專利名稱：立方氮化硼壓塊的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及立方碳化硼(CBN)磨料壓塊。
氮化硼通常以三種晶體形式存在，即立方氮化硼(CBN)、六方氮化硼(hBN)和纖鋅礦型(wurtzitic)立方氮化硼(wBN)。立方氮化硼為結(jié)構(gòu)類似于金剛石的氮化硼的硬質(zhì)閃鋅礦形式。在CBN結(jié)構(gòu)中，原子之間形成的鍵是堅(jiān)固的，主要為共價四面體鍵。
CBN壓塊包括CBN顆粒的燒結(jié)物質(zhì)。當(dāng)CBN含量大于該壓塊的80體積％時，存在大量的CBN-CBN接觸和粘結(jié)。當(dāng)CBN含量較低，例如范圍在該壓塊的40-60體積％，那么直接的CBN-CBN接觸是有限的。
CBN壓塊通常也含有粘合劑相，例如鋁、硅、鈷、鎳、和鈦。
當(dāng)壓塊的CBN含量小于70體積％時，基質(zhì)相、即無CBN的相，將通常也包含另一硬質(zhì)相，即第二相，其可以是陶瓷質(zhì)的。適宜的陶瓷硬質(zhì)相的實(shí)例為第4、5或6族過渡金屬(依據(jù)新的IUPAC形式)的碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物，氧化鋁，和碳化物如碳化鎢及其混合物。該基質(zhì)構(gòu)成組合物中除CBN之外的全部組分。
CBN壓塊可以在形成工具插件(tool insert)或工具時直接粘結(jié)于工具體。但是，對于許多應(yīng)用，優(yōu)選地將該壓塊粘結(jié)于基體/載體材料，形成負(fù)載的壓塊結(jié)構(gòu)，隨后將該負(fù)載的壓塊結(jié)構(gòu)粘結(jié)于工具體。該基體/載體材料通常為硬質(zhì)金屬碳化物，其與粘合劑如鈷、鎳、鐵或其混合物或合金粘結(jié)在一起。金屬碳化物顆?？梢园ㄦu、鈦或鉭碳化物顆?；蚱浠旌衔铩?br> 制造CBN壓塊和負(fù)載的壓塊結(jié)構(gòu)的已知方法包括，使CBN顆粒的未燒結(jié)物質(zhì)經(jīng)受高溫和高壓條件(即CBN在結(jié)晶學(xué)上穩(wěn)定的條件)適當(dāng)?shù)臅r間段?？梢岳谜澈蟿┫嘣鰪?qiáng)顆粒的粘結(jié)。所用的典型高溫和高壓條件為1100℃或更高的溫度和2GPa或更高數(shù)量級的壓力。保持這些條件的時間段通常為約3-120分鐘。
CBN在加工工具等中具有廣泛的商業(yè)應(yīng)用。其可以用作砂輪、切削工具等中的磨粒，或者采用常規(guī)電鍍技術(shù)將其粘結(jié)于工具體以形成工具插件。CBN也可以以粘結(jié)形式用作CBN壓塊。CBN壓塊趨于具有良好的磨損性，是熱穩(wěn)定的，具有高導(dǎo)熱性，良好的抗沖性和與含鐵的金屬接觸時具有低的摩擦系數(shù)。該CBN壓塊，具有或者不具有基體，經(jīng)常被切割為期望的尺寸和/或待用的特定切削或鉆孔工具的形狀，并隨后利用釬焊技術(shù)將其安裝在工具體上。
CBN壓塊廣泛地應(yīng)用于制造用于硬化鋼精加工的切削工具，如容器硬化鋼、滾珠鋼和通過硬化的工程鋼。除了使用條件之外，如切削速度、切削的進(jìn)送和深度，通常已知CBN工具的性能取決于加工件的幾何形狀，且特別地，是否該工具長期不變地接合于加工件，本領(lǐng)域公知為“連續(xù)切削”，或者是否該工具以斷續(xù)方式接合于加工件，本領(lǐng)域通常公知為“斷續(xù)切削”。
