CN101341268B - 立方氮化硼压块 - Google Patents

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Abstract

提供了制备具有高CBN含量的多晶CBN压块的方法。该方法包括通过将CBN和粉状粘合剂相的混合物进行粉碎研磨制备粉状组合物，所述CBN的存在量为所述混合物的至少80体积％。使该粉状组合物经受适合于产生CBN压块的提高的温度和压力条件。

Description

立方氮化硼压块
发明背景
本发明涉及多晶立方氮化硼磨料压块(compact)的制造。
氮化硼典型地以三种晶体形式存在，即立方氮化硼(CBN)、六方氮化硼(hBN)和纤锌矿型(wurtzitic)立方氮化硼(wBN)。立方氮化硼为结构类似于金刚石的氮化硼的硬质闪锌矿形式。在CBN结构中，原子之间形成的键是牢固的，主要为共价四面体键。制备CBN的方法在本领域中是公知的。一种如此方法是，在特定催化添加剂材料(其可以包括碱金属、碱土金属、铅、锡和这些金属的氮化物)的存在下，使hBN经受极高压力和温度。当温度和压力降低时，可以回收CBN。
CBN在机加工工具等中具有广泛的商业应用。可以将其用作砂轮、刀具等中的磨料颗粒，或者使用常规电镀技术将其粘结于工具体以形成工具嵌体。
CBN也可以按粘结形式用作CBN压块，也称作PCBN。CBN压块趋于具有良好的磨损性，是热稳定的，具有高导热性、良好的抗冲击性并且与工件接触时具有低的摩擦系数。
金刚石是比CBN硬的唯一已知材料。然而，由于金刚石趋于与某些材料例如铁反应，当与含铁金属一起作业时其不能使用，因此在这些情形中优选使用CBN。
CBN压块包含CBN颗粒的烧结多晶块体。当CBN含量超过该压块的75体积％时，存在大量的CBN与CBN接触和粘结。当CBN含量较低时，例如在该压块的40-60体积％的范围中，则直接的CBN与CBN接触和粘结的程度较小。
CBN压块通常也可包含含有一个或多个相的粘合剂，所述相包含铝、硅、钴、镍、钛、铬、钨和铁。
还可存在另外的第二硬相，其可以是陶瓷质的。适宜的陶瓷硬相的实例为第4、5或6族过渡金属的碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物，氧化铝，及它们的混合物。
基质定义为构成组合物中除CBN以外的所有组分。
CBN压块可以在工具嵌体或工具的形成中直接粘结于工具体。然而，对于许多应用，优选将该压块粘结于基材/载体材料，形成负载的压块结构，并随后将该负载的压块结构粘结于工具体。该基材/载体材料典型地为胶结金属碳化物，其与粘合剂如钴、镍、铁或者其混合物或合金粘结在一起。金属碳化物颗粒可以包含钨、钛或钽的碳化物颗粒或其混合物。
制造多晶CBN压块和负载的压块结构的已知方法包括，使CBN颗粒的未烧结块体经受高温和高压条件(即CBN在结晶学上稳定的条件)并持续适当的时间段。可以使用粘合剂相来增强颗粒的粘结。所用的典型高温高压(HTHP)条件为1100℃或更高的温度和约2GPa或更高的压力。维持这些条件的时间段典型地为约3-120分钟。
通常将具有或不具有基材的烧结CBN压块切割成待用的特定切削或钻孔工具的所需尺寸和/或形状，并然后使用钎焊技术安装在工具体上。
高CBN材料(也称作PCBN)主要用于机加工应用例如灰铸铁、粉末冶金(PM)钢、高铬铸铁、白铸铁和高锰钢。高CBN材料通常用于粗的和重度断续的机加工操作。在某些情形中，它们还用于精加工，例如灰铸铁和粉末冶金(PM)铁的精加工。
PCBN的这种广泛应用范围要求材料具有高抗磨损性、高边完整度、高强度、高韧性和高抗热性。仅通过具有至少75体积％的高CBN含量和将与CBN形成高强度结合的粘结相的材料可获得这些性能的组合。
因为CBN是提供硬度、强度、韧性、高导热性、高抗磨损性和与含铁材料接触时的低摩擦系数的高CBN材料的最关键组分，粘合剂相的主要作用是胶结结构中的CBN晶粒和补充复合物中的CBN性能。因此，与CBN相比高CBN复合物设计中较弱的环节是粘合剂相。
