專利名稱：用于后續生產切削工具的基于多孔立方晶系氮化硼的材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種制造具有切削刃的工具的方法，該切削刃是用多結晶立方晶系氮化硼(PCBN)所形成的，并粘結到硬質合金或金屬陶瓷主體上。
具有由超硬磨料，如基于立方晶系氮化硼(cBN)的材料所形成的切削刃的切削工具是通過粉末冶金技術制造的，并且，主要用于鑄鐵和淬硬鋼的機加工。對于鑄鐵而言，使用了具有80-100wt％ cBN的韌性材料，而對于淬硬鋼而言，則添加了10-50wt％的TiC，TiN或Ti(C，N)。這種材料降低了韌性但極大地提高了材料的化學穩定性。最為常見的情況是，該PCBN材料還含有較少量的(一般情況下每種＜10wt％，總共＜25wt％)其他組分，如Co，Ni，WC，Al，AlN，Al2Co9和Al2O3。這些材料或是加入到原材料粉末中，或是在加工中獲得。
PCBN切割工具主要是通過兩種不同的方式生產的i)通過高壓/高溫(HP/HT)燒結PCBN粉末混合物至固體，該固體被切割并研磨至最終的切割工具鑲塊。
ii)通過HP/HT燒結PCBN粉末的薄層，同時，該PCBN粉末的薄層粘結到基材(通常為硬質合金圓盤)上，從該圓盤上將較小的片(小片(chip))切下來。這些小片被釬焊到常規的硬質合金工具(如鑲刃式工具(insert)、立銑刀(end-mill)、鉆頭(drill))上，并研磨至最終的狀態。生產這些工具相對較為昂貴，因為在產品完成之前需要經歷很多步驟。而且，通常每一件工具僅可獲得一個或兩個切削刃。
從US 5,676,496可知一種以成本上更為有效的方式生產PCBN切削工具鑲塊(cutting tool inserts)的技術。這種技術可以通過將硬質合金或金屬陶瓷基片置于一個容器中，然后將PCBN粉末裝填入在該基片上適當設置的槽中。然后，將該容器HP/HT燒結，使得該PCBN粉末熔凝(consolidate)為完全的致密體，并同時粘結到該基材上。然后，該基材/PCBN化合物可以直接被研磨成切削工具鑲塊。采用此技術的主要優點是1.除去了釬焊步驟。
2.以有限的生產成本的增加來增加每一片鑲塊的切削刃的數量。
盡管所描述的方法導致了每一個切削刃的成本的顯著下降，但是，該方法有一個主要的缺點，即，原則上，將PCBN粉末裝填到槽中必須手工進行。PCBN粉末流動性差加之所需要的槽的幾何形狀，使得自動加工不可靠。且不說對健康明顯有害，手工裝填將導致PCBN粉末的裝填密度不均勻和過度地暴露在氧氣下。不均勻的裝填密度使得有必要選取比所需的要大一些的槽尺寸，以保證所獲得的PCBN的量總是足夠的。小心控制PCBN粉末中的氧含量對于HP/HT燒結來說是關鍵性的，這是因為過量的氧對熔凝過程有不利的影響。原則上，人們愿意采用高的并且高再現性的裝填密度并使得在處理和存儲過程中的氧吸收(pickup)最小化。
圖1-4說明了本發明。
的確驚人的發現是基于cBN材料的生坯可以在真空燒結工藝中在相對高的溫度下被預燒結，獲得具有合理強度和明確形狀的多孔體。采用適當選擇的燒結條件，這種材料不經歷不利于后續HP/HT燒結或切削工具性能的相轉變。尤其是，可以避免亞穩態的cBN晶粒過度相轉變成如六方晶系氮化硼(hCB)或金屬硼化物和氮化物。此外，預燒結步驟可以被設計為包括生坯的脫蠟、除氧和可選擇的氮的硝化。
在本發明的一個方面，提供了一種預燒結的多孔的、孔隙率35-55vol-％的cBN，包括尤其適合于進一步HP/HT燒結的材料，其中，該材料具有如下特性1.可以使用常規的自動工具壓制技術，制成具有精密公差和高再現性生坯密度的各種復雜形狀。
2.具有適于自動裝配的足夠強度，例如與硬質合金基材一起裝入合適的容器。
3.在HP/HT燒結期間，該多孔材料因足夠脆弱而坍塌，沒有留下殘余的裂縫和裂紋，并且基本上沒有殘余的孔隙率。
4.該材料具有低而且穩定的氧含量(典型地＜0.6wt％)，便于在較長的時間內以較低的氧吸收來貯藏，且容易處理。
在本發明的第二個方面，提供了一種制備上述材料的粉末冶金方法，包括如下步驟1.混合原材料，如，cBN和一種或多種hBN(六方晶系氮化硼)，TiC，TiN，Ti(C，N)，WC，W，C，Co，Co2Al9，Al，AlN，Al2O3與液體(如乙醇)和一種壓模劑(pressing agent)(如聚乙二醇，PEG)以形成具有所需組成的均勻漿液。TiC+TiN+Ti(C，N)的量＜50wt-％，其他添加物的量＜25wt-％。
2.形成粉末團塊，典型地直徑為100μm，優選采用噴霧干燥技術。
3.采用常規的工具壓制技術，形成具有所需尺寸和密度的生坯。
4.在適合于所選壓模劑的溫度和氣氛下(優選200-400℃、在用于PEG的流動的氫中)從生坯中除去壓模劑。
5.通過在真空中將溫度提高到1000-1350℃，從原材料晶粒中除去氧。
6.以1000-1350℃的溫度在真空中固態燒結該材料1-90分鐘，得到所需的強度。
