專利名稱：超硬刀頭、其制造方法和包含其的工具的制作方法
超硬刀頭、其制造方法和包含其的工具
背景技術(shù)：
本發(fā)明的實施方案總的涉及用于回轉(zhuǎn)式機械工具、更特別但非排它地用于麻花鉆或立銑刀的超硬刀尖；涉及其制造方法和包含其的工具。超硬材料的實例是聚晶金剛石(P⑶)材料和聚晶立方氮化硼(PCBN)材料。P⑶材料包含大量基本共生的金剛石晶粒，PCBN材料在含有金屬和/或陶瓷材料的基質(zhì)中包含立方氮化硼(cBN)顆粒。P⑶和PCBN可以通過分別對金剛石晶粒或cBN晶粒的聚集塊體施以至少約5. 5GPa的超高壓和至少約1，250攝氏度的溫度而制成。美國專利號US 4，762，445公開了ー種特別適于直徑大于約3. 17毫米的具有螺旋 出屑槽的麻花鉆的復(fù)合燒結(jié)麻花鉆?？砂饎偸淖钣膊牧弦哉}紋(vein)形式位于前緣并橫穿鉆頭的中線。需要提供用于回轉(zhuǎn)式機械工具的替代性超硬刀尖。發(fā)明概述從第一方面考慮，可以提供用于回轉(zhuǎn)式機械工具，例如用于麻花鉆或立銑刀的超硬刀尖(或簡稱“刀尖”)，包含借助于設(shè)置在超硬結(jié)構(gòu)與燒結(jié)碳化物基材之間的至少ー個中間層連接到燒結(jié)碳化物基材的超硬結(jié)構(gòu)，該中間層包含超硬材料例如合成或天然金剛石或立方氮化硼(cBN)的晶粒，以及分散在金屬粘結(jié)劑材料中的金屬碳化物材料的晶粒。從第二方面考慮，可以提供用于回轉(zhuǎn)式機械工具的刀尖(或“超硬刀尖”)的坯料本體(blank body)(也稱為超硬坯料本體)，所述坯料本體包含借助于設(shè)置在超硬結(jié)構(gòu)與燒結(jié)碳化物基材之間的至少ー個中間層連接到燒結(jié)碳化物基材的超硬結(jié)構(gòu)，該中間層包含超硬材料例如合成或天然金剛石或立方氮化硼(cBN)的晶粒，以及分散在金屬粘結(jié)劑材料中的金屬碳化物材料的晶粒。從第三方面考慮，可以提供包含刀尖(或“超硬刀尖”)的回轉(zhuǎn)式機械工具，所述刀尖包含借助于設(shè)置在超硬結(jié)構(gòu)與燒結(jié)碳化物基材之間的中間層連接到燒結(jié)碳化物基材的超硬結(jié)構(gòu)，該中間層包含超硬材料例如合成或天然金剛石或立方氮化硼(cBN)的晶粒，以及分散在金屬粘結(jié)劑材料中的金屬碳化物材料的晶粒。從第四方面考慮，可以提供制造前述權(quán)利要求任一項所述的刀尖的方法，所述方法包括提供坯料本體，所述坯料本體包含借助于設(shè)置在超硬結(jié)構(gòu)與燒結(jié)碳化物基材之間的中間層連接到燒結(jié)碳化物基材的超硬結(jié)構(gòu)，該中間層包含超硬材料的晶粒和金屬碳化物材料的晶粒；和從該坯料本體中除去材料以形成刃ロ。從第五方面考慮，可以提供使用包含刀尖(或“超硬”)的回轉(zhuǎn)式機械工具特別但非排它地通過鉆孔或銑削本體的方法，該本體包含鈦(Ti)和/或碳纖維增強聚合物(CFRP)材料，所述刀尖包含借助于設(shè)置在超硬結(jié)構(gòu)與燒結(jié)碳化物基材之間的中間層連接到燒結(jié)碳化物基材的PCD結(jié)構(gòu)，該中間層包含超硬材料例如合成或天然金剛石或立方氮化硼(cBN)的晶粒，以及分散在金屬粘結(jié)劑材料中的金屬碳化物材料的晶粒。從第六方面考慮，可以提供用于機加工本體的球頭立銑刀的刀尖，該本體特別但非排它地包含鑄鐵、灰鑄鐵和高強度鐵、硬化工具鋼或超級合金材料，例如Cr-N i超級合金材料，所述刀尖包含借助于設(shè)置在超硬結(jié)構(gòu)與燒結(jié)碳化物基材之間的中間層連接到燒結(jié)碳化物基材的PCBN結(jié)構(gòu)，該中間層包含超硬材料，例如合成或天然金剛石或立方氮化硼(cBN)的晶粒，以及分散在金屬粘結(jié)劑材料中的金屬碳化物材料的晶粒。附圖
概述現(xiàn)在參考附圖描述刀尖、用于刀尖的坯料本體和工具的非限制性布置，其中，圖I顯示了示例性坯料本體的示意性透視圖。圖2A顯示了示例性還料本體的示意性透視圖。圖2B顯示了示例性還料本體的示意性橫截面圖。

