CN104395019B - 制造超硬结构的方法 - Google Patents

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Abstract

一种结构的制造方法，所述结构包括与细长基底侧面连结的多晶超硬结构。所述方法包括：提供为超高压高温炉配置的容器，所述容器具有细长腔体，以容纳预烧结组件并限定纵向轴，所述腔体具有通过腔壁连接的相对的端部。所述预烧结组件包括基底、聚集体和间隔结构，所述聚集体包括多个超硬晶粒，其被配置在所述基底的至少一部分侧面上，所述间隔结构被配置为将基底与腔壁间隔开。间隔结构包括具有至少300GPa杨氏模量的材料。所述方法还包括将预烧结组件插入到腔体中，所述基底基本上纵向对齐，并且间隔结构被配置在基底侧面和腔壁之间；将力施加至预烧结组件并加热其至一定温度，所述力足以在容器内产生压强以在所述温度下烧结所述聚集体，并提供所述结构。

Description

制造超硬结构的方法
技术领域
本发明主要涉及超硬结构的制造方法，该超硬结构特别但不唯一地用于制造例如端铣刀和刨槽机的旋转工具的刀具元件的毛坯体(blankbodies)。
背景技术
专利号为7,104,160的美国专利公开了切削工具的生产方法，其包括的步骤为提供非粘合组件，该组件含有圆柱形核体，该核体具有端部和部分或全部由连贯的非烧结层覆盖的伸长的侧表面，所述非烧结层含有适于生产超硬材料的超硬研磨剂晶粒；将非粘合组件置于超硬研磨剂结晶稳定的升高的温度和压力条件下；重新获得烧结产品，该产品含有圆柱形核体和粘合至所述核体的超硬研磨剂材料；并加工被烧结的产品，从而生产在超硬研磨剂材料中的一个或多个刀口。
公开号为WO/2011/157667的国际专利申请公开了用于旋转加工工具的刀具元件的制造方法。该方法包括提供前体，所述前体含有连接至硬质合金基层的超硬结构，例如PCD或PCBN结构；所述前体具有近端、远端和连接近端和远端的周边，将超硬结构设置在周边上。所述方法还包括从周边上移除超硬结构的部分，从而在周边上形成多个刀口，连续的刀口相互隔开最多约10mm。
需要用于制造超硬结构的有效方法，其特别但不唯一地用于制造旋转加工工具的刀具元件。
发明内容
从本发明的第一方面可见，提供了一种结构的制造方法，该结构包括连接至大致细长的基底的侧表面的多晶超硬结构；所述方法包括：提供用于超高压、高温炉的容器，所述容器具有大致细长的腔体，用于容纳预烧结组件和限定纵向轴，腔体具有由腔壁连接的相对的端部；预烧结组件包括基底、聚集体和间隔结构，所述聚集体包括多个超硬晶粒，其被配置在基底的至少一部分侧表面上，所述间隔结构被配置为将基底与腔壁隔开；所述间隔结构包括或实质上由具有至少约300GPa或至少约500GPa杨氏模量的材料构成；所述方法还包括将预烧结组件插入到腔体中，所述基底基本上为纵向对齐，并且所述间隔结构被配置在基底侧表面和腔壁之间；将力施加至预烧结组件并将其加热至一定温度，所述力足以在容器内产生压强，用于在所述温度下烧结聚集体，并提供所述结构。
所述间隔结构将被配置为提供对基底的侧向支撑。
通过该公开可设想容器、预烧结组件和预烧结组件的部件的各种配置和组合，以及所述方法的变型，并且下面将描述非限定性、非详尽的实施例。
容器可被配置为插入到超高压、高温炉(也被称为超高压、高温压机或简言之HPHT压机)的腔室中。腔室(其可被称为压力腔室)将被配置为容纳容器。HPHT压机被配置为能够将负载施加到腔室中的容器上，因此在容器内包含物中产生压力。在一些实施例的配置中，HPHT压机可以是带式压机，且腔室可以一般为圆柱形并由含有硬质合金材料的模具限定，且通过撞击容器的相对端部的相对运动的铁砧，可将负载施加到容器上。在该配置中，当由铁砧对容器加载时，模具将对容器提供外部的侧向支撑。
所述力可以被纵向或三轴地施加在预烧结组件上。
在一些实施例的配置中，间隔结构为所述基底的整体部分(也就是说，间隔结构和基底的其余部分可以形成统一主体)。大致细长的基底可包括从基底的纵向核体结构侧向延伸的间隔结构。间隔结构由基底的一部分提供的配置可能具有该特点，即来自聚集体的超硬晶粒不太可能进入间隔结构和核体结构之间(因为在间隔结构和核体结构之间没有间隙)。
在一些实施例的配置中，间隔结构可直接与基底邻接和或中间结构(例如支撑或包含结构)可存在于至少部分基底和至少部分间隔结构之间。
间隔结构可直接与腔壁邻接和或中间结构(例如支撑或包含结构)可存在于至少部分间隔结构和至少部分腔壁之间。
