Pcbn材料、包含其的工具元件及其使用方法
【专利说明】PCBN材料、包含其的工具元件及其使用方法
[0001] 本公开内容整体上涉及PCBN材料和包含其的工具元件,所述工具元件特别地但 非专门地用于机加工包含金属的工件。
[0002] 美国专利号4, 666, 466公开了包含立方氮化硼(cBN)晶粒块和粘结成硬联合体 (conglomerate)的第二相的磨料还块,其中邻近的cBN晶粒彼此接合以形成交互生长的 块。坯块的cBN含量为按重量计至少80%,并且第二相基本上由氮化铝和或二硼化铝组成。 还公开了用于制备坯块的方法,该方法包括将cBN晶粒块置于与铝块接触以形成反应块, 将反应块置于反应区中,将反应区的压力升高至在5.0至6. 5吉帕斯卡(GPa)范围内的压 力和在1400至1600摄氏度范围内的温度,持续足以产生烧结坯块的时间。
[0003] 美国专利号8, 148, 282公开了在基于铝的非cBN基质内包含约91至94质量%的 cBN晶粒的立方氮化硼(cBN)复合材料。在烧结过程期间,使熔融的铝金属与cBN晶粒反 应,直至铝在所得的烧结坯块中完全转化为A1N(氮化铝)和A1B2(二硼化铝)。其它反应 产物例如A1B6 (六硼化铝)和A1B12 (十二硼化铝)原则上是可能的,其会具有降低最终坯 块中的cBN含量的效果,并且描述为通常所不需要的。公开了未发现这些更高级别的硼化 铝的证据。
[0004] 存在对于PCBN材料和包含PCBN材料且在使用中具有良好的工作寿命或性能的工 具的需要,所述工具特别地但非专门地用于机加工包含铸铁的本体。
[0005] 从第一方面来看,提供了PCBN材料,包含通过包含氮化铝或者由氮化铝组成(少 量杂质除外)的基质粘结在一起的至少30体积%的立方氮化硼(cBN)晶粒以及包含硼原 子和铝原子的多个区域,在所述区域中存在为所存在的铝原子的至少15倍的硼原子。换句 话说,所述区域中存在的硼原子与铝原子的原子比将为至少15。所述区域还可以称为"富 硼"区域。
[0006] 通过公开内容设想了PCBN材料的各种形式、组成、显微组织和布置,在下文描述 了其非限制性、非穷举性实例。
[0007] 在一些实例中,可存在为(富硼)区域中所存在的铝原子的至多约30或至多约25 倍的硼原子。
[0008] 可以将(富硼)区域说成以硼化铝晶粒的形式存在于PCBN材料中,所述硼化铝晶 粒可以间隙位于cBN晶粒之间的间隙区域内。在一些示例性显微组织布置中,可以将cBN 晶粒和硼化铝晶粒说成分散在包含氮化铝或基本上由氮化铝组成的胶凝材料内。
[0009] 在一些实例中,(富硼)区域可以包含具有无机化学式AlxBy的硼化铝相,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 (换句话说,其中 对于每个铝原子存在至少15或16个硼原子)。在一些实例中,y可以具有在16至16. 5范 围内的平均值,或y可以在24至26范围内。X和或y的值可以是在整个(富硼)区域的体 积中的平均值。硼化铝相可以选自以化学计量、或者亚化学计量或超化学计量形式的十六 硼化铝(A1B16)或二十五硼化铝(A1B25)中的一种或多种。
[0010] 在一些实例中,(富硼)区域可以是基本上非晶态的,或它们可以是基本上晶态 的。
[0011] 在一些实例中,CBN含量可以为PCBN材料的至少70体积%、至少80体积%或至 少90体积%。在一些实例中,cBN含量可以为PCBN材料的至多96体积%。
[0012] 在一些实例中,硼化铝相的含量可以为PCBN材料的至少1重量%或至少10重 量%。
[0013] 在一些实例中,cBN晶粒可以具有至少0. 5微米的平均尺寸;在一些实例中,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。在一些实例中,在PCBN材 料的表面处暴露的cBN晶粒的面积分布随着cBN晶粒尺寸的变化可以包括多于一种模式。
[0014] 在一些实例中,PCBN材料可以含有小于2重量%或小于1重量%的二硼化铝 (A1B2),或它可以基本上不含二硼化铝。在PCBN材料的XRD痕迹中,在约1重量%的检测 极限内,可以基本上不存在对应于二硼化铝的峰。