圖3顯示了示例性坯料本體的示意性橫截面圖。圖4顯示了示例性坯料本體的示意性橫截面圖。圖5顯示了示例性坯料本體的示意性橫截面圖。圖6顯示了用于麻花鉆的示例性刀尖的示意性透視圖。圖7顯示了示例性麻花鉆的示意性透視圖。圖8A顯示了示例性麻花鉆的末端部分的示意性側(cè)視圖。圖8B顯示了從末端觀察的圖8A所示麻花鉆的示意性俯視圖。在所有附圖中相同的附圖標(biāo)記指代相同的一般特征。發(fā)明詳述下面簡要解釋本文中所用的某些術(shù)語。本文中使用的“超硬”或超級硬材料具有至少25GPa的維氏硬度。合成和天然金剛石、聚晶金剛石(P⑶)、立方氮化硼(cBN)和聚晶cBN (PCBN)材料是超硬材料的實例。合成金剛石，也稱為人造金剛石，是已經(jīng)制得的金剛石材料。聚晶超硬結(jié)構(gòu)包含超硬晶粒的燒結(jié)塊體，其相當(dāng)大一部分可以直接或粘附地(coherently)粘結(jié)到相鄰晶粒。P⑶結(jié)構(gòu)包含P⑶材料或基本由P⑶材料組成，PCBN結(jié)構(gòu)包含PCBN材料或基本由PCBN材料組成。聚晶金剛石(PCT)材料包含大量金剛石晶粒(大量金剛石晶粒的聚集),其相當(dāng)大一部分直接相互粘結(jié)，其中金剛石的含量為該材料的至少約80體積％。金剛石晶粒之間的間隙可以至少部分用粘合劑材料填充，所述粘合劑材料包含用于合成金剛石的催化劑材料，或所述間隙基本上可以是空的。用于合成金剛石的催化劑材料能夠在合成或天然金剛石熱力學(xué)穩(wěn)定的溫度和壓カ下促進合成金剛石晶粒的生長和/或合成或天然金剛石晶粒的直接共生。用于金剛石的催化劑材料的實例是Fe、Ni、Co和Mn以及包括這些元素的某些合金。包含PCD材料的超硬結(jié)構(gòu)可以包含至少ー個區(qū)域，在該區(qū)域中從間隙中除去催化劑材料，留下金剛石晶粒之間的間隙空間。具有至少ー個其中用于金剛石的催化劑材料已耗盡或其中催化劑材料處于作為催化劑的活性相對較低的形式的顯著區(qū)域的PCD結(jié)構(gòu)可以描述為熱穩(wěn)定的PCD。PCBN材料包含分散在含有金屬或陶瓷材料的基質(zhì)中的立方氮化硼(cBN)晶粒。例如，PCBN材料可以包含至少約60體積％的分散在粘合劑基質(zhì)材料中的cBN晶粒，所述基質(zhì)材料包含含Ti化合物，例如碳氮化鈦，和/或含Al化合物，例如氮化鋁，和/或含金屬諸如Co和/或W的化合物。一些種類(或“等級”)的PCBN材料可包含至少約80體積％或甚至至少約至少約85體積％的cBN晶粒。 機械工具是動カ機械裝置，可用于通過機加工制造包含材料如金屬、復(fù)合材料、木材或聚合物的部件。機加工是從本體(可稱為エ件)選擇性去除材料?；剞D(zhuǎn)式機械工具包含切削元件，例如鉆頭，其在使用時繞其自身軸旋轉(zhuǎn)。鑲?cè)泄ぞ呋虿迦爰?insert)是其中刃ロ由刀具刀尖構(gòu)成的工具，所述刀具刀尖由與該工具或插入件的其余部分不同的材料組成，該刀尖通常被釬焊或夾持到工具本體上?？梢酝ㄟ^處理坯料本體以將其成型為用于刀尖的結(jié)構(gòu)來制得用于機械工具的刀尖。機械工具的前刀面是當(dāng)該工具用于從本體除去材料時碎屑在其上流過的表面，前刀面引導(dǎo)新生成的碎屑的流動。碎屑是通過使用中的機械エ具從エ件的工作表面除去的エ件的部分。刀尖的刃ロ是_在進行本體的切削的前刀面的邊緣。麻花鉆是用于借助于旋轉(zhuǎn)剪切切削運動在エ件，特別是包含金屬、木材和塑料的エ件上鉆孔的帶有出屑槽的鑲?cè)秀@具。麻花鉆通常可以描述為具有ー個或多個切削面或切削刃以及ー個或多個螺旋形或直線形出屑槽(用于從鉆取的孔中輸送碎屑)的旋轉(zhuǎn)末端切削工具。“出屑槽”是當(dāng)使用中的工具旋轉(zhuǎn)時用于輸送碎屑離開刃ロ的回轉(zhuǎn)式機械工具的凹進部分。其它回轉(zhuǎn)式機械工具，如絲錐立銑刀、球頭立銑刀和直立銑刀(也稱為槽鉆)可以具有多至六個或更多個刃口和出屑槽。出屑槽可具有橫截面呈整體半圓形的溝槽形式。雖然某些鉆頭含有平行于該工具的軸線延伸的直出屑槽，但大多數(shù)麻花鉆包含受制于設(shè)計考慮 事項(例如刃ロ的所需前角、排屑的便利性和鉆頭的剛度)構(gòu)造的螺旋狀出屑槽。麻花鉆可以包含兩條或更多條出屑槽，每條出屑槽用于該鉆頭的工作末端處的每個刃ロ。刃ロ可用于將エ件材料剪切成更易于去除的碎屑并可包含在鉆頭的尖端中，該鉆頭還可以包含位于刃ロ之間的橫刃(chisel edge)。在最簡單的鉆頭中，可以通過棱邊(web)的厚度確定橫刃的幾何形狀，該棱邊是分隔出屑槽的材料部分。當(dāng)鉆頭的棱邊部分不能切割エ件材料，而是將其由中心線向外朝向刃ロ擠出時，通過在出屑槽與鉆頭尖端表面之間的交叉點處形成凹ロ可以使其長度最小化。該鉆頭尖端的設(shè)計，特別是棱邊和凹ロ的布置，可能影響鉆頭圍繞旋轉(zhuǎn)軸的導(dǎo)向機制同心旋轉(zhuǎn)的程度。麻花鉆的“圓柱形刃帶”是相鄰出屑槽之間鉆頭本體的外周部分。該鉆具的圓柱形刃帶可構(gòu)造成在鉆頭本體與要制造的孔表面之間提供公隙(clearance)。這也有助于在軌線上引導(dǎo)鉆具。麻花鉆通常夾持在卡盤、套爪或其它機械連接裝置中，這些裝置安裝在精密主軸上。