專利名稱：：Pcbn切削工具組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及超硬切削工具組件，并且更具體地說(shuō)，涉及PCBN切削工具組件。
背景技術(shù)：
：氮化硼典型地以三種晶體形式存在，即立方氮化硼(CBN)、六方氮化硼(hBN)及wurtzitic立方氮化硼(wBN)。立方氮化硼是具有與金剛石的結(jié)構(gòu)相類似的結(jié)構(gòu)的硬鋅混合形式的氮化硼。在CBN結(jié)構(gòu)中，在原子之間形成的鍵堅(jiān)固，主要是共價(jià)四面體型鍵。CBN在機(jī)加工工具等方面具有廣泛商業(yè)用途。它在砂輪、切削工具等中用作磨粒，或者使用常規(guī)電鍍技術(shù)結(jié)合到工具本體上以形成工具嵌入件。CBN也可以以結(jié)合形式用作CBN壓坯，也稱作PCBN(多晶體CBN)。CBN壓坯包括燒結(jié)的大量CBN顆粒。當(dāng)CBN含量按壓坯的體積超過(guò)百分之八十時(shí)，有相當(dāng)大量的CBN對(duì)CBN接觸。當(dāng)CBN含量較低時(shí)，例如按壓坯的體積在百分之四十至六十的范圍中，直接CBN對(duì)CBN接觸的程度受到限制。CBN壓坯一般也包含粘合劑，該粘合劑在包含鋁、鈷、鎳、鎢及鈦的壓坯中包含一個(gè)或多個(gè)陶瓷相。CBN壓坯往往具有良好的磨損性，是熱穩(wěn)定的，具有較高導(dǎo)熱率、良好的耐沖擊性，及當(dāng)與工件接觸時(shí)具有低摩擦系數(shù)。CBN壓坯，有或沒(méi)有基體，常常切成待使用的具體切削或鉆削工具的希望尺寸和/或形狀，并且然后利用釬焊技術(shù)安裝到工具本體上。當(dāng)壓坯的CBN含量按體積小于百分之七十時(shí)，基體相，即非CBN相，將典型地也包含輔助或次級(jí)硬相(secondaryhardphase),該硬相在本質(zhì)上可以是陶瓷。適當(dāng)陶瓷硬相的例子是硬質(zhì)合金、氮化物、硼化物及族4、5或6(根據(jù)新IUPAC格式)過(guò)渡金屬氧化鋁和其混合物的碳氮化物?；w相構(gòu)成在排除CBN的組分中的所有成分。CBN壓坯在工具嵌入件或工具的形成時(shí)可以直接結(jié)合到工具本體上。然而，對(duì)于多種用途，優(yōu)選的是，壓坯結(jié)合到基體/支撐材料上，形成支撐壓坯結(jié)構(gòu)，及然后支撐壓坯結(jié)構(gòu)結(jié)合到工具本體上。基體/支撐材料典型地是與諸如鈷、鎳、鐵或其混合物或合金之類的粘合劑結(jié)合在一起的硬質(zhì)合金。金屬硬質(zhì)合金顆粒可以包括鵠、鈦或鉭硬質(zhì)合金顆?；蚱浠旌衔?。用來(lái)制造多晶體CBN壓坯和支撐壓坯結(jié)構(gòu)的已知方法涉及使未燒結(jié)的大量CBN顆粒以及粉末化基體相經(jīng)受高溫和高壓狀態(tài)，即對(duì)于適當(dāng)?shù)臅r(shí)間段在這種條件下CBN是結(jié)晶學(xué)或熱動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。使用的典型高溫和高壓狀態(tài)是在U00。C或更高的范圍中的溫度和2GPa或更高量級(jí)的壓力。用來(lái)保持這些狀態(tài)的時(shí)間段典型地是約3至120分鐘。具有大于七十體積百分比的CBN含量的CBN壓坯稱作高CBNPCBN材料。它們被廣泛地用在用來(lái)加工灰鑄鐵、白鑄鐵、粉末冶金鋼、工具鋼及高錳鋼的切削工具的制造中。