專利名稱：工具部件的制作方法
王具部件
背景技術：
本發明涉及工具部件。
利用金剛石復合片(楊為多晶金剛石(pcd))和立方氮^tml合片(也
稱為PCBN)的超硬研磨切削元件或工具部件廣泛地應用于鉆孔、銑削、切削和 其它這樣的研磨應用中。該元件或工具部件通常會包含粘結于載體的PCD或 PCBN層，該載體通常為,碳"ft^栽體。該PCD或PCBN層可呈現尖銳的切削刃 或切削點或者切削表面ii^f磨表面。
PCD包括含有大量的直4^r剛石與金剛石粘結的金剛石顆粒物料。PCD將典 型地具有第^目，該第>目包*剛石催化劑/溶劑例如鈷、鎳、4M包^"種 或多種這樣的金屬的*。 PCBN通常還會包^^占結相，該粘結相典型是cBN催 化劑或包^t樣的催化劑。合適的粘結相的例子是鋁、堿金屬、鈷、鎳、鴒等。
PCD切削; L件廣;i^]于才;U口工一系列的金屬和*以^^制復合材料。特別 地，汽車、航空獻以^Ot加工工業^^ PCD，以便從^_供的較高水平的生 產率、精度和一致性中受益。在金屬加工工業中，45^s金、雙金屬、銅合金、 ^/石墨鴻強的塑Wp金屬M復^^;U l PCD進^f;a口工的典型材料， 、水滬*、刨花敗、碎^^^^^L4這類;M^產品的例子。PCDii^石油 4^果工業中用作鉆體的鑲嵌件(insert )。
^^/Oa工期間，切削工具的^Ut常由下列過程中的一個或其組合引起
參由于^:壞4生的斷裂(突然^t)
*由于累積*損(、漸ii性M) ，由于塑'f生變形(突然^t)
導致形狀改變的塑性變形通常在超硬切削工具材料中不是非常重要的因 素，所述工具材彬口在提高的溫度下##其強度的PCD。漸進'^t損導致的工具 ^t的特征為工具上的磨損特征的演變。典型的磨損特征包括側面磨損、月牙 ^^損、DOC(切削^l觖口磨損以;Mi緣口磨損。側面磨損帶的^l(VBBmax) 是合適的工具磨損量度，并且VB卿x的預定值被視為良好的工具壽命標準閨際標準(ISO) 3685， 1993, ^^1單點車削工具測試的工具壽命]。在特^I用中 產生磨損特征(磨痕)的磨損模式通常絲于切削工具的顯孩&且織、枳加工條 件和切削刃的幾何結構。廇^損才莫式可以包:^M"磨損、孩O見斷裂磨損(碎裂、 剝#開裂)、粘著磨損(形成切屑瘤)或摩^f匕學磨損(擴^^損和形成新的 ^R^物)。通常將大量的時間和精力花費在尋找最優的工具材料、幾何結構和機 加工錄。
金剛石的高石MAPCD的良好磨損棒性的原因，然而，該高石級負面地影 響其斷IUl耐切屑性。當在某種應用中工具處于使用的磨合(break-in)階段 或早期階段時,PCD的該低耐切屑性可以通過微見斷^^損模式而引起破壞性的 斷,磨損。為了P且ih^壞性的斷裂，通常在切削刃上制備倒棱和絎磨頭以便 增加其強度。
相對于^1化物較低的PCD耐切屑性將其應用限制于僅"f5Ult加工用途。^*EL 加工和嚴重受阻的應用(高的進給率和切削深度)中，在這種情況下切削刃上 的負荷比較高，PCD 4睹易斷裂，導致工具過早緩。另一方面碳化物比PCD 磨損得決，但是耐切屑性更高。不同于^lMt加工辦中，^^口工辦中尺寸 容卩W是很重要(VBBmax〉0.6),這意^M"工具磨損不A^要的因素，而耐切屑 性是。而且，在較不苛刻的應用中，如MDF (中密度纖條)低SiAl^r^刨 ，磨損率通常tb^低，所以碳化物因較低的，-性能比而成為M。
除jtb^卜，由于PCD的高石^^導^口工威本可能會高，1吏得它不如^^化物 引人注意。由高溫高壓(HPHT )^成生產的超硬切削工具材州多晶金剛石(PCD )、 多晶立方氮化硼(PCBN)、單晶金剛石等)，在將它們用作切削工具的鑲嵌件前 必須經iiX個加工步驟。這些加工步 常包括以下
