使用不同PcBN层制造的多晶立方氮化硼(PcBN)体的制作方法【专利摘要】使用覆盖立方氮化硼(cBN)粉末的层的方法制造多晶立方氮化硼(PcBN)，其中所述层具有与不同浓度的陶瓷混合的cBN。所述制造PcBN的方法包括在难熔容器内沉积碳化物，立方氮化硼(cBN)以及cBN和陶瓷的混合物，然后对所述难熔容器的内容物施加高压和高温(HPHT)。在所述方法的沉积步骤期间，在所述cBN和陶瓷的混合物中的cBN的浓度低于在其下层中的cBN的浓度。在施加HPHT时，所述碳化物首先扩散穿过所述cBN层，和然后扩散穿过具有所述cBN和陶瓷的混合物的层。在HPHT结束和所述难熔容器中的内容物冷却后，所述方法产生了如下的PcBN，其具有含有不同cBN浓度的层，和至少一个具有陶瓷材料的cBN层。【专利说明】使用不同PcBN层制造的多晶立方氮化硼(PcBN)体[0001]相关申请的交叉参考[0002]本申请要求2012年7月12日提交的临时申请61/670676的优先权。【
技术领域：
】[0003]本发明涉及一种多晶立方氮化硼(PcBN)体。更特别地，本发明涉及一种使用以下方法制造的PcBN体，该方法包括覆盖(overlay)立方氮化硼(cBN)粉末的层或预先压实的盘材(pre-compacteddisk)，其中所述层具有与不同浓度的陶瓷混合的cBN。【
背景技术：
】[0004]在下文的讨论中，参照特定的结构和/或方法。然而，以下的参照不应当被解读为承认这些结构和/或方法构成了现有技术。申请人:明确地保留证明这样的结构和/或方法不作为现有技术反对本发明的权利。[0005]在常规的多晶立方氮化硼制造方法中，基底邻接PcBN层，该PcBN层以其整体由单一品级(即，cBN是该层中的主要材料)制成。由于在所述品级中期望的和通常竞争的特征，对于一个特征，例如韧性，的优化可能会导致另一种特征，例如焊接稳定性或耐磨性，的劣化。[0006]因此，需要改进的PcBN制造方法，该方法制造的PcBN体具有所述期望的特征，而不会为了加强另一种特征而劣化所述期望的特征中的一种或多种。【
发明内容】[0007]本发明描述了一种改进的PcBN制造方法和使用该改进方法制造的PcBN体。[0008]在一个实施方式中，方法包括在难熔容器中沉积以下物质:基底(例如，含有钴(Co))，立方氮化硼(cBN)，以及cBN和陶瓷的混合物。所沉积的cBN以及cBN和陶瓷的混合物可以是粉末或预先压实的盘材。所沉积的基底、cBN以及cBN和陶瓷的混合物构成所述难熔容器中的内容物(content)。在所述沉积步骤期间，在具有所述cBN和陶瓷的混合物的层中的cBN的浓度，低于在其下面沉积的层中的cBN的浓度。在沉积所述内容物之后，向所述难熔容器中的内容物施加高压和高温(HPHT)。在施加HPHT时，例如，所述基底中的Co首先扩散穿过所述cBN层，S卩，由所述Co扫掠(sweep)所述cBN层。在一些实施方式中，所述Co也可以扫掠过所述具有cBN和陶瓷的混合物的层。[0009]在一些实施方式中，以相反的顺序沉积所述内容物，开始于所述cBN和陶瓷的混合物，所述cBN，和所述基底(例如含有钴(Co))。在所述沉积步骤期间，在具有cBN和陶瓷的混合物的层中的cBN的浓度低于在其上面沉积的层中的cBN的浓度。在以相反的顺序沉积所述内容物之后，向所述难熔容器的内容物施加HPHT。在施加HPHT时，例如，所述基底的钴扫掠过所述cBN层。在一些实施方式中，所述Co也可以扫掠过所述具有cBN和陶瓷的混合物的层。[0010]在另一种实施方式中，由包括以下步骤的方法制备多晶立方氮化硼(PcBN)体。在难熔容器中沉积基底(例如，含有钴(Co))，立方氮化硼(cBN)，以及cBN和陶瓷的混合物。所沉积的cBN以及cBN和陶瓷的混合物可以是粉末或预先压实的盘材。