所述方法可包括使用多于一个间隔结构，每个被配置在沿着基底的各个不同纵向位置上。
在一些实施例的配置中，间隔结构可包括环形或同心圆形结构，或间隔结构可以一般被配置为与基底一端整体形成或附着或邻接的端部圆盘。
在一些实施例的配置中，间隔结构可包括可滑动环，可将基底的一部分插入其中。可滑动环可以被配置在基底的一端上或在远离基底一端的轴向位置上，例如处在或靠近基底的轴向中心。多于一个环可以被使用并配置在沿着基底的不同轴向位置上，例如在其相对端部处。超硬晶粒的聚集体可被配置在预烧结组件中，使得其与可滑动环邻接。环可包括与基底包括的材料相同或不同的材料。在制造超硬结构时，特别是在烧结多晶超硬结构的步骤中，环可变成与基底连接。通过例如电火花加工(EDM)或研磨，可以将环从结构中移除。
在一些实施例的配置中，基底可以包括细长核体结构和限定基底的近端表面的端盖，端盖向核体结构之外延伸一个横向伸展。在一些实施例中，横向伸展可以为至少约1mm，至少约2mm或至少约3mm。横向伸展可以为至多约10mm或至多约5mm。端盖可以提供间隔结构。
在一些实施例的配置中，基底可以是绕纵轴(当组装在容器中时)旋转对称的。
在一些实施例的配置中，基底可以具有圓或斜切(而不是相对锋利)的边缘或角。这可以降低结构或由此结构制造的工具破裂的风险。
在一些实施例的配置中，基底可包括伸长核体结构，其具有第一横截面侧向尺寸(例如第一直径)和在一端径向延伸的具有第二侧向尺寸(例如第二直径)的周向端部结构，第二尺寸基本上大于第一尺寸，基底的横截面侧向尺寸从第一尺寸至第二尺寸连续变化。在一些实施例中，侧向尺寸的变化可限定基底侧表面的曲率半径。曲率半径可以至少约2mm和或最多约20mm。从较小核体直径到较大端部直径的连续转变可具有降低基底内的内部应力的作用，并可能降低在聚集体的超高压烧结的冷压缩阶段(即当压力升高至超高压但温度仍较低时)中基底断裂的风险。
在一些实施例中，间隔结构和或基底可包括或实质上由具有在环境温度(约20至约30摄氏度)下和或在至少约1,000摄氏度下至少约300GPa或至少约500GPa的杨氏模量的材料构成。
在一些实施例中，间隔结构可包括硬质金属，例如烧结碳化钨材料；陶瓷材料，例如铝、硅的氮化物，碳化硅、锆氧化物(氧化锆)或钽氧化物；镍基超合金材料，比如InconelTM；超硬材料和或含有超硬晶粒的材料，比如硬质金属或含有金刚石晶粒或分散在其中的立方氮化硼(cBN)的陶瓷材料。基底可包括或基本上由硬质合金材料，比如烧结碳化钨材料构成。
容器和或中间支撑结构可包括叶腊石、多铝红柱石、蓝晶石、高岭石、盐，比如钾盐(例如氯化钾)或陶瓷材料，比如氧化镁。叶腊石包括铝硅酸盐的氢氧化物(Al2Si4O10(OH))。多铝红柱石，也被称作白陶岩，是一种稀有的硅酸盐矿物质，并可形成两种化学式3Al2O3(2SiO2)或2Al2O3.SiO2。高岭石(Al2Si2O5(OH)4)为矿物质，可以在含有高岭土的岩石构造中被发现。蓝晶石为铝硅酸盐系列的一种，也包括多形体红柱石和多形体硅线石。
超硬晶粒可包括天然或合成金刚石和或立方氮化硼(cBN)，并且烧结多晶超硬结构可包括多晶金刚石(PCD)材料，多晶立方氮化硼(PCBN)材料，碳化硅粘合金刚石(SCD)材料，和或含有超硬晶粒的硬质合金材料。
超高压可以是至少约4GPa，至少约5GPa，至少约7GPa或至少约8GPa。高温可以是至少约1,000摄氏度或至少约1,200摄氏度。
所述结构可用于可由其制造旋转机械工具刀具元件的毛坯体。例如，所述结构可以被配置为使得其可被加工而形成用于刨槽机或端铣刀的刀具元件。
聚集体可包括基本上松散的超硬晶粒或与用于将晶粒粘结在一起的粘合剂材料结合的超硬晶粒。聚集体可包括含有超硬晶粒的多个细丝、薄片或薄板。所述方法可包括撕碎或另外地分割薄板以提供颗粒。聚集体可包括含有超硬晶粒的挤压体。一般而言，通过粘合剂材料将晶粒固定在一起的聚集体可能具有降低的晶粒嵌入预烧结结构的组件和容器之间的风险或聚集体的形状发生扭曲的风险的特性。
所述方法可包括提供含有超硬晶粒的颗粒，相对基底结合和压缩颗粒。
在一些实施例中，所述方法可包括提供含有超硬晶粒的浆体，并对浆体注入成型，以提供聚集体。
在一些实施例中，基底可包括细长的核体结构，其具有可以相对被放置的聚集体的侧表面。聚集体可与基底的至少一端分开至少约1mm或至少约2mm。在一些配置中，聚集体可通过间隔结构与基底的端部分开。
在一些实施例的配置中，聚集体可围绕基底的至少一部分周向地，比如圆周地延伸。
所述方法可包括加工超硬结构，以提供刀口。
