專利名稱：多晶立方氮化硼切削刀具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含有碳氮化鈦和鋁化鈷作為輔助相(supportingphase)的多晶立方氮化硼復(fù)合材料燒坯，它尤其用作加工黑色金屬的刀具。在制備該燒坯的工藝中，在高溫下于氨氣中處理立方氮化硼(CBN)晶體、碳氮化鈦(TiCN)和Co2Al9的混和物以降低氧和碳量并增加氮量。然后在CBN熱力學(xué)穩(wěn)定的高溫高壓下處理該混和物以形成多晶立方氮化硼。
氮化硼的高壓形態(tài)，即立方氮化硼，在硬度上僅次于金剛石并且廣泛用作切削刀具之類。例如，多晶CBN用于金剛石與鐵的反應(yīng)成為問題的黑色金屬的高速加工。利用立方氮化硼和結(jié)合相為耐火材料例如氮化鈦、碳化鈦、碳氮化鈦及他們的固溶體制備的切削刀具已投入市場并描述在現(xiàn)有技術(shù)專利中。這種燒坯用作切削刀具時(shí)具有優(yōu)異的耐磨性能、熱穩(wěn)定性、熱傳導(dǎo)率、抗沖擊性和磨擦系數(shù)。
然而總是最好能提高用作切削刀具的材料的質(zhì)量、可靠性、性能、壽命和鋒利性。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在實(shí)施本發(fā)明中，主要成分為多晶立方氮化硼、次要成分為由碳氮化鈦之類形成的輔助相和鋁化鈷的復(fù)合材料在加工黑色金屬材料和工件時(shí)表現(xiàn)特別好，而這些材料由于切削路徑中的硬質(zhì)材料或間隙對切削刀具的沖擊是難以加工的。
因此，根據(jù)所給的優(yōu)選實(shí)施方案在實(shí)施本發(fā)明中提供了含有主要成分為鍵合在一起成為多晶體的立方氮化硼晶體的多晶立方氮化硼切削刀具。刀具的次要成分含有與多晶立方氮化硼混在一起的耐火輔助相。該耐火材料優(yōu)選地含有碳氮化鈦或碳氮化鈦鋁和少量的鋁化鈷例如Co2Al9。輔助相由起始材料限定并且應(yīng)注意輔助相的最終形態(tài)是不能完全表征的不同材料的復(fù)合。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在至少1100℃的溫度下于氨氣中預(yù)處理立方氮化硼晶體、碳氮化鈦或碳氮化鈦鋁粉末和鋁化鈷粉末的混合物能制得優(yōu)異的切削刀具。
參閱下述詳細(xì)說明，連同附圖，能更好地理解本發(fā)明的這些和其他特性和優(yōu)越性，其中

圖1是示例切削刀具的側(cè)視圖，圖2是用一個(gè)切削刀具加工的鑿巖鉆頭軸的斷面?zhèn)纫晥D。
一個(gè)示例切削刀具含有在至少一面上有多晶立方氮化硼(PCBN)層12的傳統(tǒng)膠結(jié)碳化鎢基體11。該切削刀具的一個(gè)刀刃有從切削刃14以某一角度偏離的排屑前傾面13。這種切削刀具只是示例性的，應(yīng)當(dāng)明白在實(shí)施本發(fā)明中可制得其它形狀的切削刀具。
切削刀具典型的制備工藝是首先通過傳統(tǒng)技術(shù)制備膠結(jié)碳化鎢坯體。一個(gè)典型的碳化鎢膠結(jié)體含有與鈷一起結(jié)合的碳化鎢WC粒子。碳化鎢粒子的平均粒徑可在從1到25微米的范圍內(nèi)，最典型的是在5到10微米。鈷含量典型地在從約6到20重量百分比的范圍內(nèi)。雖然被稱作碳化鎢，但也可能存在TiC，TaC和/或NbC。
緊挨著碳化物坯體面放置有將形成PCBN層的一層粉末。該組件放在保護(hù)性容器例如一個(gè)鈮罩內(nèi)，即在容器內(nèi)可放置一層混合粉末并在粉末層上放置碳化物坯體。第二個(gè)罩倒放在第一個(gè)罩上以形成一個(gè)封閉容器。通過一個(gè)壓頭壓緊裝有碳化物坯體和粉末層的兩個(gè)罩的組件，以便把裝入料緊緊包在封閉容器內(nèi)。一個(gè)容器內(nèi)也可裝入幾個(gè)這樣的碳化物坯體和粉末層的組件并用鈮盤分開。也可使用其他形式以形成其他類型的刀具。
