CN1155447C - 基于多孔立方晶系氮化硼的材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造PcBN切削工具镶块的方法，该方法包括：混合cBN和一种或多种hBN，TiC，TiN，Ti(C，N)，WC，W，C，Co，Co2Al9，Al，AlN，Al2O3与液体和一种压模剂以形成具有所需组成的均匀浆液；形成粉末团块；形成具有所需尺寸和密度的物体；除去压模剂；通过在真空中将温度提高到1000-1350℃；以及固态烧结所述的物体以形成35-55vol-%的孔隙率的物体；可选择地，在保持时间内、或者在冷却期间向烧结气氛中加入0.5-1000毫巴的氮；HP/HT处理所述的多孔物体，以形成所需形状和尺寸的致密体。
Description
本发明涉及一种制造具有切削刃的工具的方法，该切削刃是用多结晶立方晶系氮化硼(PCBN)所形成的，并粘结到硬质合金或金属陶瓷主体上。
具有由超硬磨料，如基于立方晶系氮化硼(cBN)的材料所形成的切削刃的切削工具是通过粉末冶金技术制造的，并且，主要用于铸铁和淬硬钢的机加工。对于铸铁而言，使用了具有80-100wt％cBN的韧性材料，而对于淬硬钢而言，则添加了10-50wt％的TiC，TiN或Ti(C，N)。这种材料降低了韧性但极大地提高了材料的化学稳定性。最为常见的情况是，该PCBN材料还含有较少量的(一般情况下每种＜10wt％，总共＜25wt％)其他组分，如Co，Ni，WC，Al，AlN，Al2Co9和Al2O3。这些材料或是加入到原材料粉末中，或是在加工中获得。
PCBN切割工具主要是通过两种不同的方式生产的：
i)通过高压/高温(HP/HT)烧结PCBN粉末混合物至固体，该固体被切割并研磨至最终的切割工具镶块。
ii)通过HP/HT烧结PCBN粉末的薄层，同时，该PCBN粉末的薄层粘结到基材(通常为硬质合金圆盘)上，从该圆盘上将较小的片(小片(chip))切下来。这些小片被钎焊到常规的硬质合金工具(如镶刃式工具(insert)、立铣刀(end-mill)、钻头(drill))上，并研磨至最终的状态。生产这些工具相对较为昂贵，因为在产品完成之前需要经历很多步骤。而且，通常每一件工具仅可获得一个或两个切削刃。
从US 5,676,496可知一种以成本上更为有效的方式生产PCBN切削工具镶块(cutting tool inserts)的技术。这种技术可以通过将硬质合金或金属陶瓷基片置于一个容器中，然后将PCBN粉末装填入在该基片上适当设置的槽中。然后，将该容器HP/HT烧结，使得该PCBN粉末熔凝(consolidate)为完全的致密体，并同时粘结到该基材上。然后，该基材/PCBN化合物可以直接被研磨成切削工具镶块。采用此技术的主要优点是：
1.除去了钎焊步骤。
2.以有限的生产成本的增加来增加每一片镶块的切削刃的数量。
尽管所描述的方法导致了每一个切削刃的成本的显著下降，但是，该方法有一个主要的缺点，即，原则上，将PCBN粉末装填到槽中必须手工进行。PCBN粉末流动性差加之所需要的槽的几何形状，使得自动加工不可靠。且不说对健康明显有害，手工装填将导致PCBN粉末的装填密度不均匀和过度地暴露在氧气下。不均匀的装填密度使得有必要选取比所需的要大一些的槽尺寸，以保证所获得的PCBN的量总是足够的。小心控制PCBN粉末中的氧含量对于HP/HT烧结来说是关键性的，这是因为过量的氧对熔凝过程有不利的影响。原则上，人们愿意采用高的并且高再现性的装填密度并使得在处理和存储过程中的氧吸收(pickup)最小化。
图1-4说明了本发明。
的确惊人的发现是基于cBN材料的生坯可以在真空烧结工艺中在相对高的温度下被预烧结，获得具有合理强度和明确形状的多孔体。采用适当选择的烧结条件，这种材料不经历不利于后续HP/HT烧结或切削工具性能的相转变。尤其是，可以避免亚稳态的cBN晶粒过度相转变成如六方晶系氮化硼(hCB)或金属硼化物和氮化物。此外，预烧结步骤可以被设计为包括生坯的脱蜡、除氧和可选择的氮的硝化。
在本发明的一个方面，提供了一种预烧结的多孔的、孔隙率35-55vol-％的cBN，包括尤其适合于进一步HP/HT烧结的材料，其中，该材料具有如下特性：
1.可以使用常规的自动工具压制技术，制成具有精密公差和高再现性生坯密度的各种复杂形状。
2.具有适于自动装配的足够强度，例如与硬质合金基材一起装入合适的容器。
3.在HP/HT烧结期间，该多孔材料因足够脆弱而坍塌，没有留下残余的裂缝和裂纹，并且基本上没有残余的孔隙率。
4.该材料具有低而且稳定的氧含量(典型地＜0.6wt％)，便于在较长的时间内以较低的氧吸收来贮藏，且容易处理。
在本发明的第二个方面，提供了一种制备上述材料的粉末冶金方法，包括如下步骤：
1.混合原材料，如，cBN和一种或多种hBN(六方晶系氮化硼)，TiC，TiN，Ti(C，N)，WC，W，C，Co，Co2Al9，Al，AlN，Al2O3与液体(如乙醇)和一种压模剂(pressing agent)(如聚乙二醇，PEG)以形成具有所需组成的均匀浆液。TiC+TiN+Ti(C，N)的量＜50wt-％，其他添加物的量＜25wt-％。
2.形成粉末团块，典型地直径为100μm，优选采用喷雾干燥技术。
