CN102216007A - 立方氮化硼陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由立方氮化硼(cBN)和各种陶瓷氧化物、氮化物的基质成分和基质材料的固态溶液以及晶须增强体构成的复合材料。还公开和要求保护所述复合材料的制造方法和它们在铁类金属的高性能加工中的用途。

Description

立方氮化硼陶瓷复合材料及其制备方法
相关申请的交叉引用
本专利申请与2008年9月17日提交的美国临时专利申请No.61/097,777有关，并要求该申请的优先权。
背景技术
1.技术领域
由立方氮化硼(cBN)与各种陶瓷氧化物、氮化物的基质成分和/或它们的基质材料的固态溶液以及碳化物晶须构成的复合材料及其制造方法。
2.相关领域描述
具有大部分立方氮化硼(cBN)相(如大于50体积％)和各种陶瓷添加剂(例如氧化物、氮化物和碳化物)的切削工具组合物已经被商业化，以用于加工铸铁、硬化钢和其它金属。然而，由于加工过程中摩擦生热产生的高温，使得某些铸铁合金的加工较为困难，例如，球墨铸铁或蠕墨铸铁(composite graphite iron)。人们相信在某些此类铸铁加工应用中，切削点产生的高温会导致铸铁和cBN之间发生化学反应，这种反应被称为“化学磨损”。这种化学磨损转而常常导致切削工具过早失效。
已经利用切削工具使用的各种组合物尝试解决这种问题。例如，由于氧化铝表现出高的化学稳定性，因此氧化铝基切削工具有可能解决化学磨损问题。然而，氧化铝易于发生脆性断裂，由氮化硅基陶瓷构成的切削工具也已经用于加工铁类金属和合金，其中该陶瓷包括氮化硅、氧化铝和氮化铝的固态溶液，例如赛隆(silicon aluminum oxynitrides)相。虽然其在高温下的稳定性是有益的，但此类材料不具有含cBN切削工具所表现出的硬度和耐磨性。
另外，纤维或晶须增强是一种已经用来赋予陶瓷材料更大断裂韧度的方法。由于增加的断裂韧度与设计用于加工钢铁的切削工具有关，因而是一种期望的属性。例如，已经发现，对于氧化铝(Al2O3)来说，添加碳化硅(SiC)晶须可以显著增加断裂韧度，并且在某些应用中产生更好的性能。已经将SiC晶须加入Si3N4，或者已经将AlN基质SiC晶须加入Al2O3、莫来石或B4C(美国专利No.4,543,345)。已经报道了其它晶须增强方法和其它晶须材料，例如，钛、锆和其它过渡金属的碳化物、硼化物和氮化物。
已经描述了用SiC晶须和其它晶须材料增强的陶瓷切削工具，其中其它晶须材料例如为过渡金属(如4族和5族的过渡金属)的氮化物、硼化物和碳化物。通过烧结向cBN陶瓷内加入晶须增强物的方法还没有被描述。具体地讲，还没有将晶须加入也包括cBN的陶瓷基中。也没有描述过包括cBN的此类陶瓷基和将SiC晶须均匀分散到该基质内或在烧结cBN所需高压下保持晶须完整性的方法。
此处所公开的内容描述了在解决上述一个或多个问题方面的尝试。因此，需要提供一种材料，该材料提供期望的硬度、改善的耐磨性、高温稳定性和对化学磨损的抵抗力，并且可用于制造允许更高切削速度的切削工具。
发明内容
在一个实施方式中，一种复合材料可由立方氮化硼(cBN)与各种陶瓷氧化物、氮化物和基质材料的固态溶液的基质成分构成。一种陶瓷基复合材料可包括立方氮化硼、氧化铝、氮化硅。该陶瓷基复合材料还可包括氮化铝和/或氮化硅、氧化铝和氮化铝的固态溶液。该复合材料还可包括添加元素，例如镧系元素、钇或钪中的至少一种。在一个实施方式中，该添加元素以氧化物形式添加。
一种制备陶瓷基复合材料的方法可包括：提供粉末；将立方氮化硼、氧化铝和氮化硅在该粉末中混合，以形成混合物；以及在至少约1200℃的温度和至少约40kBar的压力下烧结该混合物，以形成烧结产物。该方法还可包括将烧结产物制成切削工具的步骤。该粉末也可包括氮化铝和/或氧化物形式的添加元素。所述添加元素可以是镧系元素、铱或钪。该方法还可包括向粉末内加入碳化硅晶须和/或氮化硅晶须的步骤。