封閉容器然后放在超高壓壓力下的壓力艙內(nèi)適當(dāng)?shù)募訜崞髦?。壓力提高到立方氮化硼熱力學(xué)穩(wěn)定的區(qū)域。然后把該艙在壓力下加熱到足夠的溫度并保持足夠的時(shí)間以利用CBN晶體形成多晶立方氮化硼。超高壓壓力的示例壓力可為50千巴，溫度在1500℃的數(shù)量級，保溫5到15分鐘。這種制備PCBN的高壓高溫工藝是眾所周知的，并已描述在現(xiàn)有技術(shù)中。
在這種高溫高壓工藝中，各個(gè)立方氮化硼(CBN)晶體鍵合在一起而形成多晶體。所得的PCBN是一連續(xù)相，耐火輔助相與PCBN相混雜在一起。輔助相是從與CBN粉末混合的粉末形成的，在它同基體的界面附近復(fù)合相也可能包含從膠結(jié)碳化鎢基體滲透過來的鈷(這種滲透似乎限定在離界面10微米以下內(nèi))。
在除去超高壓壓力后，按照要求清理、切割、研磨和拋光切削刀具以制成最后幾何形狀的切削刀具。
在一個(gè)示例實(shí)施例中，用含有從50到85重量百分比的立方氮化硼晶體的混和物形成該P(yáng)CBN層。一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例含有55-65重量百分比的CBN。CBN的初始平均粒徑，取決于切削刀具成品的所需性能，可從約1微到高達(dá)約30微米?？砂葱枋褂糜胁煌椒秶木w。例如，平均粒徑約3微米的CBN可與平均粒徑約為15微米的CBN混和以便比全部用同樣的粒徑有不同的“堆積”。優(yōu)選地CBN的平均粒徑為3微米以上。利用粒徑小于約3微米的CBN制備的材料不如大粒徑的硬。
用六方氮化硼替代一部分立方氮化硼原料能達(dá)到某些經(jīng)濟(jì)效果。另外，也可使用纖鋅礦型氮化硼。在超高壓壓力下的高壓高溫條件下初始混合物中含有的任何這種六方和/或纖鋅礦型氮化硼都轉(zhuǎn)化為立方氮化硼。由于六方氮化硼比立方氮化硼便宜，故優(yōu)選地使用一部分六方氮化硼。
最好在不顯著降低其硬度和耐磨性下提高PCBN層的強(qiáng)度或韌性。因而需形成與PCBN混雜在一起的耐火材料輔助相。優(yōu)選的耐火材料包括碳氮化鈦或碳氮化鋁鈦(本文中寫作TiCN或TiAlCN)。這些耐火材料不是計(jì)量化合物而似乎是有不同碳氮比的碳化鈦和氮化鈦的固溶體。典型地，在實(shí)施本發(fā)明中使用的碳氮化鈦含有大約相同比例的碳和氮。
耐火材料輔助相可定義為(TixMy)C2N9。合金元素M可以是一種或多種下列元素鋁、硅、鉻、鈷、鎢和鉭，優(yōu)選地為鋁、硅、鎢和鉭尤其優(yōu)選地為鋁。當(dāng)耐火材料是碳氮化鈦時(shí)，y等于0。否則合金元素與鈦的比值，y/x，應(yīng)在從0.05到0.3的范圍內(nèi)。當(dāng)耐火材料組成含有碳氮化鋁鈦時(shí)，鋁量最高達(dá)總金屬量的30％。碳氮化鋁鈦是一種增強(qiáng)化學(xué)耐磨性和韌性的理想材料。
最好添加補(bǔ)充鋁源并且它優(yōu)選地為鋁化鈷CO2Al9的形式。
一種商業(yè)上可買到的碳氮化鈦的名義組成為，49.4原子百分比的鈦、22.8％的氮、26％的碳和1.8％的氧。這種材料在粒子上涂有蠟層以防止氧化，蠟量為添加到TiCN的1重量百分比的數(shù)量級。剛才所給的名義組成分析包含蠟并且可能比TiCN粒子核心偏離到更高的碳和氧量。盡管如此，仍假定TiCN的表觀分子式為TiC0.52N0.46O0.04。
TiCN粉末的表面分析表明其表觀組成為22.7原子百分比的鈦、10％的氮、40.7％的碳和26.6％的氧。由于對一個(gè)Ti-C-N-O組成來說這是一個(gè)不適當(dāng)?shù)挠?jì)量，故表明由于表面上的蠟有偏離。蠟量的一個(gè)間接測量表明在表面上有以蠟形式存在的約0.7重量百分比的碳。TiCN的一部分表觀氧含量也可能有表面氧化的原因。
