CN101652210A - 对工件进行机械加工的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种对工件进行机械加工的方法，所述工件由选自金属、金属基复合材料、木材、合成纤维、陶瓷、石料和合或建筑材料的材料制成，所述方法包括使用一种具有工具组分的工具对工件进行机械加工的步骤，所述工具组分包括：具有一加工面(16)的多晶金刚石层(12)、具有一种金属并且沿交界面与多晶金刚石层(12)的加工面(16)相焊接的软质层(20)，多晶金刚石层(12)临近交界面的区域(22)中包含一些软质层(20)中所具有的一些金属。
Description
技术领域
本发明涉及一种对工件进行机械加工的方法。
背景技术
极硬研磨切割元件或工具组分被广泛用于钻孔、碾磨、切削及其它类似的研磨应用中，其使用烧结金刚石材料，也被称为多晶金刚石(PCD)，以及烧结立方氮化硼，即通常所说的PCBN制成。这样的元件或工具组分通常包括一与通常由硬质合金制成的支持体相结合的PCD层或者PCBN层。PCD层或PCBN层可以呈现出锋利的切削刃、切割点、切割面或是研磨面。
PCD中包括大量的含有一相当大量金刚石与金刚石相结合的粘接剂的金刚石微粒。典型的，PCD具有次生相，其含有一种诸如钴、镍、铁或包含其中一种或多种这种金属的合金金刚石催化剂/溶剂。PCBN通常也包含粘结相，典型的是cBN催化剂或包含这样的催化剂。适合的粘结相的例子有铝、碱金属、钴、镍、钨等等。
PCD切割元件被广泛地应用于对金属、合金，以及木质复合材料的机械加工中。尤其是汽车工业、航空工业和木制品工业通过PCD的使用，得到了更高的生产力水平、精度水平及产品一致性。在金属加工业中，铝合金、双金属材料、铜合金、碳/石墨强化塑料和金属复合基质是典型的通过PCD进行机械加工的材料。层压地板、水泥板、碎木胶合板、刨花板和胶合板是木材制品中通过PCD进行机械加工的例子。PCD作为钻孔机的插入部件(inserts)也应用于石油钻探工业。
用于汽车工业、航空工业、建筑业和一般的工程工业的工具组分尤其需要大量的机械加工，从而使其能够达到适于预期目的所需的成型精度以及表面完整度。拥有了现代化的机械加工工具的优越性能，切割工具已经变成影响工件质量和生产效率的关键因素。
用于制造的典型工件材料包括金属、黑色金属和有色金属、合金和超级合金，金属复合模版，石料，包括混凝土和水泥的合成建筑材料，包括天然木材、木屑压合板、碎木板、纤维板或是层压板的木质材料，包括塑料、玻璃或是碳纤维增强塑料的化学合成材料，以及陶瓷。
使用切割工具制造工件所采用的典型操作包括锯切、切割、研磨、车削及钻孔。在机械加工过程中，可以根据具体工具经历的间断的程度而对这些操作进行分类。例如，在车削操作中，工具的切割元件在机械加工操作的整个过程中与工件保持连续接触。与此相反，在研磨操作中，一个或多个切割工具在整个机械加工操作过程间歇地与工件相接触。
对提高制造元件性能的普遍需求导致了更难以通过机械加工方式生产的更复杂的工件的进展，在连续式机械加工过程中，尤其是在间断式切削加工过程中，切割工具经受热循环和机械负载。此外，还存在对机械加工操作更高效率的需求，这通常通过更高的材料切割效率来实现，而这同样导致了在切削工具的上产生增加的热和负载。
因此，为了迎合结构和制造工业逐步发展的需求，切割工具因此也必须向着不仅能够提供极好的抗磨强度，还具有更高韧性的方向发展。
US 3,745,623公开了一种在具有钛或锆保护套的情况下制造PCD的方法，在制造过程中保护套的一部分转变成了碳化物。在碎屑器表面上钛或锆的保护套薄层可能留在PCD上。
发明内容
本发明提供了一种对工件进行机械加工的方法，其中所述工件由选自金属、金属基复合物、木材、合成物、陶瓷、石料和合成建筑材料的材料制成，所述方法包括使用一种包括一种工具组分的工具对工件进行机械加工的步骤，所述工具组分包括：具有一加工面的多晶金刚石层、包含一种金属并且沿交界面与多晶金刚石层的加工面相焊接的软质层，多晶金刚石层临近交界面的区域中包含一些软质层中所具有的金属。
软质层为工具组分提供了一层比多晶金刚石层柔软的层。这个软质层依靠其中的一些已经扩散到多晶金刚石临近其与软质层的交界面的区域中、并已存在于多晶金刚石中的金属而被牢固地结合在多晶加工面上。在多晶金刚石中呈现出次生相(second phase)的一些这种金属，也同样扩散到软质层中。因此，软质层与多晶金刚石之间的结合实际上是一种扩散结合。这种结合可以被制造出来，比如，在多晶金刚石的制造过程中，也就是，在这种制造过程中软质层被产生并且在现场与多晶金刚石相结合。
人们已经发现，在需要工具材料具有抗碎性的应用场合，以及需要切削工具同时具备极高的抗磨强度和更高韧性的场合，通过在多晶金刚石材料的加工面上提供一层软质层能够提高工具组分的这些性能。因此，本发明提供了改良的对多种使用了这种工具组分的工件进行机械加工的方式。在本领域中，对一种工件进行机械加工包括移动该工件，以及相对于每一件工件移动工具切削组分的切削刃或切割点，然后将切削刃或切割点推近工件进行机械加工。进行机械加工操作的例子有铝切、切割、研磨、车削和钻孔等。