依據(jù)加工件幾何形狀，通常CBN工具在加工循環(huán)之內(nèi)同時經(jīng)歷連續(xù)的和斷續(xù)的切削，另外，連續(xù)/斷續(xù)切削比例在該領(lǐng)域中大大地變化。在對該領(lǐng)域廣泛研究之后發(fā)現(xiàn)，這些不同模式的切削對構(gòu)成工具切削邊的CBN材料產(chǎn)生非常不同的需求。主要問題是，工具趨于由于破裂或碎裂而災(zāi)難性地失效，其由于市場中對于通過增加切削速度的更高產(chǎn)能的日益增加的需求而加劇。這點(diǎn)通常導(dǎo)致工具壽命降低，使得必須經(jīng)常更換該工具。反過來，這點(diǎn)通常導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，這點(diǎn)是不利的。期望開發(fā)出改進(jìn)的CBN基材料，其功能更有效，例如顯示改進(jìn)的抗失效性和磨損強(qiáng)度。
US 6,316,094公開了CBN燒結(jié)體，其中單一平均粒度的CBN顆粒通過粘結(jié)相粘結(jié)。將粉狀組合物燒結(jié)制得燒結(jié)體。該粉狀組合物是采用各種混合方法如超聲混合和砂磨粉碎制備的。US6,316,094中，聲稱砂磨粉碎是最差的混合方法。
US4,334,928公開了包含CBN顆粒和各種含鈦化合物的氮化硼燒結(jié)壓塊。典型地將含鈦化合物預(yù)反應(yīng)并且形成為燒結(jié)壓塊，隨后壓碎。該CBN壓塊進(jìn)一步含有單一平均粒度的CBN。燒結(jié)過程中采用較低溫度來制備該CBN壓塊。
發(fā)明概述依據(jù)本發(fā)明，CBN壓塊包含CBN和基質(zhì)相，該基質(zhì)相結(jié)合了選自TiCN、TiC、TiN、其混合物與固溶體的第二硬質(zhì)相和最大量的二硼化鈦，其中(101)二硼化鈦峰的XRD峰高(在背景校正之后)小于(111)CBN峰的峰高的12％、優(yōu)選小于CBN峰高的10％且更優(yōu)選小于CBN峰高的5％。
進(jìn)一步依據(jù)本發(fā)明，如在XRD分析中所測量的，對于鈦基第二硬質(zhì)相，其半寬度(FWHM)為至少0.2度2θ，優(yōu)選為至少0.25度2θ，更優(yōu)選為至少0.3度2θ。
該CBN壓塊通常含有35-75體積％、優(yōu)選35-65體積％的CBN。
該基質(zhì)相可以進(jìn)一步包含粘合劑相。該粘合劑相可以為鋁。將意識到的是，鋁可以作為鋁或者作為鍵合形式的鋁存在，如氮化鋁、二硼化鋁、鋁化鈦和/或其組合。該基質(zhì)相可以進(jìn)一步包括碳化鎢和/或Al2O3。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了含有如上所定義的CBN壓塊的工具插件。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳述說明本發(fā)明涉及CBN壓塊，更具體地，涉及包含CBN和基質(zhì)相的CBN壓塊，該基質(zhì)相結(jié)合了鈦基第二硬質(zhì)相和極低量的二硼化鈦，如上所定義。
