CN1240641C - 高耐缩孔性的高强度烧结体 - Google Patents

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Abstract

一种烧结体，它包含高压相型氮化硼和结合材料。高压相型氮化硼的体积为50%-78%，其余部分为结合相。该结合相是选自Ti的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物；Al的氮化物、硼化物、氧化物；W的碳化物、硼化物；Co的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物；Ni的碳化物、硼化物中的至少1种或相互固溶体。该结合相在烧结体组织中呈连续的。且，在烧结体中以化合物存在的Al、W、Co和/或Ni的金属成分的重量在烧结体中为3%-20%。烧结体如同硬化钢高速断续切削一样，其切削速度V超过150m/min时，即使刃部温度高，撞击大，但它仍具有优异的耐缩孔性的特性，并能延长使用寿命。

Description

高耐缩孔性的高强度烧结体
                         技术领域
本发明涉及高耐缩孔性的高强度烧结体。尤其是在耐磨性和耐缺损性方面有改良的、切削工具用的高压相型氮化硼基烧结体。
                         背景技术
立方晶氮化硼(以下称cBN)所代表的高压相型氮化硼是仅次于钻石的高硬度物质，cBN烧结体通常用于各种切削工具、耐磨零件、耐冲击零件等方面。
在这种烧结体中，硬度和强度难以并立，而以其并立为目的的现有技术有，例如特公昭62-25630号公报、特公昭62-25631号公报、特开平5-186272号公报。这些公报所描述的烧结体均具有优异的耐缺损性，且用硬化钢的断续切削时显示其优异的性能，但是切削条件中的切削速度V仅为100m/min左右。
即使是这种烧结体，在实际应用时，如同硬化钢高速断续切削一样，其切削速度V超过150m/min时，刃部温度升高，冲击变大，这时，缩孔磨损大，产生缩孔部分的龟裂，使用寿命变短以至达到缺损。
                         发明内容
因此，本发明的主要目的在于提供一种烧结体，该烧结体如同硬化钢高速断续切削一样，即使其刃部温度升高，冲击增大，它仍具有优异的耐缩孔性的特性，且使用寿命长。
本发明的高耐缩孔性的高强度烧结体是一种包含高压相型氮化硼和结合材料的高耐缩孔性的高强度烧结体。在烧结体中，高压相型氮化硼所占体积为50％-78％，其余部分为结合相。该结合相是选自Ti的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物；Al的氮化物、硼化物、氧化物；W的碳化物、硼化物；Co的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物；Ni的碳化物、硼化物中的至少一种或相互固溶体。该结合相在烧结体组织中是连续的。烧结体中以化合物存在的Al、W、Co、Ni的金属成分在烧结体中的重量为3％-20％。这些化合物构成结合相。此外，不言而喻，本发明烧结体中不可避免地含有杂质，这对本发明没有影响。
                     附图说明
图1为具有优异强度及耐热性的重量比[W/(W+Co+Ni)]和重量比[Co/(Co+Ni)]范围的示意图。
                   具体实施方式
如同硬化钢的高速断续切削一样，在实际应用中会出现刃部温度升高，耐缩孔磨耗快，耐缩孔部分发生龟裂以至缺损，这是因为由于高温，使结合相的强度降低，又由于刃部的冲击，使结合相发生微细龟裂或者在高压相型氮化硼和结合相的界面处产生微细龟裂，这种龟裂受冲击的影响而使其加重，以至刃部缺损。
对于烧结体来说，高压相型氮化硼的量其所占体积为50％-78％，如60％-75％，尤其为63％-72％。若体积低于50％，烧结体的硬度降低，高压相型氮化硼基烧结体的特征减弱，使用寿命变短。若体积高于78％，结合相的量减少，高压相型氮化硼和结合相的结合强度减弱，烧结体的强度降低。
结合相是选自Ti的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物；Al的氮化物、硼化物、氧化物、W的碳化物、硼化物；Co的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物、Ni的碳化物、硼化物中的至少一种或其相互固溶体，结合相在烧结体组织中呈连续的。