能够利用本发明中的方法进行机械加工的典型工件材料包括：金属、黑色和有色金属、合金及其超耐热不锈钢，金属基复合物，石料，包括混凝土和水泥的合成建筑材料，包括天然木材、木屑压合板、碎木板、纤维板或是层压板的木质材料，包括塑料、玻璃或是碳纤维增强塑料的化学合成材料，以及陶瓷。其它的应用包括时合成材料(包括木材)、铝合金、铸铁、钛合金、耐热型超级合金(HRSA)或硬化钢进行研磨、锯割或铰孔。
软质层中的金属可以是各种各样的金属中的任意一种，优选是过渡金属中的一种。适合的过渡金属的例子有钼、铌、钽、钛和钨。金属镍也同样被认为是一种适用于本发明的材料。
软质层中所具有的金属的存在形式可以是金属、金属碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、碳氮化物或其中的两种或多种的组合。软质层中的金属优选的是以金属、金属碳化物或它们的组合物形式存在。更优选的是，软质层中包括大量的以金属碳化物形式存在的一种金属，以及少量的金属诸如金属、来自多晶金刚石中的金属，例如在多晶金刚石中以次生相形式存在的金属钴。
软质层可以只是在加工面的一部分上延伸或者跨越了整个加工面。
多晶金刚石层的加工面优选是该层的顶面，其与该层的另一个表面相交叉，从而在交叉处形成切割点或切削刃。所述软质层优选从所述切削刃或切割点起一直延伸并至少越过所述加工面的一部分。
软质层的厚度根据所进行的机械加工的性质和工件材料本身的特性而有所不同。通常情况下，软质层具有达100微米的厚度。软质层的厚度优选为至少50微米。
在本发明的工具组分中，软质层与多晶金刚石层的加工面相结合，软质层可以在所述工具组分的制造过程中在现场制造。在这种方法中，制造多晶金刚石层的组分被置于金属杯或金属封壳(capsule)中，然后所述金属杯或金属封壳将经受制造多晶金刚石所必需的高温高压条件。在制造过程中，金属杯或金属封壳中的一些与多晶金刚石的外表面相粘结或相结合。将要形成软质层的一金属层可选地置于与金属杯或金属封壳中未结合的金刚石微粒相接触的位置。在制造过程中，金属封壳、金属杯或所述金属层中的一些金属将会扩散到多晶金刚石中。类似地，来自多晶金刚石中的一些金属，如钴，也将会扩散到软质层中。
多晶金刚石层的加工面可能是平整的、抛光的，或是粗糙的、不规则的。当多晶金刚石层的加工面是粗糙的或是不规则的，这可能是由于加工面经受喷砂处理或类似处理的结果。
软质层的顶部暴露表面可以进行抛光。对软质层的抛光处理显然要比时多晶金刚石层的表面抛光处理要容易得多。
多晶金刚石层优选地通常是沿着与加工面相对的表面与一个基底或支持体相结合。碳化物优选是碳化钨、碳化钽、碳化钛或碳化铌。特细的碳化物被优选地应用于利用本领域公知的方法来制造硬质合金。
附图说明
附图是本发明的方法中使用的一种工具组分的一个具体实施例的部分剖视图。
具体实施方式
因此，本发明提供了一种在对工具材料的抗碎性有严格要求的场合中具有改进性能的工具组分的应用。在本发明中的多种不同的机械加工处理中，软质层的特性及其与多晶金刚石层的牢固结合等其它优点如下文所述：
与硬质研磨层的结合的软质层在切削刃磨损的初期会产生自磨圆或自磨损。而这也将提高切削刃的强度，减少磨合(break-in)磨损期。磨圆的程度能够通过提高或降低软质层的硬度来控制。软质层的材料也会在多晶金刚石层的边缘处将孔隙或凹陷填充，从而导致较少的磨损发生。在经过了初期的磨圆过程之后，软质顶层能磨成碎屑器的形状。
与现有技术中的多晶金刚石产品相比，经过抛光的软质顶层使得加工面上的疵点得到了减少。在切割处理的初始阶段，软质层也将快速变形以形成强度更高的、更圆的边缘。与多晶金刚石表面相比，金属层也将一般具有更高的断裂韧度。低腐蚀性的抛光方法将使得多晶金刚石表面具有较低的应力。所有的这些因素都将减小剥离、刨削和裂化的频率和强度，尤其是在对基质进行间断性的和/或冲击性的机械加工中。
现在将结合图示了一种工具组分的切削刃部分的附图，对本发明的方法中所使用的这种工具组分的一个具体实施例进行说明。如附图所示，一种工具组分包括一个沿着交界面14与一层多晶金刚石12相结合的硬质合金基质10。多晶金刚石层12具有一是所述工具组分的加工面的上表面16。上表面16沿着直线24与侧面18相交叉，该线24限定用于工具组分的切削刃。
软质层20与加工面16相结合。所述软质层20延伸到切削刃24。软质层20的类型如上文所述并且包括一种金属。来自软质层20中的一些这种金属将存在于多晶金刚石层的区域22中，其用虚线示出。来自多晶金刚石层12中的一些金属将出现在软质层20中。因此，扩散结合存在于软质层20与多晶金刚石层12之间。
现在将对本发明的方法中使用的一种工具组分的实施例进行描述。
实施例1
