CN105164086A - Pcbn材料，用于制造其的方法，包括其的工具以及使用其的方法 - Google Patents

Pcbn材料，用于制造其的方法，包括其的工具以及使用其的方法 Download PDF

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A·坎恩
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Element Six Ltd
Element Six Production Pty Ltd
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Abstract

本发明提供一种由分散在基体中的cBN颗粒构成的PCBN材料，cBN颗粒的含量为PCBN材料的约35至约70体积％的范围。基体包含至少一种含有铝(Al)的化合物和至少一种含有钛(Ti)的化合物。暴露在PCBN材料的表面的cBN颗粒的尺寸分布使得至少约50％百分比的总当量圆面积(ECA)源自最高5微米的cBN截距长度。至少约20百分比的总ECA源自大于约5微米的cBN截距长度。

Description

PCBN材料，用于制造其的方法，包括其的工具以及使用其的方法
本公开内容主要涉及多晶立方硼氮化物(PCBN)材料，用于制造PCBN材料的方法，包括其的切割元件和使用其的方法。
PCT专利申请公开号WO/2006/046128公开了一种CBN压块(compact)，用在硬化钢的连续、轻－断续和中等至严重断续的机械加工中，所述硬化钢例如表面硬化和滚珠轴承钢。一种公开的压块包含约45至约75体积百分比CBN颗粒，该颗粒具有多于一种平均颗粒尺寸且具有小于10微米、优选小于5微米的平均尺寸。该压块还包含第二硬化相，该第二硬化相包含一种或多种氮化物、碳－氮化物或特定的金属碳化物化合物，以及粘合剂相，该粘合剂相以该第二硬化相的约5至30质量百分比的量存在。该压块可以不超过(压块的)3体积百分比的量含有钨碳化物。
PCT专利申请公开号WO/2006/046124公开了制造用于制造CBN压块的粉末化原材料组合物的方法。该方法包括磨碎次级硬质材料的颗粒，粘合剂材料和CBN颗粒以生产混合物，在该混合物中次级硬质材料的颗粒和粘合剂材料是微细的(小)。CBN颗粒的平均尺寸可小于10微米，优选小于5微米。胶合的钨碳化物球可用于磨碎，其很可能引入不大于3体积百分比或小于3质量百分比钨碳化物到该粉末化的组合物。磨碎能够实现相比于其他碾磨方法在烧结的压块中更微细的颗粒和更佳的材料匀质性，可以实现包含纳米尺寸的颗粒的匀质混合物，该纳米尺寸的颗粒具有约200至约500纳米之间的平均颗粒尺寸。由所公开的方法实现的次级硬质颗粒的小尺寸很可能导致CBN压块的高强度。
美国专利号8148282公开了一种烧结的立方硼氮化物复合压块，其具有非cNBN部分，该压块包含约86至约90质量百分比cBN，非cBN部分主要由约10至约14质量百分比铝氮化物，铝二硼化物和其他铝的硼化物构成。该压块具有为至少双模态的cBN颗粒尺寸分布，且包含约80百分比尺寸范围为约10至约60微米的粗颗粒，和约20百分比尺寸范围约1至约12微米的微细微粒。
存在有对于包含PCBN材料的切割工具元件的需求，该切割工具元件具有增强的工作寿命，特别是、但非排他地当用于钢本体的中等程度(intermediate)断续机械加工时。
从第一方面来看，提供了一种PCBN材料，其由分散在基体中的cBN颗粒构成(换言之，基体是指包含于PCBN材料中的所有材料，除了cBN颗粒)，cBN颗粒的含量为PCBN材料的约35至约70体积百分比范围；基体包含至少一种含有铝(Al)的化合物和至少一种含有钛(Ti)的化合物；多个cBN表面与PCBN材料的基本上平面的表面毗连；其中cBN颗粒的尺寸分布为使得至少约50百分比的总当量圆面积(ECA)源自最高5微米的cBN截距长度；且至少约20百分比的总ECA源自大于5微米的cBN截距长度。
由于在测量在烧结的PCBN中cBN颗粒的实际尺寸分布中显著的可行性挑战，很可能会有帮助的是至少部分地从可以直接和简单地测量的且与cBN颗粒尺寸非常相关的数量方面表征尺寸分布。换言之，可能有帮助的是从可视作cBN尺寸分布的代替的一种或多种数量方面来表征在烧结的PCBN中cBN颗粒的尺寸分布。因此，所公开的PCBN材料将部分地从可简单地衍生自暴露在PCBN材料的表面的cBN颗粒的直接可测量尺度的数量的统计分布方面来表征，而无需复杂的立体校正(stereographiccorrection)。如下所述，这将从cBN颗粒的暴露截面(sections)的‘当量圆面积’方面、从足够大量的cBN截面的边缘上的点间的基本上随机的“截距长度”计算而完成。