另一个实施方式包括具有立方氮化硼(cBN)和碳化硅晶须的陶瓷基复合材料。该复合材料还可包括氮化硅晶须和添加元素。所述添加元素可以是镧系元素、钇或钪或它们的氧化物中的至少一种。碳化硅晶须可以具有约1至约2μm×约17至约20μm的尺寸，在一个替代实施方式中，具有约1.5μm×约18μm的尺寸。
附图说明
图1示出了根据一个实施方式制备的三种复合材料的工具寿命。
图2示出了根据一个实施方式的具有碳化硅晶须的陶瓷的图像。
图3
图4
图5
具体实施方式
在描述本本发明方法、系统和材料之前，应当理解，本公开并不限于所描述的特定方法、系统和材料，因为它们可以变化。还应当理解，本说明中使用的术语仅仅是为了描述特定的形式或实施方式，并不旨在限制范围。例如，如此处和所附权利要求中所使用的，除非上下文明确表示不是这样，单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数涵义。此外，如此处所用，术语“包括”旨在表示“包括但不限于”。除非规定不是这样，此处所用所有科学和技术术语与本领域的普通技术人员通常理解的具有相同含义。
本公开主要涉及一种陶瓷复合材料，该复合材料在工艺装备应用中表现出改善的化学耐磨性和热稳定性。具体地讲，本公开涉及具有立方氮化硼(cBN)、氧化铝和氮化硅的陶瓷复合材料。另一个实施方式包括具有cBN、氧化铝、氮化铝和氮化硅的陶瓷复合材料。在另一个实施方式中，陶瓷复合材料可包括cBN和氮化硅、氧化铝与氮化铝的固态溶液。
烧结态的陶瓷复合材料包括约10至约30重量％(wt.％)的cBN，在一个实施方式中，包括约10至约20重量％的cBN。cBN的粒径可以为约0.5至约10μm，在一个实施方式中，小于约5μm。该复合材料还可包括约40至约80重量％氧化铝、约10至约50重量％氮化硅、和约0至约50重量％氮化铝，这些陶瓷的总含量为约70至约90重量％。替代实施方式可包括最多约15重量％碳化硅晶须或最多约15重量％陶瓷晶须。
向陶瓷复合材料中添加氮化硅具有优点和惊人的最终性质。当制备仅包含立方氮化硼和氧化铝的复合材料时，高温高压(HPHT)烧结形成的材料表现出cBN和氧化铝相之间较弱的结合力。在用金刚石介质打磨之后，可以从材料表面清晰分辨这一点。由于打磨过程中cBN颗粒被拔出，因此表面显得较为粗糙，并且具有许多凹坑区域。微观检验证明，许多cBN颗粒离开打磨过的表面，并在表面上留下小的凹坑。这表明cBN和氧化铝之间结合力较弱，因此可以料到会形成劣质的切削工具材料。当组合物包含至少约5体积％的氮化硅时，cBN和氧化铝之间的结合力大大增加，这可以从烧结材料打磨之后获得的光滑无凹坑表面得到证明。对该打磨表面的微观检验表明，cBN颗粒仍然结合在氧化铝基质内。
在实施方式中，陶瓷基复合材料还可包括添加元素。所述添加元素可以是镧系元素、钇或钪中的至少一种。添加元素可以是氧化物形式的。在一个实施方式中，复合材料可包括0至约20重量％的氧化钇(Y2O3)，在一个实施方式中，小于约5重量％。氧化钇通常用作氮化硅的烧结助剂，在这种情况下，氧化钇形成硅酸盐，并在用来烧结氮化硅的约1900℃的高温下会形成液相。然而，在包含氧化铝、氮化硅和cBN的陶瓷组合物中加入氧化钇会产生充分烧结的材料，即使烧结温度可以低于约1900℃。在一个实施方式中，添加元素在组合物中的含量小于陶瓷总含量的约5重量％或氮化硅含量的约10重量％。另外，添加元素还会形成有益的液相。
在此处的实施方式中，陶瓷复合材料可以按照下文所述方式制备。可以将cBN混合到含有氮化硅、氮化铝、氧化铝和氧化钇的粉末混合物中。然后，可以将共混物装入合适的容器，并在约1200℃或更高的温度下和约40kBars或更高的压力下烧结。然后，可以将所得烧结材料进一步加工成适于高速加工铸铁和钢的切削工具。