二硼化鈦通常由于CBN與含有鈦化合物如碳氮化鈦的第二硬質(zhì)相之間的反應(yīng)而存在于CBN壓塊中。TiB2通常作為CBN顆粒與第二硬質(zhì)相顆粒之間的粘結(jié)劑。但是，如果CBN材料中存在過高量的二硼化鈦，材料的耐磨性通常將增加；但是抗破裂性和抗碎裂性將降低。具有高TiB2含量的CBN材料的耐磨性增加可能歸因于TiB2的高硬度?？蛊屏研院涂顾榱研缘慕档涂赡芘c材料熱膨脹系數(shù)的各向異性相關(guān)。由于TiB2具有六方晶體結(jié)構(gòu)，(CBN、AlN、碳氮化鈦都具有立方晶體結(jié)構(gòu))，TiB2由熱膨脹系數(shù)的各向異性而在CBN與第二硬質(zhì)相材料之間引入了殘余應(yīng)力。這樣導(dǎo)致CBN與第二硬質(zhì)相之間界面的弱化，導(dǎo)致強(qiáng)度損失和由此在要求抗破裂性和抗碎裂性的應(yīng)用中性能大大降低。
本發(fā)明首次認(rèn)識了該問題，并且通過將CBN與第二硬質(zhì)相之間的TiB2含量降低到可以最優(yōu)化該材料性能的水平，由此解決了該問題。已采用材料中TiB2與CBN的測量峰高的X-射線衍射峰高比例，量化了該CBN壓塊中TiB2的這些最佳水平。
本發(fā)明的另一方面在于，該CBN材料含有顯示高XRD峰加寬的第二硬質(zhì)相。該第二硬質(zhì)相的XRD峰加寬(低衍射角下)表明，該第二硬質(zhì)相具有極細(xì)的粒度，且也可以包括化學(xué)性方面的變化。這些獨(dú)特的方面改進(jìn)了材料性能和由此提供了要求抗破裂性和抗碎裂性的應(yīng)用中的性能增強(qiáng)。采用第二硬質(zhì)相材料的XRD峰的半寬度(Full-Width-Half-Maximum)(FWHM)測量，定義該第二硬質(zhì)相的特征。
采用裝配有發(fā)生器設(shè)定為40kV和45mA的Cu輻射的立式衍射計(jì)，進(jìn)行CBN壓塊材料的X-射線檢測。通常在20-65度2θ角范圍之間進(jìn)行XRD掃描，步長為0.02度2θ，每步5秒鐘。在FWHM測量之前將收集的XRD掃描進(jìn)行背景校正和Ka-2剝離。在曲線擬合數(shù)據(jù)和確定峰位置之后，進(jìn)行FWHM測量。在具有(111)和(200)平面的碳氮化鈦、氮化鈦和碳化鈦上進(jìn)行FWHM測量。在鑒別峰位置之后立即測量峰高。在(111)平面上測量CBN峰高；但是在(101)平面上測量TiB2高度。
本發(fā)明的CBN壓塊通過制備粉狀形式的CBN顆粒和基質(zhì)相的混合物來制得。該混合物中的CBN顆粒可以是單峰的，即，全部CBN顆粒具有相同的平均粒度；或者是多峰的，即，該CBN顆粒由至少兩種平均粒度的顆粒的混合物組成。當(dāng)該CBN為多峰的時，該CBN優(yōu)選地為雙峰的，即，該CBN由具有兩種平均粒度的顆粒組成。
該基質(zhì)相可以進(jìn)一步包含粘合劑相，例如但并非限定于鋁。將意識到的是，鋁可以作為鋁或者作為鍵合形式的鋁存在，如氮化鋁、二硼化鋁、鋁化鈦和/或其組合。
當(dāng)碳氮化鈦為第二硬質(zhì)相時，其可以是亞化學(xué)計(jì)量的，即Ti((C1-xNx)y，其中x顯示氮相對于碳的固溶體濃度；且y顯示全部碳氮化物相對于鈦的比例。通常在燒結(jié)之前，可以將TiCN與粘合劑相例如鋁(存在時)預(yù)反應(yīng)。這樣將導(dǎo)致化學(xué)計(jì)量的碳氮化鈦、鋁化鈦和任意未反應(yīng)的相的反應(yīng)產(chǎn)物。
