CN103813998B - 刀具结构体、包含其的镶件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种制造刀具结构体的方法，该刀具结构体包含限定前刀面拓扑结构的超硬材料，该方法包括：提供包含基底本体的预烧结组件，所述基底本体具有限定出与所述前刀面拓扑结构互补的拓扑结构的构造表面，以及包含多个超硬晶粒的聚集体，该聚集体布置在构造表面的附近，其中该基底本体包含能够促进超硬晶粒在超硬材料为热力学稳定的压力和温度下的烧结的催化剂或粘合剂材料的源；使预烧结组件经受该压力和温度以提供包含烧结聚晶超硬材料的超硬结构，该烧结聚晶超硬材料在超硬结构的第一主边界处连接至构造表面，该超硬结构具有与第一主边界相对的第二主边界；去除基底本体以便暴露所述超硬结构的限定所述前刀面拓扑结构的第一主边界。还提供了刀具镶件和机床。

Description

刀具结构体、包含其的镶件及其制造方法

本公开总体上涉及包含超硬材料的刀具结构体（cutterstructure）、包含所述刀具结构体的机床镶件以及制造所述刀具结构体的方法。

美国专利第6,106,585号公开了一种制造切削元件的方法，包括通过将大量磨料晶体（金刚石或CBN）以及与该磨料晶体接触的大量催化剂金属放置到单元或罐中而形成复合物质，所述单元或罐是保护性金属外壳，其中罐内部的上表面预形成有浅凹（dimple）。该浅凹表面提供了用于在该层的上表面上形成特征的图案，其起到断屑槽特征的作用。

英国专利GB 2 366 804公开了利用化学气相沉积（CVD）金刚石的成核侧面用于工具表面，该成核侧面含有在沉积基底上形成的金刚石微晶。该专利说明了使用所公开的方法制造的CVD金刚石工具优于整体含超过10%钴的聚晶金刚石（PCD）工具。当然，作为用以制造PCD材料的超高压、高温方法的结果，PCD材料可以包含钴，其中认为在金刚石比石墨更加热力学稳定的压力和温度条件下钴（或其它的铁族金属）促进多个金刚石晶粒的交互生长。由于钴还能在环境压力下促进金刚石向无定形碳或石墨的再转变，因此必须保持PCD低于约700摄氏度的温度。不同于PCD，CVD金刚石完全由金刚石制成并且因此具有更长的磨损寿命。

需要提供用于机床的具有高效性能、良好工具寿命的超硬镶件，以及需要提供制造所述镶件的更有效的方法。

从第一个方面的视角看，提供了一种制造刀具结构体的方法，该刀具结构体包含限定前刀面拓扑结构的超硬材料，该方法包括：提供包含基底本体的预烧结组件，所述基底本体具有限定出与所述前刀面拓扑结构互补的拓扑结构的构造表面（formation surface），以及包含多个超硬晶粒的聚集体，该聚集体布置在所述构造表面的附近，其中该基底本体包含能够促进超硬晶粒在超硬材料为热力学稳定的压力和温度下的烧结的催化剂或粘合剂材料的源；使预烧结组件经受该压力和温度以提供包含烧结聚晶超硬材料的超硬结构，所述烧结聚晶超硬材料在超硬结构的第一主边界处连接至所述构造表面，该超硬结构具有与第一主边界相对的第二主边界；去除基底本体以便暴露所述超硬结构的限定所述前刀面拓扑结构的第一主边界。

配置所述构造表面以包括作为前刀面拓扑结构的补充的至少一个区域。因此，例如，对于可存在于所述前刀面拓扑结构中的至少一个凹陷和/或凸起特征，在构造表面上将存在对应的各自凸起或凹陷。换而言之，所述构造表面的拓扑结构可类似于前刀面拓扑结构的负像（negative）。

