由無應(yīng)力cbn復(fù)合材料制造的切削工具和制造方法
【專利摘要】提供切削工具用刀片和制造刀片的方法。該切削工具用刀片可包含刀體和基底載體。該刀體可具有頂部、底部和連接至頂部和底部的多個側(cè)壁。在不存在支撐物的情況下，該刀體可包含超硬粒子。所述基底載體可具有凹槽。所述刀體的底部和側(cè)壁可適于固定至基底載體的凹槽。
【專利說明】由無應(yīng)力CBN復(fù)合材料制造的切削工具和制造方法
[0001]相關(guān)申請的交叉參考
[0002]本申請要求2012年5月31日提交的臨時申請61/653，699的優(yōu)先權(quán)。本申請與名稱為 “Sintered superhard compact for cutting tool applicat1ns and method ofits product1n”(用于切削工具應(yīng)用的燒結(jié)超硬復(fù)合片和其制造方法)且要求2012年5月31日提交的臨時申請61/653，779的優(yōu)先權(quán)的共同待審申請有關(guān)。本申請此外與名稱為“Method of making a cBN material”(制造 cBN 材料的方法)且要求 2Ol2 年 5 月 3I 日提交的臨時申請61/653，686的優(yōu)先權(quán)的共同待審申請有關(guān)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總體上涉及切削工具，并且特別地涉及如下的切削工具，其包含無殘余應(yīng)力的燒結(jié)體，和固定至合適的硬質(zhì)金屬例如硬質(zhì)合金硬質(zhì)金屬(cemented carbide hardmetal)的切削工具載體上的自立式(free standing)超硬復(fù)合材料。

【背景技術(shù)】
[0004]多晶立方氮化硼(PCBN)、金剛石和金剛石復(fù)合材料通常用于提供用于切削工具例如金屬加工中使用的切削工具的超硬切削刃。
[0005]用于硬質(zhì)部件車削的薄cBN復(fù)合材料坯體目前隨著燒結(jié)被制造為硬質(zhì)合金硬質(zhì)金屬，其也被稱為“支撐的”。它們是在高壓、高溫(HPHT)工藝中制造的，其中首先將cBN復(fù)合材料粉末摻合物與硬質(zhì)合金硬質(zhì)金屬盤一起裝載在耐熔囊中。通常將幾個這樣的囊編成高壓腔芯。在HPHT工藝期間，使材料經(jīng)受至少40，000個大氣壓的壓力和在1300-1450°C范圍內(nèi)的溫度。在這樣的條件下，cBN復(fù)合材料粉末摻合物被燒結(jié)得完全致密，并且由于盤中鈷的熔化，硬質(zhì)金屬盤熔融或至少變軟。
[0006]在HPHT燒結(jié)工藝期間，cBN復(fù)合材料熔合至硬質(zhì)金屬。在HPHT燒結(jié)后，壓力和溫度降至環(huán)境條件，并且在這個過程期間，cBN復(fù)合材料和硬質(zhì)合金硬質(zhì)金屬都變成剛性固體。因為cBN復(fù)合材料和硬質(zhì)金屬具有不同的機械性質(zhì)例如體積模量和熱性質(zhì)例如熱膨脹，所以產(chǎn)生不可避免的殘余應(yīng)力場。這特別出現(xiàn)在硬質(zhì)部件車削cBN復(fù)合材料的情況下，其在大多數(shù)情況下具有如下的陶瓷類粘結(jié)材料，其具有比硬質(zhì)合金硬質(zhì)金屬顯著更高的熱膨脹系數(shù)。因此，cBN復(fù)合材料層處于拉伸應(yīng)力下。圖1示出由硬質(zhì)合金硬質(zhì)金屬支撐的cBN復(fù)合材料層。通過X射線衍射(XRD)進行的殘余應(yīng)力分析顯示，該cBN復(fù)合材料層具有660MPa的拉伸應(yīng)力。這種拉伸應(yīng)力降低了材料的機械強度并且可能產(chǎn)生劣化切削工具性能的垂直裂紋，如圖1中所示的。