每个ECA使用各自的截距长度计算，该截距长度为连接在cBN颗粒边界上的各自的任意的一对点的通常任意的直线段的长度，该边界与PCBN材料的表面毗连(换言之，相交或位于其上)。每个ECA计算为具有等于各自的截距长度的直径的圆的面积。总的ECA为所有的所有的多个ECA的总和，其从与各自的cBN颗粒相关的多个各自的截距长度计算(在本公开内容中且除非另有说明，截距长度会是指cBN截距长度，其与cBN颗粒相关)。在一些实例中，cBN面积可为贯穿相应cBN颗粒的截面。虽然一个具体给定的截距长度和相应的ECA将不太可能会太有用，但统计学上足够数量的任意划出的截距长度，以及相应地统计学上足够数量的相应的ECA可以提供与在烧结的PCBN本体中的cBN的颗粒的尺寸分布相关的信息；条件是截距和cBN颗粒是基本上随机地选择的。截距长度测量和相应的ECA计算的更多细节和非限制性实例将在提供了附图的说明后描述于下文。
对于PCBN材料设想多种组成和微结构方面，其非限制性和非穷举的实例描述于下文。
在一些实例中，cBN颗粒的含量可为PCBN材料的至少约27质量百分比或至少约40质量百分比。在一些实例中，cBN颗粒的含量可为PCBN材料的最多约62质量百分比或最多约50质量百分比。cBN含量可为PCBN材料的约27质量百分比至约62质量百分比。
在一些实例中，基体可包含基于钛碳氮化物或钛碳化物的材料；在一些实例中，基体可包含钛碳化物材料和或钛氮化物材料；在一些实例中，基体可包含铌、钽、钒或锆的碳化物和或碳氮化物和或氮化物化合物。这些材料中的任一种或多种(组合)的含量可为基体的至少约75质量百分比或至少约85质量百分比；和或为基体的最多约92质量百分比。例如，这些材料的任一种或任意组合的含量可为基体的约90质量百分比。
在一些实例中，基体可包含铝氮化物。基体可包含至少一种铝硼化物化合物和或钛二硼化物。
在一些实例中，基体可包含钛碳氮化物和铝氮化物，其中钛碳氮化物和铝氮化物的组合含量可为基体的至少约80质量百分比或至少约90质量百分比；和或组合含量可为基体的小于97质量百分比或最多95质量百分比。在一些实例中，钛碳氮化物的含量可为PCBN材料的至少约35质量百分比或至少约40质量百分比，在一些实例中，钛碳氮化物的含量可为PCBN材料的最多约50质量百分比。
在一些实例中，PCBN材料可含有包含于基体中的金属碳化物颗粒，金属碳化物颗粒的含量大于PCBN材料的3质量百分比，至少约4质量百分或至少约5质量百分比。例如，金属碳化物颗粒可含有钨碳化物或由钨碳化物构成。
在一些实例中，基体可包含多晶材料或由多晶材料构成，包含于基体材料的颗粒的平均尺寸为小于约1微米(在一些实例PCBN材料中，很可能会需要透射电子显微镜、TEM用于测量基体材料的颗粒尺寸)。在一些实例中，烧结基体材料的平均颗粒尺寸可为至少约50纳米(nm)，和或最多1000纳米(nm)。这可能是由于使用非常微细的原材料粉末用于生产基体材料，在一些实例中，粉末的平均颗粒尺寸可为最多约1微米。
在一些实例中，ECA和或截距长度频度分布可为双模态的。例如，一个模态可发生于小于约5微米，而另一模态可发生在约8微米至约10微米的范围。在一些实例中，ECA和或截距长度频度分布可为单模态的，具有单一模态(也可存在对应于基本上更小峰值的小的模态)。
所公开的PCBN材料将很可能适于具有至少约52HRc的洛氏C硬度的硬化钢的H05至H30硬态车削。例如，所公开的PCBN材料将可能适于该硬化钢的中等程度或H15硬态车削。
从第二方面来看提供了用于切割工具的刀片，其包含所公开的PCBN材料，且经构造以使得PCBN材料能够提供使用中的刀刃。该刀片可包括附着于毗邻刀片的工作表面的PCBN材料的边界的陶瓷膜(其还可称作涂层)。例如陶瓷膜可包含一种或多种化合物，包括钛、铝、氮和或硅。
从第三方面来看，可提供一种使用所公开的刀片的方法，该方法包括使用刀片来切割具有至少52HRc的洛氏硬度的钢。包含于本体内的钢可经构造以使得切割模式为断续的。连续切割与断续切割的比可为至少约50百分比和最多约95百分比。该方法可包括在H05至H30的硬态车削操作中使用刀片。例如该方法可包括在H15硬态车削操作中使用刀片。