除使用狀態(tài)之外，如切削速度、進(jìn)給和切削的深度，PCBN工具的性能一般已知取決于工件的幾何形狀，并且特別是取決于工具是否在延長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)恒定地結(jié)合工件-在現(xiàn)有技術(shù)中稱作"連續(xù)切削"，或工具是否以斷續(xù)方式結(jié)合工件-在現(xiàn)有技術(shù)中稱作"斷續(xù)切削"。商業(yè)上可獲得的PCBN切削工具都具有厚度為0.2mm以上的燒結(jié)PCBN層。這些厚PCBN層處理困難和昂貴。因PCBN切削工具的制造成本因而使它太昂貴，以致在硬質(zhì)合金切削工具市場(chǎng)不能成功地竟?fàn)帯?duì)于為典型硬質(zhì)合金用途待考慮的PCBN，它必須處理更容易和更便宜，并且具有更高抗破碎能力，而在耐磨性方面仍然超過(guò)硬質(zhì)合金。美國(guó)專利no.5，697,994描述了一種用于木材加工用途的切削工具，該切削工具包括在硬質(zhì)合金基體上的PCD或PCBN層。PCD在粘結(jié)相中一般設(shè)有耐腐蝕或耐氧化輔助合金材料。其中提供的例子是PCD層厚度為0.3mm。對(duì)于PCBN,層厚度優(yōu)選地為0.3mm至0.9mm。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的切削工具組件包括本體，該本體包括硬質(zhì)合金基體，并且具有至少一個(gè)工作表面，至少一個(gè)工作表面呈現(xiàn)用于本體的切削刃或區(qū)域，其特征在于，至少一個(gè)工作表面包括與切削刃或區(qū)域相鄰的并且從至少一個(gè)工作表面延伸到不大于0.2mm的深度的PCBN,并且其中，基體具有1.0mm至40mm的厚度。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，切削工具組件本體包括硬質(zhì)合金基體和結(jié)合到基體的主要表面上的超薄PCBN層，超薄PCBN層具有一般不大于0.2mm的厚度，并且基體具有在1.0mm至40mm之間的厚度。在本發(fā)明的可選擇優(yōu)選實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)中間層位于硬質(zhì)合金基體與PCBN層之間，優(yōu)選地基于比PCBN軟的陶瓷、金屬或超硬材料或它們的組合。在本發(fā)明的另一個(gè)可選擇優(yōu)選實(shí)施例中，切削工具組件本體包括硬質(zhì)合金基體，該硬質(zhì)合金基體具有呈現(xiàn)用于工具組件的切削刃或區(qū)域的工作表面，并且具有從工作表面延伸到基體中的多個(gè)凹槽或凹口和位于相應(yīng)凹槽或凹口中的多個(gè)帶或多塊超硬材料，布置是這樣的，從而PCBN從工作表面延伸到不大于0.2mm的深度，并且形成工具組件的切削刃或區(qū)域的部分。PCBN層或嵌入件的厚度或深度優(yōu)選地從0.001mm至0.15mm。PCBN可選擇性地包含第二相，該第二相包括從包括鋁、鈷、鐵、鎳、鉑、鈦、鉻、鉭、銅、鴒或其合金或混合物的組中選擇的金屬或金屬化合物?，F(xiàn)在參照附圖僅作為例子更詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中圖l是本發(fā)明的切削工具組件的第一實(shí)施例的部分立體圖；圖2是本發(fā)明的切削工具組件的第二實(shí)施例的部分立體圖；圖3是本發(fā)明的切削工具組件的第三實(shí)施例的部分立體圖；圖4是在使用中的本發(fā)明的切削工具組件的側(cè)視圖，表明其"自動(dòng)磨銳"作用；圖5是曲線圖，表示對(duì)于兩種PCBN切削工具在輕間歇機(jī)加工條件下的屑(chip)尺寸；及圖6是箱式圖，表明對(duì)于兩種PCBN切削工具的抗破裂性。具體實(shí)施方式本發(fā)明的目的是提供一種具有以在硬質(zhì)合金與PCBN之間的性能而設(shè)計(jì)的PCBN切削工具。