已發(fā)現(xiàn)，一種獲得細(xì)粒度第二硬質(zhì)相的方法是采用砂磨粉碎(attrition milling)制備CBN和基質(zhì)相的混合物。砂磨粉碎機(jī)(attrition mill)由具有攪拌器的密封研磨室組成，該攪拌器在垂直或水平方向上高速旋轉(zhuǎn)。所用研磨介質(zhì)通常尺寸范圍為0.2-15mm，且在粉碎為主要目的時，研磨介質(zhì)通常為高密度的硬質(zhì)合金。攪拌器的高旋轉(zhuǎn)速度，與高密度、小直徑的介質(zhì)一起，提供了極高的能量。另外，砂磨粉碎中高能量獲得了漿料中的高剪切，提供了極成功的粉末的輔助分散、或共混。相對于所述其它方法如常規(guī)球磨機(jī)、滾筒式球磨機(jī)、行星式球磨機(jī)、攪拌式(agitated)或攪拌式(stirred)球磨機(jī)，砂磨粉碎通常在燒結(jié)壓塊中獲得了更細(xì)的顆粒和更好的均質(zhì)性。由此，特別是在砂磨粉碎用于“兩步”工藝時，采用砂磨粉碎法研磨第二相和粉狀粘合劑相，制得細(xì)混合物，該混合物通常由納米級顆粒(通常粒度范圍為約200-約500nm的顆粒)組成。將獲得的細(xì)混合物和CBN顆粒進(jìn)一步進(jìn)行砂磨粉碎以制得均質(zhì)的混合物。
利用“兩步”砂磨粉碎的優(yōu)點(diǎn)在于，通常獲得極細(xì)的用于燒結(jié)的起始材料。較細(xì)的第二硬質(zhì)相和粘合劑相顆粒優(yōu)選地具有高比表面積和由此高的反應(yīng)性，導(dǎo)致CBN和第二硬質(zhì)相顆粒之間極佳的燒結(jié)。類似地，第二硬質(zhì)相顆粒的小尺寸賦予它們高的比表面積，且由此也具有第二硬質(zhì)相顆粒之間良好的粘結(jié)。另外，第二硬質(zhì)相顆粒的小尺寸獲得更均質(zhì)的壓塊，該壓塊用于形成工具插件時，通常獲得更好的工具插件性能。
使CBN和粉狀基質(zhì)相的混合物經(jīng)受CBN在結(jié)晶學(xué)上穩(wěn)定的高溫和高壓條件，由此制得CBN壓塊。該條件和方法是本領(lǐng)域中眾所周知的。
但是，將意識到的是，可以利用其它有效方法來制備依據(jù)本發(fā)明的CBN壓塊且制備該壓塊的方法并非限定于上述那些。
以下列方式測量壓塊的CBN含量采用金屬絲EDM切削樣品件并隨后拋光。采用掃描電子顯微鏡分析該CBN壓塊的拋光表面。依據(jù)估算的平均CBN粒度選擇在適當(dāng)放大倍數(shù)(3000、5000和7000放大倍數(shù))下的背散射電子圖像。(如果平均粒度小于1微米，采用7000放大倍數(shù)；如果平均CBN粒度大于1微米且小于2微米，采用5000放大倍數(shù)。如果平均粒度大于2微米且小于3微米，采用3000放大倍數(shù)。)利用至少30個圖像進(jìn)行分析以統(tǒng)計(jì)表達(dá)該樣品。
在下列步驟中分析所收集的灰度圖像。首先，將灰度圖像在電子學(xué)上處理以鑒別微結(jié)構(gòu)中的CBN顆粒。該處理包括利用對于CBN的臨界灰度值將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制圖像，其中CBN顆粒被鑒別為一個相。剩余相為基質(zhì)相(無-CBN的相)。隨后，測量全部所鑒別的CBN顆粒的總面積，并且對于每個圖像計(jì)算全部CBN的百分比面積。隨后，取通常大于30個圖像的全部測量的平均值，計(jì)算CBN面積的平均值。該CBN面積百分比對應(yīng)于材料的整體CBN含量。