如此构成的结合相，不仅在高温强烈冲击的应用中，它的强度加大，而且与高压相型氮化硼的结合力大，烧结体的强度大。在高温冲击时，结合相的微细龟裂产生少，龟裂很难发展扩大。由于结合相呈连续状态，高压相型氮化硼与结合相的结合力，维持高压相型氮化硼的能力会提高。
在烧结体中以化合物存在的Al、W、Co和Ni的金属成分的总量在烧结体中为3重量％-20重量％，例如5-15重量％，尤其为5-12重量％。在制造烧结体的烧结工序中，这些Al、W、Co、Ni化合物被包含于结合材料中，其中的金属成分与高压相型氮化硼反应而生成，或者包含在结合材料中。这些化合物具有提高高压相型氮化硼和结合相界面的结合强度或提高结合相的强度效果。
这些化合物中的Al、W、Co、Ni金属成分的总量，若低于3重量％，所述的效果小，烧结体的强度降低。但是若高于20重量％，烧结体的耐热性降低，故不作优选。
以化合物存在的Al金属成分的重量为烧结体的2重量％-10重量％，例如优选4-8重量％。尤其是A1与高压相型氮化硼之间的反应性高，有提高结合强度的效果。Al是易于被氧化的元素，有时观察到在烧结体中生成Al2O3。
在烧结体中以化合物存在的W、Co和Ni的金属成分的总量为烧结体的1重量％-10重量％，例如优选5-7重量％。W、Co和Ni与高压相型氮化硼或其它物质反应，考虑在提高结合强度的同时，Ti的氮化物、碳化物、碳氮化物进行固溶，强化结合相。
W、Co、Ni的重量比[W/(W+Co+Ni)]为0.2-0.6，例如优选0.2-0.4，并且和/或[Co/(Co+Ni)]为0.6-0.95，例如优选0.75-0.95。从W、Co、Ni的重量比可以推断在烧结体中生成的W、Co、Ni的化合物若发生变化，其强度或耐热性也随之发生变化。W、Co、Ni的总量在图1斜线所示的范围内，则其烧结体的强度及耐热性更为优异。
在混合、粉碎工序中，W、Co、Ni、WC等是从硬质合金制的球体中混入而含有的。因此，混合、粉碎的时间和所述金属等的混入量是成比例的，所以事先要预测其混入量。将没有达到目标量的所述金属的量通过添加粉末能获得本发明的烧结体。
高压相型氮化硼可以用被覆材料，尤其可以用无机物质包覆。此种被覆材料优选选自Ti的氮化物、硼化物；Al的氮化物、硼化物中的至少1种或相互固溶体。被覆膜的厚度为1nm-500nm，例如也可为10nm-100nm。为了进行包覆，可以利用化学气相合成法(CVD)、物理气相合成法(PVD)、  非电解电镀等。被覆材料具有提高高压相型氮化硼和结合相的结合力的效果。
在至少含有100个以上的高压相型氮化硼粒子的任意部分中，优选烧结体具有的组织结构是，高压相型氮化硼粒子之间直接接触的高压相型氮化硼粒子的数量之比为0.1％-20％，例如0.2-10％。
通过超高压装置，将结合材料的粉末和cBN粉末混合，在压力为3-10GPa，温度为700-2000℃的条件下，进行加压烧结10-120分而制得烧结体。
实施例
下面以实施例具体说明本发明。
实施例1
将表1中所示的Ti的碳化物或氮化物、碳氮化物的粉末和Al粉混合，使其在1000℃的真空炉中保持30分钟。用球磨机使之粉碎，得到结合材的粉末。
当用XRD(X射线衍射)法检测结合材料的粉末时，检出Ti的碳化物或氮化物、Ti2AlN、TiAl3、TiAl。结合材料粉末的组成与原成分的粉末相同。
在这种结合材料中，用各种配比混合平均粒径为4.3μm的cBN粉末和W粉末、WC粉末、Co粉末、Ni粉末，在1000℃的真空炉中保持20分钟，除气。再将该粉末在压力为4.5GPa、1400℃的条件下烧结30分钟。
用XRD(X射线衍射)法检测如此得到的烧结体，被检测到的化合物示于表1。用原子发射光谱测定法，测定以化合物存在的Al、W、Co、Ni金属成分在烧结体中的总重量％和在cBN的烧结体中的体积％，并将其结果示于表1中。观察这些烧结体的组织，结合相是连续的。在本说明书中，所说「结合相呈连续的」是指cBN粒子由结合相所维持。换言之，用氟代硝酸在酸不蒸发的密闭容器中除去结合相，意味着失去原来烧结体的形状。
由烧结体制成工具(ISO型号：SNGN160408)，在下列条件下，在硬化钢高速断续切削到缺损以检测该工具的使用寿命。其检测结果示于表1。
