專利名稱：立方氮化硼燒結(jié)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及立方氮化硼(cBN)燒結(jié)體，尤其涉及用于切削刀具的cBN燒結(jié)體，以改善刀具的耐磨性和抗崩裂性能。
由于cBN是一種硬度僅次于金剛石的物質(zhì)，因此，cBN基燒結(jié)體已在切削刀具、耐磨部件、耐沖擊部件等場(chǎng)合中得到應(yīng)用，這種類型的燒結(jié)體難于同時(shí)獲得高硬度和高強(qiáng)度，特公昭62-25630，62-25631，以及特開(kāi)平5-186272已對(duì)旨在實(shí)現(xiàn)硬度和強(qiáng)度的良好匹配的技術(shù)進(jìn)行了公開(kāi)，然而，所公開(kāi)的技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)硬度和強(qiáng)度的良好匹配并不充分，例如，包含前述燒結(jié)體的單刃刀具在用于高速切削時(shí)，允許發(fā)生側(cè)面磨損和月牙洼磨損，以使刃口銳利，結(jié)果容易導(dǎo)致刃口崩裂(chipping)，甚至對(duì)于普通切削速度而言，所述刀具在用于施加強(qiáng)烈沖擊的場(chǎng)合如斷續(xù)切削時(shí)，會(huì)由于沖擊的作用而發(fā)生刃口崩裂，這此缺陷已這成刀具壽命的不穩(wěn)定。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種cBN燒結(jié)體，該燒結(jié)體由于對(duì)耐月牙洼磨損性能和機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了最佳選擇而具有更優(yōu)的抗崩裂性能。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種cBN燒結(jié)體，該燒結(jié)體由于對(duì)抗沖擊性能和機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了最優(yōu)選擇而具有更優(yōu)的抗崩裂性能。
本發(fā)明所提供的第一種燒結(jié)體是這樣一種燒結(jié)體，其中，cBN粒子通過(guò)一種粘結(jié)相來(lái)進(jìn)行粘結(jié)，所述粘結(jié)相具有二維連續(xù)結(jié)構(gòu)。所述粘結(jié)相至少包含下列一種物質(zhì)(a).元素周期表中的4a，5a，或6a族過(guò)渡金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物或硼化物；(b).Al的氮化物、硼化物或氧化物；(c).至少一種Fe、Co，或Ni的碳化物、氮化物、碳氮化物和硼化物；以及(d).一種上述這些物質(zhì)的相互固溶體。所述粘結(jié)相厚度的平均值應(yīng)小于或等于1.5μm，而且其標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于0.9μm。在上面的描述中，粘結(jié)相厚度指的是燒結(jié)體中處于任意畫的一條直線上的cBN粒子間的距離。所述cBN含量的體積百分比為45-70％。所述cBN粒子的平均尺寸為2-6μm(首尾兩尺寸均包括在內(nèi))。所述平均粒子尺寸指的是累積粒子體積百分?jǐn)?shù)占50％的粒子的直徑。
本發(fā)明所提供的第二種燒結(jié)體是這樣一種燒結(jié)體，其中，cBN粒子通過(guò)一種粘結(jié)相來(lái)進(jìn)行粘結(jié)。所述粘結(jié)相具有二維連續(xù)結(jié)構(gòu)，所述粘結(jié)相包含至少一種下列物質(zhì)(a).周期表中4a、5a或6a族過(guò)渡金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物、或硼化物；(b).Al的氮化物、硼化物或氧化物；(c).至少一種Fe、Co或Ni的碳化物、氮化物、碳氮化物和硼化物；以及(d).一種上述這些物質(zhì)的相互固溶體。所述粘結(jié)相的平均厚度小于或等于1.0μm，而且其標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于0.7μm。在上面的描述中，所述粘結(jié)相的厚度指的是燒結(jié)體中處在任意畫的一條直線上的cBN粒子間的距離。cBN含量的體積百分?jǐn)?shù)為45-70％。所述cBN粒子的平均尺寸應(yīng)不小于0.01μm但又小于2.0μm。所述平均尺寸指的是粒子的累積體積百分?jǐn)?shù)占50％的粒子的直徑。
傳統(tǒng)的cBN燒結(jié)體已經(jīng)包含一種厚度變化很大的燒結(jié)相，從而產(chǎn)生粘結(jié)相本身占有很大體積的局部區(qū)域。由于這些部位是燒結(jié)體中的機(jī)械性能薄弱區(qū)(缺陷)，因此，裂紋易于在這些部位產(chǎn)生，導(dǎo)致刀具的抗崩裂性能不足。
由于刃口處溫度高，所以高速切削尤其會(huì)降低材料的強(qiáng)度。高速切削也會(huì)產(chǎn)生月牙洼磨損，使刃口銳利，從而降低刃口的強(qiáng)度。這種情況下，會(huì)在月牙洼磨損部位產(chǎn)生由于刃口受到?jīng)_擊所引起的、與刃口平行的裂紋。在斷續(xù)沖擊作用下，所述裂紋擴(kuò)展，從而導(dǎo)致崩裂出現(xiàn)。