从第四方面来看，提供制造所公开的PCBN材料的方法，该方法包括提供cBN聚集体，该cBN聚集体包含多个cBN颗粒，该颗粒具有相对于颗粒当量圆直径(ECD)的质量频度分布，该频度分布具有第一模态和第二模态，第一模态产生大于0微米且最多约3微米的ECD，第二模态产生大于3微米；其中具有大于0微米至最多3微米的ECD的cBN颗粒占cBN聚集体的至少约30百分比，具有大于3微米的ECD的cBN颗粒占cBN聚集体质量的至少约20百分比；组合cBN聚集体与铝(Al)源和钛(Ti)源、和或Ti和Al的源，以提供共混的聚集体；形成包含共混的聚集体的预烧结体，并使预烧结体经历足够高的压力和最够高的温度以提供由分散于烧结基体的cBN颗粒构成的PCBN材料，该基体包含至少一种含有铝(Al)的化合物和至少一种含有钛(Ti)的化合物；其中在共混的聚集体中的cBN颗粒质量足以使得在PCBN材料中的cBN颗粒的含量为PCBN材料的约35至约70体积百分比的范围。
由于原材料cBN颗粒可以基本上自由流动的粉末形式提供，可使用用于测量cBN原材料颗粒尺寸分布的各个方面的已知方法。如前所述，这与当cBN颗粒贯穿分散于硬质基体(cBN颗粒很可能非常牢固地粘合于该基体)时测量cBN颗粒尺寸分布的相对的难度相反。因此所公开的PCBN材料至少部分地从对于实际cBN尺寸分布的ECA代替型数量的统计分布方面来表征，其由基本上随机的穿过cBN颗粒的截距长度的总量计算。但是，一方面的在烧结的PCBN材料中的cBN颗粒的ECA分布和cBN原材料粉末的实际颗粒尺寸分布的给定方面的精确数学关系并未提供，这是因为这对于测量和表征PCBN材料的某些方面并非必须。因此，一方面在烧结的PCBN材料中的cBN颗粒尺寸分布的特征和一方面cBN原材料颗粒的特征是适宜地不同的。
在一些实例中，压力可为至少约4千兆帕(GPa)且温度可为至少约1000摄氏度。
在一些实例中，该方法可包括引入足够的金属碳化物材料到共混的聚集体，使得在PCBN材料中金属碳化物颗粒的含量大于PCBN材料的3质量百分比，至少约4质量百分比或至少约5质量百分比。
在一些实例中，在实例PCBN材料中所含的金属碳化物可源自混合、分散或使用研磨设备研细相对粗的cBN颗粒的工艺，该工艺可在制造实例PCBN材料的过程中实施。在一些实例中，制造实例PCBN材料的工艺可包括磨碎包含cBN颗粒的原材料粉末。研磨设备可包括用于接触cBN颗粒的胶合的钨碳化物元件，该元件很可能经历相对高程度的磨损，特别是由于在用于所公开的PCBN材料的原材料粉末中相对粗的cBN颗粒的相对高的含量。在一些实例中，作为研磨相对粗的cBN颗粒的直接结果的存在于PCBN材料中的金属碳化物材料的量可足以向实例PCBN材料中引入至少3质量百分比的金属碳化物材料。
在一些实例中，第二模态可发生在最多约20微米的ECD。
在一些实例中，Al源和或Ti源，和或Al和Ti(例如包含含有Al和Ti两者的化合物的材料，例如Al3Ti)可为粉末形式。
在一些实例中，该方法可包括通过磨碎装置共混cBN颗粒与Al源和Ti源、和或Al和Ti的源。
在一些实例中，该方法可包括：提供第一cBN聚集体和第二cBN聚集体，第一和第二cBN聚集体各包含多个cBN颗粒；第一cBN聚集体的体积平均ECD(D[4,3])大于0且最多约3微米，第二cBN聚集体的体积平均ECD大于约3微米。
在一些实例中，第二cBN聚集体的平均体积平均ECD可为最多约10微米，和或第一cBN聚集体的平均体积平均ECD可为最多约2微米。
在一些实例中，cBN颗粒的第一聚集体的平均比表面积可为至少约5平方米每克(m2/g)，和或cBN颗粒的第一聚集体的平均比表面积可为最多约0.5平方米每克(m2/g)。在一些实例中，cBN聚集体的平均比表面积可为最多约5平方米每克(m2/g)。
在一些实例中，第一cBN聚集体的质量与第二cBN聚集体的质量的比可为至少1:5和最多1:1。
下面将参照附图描述非限制性实例，其中：
图1显示实例PCBN材料的抛光表面的区域的示意性扫描电子显微照片，其中用于测量颗粒截距长度的线叠放在显微照片上；
图2A显示五个各自的实例PCBN材料的ECA分布相对于颗粒截距长度的五个图片(这些实例PCBN材料不落入权利要求的范围内)；
图2B和2C显示两个各自的实例PCBN材料的ECA分布相对于颗粒截距长度的图片；
图3显示用于制造实例PCBN材料的原材料粉末中的cBN颗粒的两个实例质量频度分布相对于当量圆直径(ECD)的图片；
图4显示包含实例PCBN的切割工具的工作寿命L(以车削测试中直至遇到寿命标准的终结的道次(pass)数表示)相对于与相对大的cBN颗粒(对应于大于5微米的截距长度)相关的加合的ECA的图片。