已發(fā)現(xiàn)最好相對于碳含量增大耐火材料表面的氮含量。故申請人選擇通過申請人稱之為過氮化(hypernitriding)的技術(shù)來處理該材料。過氮化技術(shù)包括在氨氣氣氛中把TiCN加熱到高溫。氨氣裂解生成活性氫和氮。
熱處理是在至少1100℃的溫度下，最優(yōu)選地在從約1150到1250℃范圍內(nèi)的溫度下。加熱時(shí)間優(yōu)選地在從約1到5小時(shí)的范圍內(nèi)，雖然在較低溫度下可能需要更長的時(shí)間。溫度也可大于1250℃，但在1250℃下加熱后只發(fā)現(xiàn)結(jié)果有少量增加并且沒有好理由要求更高的溫度。在一個(gè)示例實(shí)施例中，過氮化處理包括把TiCN粉末在1150℃下加熱約1.5到2小時(shí)。
經(jīng)這種處理后，TiCN的名義組成為49.9原子百分比的鈦、26.5％的氮、22.7％的碳和1％的氧。據(jù)假設(shè)，從氨氣裂解生成的活性氫與碳和氧發(fā)生反應(yīng)從而把它們作為氣體產(chǎn)物除去。眾所周知，氫有強(qiáng)烈的把其它材料脫碳的性能。
也假設(shè)TiCN內(nèi)氮量和碳量的變化主要發(fā)生在臨近粒子表面的層內(nèi)，深度可能不到1/2到1微米。據(jù)認(rèn)為，過氮化中的速率限定因素與碳從粒子內(nèi)部擴(kuò)散到能與活性氫發(fā)生反應(yīng)的表面以及氮擴(kuò)散進(jìn)TiCN內(nèi)填充被碳空出的晶格位置有關(guān)。眾所周知，氫在高溫下能溶解在鈦內(nèi)，并且TiCN內(nèi)氫的擴(kuò)散可能比碳或氮或這些元素與氫的反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散高得多。
據(jù)認(rèn)為，當(dāng)脫去碳后氮占據(jù)了晶格內(nèi)碳的位置。進(jìn)行過氮化后測量的晶格常數(shù)沒有顯示出晶格常數(shù)的任何變化。這證實(shí)了過氮化的作用是以碳為代價(jià)提高表面附近的氮含量。表面層較薄，據(jù)認(rèn)為X射線的測量結(jié)果被內(nèi)部核心材料所控制。
據(jù)認(rèn)為，表面處氮量的增大增強(qiáng)了高壓高溫工藝中TiCN與立方氮化硼粒子的鍵合。據(jù)假設(shè)，碳氮化鈦的表面層可能大部分是最外層表面和核心之間被碳和氮的擴(kuò)散造成的具有梯度組成的氮化鈦。氮在表面附近和CBN內(nèi)的遷移將增強(qiáng)鍵合。因而，過氮化后TiCN粒子明顯包含一個(gè)未改變的TiCN核心及能容易地與CBN鍵合的薄表面層。核心材料的性能提高了PCBN復(fù)合材料的性能。
過氮化后TiCN粒子的表面也可能含有由于蠟的分解造成的石墨或無定形碳。
過氮化在不降低PCBN組成內(nèi)TiCN的優(yōu)異性能下增強(qiáng)了鍵合。這可從PCBN復(fù)合材料與用CBN和氮化鈦制備的商業(yè)切削刀具材料的比較看出。在一個(gè)很難的刀具經(jīng)受沖擊載荷的車削試驗(yàn)中，新型刀具材料車削的工件平均數(shù)幾乎是用于該用途的最好已知現(xiàn)有技術(shù)材料的兩倍(22件比12件)。
過氮化之前優(yōu)選地制備CBN、TiCN和CO2Al9粉末的預(yù)混物。例如，通過混和30到40％重量百分比的平均粒徑為10微米以下的TiCN、50到65％重量百分比的平均粒徑為10微米以下的CBN晶體、4-10％重量百分比的相似粒徑的鋁化鈷能制備一個(gè)優(yōu)選組成。然后該粉末混合物在1125℃下于氨氣中加熱1.5到2小時(shí)。
除了過氮化TiCN之外，據(jù)認(rèn)為這種處理也增強(qiáng)CBN。特別地，CBN表面上的任何硼的氧化物能被高活性氫所還原?；钚缘艽_保有時(shí)缺乏氮的氮化硼的化學(xué)計(jì)量。