甚至在普通的切削速度下，當(dāng)?shù)毒哂糜谟袥_擊作用的場(chǎng)合如斷續(xù)切削時(shí)，沖擊會(huì)造成上述缺陷部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，這種應(yīng)力集中會(huì)在這種機(jī)械性能薄弱的缺陷部位引起斷裂，從而導(dǎo)致刃口崩裂的產(chǎn)生。
考慮到上述這種失效機(jī)制，本發(fā)明通過(guò)使粘結(jié)相具有比傳統(tǒng)的燒結(jié)體粘結(jié)相更小的厚度變化，來(lái)消除上述缺陷部位，從而使本發(fā)明的燒結(jié)體具有改善的抗崩裂性能。當(dāng)粘結(jié)相的厚度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差超過(guò)上述特定值時(shí)，僅由所述粘結(jié)相占很大體積分?jǐn)?shù)的部位就會(huì)增加，從而削弱了對(duì)抗崩裂性能的有效改善。粘結(jié)相平均厚度的下限應(yīng)為約0.02μm，以確保其作用的發(fā)揮。
如果cBN粒子的直徑過(guò)小，所述粒子就會(huì)喪失其耐熱性，從而容易導(dǎo)致磨損的發(fā)生；如果直徑過(guò)大，所述cBN粒子本身就會(huì)在沖擊作用下發(fā)生劈裂，造成刃口出現(xiàn)崩裂，從而導(dǎo)致刃具喪失其抗崩裂性能。因此，本發(fā)明的第一種燒結(jié)體應(yīng)含有粒子尺寸為2-6μm的cBN粒子，以使其具有優(yōu)良的耐熱性并適合用于高速切削。類似地，本發(fā)明的的第二種燒結(jié)體應(yīng)含有粒子尺寸不小于0.01μm但又小于2.0μm的cBN粒子，以使其具有優(yōu)良抗沖擊性能。
本發(fā)明的燒結(jié)材料可以通過(guò)用一種粘結(jié)相材料涂覆cBN或者用特定方法對(duì)原材料進(jìn)行混合來(lái)獲得。粘結(jié)相材料的涂覆由下列方法之一來(lái)實(shí)施(a)燒結(jié)前的化學(xué)氣相沉積(CVD)法、物理氣相沉積(PVD)法，或者電鍍法；或(b)利用機(jī)械混合時(shí)由擠壓剪切力，摩擦力，以及沖擊力所誘發(fā)的機(jī)械化學(xué)反應(yīng)。
最適當(dāng)?shù)奶囟ǖ幕旌戏椒ㄊ浅暬旌戏ɑ蚍稚┹o助球磨(BM)法。
本發(fā)明的燒結(jié)材料的燒結(jié)過(guò)程采用例如等離子燒結(jié)設(shè)備、熱壓設(shè)備、或超高壓燒結(jié)設(shè)備進(jìn)行。
本發(fā)明的實(shí)施方案描述如下。
實(shí)施例1對(duì)下述材料加以混合76重量％的氮化鈦，18重量％的Al，3重量％的Co，以及3重量％Ni，在真空中將所述混合物在1200℃熱處理達(dá)30分鐘，以獲得一種化合物，將該化合物粉碎以得到一種粘結(jié)材料粉末。X射線衍射譜(XRD)表明，所述粘結(jié)材料粉末有TiN，Ti2AlN，TiAl3等的峰出現(xiàn)。采用表1中所述方法，對(duì)所述粘結(jié)材料粉末和一種平均粒子大小為3μm的cBN粉末進(jìn)行混合，以使cBN的體積分?jǐn)?shù)為60％，所述混合方法的詳細(xì)條件描述如下。2號(hào)樣使用RF濺射法來(lái)將TiN涂覆在cBN粒子上。所述涂層的平均厚度為50nm。對(duì)2號(hào)樣進(jìn)行混合時(shí)沒(méi)有使用分散劑。
超聲混合的實(shí)施過(guò)程為將一種cBN粉末和一種粘結(jié)劑材料添加到乙醇中，在20kHz的超聲振動(dòng)作用下進(jìn)行混合。BM混合法的實(shí)施過(guò)程為將一種cBN粉末和一種粘結(jié)材料粉末同直徑為10mm磨球一起放入一罐中，以250rpm的轉(zhuǎn)速在乙醇中濕混達(dá)800分鐘，所使用的分散劑是2重量％的聚乙烯醇。
對(duì)所述的混合粉末在分別高達(dá)5GPa和1300℃的超高壓和高溫下進(jìn)行燒結(jié)XRD表明，所有燒結(jié)體中存在cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3、以及WC。
在1500倍的金相顯微鏡下對(duì)所述燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，以便觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結(jié)相。通過(guò)在這些照片上畫任意一條直線來(lái)測(cè)定粘結(jié)相的厚度。在所述直線上測(cè)定20個(gè)或更多的位置處的粘結(jié)相厚度，或者cBN粒子間的距離，以獲得測(cè)量結(jié)果的平均值。所獲得的平均值以及標(biāo)準(zhǔn)偏差示于表1中。
將所述燒結(jié)體加工成切削刀具。所述刀具然后在下述的條件下進(jìn)行切削試驗(yàn)以測(cè)定其壽命，即出現(xiàn)崩裂前的時(shí)間。結(jié)果示于表1中。