所述方法可包括将结构的一端钎焊至机架上。
所述方法可包括为结构提供附接装置，用于与机架的附接。例如，附接装置包括螺纹(用于通过螺纹螺丝装置连接)、法兰或钻孔。
可期望由于实际或经济原因而通过加工前体结构(有时称为毛坯体)来制造超硬旋转刀具元件，其可含有围绕核体主体侧面配置的超硬结构，核体主体由不太硬的材料比如硬质合金材料制成。该加工可涉及切割或研磨超硬结构，以提供刀口或多个刀口。为了这一方法的经济性，有可能需要前体结构的很高的尺寸精确度。可惜，一般可期望的是在细长基底的侧表面上烧结超硬晶粒具有显著的实际困难。预烧结组件的制备可能涉及相对基底的侧面压缩聚集体，在该过程期间，基底可变得不对齐，或超硬材料的晶粒可嵌在预烧结组件内不期望的位置中。当在超高压下烧结聚集体时，这种不对齐和扭曲可能变得永久存在于结构中。由于如果结构有缺陷将需要加工超硬结构的较高成本，即使轻微的不对齐和扭曲也能很重要。在制备预烧结组件和或在超高压力下烧结聚集体的步骤中，根据该公开的方法具有基底和或聚集体，且结果是超硬结构的变形风险降低的特性。
本公开可提供用于旋转加工刀具元件的毛坯体，包括连接至细长核体结构的侧表面并包围至少部分核体结构的至少部分近端表面的超硬结构，其含有能够与黄铜合金比如非活性的黄铜合金结合的材料；超硬结构与毛坯体的近端表面分开。非活性黄铜合金结合的使用具有特性，即钎焊需要的温度低于活性黄铜合金需要的温度，并且可能降低热应力和随后工具失效的风险。
在一些实施例的配置中，限定端部表面的核体结构的一部分可包括圆盘形或实心圆柱形构造，其周围环形体积可将超硬结构与端部表面分开。
在一些实施例的配置中，超硬结构可完全包围核体结构的体积，或超硬结构可部分包围(或环绕)核体结构的体积。
在一些实施例的配置中，毛坯体可具有中心纵向轴，核体结构和或超硬结构围绕该轴是可旋转对称的。
在一些实施例的配置中，超硬结构可限定毛坯体的外部侧面区域，并可围绕核体结构的体积连续延伸。
公开的毛坯体和刀具元件可具有特点，即当毛坯体或刀具元件被钎焊到机架上时，超硬结构破裂或分层的风险降低。
附图说明
下面将参考其所附附图对非限定性实施例的配置进行描述：
图1A示出了插入到带式超高压炉(未示出)的腔室中的示例性容器的高度示意性附图的横截面图；
图1B示出了用于烧结示例性超硬结构的预烧结组件的示意图的横截面图；且
图1C示出了如图1A和图1B所示的示例性容器组件和预烧结组件的示意图；
图2示出了示例性基底的示意性纵向侧视图；
图3至图11示出了用于旋转工具的示例性毛坯体的示意性纵向横截面图；和
图13示出了示例性毛坯体的透视图。
具体实施方式
参考图1A，用于插入到带式超高压炉(未示出)的腔室中的实施例容器20包括大致为圆柱形的管22，其具有用于容纳预烧结组件并限定纵向轴L的圆柱形腔室24。腔室24具有通过腔壁26连接的相对的端部24a、24b。在所示的具体实施例中，将圆盘28a、28b设置在管的每一端，从而在各个端部24a和24b处关闭腔室24。在该具体实施例中，管22和圆盘28a、28b包括叶腊石。另外参考图1B，示例性预烧结组件30包括圆柱形对称的基底32，含有围绕基底32的侧表面36圆周配置的多个超硬晶粒的聚集体34，和间隔结构38。基底32基本上由作为硬金属材料实施例的钴烧结碳化钨材料构成。基底32包括圆柱形核体结构33，间隔结构38从其一端径向延伸。在该具体实施例中，间隔结构38为基底32的单一部分，并围绕基底32的核体结构33圆周地延伸相同的径向距离。间隔结构38基本上由大约400GPa杨氏模量的硬质合金材料构成。另外参考图1C，(图1B的)预烧结组件30被插入到容器20的腔室24中，基底32基本上纵向对齐，且间隔结构38被配置在基底32的核体结构33的侧表面36和腔壁26之间。
在一些实施例中，金刚石晶粒的聚集体34可以在基底32所含的钴存在的情况下进行烧结，通过加热预烧结组件30至足够熔解钴的温度，导致一些钴渗入到聚集体34中，并将至少约5.5GPa的超高压施加到预烧结组件上。在一些实施例中，聚集体34可包含钴或其它用于金刚石的催化剂材料。通过经由圆盘28a、28b施加足够大的相反的纵向力F至预烧结组件30，可以产生压力。可以通过使电流穿过组件10来施以热量，并且可将加热元件(未示出)设置在组件10中，包括可能设置在用于该目的的预烧结组件30中。间隔结构38可以为基底32提供一些侧向支撑。