本公开设想了刀具结构体和镶件的特征的各种设置和组合，以及方法的变体，下面描述其非限制性和非穷尽的实例。

在各种实例中，刀具结构体可以是用于机床的镶件，和或所述超硬材料可以限定出包括断屑槽拓扑结构的主要前刀面，和或所述刀具结构体可以连接至镶件基部。

在各种实例中，前刀面拓扑结构可以在使用中能够起断屑槽拓扑结构的作用，其包含至少一个断屑槽特征，并且在各种实例设置中，断屑槽特征的尺寸可以是至少约100微米且至多约几毫米；该刀具结构体可以具有至少约100微米或至少约500微米的平均厚度（在第一和第二主边界之间）；和或该刀具结构体可以具有至多约2000微米、至多约1000微米或至多约500微米的平均厚度；并且该刀具结构体可以包含天然或合成的金刚石材料，或CBN材料。

聚晶超硬材料的实例包括聚晶金刚石（PCD）材料、热稳定PCD材料、碳化硅粘合的金刚石（SCD）或聚晶立方氮化硼（PCBN）。所述刀具结构体可以包含通过化学气相沉积（CVD）方法制造的金刚石材料，但是将不基本上由通过CVD法制造的金刚石材料组成。在一些设置中，所述刀具结构体可以不含通过CVD法制造的金刚石材料。

在一些实例中，在邻近于第一主边界或限定出第一主边界的至少一定区域的第一区域内的聚晶超硬材料的硬度和或耐磨性可以低于显著远离第一主边界的第二区域内的聚晶超硬材料，例如邻近第二主边界。第一区域可以与第一主边界的至少一定区域基本上共形（conformal）。第一区域可以从第一主边界延伸到一定深度，其中该深度可以是至少约50微米或至少约100微米。第二区域可以邻近于第一区域并且从与第一区域的边界延伸到约100微米、200微米或500微米的深度。以体积百分比和或重量百分比计，第一区域内的聚晶超硬材料可以比第二区域内的聚晶超硬材料具有更低的超硬晶粒（它们显著分散或者彼此显著交互生长）的平均含量。第一区域内的催化剂或粘合剂材料的含量可以显著大于第二区域内的含量，或者其可以小于第二区域内的含量，第一区域内的催化剂或粘合剂材料中的至少一些在烧结所述聚晶超硬材料之后可能已经被除去。在一些实例中，第一区域中的聚晶超硬材料包含的催化剂或粘合剂材料可以比第二区域中的材料多至少约10%或至少约20%（以重量和或体积计）。因此，例如，如果第二区域内的聚晶超硬材料包含约10重量%的催化剂或粘合剂材料，则第一区域内的聚晶超硬材料可包含至少约11重量%或至少约12重量%的催化剂或粘合剂材料以及相应较少的超硬晶粒形式的材料。

在一些实例中，该方法可以包括处理所述超硬结构以便从所述刀具结构体中包含的相互结合（inter-bonded）的金刚石晶粒之间的空隙去除催化剂或粘合剂材料。在具体实例中，超硬结构可以包含PCD材料并且该方法可以包括处理该超硬结构以从相互结合的金刚石晶粒之间的空隙去除催化剂材料（例如Co），这可能具有改善PCD材料的热稳定性和回弹性的效果。这有可能降低或防止PCD材料的劣化，该PCD材料应通过涉及加热超硬结构方法（例如钎焊）连接至镶件基部。

在一些实例中，基底本体可以包含烧结碳化物材料并且粘结材料可以包含用于烧结所述超硬材料的催化剂或粘合剂材料的源。例如该粘结材料可以包含钴（Co）。

在一些实例中，所述聚集体可以含有用于烧结所述超硬材料的催化剂或粘合剂材料的源（例如钴）或所述催化剂或粘合剂材料的前体材料。

该方法可以包括使刀具结构体在第二主边界处连接至镶件基部的界面表面。在一些实例中，该方法可以包括使超硬结构的第二主边界连接至镶件基部并且然后去除基底本体以暴露该超硬结构的第一主边界。在一些实例中，可以在一侧上的基底与相对侧的基部本体之间（即超硬层可被夹在这些主体之间并且与它们结合）整体地形成超硬结构，并且可以例如通过磨削去除基底以便暴露出第一主边界上的断屑槽特征。