在使用時，其繞其自身的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，并可以直線平移以使鉆頭前進穿過エ件，以碎屑或切屑形式排出廢金屬?，F(xiàn)在參照圖I至圖8B描述刀尖、用于刀尖的坯料本體和包含刀尖的工具的實例。圖I顯示了用于麻花鉆(未顯示)的刀尖的坯料本體10的實例，包含借助于設(shè)置在超硬結(jié)構(gòu)12與燒結(jié)碳化物基材14之間的中間層16連接到燒結(jié)碳化物基材14的超硬結(jié)構(gòu)12。該中間層16包含合成金剛石晶粒和分散在包含Co的金屬粘結(jié)劑材料中的WC晶粒。圖2A和圖2B描述了超硬坯料本體10的實例，其中超硬結(jié)構(gòu)12借助于設(shè)置在超硬結(jié)構(gòu)12與燒結(jié)碳化物基材14之間的三個中間層161、162、163連接到燒結(jié)碳化物基材14。三個中間層161、162、163各自包含不同的各自組成的金剛石晶粒、金屬碳化物晶粒和金屬粘結(jié)劑。在這些實施例中，各坯料本體10的工作末端具有大致滾圓(rounded)的圓錐形狀，所述圓錐形狀具有滾圓頂點121，該燒結(jié)碳化物基材14具有整體圓柱形的形式，其具有近端141和遠(yuǎn)端143，近端141為工作末端，遠(yuǎn)端143為連接末端，以及連接近端141和遠(yuǎn)端143的側(cè)面142。工作末端141的至少一部分可以具有基本圓錐、截頭圓錐或滾圓圓錐的形狀，例如球形滾圓圓錐形狀。超硬結(jié)構(gòu)12的縱向厚度T在整個結(jié)構(gòu)中不必相同，在圖2B所示的實例中，超硬結(jié)構(gòu)12的縱向厚度T在臨近刃ロ處大于在頂點處的厚度。圖3、圖4和圖5描述了坯料本體10的其它實例，其中超硬結(jié)構(gòu)12借助于設(shè)置在超硬結(jié)構(gòu)12與燒結(jié)碳化物基材14之間的兩個中間層161和162連接到燒結(jié)碳化物基材14。兩個中間層161、162各自包含不同的各自組成的金剛石晶粒、金屬碳化物晶粒和金屬粘結(jié)齊U。在圖3中，坯料本體10的工作末端具有整體滾圓(或“鈍頭”)的圓錐形狀，其具有滾圓頂點121。在圖4中，坯料本體10的工作末端具有整體半球形形狀，并且在超硬結(jié)構(gòu)12、中間層161、162與基材14之間的界面具有被環(huán)形凸緣圍繞的半球形的整體形式。在圖5中，坯料本體10的工作末端具有整體圓頂形形狀，并且在超硬結(jié)構(gòu)12、中間層161、162和基材14之間的界面具有一般輪廓的圓頂。具有整體圓頂形狀的刀尖可特別用于球頭立銑刀。球頭立銑刀可用于制造具有弓形凹面特征的制品，例如用于注射成型的擠出模具或用于汽車的等速(CV)萬向節(jié)部件。公開的包含PCBN材料的滾圓或圓頂形刀尖可用于球頭立銑刀，所述球頭立銑刀用于機加工 包含鑄鐵、灰鑄鐵和高強度鐵、硬化工具鋼或超級合金材料例如Cr-Ni超級合金材料的本體。參照圖6，用于麻花鉆頭(未顯示)的超硬刀尖20的實施例包含具有切削面22并借助于設(shè)置在超硬結(jié)構(gòu)12與燒結(jié)碳化物基材14之間的三個中間層161、162和163連接到燒結(jié)碳化物基材14的超硬結(jié)構(gòu)12，中間層161、162、163包含超硬材料的晶粒和分散在金屬粘結(jié)劑中的金屬碳化物材料的晶粒。出屑槽24成形到超硬結(jié)構(gòu)12和燒結(jié)碳化物基材14中。超硬結(jié)構(gòu)12的外周側(cè)限定連接出屑槽24的圓柱形刃帶18。如圖7所示，示例性麻花鉆40可包含具有出屑槽44的鉆軸42，以及連接到鉆軸42的末端46的超硬刀尖20。該鉆軸42限定了縱軸し參照圖8A和圖SB，示例性麻花鉆(僅顯示其一部分)包含含有至少兩個出屑槽44(在圖8A中僅可見其中之一)的鉆軸42和在鉆軸42的近端46處連接到該鉆軸的超硬刀尖20。圖8B顯示在圖8A所示方向T上超硬刀尖的正對末端的視圖或俯視圖。超硬刀尖20包含構(gòu)造成在末端46處匹配軸42的出屑槽44的兩個出屑槽24，并限定了兩個刃ロ 26，各與各自的出屑槽24相關(guān)聯(lián)。在該特定實施例中，超硬結(jié)構(gòu)12限定了橫刃28。超硬刀尖20包含借助于設(shè)置在超硬結(jié)構(gòu)12與燒結(jié)碳化物基材14之間的中間層16連接到燒結(jié)碳化物基材14的超硬層12，該中間層16包含金剛石晶粒和分散在金屬粘結(jié)劑中的金屬碳化物材料的晶粒。超硬結(jié)構(gòu)12的外周側(cè)限定連接出屑槽24的圓柱形刃帶18。