在沉积所述内容物之后，然后向所述难熔容器中的内容物施加高压和高温(HPHT)。在所述沉积步骤期间，在所述具有cBN粉末和陶瓷粉末的混合物的层中的cBN的浓度低于在其下面沉积的层中的cBN的浓度。在施加HPHT时，例如，所述基底的Co扩散穿过所述cBN粉末。在一些实施方式中，所述Co也可以扫掠过所述具有cBN和陶瓷的混合物的层。[0011]在一些实施方式中，以相反的顺序施加所述内容物的沉积，开始于所述CBN和陶瓷的混合物，所述cBN，和所述基底(例如含有钴(Co))。[0012]至少Co例如扩散穿过第一个中间扩散(inter-diffus1n)层(即，在所述基底和第一PcBN层之间)，和在一些实施方式中，扩散穿过第二中间扩散层(即，在所述第一PcBN层和在其上的第二PcBN层之间)，这种扩散在烧结过程中导致所述基底熔接(fus1n)至与它邻接的PcBN层，和熔接至邻接的任何另外的PcBN层。在HPHT的施加结束和所述难熔容器的内容物冷却后，所述方法产生了如下的PcBN体，该PcBN体具有含有不同浓度的cBN和陶瓷材料的层(即，不同的PcBN层)。可以通过调节与所述基底邻接的每个PcBN层中的cBN和陶瓷材料的浓度，来控制所产生的PcBN体的期望的特征。【专利附图】【附图说明】[0013]可以参照附图理解优选实施方式的以下详述，附图中相同的数字代表相同的元件，并且其中:[0014]图1显示，通过60X扫描电子显微镜(SEM)，使用所公开方法制造的未抛光的PcBN体的截面。[0015]图2a显示，通过60XSEM，使用所公开方法制造的抛光的PcBN体的截面。[0016]图2b_e显示，通过1000XSEM，使用所公开方法制造的抛光的PcBN体的不同层和中间层(inter-layer)界面的多个截面。[0017]图2f_g显示了可以用于容纳根据一些实施方式的沉积内容物的难熔容器(杯体)。[0018]图3a显示了使用所公开方法制造的PcBN体的使用能量弥散X射线(EDX)光谱线扫描产生的TiK荧光X射线强度的图。[0019]图3b显示了使用所公开方法制造的PcBN体的使用能量弥散X射线(EDX)光谱线扫描产生的CoK荧光X射线强度的图。[0020]图4显示了制造PcBN体的改进方法的步骤的流程图。[0021]图5显示了制造PcBN体的另一种改进方法的步骤的流程图。[0022]发明详述[0023]此处描述的实施方式的目的是示例说明一种PcBN制造方法，以及由此类方法制造的PcBN体，其中所产生的PcBN体具有期望的特征，该期望的特征是在不为了加强另一种特征而劣化所期望特征中的的一种或多种的情况下获得的。[0024]因此，实施方式涉及制造多晶立方氮化硼(PcBN)体的方法，其通过使用穿过不同堆叠层的不同浓度的cBN粉末和陶瓷粉末而改进所述PcBN体的焊接特征，从而充分地消除了由于相关技术的限制和不足而导致的一种或多种问题。[0025]图1显示了使用一种改进方法制造的未抛光的PcBN体101的EDM切割截面。该截面显示了在HPHT烧结后所产生的材料。紧接着硬质合金(WC/Co)基底102，存在cBN层103(高cBN材料)，和邻接的cBN和陶瓷的混合物层104(低cBN层)。cBN层103具有比低cBN层104低的陶瓷浓度。[0026]制造该未抛光的PcBN体101的方法包括在难熔容器中沉积以下物质:基底102，立方氮化硼(高cBN)粉末，以及cBN和陶瓷粉末的混合物层(低cBN)，然后对所述难熔容器的内容物施加高压和高温(HPHT)。基底102的合适例子包括金属钴(Co)、硬质合金(WC/Co)、金属陶瓷((W，Ti)(C，N)/(Co，Ni))、硅(Si)或镍(Ni)。在一些实施方式中，所述高cBN的沉积层和所述低cBN层可以是粉末或预先压实的盘材。