在一些实例中，基底本体和镶件基部都可以包含烧结碳化物材料。基底本体可以包含第一烧结碳化物材料并且镶件基部可以包含第二烧结碳化物材料，第一和第二烧结碳化物材料在组成和或物理或化学性能中的至少一方面显著不同。例如，第二烧结碳化物材料可以比第一烧结碳化物材料包含更高含量的碳化物材料和更低含量的粘结材料。第二烧结碳化物材料可以比第一烧结碳化物材料显著更硬和或具有显著更大的弹性模量。这可以具有如下方面：基底本体的烧结碳化物材料适合于提供用于烧结聚晶超硬材料的催化剂材料的源并且镶件基部的烧结碳化物材料可以更加适合于工具。

可以使用多种方法在基底本体的构造表面上形成构造表面拓扑结构，例如放电加工（EDM）、激光加工、通过机床或通过蚀刻，这在一定程度上取决于包含在基底本体中的材料的类型。作为替代，基底本体可以形成有构造表面拓扑结构的特征。例如，该方法可以包括向包含基底本体的前体材料的生坯的表面上形成构造表面的特征并且烧结该生坯以形成基底本体。

在各种实例中，压力可以是至少约4GPa，至少5GPa或至少7GPa，并且在各种实例中，温度可以是至少1200摄氏度或至少1400摄氏度。在一些实例中，超高压力可以是至少约5.5GPa、至少约6GPa、至少约7GPa或至少约8GPa，并且催化剂材料可以包含钴（Co）、铁（Fe）、镍（Ni）和或锰（Mn），或者催化剂材料可以是实质上是非金属的，例如盐。

在一些实例中，该方法可以包括加工所述聚晶超硬材料以便在超硬结构上形成切削刃，包含前刀面拓扑结构的前刀面将位于所述切削刃附近。加工该超硬材料的方法可以包括例如磨削、放电加工（EDG）和或激光切割。

可以通过例如磨削和或酸处理或腐蚀去除基底本体以提供自支持的超硬结构。

刀具结构体可以具有至少约100微米或至少约500微米的平均厚度，和或至多约2000微米、至多约1000微米或至多约500微米的平均厚度。

公开的实例方法与某些其它方法相比可以具有相对较不复杂和或更加有效的特征。

从第二方面来看，提供了一种包含聚晶超硬材料的刀具结构体，所述聚晶超硬材料限定出包括前刀面拓扑结构的前刀面，其中邻近于前刀面的第一区域内的聚晶超硬材料与显著远离前刀面的第二区域内的聚晶超硬材料相比具有更低的硬度或耐磨性。

本公开设想了特征的各种设置和组合，例如刀具结构体（包括但不限于上文关于第一方面所述的实例）明确地和或隐含地例如刀具结构体，以及下面所述的实例。

第一区域可以与第一主边界的至少一定区域基本上共形（conformal）。第一区域可以从第一主边界延伸到一定深度，其中该深度可以是至少约50微米或至少约100微米。第二区域可以邻近于第一区域并且从与第一区域的边界延伸到约100微米、200微米或500微米的深度。以体积百分比和或重量百分比计，第一区域内的聚晶超硬材料可以比第二区域内的聚晶超硬材料具有更低的超硬晶粒（它们显著分散或者彼此显著交互生长）的平均含量。第一区域内的催化剂或粘合剂材料的含量可以显著大于第二区域内的含量，或者其可以小于第二区域内的含量，第一区域内的催化剂或粘合剂材料中的至少一些在烧结所述聚晶超硬材料之后可能已经被除去。在一些实例中，第一区域中的聚晶超硬材料包含的催化剂或粘合剂材料可以比第二区域中的材料多至少约10%或至少约20%（以重量和或体积计）。因此，例如，如果第二区域内的聚晶超硬材料包含约10重量%的催化剂或粘合剂材料，则第一区域内的聚晶超硬材料可包含至少约11重量%或至少约12重量%的催化剂或粘合剂材料以及相应较少的超硬晶粒形式的材料。