[0015] 在一些实例中,(富硼)区域可以以基本上嵌入氮化铝材料内的微观晶粒的形式 出现。大多数或基本上所有(富硼)区域可以通过包含氮化铝的胶凝材料与cBN晶粒分开。 在一些实例中,当通过显微镜手段观察PCBN材料的表面时,(富硼)区域的小于约10%或 小于约5%的边界路径长度可以与cBN材料接触;并且在一些实例中,(富硼)区域基本上 没有部分边界可以接触cBN晶粒的边界。cBN晶粒和或(富硼)区域的大多数或基本上所 有的表面积可以与氮化铝材料粘结。
[0016] 在一些实例中,就穿过PCBN材料的表面上可见的富硼区域的段长分布而言,(富 硼)区域可以具有至多约20微米或至多约10微米的平均尺寸。富硼区域的等效圆面积分 布随着穿过所述区域的段长的变化可以包括多于一种模式。(富硼)区域的尺寸分布中的 第一模式可以为至多约5微米或至多约1微米,并且(富硼)区域的第二模式可以为大于 5微米。
[0017] 在一些实例中,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] 在一些实例中,PCBN材料可以具有显微组织组成和布置,使得穿过PCBN材料的平 均声速为至少14500米/秒(m/s)、至少14700m/s或至少15000m/s。虽然不希望受特定理 论束缚,但穿过PCBN材料的声速可以提供它的显微组织、材料组成和或cBN晶粒和粘合剂 基质之间的粘结强度的某些方面的指示。在一些实例中,声速可以提供PCBN材料用于某些 应用的潜在有效性的指示。一般地,穿过PCBN材料的相对较高的声速可以指示它潜在具有 尚品质。
[0019] 在一些实例中,在cBN晶粒当中相对高的邻接可为可见的,其中较高比例的cBN晶 粒边界涉及cBN晶粒之间的直接接触。换句话说,较高比例的cBN晶粒边界的比表面积可 以与cBN晶粒之间的直接接触或邻近接触相关。这种显微组织布置可以引起穿过根据本公 开内容的示例性PCBN材料的增加的声速。
[0020] 从第二个方面来看,提供了一种制备根据本公开内容的PCBN材料的方法,所述方 法包括预烧结坯块,所述预烧结坯块包括包含多个cBN晶粒的聚集体和铝来源,关于所述 聚集体来选择和布置所述来源,使得熔融的铝将可用于在至少约1500摄氏度、大于1600 摄氏度或至少约1650摄氏度的烧结温度和至少约4. 5吉帕斯卡(GPa)的烧结压力下接触 所述cBN晶粒,使预烧结坯块经受烧结温度和烧结压力足够的烧结时期,用于铝与所述cBN 晶粒反应至在所述cBN晶粒之间基本上没有保留未反应的铝的程度,并且提供烧结的PCBN 结构,选择所述烧结压力和烧结温度,使得在烧结的PCBN结构中基本上不出现六方氮化硼 (hBN);并且随后将所述温度和压力降低至环境条件;包含在所述聚集体中的所述cBN晶粒 的含量和尺寸分布使得所述PCBN材料中的所述cBN晶粒的量将为至少30体积% (或在一 些实例中30质量% )。
[0021] 公开内容设想了该方法的变体,其中下述是非限制性和非穷举性实例。
[0022] 在一些实例中,烧结温度可以为至少约1650摄氏度、至少约1700摄氏度或至少约 1800摄氏度。
[0023] 在一些实例中,烧结压力可以为至少约5吉帕斯卡(GPa)或至少约6吉帕斯卡 (GPa)。
[0024] 在一些实例中,烧结时期可以为至少30秒、至少1分钟、至少5分钟、至少约15分 钟或至少约30分钟。一般地,较长的烧结时期可以用于烧结较大体积的PCBN材料,并且相 对短的烧结时期可以用于烧结较小体积的PCBN材料。
[0025] 在一些实例中,质量分布随着包含在聚集体中的cBN晶粒的等效圆直径(E⑶)晶 粒尺寸的变化可以包括多于一种模式。
[0026] 在一些实例中,包含在聚集体中的cBN晶粒的平均尺寸可以为至多约10微米或至 多约5微米。
[0027] 在一些实例中,铝来源可以采取与包含在聚集体中的cBN晶粒掺混的铝金属晶粒 的形式,或铝来源可以采取与聚集体接触的本体例如盘的形式。
[0028] 从第三个方面来看,提供了包含根据本公开内容的PCBN材料的工具。
[0029] 在一些实例中,工具可以是成形工具例如机床。工具可以包括用于机加工例如车 肖IJ、钻孔或铣削本体的可转位插入件。
[0030] 在一些实例中,工具可以包含例如借助于钎焊合金与工具载体本体接合的根据本 公开内容的PCBN结构。在其它实例中,工具可以包含没有钎焊至工具载体的自支撑PCBN 结