在該實例的ー種變體(未顯示)中，該超硬結(jié)構(gòu)的外周側(cè)的至少一部分可以變窄以限定出周緣(或至少相對薄的外周刃帯)，該周緣部分和外周表面部分一起連接于形成在超硬刀尖中的相鄰出屑槽。在某些示例性刀尖中，中間層的厚度或超過ー個層的組合厚度為至少約0. I毫米，因為明顯比這更薄的層可能是無效的。中間層中超硬晶粒的平均含量為中間層組成的至少約10重量％。該中間層可以包含至少約30體積％和至多約80體積％的金剛石晶粒；或該中間層可以包含至少約10體積％和至多約50體積％的cBN晶粒。如果中間層的金剛石含量顯著大于約80體積％，該金剛石晶?？赡芑ド瑢?dǎo)致形成PCD材料。如果金剛石晶粒的平均含量顯著小于約30重量％，該中間層的性質(zhì)可能不會提供由超硬材料的那些性質(zhì)向燒結(jié)碳化物材料的那些性質(zhì)的有效過渡。如果中間層的cBN含量顯著大于約50體積％或顯著小于約10重量％，該中間層的性質(zhì)可能不會提供由超硬材料的那些性質(zhì)向燒結(jié)碳化物材料的那些性質(zhì)的有效過渡。特別的，當(dāng)該超硬結(jié)構(gòu)由包含少于約80體積％的CBN的PCBN材料組成，且該中間層包含cBN晶粒吋，與其中該超硬結(jié)構(gòu)由ra)材料組成且中間層中的超硬晶粒是金剛石晶粒的情況相比，更低含量的cBN晶粒就可足夠了。如果中間層中金屬粘結(jié)劑材料的平均含量不顯著大于在燒結(jié)碳化物基材中的平均含量，超硬結(jié)構(gòu)與基材之間性質(zhì)的漸變可以得到增強。該中間層可以既含有cBN晶粒，又含有金剛石晶粒。在一種示意 性布置中，刀尖可以包含P⑶結(jié)構(gòu)和至少三個中間層，各自具有不同含量的金剛石晶粒(并因此具有不同含量的碳化物晶粒和金屬粘結(jié)劑)。在另ー實施例中，可以存在至少ー個中間層，其中金剛石晶粒的含量遍及該層更加逐漸地改變。該中間層中的金剛石含量可以從與燒結(jié)碳化物基材的界面向與超硬結(jié)構(gòu)的界面増加。在ー種布置中，存在由燒結(jié)碳化物材料向PCD材料的基本連續(xù)的漸變。本文中公開的鉆頭可以因相對簡單和所需步驟數(shù)量減少而導(dǎo)致降低的制造成本。其原因可能在于該超硬結(jié)構(gòu)可以與該基材一起整體成型，而不是提供預(yù)燒結(jié)件井隨后連接到該基材上。提供単一和整體成型的超硬坯料本體井隨后將其加工以形成用于旋轉(zhuǎn)工具的刀尖的方法可能允許相對有效地提供更復(fù)雜的尖端和刃ロ構(gòu)造。但是，可以預(yù)期在一方面的制造的相對簡便性與另一方面的使用的堅固性之間的折衷?；剞D(zhuǎn)式機械工具，如具有P⑶刀尖的鉆頭，可用于機加工包含Ti或CFRP，或Ti與CFRP的組合的本體?；剞D(zhuǎn)式機械工具刀頭在使用時可能會經(jīng)歷對切削結(jié)構(gòu)的高剪切應(yīng)カ活動。當(dāng)被鉆進的本體包含很堅硬的材料如Ti和/或CFRP吋，該剪切應(yīng)カ可能更劇烈。在其中限定刃ロ的超硬結(jié)構(gòu)以嵌在燒結(jié)碳化物本體中的脈紋形式存在的超硬鉆頭中，超硬結(jié)構(gòu)后面的燒結(jié)碳化物體將可能承載它并減少該超硬結(jié)構(gòu)被剪切應(yīng)カ剪斷的可能性或甚至防止該超硬結(jié)構(gòu)被剪切應(yīng)カ剪斷。在其中以粘接到燒結(jié)碳化物基材的層或帽(cap)形式提供超硬結(jié)構(gòu)的超硬刀尖中，在使用時可能存在更大的超硬結(jié)構(gòu)剪斷、或至少一部分超硬結(jié)構(gòu)斷裂并從基材脫離的風(fēng)險。提供如本文所公開的含超硬晶粒的中間層可以降低這種風(fēng)險和提高刀尖的堅韌性，盡管相對較小地犧牲一定程度的可接受的復(fù)雜性。包含例如Ti和/或CFRP的難機加工エ件的鉆削可能導(dǎo)致鉆頭的相對高的磨損率，使用具有盡可能高的耐磨損性的刀尖材料可為更有效的。雖然通常將PCD材料理解為具有高的耐磨性，但不同等級的PCD可以具有不同的耐磨性。不同等級的PCD可以具有不同的結(jié)構(gòu)與組成特征，如不同的金剛石含量，不同的金剛石晶粒尺寸分布，和在金剛石晶粒之間間隙中的催化劑材料的不同含量。通常，預(yù)計對于更高含量的金剛石和因此更低含量的催化劑材料(如鈷)，該耐磨損性將更高。遺憾的是，預(yù)計此類等級更容易從燒結(jié)碳化物基材上脫層?？梢詴r常將鉆頭修復(fù)以延長它們的工作壽命。這可以通過研磨刀尖來實現(xiàn)，這需要從刀尖上除去部分材料?？