1) >^￡硬研磨表面和合成的盤片側面去除金屬杯狀物，通常為M鈮 或鉬的^f^物；
2) ^l去RM1硬研磨臺的夕NP以便得到^il性能；
3) 在Jl^面Ji^行"^W口工；
4) 在Ji4面上進《沐光(精加工)。當用90° 、 3nm的觸針測量時， 通常拋光的PCD層具有Ra一. OljLim的粗lil;通常并^W光PCBN
5) 將盤片切割成鋸片。將盤片和切割鋸片兩者供給市場。在所有這些 加工步驟中，由于研磨材料的超硬'^t，拋光可EAWJ、司題的。通常，在應用中需^9f磨層的高品質的表面光潔度以增強其f生能。
目tt^r用的pcd切削工具的另《泉是并不將它們設計用于才;u口工4贈失材
料。例如，當積加工#4失時，在切削刃處的切削力以及切削溫度比非鐵材料機
加工絲更高。由于PCD在700。C左右開始石,f4b，因此當才;U口工4贈失材料時，
這將其用途限制為較低切削逸復，使它相對于碳化物工具在某些應用中不經濟。
US 5， 833，021公開了一種多晶金剛石刀具，該刀具具有 口于多晶金剛石 表面的難;it^層以《更提高刀具的工作壽命。難熔層具有0.1 - 30孩W的厚度并 且應用于合^,，例^^t或者化學或物理^^。
US 6，779，951公開了一種多晶金剛石刀具，其中經由另^r屬^4fN層施 加于多晶金剛石表面。其它金屬層可以是鈮、鉭、鋯、鎢和其它類似的此絲 屬或包含此||^屬的#。所^;l^的，具有大于100耀米的厚度。
US 6，439，327公開了一種用于旋轉鉆機的多晶金剛石刀具，其中刀具的側 表面提供有高壓粘結到多晶金剛石,滾面上的金屬層。合適的金屬的例子是鉬。
US 3， 745, 623 //Hf 了在絲鋯的防護罩中制備PCD,其中的一些在制絲 間轉化為碳化物。該鈥或鋯的防護軍的薄層可留在PCD上位于斷屑槽(chip breaker )面上方。
發明內容
本發明提供了一種工具部件，所述工具部件包含具有工作表面的多晶金 剛石層、具有至多IOO微米的厚JLIL含有沿著界面粘結于該多晶金剛石層的工 作表面的選自鉬、4s^鈮的^r屬的i^i^， i^軟層的^r屬^J^屬、金^^化物 或它們的組合的形式，并JJlt自4^M的^r屬存在于多晶金剛石層的鄰近該界 面的區域中。
較^bgr為工具部件提供了比多晶金剛石軟的層。由于一些金屬已擴"ft^
與該較M的界面々條的多晶金剛石區域，并iL4在于多晶金剛石的該區域中，
因此該較^g:牢固i^占結于多晶金剛石的工作表面。 一些金屬例如鈷，辦為
多晶金剛石中的第^目存在于該較M中。因而，在該較M和多晶金剛石之 間的粘結M上是擴散粘結。例如，在多晶金剛石的制絲間可以產生這樣的 粘結，即，產生該較M并iL^it樣的制備期間將其原位粘結于多晶金剛石。 ^Jf]例如US 5， 883， 021中所述的合^^涂覆或^^方法不育將到這樣的牢固粘結，在所^法中，在苛刻環嫂下很可育^jl較軟碳化物層的分層。
已經發現，將較軟頂層提供于金剛石材料改善了其中耐切屑性是關鍵的工 具材料要求的應用中的工具部件的性能。典型應用包括復合物(包括木材)、鋁
*、 #4失、鈥*、耐熱超M (服SA)和淬火鋼的銑削、鋸割和鉸孔。需 要高耐切屑性的另一應用是在4^果石油和天然氣中。在這種應用中，鉆頭必須 鉆穿過^t類型的巖層(具有不同的'I"錄)，從而在切削刃上產生沖擊負荷。鉆 頭旋轉^Mf在切削刃上產生沖擊負荷。某些車削應用也可能需^t切屑性。一 種這樣的應用是用PCBN車削淬火鋼。在該應用中，月牙洼形成在工具的前刀面 上產生較小的楔角，逸進而斷氐了切削刃的強度。過去，在工業中試圖通# 切削刃Ji^口倒棱和對磨頭樹其加以彌補，并通it^樹iMUt大鑲嵌件的楔 角。其中需^"切屑性的兩個其它車削應用是車削#耐熱超*,其中在切 削刃上有形成缺口的趨勢。過去，在工業中通過增大刀尖(nose)的半徑或通 it^鑲嵌件的接近角M其加以彌補。