另一个实施方式主要涉及一种具有cBN颗粒和碳化硅晶须的陶瓷复合材料基质。该碳化硅晶须提供期望的断裂增韧性质。该陶瓷基复合材料还可包括氮化硅晶须和/或可选地包括氮化铪或氮化锆和/或碳化物晶须。该陶瓷复合材料基质可具有约1至约20体积％(vol.％)的碳化硅晶须，在一个实施方式中，约5至约15体积％。碳化硅晶须可以具有约1至约2μm的直径和约17至约20μm的长度，在一个实施方式中，具有约1.5μm的直径和约18μm的长度，并且均匀分散。本领域技术人员将会理解，烧结之后，通过例如在光学或电子显微镜下观察打磨的样品，可以确定材料的均匀性。单位面积的颗粒数可通过本领域采用的任何方法计算，包括例如人工或图像分析。cBN基质中颗粒的纵横比为约2∶1-20∶1，在一个实施方式中，约2∶1-12∶1，在另一个实施方式中，约2∶1-10∶1。在替代实施方式中，氮化硅或碳化硅晶须可以替换成氮化钛或碳化钛晶须。
可以将添加元素)加入陶瓷复合材料以有助于上述烧结过程，其中所述添加元素例如为镧系元素、钇和钪，例如钇或镱的氧化物。例如，在一个实施方式中，可以将氧化钇加入包含碳化硅晶须的cBN-氧化铝-氮化硅组合物，以烧结氮化硅。除了有助于组合物的烧结过程之外，添加元素也可在高温下形成液相。另一个实施方式可包括氮化硅晶须。在一个实施方式中，可以包括约5重量％的添加元素。
另一个实施方式包括一种制备陶瓷基复合材料的方法。该方法包括提供cBN-氧化铝-氮化硅粉末混合物，并加入碳化硅晶须，以形成混合物。也可以将诸如氧化钇之类添加元素加入混合物。也可以将氮化铝加入混合物。只要该工艺能够将晶须保留在cBN基质中，在该方法中可以采用本领域技术人员已知的任何研磨工艺。然后，将混合物在高于约40kbar，例如约40-80kbar的压力下和高于约1200℃，例如约1200-2000℃的温度范围内进行烧结。可选地，可以将氮化硅晶须加入或混合到混合物中。
例如，通过在行星式球磨机内用碳化钨研磨介质研磨，可以将SiC晶须分散在异丙醇内，形成浆液。随后，可以将Si3N4、cBN和氧化铝粉末加入该混合物，并进一步研磨。也可以将氮化铝加入混合物。所得浆液可以在室温下干燥以形成粉末，然后可以在约50kbar的压力和1200℃的温度下将粉末压制成小球(约1英寸直径×0.25英寸厚度)。例如，可以将陶瓷粉末装入柔性石墨衬里的两侧装有石墨小球的盐管内，然后在约50kbar和1200℃的条件下热压约30分钟。
另一个实施例包括通过在行星式球磨机或旋转式球磨机内用WC研磨介质研磨，将氧化铝、氮化硅、氮化铝、氧化钇和cBN粉末分散在异丙醇内，以形成稀浆液。在室温下，将浆液在空气中干燥；然后从研磨介质中筛出所得粉末。然后将陶瓷粉末共混物装入高压腔，并在约50kbar和1200℃的条件下压制约30分钟。可选地，通过在异丙醇中用碳化钨研磨介质将粉末球磨约4小时，制备氧化铝(65-70体积％)、cBN(25体积％)和氮化硅(5-10体积％)的组合物。将研磨过的混合物干燥并装入碳化物基底内，并在约50kbar和1200℃的条件下压制30分钟。
实例1-本发明
用30克异丙醇和400克WC研磨介质(直径1/4英寸的小球)将5.7克Si3N4、21.0克Al2O3、8.4克AlN、9.0克cBN和0.75克Y2O3在行星式球磨机(Retsch PM400)的容量500mL研磨碗内研磨到一起，研磨时间20分钟，转速200rpm，每5分钟反转一次。
在室温下，将浆液在空气中干燥约2小时，然后进行筛分(50目筛网)，以从研磨介质中分离粉末。在氮气流中将粉末加热至1000℃并保持1小时，然后装入高压腔。然后，将粉末装载到碳化物基底上，并在约50kbar和1200℃的条件下压制30分钟。