赡苄枰惺跴CD鑲?cè)械你@頭重新研磨三到四次，每次從表面上除去約0. 5毫米。當(dāng)該PCD結(jié)構(gòu)具有連接到燒結(jié)碳化物基材的層的一般形式時，其因此可能需要厚至少約2. 5毫米或至少約3毫米。預(yù)計這種相對厚的PCD層會提高脫層的風(fēng)險，所述脫層可能是由于PCD材料與燒結(jié)碳化物材料之間熱性質(zhì)，如熱膨脹系數(shù)(CTE)方面的差異。在使用中PCD材料的部分從鉆具脫層可能是嚴(yán)重的問題，因為該部分可能會深深堆積在鉆取的孔中，并因PCD的極高硬度而難以取出。這可導(dǎo)致制得部件的損耗，其可能是相對昂貴的。Ti中的毛刺與CFRP中脫層缺陷的發(fā)生可以通過構(gòu)造P⑶刃ロ以具有正向或至少中立的切削幾何形狀來減少，這預(yù)計可以降低在本體(和在PCD刀尖)上的軸向力。另一方面，預(yù)計負(fù)向切削幾何形狀布置獲得不那么容易破損的更穩(wěn)定的刃ロ，但是預(yù)計本體上的刃ロ的質(zhì)量會變差。雖然不希望被特定理論束縛，但使用包含足夠含量的金剛石晶粒的至少ー個中間層可能導(dǎo)致在超硬結(jié)構(gòu)與基材之間應(yīng)カ的改善分布或降低。包含與超硬結(jié)構(gòu)中所含相同的超硬材料晶粒夾雜可具有這樣的情況超硬結(jié)構(gòu)和中間層的熱性質(zhì)與機械性質(zhì)更好地匹配，致使性質(zhì)在超硬結(jié)構(gòu)與基材之間更逐漸地過渡?？梢酝ㄟ^提供超過ー個中間層增進這種情況。 包含P⑶材料的P⑶結(jié)構(gòu)可以通過如下方式制得在用于金剛石的催化劑材料例如鈷的存在下，在金剛石比石墨更熱力學(xué)穩(wěn)定的壓カ和溫度下，將聚集的大量金剛石晶粒燒結(jié)在一起。該壓カ可以為至少約5GPa，該溫度可以為至少約1，250攝氏度。在某些變體中，該壓カ可以大于6. OGPa、大于7. OGPa或甚至至少約8GPa。該金剛石晶?？梢詿Y(jié)在燒結(jié)碳化物基材上，獲得包含粘接到基材的PCD結(jié)構(gòu)的復(fù)合片。該基材可以含有催化劑材料如鈷，并可以提供催化劑材料的源，該源在燒結(jié)該PCD材料的壓カ和溫度下在處于熔融狀態(tài)時可以在該金剛石晶粒中滲透。在一種制造刀尖的方法中，可以構(gòu)造包含插在聚集的大量金剛石晶粒與燒結(jié)碳化物基材之間的用于中間層的前體片材的預(yù)復(fù)合組裝件。隨后可使該前體組裝件經(jīng)受至少約5. 5GPa的壓カ和至少約1，250攝氏度的溫度以燒結(jié)金剛石晶粒并形成単一本體，所述本體包含經(jīng)由至少ー個中間層連接到該基材的P⑶材料。該單一本體隨后可以通過例如研磨加工以制造適于進一歩加工以制造回轉(zhuǎn)式機械工具的刀尖的坯料本體。P⑶坯料本體可以通過包括電火花機加工(EDM)和研磨的方法加工以形成出屑槽和刀尖的切削面。在上述示例性方法中，中間層的前體片材可以包含借助于粘合劑材料保持在一起的金剛石晶粒、碳化物晶粒與金屬粉末。制造層狀PCD元件的示例性方法包括提供流延片材，每個片材包含通過粘合劑(如水基有機粘合剤)粘接到一起的大量金剛石晶粒，并將片材相互堆疊并堆疊在支撐本體上。包含具有不同尺寸分布、金剛石含量與添加劑的金剛石晶粒的不同片材可以選擇性堆疊以獲得所需結(jié)構(gòu)。該片材可以通過本領(lǐng)域已知的方法制得，如擠出或流延法，在流延法中將包含金剛石晶粒和粘合劑材料的漿料涂覆到表面上并使其干燥。也可使用制造含金剛石片材的其它方法，如可以使用美國專利號5，766，394和6，446，740中描述的方法。沉積含金剛石層的替代性方法包括噴涂法，例如熱噴涂。在將金剛石晶粒的聚集塊體燒結(jié)在一起以形成PCD材料時，可以以各種方式將溶剤/催化劑材料引入到聚集塊體中。ー種方式包括通過從水溶液中沉淀的方法將金屬氧化物沉積到大量金剛石晶粒的表面上，隨后使其固結(jié)成聚集塊體。此類方法公開在PCT公開號TO 2006/032984和W02007/110770中。另ー種方式包括以粉末形式制備或提供包括用于金剛石的催化劑材料的金屬合金，并將該粉末與大量金剛石晶粒混合，隨后使其固結(jié)成聚集塊體。可以借助于球磨機來進行混合?？梢詫⑵渌砑觿┗烊刖奂瘔K體中。金剛石晶粒的聚集塊體(包括已經(jīng)引入的任何溶剤/催化劑材料顆粒或添加劑材料顆粒)可以成型為未粘結(jié)或松散粘結(jié)的結(jié)構(gòu)，將其放置到燒結(jié)碳化物基材上。該燒結(jié)碳化物基材可含有用于金剛石的催化劑材料的源，例如鈷。包含晶粒的聚集塊體與基材的組裝件可以封裝到適于超高壓爐設(shè)備的容器中，并使該容器經(jīng)受大于6GPa的壓力。