切削試驗(yàn)條件待切削材料SCM415，HRC58-62，尺寸直徑100mm以及長(zhǎng)度300mm，形狀沿長(zhǎng)度方向存在6個(gè)V型溝槽。
刀具形狀SNG432珩磨倒角(-25°，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V180m/分鐘，d03mm，f0.15mm/轉(zhuǎn)，條件干切削表1
結(jié)果清楚表明，當(dāng)粒子平均尺寸為3μm的cBN粒子被厚度平均尺寸不大于1.5μm以及其標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過(guò)0.9μm的粘結(jié)相粘結(jié)時(shí)，刀具壽命延長(zhǎng)約2倍，該結(jié)果也證實(shí)，當(dāng)對(duì)粘結(jié)材料粉末與cBN粉末進(jìn)行混合，以便獲得含有前述厚度的粘結(jié)相的燒結(jié)體時(shí)，使用超聲混合法或分散劑輔助球磨法是令人滿意的。而且將粘結(jié)相材料涂覆在cBN粒子上也是有效的。
實(shí)施例2采用與實(shí)施例1相同的方法生產(chǎn)出一種粘結(jié)材料粉末。采用表2所述方法將所述粘結(jié)材料與平均粒子尺寸為1μm的cBN粉末混合，以使cBN的體積分?jǐn)?shù)達(dá)60％，所述混合方法的詳細(xì)條件在下面做了描述。7號(hào)樣使用RF濺射法來(lái)將TiN涂覆在cBN粒子上，所述涂層的平均厚度為40nm，7號(hào)樣的混合沒(méi)有使用分散劑。
超聲混合的實(shí)施過(guò)程為，將cBN粉末和粘結(jié)材料粉末添加至丙酮中，并在23.5kHz的超聲振動(dòng)作用下進(jìn)行混合。BM混合法的實(shí)施過(guò)程為將cBN粉末和粘結(jié)材料粉末同直徑為10mm的磨球一起置于一罐內(nèi)，在乙醇中，以235rpm的轉(zhuǎn)速濕混340分鐘，所使用的分散劑為1.5重量％的聚乙烯醇。
在高達(dá)5GPa和1300℃的超高壓和高溫下燒結(jié)所述混合粉末。XRD分析中，所有的燒結(jié)體均顯示有cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3以及WC存在。
采用與實(shí)施例1相同的方法觀察所述燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)，以測(cè)量粘結(jié)相的厚度，所獲得的厚度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差列于表2中。
將所述燒結(jié)體加工成切削刀具。然后，在下述條件下對(duì)所述刀具進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，以測(cè)定其壽命，即刀具出現(xiàn)崩裂時(shí)的時(shí)間。所獲結(jié)果列于表2中。
切削試驗(yàn)條件待切削的材料SCM415，HRC58-62，尺寸直徑100mm，長(zhǎng)300mm，形狀沿長(zhǎng)度方向存在6個(gè)V型溝槽，刀具形狀SNGM20408珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V100m/min，d0.2mm，f0.13mm/轉(zhuǎn)，條件干切削表2
結(jié)果清楚表明，當(dāng)平均粒子尺寸為1μm的cBN粒子被厚度平均值不大于1.0μm而且標(biāo)示準(zhǔn)偏差值不超過(guò)0.7μm的粒結(jié)相粘結(jié)時(shí)，刀具的壽命延長(zhǎng)約2倍，所述結(jié)果也證實(shí)，當(dāng)將所述粘結(jié)粉末與cBN粉末加以混合，以便獲得含有上述厚度的粘結(jié)相的燒結(jié)體時(shí)，使用超聲混合法或分散劑輔助球磨法是令人滿意的。
實(shí)施例3對(duì)下面的材料進(jìn)行混合75重量％氮化鈦，22重量％Al，2重量％Co，以及1重量％Ni。在真空中對(duì)所述混合物于1240℃下進(jìn)行熱處理達(dá)32分鐘，以獲得一種化合物。將所述化合物加以粉碎以獲得一種粘結(jié)材料粉末。X射線衍射譜中，所述粘結(jié)材料粉末出現(xiàn)了TiN，Ti2AlN、TiAl3等的峰。采用超聲混合法和一種無(wú)分散劑輔助的球磨(BM)法，將所述粘結(jié)材料與平均粒子尺寸為4.8μm的cBN粉末加以混合，以使cBN的體積分?jǐn)?shù)達(dá)65％。混合方法的具體條件描述如下。
超聲混合法的實(shí)施過(guò)程為將一種cBN粉末和一種粘結(jié)材料粉末添加到丙酮中，并在25kHz的超聲振動(dòng)作用下進(jìn)行混合。BM混合法的實(shí)施過(guò)程為將一種cBN粉末和一種粘結(jié)材料粉末同直徑為10mm的磨球一起置于一罐內(nèi)，在乙醇中以200rpm的轉(zhuǎn)速濕混600分鐘。
在高達(dá)4.85GPa和1310℃的超高壓和高溫下燒結(jié)所述混合粉末。XRD中，所有的燒結(jié)體均顯示出有cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3以及WC存在。采用下面所述方法對(duì)所述燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，對(duì)下述的每一種觀察方法，均采用與實(shí)施例1相同的方法來(lái)測(cè)量粘結(jié)相的厚度。
