專利名稱：立方氮化硼燒結體的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及立方氮化硼(cBN)燒結體，尤其涉及用于切削刀具的cBN燒結體，以改善刀具的耐磨性和抗崩裂性能。
由于cBN是一種硬度僅次于金剛石的物質，因此，cBN基燒結體已在切削刀具、耐磨部件、耐沖擊部件等場合中得到應用，這種類型的燒結體難于同時獲得高硬度和高強度，特公昭62-25630，62-25631，以及特開平5-186272已對旨在實現(xiàn)硬度和強度的良好匹配的技術進行了公開，然而，所公開的技術對于實現(xiàn)硬度和強度的良好匹配并不充分，例如，包含前述燒結體的單刃刀具在用于高速切削時，允許發(fā)生側面磨損和月牙洼磨損，以使刃口銳利，結果容易導致刃口崩裂(chipping)，甚至對于普通切削速度而言，所述刀具在用于施加強烈沖擊的場合如斷續(xù)切削時，會由于沖擊的作用而發(fā)生刃口崩裂，這此缺陷已這成刀具壽命的不穩(wěn)定。
本發(fā)明的一個目的是提供一種cBN燒結體，該燒結體由于對耐月牙洼磨損性能和機械強度進行了最佳選擇而具有更優(yōu)的抗崩裂性能。本發(fā)明的另一個目的是提供一種cBN燒結體，該燒結體由于對抗沖擊性能和機械強度進行了最優(yōu)選擇而具有更優(yōu)的抗崩裂性能。
本發(fā)明所提供的第一種燒結體是這樣一種燒結體，其中，cBN粒子通過一種粘結相來進行粘結，所述粘結相具有二維連續(xù)結構。所述粘結相至少包含下列一種物質(a).元素周期表中的4a，5a，或6a族過渡金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物或硼化物；(b).Al的氮化物、硼化物或氧化物；(c).至少一種Fe、Co，或Ni的碳化物、氮化物、碳氮化物和硼化物；以及(d).一種上述這些物質的相互固溶體。所述粘結相厚度的平均值應小于或等于1.5μm，而且其標準偏差小于或等于0.9μm。在上面的描述中，粘結相厚度指的是燒結體中處于任意畫的一條直線上的cBN粒子間的距離。所述cBN含量的體積百分比為45-70％。所述cBN粒子的平均尺寸為2-6μm(首尾兩尺寸均包括在內)。所述平均粒子尺寸指的是累積粒子體積百分數(shù)占50％的粒子的直徑。
本發(fā)明所提供的第二種燒結體是這樣一種燒結體，其中，cBN粒子通過一種粘結相來進行粘結。所述粘結相具有二維連續(xù)結構，所述粘結相包含至少一種下列物質(a).周期表中4a、5a或6a族過渡金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物、或硼化物；(b).Al的氮化物、硼化物或氧化物；(c).至少一種Fe、Co或Ni的碳化物、氮化物、碳氮化物和硼化物；以及(d).一種上述這些物質的相互固溶體。所述粘結相的平均厚度小于或等于1.0μm，而且其標準偏差小于或等于0.7μm。在上面的描述中，所述粘結相的厚度指的是燒結體中處在任意畫的一條直線上的cBN粒子間的距離。cBN含量的體積百分數(shù)為45-70％。所述cBN粒子的平均尺寸應不小于0.01μm但又小于2.0μm。所述平均尺寸指的是粒子的累積體積百分數(shù)占50％的粒子的直徑。
傳統(tǒng)的cBN燒結體已經包含一種厚度變化很大的燒結相，從而產生粘結相本身占有很大體積的局部區(qū)域。由于這些部位是燒結體中的機械性能薄弱區(qū)(缺陷)，因此，裂紋易于在這些部位產生，導致刀具的抗崩裂性能不足。
由于刃口處溫度高，所以高速切削尤其會降低材料的強度。高速切削也會產生月牙洼磨損，使刃口銳利，從而降低刃口的強度。這種情況下，會在月牙洼磨損部位產生由于刃口受到沖擊所引起的、與刃口平行的裂紋。在斷續(xù)沖擊作用下，所述裂紋擴展，從而導致崩裂出現(xiàn)。
