CN101678456B - 机加工基材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种机加工基材的方法，该方法包括步骤：使用工具以断续机加工、冲击机加工或它们的组合操作来机加工该基材，所述工具包括如下的工具部件，该工具部件包含具有工作表面(16)的多晶金刚石层(12)、包含金属并且沿着界面粘结于多晶金刚石层(12)的工作表面(16)的较软层(20)，并且邻近该界面的多晶金刚石层(12)的区域(22)含有来自该较软层(20)的一些金属。
Description
背景技术
本发明涉及机加工基材的方法。
利用金刚石复合片(也称为多晶金刚石(PCD))和立方氮化硼复合片(也称为PCBN)的超硬研磨切削元件或工具部件广泛地应用于钻孔、铣削、切削和其它这样的研磨应用中。该元件或工具部件通常包含粘结于载体的PCD或PCBN层，该载体通常为烧结碳化物载体。该PCD或PCBN层可呈现尖锐的切削刃或切削点或者切削表面或研磨表面。
PCD包括含有大量的直接金刚石与金刚石粘结的金刚石颗粒物料。PCD将典型地具有第二相，该第二相包含金刚石催化剂/溶剂例如钴、镍、铁或包含一种或多种这样的金属的合金。PCBN通常还包含粘结相，该粘结相典型是cBN催化剂或包含这样的催化剂。合适的粘结相的例子是铝、碱金属、钴、镍、钨等。
PCD切削元件广泛用于机加工一系列的金属和合金以及木制复合材料。特别地，汽车、航空航天以及木材加工工业使用PCD，以便从其提供的较高水平的生产率、精度和一致性中受益。在金属加工工业中，铝合金、双金属、铜合金、碳/石墨增强的塑料和金属基质复合物是用PCD进行机加工的典型材料。层合铺地板、水泥板、刨花板、碎料板和胶合板是这类木材产品的例子。PCD还在石油钻探工业中用作钻体的镶嵌件(insert)。
在机加工期间，切削工具的失效通常由下列过程中的一个或其组合引起：
·由于破坏性的断裂(突然失效)
·由于累积磨损(渐进性失效)
·由于塑性变形(突然失效)
导致形状改变的塑性变形通常在超硬切削工具材料中不是非常重要的因素，所述工具材料如在提高的温度下保持其强度的PCD。渐进性磨损导致的工具失效的特征为工具上的磨损特征的演变。典型的磨损特征包括侧面磨损、月牙洼磨损、DOC(切削深度)缺口磨损以及层缘缺口磨损。侧面磨损带的宽度(VBBmax)是合适的工具磨损量度，并且VBBmax的预定值被视为良好的工具寿命标准[国际标准(ISO)3685，1993，使用单点车削工具测试的工具寿命]。在特定应用中产生磨损特征(磨痕)的磨损模式通常依赖于切削工具的显微组织、机加工条件和切削刃的几何结构。磨损模式可以包括磨料磨损、微观断裂磨损(碎裂、剥落和开裂)、粘着磨损(形成切屑瘤)或摩擦化学磨损(扩散磨损和形成新的化合物)。通常将大量的时间和精力花费在寻找最优的工具材料、几何结构和机加工参数。
金刚石的高硬度是PCD的良好磨损特性的原因，然而，该高硬度负面地影响其断裂或碎裂抵抗性(chip resistance)。当在某种应用中工具处于使用的磨合(break-in)阶段或早期阶段时，PCD的这种低碎裂抵抗性可以通过微观断裂磨损模式而引起破坏性的断裂或磨损。为了阻止破坏性的断裂，通常在切削刃上制备倒棱和珩磨头以便增加其强度。
相对于碳化物，PCD的较低碎裂抵抗性将其应用限制于仅仅精加工用途。在粗加工和严重断续的应用(高的进给率和切削深度)中，在这种情况下切削刃上的负荷比较高，PCD可能容易断裂，导致工具过早失效。另一方面碳化物比PCD磨损得快，但是碎裂抵抗性更高。不同于在精加工操作中，在粗加工操作中尺寸容限不是很重要(VBBmax＞0.6)，这意味着工具磨损不是主要的因素，而碎裂抵抗性是。而且，在较不苛刻的应用中，如MDF(中密度纤维板)低SiAl合金和刨花板，磨损率通常比较低，所以碳化物因较低的价格-性能比而成为优选。
除此之外，由于PCD的高硬度导致加工成本可能高，使得它不如碳化物引人注意。由高温高压(HPHT)合成生产的超硬切削工具材料(多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)、单晶金刚石等)，在将它们用作切削工具的镶嵌件前必须经过几个加工步骤。这些加工步骤通常包括以下：