虽然不希望受特定理论的约束，但是使用本公开的方法制造并且具有邻近或限定前刀面或切削刃的聚晶超硬材料的相对较软区域的刀具结构体的实例设置可以具有增强工具寿命的特征。这可以因为以下所引起：虽然超硬材料具有优秀的耐磨损性，但其与某些其它工业切削材料例如烧结碳化物材料相对较脆。可以预期邻近工作表面的稍微较软的区域具有降低刀具结构体的剥落、断裂或开裂的风险。邻近刀具结构体的第一主边界的较软区域的形成可以由以下引起：在烧结步骤期间熔融催化剂材料从基底本体向聚集体中的渗透以及作为结果在超硬结构和基底本体之间形成中间层，其中该中间层具有相对较高含量的催化剂材料。

根据本公开制造的刀具结构体可以直接由烧结步骤而提供以期望的前刀面拓扑结构，并且其有可能具有如下特征：邻近或限定前刀面的聚晶材料可以比该聚晶超硬材料的基本上剩余部分更软。不同于在其它方法中，包括期望的拓扑结构（其在烧结步骤中形成）的前刀面的主要区域不太可能需要随后的通过磨削等的进一步加工，因为其很可能已经具有期望的尺寸规格。实际上，可能相当难于在前刀面上实施这样的烧结后加工而不冒损伤期望的拓扑结构的风险。根据本公开制造的刀具镶件有可能具有如下特征：充分良好的前刀面拓扑结构尺寸精确度以及邻近于或限定前刀面拓扑结构的聚晶超硬材料的稍微较软的层，因此可能在使用中对刀具结构体具有保护作用。

从第三方面来看，根据本公开提供了包含刀具结构体的用于机床的镶件。

在一些实例中，该镶件可以包含连接至镶件基部的刀具结构体，例如通过连接材料如钎焊合金的层，包含超硬材料并且具有包括凹陷和或凸起的主要前刀面的该刀具结构体在使用中能够起断屑槽的作用；即，该主要前刀面包括断屑槽拓扑结构。

下面参照附图描述非限制性的实例设置，其中

图1A显示了用于机床的示例可转位镶件的透视图；并且

图1B显示了图1A中所示的可转位镶件的平面图和截面图，该截面对应于A-A面。

参照图1A和图1B，用于机床（未示出）的实例可转位镶件10包含钎焊至镶件基部30的切割层20，该切割层20限定出具有断屑槽拓扑结构的前刀面12。镶件10具有用于将镶件10固定至机床的三个拐角14和中心销孔13，在每个拐角14处形成的切削刃15。断屑槽拓扑结构包括布置在前刀面12的外刃周围的脊线16，布置在脊线16附近的沟槽17以及在沟槽17中贴近每个拐角14的多个大致径向布置的在凸起物18。

现在将描述制造实例PCBN和PCD结构的实例方法。

在一些实例中，超硬晶粒的聚集体可以包含基本上松散的超硬晶粒或者与用于将晶粒粘合在一起的粘合剂材料合并的超硬晶粒。聚集体可以包含金刚石或CBN晶粒并且可以按如下形式提供：多个片材、颗粒、薄片或粉末，其包含通过有机粘合剂保持在一起的平均尺寸为至少约0.1微米且至多约30微米的金刚石或CBN晶粒。包含在聚集体中的至少一些片材、颗粒、薄片或粉末也可以包括碳化钨晶粒和或用于烧结金刚石或CBN的催化剂或粘合剂材料，或者催化剂或粘合剂材料的前体材料。该方法可以包括粉碎或以其它方式破碎片材以提供多个板状颗粒或薄片，它们可以被压在一起抵靠着基底本体的构造表面。在一些实例中，聚集体可以包括含超硬晶粒的挤压体。在一些实例中，该方法可以包括提供包含超硬晶粒的浆料或糊料以及通过喷射模塑或浇铸所述浆料或糊料来制造聚集体。