據(jù)認(rèn)為，過氮化增強(qiáng)了CBN-CBN的晶粒間鍵合以及CBN和TiCN之間的鍵合。據(jù)認(rèn)為，CBN相內(nèi)以及TiCN相表面處存在的附加氮促進(jìn)了遷移機(jī)制。
令人意外的是該過氮化處理對含有鋁化鈷的混合物有效。根據(jù)A1-Co相圖，Co2Al9的分解溫度是944℃，這時(shí)應(yīng)有液相和高溫穩(wěn)定的γ相。1100℃左右Co2A19組成將似乎完全熔化。然而由于某些不能解釋的原因，鋁化鈷粒子仍看起來保持完整。一種可能性是形成了熔點(diǎn)高于2000℃的堅(jiān)固且穩(wěn)定的氮化鋁表面，它即使在一部分粒子熔化時(shí)也保持了粒子完整。如在下文中指出，有某些證據(jù)支持這種假設(shè)。
另一種可能性是在TiCN和鋁化鈷之間發(fā)生了反應(yīng)，生成一種非計(jì)量的TiAlCN材料。鋁化鈷可能以在1172℃分解的δ相或以熔點(diǎn)幾乎為1650℃的CoAl存在。盡管發(fā)生這些現(xiàn)象，過氮化處理仍與傳統(tǒng)觀點(diǎn)，即預(yù)處理不應(yīng)超過粉末化合物的熔點(diǎn)溫度，相反。
粉末可單獨(dú)過氮化或者一部分混合物進(jìn)行過氮化。例如，在與單獨(dú)制備的CBN粉末混合之前，可制備碳氮化鈦和Co2Al9的預(yù)混物并過氮化以通過已知技術(shù)壓制。
在過氮化混合粉末之后，主要通過傳統(tǒng)技術(shù)制備多晶立方氮化硼燒坯。在耐火金屬容器例如鈮內(nèi)的膠結(jié)碳化鎢基體附近形成有混合粉末層。然后該組件在超高壓壓力下于立方氮化硼熱力學(xué)穩(wěn)定的高溫高壓下壓制。壓制5-15分鐘形成彌散有碳氮化鈦區(qū)的多晶CBN體，該區(qū)對PCBN提供了機(jī)械增強(qiáng)。
鋁化鈷似乎促進(jìn)了CBN的再結(jié)晶和鍵合并促進(jìn)了CBN和TiCN之間的強(qiáng)的面間鍵合。基于對最終復(fù)合材料的研究，可用其它的鈷和鋁源作為等效的起始材料。在混合物內(nèi)其它粒子上涂敷鈷和/或鋁是適當(dāng)?shù)摹?br> 據(jù)認(rèn)為，除CBN之外的一個(gè)氮源對良好的晶間鍵合很有效。這也可能促進(jìn)TiCN的鍵合。氮化鋁是一個(gè)氮的適宜源。過氮化鋁化鈷可生成作為高壓高溫工藝中的氮源的氮化鋁。氮化鋁粉末可含在組成內(nèi)。氮化硅也可包含在組成內(nèi)作為氮源或者可由過氮化含有鋁-硅合金粉末的組成得到?？梢允褂玫钠渌刃г?。
本文中立方氮化硼復(fù)合材料由初始材料表征，因?yàn)檫@些材料是眾所周知的。高壓高溫壓制后的復(fù)合材料相當(dāng)復(fù)雜并且可能不能完全表征。例如在一個(gè)示例實(shí)施例中復(fù)合材料是由CBN晶體、碳氮化鈦和Co2Al9制備的。在最終的復(fù)合體內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)后一材料，其成分顯然存在在至少其它兩相內(nèi)。
復(fù)合材料的顯微研究和分析表明它含有鍵合在一起成為PCBN的CBN晶體以及富碳氮化鈦的彌散區(qū)。TiCN區(qū)本身由幾個(gè)分立相組成。
就所能測定的而言，CBN相顯然是純BN。形狀多少有點(diǎn)不規(guī)則的CBN晶粒大小典型地在1到5微米的范圍。
該TiCN區(qū)包含TiCN晶粒和似乎是一個(gè)富鈷粘結(jié)劑。這些區(qū)的形狀也不規(guī)則，大小在約1-10微米范圍內(nèi)。鈷含量在不同區(qū)之間變化很大，這可能是初始TiCN和Co2Al9粒子分布不均勻的結(jié)果。TiCN內(nèi)的碳氮比似乎接近1。氧濃度很低。顯然小于1原子百分比。