1)从超硬研磨表面和合成的盘片侧面去除金属杯状物(cup)，通常为钽或铌或钼的杯状物；
2)整体去除超硬研磨台的外部以便得到优选性能；
3)在上表面上进行半精加工；
4)在上表面上进行抛光(精加工)。当用90°、3μm的触针测量时，抛光的PCD层通常具有Ra＝0.01μm的粗糙度；通常并不抛光PCBN
5)将盘片切割成锯片。将盘片和切割锯片两者供给市场。在所有这些加工步骤中，由于研磨材料的超硬性质，抛光可能是最成问题的。
通常，在应用中需要研磨层的高品质的表面光洁度以增强其性能。
目前可用的PCD切削工具的另一缺点是并不将它们设计用于机加工钢铁材料。例如，当机加工铸铁时，在切削刃处的切削力以及切削温度比非铁材料机加工显著更高。由于PCD在700℃左右开始石墨化，因此当机加工钢铁材料时，这将其用途限制为较低切削速度，使它相对于碳化物工具在某些应用中不经济。
US 5,833,021公开了一种多晶金刚石刀具，该刀具具有施加于多晶金刚石表面的难熔涂层以便提高刀具的工作寿命。难熔层具有0.1-30微米的厚度并且应用于合成后的操作，例如镀覆或者化学沉积或物理沉积。
US6,799,951公开了一种用于麻花钻的钻机镶嵌件，该钻机镶嵌件包含多晶金刚石层，并且经由另一金属层向其表面施加钼层。该另一金属层可以是铌、钽、锆、钨和其它相似的此类金属或包含这些金属的合金。其中没有暗示该钻机镶嵌件可以用于任何其它应用。
US 6,439,327公开了一种用于旋转式钻机的多晶金刚石刀具，其中刀具的侧表面提供有高压粘结到多晶金刚石侧表面上的金属层。合适的金属的例子是钼。
在论文“Development of New PDC Bits for Drilling of Geothermal Wells-Part 1：Laboratory Testing by H Karasawa and S.Misawa，Journal ofEnergy Resources Technology，December 1992，Vol 114，323”中，描述了一种包含金刚石层的PDC刀具，在该金刚石层上施加了碳化钛层。该层的厚度为0.2到0.3mm。据称该涂层能够防止金刚石层的碎裂(chipping)。
US 3,745,623公开了制备处在钛或锆的保护包壳中的PCD，其中的一些包壳在制备期间转化为碳化物。该钛或锆包壳的薄层可留在PCD上位于断屑槽(chip breaker)面上方。
发明内容
本发明提供了一种机加工基材的方法，所述方法包括步骤：使用工具以断续机加工、冲击机加工或它们的组合操作来机加工基材，所述工具包括工具部件，该工具部件包含具有工作表面的多晶金刚石层、包含金属并且沿着界面粘结于多晶金刚石层工作表面的较软层，并且邻近该界面的多晶金刚石层的区域包含来自较软层的一些金属。
较软层为工具部件提供了比多晶金刚石软的层。由于一些金属已扩散进入与该较软层的界面邻近的多晶金刚石区域并且存在于多晶金刚石的该区域中，因此该较软层牢固地粘结于多晶金刚石的工作表面。以第二相存在于多晶金刚石中的一些金属也将扩散到该较软层中。因而，在该较软层和多晶金刚石之间的粘结本质上是扩散粘结。例如，可以在多晶金刚石的制备期间产生这样的粘结，即，产生该较软层并且在这样的制备期间将其原位粘结于多晶金刚石。使用例如US 5,883,021中所述的合成后涂覆或沉积方法不能得到这样的牢固粘结，在所述方法中，在苛刻条件下很可能发生碳化物层的剥离。