根据本公开内容的PCBN材料从当量圆面积(ECA)方面进行表征，该当量圆面积使用与暴露在PCBN材料的抛光表面的cBN颗粒表面相关的各自的截距长度计算。各截距长度是连接与PCBN材料表面毗连的暴露的cBN颗粒表面的边界上的一对点的假想的直线段的长度。ECA将作为具有等于截距长度的直径的圆的面积计算。用于测量的总ECA通过在所测量的所有截距长度上累积(integrating)(加合)ECA分布而获得。
该表面例如可通过切割或磨光PCBN材料而提供、或该表面可基本上为包含PCBN材料的制品的表面。
多个ECA可自PCBN材料的表面的放大图像，通过使用基本上随机选择的落在cBN颗粒的基本上随机选择的暴露表面上的各自的边界上的各自的点的对、测量多个截距长度而获得。截距长度的数量和相应地ECA的数量将足够大以对于从这些方面表征PCBN材料来说具有足够的统计学意义。在一些实例中，可以使用多于约1000个截距长度(和相应地ECA)。
多个截距长度可自实例PCBN材料的抛光表面、通过提供表面区域的电子显微镜图像并且随机穿过图像划出一条或多条直线而获得。这可通过手工或在软件程序的帮助下完成，例如图像分析软件。多个ECA可使用多个各自的截距长度计算。不同的截距长度很可能发生在不同的频度。截距长度频度分布可表示为所测量的截距长度落入某些截距长度区间(箱子(bin))的例子的数量，或为落入各区间的截距长度的组合的ECA。
实践中，最大截距长度值可分成一系列的相等的区间，或箱子，各个箱子具有上限和下限。各个所测量的截距长度可分配给一个箱子，使得截距长度大于箱子的下限且最多为箱子的上限。每个箱子可因此被分配多个所测量的截距长度，为对应于该箱子的截距长度的频度。所有所测量的截距长度的频度分布可相对于包含于箱子的截距长度的轴而用图表表示地作图。截距长度频度分布可通过将对应于各个箱子的截距长度频度值表达为通过加合所有的对应于所有的箱子的值所获得的总值的百分比而标准化。
各自的ECA频度可作为具有等于各个箱子的平均截距长度的直径的圆的面积而计算，并且将面积值乘以对应于该箱子的截距长度的频度值。与各个箱子相关的平均截距长度作为该箱子的上限和下限值的总和的一半而计算。各个箱子因此被分配对应于各自的箱子的多个ECA，因子是对应于各个箱子的数量或百分比频度。从所有的所测量的截距长度计算的所有的ECA的分布可相对于包含于箱子的截距长度的轴而用图表表示地作图。ECA频度分布可通过将对应于各个箱子的ECA频度值表达为总值的百分比而标准化，该总值通过将对应于所有的箱子的所有的值加合而获得。对应于小于或至少为某阀值的截距长度的总的ECA百分比可通过将分别对应于小于或至少为该阀值的截距长度的所有的ECA频度百分比加合而计算。
ECA频度分布可根据下述程序确定：
a)提供包含PCBN材料或由PCBN材料构成的本体。
b)通过切割贯穿PCBN材料、或通过提供已经具有基本上平面的表面的本体而提供PCBN材料的基本上平面的表面。
c)将表面抛光以适于通过电子显微镜获得表面的图像，获得PCBN表面的至少一处各自的区域的至少一个显微图像。
d)将至少选择该图像的放大倍数、分辨率以及对比度，使得暴露在表面的cBN材料可以与基体材料相区分，且至少约100cBN表面在该图像中是明显的。可使用数字或手工图像处理以增强区分度，条件是在图像上保持cBN表面形状(边界)的正确的长度标尺和完整性。
一旦已经提供了合适的图像，使用该一个或多个图像、手工地或通过图像处理和分析软件，实施下述测量。参照图1，其中cBN颗粒区域显示为黑色区域而基体显示为白色区域：
e)随机划出一条或多条直线L(真实的或假想的)穿过该一个或多个图像。
f)测量点a-b之间的各条线段的I的长度，在该点a-b处所述线与所有各自的cBN颗粒截面的边界相交，该线L穿过该边界，提供至少1000个截距长度的列表(可能需要使用多于一条线和多于一个图像)。
g)通过将各截距长度I分派给一系列连续的对应于截距长度的相等区间的箱子中的一个而提供多个频度分布，各箱子具有上限长度和下限长度。一对连续箱子中的一个具有5微米的上限而另一个箱子具有5微米的下限(所测量的5微米的截距长度分配给前一个箱子)。
h)针对各箱子计算各自的ECA，作为以该箱子的平均截距长度为直径的圆的面积(本公开内容中所用的当量圆面积的概念示意地示于图1，作为对应于连接在cBN颗粒的边界的点a-b的各自的截距长度I的圆EC)。
i)通过将对应于各箱子的ECA乘以落入该箱子的截距长度的频度(换言之，落入该箱子的所测量的截距长度的数量或百分比)而计算该截距长度箱子上的ECA分布。将所获得的面积值加合以提供对于该测量的总的ECA，对于各箱子计算各自的百分比面积值，其中各个面积值除以总面积值并表达为百分比。由此获得标准化的ECA频度分布。