該基質(zhì)相可以進(jìn)一步包括碳化鎢和/或Al2O3。這些材料通常起到顆粒生長抑制劑的作用，其防止/降低高溫高壓燒結(jié)期間第二硬質(zhì)相顆粒的顆粒生長。
本發(fā)明的CBN壓塊特別適用作為加工硬化鋼、冷熱水操作工具鋼、模具鋼、容器硬化鋼、高速鋼和可鍛鑄灰鐵輥的工具插件。但是，將意識到的是，本發(fā)明的CBN壓塊的應(yīng)用并非限定于上面所列的那些。
實(shí)施例現(xiàn)在將參照下列非限定性實(shí)施例闡述本發(fā)明。
實(shí)施例1將亞化學(xué)計(jì)量的平均粒度為1.4微米的碳氮化鈦粉末(Ti(C0.7N0.3)0.8)與平均粒度為5微米的Al粉混合。Ti(C0.7N0.3)0.8與Al之間的質(zhì)量比為90∶10。將該粉末混合壓制成鈦杯以形成壓塊坯，并且在真空下加熱到1025℃下30分鐘并隨后壓碎和研磨成粉。隨后將該粉末混合物砂磨粉碎4小時。將含有約30wt％平均粒度為0.7微米的CBN和平均粒度為2微米的其它CBN的CBN粉末混合物，以一定量加入漿料中以獲得整體65體積％的CBN。采用砂磨粉碎將含CBN的漿料研磨和混合1小時。將該漿料在真空下干燥并成形為壓塊坯，并且在55kbar(5.5GPa)和約1300℃下燒結(jié)以制得CBN壓塊。
依據(jù)X-射線衍射分析，該燒結(jié)材料除了含有CBN和碳氮化鈦之外，還含有少量的TiB2、AlN、Al2O3和WC。表示為(111)平面中CBN峰高的百分比的、(101)平面中的XRD TiB2峰高為3.68％。(111)和(200)平面的碳氮化鈦的FWHM值分別為0.315和0.331度2θ。
通過圖像分析測量的CBN含量為53.4％面積，其為在5000放大倍數(shù)下獲得的40個背散射電子SEM圖像的分析平均值。面積百分比實(shí)質(zhì)上等同于體積百分比。
實(shí)施例2將亞化學(xué)計(jì)量的平均粒度為1.4微米的碳氮化鈦粉末(Ti(C0.7N0.3)0.8)與平均粒度為5微米的Al粉混合。Ti(C0.7N0.3)0.8與Al之間的質(zhì)量比為90∶10。將該粉末混合壓制成鈦杯以形成壓塊坯，并且在真空下加熱到1025℃下30分鐘并隨后壓碎和研磨成粉。隨后將該粉末混合物砂磨粉碎4小時。將含有約30wt％平均粒度為0.7微米的CBN和平均粒度為2微米的其它CBN的CBN粉末混合物，以一定量加入漿料中以獲得整體45體積％的CBN。采用砂磨粉碎將含CBN的漿料研磨和混合1小時。將該漿料在真空下干燥并成形為壓塊坯，并且在55kbar(5.5GPa)和約1300℃下燒結(jié)以制得CBN壓塊。
依據(jù)X-射線衍射分析，該燒結(jié)材料除了含有CBN和碳氮化鈦之外，還含有少量的TiB2、AlN、Al2O3和WC。表示為(111)平面中CBN峰高的百分比的、(101)平面中的XRD TiB2峰高為4.19％。(111)和(200)平面的碳氮化鈦的FWHM(半寬度)值分別為0.522和0.582度2θ。
通過圖像分析測量的CBN含量為38.5％面積，其為在5000放大倍數(shù)下獲得的50個背散射電子SEM圖像的分析平均值。面積百分比實(shí)質(zhì)上等同于體積百分比。