在一些实施例中，预烧结组件可包括放入金属容器内的基底，聚集体和间隔结构，其例如可以包括难熔金属，比如铌、钽或钼，具有至少约1,480摄氏度的熔点。容器可包括外管和与外管邻接的同心内管，内管限定用于容纳预烧结组件的容器的圆柱形腔。内管可包括能够在高温下传输压力的材料，比如氯化钠或特定的其它盐。可将预烧结组件插入到由内管限定的腔体中，使得金属容器的周向外表面与内管的内表面(即腔壁)邻接。在该实施例配置中，可将金属容器的部分设置在其内部包含的间隔结构和腔壁之间。
参考图2，特定实施例的基底32包括圆柱形核体结构33，其具有约8mm的直径D1和在一端径向延伸的具有约12.5mm的直径D2的圆周端部结构38。基底32的直径产生从核体结构33的较小直径D1至端部结构38的较大直径D2的连续转变，所述转变限定了大约7.95mm的曲率半径R。在如图2所示的特定实施例中，L1约为17.5mm，L2约为15.5mm，L3约为10mm，且在端部结构38上的斜角的高度H约为0.5mm。
参考图3至图11，适于用作旋转刀具(未示出)的毛坯主体(或前体)的结构40的实施例配置包括连接至基本上由烧结碳化钨材料构成的基底42的侧表面46的多晶超硬结构44。在一些实施例中超硬结构可基本上由PCD或PCBN构成。
参考图3，实施例结构40包括从基底42的核体结构43中径向向外伸出的端部结构48，端部结构48位于结构40的近端。当如上文公开的制造结构40时，端部结构48可被用作间隔结构。从如上文所公开的烧结聚集体中产生PCD结构44。端部结构48和超硬结构44相互配置使得超硬结构44通过端部结构48与结构40的端部分开约1mm。超硬结构44暴露于结构40的远端，同心地围绕核体结构43。
参考图4、图5和图6，示例性结构40包括超硬结构44，其在基底主体42的各个核体结构43的各个远端上延伸，限定结构40的各个远端41。在如图3所示的一些变形中，超硬结构44可在结构40的远端41处限定顶点。在如图5所示的一些变形中，超硬结构44可限定结构40的基本上平面的远端表面41。平面端部41可设置有外周倒角。在如图6所示的一些变形中，超硬结构44可限定结构40的凸面圆形端部41。
参考图7，实施例结构40可包括硬质合金基底42，其具有圆柱形核体结构43和在相对的端部处径向伸出的端部结构48、48a，和连接端部结构48、48a并围绕核体结构43周向延伸的超硬结构44。端部结构48、48a可从核体结构43径向伸出约2mm并围绕其周向延伸。端部结构48、48a轴向上可为1mm厚，因此将超硬结构与结构40的各个端部49、41分开。在根据本公开制造结构40时，端部结构48、48a可具有如各个间隔结构的功能。可通过例如切割或研磨对结构进行加工，从而在超硬结构44上提供至少一个刀口，以制造用于旋转刀具比如刨槽机或端铣刀的工具元件。可以将至少一个端部结构48、48a保留为工具元件(未示出)的部分，其可提供该特点，即通过钎焊使得能够容易地将所述结构连接至机架，并使超硬结构44产生热降解的风险下降，特别是当超硬结构44包括金刚石材料时。这可能是因为钎焊硬质合金比钎焊特定的超硬材料，特别是金刚石材料实质上更加容易，并因为超硬结构44会与被钎焊的端部隔开，由此降低了热损伤的风险。在一些实施例中，通过切割或研磨结构40，可将端部结构48、48a的至少一个移除。
参考图8，示例性结构40可包括具有一般为凸面的圆柱形核体结构43(其也可以被描述为桶形)的基底42和在一端径向伸出的端部结构48，和具有基本与端部结构48的外圆周面齐平的圆柱形外部侧面的超硬结构44。
参考图9，示例性结构40可包括具有一般为凹面的圆柱形核体结构43(其也可以被描述为沙漏形)的基底42和在一端径向伸出的端部结构48，和具有基本上与端部结构48的外圆周面齐平的圆柱形外部侧面的超硬结构44。
参考图10，示例性结构40可包括具有一般为凸面的圆柱形核体结构43(其也可以被描述为桶形)的基底42和在一端径向伸出的端部结构48，和具有基本与核体结构43的形状共形和同心的圆柱形外部侧面的超硬结构44(即超硬结构42也可以具有凸面桶形外表面)。
参考图11，实施例结构40可包括具有一般为凹面的圆柱形核体结构43(其也可以被描述为沙漏形)的基底42和在一端径向伸出的端部结构48，和具有基本上与核体结构43的形状共形和同心的圆柱形外部侧面的超硬结构44(即超硬结构44也可以具有凹面沙漏形外表面)。