[0027]在一些实施方式中，预先压实的盘材，也称为预烧结体，可以使用如下的一种或多种方法来制造，其公开在2004年I月13日授权的美国专利6676893B2，“PorousCubicBoronNitrideBasedMaterialSuitableforSubsequentProduct1nofCuttingToolsandMethodforitsProduct1n”(适用于切削工具的后续生产的基于多孔立方氮化硼的材料以及其生产方法)中，在此处以参考方式将该专利引入本文。[0028]在一些实施方式中，所述难熔容器可以由钽(Ta)或钼(Mo)箔片材/卷材(foilsheet/wrap)，或IV-VI族(grade)的任何其它过渡金属形成。钽难恪容器(杯体)的实施方式显示在图2f-g中。图2f示例说明了具有非折边顶部的钽金属容器(杯体)。图2g示例说明了具有折边顶部的钽难熔容器(杯体)。[0029]在一些实施方式中，在所述低cBN粉末中的cBN的浓度低于所述高cBN粉末中的浓度。[0030]所述陶瓷粉末可以例如包括氮化钛(TiN)或氧化铝(Al2O3)或Ti2AlN。在不背离所描述实施方式的范围的情况下也可使用其它陶瓷。例如，可以使用例如A1N、TiC,TiCN,ZrN,ZrO2,!1?)2的陶瓷或IV-VI族的任何其它过渡金属如Me(C，N，0)。[0031]所述高cBN粉末具有例如约90%的高cBN含量。层103含有约90%的cBN和约10%的一种或多种的一些其它材料，其可以包括所述陶瓷。在一些实施方式中，CBN层103还可以例如包含约10%的相对低浓度的陶瓷，例如TiN或A1203。此外，所述低cBN层104可例如具有约50%的cBN含量。层104还可以例如包含约50%的相对高含量的陶瓷，例如TiN或Al2O30[0032]当对所述难熔容器的内容物102-104施加HPHT以开始烧结时，基底102的Co首先扩散穿过cBN粉末层103，和然后，在一些实施方式中，扩散穿过cBN粉末和陶瓷粉末的混合物层104。因此，在一些实施方式中，可以形成两个中间扩散层。在基底102和高cBN层103之间的第一中间扩散层和在高cBN层103和低cBN层104之间的第二中间扩散层。基底材料(例如，Co)穿过所述两个中间扩散层的扩散，例如导致基底102熔接至与它邻接的的高cBN层103，以及与cBN层103邻接的一个或多个任何另外的PcBN层，例如低cBN层104。[0033]在HPHT结束和所述难熔容器中的内容物冷却后，所述方法产生了具有如下层的PcBN体，所述层具有不同浓度的cBN和陶瓷材料(g卩，不同的PcBN层)。可以通过调节在与基底层102邻接的每个PcBN层中的cBN和陶瓷材料的浓度，来控制所产生PcBN体的期望特征。在一些实施方式中，高cBN层103具有约86-99%体积的cBN和88-96%体积的cBN，以及具有约2-8%陶瓷含量的金属粘结剂。在一些实施方式中，低cBN层104在HPHT后具有约35-85%体积的cBN和陶瓷特征的粘结剂。[0034]在使用一种改进方法制造的未抛光的PcBN体101的截面中，对应于基底102的层厚度的第一量，可例如约在0.0mm和8mm之间。对应于高cBN层103厚度的第二量，例如约在0.3mm和3.2mm之间，和约在0.5mm和1.0mm之间。对应于低cBN层104的厚度的第三量，可例如约在0.2mm和3.2mm之间，和约在0.3mm和1.0mm之间。[0035]图2a显示了使用60X扫描电子显微镜(SEM)，使用所述改进方法制造的抛光的PcBN体201的截面。如所显示的，该抛光的PcBN体201具有第一WC/Co硬质合金基底层202，第二高cBN层203，和第三低cBN层204。在该实施例中，碳化物基底层202(没有显示其整体)具有约4mm的厚度。