美国专利US6,316,094和EP1,043,410均描述了制造含有低(即小于70体积％)CBN含量的多晶CBN压块的方法。这些CBN压块在材料上与本发明的压块不同，既在于总cBN含量又在于非cBN基质的功能或作用。本领域中公知高和低CBN含量的材料在根本上互不相同，这由它们用于大相径庭的应用所证明。
低CBN含量压块的基质材料既包括第二硬相又包括粘合剂相，其中所述第二硬相是基质中占主要的材料。对于这些压块，基质相(特别是第二硬相)本身在确定应用中的压块性能中起重要作用。这种基质将以足够的量(大于30体积％)存在以便在两个维度上是连续的。在上面引述的专利的一些实施例中，将第二硬相、粘合剂相和CBN进行粉碎研磨(attritionmilling)。这种研磨的目的是减小脆性第二硬相的尺寸和均匀分散粘合剂、第二硬相颗粒和CBN颗粒。
在高CBN含量的多晶压块中，CBN在确定应用中的性能中起主要作用。基质的作用主要是促进CBN颗粒之间的反应粘结，因而将它们胶结在一起。较高的CBN含量和需要形成强胶结结合使高CBN含量压块中的基质混合物必须含有高很多的相对量的延性粘合剂相材料。所述压块仍可含有一些水平的第二硬相材料。
发明概述
根据本发明，制备适合于多晶CBN压块制造的粉状组合物的方法包括将CBN和粉状粘合剂相的混合物进行粉碎研磨的步骤，所述CBN的存在量为所述混合物的至少80％体积。
在粉碎研磨和必要的干燥之后，优选在使组合物经受产生多晶CBN压块必需的提高的温度和压力条件之前对该粉状混合物进行真空热处理以除去/减少污染物中的一些。
组合物典型地包含约80体积％-约95体积％CBN。CBN可以由多于一种平均颗粒尺寸的颗粒构成。
粘合剂相典型地包括一种或多种含有铝、硅、钴、钼、钽、铌、镍、钛、铬、钨、钇、碳和铁的相。所述粘合剂相可以包括这样的粉末，该粉末具有铝、硅、钴、镍、钛、铬、钨、钇、钼、铌、钽、碳和铁中多于一种的均匀固溶体。
粘合剂相可包含少量碳化物，通常是碳化钨，其来自研磨介质的磨损。
CBN的平均颗粒尺寸通常不大于12μm并且优选不大于10μm。
在本发明的一种形式中，CBN颗粒是细的，典型地尺寸不大于约2μm。对于这样的细颗粒，优选仅使用一种颗粒尺寸(单峰)。混合物优选仅由粘合剂相和CBN颗粒构成，任何其它组分例如来自研磨过程的碳化钨以不影响由该混合物制得的CBN压块性能的微小量存在。特别地，该混合物将基本不含任何第二硬相。
当CBN包含具有多于一种平均颗粒尺寸的颗粒时，CBN优选是双峰的，即其由具有两种平均尺寸的颗粒构成。较细颗粒的平均颗粒尺寸的范围通常为约0.1-约2μm并且较粗颗粒的平均颗粒尺寸的范围通常为约2-约12μm、优选2-10μm。较粗CBN颗粒与较细颗粒的含量之比典型地为50∶50至90∶10。较粗颗粒的尺寸优选大于2μm。对于这样的双峰CBN颗粒，混合物优选地还含有第二硬相。该第二硬相的存在量优选为粘合剂和第二硬相组合的不大于75重量％、更优选不大于70重量％。在本发明的这种形式中，优选将粘合剂相和第二硬相与细CBN颗粒一起粉碎研磨，然后向该混合物加入较粗的CBN颗粒并且使用不涉及粉碎研磨的方法例如高能混合如机械搅拌或超声波搅拌进行混合。在加入细CBN颗粒之前，可将粘合剂相和第二硬相混合并进行粉碎研磨。
适宜的第二硬相材料的实例是陶瓷硬相，例如4、5或6族过渡金属的碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物，氧化铝，以及它们的混合物。
根据本发明的另一方面，多晶CBN压块通过使上述制得的粉状组合物经受适合于产生如此压块的提高的温度和压力条件制得。
在施加提高的温度和压力条件之前，可以将粉状组合物置于基材表面上。所述基材通常为胶结金属碳化物基材。
优选实施方案详述