被切削材料：渗碳硬化钢SCM415、HRC61
            120×280L，在被切削材料的轴方向上有6条呈V形的沟
切削条件：切削速度：V＝205m/min、深度：d＝0.295mm
          送刀速度：f＝0.115mm/rev、DRY
                                                表1
  No.   结合材料   cBN的体积％  用XRD检测烧结体中的化合物    Al、W、Co、Ni在烧结体中的总重量％ 缺损的寿命(分)
  1-1   TiN0.690wt％Al 10wt％   59  cBN，TiN，TiB2，AlN，AlB2，Al2O3，W2Co21B6，Co2B     9     36
  1-2   TiC0.790wt％Al 10wt％   72  cBN，TiC，TiB2，AlN，AlB2，Al2O3，WC，W2Co21B6，Co2B     5     38
  1-3   Ti(CN)0.685wt％Al 15wt％   51  cBN，TiCN，TiB2，AlN，AlB2，Al2O3，W2Co21B6，Co2B     13     31
  1-4   TiN0.792wt％Al 8wt％   77  cBN，TiN，TiB2，AlN，AlB2，Al2O3，W2B5，Co2B，Co2N，Ni2B     6     35
  1-5   TiC0.8 90wt％Al 10wt％   67  cBN，TiC，TiB2，AlN，AlB2，Al2O3，W2Co21B6，Co2C，Ni3C     12     33
  1-6   TiN0.780wt％Al 20wt％   58  cBN，TiN，TiB2，AlN，AlB2，Al2O3，W2Co21B6，Co2B     14.9     30
  1-7   TiN0.795wt％Al 5wt％   64  cBN，TiN，TiB2，AlN，AlB2，Al2O3，W2Co21B6，Co2B     3     29
  1-8   TiN0.895wt％Al 5wt％   67  cBN，TiN，TiB2，AlN，AlB2，Al2O3，W2Co21B6，Co2B     2.8     3
  1-9   TiN0.7 65wt％Al 35wt％   67  cBN，TiN，TiB2，AlN，AlB2，Al2O3，W2Co21B6，Co2B     20.2     9
从表1可知，Al、W、Co、Ni金属成分的总含量，其不足3％的试验材料No.1-8和超过20％的试验材料No.1-9，其缺损寿命非常短。
实施例2
将Ti的氮化物粉末80重量％和Al粉10重量％、WC-Co共晶粉末6重量％、Co粉2重量％、Ni粉2重量％混合，使其在1020℃的真空炉中保持32分钟。用球磨机使之粉碎，得到结合材料的粉末。在这种结合材料中，以表2所示的体积％的各种配比混合平均粒径为3.91μm的cBN粉末，在980℃的真空炉中保持21分钟，除气。再将该粉末在压力为4.8GPa、1380℃的条件下烧结15分钟。
在这些烧结体中，烧结体中的Al的重量为2％-10％。烧结体中W和Co、Ni的总量为1-10％。W和W、Co、Ni的重量比为[W/(W+Co+Ni)]为0.2-0.6，Co和Co、Ni的重量比[Co/(Co+Ni)]为0.6-0.95。
把烧结体制成工具(ISO型号：CNMAl60412)，在下列条件中，在硬化钢高速断续切削到缺损以检测工具的使用寿命。其检测结果示于表2。
被切削材料：渗碳硬化钢SCr420、HRC60
           110×290L，在被切削材料的轴方向上有4条呈U形的沟
切削条件：切削速度：V＝195m/min、深度：d＝0.198mm
          进刀速度：f＝-0.106mm/rev、DRY
                     表2
    No.     cBN的体积％     缺损时的寿命(分)
    2-1     45     6
    2-2     50     23
    2-3     60     27
    2-4     63     32
    2-5     70     32
    2-6     72     32
    2-7     75     29