可以通过本领域中已知的方法来制造片材形式的聚集体，例如挤压或流延成型方法，其中将包含金刚石晶粒和粘合剂材料的浆料置于一定表面上并且使其干燥。也可以使用制造含金刚石的片材的其它方法，例如美国专利号5,766,394和6,446,740中所述的方法。用于沉积含金刚石的层的替代方法包括喷涂法例如热喷涂。在一些实例中，聚集体可以包含金刚石晶粒和用于金刚石的催化剂材料（如Co、Ni、Fe、Mn）的混合物，可以将其通过磨削（例如球磨）将它们合并在一起，并且使用塑化剂粘合剂材料例如PMMA、DBP等浇铸成片材。在一些实例中超硬晶粒是CBN晶粒并且超硬结构可以包含PCBN材料。在此类实例中，聚集体可以包含氮化硼粉末与粘合剂材料（含Ti、Al、W或Co）的混合物并且使用塑化剂材料将该混合物浇铸成片材。

在制造PCD刀具结构体的实例方法中，可以提供包含通过有机粘合剂材料保持在一起的多个金刚石晶粒的聚集体。金刚石晶粒的平均尺寸可以是至少约1微米和或至多约20微米。该聚集体可以与基底本体的构造表面接触并且可以将该组合体包封在重叠的双杯设置内以形成预烧结组件。将该预烧结组件组装到超高压力炉（其也可以被称为超高压力压机）的包壳（capsule）内，在炉内加热以去除挥发性的气体和或燃烧有机粘合剂材料，并且经受至少约5.5GPa的压力和至少约1300摄氏度的温度，从而将金刚石晶粒一起烧结从而形成包含连接至基底本体的PCD结构的烧结构造物（construction）。促进金刚石烧结的至少一些钴可以源自于烧结碳化物基底，因为存在于基底中的钴粘结材料将在这些条件下熔化并且其中一些将渗入金刚石晶粒的聚集体中并且促进它们的交互生长。在超高压力下的烧结过程之后，可以从超高压力设备回收连接至基底本体的构造物表面的含PCD材料的烧结构造物，并且从其去除包壳材料。

在一些实例中，该超硬结构可以包含如国际申请号WO2007049140中所述的PCBN材料，并且可以通过包括如下步骤的方法制造：提供适合于制造PCBN的粉末状组合物，该粉末包含至少80体积%的CBN颗粒和粉末状的粘合剂材料，以及使该粉末组合物经受碾磨。该组合物可以包含多于一种平均颗粒尺寸的CBN颗粒。在一个实例中，该CBN颗粒的平均尺寸可以是至多约12微米或至多2微米。粘合剂材料可以包括含有铝、硅、钴、钼、钽、铌、镍、钛、铬、钨、钇、碳和铁的一个或多个相。该粘合剂材料可以包括具有铝、硅、钴、镍、钛、铬、钨、钇、钼、铌、钽、碳和铁中的多于一种的均匀固溶体的粉末。然后可以通过在升高的温度和压力下压制粉末而将研磨的粉末组合成形为预烧结体，并且可以使预烧结体经受至少约5GPa的超高压力和至少约1200摄氏度的温度以烧结该粉末组合并且产生PCBN主体。

下面更详细地描述非限制性的实施例以说明该方法。

实施例1

可根据给定机械应用的要求以及考虑机床镶件的预期形状来设计断屑槽表面拓扑结构的构造。可以提供钴结烧结碳化物基底本体，其具有包含表面拓扑结构的表面，所述表面拓扑结构与断屑槽拓扑结构互补（即相反）。可以通过加工基底的生坯而向所述表面上形成特征，即在将基底烧结以形成烧结碳化物主体之前。可以通过将多个金刚石晶粒形成为抵靠基底表面的聚集体来制备预压坯组件，并且将该组件包封在金属夹套内。所述金刚石晶粒可以具有至少约1微米且至多约20微米的平均尺寸并且聚集体对于所要产生的厚度至少为约1毫米的PCD层可以是充分厚的（即包含充分大数目的金刚石晶粒）。可以使预压坯组件经受至少约5.5GPa的超高压力和至少约1250摄氏度的温度以熔化包含在基底本体中的钴并且使金刚石晶粒彼此烧结从而形成复合坯块，该复合坯块包含连接至基底所形成的PCD结构。可以通过将基底磨掉而将其基本上去除，并且可以在酸中处理该PCD结构以便去除与其结合的残余烧结碳化物材料和或以便将介于交互生长的金刚石晶粒之间的空隙区域内的钴浸出。从PCD结构去除大量钴很可能显著增加该PCD结构的热稳定性并且将很可能在使PCD材料钎焊至镶件基部时降低该PCD材料劣化的风险。可以在真空中通过有效的钎焊合金例如TiCuSil钎焊合金将该PCD刀具结构体钎焊到烧结碳化物镶件基部（即另一个烧结碳化物主体）的界面表面上，使第二主要表面邻近于该界面表面附近布置并且使第一主要表面在该界面的对面暴露。可以例如通过磨削来加工由此形成的复合坯块以提供机床镶件，该机床镶件包含具有轮廓分明的断屑槽特征的PCD刀具结构体。