(1)在1500倍的金相顯微鏡下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，以便觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結(jié)相，通過(guò)在照片的劃任意一條線來(lái)測(cè)量所述粘結(jié)相的厚度。
(2)在3000倍的掃描電子顯微鏡(SEM)下對(duì)所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，以便觀察cBN粒子和粘結(jié)相。通過(guò)在所述照片上劃任意一條直線來(lái)測(cè)量所述粘結(jié)相的厚度。
(3)在10000倍的透射電子顯微鏡(TEM)下對(duì)所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，以便觀察cBN粒子和粘結(jié)相，通過(guò)在所述照片上劃任意一條直線來(lái)測(cè)量所述粘結(jié)相的厚度。
(4)采用10000倍的俄歇電子譜儀(AES)對(duì)所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，以觀察cBN粒子和粘結(jié)相。通過(guò)在所述照片上畫任意一條直線來(lái)測(cè)量所述粘結(jié)相的厚度。
(5)在1500倍的金相顯微鏡下對(duì)所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，以觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結(jié)相。對(duì)所述照片采用圖象分析加以處理。對(duì)所述圖像進(jìn)行雙水平量化，以使與cBN粒子相對(duì)應(yīng)的黑色部位的面積百分?jǐn)?shù)與cBN的體積百分?jǐn)?shù)相等。然后，確定與粘結(jié)相相對(duì)應(yīng)的部位，以便測(cè)量粘結(jié)相的厚度。
(6)在1000倍的金相顯微鏡下對(duì)所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，以觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結(jié)相。采用圖像分所析對(duì)所述照片進(jìn)行處理，以測(cè)量所畫任意一條線上的亮度。測(cè)量結(jié)果表明，亮度具有周期性。首先，依據(jù)亮度的程度，將所述直線各段分成兩組一組比給定的亮度還暗(與cBN粒子相對(duì)應(yīng))；另一組更亮些(與粘結(jié)相相對(duì)應(yīng))。其次，對(duì)確定亮度程度的方式進(jìn)行控制，以使較暗部分的百分?jǐn)?shù)與cBN的體積百分?jǐn)?shù)相等。最后，將較亮部分的長(zhǎng)度作為粘結(jié)相的厚度。
所獲得的粘結(jié)相厚度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差列于表3中。
表3
將所述燒結(jié)體加工成切削刀具，然后，在下面所述的條件下對(duì)所述刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，以測(cè)量刀具的壽命，即直至崩裂出現(xiàn)時(shí)的時(shí)間。采用超聲波法混合的燒結(jié)體壽命約20分鐘，采用球磨法混合的燒結(jié)體壽命約5分鐘，該結(jié)果證實(shí)，混合粘結(jié)材料粉末時(shí)，超聲混合法優(yōu)于未使用分散劑的球磨法。
切削試驗(yàn)條件待切削材料SCM420，HRC59-61，尺寸直徑100mm，長(zhǎng)300mm，形狀沿長(zhǎng)度方向存在8個(gè)V型溝槽，刀具形狀SNGN20408珩磨倒角(-25°，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V150m/min，d0.25mm，f0.11mm/轉(zhuǎn)，條件干切削實(shí)施例4對(duì)下述材料進(jìn)行混合73重量％氮化鈦，19重量％Al，4重量％Co，和4重量％Ni。在真空中，于1240℃對(duì)所述混合物熱處理32分鐘，以獲得一種化合物。將所述化合物粉碎，從而獲得一種粘結(jié)材料粉末。XRD中，所述粘結(jié)材料粉末有TiN、Ti2AlN、TiAl3等的峰出現(xiàn)。采用超聲混合法和采用沒(méi)有分散劑輔助的球磨(BM)法，將所述粘結(jié)材料粉末和平均粒子尺寸為0.5μm的cBN粉末加以混合，以使cBN的體積分?jǐn)?shù)達(dá)65％，混合方法的詳細(xì)條件描述如下。
超聲法混合的實(shí)施過(guò)程為將cBN粉末和粘結(jié)材料粉末添加到乙醇中，并在22.3kHz的超聲振動(dòng)作用下進(jìn)行混合。BM混合法的實(shí)施過(guò)程為將cBN粉末和粘結(jié)材料粉末同直徑10mm的磨球一起置于一罐內(nèi)，在丙酮中，以215rpm的轉(zhuǎn)速進(jìn)行濕混達(dá)450分鐘。