甚至在普通的切削速度下，當?shù)毒哂糜谟袥_擊作用的場合如斷續(xù)切削時，沖擊會造成上述缺陷部位出現(xiàn)應力集中，這種應力集中會在這種機械性能薄弱的缺陷部位引起斷裂，從而導致刃口崩裂的產生。
考慮到上述這種失效機制，本發(fā)明通過使粘結相具有比傳統(tǒng)的燒結體粘結相更小的厚度變化，來消除上述缺陷部位，從而使本發(fā)明的燒結體具有改善的抗崩裂性能。當粘結相的厚度平均值和標準偏差超過上述特定值時，僅由所述粘結相占很大體積分數(shù)的部位就會增加，從而削弱了對抗崩裂性能的有效改善。粘結相平均厚度的下限應為約0.02μm，以確保其作用的發(fā)揮。
如果cBN粒子的直徑過小，所述粒子就會喪失其耐熱性，從而容易導致磨損的發(fā)生；如果直徑過大，所述cBN粒子本身就會在沖擊作用下發(fā)生劈裂，造成刃口出現(xiàn)崩裂，從而導致刃具喪失其抗崩裂性能。因此，本發(fā)明的第一種燒結體應含有粒子尺寸為2-6μm的cBN粒子，以使其具有優(yōu)良的耐熱性并適合用于高速切削。類似地，本發(fā)明的的第二種燒結體應含有粒子尺寸不小于0.01μm但又小于2.0μm的cBN粒子，以使其具有優(yōu)良抗沖擊性能。
本發(fā)明的燒結材料可以通過用一種粘結相材料涂覆cBN或者用特定方法對原材料進行混合來獲得。粘結相材料的涂覆由下列方法之一來實施(a)燒結前的化學氣相沉積(CVD)法、物理氣相沉積(PVD)法，或者電鍍法；或(b)利用機械混合時由擠壓剪切力，摩擦力，以及沖擊力所誘發(fā)的機械化學反應。
最適當?shù)奶囟ǖ幕旌戏椒ㄊ浅暬旌戏ɑ蚍稚┹o助球磨(BM)法。
本發(fā)明的燒結材料的燒結過程采用例如等離子燒結設備、熱壓設備、或超高壓燒結設備進行。
本發(fā)明的實施方案描述如下。
實施例1對下述材料加以混合76重量％的氮化鈦，18重量％的Al，3重量％的Co，以及3重量％Ni，在真空中將所述混合物在1200℃熱處理達30分鐘，以獲得一種化合物，將該化合物粉碎以得到一種粘結材料粉末。X射線衍射譜(XRD)表明，所述粘結材料粉末有TiN，Ti2AlN，TiAl3等的峰出現(xiàn)。采用表1中所述方法，對所述粘結材料粉末和一種平均粒子大小為3μm的cBN粉末進行混合，以使cBN的體積分數(shù)為60％，所述混合方法的詳細條件描述如下。2號樣使用RF濺射法來將TiN涂覆在cBN粒子上。所述涂層的平均厚度為50nm。對2號樣進行混合時沒有使用分散劑。
超聲混合的實施過程為將一種cBN粉末和一種粘結劑材料添加到乙醇中，在20kHz的超聲振動作用下進行混合。BM混合法的實施過程為將一種cBN粉末和一種粘結材料粉末同直徑為10mm磨球一起放入一罐中，以250rpm的轉速在乙醇中濕混達800分鐘，所使用的分散劑是2重量％的聚乙烯醇。
對所述的混合粉末在分別高達5GPa和1300℃的超高壓和高溫下進行燒結XRD表明，所有燒結體中存在cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3、以及WC。
在1500倍的金相顯微鏡下對所述燒結體的結構進行拍攝，以便觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結相。通過在這些照片上畫任意一條直線來測定粘結相的厚度。在所述直線上測定20個或更多的位置處的粘結相厚度，或者cBN粒子間的距離，以獲得測量結果的平均值。所獲得的平均值以及標準偏差示于表1中。
將所述燒結體加工成切削刀具。所述刀具然后在下述的條件下進行切削試驗以測定其壽命，即出現(xiàn)崩裂前的時間。結果示于表1中。
切削試驗條件待切削材料SCM415，HRC58-62，尺寸直徑100mm以及長度300mm，形狀沿長度方向存在6個V型溝槽。