实施例2

可根据给定机械应用的要求以及考虑机床镶件的预期形状来设计断屑槽表面拓扑结构的构造。可以提供钴结烧结碳化物基底本体，其具有包含表面拓扑结构的表面，所述表面拓扑结构与断屑槽拓扑结构互补（即相反）。可以通过加工基底的生坯而向所述表面上形成特征，即在将基底烧结以形成烧结碳化物主体之前。可以通过将多个金刚石晶粒形成为抵靠基底表面的聚集体来制备预压坯组件，并且将该组件包封在金属夹套内。该聚集体也可以包括粉末的共混物，该共混物包含86重量%的CBN晶粒和粘合剂材料，所述粘合剂材料包含70.0重量%的Al、11.7重量%的Co和18.3重量%的W。所述CBN晶粒可以具有约12微米至约17微米范围内的平均尺寸并且该聚集体对于所要产生的厚度至少约1毫米的PCBN层可以是充分厚的。可以使预压坯组件经受至少约5GPa的超高压力和至少约1300摄氏度的温度以烧结该聚集体从而形成复合坯块，该复合坯块包含连接至基底所形成的PCBN结构。可以通过将基底磨掉而将其基本上去除并且可以在酸中处理该PCBN结构以去除与其结合的残余烧结碳化物材料。可以在真空中通过有效的钎焊合金例如TiCuSil钎焊合金将该PCBN刀具结构体钎焊到烧结碳化物镶件基部（即另一个烧结碳化物主体）的界面表面上，使第二主要表面邻近于该界面表面附近布置并且使第一主要表面在该界面的对面暴露。可以例如通过磨削来加工由此形成的复合坯块以提供机床镶件，该机床镶件包含具有轮廓分明的断屑槽特征的PCBN刀具结构体。

将简要说明本文中使用的某些术语和概念。

机床（machine tool）是电动的机械装置，该机械装置可用于通过机械加工来制造包含材料例如金属、复合材料、木材或聚合体的部件，该机械加工是选择性地从称为工件的主体上去除材料。机床可以包含刀具镶件（或简称为“镶件”），该刀具镶件包含刀具结构体，并且镶件可以是可转位的和或可替换的。

当机床用于对工件进行机械加工时，工件的碎片将可能被去除并且这些碎片被称为“切屑”（chip）。切屑是被所用机床从主体的加工表面除去的主体的碎片。控制切屑形成和引导切屑流是用于如下机加工的工具的重要特征：高生产率机加工，和或铝、钛和镍的先进合金的高表面光洁度机加工。可以根据各种机加工因素例如工件材料、切削速度、切削操作和所需的表面光洁度来选择断屑槽特征的几何结构。

刀具镶件的前刀面是当使用工具从主体上去除材料时切屑在其上流动的一个表面或多个表面，前刀面引导新形成的切屑的流动。前刀面拓扑结构可以是前刀面的期望构造，例如用于更有效的打断和或去除切屑的构造。

本文中使用的断屑槽表面拓扑结构是指工具（例如机床或其它工具）的镶件的表面的构造，当使用工具来切割、钻穿或机加工工件或其它主体时该构造适合于控制形成的切屑的尺寸和形状的特征。这样的拓扑结构可以包括在镶件的前表面上形成的凹陷和或凸起特征，例如径向或周向的脊线和沟槽。