該目的通過(guò)提供一種切削工具組件10而實(shí)現(xiàn)，如例如在圖1中表明的那樣，該切削工具組件10包括帶有超薄PCBN層14的硬質(zhì)合金基體12，該超薄PCBN層14具有不大于、一般小于0.2mm的厚度，優(yōu)選地在0.001-0.15mm之間；并且其中，基體具有從1,0-40mm的厚度。這樣一種切削工具組件通過(guò)高溫高壓合成而生產(chǎn)。在切削刃16處的超薄硬層14的厚度是確定材料性能的關(guān)鍵參數(shù)，并且允許既用頂部硬層14(PCBN)又用硬質(zhì)合金基體12切削?？鼓バ浴⒖蛊扑樾?、切削力、磨削性、EDM能力及熱穩(wěn)定性都是由硬層的厚度影響的性能。存在用來(lái)用硬質(zhì)合金基體生產(chǎn)PCBN切削工具的各種方法，這些方法在工業(yè)上是熟知的。超薄硬層與較軟基體一起在切削期間產(chǎn)生"自銳"特性，這又減小在切削刃處的力和溫度。硬層是上述類型的高或低CBN含量PCBN。硬層的厚度依據(jù)對(duì)于具體用途的要求性能優(yōu)選地在0.001-0.15mm之間變化。參照?qǐng)D2的工具組件30,超薄硬層32也可結(jié)合到金屬、陶瓷、或超硬材料的中間較軟層34上，該中間較軟層34又結(jié)合到硬質(zhì)合金基體36上?？蛇x擇地，參照在圖3中所表明的工具組件40，超薄硬層也可以是帶42(豎直層)的形式，該帶橫過(guò)與基體材料44交替的切削工具，其中帶的寬度46在10與50微米之間。也想到其中下凹PCBN片位于基體材料中的其它布置?；w材料可從碳化鴒、超細(xì)粒碳化鵠、碳化鈦、碳化鉭及碳化鈮中選擇。用來(lái)生產(chǎn)硬質(zhì)合金的方法在工業(yè)上是熟知的。因?yàn)榍邢骷扔肞CBN又用硬質(zhì)合金進(jìn)行，所以基體的選擇是另一個(gè)變量，該變量可被改變以便改變切削組件的性能以適合不同用途。在某些用途中，優(yōu)選的可能是，提供具有成輪廓或成形表面的基體，這生成與互補(bǔ)形狀或輪廓的界面。從加工性能觀點(diǎn)看，本發(fā)明的關(guān)鍵特征是將降低PCBN切削工具的處理成本的超薄硬層。就性能而論，本發(fā)明的關(guān)鍵特征是調(diào)節(jié)硬層厚度，從而可實(shí)現(xiàn)希望的性能并且也保證在切削期間"自銳"作用發(fā)生。這可能意味著剛好在PCBN下面添加較軟的陶瓷或金屬中間層。這意味著當(dāng)磨損在切削過(guò)程期間的某一階段通過(guò)硬層進(jìn)行時(shí)，切削將通過(guò)硬層和基體和/或中間層進(jìn)行。常規(guī)工具都具有高于0.2mm的硬層厚度，并因此基體永遠(yuǎn)不與工件接觸(因?yàn)楣ぞ邏勖鼧?biāo)準(zhǔn)是VBBa=0.2-0.3mm)，并且工具的性能和特性只是硬層的性能和特性。如在圖4中表明的那樣，只要切削由硬層14進(jìn)行，磨損速率就是硬層的磨損速率。磨損一延伸到硬質(zhì)合金基體12中并且切削由PCBN和硬質(zhì)合金進(jìn)行，磨損速率就將增大以包括基體的和硬層的磨損速率。因而，硬層越厚，磨損速率由硬層的耐磨性控制得越長(zhǎng)，并且工具壽命越長(zhǎng)。在由硬層和硬質(zhì)合金進(jìn)行切削的地方具有超薄硬層給出在硬質(zhì)合金與硬層的耐磨性之間的耐磨性。通過(guò)改變硬層的厚度(在0.001-0.15mm之間)，它允許人們把材料的性能和工具壽命變到對(duì)于具體用途要求的性能和工具壽命。這允許人們?yōu)榫唧w用途提供特征產(chǎn)品。硬層越薄，切削工具性能將越接近基體的性能。然而，由于工程切削工具的"自銳"作用，切削過(guò)程和磨損速率由硬層支配。