制造工具，并将工具在蠕墨铸铁(CGI)内以400米/分的速度连续切削，以进行测试。CGI工件材料购自Sintercast，并具有95％的珠光体、10％的球化率、200-220BHN和外径145mm、内径98mm、长度204mm的圆柱体形状(目录号708001 1-L)。切削条件为切削速度1200表面英尺/分钟(sfm)、进给速度0.010英寸/转(ipr)和切削深度(d.o.c)0.040英寸。刃口加工详情为25°x0.010″T-land处理，钝的(upsharp)(未磨)。在具有最大20hp主轴的Okuma Spaceturn LB300车床上进行测试，将浓度30∶1的水溶性冷却剂Trim E206和Jet冷却剂导向前刀面顶部。定期用显微镜测量侧面磨损，端值0.008″，或者通过破碎或断裂判断工具失效。对这些测量值进行计算，以获得单位为分钟的工具寿命。测得工具寿命为5分钟，侧面磨损最多0.008″。
实例2-本发明
用WC研磨介质将8克Si3N4、68克Al2O3、23克cBN和1克Y2O3在异丙醇中球磨4小时。将浆液在约100℃下干燥，并通过40目筛网筛分，以移除研磨介质并使粉末成为粒状。按上述方式将粉末装载到碳化物基底上并进行压制。按上述方式制造和测试工具。测得工具寿命为约10分钟，侧面磨损最多0.008″。
实例3-比较例
也按照上述方式通过加工蠕墨铸铁对市售工具进行测试。这些工具材料是各自的制造商通常推荐用于加工蠕墨铸铁的材料。由β相Si3N构成的工具具有约2.5分钟的工具寿命。含有约60％cBN和40％TiC的cBN基工具具有约2分钟的工具寿命。
实例4-发明/比较例
采用表1所示组合物制备另外的切削工具。
表1
Figure BPA00001330824900081
对于根据由β相氮化硅(Si3N4)构成并涂有氮化钛(TiN)的实施方式的三种组合物，获得单位为分钟的工具寿命性能数据。测试结果如图1所示。具体地讲，图中示出了对根据一个实施方式的组合物A、B和C以及市售工具材料(对照样品，表示为KY3400)进行相同测试获得的单位为分钟的工具寿命性能数据。如图1所示，市售工具材料具有2分钟的工具寿命，而此处所要求保护的组合物则具有大于2分钟的工具寿命。具体地，组合物A具有9分钟以上的工具寿命，组合物B具有9分钟的工具寿命，组合物C具有4分钟以上的工具寿命。
因此，本发明组合物表现出延长的工具寿命性能。
实例5-本发明
将9.0克SiC晶须用50mL丙醇和400克WC研磨介质(直径1/4英寸的小球)在行星式球磨机的容量500mL研磨碗内以约100rpm的转速研磨约1分钟。然后，将4.3克Si2O3、4.3克Si3N4、10克cBN(2.6微米目)和2.4克Al(粉末)加入研磨碗，并在100rpm下研磨约20分钟，每5分钟反转一次。在室温下，将浆液在空气中干燥约12小时，然后通过筛分(20目筛网)将粉末与研磨介质分离。将陶瓷粉末装入柔性石墨衬里的两侧装有石墨小球的盐管(内径1英寸，外径1.5英寸)内，并在约50kbar、1200℃的条件下压制30分钟。然后打磨样品，并在光学显微镜下进行观察，以确认基质内存在SiC晶须，如图2所示。比例尺为10μm。右侧图像采用偏振光学器件拍摄，而左侧图像则没有增强。很容易观察到晶须。按实例1所述方式测试本发明材料制成的工具，并与市售工具(KY3500)进行性能比较，其中该市售工具与KY3400具有相同的工具材料，但没有氮化钛涂层。本发明工具的工具寿命是KY3500工具的5倍以上。
实例6-本发明
按照实例1中所述程序研磨和烧结表2所列组合物。使用Vickers压头(购自Instron的Wilson-Wolpert Tukon 2100B仪器)和5kg载荷测量硬度，并用该硬度表征所得烧结材料。使用Design Expert软件包对结果进行分析，以获得硬度与组成之间的关系。
表2
Figure BPA00001330824900091