本文中使用的超硬或特硬材料具有至少约25GPa的维氏硬度。合成和天然的金刚石、聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼（CBN）和聚晶CBN（PCBN）材料是超硬材料的实例。合成金刚石（其也可被称为人造金刚石）是已经制造的金刚石材料。PCD结构包含PCD材料或基本上由其组成，并且PCBN结构包含PCBN材料或基本上由其组成。超硬材料的其它实例包括某些复合材料，其包含通过包含陶瓷材料例如碳化硅（SiC）的基质或通过烧结碳化物材料例如Co结合的WC材料（例如，如美国专利号5,453,105或6,919,040中所述）结合在一起的金刚石或CBN晶粒。例如，某些SiC-结合的金刚石材料可以包含至少约30体积%的分散在SiC基质（其可以含有SiC以外形式的少量Si）中的金刚石晶粒。SiC-结合的金刚石材料的实例记载于美国专利号7,008,672;6,709,747;6,179,886;6,447,852;以及国际申请公开号WO2009/013713。

通常且本文中使用的用于超硬材料的催化剂材料至少在该超硬材料是热力学稳定的压力和温度下能够促进包含该超硬材料的晶粒的聚晶材料的烧结。该催化剂材料能够促进超硬材料的晶粒的直接交互生长和或更普遍地促进超硬材料的晶粒的烧结以形成聚晶材料。在一些实例中，催化剂材料可以起粘合剂材料的作用，其能够靠自身或与其它合适的材料结合形成烧结的基质，所述基质内超硬晶粒可以分散在所述烧结基质中并且不一定彼此直接互相结合。例如，用于合成金刚石的催化剂材料能够在合成或者天然金刚石比石墨热力学更稳定的温度和压力下促进合成金刚石晶粒的生长和或促进合成或天然的金刚石晶粒的直接交互生长。用于金刚石的催化剂材料的实例是Fe、Ni、Co和Mn，以及包括这些的某些合金。用于PCBN材料的催化剂或粘合剂材料可以包括含Ti化合物例如碳化钛、氮化钛、碳氮化钛和或含Al化合物例如氮化铝，和或含金属如Co和或W的化合物。

本文中使用的聚晶金刚石（PCD）材料包含大量（多个的聚集体）金刚石晶粒，它们大部分是彼此直接交互结合的并且其中金刚石的含量是该材料的至少约80体积%。金刚石晶粒之间的空隙可以被粘合剂材料至少部分地填充，所述粘合剂材料包含用于合成金刚石的催化剂材料，或者它们可以基本上是空的。包含PCD材料的主体可以包含至少一定区域，其中催化剂材料已经被从空隙去除，在金刚石晶粒之间留下间隙空隙。

PCBN材料包含分散在含金属或陶瓷材料的基质内的立方氮化硼（CBN）的晶粒。例如，PCBN材料可以包含至少约35体积%或至少约50体积%的分散于基质材料内的CBN晶粒，所述基质材料包括：含Ti化合物例如碳化钛、氮化钛、碳氮化钛，和或含Al化合物例如氮化铝，和或含金属如Co和或W的化合物。一些型式（或“等级”）的PCBN材料可以包含至少约80体积%或甚至至少约90体积%的CBN晶粒。

热稳定的PCD材料包含至少一定部分或体积，该部分或体积在暴露于约400摄氏度以上或甚至约700摄氏度以上的温度之后不表现出显著的结构劣化或者硬度或耐磨性的退化。例如含有少于约2重量%的金刚石催化剂金属例如以催化活性形式（例如单质形式）的Co、Fe、Ni、Mn的PCD材料可以是热稳定的。基本上不含催化活性形式的催化剂材料的PCD材料是热稳定PCD的实例。例如，其中间隙基本上是空隙或者用陶瓷材料例如SiC或盐类材料例如碳酸盐化合物至少部分填充的PCD材料可以是热稳定的。具有至少一定明显区域的PCD结构，金刚石的催化剂材料已从该区域中耗尽、或者其中催化剂材料是以相对较不活性的型式作为催化剂，该PCD结构可以被描述成热稳定的PCD。