参考图12，实施例结构40可包括具有一般为凹面台阶式圆柱形核体结构43的基底42和在一端径向伸出的端部结构48，和具有与限定结构40的近端49的端部结构48的外周侧面基本对齐的圆柱形外部侧面的超硬结构44。在该实施例中，核体结构43会看起来包括多个相互轴向配置的垂直的圆柱形区域，每一个具有不同的半径。结构40可包括连接至核体结构43的远端并限定结构40的远端41的端部圆盘45。在超高压下制造所述结构之前，端部结构48与核体结构43在预烧结组件中共同形成了单一的基底42(即端部结构48与核体结构43结合)，而端部圆盘45在预烧结组件中已经是与基底分开的组件。在制造所述结构40时，端部结构48和端部圆盘49在预烧结组件中都将具有间隔结构的作用。通过结构40的后续加工可将端部结构48或端部圆盘45中的一个或两个移除，或者可被保留为切割工具元件的一部分。
参考图13，实施例结构40可具有基本为非圆柱的形状，包括核体结构43和具有更复杂的形状的超硬结构44。根据公开的所述方法将使得更容易提供具有更复杂形状的超硬结构，因为在制造过程中，特别是在制备预烧结组件时，间隔结构可能会降低形状扭曲的风险。在图13所示的实施例中，在制造结构40中使用的间隔结构已被移除。
现在将更加详细地主要描述用于制造毛坯体的实施例方法。
可以多个薄板的形式提供金刚石晶粒的聚集体，所述薄板的每一个含有具有至少约0.1微米和至多约30微米的平均尺寸的通过有机粘合剂固定在一起的金刚石晶粒。至少一些薄板也可以包括碳化钨晶粒。薄板也可以通过本领域中已知的方法制造，比如挤压铸造或流延成型方法，其中含有金刚石晶粒和粘合剂材料的浆体被铺在表面上并使其干燥。也可使用用于制造含金刚石的薄板的其它方法，比如专利号为5,766,394和6,446,740的美国专利中所描述的。用于沉积含金刚石轴承层的可选的方法包括喷涂的方法，比如热喷涂。在一些实施例中，聚集体可包括金刚石晶粒和通过研磨(例如球磨)可以被结合在一起和使用塑化剂粘合剂材料比如PMMA、DBP等被铸造在薄板中的用于金刚石的催化剂材料，比如Co、Ni、Fe、Mn的混合物。在一些实施例中，超硬晶粒为cBN晶粒并且超硬结构可包括PCBN材料。在该实施例中，聚集体可包括氮化硼粉末与含有使用塑化剂材料铸造在薄板中的Ti、Al、W或Co和其混合物的粘合剂材料的混合物。
将根据在本公开中描述的实施例(但不被其限制)，提供基底和间隔结构的任一个或两者。在一些实施例的配置中，基底可包括伸长的核体结构和在一端的端部结构。根据本公开，端部结构可从核体结构中径向延伸一定距离，围绕核体结构配置以起到间隔结构的作用。在一些实施例的配置中，间隔结构可包括围绕基底配置的环，或者间隔结构可包括配置在基底端部处的圆盘。
含有金刚石晶粒的薄板可被切割成适合围绕核体结构的尺寸，且可通过围绕核体结构包覆薄板来构建预烧结组件。在一些实施例中，薄板的相对边缘可暴露于远端处，或薄板的相对边缘可在基底的相对端部处与各个间隔结构邻接。在一些实施例的配置中，含有金刚石晶粒和碳化钨晶粒的薄板可抵靠核体结构而放置，而无碳化钨晶粒的薄板可远离核体结构放置，因此含有碳化物的薄板被放置在核体结构和不含碳化物的薄板中间。一旦烧结后，由于其性能可介于PCD和硬质合金材料的性能之间，因此这些中间薄板可有助于降低PCD结构和核体结构之间的应力。
在一些实施例中，薄板可被撕碎，以提供多个板形颗粒，或可通过其它途径提供颗粒，并且可相对于基底的侧表面将颗粒压缩在一起，以形成聚集体。在一些实施例中，所述方法可包括提供含有超硬晶粒的浆体，并通过对浆体注入成型来制造聚集体。
在所述方法的其它实施例的变形中，可将核体结构放置在容器比如杯子内，其被配置为使得容器的内壁尺寸基本上对应于端部结构的侧表面的形状和尺寸，并且基本上松散的超硬晶粒可被注入到间隙中，由此在中心圆柱和容器的内壁之间形成。用于烧结超硬晶粒的一定量的塑化剂和或粘合剂材料和或催化剂材料也可以这种方式被引入到聚集体中，并且可将聚集体压缩。容器可以形成预烧结组件的一部分。
预烧结组件可以被组装到用于超高压炉(或压机)的容器中，在炉中加热，以移除挥发性气体和或烧尽粘合剂材料，并且置于至少约5GPa的压力和至少约1,300摄氏度的温度下，并且烧结在一起而形成烧结结构的金刚石晶粒包括一般为管状的连接至核体结构的PCD结构，并包围核体结构的中心圆柱。用于促进金刚石的烧结和用于烧结中间层的晶粒的钴可以来源于硬质合金基底中。
在超高压的烧结过程之后，烧结结构可从超高压装置中重新获得，并且容器材料从其上移除。然后通过例如研磨可将结构进行加工，以提供毛坯体。通过包括在超硬结构上形成至少一个刀口的方法，可以进一步加工毛坯体，以形成用于旋转工具的刀具元件。在一个实施例的配置中，毛坯体可具有由超硬结构限定的一般为圆形或圆顶形的远端，并可适合于制造用于铣削复杂腔体的球头工具。该工具可具有从约10mm至约25mm范围的侧向横截面直径。