本发明涉及高CBN含量磨料压块的制造。用于制备多晶CBN压块的组合物或起始材料包含粉末或微粒形式的CBN和粘合剂相。在高压和高温烧结期间粘合剂相应至少部分熔化且与CBN反应并通过反应烧结形成粘结。粉状组合物的CBN含量为至少80体积％。由该粉状组合物制得的多晶CBN压块的CBN含量将比该组合物的CBN含量低。因此，由本发明的粉状组合物制得的多晶CBN压块的CBN含量将为至少75体积％。
典型地在多晶CBN压块中，当CBN超过压块的约75体积％时，存在大量的CBN与CBN接触和粘结。具有大于约75体积％的CBN的CBN压块的特征典型在于CBN晶粒间分离的小粘合剂相。烧结压块中的粘合剂相典型地是陶瓷质的，并且通过CBN与各种能形成稳定氮化物和硼化物的金属之间的反应烧结形成。粘合剂相材料中的至少一些在烧结期间应为液体或部分液体并且应润湿CBN晶粒以便获得CBN晶粒间的良好粘结。
优选对粘合剂相成分的尺寸分布进行仔细选择以便获得尽可能大的粘合剂相均匀性，使得在CBN晶粒之间存在均匀的粘合剂相分布。这为最终材料提供了性能的各向同性和提高的韧性。粘合剂相的均匀分散趋于提供强粘结，该强粘结还趋于降低在用磨料工件材料进行机加工期间移除CBN晶粒的容易性。
在本发明制得的粉状组合物中，CBN可以含有多峰的颗粒，即至少两种类型的彼此平均颗粒尺寸不同的CBN颗粒。“平均颗粒尺寸”是指主要量的颗粒将接近于特定尺寸，尽管将存在有限数目的远离该特定尺寸的颗粒。颗粒分布中的峰将具有特定尺寸。由此，例如如果平均粒度为2μm，解释为将存在一些大于2μm的颗粒，但是主要量的颗粒的尺寸将为约2μm且颗粒分布中的峰将接近2μm。
对于较大的CBN颗粒尺寸，在组合物中使用多峰、优选双峰的CBN，这确保将基质细分以降低预烧结组合物中存在关键尺寸缺陷的可能性。这对于由该组合物制得的压块的韧性和强度均有益。
作为粉碎和分散方法的研磨通常在本领域中是公知的。用于研磨陶瓷粉末的常用研磨技术包括常规球磨机和滚筒式球磨机、行星式球磨机和粉碎研磨式球磨机及搅拌式(agitated)或搅动式(stirred)球磨机。
在常规球磨中，能量输入由研磨介质的尺寸和密度、研磨罐的直径和旋转速度来确定。当该方法要求球体滚动时，旋转速度和因此的能量是有限的。常规球磨法非常适合于研磨具有低至中等颗粒强度的粉末。典型地，在粉末将被研磨为约1微米或更大的最终尺寸时采用常规球磨法。
在行星式球磨中，研磨罐的行星式运动允许高至20g的加速度，在使用致密介质时，其在研磨中容许比常规球磨大很多的能量。这种技术非常适用于粉碎中等强度且最终颗粒尺寸为约1μm的颗粒。
粉碎研磨机(attritionmill)由具有搅拌器的封闭研磨室组成，所述搅拌器以竖直或水平配置高速旋转。所用研磨介质的尺寸范围典型地为0.2-15mm，并且在粉碎为目的时，研磨介质典型地为具有高密度的硬质合金。搅拌器的高旋转速度，与高密度、小直径的介质相配合，提供极高的能量。另外，粉碎研磨中的高能量在浆料中产生高剪切，这提供粉末的极有效的共分散或掺混。粉碎研磨比所提及的其它方法实现更细的颗粒和更好的均匀性。
当CBN由典型为2μm或更小的细颗粒构成时，这时通过粉碎研磨使用受控的研磨介质磨损量将CBN和粘合剂相一起研磨和混合。可在加入CBN颗粒之前对粘合剂相进行粉碎研磨。
当CBN由不同尺寸的颗粒构成时，其中粗部分典型地在大于2μm和12μm的范围内，工艺通常由多于一个步骤组成。第一步骤是与细CBN部分一起研磨粉状粘合剂相和第二硬相(存在时)，以便产生细混合物，第二步骤需要加入较粗的CBN部分。然后使用高能混合例如机械或超声波混合对已加入粗CBN颗粒的混合物进行混合。不存在另外的粉碎研磨，因此使从研磨介质的碳化物过度引入最小化。可在加入细CBN颗粒之前将粘合剂相与第二硬相(存在时)进行粉碎研磨。
在本发明的方法中，对粘合剂相颗粒进行粉碎研磨以便以机械方式活化表面并且任选地降低粘合剂相材料的颗粒尺寸。如果粘合剂相由多于一种金属相构成，粉碎研磨还可提供有限量的合金化形成，其进一步使粘合剂相的化学性质均匀化。设计粘合剂相的粉碎研磨，以使典型为碳化钨的研磨介质的磨损最小化。
制备多晶CBN压块所必需的典型的提高的温度和压力条件是本领域中公知的。这些条件为约2-约6GPa的压力和约1100℃-约2000℃的温度。发现对于本发明特别有利的条件落在约4-6GPa和1200-1600℃之内。