第二cBN粉末层203具有约0.6mm的厚度。第三低cBN层204具有约0.4mm的厚度。抛光的PcBN体201使用前面描述的方法来制造。在HPHT后，EDM切割该所述体201，和抛光所述截面，以促进显微镜检查。使用标准的金相方法完成抛光。[0036]图2b_e显示，通过1000X的较高放大率的SEM，使用所述改进方法制造的PcBN体201的不同层和中间层界面的多个截面。特别地，图2b显示了基底202-高cBN层203的界面205;图2c显示了第二层203在较高放大率下的206；图2d显示了高cBN层203-低cBN层204的界面207;以及图2e显示了低cBN层204在较高放大率下的208。[0037]在1000X放大率下容易看到所述碳化物的晶粒结构，所述Co(金属粘结剂)和浅灰色的陶瓷粘结剂(呈黑色的cBN晶粒)。基底202具有可见的明亮对比(visiblelightcontrast)(参见图2b)，这是由于其WC和Co内容物。第二层203以较高的放大率显示在图2e中206。黑色晶粒是cBN并且在所述粘结相中的明亮对比是由于Co从所述基底向中间扩散(interdiffuse)，其也称为扫掠。第三层204在较高放大率下显示208。黑色晶粒是cBN并且灰色相是没有Co中间扩散的陶瓷粘结剂。基底层202到第二层203的界面205和第二层203到第三层204的界面207都是突变的(参见图2b和2d)。在所述PcBN体中没有显示裂纹或孔(参见图2b-e)，这意味着好的粘结特征。[0038]图2f_g显示了可用于容纳根据一些实施方式的沉积内容物的难熔容器(杯体)210。图2f示例了由钽制成的并具有非折边顶部的难熔容器210。图2g示例了由钽制成的并具有折边顶部的难熔容器。在不背离所述实施方式的范围的情况下，可以使用不是图2f或图2g的其它难熔容器类型。[0039]图3a显示了使用所公开方法制造的PcBN体的使用能量弥散X射线(EDX)光谱产生的TiK荧光X射线强度的图。图310是所述PcBN体的线扫描(沿着白线302)，其定性地示例说明了穿过所述PcBN体的厚度的Ti的浓度。线扫描301沿着白线302从顶部取到底部。可以作为陶瓷TiN粘结的Ti没有显示任何扩散的证据，因为第二到第三层的界面303对应于图301中的空心箭头。第三层204中存在TiN，其朝向所述PcBN体的顶部/预期的工作表面，这种存在是为了增加所述PcBN层的化学稳定性和加强所述PcBN体，以用于其用途，例如在硬质部件车削应用中用作切削工具。第二层203中较高的cBN含量赋予所述材料较高的韧性和硬度。[0040]图3b显示了使用所公开方法制造的PcBN体的使用能量弥散X射线(EDX)光谱产生的CoK荧光X射线强度的图305。该图305是PcBN的线扫描，其定性地示例说明了穿过所述PcBN体的厚度的钴(Co)的浓度。线扫描306沿着白线305从顶部取到底部。[0041]在扫描电子显微镜中获得PcBN体的线扫描，该显微镜中电极产生与所述PcBN体中的Co浓度成比例的特征性X射线荧光。在这个实施例中，来自基底202的Co金属在所述基底层和所述第二层之间的第一界面308处富集，并且通过第二层203扩散过界面308，但是没有穿过第二界面307进入第三层204中。[0042]图4显示了制造多晶立方氮化硼(PcBN体)的改进方法的步骤401-404的流程图400?该方法包括:在难熔容器中沉积第一量的基底401;在所述难熔容器中沉积第二量的至少立方氮化硼(cBN)402;在所述难熔容器中沉积第三量的cBN和陶瓷的混合物403;和对难熔容器404的内容物施加高压和高温(HPHT)，其中在所述第三量中的cBN的第一浓度低于在所述第二量中的cBN的第二浓度，和其中在施加HPHT时，所述基底的Co首先扩散穿过所述第二量的至少cBN，和然后扩散穿过所述第三量的cBN和陶瓷的混合物。