在高達(dá)4.85GPa和1310℃的超高壓和高溫下，燒結(jié)所述混合粉末。XRD中，所有燒結(jié)體均顯示出有cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3、以及WC存在。采用與實(shí)施例3中編號(hào)為(1)-(6)相同的方法處理所述燒結(jié)體，以測(cè)量粘結(jié)相的厚度，所獲得的粘結(jié)相厚度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差示于表4中。
表4
將所述燒結(jié)體加工成切削刀具。然后，在下述條件下，對(duì)所述刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，以測(cè)量其壽命，即直至崩裂出現(xiàn)為止的時(shí)間長(zhǎng)度，采用超聲波混合的燒結(jié)體壽命約20分鐘，而采用球磨法混合的燒結(jié)體壽命僅約5分鐘。該結(jié)果證實(shí)，在混合粘結(jié)材料粉末時(shí)，超聲混合法優(yōu)于無(wú)分散劑輔助的球磨法。
切削試驗(yàn)條件待切割的材料SCM420(JIS標(biāo)準(zhǔn))，HRC59-61，尺寸直徑100mm，長(zhǎng)300mm，形狀沿長(zhǎng)度方向存在8個(gè)V型溝槽，刀具形狀SNGN120408珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V90m/min，d0.23mm，f0.14mm/轉(zhuǎn)，條件干切削。
實(shí)施例5對(duì)下述材料進(jìn)行混合80重量％氮化鈦和20重量％Al。在真空中，于1200℃對(duì)所述混合物熱處理30分鐘，以獲得一種化合物。將所述化合物粉碎以形成一種粘結(jié)材料粉末，所述粉結(jié)材料粉末在XRD中有TiN、Ti2AlN、TiAl3等的峰出現(xiàn)。將平均粒子尺寸為3.5μm的cBN粒子用所述粘結(jié)粉末材料涂覆，以使cBN占有如表5所示的體積分?jǐn)?shù)。采用一種RF濺射PVD設(shè)備進(jìn)行上述涂覆。TEM下對(duì)涂覆后的粒子觀察表明，cBN粒子實(shí)際上均勻涂覆有平均厚度為50nm的TiN，采用沒(méi)有使用分散劑的球磨方法將涂覆有TiN的cBN粒子與前述的粘結(jié)材料粉末加以混合。BM法的混合過(guò)程為將cBN粉末和粘結(jié)材料粉末同直徑10mm的磨球一起放入一罐內(nèi)，于丙酮中，以260rpm的轉(zhuǎn)速濕混650分鐘，在高達(dá)4.8GPa的超高壓和1350℃的高溫下燒結(jié)所述混合粉末。所有的燒結(jié)體在XRD中均顯示出cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3以及WC的存在。
在1500倍的金相顯微鏡下對(duì)所述燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，以觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結(jié)相。通過(guò)在所述照片上畫任意一條直線，來(lái)測(cè)量所述粘結(jié)相的厚度。所獲得的厚度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差示于表5中。
將所述燒結(jié)體加工成切削刀具。然后，在下面所述的條件下對(duì)所述刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，以測(cè)量其壽命，即直至崩裂出現(xiàn)為止的時(shí)間。所獲結(jié)果也示于表5中。
切削試驗(yàn)條件待切削的材料SCM415，HRC58-62，尺寸直徑100mm，長(zhǎng)300mm，形狀沿長(zhǎng)度方向存在6個(gè)V型溝槽，
刀具形狀SNG432珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V165m/min，d0.19mm，f0.125mm/轉(zhuǎn)，條件干切削。表5
實(shí)施例6對(duì)下述材料進(jìn)行混合92重量％氮化鈦和18重量％Al。在真空中，于1200℃對(duì)所述混合物熱處理30分鐘，以獲得一種化合物。將所述化合物粉碎以獲得一種粘結(jié)材料粉末。所述粘結(jié)材料粉末在XRD中有TiN、Ti2AlN、TiAl3等的峰出現(xiàn)，用所述粘結(jié)材料粉末對(duì)平均粒子尺寸為1.5μm的cBN進(jìn)行涂覆處理，以使cBN占有如表6所示的體積分?jǐn)?shù)。所述涂覆處理采用一種RF濺射PVD設(shè)備進(jìn)行。TEM下對(duì)涂覆粒子的觀察表明，所述cBN粒子實(shí)際上均勻涂覆有平均厚度為45nm的TiN。采用未使用分散劑的球磨法將涂覆有TiN的cBN粒子和前述的粘結(jié)相粉末加以混合。BM法的混合過(guò)程為將所述cBN粉末和一種粘結(jié)材料粉末同直徑為10mm的磨球一起放入一罐內(nèi)，在乙醇中，以235rpm的轉(zhuǎn)速濕混550分鐘。在4.9GPa的超高壓和1380℃的高溫下燒結(jié)所述混合粉末。所有燒結(jié)體在XRD中均顯示出有cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3以及WC存在。