由本发明的方法制得的压块在灰铸铁、粉末冶金(PM)钢、高铬铸铁、白铸铁和高锰钢的机加工中具有特别的应用。高CBN材料通常用于粗的和重度断续的机加工操作。在某些情形中，它们还用于精加工，例如灰铸铁和粉末冶金(PM)铁的精加工。
将通过下面的非限定性实施例说明本发明：
实施例
实施例1：粉碎研磨
将分别具有1、5和1μm平均颗粒尺寸的钴、铝、钨粉末与CBN一起粉碎研磨。33重量％钴、11重量％铝和56重量％钨形成粘合剂混合物。将平均颗粒尺寸为约1.2μm的立方氮化硼(CBN)以获得92体积％CBN的量加入到所述粘合剂混合物中。使用硬质合金研磨介质将粉末混合物与己烷一起研磨2小时。在粉碎研磨后，将浆料在真空下干燥并形成由硬质合金基材负载的生压块。在真空除气后，将该材料在约5.5GPa下和在约1480℃烧结以产生多晶CBN压块。对该CBN压块(下文称作材料A)进行分析并然后进行机加工测试。
实施例2：粉碎研磨
将分别具有约5和1μm平均颗粒尺寸的铝和钨粉末与CBN一起粉碎研磨。30重量％铝和70重量％钨形成粘合剂混合物。将平均颗粒尺寸为约2μm的立方氮化硼(CBN)粉末以获得94.5体积％CBN的量加入到所述粘合剂混合物中。使用硬质合金研磨介质将粉末混合物与己烷一起研磨2小时。在粉碎研磨后，将浆料在真空下干燥并形成由硬质合金基材负载的生压块。在真空除气后，将该材料在约5.5GPa下和在约1480℃下烧结以产生多晶CBN压块。对该CBN压块(下文称作材料B)进行分析并然后进行机加工测试。
实施例3：粉碎研磨
将分别具有约5和1μm平均颗粒尺寸的铝和钴粉末与CBN一起粉碎研磨。30重量％铝和70重量％钴形成粘合剂混合物。将平均颗粒尺寸为约2μm的立方氮化硼(CBN)粉末以获得93体积％CBN的量加入到所述粘合剂混合物中。使用硬质合金研磨介质将粉末混合物与己烷一起研磨2小时。在粉碎研磨后，将浆料在真空下干燥并形成由硬质合金基材负载的生压块。在真空除气后，将该材料在约5.5GPa下和在约1480℃下烧结以产生多晶CBN压块。对该CBN压块(下文称作材料C)进行分析并然后进行机加工测试。
实施例4：球磨
将分别具有1、5和1μm平均颗粒尺寸的钴、铝和钨粉末与CBN一起球磨。33重量％钴、11重量％铝和56重量％钨形成粘合剂混合物。将平均颗粒尺寸为约1.2μm的立方氮化硼(CBN)粉末以获得92体积％CBN的量加入到所述粘合剂混合物中。使用硬质合金研磨介质将粉末混合物与己烷一起研磨10小时。在球磨后，将浆料在真空下干燥并形成由硬质合金基材负载的生压块。在真空除气后，将该材料在约5.5GPa下和在约1480℃下烧结以产生多晶CBN压块。对该CBN压块(下文称作材料D)进行分析并然后进行机加工测试。
根据X-射线衍射分析，这些烧结的材料即材料A、B、C和D含有CBN、WC、CoWB、Co21W2B6和少量的AlN及Al2O3相。
在K190TM烧结PM工具钢的连续精车中测试这些材料。该工件材料含有细的Cr-碳化物并且对PCNB刀具上非常有磨蚀性。这些测试在具有下面的切削参数的干切削条件下进行：
切削速度，vc(m/min)：150
切削深度(mm)：0.2
进送，f(mm)：0.1
刀头几何形状：SNMN090308T0202
(边缘半径，r0＝10-15j-im)
来自材料A、B、C、D的所有刀具经测试由于过度侧面磨损而失效。至少在三个不同切削距离测量侧面磨损(作为Vb-最大)并且发现侧面磨损和切削距离之间的关系通常是线性的。将最小二乘线描绘至各PCBN材料的各组数据点。计算各实施例材料的以μm每米滑动距离计的侧面磨损率并且将结果汇总在表1中。
表1：PCBN刀具的侧面磨损率
材料 侧面磨损率[μm/m滑动距离]
材料A：粉碎研磨 0.230
材料B：粉碎研磨 0.214
材料C：粉碎研磨 0.230
材料D：球磨 0.238