[0007]可通過使用金屬陶瓷硬質(zhì)金屬盤代替硬質(zhì)合金來支撐cBN復(fù)合材料層，以避免cBN復(fù)合材料層中拉伸應(yīng)力的不利狀態(tài)?？蓪⒔饘偬沾捎操|(zhì)金屬設(shè)計為具有更高的熱膨脹系數(shù)，以使得cBN復(fù)合材料可被設(shè)計為具有壓縮殘余應(yīng)力。適度的壓縮殘余應(yīng)力可能是有利的，但如果過量，則這樣的壓縮應(yīng)力可能導(dǎo)致在cBN復(fù)合材料層中出現(xiàn)裂紋，所述裂紋與cBN復(fù)合材料/支撐層界面平行。
[0008]圖2示出由金屬陶瓷硬質(zhì)金屬支撐的cBN復(fù)合材料層中的裂紋。這種層中的殘余應(yīng)力為約1，400MPa(壓縮應(yīng)力)。在機械負(fù)荷下，例如在加工操作中，這種層將會分層并從支撐的金屬陶瓷硬質(zhì)金屬剝落。最確定的是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可通過調(diào)節(jié)金屬陶瓷硬質(zhì)金屬組成使其熱性質(zhì)和機械性質(zhì)與各種cBN復(fù)合材料的熱性質(zhì)和機械性質(zhì)匹配來避免這些問題，然而，從制造工藝和成本的觀點來看，這將不是特別期望的解決方案。除此之外，產(chǎn)生必須將金屬陶瓷硬質(zhì)金屬支撐材料釬焊至硬質(zhì)合金類載體的問題，在這種情況下，由于金屬陶瓷和硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)不同，將出現(xiàn)裂紋。
[0009]因此，可見需要在韌度要求苛刻的操作例如硬質(zhì)部件車削中使用的由無應(yīng)力超硬復(fù)合材料制造的切削工具。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]在一個實施方案中，切削工具用刀片包含具有頂部、底部和連接至頂部和底部的多個側(cè)壁的刀體，其中在不存在支撐物的情況下，刀體包含燒結(jié)的超硬材料；和具有凹槽的基底載體，其中刀體的底部和側(cè)壁適于固定至基底載體的凹槽。
[0011]在另一個實施方案中，切削工具用刀片可包含具有頂部、底部和連接至頂部和底部的多個側(cè)壁的無應(yīng)力刀體，其中無應(yīng)力刀體包含超硬復(fù)合材料；和具有凹槽的基底載體，其中刀體的底部和側(cè)壁適于固定至基底載體的凹槽。
[0012]在又一個實施方案中，方法可包括以下步驟:將超硬粒子與粘結(jié)材料例如陶瓷和/或金屬粉末的混合物與有機粘結(jié)材料摻合至漿料中；將漿料噴霧干燥成具有均勻組成的顆粒，通過模壓將顆粒預(yù)壓實成所期望的形狀和尺寸，其被稱為“軟質(zhì)生坯”，在低于1000°c下通過使原料部分反應(yīng)成含有中間相的約50%致密盤，而將軟質(zhì)生坯體加熱成預(yù)燒結(jié)剛性體，其被稱為“硬質(zhì)生坯”；在高壓和高溫(HPHT)腔芯中裝載多個硬質(zhì)生坯體；施加高壓高溫條件以將預(yù)燒結(jié)剛性體燒結(jié)成致密的超硬復(fù)合盤；從高壓高溫條件下移出高壓高溫腔芯；從高壓高溫腔中取出致密的超硬復(fù)合盤；將超硬復(fù)合盤拋光至所期望的厚度；和將具有所期望厚度的致密超硬復(fù)合盤切削成所期望的切削工具刀片的刀尖；通過例如釬焊將所述刀尖固定至基底載體中的凹槽以形成切削工具刀片；將切削工具刀片碾磨至所期望的厚度和切削刃幾何形狀。所期望的厚度可小于2.0mm0在一些實施方案中，所期望的厚度可小于 1.4mmο

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時，將更好地理解前述
【發(fā)明內(nèi)容】
以及實施方案的以下發(fā)明詳述。應(yīng)理解，所描繪實施方案不限于所示的精確配置和手段。
[0014]圖1是硬質(zhì)合金支撐的刀尖的光學(xué)圖像的橫截面圖，其示出由于PCBN層中的殘余拉伸應(yīng)力而產(chǎn)生的垂直裂紋；