7.可選擇地，在燒結時間內、或者在冷卻期間向燒結氣氛中加入0.5-1000毫巴的氮，以補償在除氧過程中造成的填隙元素的損失。
8.使經燒結的多孔體經受HP/HT處理，獲得所需形狀和尺寸的致密PcBN體，如切削工具鑲塊。在此處理期間，該多孔體可以與硬質合金或金屬陶瓷的燒結體相接觸，并且，在該HP/HT處理期間，與其相粘結而形成一個復合體，例如一種切削工具。
很明顯，根據本發明的方法可以用來制造如US 5,676,496以外的其他類型的鑲塊，以及具有復雜形狀的固體PCBN工具或工具體，如具有斷屑槽或具有用于夾緊的中央孔的鑲塊。實施例1按照本發明制備如US 5,676,496的切削工具鑲塊。首先，將57wt％cBN，35wt％Ti(C0.5，N0.5)和8wt％Co2Al9用磨碎機采用硬質合金研磨體研磨60分鐘，得到均勻的粉末混合物。然后，加入6.5wt％聚乙二醇，PEG，將粉末與乙醇混合成均勻的漿液。采用噴霧干燥技術干燥該漿液至具有平均團塊尺寸為約100μm并具有良好流動特性的粉末。采用常規工具壓制技術，將該粉末被壓制成具有所需尺寸的體。該壓制是在最高可能但不危害壓制工具的壓制壓力下進行，以達到高的生坯密度。將該壓模劑在200-320℃的流動的氫中從生坯中除去。在真空中，將溫度以10℃/分鐘上升至1050℃，然后，在真空中，進一步地以2℃/分鐘上升至1300℃。在溫度急升期間，氧以一氧化碳的形式離開生坯，其中還有一些氮的損失。該材料的固態燒結在真空中于1300℃下進行30分鐘。然后，在流動的氬氣下，將爐冷卻至室溫。
在固態燒結之后，測量該物體的尺寸和密度。尺寸稍大于生坯，對應于約1％的線性膨脹。與生坯的2.50g/cm3比較，密度為2.33g/cm3。這對應于6.5wt％PEG和0.7wt％一氧化碳和氮的損失。考慮到具有上述組成的完全致密體的理論密度為3.93g/cm3，包括不可避免的來自研磨體的碳化鎢(WC)和鈷(Co)的吸收，固態燒結體的密度對應于對應于41vol％的孔隙率。對于除去了壓模劑的工具壓制體而言，這是一個相對低的值，可能是因為使用了高的壓制壓力。典型的用于如工具-壓制硬質金屬體的值介于35-60vol％的孔隙率。
由于0.7wt％的填隙物的損失，與孔隙率相聯系的晶粒表面將會是高度亞化學計量的。這可能會成為問題，因為這些表面在長期的存貯過程中可能再氧化。然而，通過向燒結氣氛中添加氮、優選在溫度保持階段的最后添加，這些表面將被氮化并以此方式增加了化學計量成分。這樣，顯著地降低了再氧化的風險。
然后，將該燒結PCBN體用于制造如圖1-4所示的切削工具鑲塊，圖中顯示了按照上述US 5,676,496的鑲塊的制造。
圖1顯示所獲得的預燒結體。這個特定的物體為具有復雜截面的圓柱體狀，良好配合圖2所示硬質合金基材的槽，圖2顯示了欲用于生產具有六個PCBN切削刃的切削工具鑲塊的燒結硬質合金基材。三個槽沿周邊對稱設置。從每一個槽獲得兩個切削刃，在基材的每一側各一個。
將預燒結體置于圖2的硬質合金基材的槽中，將其放入容器中，在50千巴和1450℃下HP/HT處理約20分鐘。圖3顯示HP/HT燒結和從頂側除去容器材料之后基材和PCBN坯件。被置于槽中的多孔預燒結體已坍塌在槽中，并形成完全致密的PCBN材料，牢固地粘結于槽的內壁。最后，將坯料研磨成有六個切削刃的WMGA形鑲塊，如圖4。
權利要求
1.制造PcBN切削工具鑲塊的方法，其特征在于，-混合原材料，即，cBN和一種或多種hBN(六方晶系氮化硼)，TiC，TiN，Ti(C，N)，WC，W，C，Co，Co2Al9，Al，AlN，Al2O3與液體(如乙醇)和一種壓模劑(如聚乙二醇，PEG)以形成具有所需組成的均勻漿液；-形成粉末團塊，典型地直徑為100μm，優選采用噴霧干燥；-采用常規的工具壓制技術，形成具有所需尺寸和密度的物體；-在適合的溫度和氣氛下從所述的物體中除去壓模劑；-通過在真空中將溫度提高到1000-1350℃；-在真空中于1000-1350℃下固態燒結所述的物體1-90分鐘，以形成35-55vol-％的孔隙率的物體；-可選擇地，在保持時間內、或者在冷卻期間向燒結氣氛中加入0.5-1000毫巴的氮；-HP/HT處理所述的多孔物體，以形成所需形狀和尺寸的致密體。
2.如前述權利要求所述的方法，其特征在于，所述的多孔PCBN物體與硬質合金或金屬陶瓷體接觸放置，并且通過HP/HT處理而粘結于其上。
3.PCBN體，其特征在于，是通過粉末冶金方法混合、壓制和燒結制成的，并具有35-55vol-％的孔隙率。
全文摘要
一種制造PcBN切削工具鑲塊的方法,該方法包括:混合cBN和一種或多種hBN，TiC,TiN,Ti(C,N),WC,W,C,Co，Co
文檔編號B23P15/28GK1269273SQ00105718
公開日2000年10月11日 申請日期2000年4月3日 優先權日1999年4月7日
發明者烏爾夫·羅蘭德, 耶羅爾德·魏恩 申請人:桑德維克公司