刀具形狀SNG432珩磨倒角(-25°，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V180m/分鐘，d03mm，f0.15mm/轉，條件干切削表1
結果清楚表明，當粒子平均尺寸為3μm的cBN粒子被厚度平均尺寸不大于1.5μm以及其標準偏差不超過0.9μm的粘結相粘結時，刀具壽命延長約2倍，該結果也證實，當對粘結材料粉末與cBN粉末進行混合，以便獲得含有前述厚度的粘結相的燒結體時，使用超聲混合法或分散劑輔助球磨法是令人滿意的。而且將粘結相材料涂覆在cBN粒子上也是有效的。
實施例2采用與實施例1相同的方法生產出一種粘結材料粉末。采用表2所述方法將所述粘結材料與平均粒子尺寸為1μm的cBN粉末混合，以使cBN的體積分數(shù)達60％，所述混合方法的詳細條件在下面做了描述。7號樣使用RF濺射法來將TiN涂覆在cBN粒子上，所述涂層的平均厚度為40nm，7號樣的混合沒有使用分散劑。
超聲混合的實施過程為，將cBN粉末和粘結材料粉末添加至丙酮中，并在23.5kHz的超聲振動作用下進行混合。BM混合法的實施過程為將cBN粉末和粘結材料粉末同直徑為10mm的磨球一起置于一罐內，在乙醇中，以235rpm的轉速濕混340分鐘，所使用的分散劑為1.5重量％的聚乙烯醇。
在高達5GPa和1300℃的超高壓和高溫下燒結所述混合粉末。XRD分析中，所有的燒結體均顯示有cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3以及WC存在。
采用與實施例1相同的方法觀察所述燒結體的結構，以測量粘結相的厚度，所獲得的厚度平均值和標準偏差列于表2中。
將所述燒結體加工成切削刀具。然后，在下述條件下對所述刀具進行切削實驗，以測定其壽命，即刀具出現(xiàn)崩裂時的時間。所獲結果列于表2中。
切削試驗條件待切削的材料SCM415，HRC58-62，尺寸直徑100mm，長300mm，形狀沿長度方向存在6個V型溝槽，刀具形狀SNGM20408珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V100m/min，d0.2mm，f0.13mm/轉，條件干切削表2
結果清楚表明，當平均粒子尺寸為1μm的cBN粒子被厚度平均值不大于1.0μm而且標示準偏差值不超過0.7μm的粒結相粘結時，刀具的壽命延長約2倍，所述結果也證實，當將所述粘結粉末與cBN粉末加以混合，以便獲得含有上述厚度的粘結相的燒結體時，使用超聲混合法或分散劑輔助球磨法是令人滿意的。
實施例3對下面的材料進行混合75重量％氮化鈦，22重量％Al，2重量％Co，以及1重量％Ni。在真空中對所述混合物于1240℃下進行熱處理達32分鐘，以獲得一種化合物。將所述化合物加以粉碎以獲得一種粘結材料粉末。X射線衍射譜中，所述粘結材料粉末出現(xiàn)了TiN，Ti2AlN、TiAl3等的峰。采用超聲混合法和一種無分散劑輔助的球磨(BM)法，將所述粘結材料與平均粒子尺寸為4.8μm的cBN粉末加以混合，以使cBN的體積分數(shù)達65％。混合方法的具體條件描述如下。
超聲混合法的實施過程為將一種cBN粉末和一種粘結材料粉末添加到丙酮中，并在25kHz的超聲振動作用下進行混合。BM混合法的實施過程為將一種cBN粉末和一種粘結材料粉末同直徑為10mm的磨球一起置于一罐內，在乙醇中以200rpm的轉速濕混600分鐘。
在高達4.85GPa和1310℃的超高壓和高溫下燒結所述混合粉末。XRD中，所有的燒結體均顯示出有cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3以及WC存在。采用下面所述方法對所述燒結體的結構進行觀察，對下述的每一種觀察方法，均采用與實施例1相同的方法來測量粘結相的厚度。