3.采用常规的工具压制技术，形成具有所需尺寸和密度的生坯。
4.在适合于所选压模剂的温度和气氛下(优选200-400℃、在用于PEG的流动的氢中)从生坯中除去压模剂。
5.通过在真空中将温度提高到1000-1350℃，从原材料晶粒中除去氧。
6.以1000-1350℃的温度在真空中固态烧结该材料1-90分钟，得到所需的强度。
7.可选择地，在烧结时间内、或者在冷却期间向烧结气氛中加入0.5-1000毫巴的氮，以补偿在除氧过程中造成的填隙元素的损失。
8.使经烧结的多孔体经受HP/HT处理，获得所需形状和尺寸的致密PcBN体，如切削工具镶块。在此处理期间，该多孔体可以与硬质合金或金属陶瓷的烧结体相接触，并且，在该HP/HT处理期间，与其相粘结而形成一个复合体，例如一种切削工具。
很明显，根据本发明的方法可以用来制造如US 5,676,496以外的其他类型的镶块，以及具有复杂形状的固体PCBN工具或工具体，如具有断屑槽或具有用于夹紧的中央孔的镶块。
实施例1
按照本发明制备如US 5,676,496的切削工具镶块。首先，将57wt％cBN，35wt％Ti(C0.5，N0.5)和8wt％Co2Al9用磨碎机采用硬质合金研磨体研磨60分钟，得到均匀的粉末混合物。然后，加入6.5wt％聚乙二醇，PEG，将粉末与乙醇混合成均匀的浆液。采用喷雾干燥技术干燥该浆液至具有平均团块尺寸为约100μm并具有良好流动特性的粉末。采用常规工具压制技术，将该粉末被压制成具有所需尺寸的体。该压制是在最高可能但不危害压制工具的压制压力下进行，以达到高的生坯密度。将该压模剂在200-320℃的流动的氢中从生坯中除去。在真空中，将温度以10℃/分钟上升至1050℃，然后，在真空中，进一步地以2℃/分钟上升至1300℃。在温度急升期间，氧以一氧化碳的形式离开生坯，其中还有一些氮的损失。该材料的固态烧结在真空中于1300℃下进行30分钟。然后，在流动的氩气下，将炉冷却至室温。
在固态烧结之后，测量该物体的尺寸和密度。尺寸稍大于生坯，对应于约1％的线性膨胀。与生坯的2.50g/cm3比较，密度为2.33g/cm3。这对应于6.5wt％PEG和0.7wt％一氧化碳和氮的损失。考虑到具有上述组成的完全致密体的理论密度为3.93g/cm3，包括不可避免的来自研磨体的碳化钨(WC)和钴(Co)的吸收，固态烧结体的密度对应于对应于41vol％的孔隙率。对于除去了压模剂的工具压制体而言，这是一个相对低的值，可能是因为使用了高的压制压力。典型的用于如工具-压制硬质金属体的值介于35-60vol％的孔隙率。
由于0.7wt％的填隙物的损失，与孔隙率相联系的晶粒表面将会是高度亚化学计量的。这可能会成为问题，因为这些表面在长期的存贮过程中可能再氧化。然而，通过向烧结气氛中添加氮、优选在温度保持阶段的最后添加，这些表面将被氮化并以此方式增加了化学计量成分。这样，显著地降低了再氧化的风险。
然后，将该烧结PCBN体用于制造如图1-4所示的切削工具镶块，图中显示了按照上述US 5,676,496的镶块的制造。
图1显示所获得的预烧结体。这个特定的物体为具有复杂截面的圆柱体状，良好配合图2所示硬质合金基材的槽，图2显示了欲用于生产具有六个PCBN切削刃的切削工具镶块的烧结硬质合金基材。三个槽沿周边对称设置。从每一个槽获得两个切削刃，在基材的每一侧各一个。
将预烧结体置于图2的硬质合金基材的槽中，将其放入容器中，在50千巴和1450℃下HP/HT处理约20分钟。图3显示HP/HT烧结和从顶侧除去容器材料之后基材和PCBN坯件。被置于槽中的多孔预烧结体已坍塌在槽中，并形成完全致密的PCBN材料，牢固地粘结于槽的内壁。最后，将坯料研磨成有六个切削刃的WMGA形镶块，如图4。
Claims (3)
1、制造多结晶立方晶系氮化硼切削工具镶块的方法，其特征在于，
-混合原材料，即，立方晶系氮化硼和一种或多种六方晶系氮化硼，TiC，TiN，Ti(C，N)，WC，W，C，Co，Co2Al9，Al，AlN，Al2O3与液体(如乙醇)和一种压模剂(如聚乙二醇)以形成具有所需组成的均匀浆液；
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-采用常规的工具压制技术，形成具有所需尺寸和密度的物体；
-在适合的温度和气氛下从所述的物体中除去压模剂；
-通过在真空中将温度提高到1000-1350℃；
-在真空中于1000-1350℃下固态烧结所述的物体1-90分钟，以形成35-55体积％的孔隙率的物体；
-可选择地，在保持时间内、或者在冷却期间向烧结气氛中加入0.5-1000毫巴的氮；
-高压/高温处理所述的多孔物体，以形成所需形状和尺寸的致密体。
2、如前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述的多孔PCBN物体与硬质合金或金属陶瓷体接触放置，并且通过高压/高温处理而粘结于其上。
3、PCBN体，其特征在于，是通过粉末冶金方法混合、压制和烧结制成的，并具有35-55体积％的孔隙率。
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