各種超高壓設(shè)備是已知的，并可以使用包括帶式、環(huán)形的(toiroidal)、立方和四方多頂砧系統(tǒng)。容器的溫度應(yīng)對于使催化劑材料熔融足夠高，并且對于避免金剛石顯著轉(zhuǎn)化為石墨足夠低。時間應(yīng)對于使燒結(jié)完成足夠長，但應(yīng)盡可能短以盡量提高生產(chǎn)率和降低成本。提出下列條款以進一歩描述坯料本體、刀尖、回轉(zhuǎn)式機械工具、使用回轉(zhuǎn)式機械エ具的方法和制造刀尖的方法。I.用于回轉(zhuǎn)式機械工具的刀尖(也稱為超硬刀尖)，包含借助于設(shè)置在該超硬結(jié)構(gòu)與該燒結(jié)碳化物基材之間的中間層連接到燒結(jié)碳化物基材的超硬結(jié)構(gòu)，該中間層包含超硬材料例如金剛石或cBN的晶粒以及分散在金屬粘結(jié)劑材料中的金屬碳化物材料例如碳化鎢(WC)的晶粒，所述金屬粘結(jié)劑材料可以包含鈷(Co)。 2.條款I(lǐng)的刀尖，包含至少兩個出屑槽，該超硬結(jié)構(gòu)的外周側(cè)限定連接該出屑槽的圓柱形刃帶(land)。3.條款I(lǐng)或條款2的刀尖，用于麻花鉆或立銑刀。4.前述條款任一項的刀尖，其中該超硬結(jié)構(gòu)限定了刃ロ之間的橫刃。5.前述條款任ー項的刀尖，其中該超硬結(jié)構(gòu)限定了側(cè)表面。6.前述條款任一項的刀尖，其中該超硬結(jié)構(gòu)包含聚晶金剛石(P⑶)材料或由聚晶金剛石(P⑶)材料組成。7.前述條款任一項的刀尖，其中該超硬結(jié)構(gòu)包含P⑶材料或由P⑶材料組成，所述P⑶材料包含至少約85體積％或至少約88體積％的金剛石。8.前述條款任一項的刀尖，其中該超硬結(jié)構(gòu)包含含有至多約10體積％的用于金剛石的金屬催化劑材料的PCD材料。9.條款I(lǐng)至5任一項的刀尖，其中該超硬結(jié)構(gòu)包含PCBN材料或由PCBN材料組成。10.條款9的刀尖，其中該PCBN材料包含分散在含Co、W和Al的粘合劑基質(zhì)中的至少約80體積％或至少約85體積％的cBN晶粒，其中該cBN晶粒具有至多約5微米或至多約3微米的平均尺寸。11.前述條款任一項的刀尖，其中該超硬結(jié)構(gòu)具有至少約I毫米、至少約2. 5毫米或至少約3毫米(例如至少在刃ロ處)的厚度(縱向厚度)。12.前述條款任一項的刀尖，其中該超硬結(jié)構(gòu)的縱向厚度基本上在整個超硬結(jié)構(gòu)中并不相同。13.前述條款任一項的刀尖，其中該基材具有近端和遠(yuǎn)端，該超硬結(jié)構(gòu)(其可具有層的一般形式)基本覆蓋整個近端，遠(yuǎn)端連接到用于回轉(zhuǎn)式工具(如麻花鉆)的部件，如鉆軸。14.前述條款任一項的刀尖，其中該超硬結(jié)構(gòu)借助于設(shè)置在超硬結(jié)構(gòu)與燒結(jié)碳化物基材之間的至少兩個或至少三個中間層連接到燒結(jié)碳化物基材，該中間層包含不同的相對含量的金剛石晶粒、金屬碳化物晶粒和金屬粘結(jié)劑。15.前述條款任一項的刀尖，其中至少ー個中間層具有至少約0. I毫米的厚度。16.前述條款任一項的刀尖，其中至少ー個中間層具有至多約0. 3毫米的厚度。
17.前述條款任一項的刀尖，其中該中間層包含至少約30體積％的金剛石和至多約80體積％的金剛石晶粒，或至少約10體積％的cBN晶粒和至多約50體積％的cBN晶粒。18.用于回轉(zhuǎn)式機械工具的刀尖(也稱為超硬刀尖)的坯料本體，該坯料本體包含借助于設(shè)置在該超硬結(jié)構(gòu)與該燒結(jié)碳化物基材之間的中間層連接到燒結(jié)碳化物基材的超硬結(jié)構(gòu)，該中間層包含超硬材料例如金剛石或cBN的晶粒和分散在金屬粘結(jié)劑材料中的金屬碳化物材料例如碳化鎢(WC)的晶粒，所述金屬粘結(jié)劑材料可以包含鈷(Co)。19.條款18的坯料本體，其中該超硬結(jié)構(gòu)包含聚晶金剛石(P⑶)材料或由聚晶金剛石(P⑶)材料組成。20.條款18或19的坯料本體，其中該超硬結(jié)構(gòu)包含P⑶材料或由P⑶材料組成，所述P⑶材料包含至少約85體積％或至少約88體積％的金剛石。21.條款18至20任一項的坯料本體，其中該P⑶材料包含至多約10體積％的用于金剛石的金屬催化劑材料。 22.條款18至21任一項的坯料本體，其中該超硬結(jié)構(gòu)包含熱穩(wěn)定的P⑶。23.條款18的坯料本體，其中該超硬結(jié)構(gòu)包含PCBN材料或由PCBN材料組成。24.