(1)在1500倍的金相顯微鏡下對結構進行拍攝，以便觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結相，通過在照片的劃任意一條線來測量所述粘結相的厚度。
(2)在3000倍的掃描電子顯微鏡(SEM)下對所述結構進行拍攝，以便觀察cBN粒子和粘結相。通過在所述照片上劃任意一條直線來測量所述粘結相的厚度。
(3)在10000倍的透射電子顯微鏡(TEM)下對所述結構進行拍攝，以便觀察cBN粒子和粘結相，通過在所述照片上劃任意一條直線來測量所述粘結相的厚度。
(4)采用10000倍的俄歇電子譜儀(AES)對所述結構進行拍攝，以觀察cBN粒子和粘結相。通過在所述照片上畫任意一條直線來測量所述粘結相的厚度。
(5)在1500倍的金相顯微鏡下對所述結構進行拍攝，以觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結相。對所述照片采用圖象分析加以處理。對所述圖像進行雙水平量化，以使與cBN粒子相對應的黑色部位的面積百分數(shù)與cBN的體積百分數(shù)相等。然后，確定與粘結相相對應的部位，以便測量粘結相的厚度。
(6)在1000倍的金相顯微鏡下對所述結構進行拍攝，以觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結相。采用圖像分所析對所述照片進行處理，以測量所畫任意一條線上的亮度。測量結果表明，亮度具有周期性。首先，依據(jù)亮度的程度，將所述直線各段分成兩組一組比給定的亮度還暗(與cBN粒子相對應)；另一組更亮些(與粘結相相對應)。其次，對確定亮度程度的方式進行控制，以使較暗部分的百分數(shù)與cBN的體積百分數(shù)相等。最后，將較亮部分的長度作為粘結相的厚度。
所獲得的粘結相厚度平均值和標準偏差列于表3中。
表3
將所述燒結體加工成切削刀具，然后，在下面所述的條件下對所述刀具進行切削試驗，以測量刀具的壽命，即直至崩裂出現(xiàn)時的時間。采用超聲波法混合的燒結體壽命約20分鐘，采用球磨法混合的燒結體壽命約5分鐘，該結果證實，混合粘結材料粉末時，超聲混合法優(yōu)于未使用分散劑的球磨法。
切削試驗條件待切削材料SCM420，HRC59-61，尺寸直徑100mm，長300mm，形狀沿長度方向存在8個V型溝槽，刀具形狀SNGN20408珩磨倒角(-25°，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V150m/min，d0.25mm，f0.11mm/轉，條件干切削實施例4對下述材料進行混合73重量％氮化鈦，19重量％Al，4重量％Co，和4重量％Ni。在真空中，于1240℃對所述混合物熱處理32分鐘，以獲得一種化合物。將所述化合物粉碎，從而獲得一種粘結材料粉末。XRD中，所述粘結材料粉末有TiN、Ti2AlN、TiAl3等的峰出現(xiàn)。采用超聲混合法和采用沒有分散劑輔助的球磨(BM)法，將所述粘結材料粉末和平均粒子尺寸為0.5μm的cBN粉末加以混合，以使cBN的體積分數(shù)達65％，混合方法的詳細條件描述如下。
超聲法混合的實施過程為將cBN粉末和粘結材料粉末添加到乙醇中，并在22.3kHz的超聲振動作用下進行混合。BM混合法的實施過程為將cBN粉末和粘結材料粉末同直徑10mm的磨球一起置于一罐內，在丙酮中，以215rpm的轉速進行濕混達450分鐘。
在高達4.85GPa和1310℃的超高壓和高溫下，燒結所述混合粉末。XRD中，所有燒結體均顯示出有cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3、以及WC存在。采用與實施例3中編號為(1)-(6)相同的方法處理所述燒結體，以測量粘結相的厚度，所獲得的粘結相厚度的平均值和標準偏差示于表4中。