富TiCN區(qū)含有少量的似乎溶解在鈷內(nèi)的鎢。在一些鈷不存在的區(qū)域內(nèi)也檢測到鎢。后一種鎢可能以碳化鎢存在。由于混合粉末所使用的技術(shù)，碳化鎢的存在量很少，小于2重量百分比。通過混和CBN晶體、TiCN晶粒和Co2Al9粒子而制得混合粉末。通過在一個(gè)襯有膠結(jié)碳化鎢并含膠結(jié)碳化鎢球的球磨機(jī)內(nèi)制備表觀均勻的混合物。由于球和磨襯的磨損可能引入了少量的碳化鎢和更少量的鈷。
富鈷粘結(jié)劑相的尺寸和鎢含量變化很大。已觀察到尺寸在50納米到5微米的范圍。鎢含量隨不同區(qū)而變化，在某些區(qū)鈷內(nèi)有1-5原子百分比的鎢，其它區(qū)有高達(dá)30原子百分比的鎢。不知道富鉆相的晶體結(jié)構(gòu)但某些低鎢含量的鈷有可能是面心立方結(jié)構(gòu)，高鎢含量區(qū)是η相。
也發(fā)現(xiàn)富鋁相的尺寸在1-10微米的范圍。這些相對大的區(qū)域似乎含有AlN、Al2O3和可能的AlNxOy。至少某些這種大富鋁區(qū)含有被富鋁相包圍的富鈷核心。另外，也發(fā)現(xiàn)很小的，即小于約50納米的，富鋁相可能鑲嵌在碳氮化鈦區(qū)內(nèi)。
因而，壓制后PCBN復(fù)合材料很復(fù)雜，本文中它由其起始材料而不是最終復(fù)合體來表征。
另一種理想的PCBN復(fù)合成型體由80％重量百分比的CBN(其中六方氮化硼(HBN)可高達(dá)一半)、15％重量百分比的TiCN和5％重量百分比的Co2Al9制成。一種用于粗加工的良好PCBN組合物含有約93-94％重量百分比的CBN(HBN可能高達(dá)一半)、約4-5％的氮化鋁和約2％的鋁化鈷。一種含55-60％的CBN、35％的TiCN和4-10％的鋁化鈷的組合物用于精加工時(shí)特別優(yōu)異。一種含約80％的CBN、15％的TiCN和5％的鋁化鈷的組合物用于粗、精加工操作時(shí)有硬度、耐磨性和沖擊強(qiáng)度的良好綜合性能，從而允許單一的刀具兩方面都適用。
上述制備的實(shí)驗(yàn)切削刀具已用于很難的加工任務(wù)并已證明比商業(yè)購到的立方氮化硼切削刀具優(yōu)越。一個(gè)示例刀具含有57％重量百分比的立方氮化硼晶體、35％的TiCN、8％的Co2Al9和不超過約2％重量百分比的在球磨過程中以雜質(zhì)形式引入的碳化鎢作為原料以制成初始粒子混合物。如上所述過氮化CBN、TiCN和Co2Al9的粒子混合物?；旌头勰┍恢瞥赡z結(jié)碳化鎢基體上的多晶立方氮化硼復(fù)合體。
加工任務(wù)是精加工鑿巖鉆頭一條臂的鋼軸。這種軸描述在圖2中鑿巖鉆頭一條臂20的端部。軸的臂端附近是用于固定O形圈之類的密封面21。接著是橢圓形軸軸承表面22和球軸承座圈23。軸上的一個(gè)端面24和主軸25提供有表面硬化材料26，它的硬度比軸的鑄鋼的硬度高許多。
由于一部分軸軸承表面包含有從一部分圓周伸出的表面硬化材料的插入片27以及在臨近潤滑油通道29的橢圓形表面的相反側(cè)有間斷28，故使得加工任務(wù)尤其困難。CBN切削刀具必須不僅切削表面硬質(zhì)材料和鋼，而且當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于碰到間斷和硬質(zhì)材料片還需承受沖擊型載荷。
現(xiàn)有技術(shù)切削刀具在刀具不能再用之前，每個(gè)刀尖平均加工約12個(gè)這種鑿巖鉆頭軸。如上述制備的PCBN和TiCN的切削刀具每個(gè)刀尖平均加工約22個(gè)這種鑿巖鉆頭軸。
如上述制備PCBN復(fù)合成型體的技術(shù)是從粉末混合物開始的。另一種方法是在與CBN晶體混合之前，用一薄層鈷和/或鋁或鋁化鈷涂敷碳氮化鈦、碳化鈦、氮化鈦或碳氮化鈦鋁粒子?？赏ㄟ^等離子體氣相沉積或金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積把鋁化鈷、鈷或鋁沉積在這些粒子上。適宜的PVD或MOCVD工藝是眾所周知的。也可在CBN晶體上沉積碳氮化鈦或碳氮化鋁鈦。這種涂敷粒子促進(jìn)了PCBN燒坯中良好的晶間鍵合。涂敷粒子在混合前或之后也可進(jìn)行過氮化。