    2-8     77.9     27
    2-9     80     2
从表2可知，cBN的含量少的No.2-1及含量多的No.2-9，其缺损寿命非常短。
实施例3
将表3所列的Ti的氮化物粉末和Al粉混合，使其在976℃的真空炉中保持34分钟。用球磨机使之粉碎，得到结合材料的粉末。结合材料粉末的组成与原来粉末的成分相同。
在这种结合材料中，用各种配比混合平均粒径为2.8μm的cBN粉末和WC-Co共晶粉末、Co粉、Ni粉，其中cBN的体积％在烧结体中应达到60％，在962℃的真空炉中保持26分钟，除气。再将该粉末在压力为4.7GPa、1420℃条件下烧结10分钟。
用原子发射光谱测定法，测定以化合物存在的Al金属成分在烧结体中的重量％，其结果示于表3中。Al、W、Co、Ni的金属成分的总重量在烧结体中为3％-20％。
烧结体中的W和Co、Ni的总重量％为1％-10％。W和W、Co、Ni的总重量比为「W/(W+Co+Ni)」为0.2-0.6，Co和Co、Ni的总重量比「Co/(Co+Ni)」为0.6-0.95。
把这种烧结体制成的工具(ISO型号：TNMAl20408)，在下列条件中，在硬化钢高速断续切削到缺损以检测工具的使用寿命。其检测结果示于表3。
被切削材料：渗碳硬化钢SNCM420、HRC59
            115×315L，在被切削材料的长轴方向上有8条呈V形沟
切削条件：切削速度：V＝212m/min、深度：d＝0.235mm
          送刀速度：f＝0.123mm/rev、DRY
                                  表3
    No.     结合材料 烧结体中Al的重量％   缺损时的寿命(分)
    3-1     TiN0.696wt％Al 4wt％     1.5     17
    3-2     TiN0.695wt％Al 5wt％     2     21
    3-3     TiN0.890wt％Al 10wt％     4     24
    3-4     TiN0.787wt％Al 13wt％     6     28
    3-5     TiN0.682wt％Al 18wt％     8     24
    3-6     TiN0.777wt％Al 23wt％     9.9     22
    3-7     TiN0.670wt％Al 30wt％     12     19
从表3可知，当Al的重量％在2-10重量％范围时，其缺损寿命最长。
实施例4
将Ti的氮化物粉末80重量％和Al粉20重量％混合，使其在1012℃的真空炉中保持30分钟。用球磨机使之粉碎，得到结合材料的粉末。当用XRD(X射线衍射)检测结合材料的粉末时，检测出Ti的碳化物或氮化物、Ti2AlN、TiAl3、TiAl。
在结合材料中，以各种配比混合平均粒径为4.6μm的cBN粉末和W或WC粉、Co粉、Ni粉，使烧结体中的cBN含量为62体积％。在987℃的真空炉中保持29分钟，除气。再将该粉末在压力为4.6GPa、1390℃的条件下烧结30分钟。
用原子发射光谱测定法，测定以化合物存在的W、Co、Ni金属成分在烧结体中的重量％(各元素和它们的总和)，并将其结果与W和W、Co、Ni的总重量比[W/(W+Co+Ni)]、Co和Co、Ni的重量比[Co/(Co+Ni)]示于表4中。
烧结体中Al的重量％为2％-10％。Al、W、Co、Ni金属成分在烧结体中的总重量％为3％-20％。
把烧结体制成的工具(ISO型号：SNGN160408)，在下列条件中，在硬化钢高速断续切削到缺损以检测工具的使用寿命。其检测结果于表4所示。
被切削材料：渗碳硬化钢SCM415、HRC61
            95×185L，在被切削材料的轴方向上有4条呈V形沟
切削条件：切削速度：V＝194m/min、深度：d＝0.268mm
          送刀速度：f＝0.097mm/rev、DRY
                                           表4
    No. W、Co、Ni的总重量％   W/(W+Co+Ni)重量比  Co/(Co+Ni)重量比     W重量％   Co重量％   Ni重量％ 缺损寿命(分)
    4-1     0.5     0.4     0.75     0.2   0.225   0.075     19
