Pcbn材料、包含其的工具元件及其使用方法
【專利說明】PCBN材料、包含其的工具元件及其使用方法
[0001] 本公開內容整體上涉及PCBN材料和包含其的工具元件，所述工具元件特別地但 非專門地用于機加工包含金屬的工件。
[0002] 美國專利號4, 666, 466公開了包含立方氮化硼（cBN)晶粒塊和粘結成硬聯合體 (conglomerate)的第二相的磨料還塊，其中鄰近的cBN晶粒彼此接合以形成交互生長的 塊。坯塊的cBN含量為按重量計至少80%，并且第二相基本上由氮化鋁和或二硼化鋁組成。 還公開了用于制備坯塊的方法，該方法包括將cBN晶粒塊置于與鋁塊接觸以形成反應塊， 將反應塊置于反應區中，將反應區的壓力升高至在5.0至6. 5吉帕斯卡（GPa)范圍內的壓 力和在1400至1600攝氏度范圍內的溫度，持續足以產生燒結坯塊的時間。
[0003] 美國專利號8, 148, 282公開了在基于鋁的非cBN基質內包含約91至94質量％的 cBN晶粒的立方氮化硼（cBN)復合材料。在燒結過程期間，使熔融的鋁金屬與cBN晶粒反 應，直至鋁在所得的燒結坯塊中完全轉化為A1N(氮化鋁）和A1B2(二硼化鋁）。其它反應 產物例如A1B6 (六硼化鋁）和A1B12 (十二硼化鋁）原則上是可能的，其會具有降低最終坯 塊中的cBN含量的效果，并且描述為通常所不需要的。公開了未發現這些更高級別的硼化 鋁的證據。
[0004] 存在對于PCBN材料和包含PCBN材料且在使用中具有良好的工作壽命或性能的工 具的需要，所述工具特別地但非專門地用于機加工包含鑄鐵的本體。
[0005] 從第一方面來看，提供了PCBN材料，包含通過包含氮化鋁或者由氮化鋁組成（少 量雜質除外）的基質粘結在一起的至少30體積％的立方氮化硼（cBN)晶粒以及包含硼原 子和鋁原子的多個區域，在所述區域中存在為所存在的鋁原子的至少15倍的硼原子。換句 話說，所述區域中存在的硼原子與鋁原子的原子比將為至少15。所述區域還可以稱為"富 硼"區域。
[0006] 通過公開內容設想了PCBN材料的各種形式、組成、顯微組織和布置，在下文描述 了其非限制性、非窮舉性實例。
[0007] 在一些實例中，可存在為（富硼）區域中所存在的鋁原子的至多約30或至多約25 倍的硼原子。
[0008] 可以將（富硼）區域說成以硼化鋁晶粒的形式存在于PCBN材料中，所述硼化鋁晶 粒可以間隙位于cBN晶粒之間的間隙區域內。在一些示例性顯微組織布置中，可以將cBN 晶粒和硼化鋁晶粒說成分散在包含氮化鋁或基本上由氮化鋁組成的膠凝材料內。
[0009] 在一些實例中，（富硼）區域可以包含具有無機化學式AlxBy的硼化鋁相，其中X 是至少0.8和至多1.2,并且y是至少15或16,y:x比率是至少15或16 (換句話說，其中 對于每個鋁原子存在至少15或16個硼原子）。在一些實例中，y可以具有在16至16. 5范 圍內的平均值，或y可以在24至26范圍內。X和或y的值可以是在整個（富硼）區域的體 積中的平均值。硼化鋁相可以選自以化學計量、或者亞化學計量或超化學計量形式的十六 硼化鋁（A1B16)或二十五硼化鋁（A1B25)中的一種或多種。
[0010] 在一些實例中，（富硼）區域可以是基本上非晶態的，或它們可以是基本上晶態 的。
[0011] 在一些實例中，CBN含量可以為PCBN材料的至少70體積％、至少80體積％或至 少90體積％。在一些實例中，cBN含量可以為PCBN材料的至多96體積％。
[0012] 在一些實例中，硼化鋁相的含量可以為PCBN材料的至少1重量％或至少10重 量％。
[0013] 在一些實例中，cBN晶粒可以具有至少0. 5微米的平均尺寸；在一些實例中，cBN晶 粒可以具有至多10微米、至多8微米或至多5微米的平均尺寸。在一些實例中，在PCBN材 料的表面處暴露的cBN晶粒的面積分布隨著cBN晶粒尺寸的變化可以包括多于一種模式。
[0014] 在一些實例中，PCBN材料可以含有小于2重量％或小于1重量％的二硼化鋁 (A1B2)，或它可以基本上不含二硼化鋁。在PCBN材料的XRD痕跡中，在約1重量％的檢測 極限內，可以基本上不存在對應于二硼化鋁的峰。