在上述組成中，氮化硼起始材料是立方氮化硼。將認(rèn)識(shí)到一部分CBN可用六方氮化硼(HBN)或纖鋅礦型氮化硼代替。在CBN熱力學(xué)穩(wěn)定的高溫高壓下這些材料轉(zhuǎn)變成CBN。
在本文描述的試驗(yàn)中所用的碳氮化鈦的碳氮比約為1，即分子式可寫作TiC0.5N0.5。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，用碳化鈦和氮化鈦?zhàn)鳛檩o助相時(shí)復(fù)合材料的硬度比用碳氮化鈦時(shí)低并且似乎硬度有某些不均勻性。因而，好象碳和氮兩個(gè)都顯著促進(jìn)了強(qiáng)度、耐化學(xué)腐蝕性、晶間鍵合或其它與成功的刀具材料有關(guān)的性能。故組成內(nèi)的碳氮比，C∶N，優(yōu)選地在從4∶1到1∶4的范圍內(nèi)?；衔锏姆肿邮絻?yōu)選地在從TiC0.8N0.2到TiC0.2N0.8的范圍內(nèi)。對于碳氮化鋁鈦，優(yōu)選地碳氮比有相似的范圍。
那些在本技術(shù)領(lǐng)域熟練的人可對本發(fā)明進(jìn)行許多其它修正和變動(dòng)。因此，例如，雖然鋁化鈷是制備PCBN復(fù)合材料的優(yōu)選材料，但在某些用途中鋁化鎳可能是等效材料。雖然已提及PVD和MOCVD作為涂敷粒子的技術(shù)，但也可用其它涂敷技術(shù)替代。也可使用涂敷粒子的不同組合。雖然在實(shí)施本發(fā)明中優(yōu)選地使用碳氮化鈦，但過氮化碳化鈦和/或氮化鈦可能使它們適宜地替代某些或全部過氮化的碳氮化鈦。
權(quán)利要求
1一種多晶立方氮化硼切削刀具，包括主要成分為鍵合在一起成為多晶體的立方氮化硼晶體；和次要成分為與多晶立方氮化硼混雜在一起并由初始為粉末形式的材料形成的輔助相，該粉末形式材料含有選自由碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦和碳氮化鈦鋁組成的組的耐火材料核心，及，氮濃度比碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦和碳氮化鈦鋁粉末核心高的表面層。
2根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶立方氮化硼切削刀具，進(jìn)一步含有與輔助相結(jié)合的少量Co2Al9相。
3根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶立方氮化硼切削刀具，其中立方氮化硼在從50到85重量百分比的范圍內(nèi)，碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦或碳氮化鈦鋁在從15到40重量百分比的范圍內(nèi)，Co2Al9在從4到10重量百分比的范圍內(nèi)。
4根據(jù)權(quán)利要求4所述的多晶立方氮化硼切削刀具，其中一部分鈦可被選自由硅、鉭、鈷、鉻和鎢組成的組中的元素所替代。
5一種多晶立方氮化硼切削刀具，包括含有從50到85重量百分比范圍內(nèi)的立方氮化硼鍵合在一起成為多晶體的燒坯；其特征在于一種輔助相與多晶立方氮化硼混雜在一起并且它由從15到40重量百分比的選自由碳氮化鈦和碳氮化鈦鋁組成的組的一種材料形成，還有4到10重量百分比的CO2Al9與輔助相相結(jié)合。
6根據(jù)權(quán)利要求5所述的多晶立方氮化硼切削刀具，其中輔助相是由至少一部分其表面層的氮濃度比碳氮化鈦或碳氮化鈦鋁粒子核心高的碳氮化鈦或碳氮化鈦鋁粒子形成。