[0043]在不背离本发明的范围的情况下，一个或多个步骤可以插入其中或者替换前述步骤401-404中的每个。[0044]图5显示了制造PcBN体的另一种改进方法的步骤501-504的流程图500。该方法包括:在难熔容器中沉积第一量的立方氮化硼(cBN)和陶瓷的混合物501;在所述难熔容器中沉积第二量的至少cBN502;在所述难熔容器中沉积第三量的基底503;和对所述难熔容器的内容物施加高压和高温(HPHT)，其中在所述第一量中的cBN的第一浓度低于在所述第二量中的cBN的第二浓度，和其中在施加HPHT时，所述基底的Co首先扩散穿过所述第二量的至少cBN，和然后扩散穿过所述第一量的cBN和陶瓷的混合物504。此处的优点是所述难熔容器不需要另外的钽(Ta)层作为盖层。[0045]在不背离本发明的范围的情况下，一个或多个步骤可以插入其中或者替换前述步骤501-504中的每个。[0046]虽然已经结合本发明的优选实施方式描述了本发明，但是本领域普通技术人员能够理解，在不背离所附权利要求书中所限定的本发明的主旨和范围的情况下，可以进行未具体描述的增加、删除、改变和代替。【权利要求】1.一种制造多晶立方氮化硼(PcBN)切削工具的方法，所述方法包括:沉积:第一量的基底；第二量的至少立方氮化硼(cBN)；第三量的cBN和陶瓷的混合物；和施加高压和高温(HPHT)。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述基底包含金属和硅中的至少一种。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述沉积是到如下难熔容器中的沉积，所述难熔容器由钽(Ta)、钼(Mo)或IV-VI族过渡金属的箔片材或卷材形成。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述基底包含碳化物。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷包括选自TiN、Al203、AlN、TiC、TiCN、ZrN、ZrCVfPHfO2中的至少一种。6.根据权利要求3所述的方法，其中所述难熔容器包含:⑴所述基底，(2)所述cBN和(3)所述的cBN粉末和陶瓷的混合物。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述陶瓷包括选自TiN、Al203、A1N、Ti2AlN,TiC,TiCN,ZrN,ZrOjPHfO2中的至少一种。8.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括结束施加HPHT的步骤。9.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第三量中的cBN的第一浓度低于在所述第二量中的cBN的第二浓度。10.根据权利要求4所述的方法，其中在施加所述HPHT时，所述基底的碳化物首先扩散穿过所述第二量的至少cBN，和然后扩散穿过所述第三量的cBN和陶瓷的混合物。11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一量是约0.0到8mm的厚度。12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二量或第三量是约0.3到3.2mm的厚度。13.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二量是约0.5到1.0mm的厚度。14.根据权利要求1所述的方法，其中所述第三量是约0.3到1.0mm的厚度。