[0015]圖2是金屬陶瓷支撐的刀尖的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像的橫截面圖，其示出由于PCBN層中的壓縮應(yīng)力而產(chǎn)生的水平裂紋；
[0016]圖3是根據(jù)一個實施方案具有固定至切削工具的自立式PcBN刀尖的刀片在使用時的透視圖；
[0017]圖4a是根據(jù)一個實施方案具有由云母箔盤內(nèi)部隔開的一個硬質(zhì)生還盤和一個硬質(zhì)合金盤的耐熔囊的示意圖；
[0018]圖4b是根據(jù)一個實施方案其中反向保持盤(counterhold disc)在耐熔囊內(nèi)部的芯的不意圖；
[0019]圖5a是根據(jù)一個實施方案通過將一個云母箔盤置于金屬陶瓷盤的每一側(cè)而形成的金屬陶瓷塊的示意圖；
[0020]圖5b是根據(jù)一個實施方案通過將一個Mo箔盤置于硬質(zhì)生坯盤的每一側(cè)而形成的硬質(zhì)生坯塊的示意圖；
[0021]圖5c是根據(jù)一個實施方案通過將一個云母箔盤置于石墨箔盤的每一側(cè)而形成的隔離塊的示意圖；
[0022]圖5d是根據(jù)另一個實施方案其中反向保持盤在耐熔囊外部的腔芯的示意圖；
[0023]圖6是自立式PCBN刀尖的橫截面圖的光學(xué)圖像，其顯示由于有利的無應(yīng)力條件而無缺陷；
[0024]圖7是實施例1和實施例2與商業(yè)硬質(zhì)部件車削品級相比的后刀面磨損進展的圖；
[0025]圖8a是實施例3和實施例4的后刀面磨損進展的圖；
[0026]圖8b是實施例3和實施例4的凹坑磨損進展的圖；以及
[0027]圖8c是實施例3和實施例4的韌度測試結(jié)果的圖。
[0028]發(fā)明詳述
[0029]如此處所用的，術(shù)語“刀片”是指碳化鎢或可選切削材料的片件(piece)，其被機械保持、釬焊(braze)、焊接(solder)或接合(weld)在模具或基底載體上的位置中，并且在磨損時被丟棄而將其它片件裝配在其位置中。實例示于圖3中。還參見A Dict1naryof Machining(加工詞典)(Eric N.Simmons, Philosophical Library (哲學(xué)文庫)，紐約，1972)。
[0030]如此處所用的，術(shù)語“基底載體”是指如下的剛性體，其將一個或多個切削刀尖牢固保持在位置上以使得它們可利用于車削、銑削、鏜孔(boring)、切削或鉆孔(drilling)
應(yīng)用中。
[0031]一個實施方案由通過本領(lǐng)域中已知的釬焊技術(shù)固定至合適的基底載體例如硬質(zhì)合金硬質(zhì)金屬切削工具刀片的無殘余應(yīng)力的刀體制成。該無殘余應(yīng)力的刀體可包含超硬粒子。超硬粒子可選自立方氮化硼、金剛石和金剛石復(fù)合材料。在不存在支撐物例如硬質(zhì)金屬支撐物的情況下，將無殘余應(yīng)力的cBN復(fù)合材料制造成薄的自立式盤。硬質(zhì)金屬支撐物可包含碳化鶴支撐物。在一個實施方案中，無應(yīng)力的cBN復(fù)合材料的厚度例如可低于2.0_。在另一個實施方案中，無應(yīng)力的cBN復(fù)合材料可為1.4mm或更薄，例如，如在HPHT工藝后所測量的。
[0032]在一個實施方案中，殘余的自立式cBN復(fù)合盤可具有在35至85體積％ cBN含量范圍內(nèi)的cBN和15%至65%范圍的陶瓷化合物，該陶瓷化合物例如包括過渡金屬硼化物、碳化物、氮化物和氧碳氮化物或其混合物。在另一個實施方案中，自立式cBN復(fù)合盤可具有86-99體積％ cBN，和1%至14%范圍的金屬硼化物、碳化物、氮化物和氧碳氮化物的陶瓷化合物與例如鈷(Co)、鎢(W)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鎳(Ni)的金屬元素或化合物的殘余物(residue)的混合物。這些盤基本上完全不具有殘余應(yīng)力并且容易切削成所期望的形狀。在一個實施方案中，鎢與鈷的比率為1.0-1.8。