表4
將所述燒結體加工成切削刀具。然后，在下述條件下，對所述刀具進行切削試驗，以測量其壽命，即直至崩裂出現(xiàn)為止的時間長度，采用超聲波混合的燒結體壽命約20分鐘，而采用球磨法混合的燒結體壽命僅約5分鐘。該結果證實，在混合粘結材料粉末時，超聲混合法優(yōu)于無分散劑輔助的球磨法。
切削試驗條件待切割的材料SCM420(JIS標準)，HRC59-61，尺寸直徑100mm，長300mm，形狀沿長度方向存在8個V型溝槽，刀具形狀SNGN120408珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V90m/min，d0.23mm，f0.14mm/轉，條件干切削。
實施例5對下述材料進行混合80重量％氮化鈦和20重量％Al。在真空中，于1200℃對所述混合物熱處理30分鐘，以獲得一種化合物。將所述化合物粉碎以形成一種粘結材料粉末，所述粉結材料粉末在XRD中有TiN、Ti2AlN、TiAl3等的峰出現(xiàn)。將平均粒子尺寸為3.5μm的cBN粒子用所述粘結粉末材料涂覆，以使cBN占有如表5所示的體積分數(shù)。采用一種RF濺射PVD設備進行上述涂覆。TEM下對涂覆后的粒子觀察表明，cBN粒子實際上均勻涂覆有平均厚度為50nm的TiN，采用沒有使用分散劑的球磨方法將涂覆有TiN的cBN粒子與前述的粘結材料粉末加以混合。BM法的混合過程為將cBN粉末和粘結材料粉末同直徑10mm的磨球一起放入一罐內，于丙酮中，以260rpm的轉速濕混650分鐘，在高達4.8GPa的超高壓和1350℃的高溫下燒結所述混合粉末。所有的燒結體在XRD中均顯示出cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3以及WC的存在。
在1500倍的金相顯微鏡下對所述燒結體的結構進行拍攝，以觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結相。通過在所述照片上畫任意一條直線，來測量所述粘結相的厚度。所獲得的厚度平均值和標準偏差示于表5中。
將所述燒結體加工成切削刀具。然后，在下面所述的條件下對所述刀具進行切削試驗，以測量其壽命，即直至崩裂出現(xiàn)為止的時間。所獲結果也示于表5中。
切削試驗條件待切削的材料SCM415，HRC58-62，尺寸直徑100mm，長300mm，形狀沿長度方向存在6個V型溝槽，
刀具形狀SNG432珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V165m/min，d0.19mm，f0.125mm/轉，條件干切削。表5
實施例6對下述材料進行混合92重量％氮化鈦和18重量％Al。在真空中，于1200℃對所述混合物熱處理30分鐘，以獲得一種化合物。將所述化合物粉碎以獲得一種粘結材料粉末。所述粘結材料粉末在XRD中有TiN、Ti2AlN、TiAl3等的峰出現(xiàn)，用所述粘結材料粉末對平均粒子尺寸為1.5μm的cBN進行涂覆處理，以使cBN占有如表6所示的體積分數(shù)。所述涂覆處理采用一種RF濺射PVD設備進行。TEM下對涂覆粒子的觀察表明，所述cBN粒子實際上均勻涂覆有平均厚度為45nm的TiN。采用未使用分散劑的球磨法將涂覆有TiN的cBN粒子和前述的粘結相粉末加以混合。BM法的混合過程為將所述cBN粉末和一種粘結材料粉末同直徑為10mm的磨球一起放入一罐內，在乙醇中，以235rpm的轉速濕混550分鐘。在4.9GPa的超高壓和1380℃的高溫下燒結所述混合粉末。所有燒結體在XRD中均顯示出有cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3以及WC存在。