j)通过加合各自的截距长度箱子上的各自的ECA值而计算对应于具有最高5微米的上限的所有箱子以及具有至少5微米的下限的所有箱子的ECA值的百分比。
由于使用上述程序并未对截距长度实施立体校正，截距长度和ECA频度分布将不直接提供贯穿分散于PCBN材料的体积中的cBN颗粒的实际尺寸分布。而是，使用它们作为与cBN颗粒尺寸分布相关的代替值，以用于表征根据本公开内容的PCBN材料。该方法具有如下优点：其可直接由PCBN表面的放大图像直接应用，无需要求复杂的图像分析程序，且避免了源自实施立体校正的数学复杂性。而且，根据本公开内容获得的分布可用于表征PCBN材料。
使用不同的cBN聚集体制造各种PCBN材料，其由不同的各自的cBN颗粒尺寸分布构成。所有的实例PCBN材料包含分散于基体的60体积百分比cBN颗粒，该基体包含钛碳氮化物和铝碳氮化物，以及约5至6质量百分比的钨碳化物颗粒(体积和质量百分比都为PCBN材料的百分比)。存在有少量的杂质，例如氧化物化合物。钛碳氮化物材料的含量为约铝氮化物材料的9倍，从基体的质量百分比方面来说。
各实例PCBN材料以盘的形式制造，其通过放电机械加工(EDM)来切割以提供贯穿该盘的各自的横截面表面。该截面表面被抛光且使用扫描电子显微镜(SEM)来获得各PCBN表面的放大图像。在各图像上随机划出直线，各直线穿过至少10个cBN颗粒表面并与各cBN颗粒的边界在两个点处相交，如图1所示。根据用于获得图像的放大倍数使用合适的长度标尺测量在各自的cBN颗粒的边界上的交叉点之间的截距长度。由此对各实例PCBN材料，获得至少约1000截面长度，并分配给十个截面长度箱子中的一个，每个箱子为1微米宽，且当随后结合时，对应于10微米的结合长度。由此获得在每个箱子内截距长度的所测量的例子的数量。对应于各箱子的ECA计算为具有等于对应于该箱子的平均截距长度的直径的圆的面积，在每个箱子中的例子的数量乘以相应的对应于该箱子的ECA以提供贯穿所有箱子的ECA分布。将ECA分布标准化，使得所有箱子的加合的总的结合ECA为100百分比。
图2A、2B和2C中所示的图片显示各种实例PCBN材料的ECA分布，其中当量圆面积A表达为百分比，应对于截距长度D的各自的箱子的每个。对应于具有5微米以下上限的箱子的加合的百分比ECA示于垂直虚线(与水平轴在5微米相交)的左手侧，对应于具有5微米以上下限的加合的百分比ECA示于垂直虚线的右手侧。
对应于示于图2A的图片的PCBN材料不落入权利要求的范围内，因为在这些实例中，基本上小于总的ECA的20百分比源自大于5微米的cBN截距长度。在四副图中，没有对应于大于5微米的截距长度的箱子实质上贡献于总的ECA，在图片之一中，对应于大于5微米且最高6微米的截距长度的箱子贡献约9百分比的PCBN材料的总的ECA。
对应于图2B和图2C的实例PCBN材料为根据本公开内容的PCBN材料的实例。包含于这些实例PCBN材料的cBN颗粒的尺寸分布为使得总ECA的各自约80百分比(图2B)和68百分比(图2C)源自最高5微米的cBN截距长度；且总ECA的各自约20百分比(图2B)和约32百分比(图2C)源自大于5微米的cBN截距长度。
将描述制造实例PCBN材料的非限制性实例方法。第一和第二基本上单模态的cBN聚集体由cBN颗粒构成，各具有单一的各自的模态且尺寸分布具有表1中所示的特征(其他小的模态可能存在，实质上小于基本模态)。在该具体实例中，第一和第二cBN聚集体以70:30的质量比组合以提供组合的双模态cBN聚集体。用于制造实例PCBN的两个实例cBN聚集体的质量尺寸分布示于图3。这些聚集体都是双模态的，在约1微米具有第一模态M1且在约7微米具有第二模态M2，限定第二模态的峰从颗粒尺寸方面来说基本上宽于限定第一模态的峰。
表1
包含Al3Ti材料的粉末通过以期望的质量比共混铝粉末和亚化学计量比的钛碳氮化物粉末，且在约1025摄氏度、在真空中加热共混的粉末共混物足以使粉末化学地反应以形成经反应的包含Al3Ti(钛碳氮化物粉末的亚化学计量为约0.8)、含有碳的化合物和含有氮含有氮的化合物的粉末。使用己烷溶剂和少量的分散剂材料，将经反应的粉末压碎，过筛并然后通过磨碎机研磨四小时。然后将cBN颗粒引入经研磨的粉末，并将组合的粉末进一步通过磨碎机研磨最高为最大1小时的各种时间段，所获得的浆料通过旋转蒸发器干燥以提供预烧结粉末共混物。该预烧结粉末共混物然后被压实以提供预烧结盘，其在1116摄氏度下脱气。将预烧结盘装进用于超高压炉(HPHT压力)的密封仓并在约约5千兆帕的压力和约1400摄氏度的温度下烧结以烧结粉末并提供包含试样PCBN的盘。其中基体包含钛碳化物或钛氮化物的PCBN材料可通过类似的工艺制造，包括使钛碳化物或钛氮化物各自与铝预反应。