[0033]以前還不可能制造這樣的自立式盤。在現(xiàn)有技術(shù)中，通過將cBN與粘結(jié)相陶瓷原料粉末混合來制造cBN復(fù)合材料，例如將其裝載于諸如鉭(Ta)、鑰(Mo)或鈮(Nb)的耐熔囊中。因為松散粉末沒有得到壓縮并燒結(jié)得足夠平坦，所以這可能導(dǎo)致將使盤處在所需公差外的非均勻性和厚度變化。在一個實施方案中，而是將cBN原料裝載至HPHT腔芯中作為預(yù)燒結(jié)剛性體。在一個實施方案中，可將盤壓縮并均勻燒結(jié)至所需要的平坦度和厚度公差。
[0034]在一個實施方案中，可在包括以下步驟的方法中制備自立式cBN復(fù)合盤:將cBN和粘結(jié)相陶瓷粒子在合適的有機溶劑例如乙醇中濕式摻合；將有機粘結(jié)材料例如聚乙二醇(PEG)加入漿料中；將所制備的漿料噴霧干燥成顆粒；將顆粒模壓成含有初始原料的軟質(zhì)生坯體；通過在流動氫氣中將軟質(zhì)生坯體加熱至小于1，000°C、例如400-500°C來除去有機粘結(jié)材料，然后通過在真空中在高于700°C且低于1100°C的溫度下使原料部分反應(yīng)成中間相，而將軟質(zhì)生坯進一步熱處理成預(yù)燒結(jié)剛性體(或“硬質(zhì)生坯”)；將硬質(zhì)生坯體與金屬陶瓷硬質(zhì)金屬反向保持盤一起但與其相隔地裝載在HPHT腔芯中；施加HPHT條件以將預(yù)燒結(jié)剛性體燒結(jié)成完全致密的cBN復(fù)合盤；從HPHT條件中移出腔芯，由此可容易地取出自立式cBN復(fù)合盤；將完全致密的cBN復(fù)合材料碾磨(grind)或研摩(lap)至所期望的最終厚度公差，并切削出適當(dāng)設(shè)計的刀尖以固定至所期望的基底載體；通過例如釬焊將所述刀尖固定至基底載體中的凹槽以形成切削工具刀片；將切削工具刀片碾磨至所期望的厚度和切削刃幾何形狀。
[0035]在一些實施方案中，可在真空中使原料部分反應(yīng)成中間相，直至軟質(zhì)生坯體達到高于約700°C且低于1，00(TC，然后在氣體環(huán)境例如氮氣或氬氣中，直至最終溫度高于700°C 至低于 1100°C。
[0036]在一個實施方案中，可將硬質(zhì)生坯裝載在單獨的耐熔囊中。在這個實施方案的一些變體中，可將幾個這樣的單獨的耐熔囊堆疊以構(gòu)建完整的HPHT腔芯。一個實施方案的關(guān)鍵特征可以是在囊內(nèi)含物中包括如下的反向保持盤，其用于在整個HPHT燒結(jié)過程中維持硬質(zhì)生坯盤的均勻厚度的目的。在囊內(nèi)部在硬質(zhì)生坯與反向保持盤之間包括諸如礦物盤或非反應(yīng)性涂層的材料以保持其分隔開也可能是必要的。在高溫高壓腔芯中，可通過硬質(zhì)金屬反向保持盤例如金屬陶瓷反向保持盤來隔開預(yù)燒結(jié)剛性體。圖4a示出這種囊的一個實例。圖4b示出其中包含多個具有硬質(zhì)生坯盤和反向保持盤的囊的HPHT腔芯堆疊的一個實施方案。
[0037]在一個實施方案中，反向保持可位于耐熔囊外部。圖5a示出這種反向保持的實例，其在該實施例中被稱為金屬陶瓷塊。圖5b示出這種囊的實例，其在該實施例中被稱為硬質(zhì)生坯塊。圖5c示出在HPHT燒結(jié)過程期間用于保持硬質(zhì)生坯塊隔離的由石墨箔和云母箔盤形成的隔離塊。圖5d示出這種實施方案的實例，其中反向保持在耐熔囊外部。每一硬質(zhì)生坯盤可被充當(dāng)單獨的囊的耐熔金屬箔包圍。
[0038]在這樣的實施方案中，反向保持材料比反向保持盤被包括在耐熔囊中時更關(guān)鍵。硬質(zhì)合金硬質(zhì)金屬盤可能不適于充當(dāng)耐熔囊外部的反向保持，因為在HPHT條件下硬質(zhì)合金中的鈷熔化并且盤可塑性變形，其中cBN復(fù)合盤被燒結(jié)并變成剛性盤，而硬質(zhì)合金盤仍是軟的。然而，在HPHT燒結(jié)后的冷卻期間，硬質(zhì)合金硬質(zhì)金屬盤再次固化，并且在減壓過程期間cBN復(fù)合材料與硬質(zhì)合金剛性盤之間的相對移動可使cBN復(fù)合盤破裂。陶瓷盤可能不適于作為耐熔囊外部的反向保持，因為它們是脆性的并且可能在壓力斜升(ramp up)期之前破裂。