用于制造旋转加工工具的刀具元件的实施例方法可包括提供含有连接至硬质合金核体结构的超硬结构的毛主体，其中超硬结构基本上围绕核体结构的中心圆柱的外周侧面放置。可通过在超硬结构和基底之间的三个中间层而将超硬结构连接至硬质合金基底。中间层可包括分散在含有钴的母体中的碳化钨晶粒和超硬材料晶粒。中间层中的钴含量小于层中的钴含量。每个中间层至少约0.2mm厚并至多约0.3mm厚。可将超硬结构的部分移除，从而暴露在移除部分下面的基底材料，并在外周侧面上提供间隔开的并由超硬结构限定的刀口，在前体的外周侧面上的连续刀口相互隔开。在一些实施例中，刀口可以周向地相互隔开至多约10mm。
在实施例的方法中，毛坯体可具有一般为凸面，圆形或圆顶形由超硬结构限定的远端，其可以含有PCD或PCBN。多个刀口可以通过机加工方法(比如电火花加工、激光切割或研磨)形成在PCD或PCBN结构中，以形成球头刀具元件。刀口数量的选择可取决于应用。在一个实施例中，边缘可以被配置为一般为螺旋形，以提供螺旋形“下摆”，以改进对碎片的控制。例如，球头刀具元件可包括在PCBN结构中形成的刀口。
包括被公开的刀具元件的实施例加工工具可用于铣削或开槽工件，特别是含有坚硬或耐磨材料，比如金属、陶瓷材料、复合材料、木材、岩石、混凝土或砖石的工件。例如，加工工具可以是用于对含有纤维加强塑料材料的主体进行切边的压缩刨槽机，或螺旋形多槽刨槽机或对含有复合物材料的主体进行边缘处理的利口。刀具元件可以用于开槽工具，或用于铣削或剪切主体，特别是含有碳纤维加强材料的主体边缘的工具。在另一个实施例中，刀具元件可以用于球头工具。
所公开的方法可能具有该特点，即降低了扭曲形成的超硬结构的风险，并需要修正扭曲或被丢弃的结构的加工。超硬材料的加工趋于相对昂贵，可能一般是不期望的。间隔结构可具有降低基底错位的效果，因为即使微小的错位也能导致变形的超硬结构和高成本的形状修正，使用间隔结构的优势可以很大。
下面更详细地描述非限定性实施例。
实施例1
可以由其制造PCD端铣或刨槽机的环形毛坯结构，可以如下制造。
含有具有至少约1微米和至多约15微米平均尺寸的金刚石颗粒的聚集体可通过将金刚石颗粒与含有用于金刚石的钴催化剂材料的粉末混合来制备。塑化剂材料比如PMMA或DBP可被引入到混合物中，从而制造浆体，该浆体足够粘稠以至其可被浇铸。通过球磨可以获得混合物。浆体可被注入到薄板中，其可被干燥和撕碎，从而提供多个板形颗粒。
可以提供具有约8mm直径的圆柱形钴烧结碳化钨杆。作为起到环形PCD结构的基底作用的所述杆，可以被同心地放在用于压缩粉末的圆柱形模具中，模具的直径为12.5mm。第一硬质合金间隔环具有约1mm的厚度，其可围绕所述杆在模具底部处放置在杆和模具壁之间，紧邻杆和模具壁，以保持杆的位置。含有金刚石的颗粒可被浇注在杆和模具壁之间的空间中，并通过环形压力装置而被反复压缩，所述环形压力装置被配置为配合在杆和模具之间。当空间被部分压缩的颗粒填充时，第二硬质合金间隔环可围绕杆被放在颗粒之上模具的顶端处。第二间隔环的内部直径应为约0.05mm，略大于杆的直径，使得当在烧结步骤期间置于超高压时，第二间隔环可滑下杆，这将在下文中描述。这将降低聚集体的非均匀压缩和形成结构的非平面端部的风险。第二间隔环可由在至少约900摄氏度的温度下具有高蠕变阻力的陶瓷或金属合金材料制成。
可将环形压力装置施加在第二(顶部)间隔环上，可将一负载施加在压力装置上，并且可将颗粒压缩，以提供致密的生坯主体的聚集体(即成形和压缩的聚集体仍含有塑化剂)，其具有环形并围绕杆。在压缩后，可以移除含有杆，生坯主体聚集体和在杆的相对端部处的间隔环的组件，并放置在由难熔金属制成的杯中。可在约1,050摄氏度的真空中热处理组件，为的是通过除气来移除塑化剂粘合剂材料。然后可将由难熔金属制成的第二杯放在组件的未覆盖的端部上，使得一对相对的杯子相互重叠，因此完全包住组件，以提供完整的预烧结组件。通过电子束焊接装置，一对杯子围绕预烧结组件的周边焊接在一起，其中杯子重叠。在其它实施例中，预烧结组件可以等静压进行压缩以便机械地将杯子连接。
然后预烧结组件可被组装在用于带式超高压压机的容器中。容器可包括含有叶腊石的外部管和含有氯化钠盐的内部管，预烧结组件被插入到内部管中，使得金属套的外侧表面与内部管的内表面邻接。预烧结组件可被置于大约5.5GPa的超高压和大约1,300摄氏度的温度下，经足够长的时间，使基底和聚集体中的钴熔解，并且聚集体中的金刚石晶粒相互间共生，以形成连接至硬质合金核体的PCD环。压力和温度可下降至环境状态，并且可通过喷砂打磨和或酸处理将容器和金属杯状材料移除，以提供含有围绕碳化物杆的PCD结构的结构，碳化物环被连接至所述碳化物杆的相对端部。通过进一步的加工，包括在PCD结构上形成刀口，所述结构可用作制造端铣刀或刨槽机切割工具的毛坯。