已经发现，在使用断续和/或冲击机加工应用来机加工基材的方法中，将较软顶层提供于金刚石材料改善了工具部件的性能。此类机加工的典型应用是：复合材料(包括木材)、铝合金、铸铁、钛合金、耐热超合金(HRSA)和淬火钢的铣削、锯切和铰孔。冲击机加工的另一应用是在钻探石油和天然气中。在这种应用中，钻头必须钻进穿过各种类型的岩层(具有不同的性质)，从而在切削刃上产生冲击载荷。钻头旋转也将在切削刃上产生冲击载荷。某些车削应用也可能需要断续或冲击机加工。一种这样的应用是用PCBN车削淬火钢。在该应用中，月牙洼形成在工具的前刀面上从而产生较小的楔角，这进而降低了切削刃的强度。过去，在工业中试图通过在切削刃上施加倒棱和珩磨头来对其加以弥补，并通过这样做来增大镶嵌件的楔角。可能需要断续或冲击耐受性的两种其它车削应用是车削钛和耐热超合金，其中在切削刃上有形成缺口的趋势。过去，在工业中通过增大刀尖(nose)的半径或通过改变镶嵌件的接近角来对其加以弥补。
较软层的金属可以是多种金属中的任一种，但优选是过渡金属。合适的过渡金属的例子是钼、铪、铬、铌、钽、钛和钨。过渡金属中的镍和铜以及铂也被认为是适于实施本发明的特别合适的金属。
较软层的金属可以按金属、金属的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、或碳氮化物或它们的两种或更多种的组合而存在。较软层的金属优选以金属、金属碳化物或它们的组合存在。更加优选地，较软层的主要组成为：碳化物形式的金属和少量金属形式的金属，以及来自多晶金刚石的金属，即在多晶金刚石中以第二相存在的金属诸如钴。
较软层可仅延伸跨工作表面的一部分或跨整个工作表面。
多晶金刚石层的工作表面优选是该层的上表面，并且与该层的另一个表面相交，从而在交线处限定切削点或切削刃。较软层优选从切削刃或切削点延伸跨过工作表面的至少一部分。
较软层的厚度将根据所进行的机加工操作的性质和基材的性质而改变。通常，较软层具有至多100微米的厚度。较软层优选具有至少50微米的厚度。用于钻探岩层的优选厚度为200到300微米。
在本发明的工具部件中粘结于多晶金刚石层工作表面的较软层可以在该工具部件的制备中原位产生。在这样的方法中，将用于产生多晶金刚石层的部件置于金属杯状物或壳体中，然后使所述金属杯状物或壳体经受产生多晶金刚石所需的提高的温度和压力的条件。一些所述金属杯状物或壳体在制备期间附着或粘结于多晶金刚石的外表面。作为替代，可以放置意图形成较软层的金属层使其与杯状物或壳体中的未粘结的金刚石颗粒相接触。来自壳体、杯状物或层的一些金属在制备过程中将扩散进入多晶金刚石。相似地，来自多晶金刚石的一些金属(例如钴)将扩散进该较软层。
金刚石层的工作表面可为平滑的、抛光的或粗糙的或不规则的。当工作表面是粗糙的或不规则的时候，这可能是由于工作表面经历喷砂或相似处理。
可以对较软层的暴露的上表面进行抛光。对较软层的抛光明显比对金刚石层表面的抛光容易得多。
多晶金刚石层优选地粘结于基材或载体。该基材优选为烧结碳化物基材。基材的碳化物优选为碳化钨、碳化钽、碳化钛或碳化铌。优选通过现有技术中已知的方法将超细碳化物用于制备烧结碳化物。
附图说明
图1是在本发明的方法中所使用的工具部件的实施方案的一部分的截面侧视图。
图2是用于制备本发明方法所用工具部件的包封预制件的局部截面示意图，和
图3是粘结于多晶金刚石层的较软顶层的显微照片，图解了其各个区域。
具体实施方式
本发明从而提供了一种使用改良的工具部件以断续和/或冲击机加工操作来机加工基材的改良方法。由粘结于多晶金刚石层工作表面的较软层产生的其它优点是：
粘结于较硬磨料层的较软层在磨损的初始阶段产生了切削刃的自磨圆(self-rounding)或自珩磨效果。这进而将提高切削刃的强度并且缩短磨合磨损阶段。可以通过提高或降低较软层的硬度来控制磨圆程度。该层的材料也将填充多晶金刚石层的边缘的孔隙和凹坑从而导致较少的磨损诱发位点。在初始磨圆过程后，该较软顶层可以磨损成为断屑槽的形状。
抛光的较软顶层将在工作表面上产生相对于现有技术的多晶金刚石产品较少的瑕疵。该较软层还将快速变形以便在初始切削阶段期间提供更强的、更加磨圆的刃。通常，金属层相对于多晶金刚石还将具有更高的断裂韧性。较弱侵蚀性抛光的方法将在多晶金刚石表面中导致较低的应力。所有这些因素将减少剥落、碎裂和开裂的频率与严重程度，特别是在基材的断续和/或冲击性机加工中。
现在将参照附图中的图1来描述本发明。图1显示了工具部件的切削刃部分，该工具部件可用于根据本发明的利用断续和/或冲击机加工来机加工基材的方法中。