條款23的坯料本體，其中該PCBN材料包含分散在含Co、W和Al的粘合劑基質(zhì)中的至少約80體積％、或至少約85體積％的cBN晶粒，并且其中該cBN晶粒具有至多約5微米或至多約3微米的平均尺寸。25.條款18至24任一項的坯料本體，其中該基材具有近端和遠(yuǎn)端，該超硬結(jié)構(gòu)(其可具有層的一般形式)基本覆蓋整個近端，遠(yuǎn)端連接到用于回轉(zhuǎn)式工具(如麻花鉆)的部件，如鉆軸。26.條款18至25任一項的坯料本體，其中該超硬結(jié)構(gòu)借助于設(shè)置在超硬結(jié)構(gòu)與燒結(jié)碳化物基材之間的至少兩個或至少三個中間層連接到燒結(jié)碳化物基材，該中間層包含不同組成的金剛石或cBN晶粒、金屬碳化物晶粒和金屬粘結(jié)劑。27.條款18至26任一項的坯料本體，其中至少ー個中間層具有至少約0. I毫米
的厚度。28.條款18至27任一項的坯料本體，其中至少ー個中間層具有至多約0.3毫米
的厚度。29.條款18至28任一項的坯料本體，其中該燒結(jié)碳化物基材具有狹長的或整體柱形的形式，其具有近端和遠(yuǎn)端，近端為工作末端，遠(yuǎn)端為連接末端，以及連接近端和遠(yuǎn)端的側(cè)面；該工作末端的至少一部分具有基本圓錐、截頭圓錐或滾圓圓錐的形狀，例如球形滾圓圓錐形狀，或整體圓頂形狀；該超硬結(jié)構(gòu)相鄰該工作末端布置。30.條款18至29任一項的坯料本體，具有由該超硬結(jié)構(gòu)限定的頂點，并且其中該超硬結(jié)構(gòu)的縱向厚度在相鄰坯料本體外周緣處大于在頂點處的厚度。31.條款18至30任一項的坯料本體，其中該超硬結(jié)構(gòu)具有帽的整體形式。32.條款18至31任一項的坯料本體，其中中間層的綜合厚度或中間層的厚度(視情況而定)可以為至少約0. 4或至少約0. 6毫米。33.條款18至32任一項的坯料本體，其中該超硬結(jié)構(gòu)具有至少約I毫米、至少約
2.5毫米或至少約3毫米(例如至少在刃ロ處)的厚度(縱向厚度)。34.條款18至33任一項的坯料本體，包含至少兩個或三個中間層，或通常由該燒結(jié)碳化物材料至該超硬結(jié)構(gòu)的整體連續(xù)的漸變。35.包含條款I(lǐng)至17任一項的超硬刀尖的回轉(zhuǎn)式機械工具。36.條款36的回轉(zhuǎn)式機械工具，其中該超硬結(jié)構(gòu)整體上由縱軸橫向延伸并限定刃□。37.機加工包含鈦(Ti)和/或碳纖維增強聚合物(CFRP)材料的本體的方法，該方法使用條款35或36的回轉(zhuǎn)式機械工具。38.制造用于條款35或36的回轉(zhuǎn)式機械工具的刀尖的方法，該方法包括提供條款18至34任一項的坯料本體，和從該坯料本體除去材料以形成刃ロ。39.條款38的方法，包括從坯料本體除去材料以形成出屑槽。下面更詳細(xì)地描述非限制性實施例。實施例I制造用于麻花鉆頭的P⑶刀尖坯料本體，其包含經(jīng)由三個中間層粘結(jié)到燒結(jié)碳化物基材的多模態(tài)PCD帽。通過以下方法制備預(yù)復(fù)合片(pre — compact)組裝件提供在一端具有以與P⑶刀尖坯料本體工作表面的預(yù)期形狀相同的整體形狀構(gòu)造的內(nèi)部形狀的殼體，并將P⑶結(jié)構(gòu)的前體層和中間層以及基材本體組裝到該殼體中。該基材本體是成型的鈷結(jié)碳化鈦硬質(zhì)合金，包含約10重量％的鈷和平均尺寸為約4微米至約6微米的WC晶粒。該基體本體包含近端和遠(yuǎn)端，該末端通過整體柱形的側(cè)面連接。近端具有球形鈍頭圓錐形狀，所述圓錐具有曲率半徑為約2. 25毫米的滾圓頂點。用于三種各自的中間層(標(biāo)記為LI、L2和L3)的三種前體中的每者層由各自由標(biāo)記為SI、S2和S3的片材形成，其包含三種不同組成的金剛石與碳化鎢晶粒。標(biāo)記為SI的該片材之ー還包含粉末形式的摻合鈷。在下表I中顯示了層SI、S2和S3以重量％為單位的組成，不包含有機粘合剤。通過流延包含金剛石和碳化鎢晶粒和有機粘合劑的各自漿料并使?jié)茶T的漿料干燥來形成該片材。金剛石晶粒具有多模態(tài)尺寸分布和約5微米至約15微米的平均尺寸。坯料本體箔F1、F2和F3由各自的片材S1、S2和S3切割至適于組裝到殼體中的尺寸，并將各個箔成型以符合該殼體末端的內(nèi)部形狀。表I
金剛石 WCCo
5175重量％_ 25重量1^ 0重量％
5250重量％_ 50重量%_ 0重量％