較姊可艦伸跨工作表面的-"^分或跨整個工作表面。 多晶金剛石層的工作表面^A這樣的層的Ji^面，并且與該層的另一個 表面相交，從而在交線處限定切削點或切削刃。較^J^^w切削刃或切削點 ;^伸5fitX作表面的至少一^p分。
較M的金屬的形式可以是金屬本身或者碳化物或它們的組合。伏M， 該較^lr主要由碳化物形式的金屬和少量的處于金屬形式的金屬以;M^自多晶 金剛石第^目的金屬組成。
對于本發明重要的是，該較M具有至多IOO孩沐的厚度。已^^現，較 厚層例如在專利US 6， 779， 951中描述的那些層在金屬加工和;Mt加工應用中并 不是特別有效。該較^bg^具有至少50微米的厚度。
在本發明的工具部件中，與多晶金剛石層的工作表面粘結的較^i:可以在 工具部件的制備中原位產生。在這樣的方法中，將用于產生多晶金剛石層的部 件置于金^T浙物或殼體中，然后^/斤述金屬杯水物或殼體經受產生多晶金剛 石所需的提高的溫度和壓力的條件。 一些所述金屬M物或殼體在制^I間附 著或粘結于多晶金剛石的夕卜表面。由于該金屬是碳化物形^L素，因此#^發 生一些碳4綠的形成，特別在接觸金剛石的區域中。林高溫/高壓裝置回收多 晶金剛石^，例^魂過研磨去除來自杯水物的^H過多金屬和/或碳^^，留下具有至多ioo樣沐導的較軟層。來自該M物或殼體的一些金屬在制備期間
將擴"lUiA多晶金剛石。類似地，來自多晶金剛石的第J^目中的一些金屬(例 如鈷)將擴^iiA包含碳^^的層。
金剛石層的工作表面可為光滑的、拋光的或凈雄的或不細，j的。當工作表 面是扭脧的或不規則的時候，這可t^由于工作表面經歷噴砂或相似處理。
可以對較M的暴露的Ji4面進"fm光。對較lt&拋光明顯t時多晶金剛 石層表面拋M易得多。
多晶金剛石^te^占結于栽^i^時，通常沿著與工作表面相對的表面。
載^J^艦由麟碳^^制成。該碳4W勿艦為碳4械、碳4媳、碳4b^il 碳她。
附圖是本發明的工具部件的實施方案局部的截面,抖見圖。 M實施方案
因而，本發明在其中耐切屑性是工具材料重要需求的應用中提供了具有改 善f生能的工具部件。來自于該較H:的'^t和它與多晶金剛石層的牢固粘結的
其它優點是
粘結于較硬磨料層的較軟層在磨損的初始階段產生了切削刃的自磨圓 (self-rounding)或自絎磨^。逸進而將提高切削刃的強度并JJ ^t^合磨 損階段。可以通過提高或斷^^軟層的硬^控制磨圓程度。該層的材料^# 填充多晶金剛石層的i^的孔隙和凹M而導致較少的磨損誘發位點。在初始 磨圓步驟后，該較軟頂層可以磨損成為斷屑槽的形狀。
拋光的較軟頂M在工作表面上產生相對于tt技術的多晶金剛石產品較 少的瑕瘋。該較^^還掙決速變形以侵在初始切削期間提供更強的、^o磨圓 的刃。通常，金屬層相對于多晶金剛石還將具有較高的斷裂軔性。較弱侵蝕性 拋光的方法將在多晶金剛石表面中導致較低的應力。所有這些因素將減少剝落、 >^ ^開裂的頻率與嚴重禾1^,特別是在M的中斷和/或沖擊'對;Oa工中。
!^將參照圖解工具部件的切削刃部分的附圖^ii^發明的實施方案。 參照該附圖，工具部件包含沿著界面14粘結有多晶金剛石層12的燒結碳4緣 8M 10。多晶金剛石層12具有作為工具部件的工作表面的Ji^面16。該表面 16沿著線24與順'滾面18相交，該線24限定了工具部件的切削刃。
較軟層20粘結于工作表面16。該較軟層20延伸到切削刃24。該較軟層20 由選自鉬、4fe^鉭的金屬以金屬、碳4緣或它們的組^^SL^。來自層20中的一 些該金屬將存在于由虛線標識的多晶金剛石層的區域22中。來自多晶金剛石層 12的一些金屬將存在于較絲20中。因此，擴"l^占結存在于較^"20和多晶 金剛石層12之間。