15.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二量包含选自TiN、Al203、A1N、TiC,Ti2AlN,TiCN,ZrN,ZrOjPHfO2中的至少一种。16.根据权利要求15所述的方法，其中在所述第二量中，所述cBN的第二浓度大于选自TiN、Al203、AlN、Ti2AlN、TiC、TiCN、ZrN、ZrOjPHfO2中的至少一种的浓度。17.根据权利要求15所述的方法，其中在所述第二量中的TiN或Al203的第一浓度小于在所述第三量中的TiN或Al2O3的第二浓度。18.根据权利要求1所述的方法，其中沉积的第二量或第三量处于预先压实的盘材的形式。19.根据权利要求1所述的方法，其中沉积的第二量或第三量处于粉末的形式。20.根据权利要求1所述的方法，其中所述基底包含Me(C，N)形式的金属碳氮化物。21.一种多晶立方氮化硼(PcBN)切削工具，其包含:在高压和高温(HPHT)所施加的内容物中的:第一量的基底；第二量的至少立方氮化硼(cBN);和第三量的cBN和陶瓷的混合物。22.根据权利要求21所述的PcBN，其中所述基底包含金属和硅中的至少一种。23.根据权利要求21所述的PcBN，其中所述内容物容纳于由钽(Ta)、钼(Mo)或IV-VI族过渡金属的箔片材或卷材形成的难熔容器中。24.根据权利要求21所述的PcBN，其中所述基底包含碳化物。25.根据权利要求21所述的PcBN，其中所述陶瓷包括选自TiN、Al203、A1N、TiC、TiCN、ZrN、ZrOjPHfO2中的至少一种。26.根据权利要求21所述的PcBN，其中在所述第三量中的cBN的第一浓度低于在所述第二量中的cBN的第二浓度。27.根据权利要求24所述的PcBN，其中在施加所述HPHT时，所述基底的碳化物首先扩散穿过所述第二量的至少cBN，和然后扩散穿过所述第三量的cBN和陶瓷的混合物。28.根据权利要求21所述的PcBN，其中所述第一量是约0.0到8mm的厚度。29.根据权利要求21所述的PcBN，其中所述第二量或第三量是约0.3到3.2mm的厚度。30.根据权利要求21所述的PcBN，其中所述第二量是约0.5到1.0mm的厚度。31.根据权利要求21所述的PcBN，其中所述第三量是约0.3到1.0mm的厚度。32.根据权利要求21所述的PcBN，其中所述第二量包含选自TiN、Al203、A1N、TiC,Ti2AlN,TiCN,ZrN,ZrOjPHfO2中的至少一种。33.根据权利要求25所述的PcBN，其中在所述第二量中，所述cBN的第二浓度大于选自TiN,Al2O3'A1N、Ti2AlN'TiC,TiCN,ZrN,ZrO2^PHfO2中的至少一种的浓度。34.根据权利要求25所述的PcBN，其中在所述第二量中的TiN或Al203的第一浓度小于在所述第三量中的TiN或Al2O3的第二浓度。35.根据权利要求21所述的PcBN，其中所述内容物的第二量或第三量处于预先压实的盘材的形式。36.根据权利要求21所述的PcBN，其中所述内容物的第二量或第三量处于粉末的形式。37.根据权利要求21所述的？(^1其中所述基底包含此((:，N)形式的金属碳氮化物。38.一种制造多晶立方氮化硼(PcBN)切削工具的方法，所述方法包括:沉积:第一量的立方氮化硼(cBN)和陶瓷的混合物；第二量的至少cBN；第三量的基底；和施加高压和高温(HPHT)。【文档编号】B23B27/14GK104507603SQ201380036609【公开日】2015年4月8日申请日期:2013年6月28日优先权日:2012年7月12日【发明者】劳伦斯·托马斯·迪斯,托比约恩·英厄马尔·塞林德申请人:戴蒙得创新股份有限公司