在1500倍的金相顯微鏡下對(duì)所述燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，以觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結(jié)相，通過(guò)在照片上畫任意一條線來(lái)測(cè)量所述粘結(jié)相的厚度。所獲得的厚度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差示于表6中。
將所述燒結(jié)體加工成切削刀具。然后，在下面所述的條件下對(duì)所述刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，以測(cè)量其壽命，即直至崩裂出現(xiàn)為止的時(shí)間，所獲結(jié)果也示于表6中。
切削試驗(yàn)條件待切割的材料SCM415，HRC58-62，尺寸直徑100mm，長(zhǎng)300mm，形狀沿長(zhǎng)度方向存在6個(gè)V型溝槽，刀具形狀SNGM432珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V103m/min，d0.145mm，f0.088mm/轉(zhuǎn)，條件干切削。表6
由實(shí)施例5和6所獲結(jié)果證實(shí)，cBN含量的百分?jǐn)?shù)為45-70體積％為最佳。尤其是，在50-65體積％時(shí)所獲結(jié)果更令人滿意。
實(shí)施例7將各材料粉末加以混合來(lái)制備粘結(jié)相。在真空中，于1230℃下，將每種混合物熱處理32分鐘，以獲得化合物。將所述化合物粉碎以獲得一種粘結(jié)材料粉末。采用分散劑輔助的球磨法對(duì)所述粘結(jié)材料粉末和平均粒子尺寸為4.1μm的cBN粉末進(jìn)行混合，以使cBN占有62％的體積分?jǐn)?shù)。BM法的混合過(guò)程為將所述cBN粉末和一種粘結(jié)材料粉末同直徑為10mm的磨球一起放入一罐內(nèi)，在丙酮中，以190rpm的轉(zhuǎn)速濕混700分鐘，所使用的分散劑是聚乙烯醇。在5.1GPa的超高壓和1310℃的高溫下燒結(jié)所述混合粉末。這樣所獲得的燒結(jié)體在XRD中有示于表7中的化合物的峰出現(xiàn)。
在1000倍的金相顯微鏡下對(duì)所述燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，以便觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結(jié)相，通過(guò)在所述照片上畫任意一直條線來(lái)測(cè)量粘結(jié)相的厚度。所獲得的厚度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差示于表7中。
將所述燒結(jié)體加工成切削刀具。然后，在下面所述的條件下對(duì)所述刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，以測(cè)量其壽命，即直至崩裂出現(xiàn)為止的時(shí)間。所獲結(jié)果示于表7中。
切削試驗(yàn)條件待切削的材料SCM415(JIS標(biāo)準(zhǔn))，HRC58-62，尺寸直徑100mm，長(zhǎng)300mm，形狀沿長(zhǎng)度方向存在6個(gè)V型溝槽，刀具形狀SNG120408珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V190m/min，d0.15mm，f0.11mm/轉(zhuǎn)，條件干切削。表7
實(shí)施例8對(duì)各種材料的粉末加以混合，以制備粘結(jié)相。在真空中，于1270℃％以下，對(duì)每種混合物熱處理28分鐘，以獲得化合物。將所述化合物粉碎來(lái)獲得一種粘結(jié)材料粉末。采用分散劑輔助的球磨法對(duì)所述粘結(jié)材料粉末和平均粒子尺寸為1.8μm的cBN粉末進(jìn)行混合，以使cBN所占體積分?jǐn)?shù)為64％。BM法的混合過(guò)程為將所述cBN粉末與一種粘結(jié)材料粉末同直徑為10mm的磨球一起放入一罐中，以245rpm的轉(zhuǎn)速在乙醇內(nèi)濕混750分鐘。所添加的分散劑是1.8重量％的聚乙烯醇。在4.8GPa的超高壓和1330℃的高溫下燒結(jié)所述混合粉末。這樣獲得的燒結(jié)體在XRD中有如表8所示的化合物的峰出現(xiàn)。
在1000倍的金相顯微鏡下對(duì)所述燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，以便觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結(jié)相，通過(guò)在所述照片上畫任意一條直線，來(lái)測(cè)量所述粘結(jié)相的厚度。所獲得的厚度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差示于表8中。