    4-2     1     0.4     0.75     0.4   0.45   0.15     25
    4-3     3     0.4     0.75     1.2   1.35   0.45     28
    4-4     5     0.5     0.75     2.5   1.875   0.625     35
    4-5     7     0.4     0.75     2.8   3.15   1.05     32
    4-6     9.9     0.4     0.75     3.96   4.455   1.485     29
    4-7     11     0.4     0.75     4.4   4.95   1.65     20
    4-8     8     0.65     0.95     5.2   2.66   0.14     19
    4-9     8     0.65     0.75     5.2   2.1   0.7     17
    4-10     8     0.65     0.6     5.2   1.68   1.12     20
    4-11     8     0.6     0.97     4.8   3.104   0.096     19
    4-12     8     0.6     0.95     4.8   3.04   0.16     21
    4-13     8     0.6     0.75     4.8   2.4   0.8     25
    4-14     8     0.6     0.6     4.8   1.92   1.28     26
    4-15     8     0.6     0.55     4.8   1.76   1.44     17
    4-16     8     0.4     0.97     3.2   4.656   0.114     18
    4-17     8     0.4     0.95     3.2   4.56   0.24     25
    4-18     8     0.4     0.75     3.2   3.6   1.2     26
    4-19     8     0.4     0.6     3.2   2.88   1.92     22
    4-20     8     0.4     0.55     3.2   2.64   2.16     15
    4-21     8     0.2     0.97     1.6   6.208   0.192     20
    4-22     8     0.2     0.95     1.6   6.08   0.32     26
    4-23     8     0.2     0.75     1.6   4.8   1.6     28
    4-24     8     0.2     0.6     1.6   3.84   2.56     24
    4-25     8     0.2     0.55     1.6   3.52   2.88     20
    4-26     8     0.15     0.95     1.2   6.46   0.34     17
    4-27     8     0.15     0.75     1.2   5.1   1.7     18
    4-28     8     0.15     0.6     1.2   4.08   2.72     19
如表4所示，当W+Co+Ni总含量为1-10％时，重量比[W/(W+Co+Ni)]为0.2-0.6，重量比[Co/(Co+Ni)]为0.6-0.95，其缺损寿命均为较长。
实施例5
将75重量％Ti的氮化物、15重量％Al粉、3重量％WC粉、5重量％Co粉、2重量％Ni粉混合，使其在1000℃的真空炉中保持30分钟。用球磨机使之粉碎，得到结合材料的粉末。