與硬質(zhì)合金類似，鋼反向保持在高溫下過軟。總之，對于cBN復(fù)合材料的HPHT燒結(jié)，反向保持材料需要具有足夠的韌度和抗壓強度以保持其在壓力斜升期間的完整性；在燒結(jié)溫度范圍內(nèi)，反向保持材料不應(yīng)塑性變形過多從而使得盤平坦度不受損害。發(fā)現(xiàn)由金屬陶瓷硬質(zhì)金屬制造的反向保持盤具有足夠的剛性和抗壓強度以及與HPHT過程期間的cBN復(fù)合材料類似的膨脹、熔化和再固化模式。設(shè)計具有金屬陶瓷硬質(zhì)金屬反向保持的高壓腔可產(chǎn)生平坦和無應(yīng)力的cBN復(fù)合盤。
[0039]在又一個實施方案中，可將多個硬質(zhì)生坯裝載在Ta、Mo或Nb或任何其它耐熔金屬的單一耐熔囊中。在這些實施方案中，耐熔囊可含有反向保持盤，構(gòu)建堆疊順序以使得每一剛性預(yù)燒結(jié)盤可通過合適的礦物材料盤或非反應(yīng)性涂層和/或耐熔金屬盤與其它盤隔開。在使用耐熔金屬隔離盤的實施方案中，可將金屬盤放置為與剛性預(yù)燒結(jié)盤直接接觸，在cBN復(fù)合材料上產(chǎn)生附著的金屬表面層，其可適于HPHT后加工，例如碾磨或釬焊。
[0040]圖6示出根據(jù)圖5在具有芯的HPHT腔中制造的cBN復(fù)合材料的橫截面圖。這種cBN復(fù)合材料具有通過X射線衍射(XRD)所測量的約25MPa的殘余應(yīng)力，其在所用XRD方法的精度內(nèi)被視為無應(yīng)力。實際上，為此目的，所有具有絕對值低于10MPa的所測量殘余應(yīng)力都可被視為無應(yīng)力。
[0041]參照圖3，切削工具40可包括含有凹槽44和孔隙45的基底載體42?；纵d體42可由多種材料制成，所述材料包括鈷鶴硬質(zhì)合金(cobalt cemented tungsten carbide)。自立式刀體46可具有頂部52，底部50，以及連接至頂部52和底部50的多個側(cè)壁54 (或坯體)。刀體46的底部50和側(cè)壁54可適于固定至基底載體42的凹槽44。底部50和側(cè)壁54可通過例如釬焊合金釬焊至基底載體42的凹槽44。
[0042]所述自立式刀體可包含如下的超硬粒子，其可選自立方氮化硼、金剛石和金剛石復(fù)合材料。所述自立式刀體可不具有如下的支撐物，例如硬質(zhì)金屬支撐物，其包括碳化物支撐物。所述自立式刀體可為無應(yīng)力刀體。
[0043]在釬焊后，可對所述刀片進行標(biāo)準(zhǔn)的刀片精加工工藝，例如頂部和底部碾磨、周邊碾磨，和所期望的刃制備和/或涂層。

【具體實施方式】
[0044]實施例1
[0045]在輥式研磨機中在乙醇中用硬質(zhì)合金研磨體將鋁出重量％ )、ZrN(6重量％ )、ssTiN(58重量％ )和cBN(30重量％ )的粉末研磨(mill) 2小時。在研磨后，將漿料與PEG溶液混合，并且噴霧干燥成球形顆粒。將顆粒預(yù)壓實成軟質(zhì)生坯盤，隨后在真空中在介于700°C與900°C之間的溫度下燒制以形成硬質(zhì)生坯盤。將硬質(zhì)生坯盤裝載在如圖5中所示的HPHT腔芯中，然后將所述芯包封入Mo金屬囊中，然后在約1300°C至1450°C的溫度下用至少2GPa的壓力進行HPHT燒結(jié)。在HPHT燒結(jié)后，盤厚度為約1.3mm。這些盤經(jīng)過雙盤研摩至Imm厚度并通過線式電火花加工(線式EDM)切削成三角形刀尖。將刀尖清潔并在800°C至850°C之間的溫度下釬焊至具有活性釬焊合金的碳化物載體上。在釬焊后，通過標(biāo)準(zhǔn)的精加工步驟加工刀片。
[0046]實施例2
[0047]在立式球磨機(attritor mill)中在乙醇中用金屬陶瓷研磨體將招(5重量％ )、TiCN(32重量％ )、ssTiN(32重量％ )和cBN(31重量％ )的粉末研磨5小時。在研磨后，將漿料與PEG溶液混合并噴霧干燥成球形顆粒。以與實施例1相同的方式將顆粒預(yù)壓實、預(yù)燒結(jié)和HPHT燒結(jié)。切削刀尖并進行釬焊，并且以與實施例1中所述相同的方式精加工刀片。