在1500倍的金相顯微鏡下對所述燒結體的結構進行拍攝，以觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結相，通過在照片上畫任意一條線來測量所述粘結相的厚度。所獲得的厚度平均值和標準偏差示于表6中。
將所述燒結體加工成切削刀具。然后，在下面所述的條件下對所述刀具進行切削試驗，以測量其壽命，即直至崩裂出現(xiàn)為止的時間，所獲結果也示于表6中。
切削試驗條件待切割的材料SCM415，HRC58-62，尺寸直徑100mm，長300mm，形狀沿長度方向存在6個V型溝槽，刀具形狀SNGM432珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V103m/min，d0.145mm，f0.088mm/轉，條件干切削。表6
由實施例5和6所獲結果證實，cBN含量的百分數(shù)為45-70體積％為最佳。尤其是，在50-65體積％時所獲結果更令人滿意。
實施例7將各材料粉末加以混合來制備粘結相。在真空中，于1230℃下，將每種混合物熱處理32分鐘，以獲得化合物。將所述化合物粉碎以獲得一種粘結材料粉末。采用分散劑輔助的球磨法對所述粘結材料粉末和平均粒子尺寸為4.1μm的cBN粉末進行混合，以使cBN占有62％的體積分數(shù)。BM法的混合過程為將所述cBN粉末和一種粘結材料粉末同直徑為10mm的磨球一起放入一罐內，在丙酮中，以190rpm的轉速濕混700分鐘，所使用的分散劑是聚乙烯醇。在5.1GPa的超高壓和1310℃的高溫下燒結所述混合粉末。這樣所獲得的燒結體在XRD中有示于表7中的化合物的峰出現(xiàn)。
在1000倍的金相顯微鏡下對所述燒結體的結構進行拍攝，以便觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結相，通過在所述照片上畫任意一直條線來測量粘結相的厚度。所獲得的厚度平均值和標準偏差示于表7中。
將所述燒結體加工成切削刀具。然后，在下面所述的條件下對所述刀具進行切削試驗，以測量其壽命，即直至崩裂出現(xiàn)為止的時間。所獲結果示于表7中。
切削試驗條件待切削的材料SCM415(JIS標準)，HRC58-62，尺寸直徑100mm，長300mm，形狀沿長度方向存在6個V型溝槽，刀具形狀SNG120408珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V190m/min，d0.15mm，f0.11mm/轉，條件干切削。表7
實施例8對各種材料的粉末加以混合，以制備粘結相。在真空中，于1270℃％以下，對每種混合物熱處理28分鐘，以獲得化合物。將所述化合物粉碎來獲得一種粘結材料粉末。采用分散劑輔助的球磨法對所述粘結材料粉末和平均粒子尺寸為1.8μm的cBN粉末進行混合，以使cBN所占體積分數(shù)為64％。BM法的混合過程為將所述cBN粉末與一種粘結材料粉末同直徑為10mm的磨球一起放入一罐中，以245rpm的轉速在乙醇內濕混750分鐘。所添加的分散劑是1.8重量％的聚乙烯醇。在4.8GPa的超高壓和1330℃的高溫下燒結所述混合粉末。這樣獲得的燒結體在XRD中有如表8所示的化合物的峰出現(xiàn)。
在1000倍的金相顯微鏡下對所述燒結體的結構進行拍攝，以便觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結相，通過在所述照片上畫任意一條直線，來測量所述粘結相的厚度。所獲得的厚度平均值和標準偏差示于表8中。
將所述燒結體加工成切削刀具。然后，在下面所描述的條件下對所述刀具進行切削試驗，以測量其壽命，即直至崩裂出現(xiàn)時的時間。所獲結果示于表8中。