在这种结合材料的粉末中，混合以表5所示的Ti的氮化物或硼化物、A1的氮化物、硼化物以及包覆这些相互固溶体的平均粒径为4.3μm的cBN粉末，使烧结体中的cBN含量为63体积％，在1000℃的真空炉中保持20分钟，除气。包覆采用RF溅射PVD装置，各包覆层的膜厚为10nm-100nm。再将该粉末在压力4.5GPa、1400℃的条件下烧结。
将得到的烧结体根据AES(俄歇电子能谱学)分析，测定cBN粒子之间的接触率。测定其在至少含有100个以上的cBN粒子的任意部分中，计算与其他cBN粒子接触的粒子数的比例。
在这些烧结体中，烧结体中的Al的重量％为2％-10％。而烧结体中W和Co、Ni的总重量％为1％-10％。W和W、Co、Ni的总重量比[W/(W+Co+Ni)]为0.2-0.6，Co和Co、Ni的总重量比[Co/(Co+Ni)]为0.6-0.95。
把烧结体制成的工具(ISO型号：SNGN160408)，在下列条件中，在硬化钢高速断续切削到缺损以检测工具的使用寿命。其检测结果示于表5。
被切削材料：渗碳硬化钢SCM440、HRC62
            135×265L，在被切削材料的轴方向有6条呈U形的沟
切削条件：切削速度：V＝186m/min、深度：d＝0.195mm
          送刀速率：f＝0.105mm/rev、DRY
此时，为了比较，将没有被覆的市售的烧结体的结果一起示于表5中。
                               表5
    No. 被覆材料 包覆厚度(nm) cBN粒子的接触率(％)   缺损寿命(分)
    5-1     TiN     100     15     45
    5-2     AlN     90     0.2     48
    5-3     TiB2     95     19.9     46
    5-4     TiAlN     100     10     49
    5-5     A1B2     95     8     44
    5-6     无     -     22     40
    5-7     无     -     50     35
如表5所示，没有被覆的cBN粒子的接触率超过20％的市售的烧结体缺损寿命短。
如上所述，本发明烧结体，其切削速度V超过150m/min时，如同硬化钢高速断续切削一样，即使刃部温度升高，冲击增大，但它仍具有优异的耐缩孔性的特性，并能延长使用寿命。

Claims (5)

1.一种高耐缩孔性的高强度烧结体，其特征为，高压相型立方氮化硼的体积为50％-78％，其余部分为结合相，所述结合相是选自Ti的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物；Al的氮化物、硼化物、氧化物；W的碳化物、硼化物；Co的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物；Ni的碳化物及硼化物中的至少一种或相互固溶体，所述结合相在烧结体组织中呈连续的，在烧结体中以化合物存在的Al、W、Co和Ni的金属成分的总量为烧结体的3重量％-20重量％，烧结体中以化合物存在的W、Co、Ni的金属成分的总重量在烧结体中为1重量％-10重量％，W、Co、Ni的重量比[W/(W+Co+Ni)]为0.2-0.6，且[Co/(Co+Ni)]为0.6-0.95。
2.权利要求1所述高耐缩孔性高强度烧结体，其特征为，在烧结体中以化合物存在的Al金属成分的重量在烧结体中为2重量％-10重量％。
3.权利要求1或2所述高耐缩孔性高强度烧结体，其特征为，高压相型立方氮化硼粒子用被覆材料所包覆，该被覆材料是选自Ti的氮化物、硼化物；Al的氮化物、硼化物中的至少1种或其相互固溶体。
4.权利要求1或2所述高耐缩孔性高强度烧结体，其组织结构特征为，在至少含高压相型立方氮化硼粒子100个以上的任意部分中，高压相型立方氮化硼粒子之间是直接接触的高压相型立方氮化硼粒子的数量之比为0.1％-20％。
5.权利要求3所述高耐缩孔性高强度烧结体，其组织结构特征为，在至少含高压相型立方氮化硼粒子100个以上的任意部分中，高压相型立方氮化硼粒子之间是直接接触的高压相型立方氮化硼粒子的数量之比为0.1％-20％。
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