如上所述地制造了包含于不同PCBN盘中的各种实例PCBN材料，区别在于包含于各自的PCBN聚集体中的cBN颗粒的各自的尺寸分布。切割PCBN盘并进行处理以提供具有根据国际标准ISO1832(第四版，2004年6月15日，“Indexableinsertsforcuttingtools-designation”，ISO2004，Geneva)的刃几何结构SNMN090308S02020的刀具刀片(在该命名系统下，可加索引的刀片的尺度和其他方面由包含至少9位符号的码指定)。
各刀具刀片在车削测试中测试(称作“drilled4340测试”)，其中刀具刀片在经选择以具有与H15硬车削的类似性的条件下，用于机械加工(车削)由硬化钢构成的本体。当由实例PCBN材料限定的刀具的刃已变得裂纹至裂纹伤疤的尺寸(平行于切割速度矢量地测量)大于刀面磨损伤疤(flankwearscar)的平均尺寸，或刀面磨损伤疤长度达到至少0.3毫米的程度时，终止各测试。这些情况中任一的产生是寿命标准的终结，其在相对突然的所测量的切割力的变化中可能是明显的。严重的刃裂纹可能先于形成0.3毫米(mm)的刀面磨损刀棱面尺度(flankwearlanddimension)之前发生。PCBN材料的性能可以达到寿命标准的终结所需要的道次数来报告，刀片寿命越长，PCBN材料在测试中的性能越好。期待该结果提供PCBN材料在涉及钢本体的断续切割的特定工业机械加工应用中的可能工作寿命的指示。
工件具有贯穿其体积的基本上相同的硬度(其也可称作“全部硬化”)，洛氏C硬度为约52至54HRC的范围，为根据AISI4340规格的硬化钢材料。相信该测试提供了PCBN材料在实际的许多应用中机械加工表面硬化钢(特别地，但非排他地)中的可能性能的合理的良好指示。该工件和切割条件经构造以使工具经历特定比例的连续和断续切割条件，该比例对于各切割周期(其可称作“道次”)基本上恒定。特别地，通过采用带有恒定表面速度控制的面车削方法，该比例贯穿测试保持基本上恒定。工件构造为具有均匀厚度的管壁的管以增强径向贯穿该壁(根据可硬化曲线)的硬化的均匀性。平行于管轴提供一系列的管中的孔，使得期待孔的直径和间距示出可能代表了工业中特定常规的硬车削操作的车削条件。所使用的车削参数为150米每分钟(m/min)的速度，0.1毫米(mm)的进料，0.2毫米(mm)的切割深度。
使用包括各种实例PCBN材料的刀具刀片的车削测试的结果示于图4，其中从直至寿命标准的终结的道次数方面来表示的刀具寿命L相对于对应于大于5微米的截距长度的加合的ECA百分比A作图。对于寿命L来说明显的趋势是随着该加合的ECA参数增加而增加，至少高达约35百分比的值。在物理方面，这表明特定数量的相对粗的cBN颗粒的存在具有有利的效果，至少在drilling4340测试所广泛地代表的车削应用中。
如果对应于最高5微米的截距长度的加合ECA基本上小于约50百分比，则PCBN材料的强度很可能太低和或对于特定应用的在工件上的表面精整太差。
如果对应于大于5微米的截距长度的加合ECA基本上小于约20百分比，则包含PCBN材料的刀具刀片的工作寿命将很可能没那么高，且在使用中PCBN材料的化学侵蚀抗性可能相对低。
由于包含相对小的cBN颗粒的PCBN通常用于硬车削应用，所以令人吃惊的是，尽管存在相对粗的cBN颗粒，所公开的PCBN材料看起来具有对于实施硬车削来说足够的强度。还令人吃惊的是，所公开的方法(其中相对粗的原材料cBN颗粒存在于原材料粉末共混物中)看起来基本上保持了粗cBN颗粒部分直到所烧结的PCBN材料产品(磨碎是高程度的粉末研磨方法且将很可能导致较高量的金属碳化物材料自研磨元件被磨损且引入到原材料粉末共混物)。
另一实例PCBN材料可包括约35体积百分比cBN颗粒(在该特定实例中，PCBN材料的约27质量百分比)，约60至约62质量百分比钛碳氮化物材料和约3质量百分比至约5质量百分比含有铝的化合物，例如氮化铝。基体的余量可包含约3质量百分比至约6质量百分比的钨碳化物材料。
另一实例PCBN材料可包含约70体积百分比cBN颗粒(在该特定实例中，PCBN材料的约62质量百分比)，约30质量百分比的钛碳氮化物材料和最高约3质量百分比含有铝的化合物，例如氮化铝。基体的余量可包含约3质量百分比至约6质量百分比的钨碳化物材料。