如上所说明的，可以在合适的粘合剂或催化剂材料存在的情况下，通过分别将多个金刚石或CBN晶粒烧结到基底上（例如烧结碳化物基底）来提供PCD材料和PCBN材料。由此产生的PCD或PCBN结构有可能连接到基底而形成，该基底是包含PCD或PCBN结构的构造物的组成部分，所述PCD或PCBN结构在其中使各自结构形成为烧结体的过程期间被结合至所述基底。

本文中使用的烧结碳化物材料（其也可被称作硬质合金材料）包含通过粘结材料（也称作粘合剂）例如钴保持到一起的碳化物材料（例如碳化钨、碳化钛或碳化钽）的多个晶粒。碳化物晶粒的含量可以是至少约50%。

本文中使用的生坯是包含能够被烧结但是尚未被最终或完全烧结的材料的物体。生坯可以具有预期的烧结体的大体构造并且预期被烧结。

Claims (14)

1.一种制造用于机床镶件的刀具结构体的方法，该刀具结构体包含限定前刀面拓扑结构的超硬材料，所述前刀面拓扑结构包含凹陷或凸起；该方法包括：

提供预烧结组件，所述预烧结组件包含基底本体，所述基底本体具有限定出与所述前刀面拓扑结构互补的拓扑结构的构造表面，包含与所述前刀面拓扑结构的各个凹陷和凸起对应的凸起或凹陷，以及包含多个超硬晶粒的聚集体，该聚集体布置在所述构造表面的附近，其中该基底本体包含能够促进超硬晶粒在超硬材料为热力学稳定的压力和温度下的烧结的催化剂或粘合剂材料的源；

使预烧结组件经受该压力和温度以提供包含烧结聚晶超硬材料的超硬结构，所述烧结聚晶超硬材料在该超硬结构的第一主边界处连接至所述构造表面，该超硬结构具有与第一主边界相对的第二主边界；

去除基底本体以便暴露所述超硬结构的限定所述前刀面拓扑结构的第一主边界；和

将该超硬结构的第二主边界连接至镶件基部。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该前刀面拓扑结构包含断屑槽表面拓扑结构。

3.根据权利要求1所述的方法，其中该超硬材料包含聚晶金刚石(PCD)材料或聚晶立方氮化硼(PCBN)材料。

4.根据权利要求1所述的方法，其中邻近于第一主边界的第一区域内的聚晶超硬材料的硬度低于显著远离第一主边界的第二区域内的聚晶超硬材料。

5.根据权利要求4所述的方法，其中第一区域从第一主边界延伸到至少50微米的深度。

6.根据权利要求4所述的方法，其中第二区域从与第一区域的边界延伸到200微米的深度。

7.根据权利要求4所述的方法，其中第一区域中的催化剂或粘合剂材料含量显著小于第二区域中的催化剂或粘合剂材料含量。

8.根据权利要求4所述的方法，其中第一区域中的聚晶超硬材料包含的催化剂或粘合剂材料比第二区域中实质上包含的催化剂或粘合剂材料多至少10％。

9.根据权利要求1所述的方法，包括从邻近第一主边界的聚晶超硬材料去除至少一些催化剂或粘合剂材料。

10.根据权利要求1所述的方法，包括使所述超硬结构的第二主边界连接至镶件基部并且然后去除基底本体以暴露所述超硬结构的第一主边界。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述基底本体包含第一烧结碳化物材料并且所述镶件基部包含第二烧结碳化物材料，所述第一烧结碳化物材料和第二烧结碳化物材料在组成的至少一个方面显著不同。

12.根据权利要求11所述的方法，其中第二烧结碳化物材料比第一烧结碳化物材料包含更高含量的碳化物晶粒材料以及更低含量的粘结材料。

13.根据权利要求中1所述的方法，包括在包含基底本体的前体材料的生坯的表面上形成构造表面拓扑结构，以及烧结所述生坯以形成基底本体。

14.根据权利要求1所述的方法，包括通过酸处理或用腐蚀性材料处理来去除基底本体。