將所述燒結(jié)體加工成切削刀具。然后，在下面所描述的條件下對(duì)所述刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，以測(cè)量其壽命，即直至崩裂出現(xiàn)時(shí)的時(shí)間。所獲結(jié)果示于表8中。
切削試驗(yàn)條件待切削的材料SCM415(JIS標(biāo)準(zhǔn))，HRC58-62，尺寸直徑100mm，長(zhǎng)300mm，形狀沿長(zhǎng)度方向存在6個(gè)V型溝槽，刀具形狀SNGN120408珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V190m/min，d0.15mm，f0.11mm/轉(zhuǎn)，條件干切削。表8
實(shí)施例7的結(jié)果表明，每個(gè)試樣的粘結(jié)相厚度平均值不大于1.5μm，其標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過(guò)0.9μm；而且，每個(gè)試樣均具有約30分鐘的優(yōu)良刀具壽命。類似地，實(shí)施例8的結(jié)果表明，每個(gè)試樣的粘結(jié)相厚度的平均值不大于1μm，其標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過(guò)0.7μm；而且，每個(gè)試樣均表現(xiàn)出約30分鐘的優(yōu)異刀具壽命。該結(jié)果證實(shí)所述粘結(jié)相至少包含下述物質(zhì)之一種較佳(a)周期表中4a，5a，或6a族過(guò)渡金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物或硼化物；(b)Al的氮化物、硼化物或氧化物；(c)至少一種Fe、Co或Ni的碳化物、氮化物、碳氮化物以及硼化物；以及(d)上述這些物質(zhì)的相互固溶體。
實(shí)施例9對(duì)下述材料進(jìn)行混合70重量％氮化鈦，25重量％Al，3重量％Co，以及2重量％Ni，在真空中，1250℃下熱處理所述混合物25分鐘，以獲得化合物。將所述化合物粉碎，以得到一種粘結(jié)材料粉末。所述粘結(jié)材料粉末在XRD中有TiN，Ti2AlN，TiAl3等的峰出現(xiàn)。采用超聲混合法，將所述粘結(jié)材料粉末和一種平均粒子尺寸如表9所示的cBN粉末混合，以使cBN所占體積分?jǐn)?shù)為57％。超聲法混合過(guò)程為將所述cBN粉末和粘結(jié)材料粉末加入到乙醇中，在23kHz的超聲振動(dòng)作用下進(jìn)行混合，在4.9GPa的超高壓和1320℃的高溫下燒結(jié)所混合的粉末。所有的燒結(jié)體在XRD中有明有cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3以及WC存在。
在1500倍的金相顯微鏡下對(duì)所述燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，以便觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結(jié)相，通過(guò)在所述照片上畫任意一直條線，來(lái)測(cè)量所述粘結(jié)相的厚度。所獲得的厚度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差示于表9中。
將所述燒結(jié)體加工成切削刀具。然后，在下面所述的條件下對(duì)所述刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，以測(cè)定其壽命，即直至崩裂出現(xiàn)時(shí)的時(shí)間。所獲結(jié)果示于表9中。
切削試驗(yàn)條件待切削的材料SCM415，HRC58-62，尺寸直徑100mm，長(zhǎng)300mm，形狀沿長(zhǎng)度方向存在6個(gè)V型溝槽，刀具形狀SNG432珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V170m/min，d0.25mm，f0.14mm/轉(zhuǎn)，條件干切削。表9
結(jié)果清楚表明，平均粒子尺寸為2.0-6.0μm的cBN粒子能夠在高速切削中延長(zhǎng)刀具的壽命。
實(shí)施例10對(duì)下述材料進(jìn)行混合78重量％氮化鈦，16重量％Al，4重量％Co，以及2重量％Ni，在真空中，1260℃下熱處理所述混合物20分鐘，以獲得化合物，將所述化合物粉碎，以得到一種粘結(jié)材料粉末。所述粘結(jié)材料粉末在XRD中有TiN，Ti2AlN，TiAl3等的峰出現(xiàn)。采用超聲混合法，將所述粘結(jié)材料粉末與平均粒子尺寸如表10所示的cBN粉末混合，以使cBN所占體積分?jǐn)?shù)為57％。超聲法的混合過(guò)程為將所述cBN粉末和粘結(jié)材料粉末添加至乙醇中，在20.5kHz的超聲振動(dòng)作用下進(jìn)行混合。在5.0GPa的超高壓和1400℃的高溫下燒結(jié)所混合的粉末。所有燒結(jié)體在XRD中均表明有cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3以及WC存在。