5320重量％_ 61重量％_ 19重量％通過如下方式組裝該預(yù)復(fù)合片組裝件將PCD結(jié)構(gòu)的前體層放置到該殼體中與該殼體的成形內(nèi)部末端接觸，倚靠(against)P⑶前體層放置箔F1，倚靠Fl放置箔F2，倚靠F2上放置箔F3井隨后將基材本體放置到該殼體中，倚靠F3壓制其近端。在真空中使該預(yù)復(fù)合片組裝件經(jīng)受熱處理以燒除基本所有的有機粘合剤，隨后將其裝配到用于超高壓爐的容器中。使預(yù)復(fù)合片組裝件經(jīng)受約5. 5GPa的壓カ和約1，350攝氏度的溫度以燒結(jié)該PCD前體結(jié)構(gòu)以形成經(jīng)由三個中間層連接到基材本體的PCD端帽。實施例2類似于實施例I中所述那樣制造用于麻花鉆鉆頭的P⑶刀尖坯料本體，所述坯料本體包含經(jīng)由三個中間層粘結(jié)到燒結(jié)碳化物基材的多模態(tài)PCD帽，但不同的是S3中Co的含量更高(如表2中所示)。表權(quán)利要求
1.用于回轉(zhuǎn)式機械工具的刀尖，包含借助于設(shè)置在所述超硬結(jié)構(gòu)與所述燒結(jié)碳化物基材之間的至少一個中間層連接到燒結(jié)碳化物基材的超硬結(jié)構(gòu)，所述中間層包含超硬材料的晶粒和分散在金屬粘結(jié)劑材料中的金屬碳化物材料的晶粒。
2.如權(quán)利要求I所述的刀尖，其中所述超硬結(jié)構(gòu)借助于設(shè)置在所述超硬結(jié)構(gòu)與所述燒結(jié)碳化物基材之間的至少兩個中間層連接到燒結(jié)碳化物基材，所述中間層包含不同組成的金剛石晶粒、金屬碳化物晶粒和金屬粘結(jié)劑。
3.如權(quán)利要求I或權(quán)利要求2所述的刀尖，其中所述超硬結(jié)構(gòu)包含聚晶金剛石(PCD)材料或PCBN材料。
4.如前述權(quán)利要求任一項所述的刀尖，其中所述中間層包含金剛石晶粒。
5.如前述權(quán)利要求任一項所述的刀尖，其中所述中間層包含至少30體積％的金剛石和至多80體積％的金剛石晶粒。
6.如前述權(quán)利要求任一項所述的刀尖，其中所述中間層包含至少10體積％的cBN晶粒和至多50體積％的cBN晶粒。
7.如前述權(quán)利要求任一項所述的刀尖，其中至少一個中間層具有至少約O.I毫米的厚度。
8.如前述權(quán)利要求任一項所述的刀尖，其中所述超硬結(jié)構(gòu)具有至少I毫米的厚度。
9.如前述權(quán)利要求任一項所述的刀尖，其中所述超硬結(jié)構(gòu)包含PCBN材料，所述PCBN材料包含分散在含Co、W和Al的粘合劑基質(zhì)中的至少約80體積％的cBN晶粒，其中所述cBN晶粒具有至多約5微米的平均尺寸。
10.如權(quán)利要求I至8任一項所述的刀尖，其中所述超硬結(jié)構(gòu)包含P⑶材料，所述P⑶材料包含至多約10體積％的用于金剛石的金屬催化劑材料。
11.如前述權(quán)利要求任一項所述的刀尖，包含至少兩個出屑槽，所述超硬結(jié)構(gòu)的外周側(cè)限定連接所述出屑槽的柱形刃帶。
12.如前述權(quán)利要求任一項所述的刀尖，用于麻花鉆或立銑刀。
13.制造如前述權(quán)利要求任一項所述的刀尖的方法，所述方法包括提供包含借助于設(shè)置在所述超硬結(jié)構(gòu)與所述燒結(jié)碳化物基材之間的中間層連接到燒結(jié)碳化物基材的超硬結(jié)構(gòu)的坯料本體，所述中間層包含超硬材料的晶粒和金屬碳化物材料的晶粒；和從所述坯料本體中除去材料以形成刃口。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，包括從所述坯料本體除去材料以形成出屑槽。
15.機加工包含鈦(Ti)和/或碳纖維增強聚合物(CFRP)材料的本體的方法，使用包含如權(quán)利要求任一項所述的刀尖的回轉(zhuǎn)式機械工具。
全文摘要
用于回轉(zhuǎn)式機械工具的刀尖(20)，包含借助于設(shè)置在該超硬結(jié)構(gòu)(12)和該燒結(jié)碳化物基材之間的至少一個中間層(161，162，163)連接到燒結(jié)碳化物基材(14)的超硬結(jié)構(gòu)(12)，該中間層(161、162、163)包含超硬材料的晶粒和分散在金屬粘結(jié)劑材料中的金屬碳化物材料的晶粒。
文檔編號C22C26/00GK102858482SQ201180014863
公開日2013年1月2日 申請日期2011年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月12日
發(fā)明者C·R·瓊克, R·弗雷斯, M·卡松地, J·J·巴里 申請人:六號元素磨料股份有限公司, 六號元素有限公司