PCBN可分为两个大组，即“低cBN”和“高cBN”，其中cBN含量各自为约30至70体积百分比和约70至95体积百分比。PCBN工具刀片用于机械加工三大组的材料，即硬化钢(“硬车削”)，在相对较软的基体中包含硬质颗粒的烧结的粉末金属，以及灰和硬铸铁。断续切割的程度可按照自H5至H30的增加的断续严重程度等级而分级。高CBN材料很可能用于涉及较高程度的断续切割的操作，其可由于工件的形状特征或其包含的材料而发生。较高cBN含量和较低平均cBN颗粒尺寸倾向于导致更强的PCBN，这对于断续操作是特别重要的。
尽管cBN与铁类金属是较不反应性的，包含于PCBN材料中的CBN颗粒的化学侵蚀很可能在连续机械加工中达到的高温下是明显的。因此，包含相对高含量的cBN颗粒的高PCBN很可能用于例如断续机械加工的操作中，其中工具刀片材料需要相对较强且在相对高温下保持其硬度。包含相对较低含量的cBN颗粒的PCBN材料很可能用于例如连续机械加工的操作中，其中工具刀片材料需要相对能抵抗化学侵蚀。包含相对大的cBN颗粒的PCBN材料的强度通常很可能低于包含相对小(微细)cBN颗粒的PCBN材料的强度，其他相等(当cBN含量相对高时，这是特别明显的)。因此，微细颗粒PCBN很可能更强且产生比较粗颗粒PCBN材料更好的工件表面精整。但是更微细的颗粒化的PCBN很可能更易于受到化学侵蚀的影响，由于每单位体积PCBN材料更高的cBN颗粒表面积，其他相等。总之，因此，一方面，包含高含量的微细cBN颗粒的PCBN很可能适于严重断续的机械加工，而另一方面包含低含量的较粗cBN颗粒的PCBN很可能适于快速连续机械加工(条件是cBN颗粒尺寸对于所要实现的表面精整来说足够小)。
一般来说，可期待包含相对粗的cBN颗粒的PCBN材料会导致在一些应用中过差的工件表面精整。因此，包含于用于机械加工操作的PCBN材料中的cBN不倾向于基本上大于约4微米，且商业上最常使用的PCBN材料包含约1微米至约2微米的cBN颗粒。
涉及一定程度断续切割且连同高机械加工速度的中等程度机械加工操作给设计PCBN材料带来挑战。在一些应用中，例如，在其中PCBN材料用于在中等程度断续模式(在所谓的“drilled43/40”中成为特征)中机械加工硬化钢的应用中，倾向于存在一定程度的包含于PCBN中的cBN的化学侵蚀以及磨损。在该应用中的重要的失败模式是碎落(chipping)，认为其是由于化学(焊口(crater))侵蚀和与工件的断续性质相关的影响的组合。
包含所公开的PCBN材料的刀具刀片可用于机械加工硬化钢，其具有至少约52HRC(洛氏硬度等级C)的硬度。该公开的PCBN材料可具有对化学侵蚀的抵抗、高刚性和高强度的良好组合。
本文中所使用的特定术语和概念在下文中简单解释。
本文所用的分布的模态是局部极大值，在包含该模态的范围中，与其他数值相比在数据中更频繁地产生。视觉上，尺寸分布图中的模态将作为峰是明显的。例如，在单模态分布中，仅有一个峰是明显的，且没有局部极大值，或其他峰仅非常微小且为非实质的；在双模态分布中，有且仅有两个明显的峰，其中一个可为全局最大值，且另一个为局部极大值，或两者在频度上基本上相等。通常，多模态分布包含至少两个模态。
本文所使用的多个松散、非粘合且非聚集的颗粒的ECD分布可通过激光衍射测量，其中颗粒随机放置于入射光的路径上，并测量源自由于颗粒导致的光衍射的衍射图形。衍射图形可数学地解读，如同其由多个球形颗粒产生，该球形颗粒的直径分布从ECD方面计算并报告。颗粒尺寸分布的方面可以使用各种术语和符号以各种统计学性能来表达。该术语的特定实例包括平均、中值和模态。尺寸分布可认为是对应于一系列各自的尺寸通道(sizechannel)的一组值Di，其中各Di为对应于各自的通道i的几何平均ECD值，为从1到所用通道的数n的范围中的整数。
通过激光衍射方法获得的平均值可最易于基于颗粒体积分布而表达，根据熟知的数学公式，体积平均可表示为D[4,3]。该结果可转化成表面积分布，根据熟知的公式其平均为D[3,2]。除非另有明示，用于本发明中的尺寸分布的平均值是指基于体积的平均D[4,3]。尺寸分布的中值D50是将多个颗粒分成两相等部分的值，一部分由具有超过该值的ECD尺寸的颗粒构成，另一半具有最多为该值的ECD尺寸。尺寸分布的模态为对应于颗粒最高频度的值，其能够具体化为分布的峰(分布可包含多于一个局部极大频度且认为是多模态的)。可以提供各种其他值d(y)，其表达如下的尺寸：多个颗粒的部分y在分布中低于该尺寸。例如，d(0.9)是指如下的ECD尺寸，即90百分比的颗粒存在于其以下，d(0.5)是指如下的ECD尺寸，即50百分比的颗粒存在于其以下，且d(0.1)是指如下的ECD尺寸，即10百分比的颗粒存在于其以下。

Claims (25)