在1500倍的金相顯微鏡下對(duì)所述燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，以便觀察黑色的cBN粒子和白色的粘結(jié)相，通過(guò)在所攝照片上畫任意一條直線，來(lái)測(cè)量所述粘結(jié)相的厚度。所獲得的厚度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差示于表10中。
將所述燒結(jié)體加工成切削刀具。然后，在下面所述的條件下對(duì)所述刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，以測(cè)定其壽命，即直至崩裂出現(xiàn)時(shí)的時(shí)間。所獲結(jié)果示于表10中。
切削試驗(yàn)條件待切削的材料SCM415(JIS標(biāo)準(zhǔn))，HRC58-62，尺寸直徑100mm，長(zhǎng)300mm，形狀沿長(zhǎng)度方向存在6個(gè)V型溝槽，刀具形狀SNGN120408珩磨倒角(-25℃，0.15-0.2mm)刀架FN11R切削條件V100m/min，d0.21mm，f0.12mm/rev，條件干切削。表10
結(jié)果清楚表明，平均粒子尺寸不小于0.01μm但小于2.0μm的cBN粒子在普通速度、斷續(xù)切削時(shí)能夠延長(zhǎng)刀具的壽命。
如上所述，本發(fā)明提供一種的耐磨性能和抗崩裂性能均較優(yōu)的cBN燒結(jié)體。通過(guò)減小燒結(jié)體中粘結(jié)相的厚度變化，就能夠獲得這些較優(yōu)的性能。
權(quán)利要求
1.一種包含cBN粒子和一種粘結(jié)所述cBN粒子的粘結(jié)相的cBN燒結(jié)體，所述粘結(jié)相為二維連續(xù)分布；所述粘結(jié)相至少包括下列物質(zhì)之一種周期表中的4a、5a、或6a族過(guò)渡金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物，或者硼化物；Al的氮化物、硼化物，或者氧化物；至少一種Fe、Co、或Ni的碳化物、氮化物、碳氮化物、或硼化物；以及一種上述這些物質(zhì)的相互固溶體；所述粘結(jié)相的厚度平均值為小于或等于1.5μm，并且，其標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于0.9μm；所述cBN的體積分?jǐn)?shù)為45-70％而且所述cBN粒子的平均尺寸為2-6μm(2μm和6μm包括在內(nèi))。
2.如權(quán)利要求1所述的cBN燒結(jié)體，其中，cBN含量的體積百分?jǐn)?shù)為50-65％。
3.一種包含cBN粒子和一種粘結(jié)所述cBN粒子的粘結(jié)相的cBN燒結(jié)體，所述粘結(jié)相為二維連續(xù)分布，所述粘結(jié)相至少包含下列物質(zhì)之一種周期表中的4a、5a、或6a族過(guò)渡金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物，或者硼化物；Al的氮化物、硼化物，或者氧化物；至少一種Fe、Co、或Ni的碳化物、氮化物、碳氮化物或硼化物；以及一種上述這些物質(zhì)的相互固溶體；所述粘結(jié)相的厚度平均值小于或等于1.0μm，并且，其標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于0.7μm；所述cBN的體積分?jǐn)?shù)為45-70％；并且，所述cBN粒子的平均尺寸不小于0.01μm但小于2.0μm。
4.如權(quán)利要求3所述的cBN燒結(jié)體，其中，cBN含量的體積百分?jǐn)?shù)為50-65％。
全文摘要
一種抗缺口性能優(yōu)良的cBN燒結(jié)體,它通過(guò)粘結(jié)相將cBN粒子加以粘結(jié)。粘結(jié)相具有二維連續(xù)分布結(jié)構(gòu),其包含的成分如說(shuō)明書所述。cBN含量為45—70%體積%。所述粘結(jié)相厚度的平均值小于或等于1.5μm,而且其標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于0.9μm,同時(shí)所述cBN粒子的平均尺寸為2—6μm(起止兩個(gè)尺寸包括在內(nèi))。所述粘結(jié)相厚度的平均值小于或等于1.0μm且其標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于0.7μm時(shí),所述cBN粒子的平均尺寸不小于0.01μm但小于2.0μm。
文檔編號(hào)C22C29/16GK1242350SQ9911063
公開(kāi)日2000年1月26日 申請(qǐng)日期1999年7月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月22日
發(fā)明者深谷朋弘, 久木野曉, 白石順一 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社