切削試驗條件待切削的材料SCM415(JIS標準)，HRC58-62，尺寸直徑100mm，長300mm，形狀沿長度方向存在6個V型溝槽，刀具形狀SNGN120408珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V190m/min，d0.15mm，f0.11mm/轉，條件干切削。表8
實施例7的結果表明，每個試樣的粘結相厚度平均值不大于1.5μm，其標準偏差不超過0.9μm；而且，每個試樣均具有約30分鐘的優(yōu)良刀具壽命。類似地，實施例8的結果表明，每個試樣的粘結相厚度的平均值不大于1μm，其標準偏差不超過0.7μm；而且，每個試樣均表現(xiàn)出約30分鐘的優(yōu)異刀具壽命。該結果證實所述粘結相至少包含下述物質之一種較佳(a)周期表中4a，5a，或6a族過渡金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物或硼化物；(b)Al的氮化物、硼化物或氧化物；(c)至少一種Fe、Co或Ni的碳化物、氮化物、碳氮化物以及硼化物；以及(d)上述這些物質的相互固溶體。
實施例9對下述材料進行混合70重量％氮化鈦，25重量％Al，3重量％Co，以及2重量％Ni，在真空中，1250℃下熱處理所述混合物25分鐘，以獲得化合物。將所述化合物粉碎，以得到一種粘結材料粉末。所述粘結材料粉末在XRD中有TiN，Ti2AlN，TiAl3等的峰出現(xiàn)。采用超聲混合法，將所述粘結材料粉末和一種平均粒子尺寸如表9所示的cBN粉末混合，以使cBN所占體積分數(shù)為57％。超聲法混合過程為將所述cBN粉末和粘結材料粉末加入到乙醇中，在23kHz的超聲振動作用下進行混合，在4.9GPa的超高壓和1320℃的高溫下燒結所混合的粉末。所有的燒結體在XRD中有明有cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3以及WC存在。
在1500倍的金相顯微鏡下對所述燒結體的結構進行拍攝，以便觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結相，通過在所述照片上畫任意一直條線，來測量所述粘結相的厚度。所獲得的厚度平均值和標準偏差示于表9中。
將所述燒結體加工成切削刀具。然后，在下面所述的條件下對所述刀具進行切削試驗，以測定其壽命，即直至崩裂出現(xiàn)時的時間。所獲結果示于表9中。
切削試驗條件待切削的材料SCM415，HRC58-62，尺寸直徑100mm，長300mm，形狀沿長度方向存在6個V型溝槽，刀具形狀SNG432珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V170m/min，d0.25mm，f0.14mm/轉，條件干切削。表9
結果清楚表明，平均粒子尺寸為2.0-6.0μm的cBN粒子能夠在高速切削中延長刀具的壽命。
實施例10對下述材料進行混合78重量％氮化鈦，16重量％Al，4重量％Co，以及2重量％Ni，在真空中，1260℃下熱處理所述混合物20分鐘，以獲得化合物，將所述化合物粉碎，以得到一種粘結材料粉末。所述粘結材料粉末在XRD中有TiN，Ti2AlN，TiAl3等的峰出現(xiàn)。采用超聲混合法，將所述粘結材料粉末與平均粒子尺寸如表10所示的cBN粉末混合，以使cBN所占體積分數(shù)為57％。超聲法的混合過程為將所述cBN粉末和粘結材料粉末添加至乙醇中，在20.5kHz的超聲振動作用下進行混合。在5.0GPa的超高壓和1400℃的高溫下燒結所混合的粉末。所有燒結體在XRD中均表明有cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3以及WC存在。