[0048]圖7示出實施例1和實施例2與商業(yè)硬質(zhì)部件車削品級相比的后刀面磨損測試結(jié)果，所述商業(yè)硬質(zhì)部件車削品級在圖7中被稱為“對比”。該測試是在8620鋼上以連續(xù)切削進行的。每2至4分鐘停止切削，并且測量和記錄后刀面磨損?？梢钥吹?，比較品級顯示最高的后刀面磨損，而實施例2為最低的后刀面磨損，并且實施例1為中間的。對于來自實施例1、實施例2和相同比較品級的每種的一個樣品，在延長的切削時間下進行相同的磨損測試。在切削約45分鐘后，實施例1具有0.08mm的后刀面磨損；實施例2具有0.06mm的后刀面磨損，而比較品級具有約0.1Omm的后刀面磨損。
[0049]實施例3
[0050]在棍式研磨機中在乙醇中用硬質(zhì)合金研磨體將招(5重量％ )、亞化學(xué)計量TiN(59重量％ )、ZrN(6重量％ )和cBN(30重量％ )的粉末研磨2小時。在研磨后，將漿料與PEG溶液混合并且如實施例1中所述的進行以下噴霧干燥、預(yù)壓實、預(yù)燒結(jié)工藝。將硬質(zhì)生坯盤與如下硬質(zhì)合金盤一起單獨地裝載，其各自在Ta耐熔材料囊中作為反向保持。在各囊中的硬質(zhì)生坯盤與反向保持盤之間不存在隔離材料。將四個這樣的囊裝載在腔中并且在約1300°C至1450°C的溫度下以至少2GPa的壓力進行HPHT燒結(jié)。在HPHT燒結(jié)后，cBN復(fù)合材料層和硬質(zhì)合金盤被熔合(fuse)在一起。這些盤被稱為支撐盤。使支撐盤進行OD碾磨和表面碾磨以制造具有Imm厚度的PCBN層并且具有3.2mm總厚度的盤。
[0051]實施例4
[0052]以與實施例3中所述的相同的方式制造四個硬質(zhì)生坯盤。以與實施例3中所述的類似的方式將硬質(zhì)生坯盤與硬質(zhì)合金盤一起裝載在Ta囊中，但利用硬質(zhì)金屬反向保持盤隔開每一硬質(zhì)生坯盤，例如其間具有云母箔盤的硬質(zhì)合金盤以制造自立式盤。將四個這樣的囊裝載在HPHT腔中，如圖4中所示。在與實施例3的相同的條件下進行HPHT燒結(jié)后，將自立式cBN復(fù)合盤在云母側(cè)上襯墊(pad)研摩至約Imm厚度。
[0053]然后通過線式電火花加工(線式EDM)將支撐式和自立式盤切削成刀尖。釬焊刀尖并且以與實施例1中所述的相同的方式精加工刀片。
[0054]對實施例3和實施例4測試耐磨性和韌度。在8620鋼上以連續(xù)切削進行磨損測試。每2至4分鐘停止切削，并且測量和記錄后刀面磨損和凹坑磨損。在具有Re 60至62的硬度的52100鋼上進行韌度測試。測試每一變體的四個樣品。圖8示出后刀面磨損(圖8a)、凹坑磨損(圖8b)和韌度(圖8c)的加工結(jié)果。在圖8中，將自立式刀片稱為“FS”，并且將支撐刀片稱為“SP”。這兩種材料顯示相同的后刀面耐磨性。即使兩種情況下的cBN復(fù)合材料組成相同，自立式刀片還是顯示比支撐式刀片更好的凹坑耐磨性和更好的韌度。
[0055]實施例5
[0056]通過在輥式研磨機中用金屬陶瓷研磨體研磨25小時來制造cBN含量為38體積％、47體積％、55體積％、65體積％、75體積％和85體積％并且具有TiCNO和Al作為粘結(jié)材料的粉末摻合物。然后將漿料與聚乙二醇(PEG)溶液混合并且以與實施例1中所述的相同的方式進行以下噴霧干燥、預(yù)壓實和預(yù)燒結(jié)工藝。在以下HPHT燒結(jié)工藝中，制造硬質(zhì)合金支撐式和自立式盤。除85% cBN的變體之外，所有的硬質(zhì)合金支撐式cBN復(fù)合盤充分燒結(jié)。對于85% cBN的變體，硬質(zhì)合金中的Co在HPHT燒結(jié)期間滲入cBN復(fù)合材料層中，其有助于改善燒結(jié)質(zhì)量，而在自立式的情況下，不存在另外的Co，其導(dǎo)致不良燒結(jié)。然而，對于通過例如以下的一些方法獲得的諸如85體積％至99體積％的高cBN變體，自立式的概念仍是可行的。