由已粉碎研磨的组合物制成的三种多晶CBN压块均具有较低的侧面磨损率，表明与由球磨材料即材料D制成的多晶CBN压块相比，由于对给定的总侧面磨损具有更长的切削距离因而性能更好。
实施例5
使用管状混合器将Ti(C0.5N0.5)0.8粉末与Al和Ti粉末混合，Ti(C0.5N0.5)0.8、Al和Ti粉末的重量百分比分别为59％、15％和26％。将该粉末混合物与己烷一起粉碎研磨4小时。将平均颗粒尺寸为1.2μm的立方氮化硼(CBN)粉末以获得总混合物中24体积％的量加入并且将该混合物另外砂磨粉末1小时。将平均颗粒尺寸为约8μm的立方氮化硼(CBN)粉末以获得总混合物中56体积％的比例加入。因而该混合物中总CBN含量为80％体积。将粉末浆料形式的混合物在约450℃下干燥并真空除气。将经干燥的粉末混合物高能剪切混合30分钟并且冻干。然后将颗粒状粉末形成生压块且然后进一步真空除气，将该材料在约5.5GPa下和在约1350℃下烧结以产生多晶CBN压块。然后对该CBN压块(下文称作材料E)进行分析。
实施例6
使用管状混合器将Ti(C0.5N0.5)0.8粉末与Al和Ti粉末混合，Ti(C0.5N0.5)0.8、Al和Ti粉末的重量百分比分别为59％、15％和26％。将该粉末混合物与己烷一起粉碎研磨4小时。将平均颗粒尺寸为1.2μm的立方氮化硼(CBN)粉末以获得总混合物中24体积％的量加入并且将该混合物另外砂磨粉末1小时。将平均颗粒尺寸为约4.5μm的立方氮化硼(CBN)粉末以获得总混合物中56体积％的比例加入。因而该混合物的总CBN含量为80％体积。将粉末浆料形式的混合物在约450℃下干燥并真空除气，并将经干燥的粉末混合物高能剪切混合30分钟并且冻干。然后将颗粒状粉末形成生压块且然后进一步真空除气，将该材料在约5.5GPa下和在约1350℃下烧结以产生多晶CBN压块。然后对该CBN压块(下文称作材料F)进行分析。
根据X-射线衍射分析，这些烧结材料即材料E和F包含CBN、TiCN、WC和Al2O3相。

Claims (10)

1.制备适合于多晶CBN压块制造的粉状组合物的方法，该方法包括步骤：
(i)对粉状粘合剂相进行粉碎研磨，所述粘合剂相包括一种或多种含有铝、硅、钴、钼、钽、铌、镍、钛、铬、钨、钇、碳或铁的相；
(ii)向步骤(i)的粉碎研磨的粉状粘合剂相中添加平均颗粒尺寸为0.1-2微米的CBN颗粒，并对混合物进行粉碎研磨；
(iii)向步骤(ii)的粉碎研磨混合物中添加CBN颗粒，该CBN颗粒的平均颗粒尺寸为2-12微米并且粗于步骤(ii)中添加的CBN颗粒的平均颗粒尺寸，从而产生其中CBN颗粒的存在量为至少80体积％的混合物；和
(iv)使用不涉及粉碎研磨的方法对步骤(iii)的混合物进行进一步的混合步骤。
2.根据权利要求1的方法，其中所述组合物的CBN含量为80体积％-95体积％。
3.根据权利要求1的方法，其中较粗颗粒与较细颗粒的含量之比为50∶50至90∶10。
4.根据权利要求1的方法，其中在步骤(i)中使第二硬相与粉状粘合剂相混合并且对混合物进行粉碎研磨，所述第二硬相选自4、5或6族过渡金属的碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物，氧化铝，以及它们的混合物。
5.根据权利要求4的方法，其中所述第二硬相的存在量是不大于粘合剂和第二硬相组合的75重量％。
6.根据权利要求4的方法，其中所述第二硬相的存在量是不大于粘合剂和第二硬相组合的70重量％。
7.根据权利要求1的方法，其中步骤(iv)中的混合是高能混合方法。
8.根据权利要求7的方法，其中所述高能混合方法是机械搅拌或超声波搅拌。
9.制备多晶CBN压块的方法，该方法包括步骤：提供通过根据前述权利要求1-8中任一项的方法制备的组合物和使该组合物经受适合于产生压块的温度和压力的条件。
10.根据权利要求9的方法，其中所述温度和压力条件为1100-2000℃的温度和2-6GPa的压力。
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