在1500倍的金相顯微鏡下對所述燒結體的結構進行拍攝，以便觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結相，通過在所攝照片上畫任意一條直線，來測量所述粘結相的厚度。所獲得的厚度平均值和標準偏差示于表10中。
將所述燒結體加工成切削刀具。然后，在下面所述的條件下對所述刀具進行切削試驗，以測定其壽命，即直至崩裂出現(xiàn)時的時間。所獲結果示于表10中。
切削試驗條件待切削的材料SCM415(JIS標準)，HRC58-62，尺寸直徑100mm，長300mm，形狀沿長度方向存在6個V型溝槽，刀具形狀SNGN120408珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V100m/min，d0.21mm，f0.12mm/rev，條件干切削。表10
結果清楚表明，平均粒子尺寸不小于0.01μm但小于2.0μm的cBN粒子在普通速度、斷續(xù)切削時能夠延長刀具的壽命。
如上所述，本發(fā)明提供一種的耐磨性能和抗崩裂性能均較優(yōu)的cBN燒結體。通過減小燒結體中粘結相的厚度變化，就能夠獲得這些較優(yōu)的性能。
權利要求
1.一種包含cBN粒子和一種粘結所述cBN粒子的粘結相的cBN燒結體，所述粘結相為二維連續(xù)分布；所述粘結相至少包括下列物質之一種周期表中的4a、5a、或6a族過渡金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物，或者硼化物；Al的氮化物、硼化物，或者氧化物；至少一種Fe、Co、或Ni的碳化物、氮化物、碳氮化物、或硼化物；以及一種上述這些物質的相互固溶體；所述粘結相的厚度平均值為小于或等于1.5μm，并且，其標準偏差小于或等于0.9μm；所述cBN的體積分數(shù)為45-70％而且所述cBN粒子的平均尺寸為2-6μm(2μm和6μm包括在內)。
2.如權利要求1所述的cBN燒結體，其中，cBN含量的體積百分數(shù)為50-65％。
3.一種包含cBN粒子和一種粘結所述cBN粒子的粘結相的cBN燒結體，所述粘結相為二維連續(xù)分布，所述粘結相至少包含下列物質之一種周期表中的4a、5a、或6a族過渡金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物，或者硼化物；Al的氮化物、硼化物，或者氧化物；至少一種Fe、Co、或Ni的碳化物、氮化物、碳氮化物或硼化物；以及一種上述這些物質的相互固溶體；所述粘結相的厚度平均值小于或等于1.0μm，并且，其標準偏差小于或等于0.7μm；所述cBN的體積分數(shù)為45-70％；并且，所述cBN粒子的平均尺寸不小于0.01μm但小于2.0μm。
4.如權利要求3所述的cBN燒結體，其中，cBN含量的體積百分數(shù)為50-65％。
全文摘要
一種抗缺口性能優(yōu)良的cBN燒結體,它通過粘結相將cBN粒子加以粘結。粘結相具有二維連續(xù)分布結構,其包含的成分如說明書所述。cBN含量為45—70%體積%。所述粘結相厚度的平均值小于或等于1.5μm,而且其標準偏差小于或等于0.9μm,同時所述cBN粒子的平均尺寸為2—6μm(起止兩個尺寸包括在內)。所述粘結相厚度的平均值小于或等于1.0μm且其標準偏差小于或等于0.7μm時,所述cBN粒子的平均尺寸不小于0.01μm但小于2.0μm。
文檔編號C22C29/16GK1242350SQ9911063
公開日2000年1月26日 申請日期1999年7月22日 優(yōu)先權日1998年7月22日
發(fā)明者深谷朋弘, 久木野曉, 白石順一 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社