参照图1，用于本发明的方法中的工具部件包含沿着界面14粘结有多晶金刚石层12的烧结碳化物基材10。多晶金刚石层12具有作为工具部件的工作表面的上表面16。该上表面16沿着限定工具部件的切削刃的线与侧表面18相交。
较软层20粘结于工作表面16。该较软层20延伸到切削刃18。该较软层20是上述的类型并且含有金属。来自层20中的一些该金属将存在于由虚线标识的多晶金刚石层的区域22中。来自多晶金刚石层12的一些金属将存在于较软层20中。因此，扩散粘结存在于较软层20和多晶金刚石层12之间。
通过下述实施例进一步说明本发明。
实施例1
将金刚石颗粒的物料放置在具有钴作为粘结相的烧结碳化物基材上。将这种未粘结的物料放置在钼壳体内，并且该壳体放置在常规的高压/高温装置的反应区中。使壳体中的内含物承受约1400℃的温度和约5GPa的压力。将这些条件维持足够长的时间，以便产生具有粘结到烧结碳化物基材的表面和相反的暴露表面的多晶金刚石层。该多晶金刚石层具有含钴的第二相。
将该壳体从反应区中移出。钼/碳化钼层粘结于多晶金刚石的外表面。通过研磨去掉该钼/碳化钼层的外部区域，留下比多晶金刚石软的材料薄层，其粘结于该多晶金刚石层的主表面之一。
该较软层具有100微米的厚度。使用EDS的分析显示，该较软层主要由碳化钼和次要量的钼金属以及来自烧结碳化物基材的钴组成。使用同样的EDS分析发现，与较软层的界面邻近的多晶金刚石区域包含钼。较软层和多晶金刚石层之间的粘结牢固。从碳化物承载的多晶金刚石制备多个切削工具部件，这样的切削工具镶嵌件具有由附图所示的结构。在测试中发现，这些切削工具部件在木材加工和金属加工应用中是有效的。没有发生较软层的剥离。
实施例2
将金刚石颗粒的物料放置在具有钴作为粘结相的烧结碳化物基材上。所述金刚石颗粒的平均尺寸(按等效直径计)为约6微米(使用Malvern Mastersizer进行测量)，且大多数颗粒大于约2微米并且小于约22微米。将该未粘结的物料放置在铌壳体中，该铌壳体的平均壁厚为约250微米，将该铌壳体本身放置在钛壳体中，该钛壳体具有约150微米的壁厚。将这种被双重包封的反应物料置于常规的高压/高温设备的反应区中。使壳体的内容物经受约1400℃的温度和约5GPa的压力。将这些条件维持足够的时间以便产生多晶金刚石层，该多晶金刚石层具有粘结到烧结碳化物基材的表面以及相反的暴露表面。该压力和温度循环典型地应用于在石油和天然气工业中的岩石钻孔用PCD刀具的烧结中。多晶金刚石层具有含钴的第二相。在这个实施例中使用的金刚石和碳化物基材(在组成和尺寸方面)是通常用于制造适用于石油和天然气钻头的PCD镶嵌件的那些金刚石和碳化物基材。包封的预制件(即在经受高的温度和压力之前)的示意图显示在图2中。
从反应区中移出壳体。包含铌/碳化铌和钴的第一层粘结于多晶金刚石的外表面。该层具有约55微米的厚度，并且其本身包含至少两个层部分，最接近PCD层的部分比远离该PCD层的部分相对更富含碳。具有约189微米厚度并且主要包含铌金属的第二层粘结于第一层。具有约77微米厚度并且主要包含钛的第三层粘结于第二层。在主要含铌的第二层和主要含钛的第三层之间观察到相对较薄的同时包含钛和铌金属的层。观测到的层结构显示在图3中，其中PCD层由标识“C/Co”(即金刚石和钴)标记。
通过研磨去除钛层的外部区域，留下比粘结于多晶金刚石层的主要表面之一的多晶金刚石更软的材料层。制造四个如此涂覆的PCD刀具镶嵌件，并且磨掉每个镶嵌件的外部区域较软涂层的不同厚度，留下具有以下厚度铌的部件：0微米(即，通过研磨去除较软层，直到PCD层的最外面的金刚石刚刚露出的程度)，10微米，50微米和150微米。这些镶嵌件均未在工作部位的边缘倒棱，并且没有发生较软层的剥离。通过砂岩铣削测试操作对这些镶嵌件进行对比测试，该测试操作适合于测定指示它们在某些类型的岩石钻孔中的可能相对性能的品质因数。这种测试涉及砂岩工件的铣削，并且品质因数定义如下：在镶嵌件不再发生任何有意义的铣削作用之前，经铣削的总滑动距离。使用的砂岩是所谓的Naboomspruit砂岩，并且铣削条件如下：
·1140rpm的主轴速度