实施例2
可以基本上如实施例1所描述的来制造毛坯体，除了杆的结构和间隔结构可以为单一的主体。也就是说，基底可以包括杆结构和在一端处而不是在第一间隔环周向地径向伸出的端部结构。当从通过基底中心的纵向横截面来看，其看起来如“T”形结构。在模具底部可使用端部结构将基底插入到模具中，使得颗粒可被注入到杆结构和模具壁之间的空间中。
实施例3
可以基本上如实施例1所描述的来制造毛坯体，除了可使用圆盘间隔结构而不是第一间隔环。也就是说，可将圆盘放置在模具底部，可将杆放置在圆盘顶部，与其同心。如果端部间隔圆盘由硬质合金或金属合金制成，则其将可能在超高压和高温的烧结步骤期间与杆连接。如果需要，其可以通过研磨或切割而被移除。
实施例4
可以如实施例1、实施例2或实施例3所描述的来制造毛坯体，除了浆体可制造得足够粘稠，使得其可通过挤压而注入成型。可将浆体放入挤压装置中，该装置含有环形出口，并加压，以挤出含有浆体的管。在该实施例的一些变形中，可以直接围绕将成为基底的杆挤出管。在其它变形中，管可以具有足够的刚性，以便运输到远离挤出装置的基底上并放置在其上。
实施例5
可以基本上如实施例1、实施例2、实施例3或实施例4所描述的来制造类似于PCD毛坯体的PCBN的环形毛坯体，PCBN端铣刀或刨槽机可以从中制成，除了浆体可包括cBN颗粒而不是金刚石颗粒，且其可与含有Ti、Al、W和或Co的粉末结合，以制造用于cBN晶粒的粘合剂材料。cBN微粒的尺寸分布可至少约0.5微米和至多约10微米。
下面主要解释如此处使用特定术语和概念。
加工工具是动力加工装置，其可以用于通过机加工制造含有比如金属、复合材料、木材或聚合物的材料的组件。机加工为从主体或工件中可选择地移除材料。旋转加工工具为含有刀具元件，例如钻头的加工工具，其在使用时围绕其自身的轴旋转。刀具元件的倾斜面为表面，当使用工具从主体中移除材料时，碎片在表面上流动，倾斜面引导新形成的碎片的流动。碎片为通过使用加工工具，从主体的加工表面移除的主体的片块。刀具元件的侧面为加工工具的表面，其经过由加工工具在主体上产生的加工表面。侧面可提供与主体的空隙，并可以包括多于一个的侧面。刀口为倾斜面的边缘，用于实施主体的切割，并且槽为旋转加工工具的凹陷部分，其能够在使用中工具转动时将碎片从刀口运走。实施例的旋转加工工具，比如龙头、球头端铣刀和平直端铣刀(其有时可被称作槽钻)可具有多达六个或更多的刀口和槽。螺旋槽(也称作螺旋形槽)包括槽，其一般和至少部分螺旋地相对旋转加工工具的旋转轴配置，并且双向螺旋槽的配置包括具有不同的或相反螺旋方向的槽。
如此处所使用，超硬材料具有至少约28GPa维氏硬度(Vickershardness)。金刚石和立方氮化硼(cBN)材料是超硬材料的实例。多晶金刚石(PCD)材料含有金刚石晶粒块(多个的聚集体)，其主要部分直接相互结合，且其中金刚石的含量为材料的至少约80体积百分数。金刚石晶粒之间的间隙可以至少部分填充含有用于合成金刚石的催化剂材料的粘合剂材料，或者其可以基本上是空的。用于合成金刚石的催化剂材料能够促进合成金刚石晶粒的生长和或合成或天然金刚石晶粒在合成或天然金刚石晶粒处于热力学稳定的温度和压力下的直接共生。用于金刚石的催化剂材料的实例为Fe、Ni、Co和Mn，和包括这些元素的特定合金。含有PCD材料的超硬结构可包括至少一区域，其中催化剂材料可从间隙中被移除，留下金刚石晶粒之间的间隙空隙。具有至少重要区域的PCD结构，其中用于金刚石的催化剂材料被耗尽，或其中催化剂材料以作为较不活跃的催化剂的形式存在，可被描述为热力学稳定的PCD。
PCBN材料含有分散在含有金属或陶瓷材料的基底中的立方氮化硼(cBN)晶粒。例如，PCBN材料可包括至少约60体积百分数的cBN晶粒，其分散在含有含Ti化合物，比如钛的碳氮化物和/或含Al的化合物，比如氮化铝，和/或含有金属，比如Co和/或W的化合物的粘合剂母体材料中。一些类型(或“级别”)的PCBN材料可包括至少约80体积百分数或甚至至少约85体积百分数的cBN晶粒。
更一般地，多晶超硬(PCS)材料包括超硬材料的晶粒块和超硬晶粒之间的间隙，其可以至少部分填充以填充剂或粘合剂材料，超硬晶粒的含量至少约材料体积百分数。晶粒可含有金刚石或立方氮化硼(cBN)。