图3表明，随着2-3μm cBN含量的增加，硬度增加。图4表明，硬度随着氧化铝含量的增加而降低。而图5则表明，β相氮化硅的百分比(通过XRD分析测定)随氧化铝含量的增加而增加。
因此，所述实施方式提供了多种优点。具体地讲，陶瓷基复合材料提供了改善的化学耐磨性和热稳定性，其中包括延长工具寿命和减少侧面磨损。另外，相比常规复合材料，所述陶瓷基复合材料允许更快的切削速度，并改善了耐磨性。本领域技术人员将会理解这些和其它优点。
等同形式
虽然已经结合某些示例性实施方式描述了本发明，但本领域的普通技术人员显然可以知道，可以按照与上述具体说明一致的方式对所公开的发明进行各种替代、修改和变型。另外，对于本领域的普通技术人员显而易见的是，所公开的各种示例性实施例的某些方面可以与任何其它所公开的实施方式或其替代形式的方面联合使用，以得到额外的(但此处未明确描述的)实施方式，这些实施方式采用了要求保护的本发明，但更适合预期用途或性能要求。因此，旨在属于本发明精神范围之内的所有此类替代形式、修改形式和变型形式均被包括在所附权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种烧结态的陶瓷基复合材料，其包括：
立方氮化硼(cBN)；
氧化铝；和
氮化硅。
2.根据权利要求1的陶瓷基复合材料，其还包括氮化铝。
3.根据权利要求1的陶瓷基复合材料，其还包括氮化硅和氧化铝的固态溶液。
4.根据权利要求1的陶瓷基复合材料，其还包括赛隆的固态溶液。
5.根据权利要求2的陶瓷基复合材料，其还包括赛隆的固态溶液。
6.根据权利要求2的陶瓷基复合材料，其还包括氮化硅、氧化铝和氮化铝的固态溶液。
7.根据权利要求1的陶瓷基复合材料，其还包括镧系元素、钇或钪的氧化物。
8.根据权利要求1的陶瓷基复合材料，其中所述复合材料包括约10重量％至约20重量％的cBN、约40重量％至约80重量％的氧化铝和约10重量％至约50重量％的氮化硅。
9.根据权利要求8的陶瓷基复合材料，其中所述复合材料还包括最高达约15重量％的陶瓷晶须。
10.根据权利要求9的陶瓷基复合材料，其还包括约5重量％或更少的添加剂，所述添加剂选自镧系元素、钇或钪的氧化物。
11.一种烧结态的陶瓷基复合材料，其包括：
约10重量％至约20重量％的立方氮化硼(cBN)；
约40重量％至约80wt％的氧化铝；
约10重量％至约50重量％的氮化硅；和
约5重量％或更少的添加剂，所述添加剂选自镧系元素、钇或钪的氧化物。
12.一种制备陶瓷基复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：
提供粉末，其中所述粉末包括cBN、氮化硅和氧化铝；
将所述粉末混合，以形成混合物；和
在至少约1200℃的温度和至少40kbar的压力下烧结所述混合物，以形成烧结产物。
13.根据权利要求12的方法，其还包括加入氮化铝的步骤。
14.根据权利要求12的方法，其还包括加入镧系元素、钇或钪的氧化物的步骤。
15.根据权利要求12的方法，其还包括将所述烧结产物制成切削工具的步骤。
16.根据权利要求12的方法，其还包括将碳化硅晶须加入所述粉末的步骤。
17.根据权利要求12的方法，其还包括将氮化硅晶须加入所述粉末的步骤。
18.根据权利要求12的方法，其还包括将陶瓷晶须加入所述粉末的步骤。
19.一种根据权利要求12的方法制得的烧结态的陶瓷基复合材料，其包括约10重量％至约20重量％的立方氮化硼(cBN)、约40重量％至约80重量％的氧化铝、约10重量％至约50重量％的氮化硅、约5重量％或更少的选自镧系元素、钇或钪的氧化物的添加剂。
20.根据权利要求12的方法制成的工具。
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