下面將描ii^發明的實施例。
實施例1
掩ir剛石顆粒的物^itx在具有鈷作為粘結相的燒結碳^^i^上。將這
種未粘結的物#^ 在鉬殼體內，并且該殼#^ 在常規的高壓/高溫裝置的反 應區中。使殼體中的內^4勿承受約1400。C的溫度和約5 GPa的壓力。將這些條 件維持足夠長的時間，以便產生具有粘結到燒結碳4緣基材的表面和相對的暴 露表面的多晶金剛石層。該多晶金剛石層具有^4左的第^目。
將該殼^gjl區中移出。鉬/碳^4目層粘結于多晶金剛石的夕卜表面。通過 研磨去掉該鉬/碳^4目層的夕卜部區域，留下比多晶金剛石軟的材料薄層，其粘結 于該多晶金剛石層的i^面之一。
該較M具有IOO孩沐的厚度。使用EDS的分析顯示，該較M由主要的 碳化鉬和次要量的鉬金屬以絲自燒結碳化物糾的鈷組成。^f^U同樣的EDS 分析發現，與較^bg:的界面鄰近的多晶金剛石區域包含鉬。較^和多晶金剛 石層之間的粘結牢固。>^^^化物承載的多晶金剛石制備多^^刀削工具部件，這 樣的切削工具鑲嵌件具有由附圖所圖解的結構。在試驗中發現，這些切削工具 部件^Mt加工和金屬加工應用中是有效的。沒有紐較化艮的分層。
實施例2
以與實施例1中相同的方式制備了碳化物絲的多晶金剛石產品，該產品 包^^結于艦碳^4勿M的多晶金剛石層并且具有由主要的碳^T^次要量 的鈮(金屬形式)以絲自多晶金剛石的鈷^L^的較絲，斜同的是， 鈮殼體取代了鉬殼體。發現次要量的鈮存在于與較軟層的界面鄰近的多晶金剛 石的區域中。較M的厚度為100微米。/Ait種產品可以生產多個工具部件， 每個所述多個工具部件具有由附解的結構并適M孑L應用。
權利要求
1.工具部件，包含具有工作表面的多晶金剛石層、沿著界面粘結于多晶金剛石層的工作表面的較軟層，該較軟層具有至多100微米厚度并且包含選自鉬、鉭和鈮的金屬，該較軟層的金屬以金屬碳化物、金屬或它們的組合的形式存在，并且來自較軟層的金屬存在于多晶金剛石層的鄰近該界面的區域中。
2. 才財居權利要求1所述的工具部件，其中該較^(5l^工作表面的-"^
3. 才N^權利要求1所述的工具部件，其中該較^b&縣卦工作表面。
4. 才娥前ii^U'J要求中的^-項所述的工具部件，其中工作表面是多晶金 剛石層的頂表面，"^T貞表面與,'滾面相交，從而在交線處限定了工具部件的切 削刃。
5. 才^t權矛J^求4所述的工具部件，其中該較lt^從切削刃延伸i^t該工 作表面的至少一^P分。
6. 才娥前i^'要求中的^^項所述的工具部件，其中該較M具有至少 50孩沐的厚度。
7. 條前i^WJ要求中的^-項所述的工具部件，其中該較M主要由碳 化物形式的金屬和次要量的金屬形式的金屬以;5Ul自多晶金剛石的金屬桑JL^。
8. 根梧前述權利要求中的任一項所述的工具部件，其中多晶金剛石層粘結 于糾。
9. 才娥前i^WJ要求中的任一項所述的工具部件，其中該^t^^碳化 物絲
10. —種工具部件，其J^如本文參照附圖所述。
11. 一種工具部件，其絲如本文參照^""實施例所述。
全文摘要
本發明提供了一種工具部件，其包含具有至多100微米厚度的多晶金剛石層(12)和工作表面(16)。包含選自鉬、鉭和鈮的金屬的較軟層(20)沿著界面粘結于多晶金剛石層(12)的工作表面(16)。該較軟層(20)的金屬以金屬碳化物、金屬或它們的組合的形式存在，并且存在于鄰近該界面的多晶金剛石層(12)的區域(22)中。
文檔編號B23B27/14GK101678457SQ200880006477
公開日2010年3月24日 申請日期2008年2月28日 優先權日2007年2月28日
發明者C·J·比勒陀利烏斯, P·M·哈登 申請人:六號元素(產品)(埪股)公司