Claims (25)

1.一种结构的制造方法，所述结构包括与细长基底的侧面连接的多晶超硬结构；所述方法包括：提供配置为超高压高温炉的容器，所述容器具有细长腔体，以容纳预烧结组件并限定纵向轴，所述腔体具有通过腔壁连接的相对的端部；所述预烧结组件包括所述基底、聚集体和间隔结构，所述聚集体包括多个超硬晶粒，所述超硬晶粒被配置在所述基底的至少一部分侧面上，所述间隔结构被配置为将所述基底与所述腔壁间隔开；所述间隔结构包括具有至少300GPa杨氏模量的材料；所述方法还包括将所述预烧结组件插入到所述腔体中，所述基底基本上为纵向对齐，并且所述间隔结构被配置在所述基底侧面和所述腔壁之间；将力施加至所述预烧结组件并加热其至一定温度，所述力足以在所述容器内产生压强以在所述温度下烧结所述聚集体，并提供所述结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述间隔结构为所述基底的整体部分。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述间隔结构与所述基底邻接。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述基底包括细长核体结构和限定所述基底的近端面的端盖，所述端盖向所述核体结构之外延伸一个横向伸展。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔结构被配置为与所述基底的端部整体形成的端部圆盘。
6.如权利要求1所述的方法，其中，中间结构存在于所述基底的至少一部分和所述间隔结构的至少一部分之间。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔结构与所述腔壁邻接。
8.如权利要求1所述的方法，其中，中间结构存在于所述间隔结构的至少一部分和所述腔壁的至少一部分之间。
9.如权利要求1所述的方法，所述方法包括使用多于一个的间隔结构，每个被配置在沿所述基底的各个不同的纵向位置。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔结构为环形。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述基底围绕中心纵向轴旋转对称。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔结构包括在至少1,000摄氏度的温度下具有至少300GP杨氏模量的材料。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔结构包括硬质金属。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔结构包括陶瓷材料。
15.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔结构包括镍基超合金材料。
16.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔结构包括超硬材料。
17.如权利要求1所述的方法，其中，所述多晶超硬结构包括多晶金刚石(PCD)材料、多晶立方氮化硼(PCBN)材料、碳化硅粘合金刚石(SCD)材料或包含超硬晶粒的硬质合金材料。
18.如权利要求1所述的方法，其中，所述聚集体包括晶粒和将所述晶粒粘合在一起的粘合剂材料。
19.如权利要求1所述的方法，其中，所述聚集体包括含有所述超硬晶粒的多个细丝或薄板。
20.如权利要求1所述的方法，包括提供含有所述超硬晶粒的颗粒，并相对所述基底结合和压缩所述颗粒。
21.如权利要求1所述的方法，其中，所述聚集体包括挤压体，其含有所述超硬晶粒。
22.如权利要求1所述的方法，其中，所述聚集体通过所述间隔结构与所述基底的至少一端分开。
23.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括加工所述超硬结构，以提供刀口。
24.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括将所述结构的一端钎焊至机架上。
25.如权利要求1所述的方法，包括为所述结构提供附接装置，用于与机架的附接。
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