[0015] 在一些實例中，（富硼）區域可以以基本上嵌入氮化鋁材料內的微觀晶粒的形式 出現。大多數或基本上所有（富硼）區域可以通過包含氮化鋁的膠凝材料與cBN晶粒分開。 在一些實例中，當通過顯微鏡手段觀察PCBN材料的表面時，（富硼）區域的小于約10%或 小于約5%的邊界路徑長度可以與cBN材料接觸；并且在一些實例中，（富硼）區域基本上 沒有部分邊界可以接觸cBN晶粒的邊界。cBN晶粒和或（富硼）區域的大多數或基本上所 有的表面積可以與氮化鋁材料粘結。
[0016] 在一些實例中，就穿過PCBN材料的表面上可見的富硼區域的段長分布而言，（富 硼）區域可以具有至多約20微米或至多約10微米的平均尺寸。富硼區域的等效圓面積分 布隨著穿過所述區域的段長的變化可以包括多于一種模式。（富硼）區域的尺寸分布中的 第一模式可以為至多約5微米或至多約1微米，并且（富硼）區域的第二模式可以為大于 5微米。
[0017] 在一些實例中，PCBN材料可以具有小于1 %的孔隙率或可以基本上不含孔隙率。
[0018] 在一些實例中，PCBN材料可以具有顯微組織組成和布置，使得穿過PCBN材料的平 均聲速為至少14500米/秒（m/s)、至少14700m/s或至少15000m/s。雖然不希望受特定理 論束縛，但穿過PCBN材料的聲速可以提供它的顯微組織、材料組成和或cBN晶粒和粘合劑 基質之間的粘結強度的某些方面的指示。在一些實例中，聲速可以提供PCBN材料用于某些 應用的潛在有效性的指示。一般地，穿過PCBN材料的相對較高的聲速可以指示它潛在具有 尚品質。
[0019] 在一些實例中，在cBN晶粒當中相對高的鄰接可為可見的，其中較高比例的cBN晶 粒邊界涉及cBN晶粒之間的直接接觸。換句話說，較高比例的cBN晶粒邊界的比表面積可 以與cBN晶粒之間的直接接觸或鄰近接觸相關。這種顯微組織布置可以引起穿過根據本公 開內容的示例性PCBN材料的增加的聲速。
[0020] 從第二個方面來看，提供了一種制備根據本公開內容的PCBN材料的方法，所述方 法包括預燒結坯塊，所述預燒結坯塊包括包含多個cBN晶粒的聚集體和鋁來源，關于所述 聚集體來選擇和布置所述來源，使得熔融的鋁將可用于在至少約1500攝氏度、大于1600 攝氏度或至少約1650攝氏度的燒結溫度和至少約4. 5吉帕斯卡（GPa)的燒結壓力下接觸 所述cBN晶粒，使預燒結坯塊經受燒結溫度和燒結壓力足夠的燒結時期，用于鋁與所述cBN 晶粒反應至在所述cBN晶粒之間基本上沒有保留未反應的鋁的程度，并且提供燒結的PCBN 結構，選擇所述燒結壓力和燒結溫度，使得在燒結的PCBN結構中基本上不出現六方氮化硼 (hBN);并且隨后將所述溫度和壓力降低至環境條件；包含在所述聚集體中的所述cBN晶粒 的含量和尺寸分布使得所述PCBN材料中的所述cBN晶粒的量將為至少30體積％ (或在一 些實例中30質量％ )。
[0021] 公開內容設想了該方法的變體，其中下述是非限制性和非窮舉性實例。
[0022] 在一些實例中，燒結溫度可以為至少約1650攝氏度、至少約1700攝氏度或至少約 1800攝氏度。
[0023] 在一些實例中，燒結壓力可以為至少約5吉帕斯卡（GPa)或至少約6吉帕斯卡 (GPa)。
[0024] 在一些實例中，燒結時期可以為至少30秒、至少1分鐘、至少5分鐘、至少約15分 鐘或至少約30分鐘。一般地，較長的燒結時期可以用于燒結較大體積的PCBN材料，并且相 對短的燒結時期可以用于燒結較小體積的PCBN材料。
[0025] 在一些實例中，質量分布隨著包含在聚集體中的cBN晶粒的等效圓直徑（E⑶）晶 粒尺寸的變化可以包括多于一種模式。
[0026] 在一些實例中，包含在聚集體中的cBN晶粒的平均尺寸可以為至多約10微米或至 多約5微米。
[0027] 在一些實例中，鋁來源可以采取與包含在聚集體中的cBN晶粒摻混的鋁金屬晶粒 的形式，或鋁來源可以采取與聚集體接觸的本體例如盤的形式。
[0028] 從第三個方面來看，提供了包含根據本公開內容的PCBN材料的工具。
[0029] 在一些實例中，工具可以是成形工具例如機床。工具可以包括用于機加工例如車 肖IJ、鉆孔或銑削本體的可轉位插入件。
[0030] 在一些實例中，工具可以包含例如借助于釬焊合金與工具載體本體接合的根據本 公開內容的PCBN結構。在其它實例中，工具可以包含沒有釬焊至工具載體的自支撐PCBN 結