用超薄硬層14和基體12切削的好處是它對(duì)于工具具有"自銳，，作用。如在圖4中表明的那樣，可看到，因?yàn)榛w12的材料比頂部硬層14軟得多，所以它磨損掉得比硬層14快，在硬層與底部層之間于刃16處形成"刀刃，，18。這允許工具主要用頂部硬層14切削，使與工件的接觸面積最小，這最終導(dǎo)致在切削刃16處的較低的力和溫度。它也意味著，當(dāng)工具磨損時(shí)，它保持允許它較高效地切削的后角(a)。這種磨損特性對(duì)于粗加工用途和木材合成物加工是理想的，特別是在鋸片用途中，在該處尺寸公差不太關(guān)鍵。它在油鉆探用途中也是有益的，在該處鋒利刀具導(dǎo)致較低"在鉆頭上的重量"和較高鉆進(jìn)速度。它在鋼鐵材料的加工中也是有益的。超薄硬層的另一個(gè)好處是它給工具改進(jìn)的切削阻力。較厚層具有較高殘余應(yīng)力，并且更易于剝落和破裂。而且，如果剝落發(fā)生，硬質(zhì)合金基體將阻止開(kāi)裂并且停止它變得比頂部硬層的厚度大。對(duì)于加工性的影響當(dāng)頂部硬層變得較薄時(shí)，所有處理(EDM、EDG、磨削)都更容易和更快。具有超薄硬層將縮短處理時(shí)間。如較早解釋的那樣，常規(guī)PCBN壓坯以PCBN層厚度>0.2mm制造，以便切削只由硬層進(jìn)行。然而，在這樣的厚層的合成期間，壓坯因?yàn)樵赑CBN與硬質(zhì)合金基體之間的熱膨脹差異常常成弓形。這導(dǎo)致輔助處理(機(jī)械磨削，EDG或研磨)以使壓坯變平。借助于超薄硬層，使盤的彎曲最小化并且不需要另外處理。這可以供近凈成形PCBN壓坯的生產(chǎn)用?，F(xiàn)在僅作為例子參照如下非限制例子，將進(jìn)一步討論本發(fā)明。這些例子表示超薄PCBN切削工具組件的優(yōu)點(diǎn)。在例子中使用的PCBN切削工具組件由在現(xiàn)有技術(shù)中熟知的并且如以上所描述的PCBN制造方法制成。例1:AISI4340"鉆削"輕間斷加工試驗(yàn)相信試驗(yàn)足以代表硬加工。以上描述類型的兩個(gè)PCBN切削工具組件被用在試驗(yàn)中。一個(gè)具有O.lmm厚度的超薄PCBN層，并且另一個(gè)具有0.5mm厚度的PCBN層。記錄最大屑尺寸。試驗(yàn)條件如下:<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由圖5的曲線圖可看到，超薄PCBN層比較厚0.5mm層呈現(xiàn)較少破裂。如PCD的情況是，一旦破裂路徑到達(dá)硬質(zhì)合金，在刃上的實(shí)際的屑就獲得"阻止"。從此處起，磨損是關(guān)鍵特征，并且不破裂。例2:粗加工例子機(jī)加工致壓坯石墨鑄鐵(CGI)的災(zāi)難性抗破裂性使用例1的相同兩個(gè)PCBN切削工具組件進(jìn)行中斷的銑削操作，由此，把條件和工件選擇成使任何磨損事件最小化并且回過(guò)來(lái)促進(jìn)破裂。每齒的進(jìn)給量從O.l至0.2至0.3等而增加，直到觀察到鼻部的災(zāi)難性失效。每齒的進(jìn)給量代表在切削刃上的負(fù)載，并因此是適當(dāng)?shù)目蛊屏研灾甘疚?。使用過(guò)的試驗(yàn)條件如下-工件材料GJV400(>95%珠光體、10%球化性)-切削速度300m/min-每齒的進(jìn)刀變化-DOC:1mm-WOC:1/2塊-后角18度-前角0度由圖6的箱式圖顯然，01層比05層具有較高抗破裂性。由于這種數(shù)據(jù)不是正態(tài)分布的，所以進(jìn)行Kruskal-Wallis統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，以估計(jì)這種改進(jìn)是否是顯著的。