增強PCBN材料的耐磨性。現(xiàn)在將參考附圖來描述非限制性的示例設置，其中:

圖1示出了示例性PCBN材料的顯微組織的示意圖；以及
圖2示出了用于加工金屬工件的示例性工具元件的示意性透視圖。參考圖1，示例性PCBN材料10包含大量(a mass of) cBN晶粒12以及cBN晶粒12之間的間隙14，所述間隙基本上被粘合劑材料填充，cBN晶粒12的含量按體積計為材料的至少約50%。參考圖2，用于加工金屬工件(未示出)的示例性工具元件20包含一對由PCBN材料形成的刀具結構22，其連接到基材本體30，所述基材本體可以被安裝到工具本體(未示出)上。刀具(cutter)結構22包括各自的前刀面24、側面26和切削刃28，每個切削刃28由前刀面24的邊緣限定?？梢酝ㄟ^對包含約86重量％cBN晶粒的粉末與包含約70.0重量％A1、11.7重量％Co和18.3重量％W的粘合劑材料的混合物進行燒結，來制造示例性PCBN盤片。Co與W的摩爾比可以是2比I。cBN晶粒按等效圓直徑可以具有約5微米至約20微米范圍內的平均尺寸。如在本領域中已知的，可以將所述粉末干混合并在約5GPa的超高壓和約1300攝氏度的溫度下燒結，以形成PCBN的盤片。然后可以切削并處理該盤片以形成用于加工金屬的鑲片或其它機械工具元件。下面更詳 細地描述非限制性實施例。在下表中總結了實例PCBN材料和參比PCBN材料的組成的概要以及測試中的樣品的各自壽命的測量。
權利要求
1.PCBN材料，所述PCBN材料基本上由立方氮化硼(CBN)晶粒和粘合劑材料組成，cBN晶粒的含量是所述PCBN材料的至少80重量百分比；所述粘合劑材料包含大于50重量百分比的Al和總含量為至少5重量百分比的鐵族元素和難熔元素，所述鐵族元素選自由Co、Fe、Ni和Mn構成的組，并且所述難熔元素選自由W、Cr、V、Mo、Ta、T1、Hf和Zr構成的組。
2.如權利要求1所述的PCBN材料，所述粘合劑材料包含至多90重量百分比的Al。
3.如權利要求1或權利要求2所述的PCBN材料，所述粘合劑材料包含至少I重量百分比的Co和至多12重量百分比的Co。
4.如前述權利要求中的任一項所述的PCBN材料，所述粘合劑材料包含至少I重量百分比的W和至多25重量百分比的W。
5.如前述權利要求中的任一項所述的PCBN材料，其中所述粘合劑材料包含鐵族元素和難熔元素，在所述粘合劑材料中鐵族元素與難熔元素的摩爾比為至少I比I且至多3比1
6.如前述權利要求中的任一項所述的PCBN材料，其中所述粘合劑材料包含鐵族元素和難熔元素，所述PCBN材料基本上由cBN、Al、所述鐵族元素和所述難熔元素組成。
7.如權利要求1至5中的任一項所述的PCBN材料，所述粘合劑材料包括氮化鋁或硼化鎢，或它們兩者。
8.如前述權利要求中的任一項所述的PCBN材料，所述粘合劑材料基本上不含二硼化招。
9.一種用于對工件進行加工的工具元件，其包含如權利要求1至8中的任一項所述的PCBN材料。
10.如權利要求9所述的工具元件，其用于對包含鐵類材料的工件進行斷續(xù)切削、車削、銑削或鉆孔。
11.一種使用如權利要求1至8中的任一項所述的PCBN材料的方法，該方法包括提供如權利要求9或權利要求10中所述的工具元件并將該工具元件用于加工包含鐵類材料的工件。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述工件包含:工具鋼，含至少10重量百分比的Cr的鑄鐵材料，或者含至少12重量百分比的Mn的鋼。
13.如權利要求11或權利要求12中的任一項所述的方法，其中所述工件包含碳化鎢。
14.如權利要求11至13中的任一項所述的方法，包括對工件進行粗車削。
15.如權利要求11至14中的任一項所述的方法，其中，所述工件含有孔隙、熔渣或硅酸鹽顆粒。
全文摘要
基本上由立方氮化硼(cBN)顆粒和粘合劑材料組成的PCBN材料，所述cBN晶粒的含量為該PCBN材料的至少80重量百分比；所述粘合劑材料包含大于50重量百分比的Al以及總含量為至少5重量百分比的鐵族元素和難熔元素，所述鐵族元素選自由Co、Fe、Ni和Mn構成的組，并且所述難熔元素選自由W、Cr、V、Mo、Ta、Ti、Hf和Zr構成的組。
文檔編號C04B35/5831GK103108844SQ201180033965
公開日2013年5月15日 申請日期2011年7月6日 優(yōu)先權日2010年7月9日
發(fā)明者S·M·O·佩爾松 申請人:六號元素有限公司