[0057]一種方法在于通過摻合在含有Co或Co/W的粉末中引入更多的Co或Co/W，或通過研磨長時間段以增加摻合物中來自例如硬質(zhì)合金或金屬陶瓷的研磨體的磨屑的量。另一種方式將是在如圖4和圖5中所示的芯設(shè)計中加入與硬質(zhì)生坯盤接觸的含有Co或Co/W的材料的薄箔盤，其中含Co或Co/W的箔在HPHT條件下熔化并滲入cBN復(fù)合材料層中。在HPHT后，僅Co或Co/W金屬的非常薄層，其可為cBN復(fù)合材料層的厚度的10%，可留在cBN復(fù)合盤的頂部上，并且該薄層不夠厚以致于不會造成對cBN復(fù)合盤有害的殘余應(yīng)力?？赏ㄟ^研摩或碾磨容易地除去含有Co或Co/W的材料的薄層。
[0058]雖然已參照特定實施方案，但顯而易見的是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠在不偏離本發(fā)明主旨和范圍的情況下設(shè)計其它實施方案和變體。所附權(quán)利要求書旨在被解讀為包括所有這樣的實施方案和等效變體。
【權(quán)利要求】
1.一種切削工具用刀片，其包含: 具有頂部、底部和連接至所述頂部和所述底部的多個側(cè)壁的無應(yīng)力刀體，其中所述無應(yīng)力刀體包含超硬粒子；和 具有凹槽的基底載體，其中所述刀體的底部和多個側(cè)壁適于固定至所述基底載體的凹槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具用刀片，其中所述超硬粒子選自立方氮化硼、金剛石和金剛石復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2中的任一項所述的切削工具用刀片，其中所述超硬粒子包含在35體積％至99體積％范圍內(nèi)的立方氮化硼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至2中的任一項所述的切削工具用刀片，其中所述超硬粒子包含在35體積％至85體積％范圍內(nèi)的立方氮化硼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的切削工具用刀片，其還包含在15體積％至65體積％范圍內(nèi)的陶瓷化合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的切削工具用刀片，其中所述陶瓷化合物選自過渡金屬硼化物、碳化物、氮化物和氧碳氮化物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至2中的任一項所述的切削工具用刀片，其中所述超硬粒子包含在86體積％至99體積％范圍內(nèi)的立方氮化硼。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、7中的任一項所述的切削工具用刀片，其還包含在1%至14%范圍內(nèi)的陶瓷化合物和殘余物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的切削工具用刀片，其中所述陶瓷化合物選自過渡金屬硼化物、碳化物、氮化物和氧碳氮化物。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的切削工具用刀片，其中所述殘余物包含金屬元素或化合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的切削工具用刀片，其中所述金屬元素或化合物包括鎢、鈷或鎢-鈷合金。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的切削工具用刀片，其中鎢與鈷的比率是1.0-1.8。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的切削工具用刀片，其中所述刀體不具有支撐物。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的切削工具用刀片，其中所述刀體小于2.0mm厚。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的切削工具用刀片，其中所述刀體小于1.4mm厚。