1.一种由分散在基体中的cBN颗粒构成的PCBN材料，cBN颗粒的含量为PCBN材料的约35-约70体积百分比的范围；该基体包含至少一种含有铝(Al)的化合物和至少一种含有钛(Ti)的化合物；多个cBN颗粒的表面与PCBN材料的基本上平面的表面毗连；其中cBN颗粒的尺寸分布为使得至少约50百分比的总当量圆面积(ECA)源自最高5微米的cBN截距长度；且至少约20百分比的总ECA源自大于5微米的cBN截距长度。
2.权利要求1所述的PCBN材料，其中基体包含一种或多种钛碳氮化物，钛碳化物或钛氮化物。
3.权利要求1或2所述的PCBN材料，其中基体包含铝氮化物和至少一种铝硼化物化合物。
4.前述权利要求中任一项所述的PCBN材料，其中基体包含钛碳氮化物和铝氮化物，其中钛碳氮化物和铝氮化物的组合含量为基体的至少约80质量百分比。
5.前述权利要求中任一项所述的PCBN材料，其中基体包含铌、钽、钒或锆的碳化物、碳氮化物或氮化物化合物。
6.前述权利要求中任一项所述的PCBN材料，其中基体含有钨碳化物颗粒，钨碳化物颗粒的含量大于PCBN材料的3质量百分比。
7.权利要求5所述的PCBN材料，其中金属碳化物颗粒包含钨碳化物，钒碳化物，钼碳化物，钽碳化物或铬碳化物。
8.前述权利要求中任一项所述的PCBN材料，其中基体包含多晶材料，该多晶材料具有至少50纳米(nm)且最多1000纳米(nm)的平均颗粒尺寸。
9.用于切割工具的刀片，其包含前述权利要求中任一项所述的PCBN材料，经构造以使得PCBN材料能够提供使用中的刀刃。
10.使用权利要求9所述的刀片的方法，该方法包括使用刀片来切割具有至少52HRc的洛氏C硬度的钢。
11.权利要求10所述的方法，其中所述钢包含于经构造以使得切割模式为断续的本体中。
12.权利要求11所述的方法，其中连续切割与断续切割的比为至少约50百分比和最多约95百分比。
13.一种制造权利要求1-8中任一项所述的PCBN材料的方法，所述方法包括：
提供cBN聚集体，该聚集体包含多个cBN颗粒，该颗粒具有相对于颗粒当量圆直径(ECD)的质量频度分布，该频度分布具有第一模态和第二模态，第一模态产生大于0微米且最多约3微米的ECD，第二模态产生大于3微米；其中具有大于0微米至最多3微米的ECD的cBN颗粒占cBN聚集体的至少30百分比，且具有大于3微米的ECD的cBN颗粒占cBN聚集体质量的至少20百分比；
组合cBN聚集体与铝(Al)源和钛(Ti)源，或Al和Ti的源，以提供共混的聚集体；
形成包含共混的聚集体的预烧结体并使预烧结体经历足够高的压力和足够高的温度，以提供由分散于烧结基体的cBN颗粒构成的PCBN材料，该烧结基体包含至少一种含有铝(Al)的化合物和至少一种含有钛(Ti)的化合物；
其中在共混的聚集体中的cBN颗粒的质量足以使得在PCBN材料中的cBN颗粒的含量为PCBN材料的约35至约70体积百分比的范围。
14.权利要求13所述的方法，包括将足够的金属碳化物材料引入到共混的聚集体，使得在PCBN材料中的金属碳化物颗粒含量大于3质量百分比。
15.权利要求13或14所述的方法，其中第二模态在最多约20微米的ECD下产生。
16.权利要求13－15中任一项所述的方法，其中Al源为粉末形式。
17.权利要求13－16中任一项所述的方法，其中Ti源为粉末形式。
18.权利要求13－17中任一项所述的方法，包括通过磨碎装置共混cBN颗粒与Al源和Ti源、和或Al和Ti的源。
19.权利要求13－18中任一项所述的方法，包括提供第一cBN聚集体和第二cBN聚集体，第一和第二cBN聚集体各包含各自的多个cBN颗粒；第一cBN聚集体的体积平均ECD(D[4,3])大于0且最多约3微米，第二cBN聚集体的体积平均ECD大于约3微米。
20.权利要求19所述的方法，其中第二cBN聚集体的平均体积平均ECD为最多约15微米。
21.权利要求19或20所述的方法，其中第一cBN聚集体的平均体积平均ECD为最多约2微米。
22.权利要求19－21中任一项所述的方法，其中cBN颗粒的第一聚集体的平均比表面积为至少约5平方米每克(m2/g)。
23.权利要求19－22中任一项所述的方法，其中cBN颗粒的第一聚集体的平均比表面积为最多约0.5平方米每克(m2/g)。
24.权利要求14－23中任一项所述的方法，其中cBN聚集体的平均比表面积为最多约5平方米每克(m2/g)。
25.权利要求19－24中任一项所述的方法，其中第一cBN聚集体的质量与第二cBN聚集体的质量的比为至少1：5和最多1：1。
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