大量地钴作为粘结相的金刚石微粒被置于硬质合金基质表面。大量未粘附的金刚石微粒被置于钼制封壳中，所述封壳被置于常规的高压/高温设备的反应区域中。封壳中的内容物经受大约1400℃的温度以及大约5GPa压力。这些条件维持一定的时间，足以制成多晶金刚石层，该多晶金刚石层具有与硬质合金基质相结合的表面以及相对的一暴露面。多晶金刚石层具有含钴的次生相。
封壳从反应区域中被移走。钼或碳化钼层与多晶金刚石的外部表面相结合。钼或碳化钼层的外部区域通过研磨而被去除，剩下一个与多晶金刚石层的主表面中的一个相结合的、比多晶金刚石更软的材料薄层。
软质层的厚度为100微米。使用EDS进行分析显示，软质层中包括多数量的碳化钼，以及少量的硬质合金基质中的金属钼和钴。使用EDS进行分析，发现多晶金刚石的与软质层交界处接近的区域中包含有钼。软质层与多晶金刚石层之间结合得非常强。大多数的切削工具组分是由碳化物支持的多晶金刚石制造而成，这样的切削工具嵌入物具有如附图所示的结构。在测试中发现，这些切削工具组分在木材加工和金属加工应用中是有效的。没有发生软质层的分层的现象。
实施例2
一种由碳化物支持的多晶金刚石产品，其包括与硬质合金基质相结合的多晶金刚石层，且其具有包含多数量的碳化铌、和少量的作为金属的铌和来自多晶金刚石层的钴的软质层。这种多晶金刚石产品是利用与实施例1中相同的方法被制造的，其中使用铌制封壳代替钼制封壳。少量的铌被发现存在于接近与软质层交界处的多晶金刚石区域中。软质层的厚度为100微米。来自这种产品中的多个工具组分被制造，其中的每一个都具有如附图所示的结构，并且适于应用在钻孔中。
Claims (20)
1、一种对工件进行机械加工的方法，其中所述工件由选自金属、金属基质复合物、木材、合成物、陶瓷、石料和合成建筑材料的材料制成，所述方法包括使用一种包括工具组分的工具对工件进行机械加工的步骤，所述工具组分包括：具有一加工面的多晶金刚石层、包含一种金属并且沿交界面与多晶金刚石层的加工面相结合的软质层，多晶金刚石的层临近所述交界面的区域包含一些来自软质层的金属。
2、如权利要求1所述的方法，其中，软质层的金属是一种过渡金属。
3、如权利要求1或2所述的方法，其中，软质层的金属以是金属、金属碳化物、金属氮化物、金属硼化物、金属硅化物、金属碳氮化物或它们其中的两种或多种的组合的形式存在。
4、如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，软质层中包括多数量的碳化物形式的金属，以及少量的以金属形式存在的金属和来自多晶金刚石中的金属。
5、如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述的金属选自于钼、铌、钽、钛或钨。
6、如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，软质层具有达100微米的厚度。
7、如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，软质层仅仅覆盖加工面的一部分。
8、如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，软质层覆盖整个加工面。
9、如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述加工面是多晶金刚石的层的顶面，该顶面与一侧面相交叉从而在交叉处限定用于工具组分的切削刃。
10、如权利要求9所述的方法，其中，所述软质层从所述切削刃延伸越过至少所述加工面的一部分。
11、如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述软质层具有至少50微米的厚度。
12、如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述多晶金刚石的层与基底相结合。
13、如权利要求13所述的方法，其中，所述基底是一种硬质合金基底。
14、如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述机械加工为锯割、切割、研磨、车削或是钻孔。
15、如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述工件是一种选自于黑色金属、有色金属、合金或者它们的超耐热合金的金属材料。
16、如权利要求1-14中任一项所述的方法，其中，所述工件是一种选自于来自混凝土或是水泥的合成建筑材料。
17、如权利要求1-14中任一项所述的方法，其中，所述工件是一种选自于天然木材、木屑压合板、碎木板、纤维板或是层压板的木质材料。
18、如权利要求1-14中任一项所述的方法，其中，所述工件是一种选自于塑料、玻璃或是碳纤维增强塑料的合成复合物。
19、如权利要求1所述的方法，如根据附图中所基本表述的那样的方法。
20、如权利要求1所述的方法，如任意一个所述实施例中基本表述的那样的方法。
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