16.—種方法,其包括: 將超硬粒子與粘結(jié)材料摻合至漿料中； 通過使原料部分反應(yīng)成中間相而將軟質(zhì)生坯體加熱成預(yù)燒結(jié)剛性體；和 將多個預(yù)燒結(jié)剛性體裝載在高溫高壓腔芯中。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其還包括向所述粘結(jié)相的有機溶劑中加入有機粘結(jié)材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求16和17中的任一項所述的方法，其還包括將所述漿料噴霧干燥成顆粒。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其還包括通過模壓將所述顆粒壓制成所述軟質(zhì)生坯體。
20.根據(jù)權(quán)利要求16至19中的任一項所述的方法，其還包括施加高壓高溫條件以將所述預(yù)燒結(jié)剛性體燒結(jié)成致密的超硬復(fù)合盤。
21.根據(jù)權(quán)利要求16至20中的任一項所述的方法，其還包括從所述高壓高溫條件中移出所述高壓高溫腔芯。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其還包括從所述高壓高溫腔芯中取出所述致密的超硬復(fù)合盤。
23.根據(jù)權(quán)利要求20和22中的任一項所述的方法，其還包括將所述致密的超硬復(fù)合盤拋光至所期望的厚度。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其還包括將具有所期望厚度的所述致密的超硬復(fù)合盤切削成所期望切削工具刀片的刀尖。
25.根據(jù)權(quán)利要求16至24中的任一項所述的方法，其中所述預(yù)燒結(jié)的剛性體由所述高溫高壓腔芯中的硬質(zhì)金屬反向保持盤隔開。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述硬質(zhì)金屬反向保持盤是金屬陶瓷反向保持盤。
27.根據(jù)權(quán)利要求16至26中的任一項所述的方法，其中所述有機溶劑是乙醇。
28.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述有機粘結(jié)材料是聚乙二醇(PEG)。
29.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中將所述預(yù)燒結(jié)剛性體燒結(jié)成致密的超硬復(fù)合盤的高溫低于1000°C。
30.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述粘結(jié)材料包含TiCNO、亞化學(xué)計量(SS)Ti化合物和鋁粉。
31.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中將所述軟質(zhì)生坯體加熱成所述預(yù)燒結(jié)剛性體的溫度低于1000°C。
32.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所期望的厚度小于2.0mm。
【文檔編號】C04B35/56GK104364400SQ201380027468
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2013年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月31日
【發(fā)明者】格羅爾德·溫爾, 托爾比約恩·塞林德, 邵銳 申請人:戴蒙得創(chuàng)新股份有限公司