·设为2.5mm的切削深度
·50％中断(即，刀具铣削工件的半圆区域，当它反复地旋转进入或离开这种作用时，所述刀具50％的时间在进行切削作用，50％的时间未进行切削作用)。
据发现，“至失效的距离”品质因数作为较软层厚度的函数而单调增加，并且在150微米厚的较软层情形中该品质因数几乎是整个较软层被去除了的镶嵌件的该品质因数的两倍。四个镶嵌件中每一个的至失效的距离(舍入成最接近的50mm)如表1所示：
表1
| 较软层厚度(微米) | 至失效的距离(mm) |
| 0 | 2,700 |
| 10 | 3,250 |
| 50 | 3,900 |
| 150 | 6,900 |
以相同方式制造与上述镶嵌件(即，较软层的厚度分别为0、10、50和150微米)基本上相同的另外四个镶嵌件，并且使用每个镶嵌件的工作部分的相对端经受两种不同的磨损测试(即，使用每个镶嵌件进行两种磨损测试，使得每种测试的效果不会干扰另一种的效果)。第一种磨损测试涉及Paarl花岗岩的所谓的立式转塔车床机加工(也可称为“立式镗床测试”)，Paarl花岗岩是一种非常耐磨、坚硬和不均匀类型的岩石，而第二种测试涉及车床机加工Paarl花岗岩。这些测试中的磨损品质因数是由于去除给定体积的工件材料而在PCD层中出现的磨痕。在去除特定的、增量体积的工件材料直到约0.5×10-3m3最大值之后，测量该磨痕的深度。在具有不同较软层厚度的镶嵌件之间，没有观察到磨损品质因数的系统区别(在误差棒(error bar)之内)。值得一提的是，由于花岗岩的不均匀的组成和结构，花岗岩的连续模式机加工与断续切削具有相似性，该花岗岩包含具有不同硬度的不同种类岩石颗粒的集合体。在PCD刀具上的效果与极高频率的断续/冲击模式机加工的效果相似。
该实施例显示具有较软层的PCB在严重断续(从而是冲击性的)铣削操作中导致改善的PCD刀具寿命，在高耐磨材料的连续模式机加工中也没有明显的降低。
实施例3
按实施例2制造另一组PCD刀具镶嵌件并且进行测试，不同之处在于金刚石颗粒的平均尺寸是约12微米，且大多数颗粒的尺寸大于约2微米且小于约25微米。砂岩铣削测试结果如表2所示(至失效的距离舍入成最接近的50mm)。
表2
| 较软层厚度(微米) | 失效距离(mm) |
| 0 | 2,600 |
| 10 | 2,900 |
| 50 | 4,550 |
| 150 | 4,800 |
这些结果显示了使用较厚的较软层的优点。
再次，没有观察到在磨损性能方面的系统区别。
Claims (10)
1.一种使用工具在选自铣削、锯切、铰孔或车削基材的断续机加工操作中机加工基材的方法，所述工具包括如下的工具部件，该工具部件包含具有工作表面的多晶金刚石层、含过渡金属并且沿着界面粘结于多晶金刚石层的工作表面的厚度为至少50微米且至多100微米的较软层，邻近该界面的多晶金刚石层的区域包含来自该较软层的一些金属。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该较软层的金属以金属、金属的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物或碳氮化物或它们中的两种或更多种的组合存在。
3.根据权利要求1的方法，其中较软层主要由碳化物形式的金属和少量的金属形式的金属、以及来自多晶金刚石的金属组成。
4.根据权利要求1的方法，其中所述金属选自钼、铪、铬、铌、钽、钛和钨。
5.根据权利要求1的方法，其中该较软层仅仅覆盖工作表面的一部分。
6.根据权利要求1的方法，其中该较软层覆盖整个工作表面。
7.根据权利要求1的方法，其中该工作表面是多晶金刚石层的上表面，该上表面与侧表面相交从而在交线处限定了工具部件的切削刃。
8.根据权利要求7所述的方法，其中较软层从切削刃延伸跨过工作表面的至少一部分。
9.根据权利要求1的方法，其中多晶金刚石层粘结于基材。
10.根据权利要求9所述的方法，其中该基材为烧结碳化物基材。
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