7根據(jù)權(quán)利要求5所述的多晶立方氮化硼切削刀具，其中碳氮化鈦在從30到40重量百分比的范圍內(nèi)和立方氮化硼在從50到65重量百分比的范圍內(nèi)。
8根據(jù)權(quán)利要求5所述的多晶立方氮化硼切削刀具，其中一部分鈦可被選自由硅、鉭、鈷、鉻和鎢組成的組中的元素所替代。
9根據(jù)權(quán)利要求5所述的多晶立方氮化硼切削刀具，其中碳氮化鈦或碳氮化鈦鋁內(nèi)的碳氮比在從4∶1到1∶4的范圍內(nèi)。
10一種多晶立方氮化硼切削刀具的制備方法，其步驟包括形成立方氮化硼晶體、選自由碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦和碳氮化鈦鋁組成的組中的耐火材料粉末、一個(gè)鈷源和一個(gè)鋁源的混合物；在溫度至少1100℃下于氨氣中處理至少一部分混合物成分；以及在立方氮化硼熱力學(xué)穩(wěn)定的高溫高壓條件下處理該混和物足夠的時(shí)間以形成含有由碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦或碳氮化鈦鋁形成的輔助相的立方氮化硼的多晶體。
11根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中鈷源和鋁源包括Co2Al9。
12根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其步驟包括混和碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦或碳氮化鈦鋁粉末和鋁化鈷粉末；并，在與立方氮化硼晶粒混和之前，在溫度至少1100℃下于氨氣中處理碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦或碳氮化鈦鋁粉末和鋁化鈷粉末的混合物。
13根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中整個(gè)混合物在至少1100℃的溫度下用氨氣處理。
14一種多晶立方氮化硼切削刀具的制備方法，其步驟包括用選自由鈷、鋁、鋁化鈷和它們的組合組成的組的一層材料涂敷耐火粒子，耐火粒子選自由立方氮化硼晶體、碳化鈦粉末、碳氮化鈦粉末、碳氮化鈦鋁粉末和氮化鈦粉末組成的組；混和涂敷的粒子以形成立方氮化硼晶體和選自由碳化鈦粉末、碳氮化鈦粉末、碳氮化鈦鋁粉末和氮化鈦粉末組成的組的粉末的混合物；并，在立方氮化硼熱力學(xué)穩(wěn)定的高溫高壓條件下處理該混和物足夠的時(shí)間以形成含有由耐火材料和鋁化鈷形成的輔助相的立方氮化硼的多晶體。
15根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包含在從1150℃到1250℃的范圍的溫度下于氨氣中處理至少一部分涂敷的粒子。
16根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中整個(gè)混合物在至少1100℃的溫度下用氨氣處理。
17根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其步驟包括在混合物中混和Co2Al9。
全文摘要
一種由從50到85重量百分比的立方氮化硼鍵合在一起成為多晶體形成的多晶立方氮化硼切削刀具。與多晶立方氮化硼混雜在一起的輔助相是由從15到40重量百分比的耐火材料形成的,耐火材料優(yōu)選地為碳氮化鈦或碳氮化鈦鋁。起始組成也包含從4到10重量百分比的Co
文檔編號C04B35/5831GK1190424SQ96195313
公開日1998年8月12日 申請日期1996年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月15日
發(fā)明者姚先, M·W·柯利恩, M·K·凱沙溫, G·雷 申請人:史密斯國際公司