由于P值小于0.05，所以可得到結(jié)論，薄層比0.5mm層更顯著地抗-皮裂。Kruskal-Wallis試驗(yàn)Fz失效對(duì)工具材料的關(guān)系對(duì)于Fz失效的Kruskal-Wallis試驗(yàn)工具材料N中值平均級(jí)別ZPCB賺50.50007.52.09PCBN0550.30003.5-2.09綜合105.5H=4.36DF=1P=0.037H=4.50DF=1P-0.034(用于聯(lián)系(ties)而被調(diào)節(jié))權(quán)利要求1.一種切削工具組件，其包括本體；該本體包括硬質(zhì)合金基體，并且具有至少一個(gè)工作表面，所述至少一個(gè)工作表面呈現(xiàn)用于所述本體的切削刃或區(qū)域，其特征在于，所述至少一個(gè)工作表面包括與切削刃或區(qū)域相鄰的并且從所述至少一個(gè)工作表面延伸到不大于0.2mm的深度的PCBN，并且其中，所述基體具有1.0mm至40mm的厚度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具組件，其中，所述本體包括硬質(zhì)合金基體和結(jié)合到基體的主要表面上的超薄PCBN層，超薄PCBN層具有不大于0.2mm的厚度，并且所述基體具有在l.Omm與40mm之間的厚度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工具組件，其中，超薄PCBN層的厚度小于0.2mm。4.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的工具組件，其中，一個(gè)或多個(gè)中間層位于硬質(zhì)合金基體與PCBN層之間，所述中間層比超薄層的PCBN軟。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的工具組件，其中，中間層是陶瓷、金屬或超硬材料或它們的組合。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具組件，其中，本體包括硬質(zhì)合金基體，該硬質(zhì)合金基體具有呈現(xiàn)用于工具組件的切削刃或區(qū)域的工作表面，并且具有從工作表面延伸到基體中的多個(gè)槽或凹口和位于相應(yīng)槽或凹口中的多個(gè)PCBN的帶或PCBN的塊，所述布置使得PCBN從工作表面延伸到不大于0.2mm的深度，并且形成工具組件的切削刃或區(qū)域的部分。7.根據(jù)前迷權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的工具組件，其中，PCBN層、塊或帶的厚度或深度從0.001mm至0.15mm。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具組件，大體如這里參照附圖的圖1至6中任一個(gè)所描述的那樣。全文摘要一種切削工具組件(10)，包括本體，該本體包括硬質(zhì)合金基體(12)，并且具有至少一個(gè)工作表面(14)，至少一個(gè)工作表面呈現(xiàn)用于本體的切削刃或區(qū)域(16)，至少一個(gè)工作表面(14)包括與切削刃或區(qū)域(16)相鄰的并且從至少一個(gè)工作表面延伸到不大于0.2mm的深度的PCBN，并且其中，基體(12)具有1.0mm至40mm的厚度。文檔編號(hào)C23C30/00GK101336311SQ200680051951公開(kāi)日2008年12月31日申請(qǐng)日期2006年12月12日優(yōu)先權(quán)日2005年12月12日發(fā)明者C·J·比勒陀利烏斯,P·M·哈登,T·P·霍華德申請(qǐng)人:六號(hào)元素(產(chǎn)品)(控股)公司