實(shí)施例3將亞化學(xué)計(jì)量的平均粒度為1.4微米的碳氮化鈦粉末(Ti(C0.5N0.5)0.8)與平均粒度為5微米的Al粉混合。Ti(C0.5N0.5)0.8與Al之間的質(zhì)量比為90∶10。將該粉末混合壓制成鈦杯以形成壓塊坯，并且在真空下加熱到1025℃下30分鐘并隨后壓碎和研磨成粉。隨后將該粉末混合物砂磨粉碎4小時。將含有約30wt％平均粒度為0.7微米的CBN和平均粒度為1.4微米的其它CBN的CBN粉末混合物，以一定量加入漿料中以獲得整體55體積％的CBN。采用砂磨粉碎將含CBN的漿料研磨和混合1小時。將該漿料在真空下干燥并成形為壓塊坯，并且在55kbar(5.5GPa)和約1300℃下燒結(jié)以制得CBN壓塊。
依據(jù)X-射線衍射分析，該燒結(jié)材料除了含有CBN和碳氮化鈦之外，還含有少量的TiB2、AlN、Al2O3和WC。表示為(111)平面中CBN峰高的百分比的、(101)平面中的XRD TiB2峰高為2.52％。對于(111)平面的碳氮化鈦峰的FWHM(半寬度)值為0.593度2θ。
通過圖像分析測量的CBN含量為48.1％面積，其為在5000放大倍數(shù)下獲得的40個背散射電子SEM圖像的分析平均值。面積百分比實(shí)質(zhì)上等同于體積百分比。
實(shí)施例4將亞化學(xué)計(jì)量的平均粒度為1.4微米的碳化鈦粉末TiC0.8與平均粒度為5微米的Al粉混合。TiC0.8與Al之間的質(zhì)量比為90∶10。將該粉末混合壓制成鈦杯以形成壓塊坯，并且在真空下加熱到1025℃下30分鐘并隨后壓碎和研磨成粉。隨后將該粉末混合物砂磨粉碎4小時。將含有約30wt％平均粒度為1.4微米的CBN的CBN粉末混合物，以一定量加入漿料中以獲得整體50體積％的CBN。采用砂磨粉碎將含CBN的漿料研磨和混合1小時。將該漿料在真空下干燥并成形為壓塊坯，并且在55kbar(5.5GPa)和約1300℃下燒結(jié)以制得CBN壓塊。
依據(jù)X-射線衍射分析，該燒結(jié)材料除了含有CBN和碳化鈦之外，還含有少量的TiB2、AlN、Al2O3和WC。表示為(111)平面中CBN峰高的百分比的、(101)平面中的XRD TiB2峰高為4.88％。(111)和(200)平面的碳氮化鈦的FWHM值分別為0.392和0.389度2θ。
通過圖像分析測量的CBN含量為43.98％面積，其為在5000放大倍數(shù)下獲得的45個背散射電子SEM圖像的分析平均值。面積百分比實(shí)質(zhì)上等同于體積百分比。
權(quán)利要求
1.包含CBN顆粒和基質(zhì)相的CBN壓塊，該基質(zhì)相結(jié)合了選自TiCN、TiC、TiN、其混合物與固溶體的第二硬質(zhì)相和最大量的二硼化鈦，其中二硼化鈦(101)峰的XRD峰高，在背景校正之后，小于(111)CBN峰的峰高的12％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的CBN壓塊，其中二硼化鈦(101)峰的XRD峰高，在背景校正之后，小于(111)CBN峰的峰高的10％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的CBN壓塊，其中二硼化鈦(101)峰的XRD峰高，在背景校正之后，小于(111)CBN峰的峰高的5％。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的CBN壓塊，其是由含有35-75體積％CBN的組合物制成的。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的CBN壓塊，其中第二硬質(zhì)相的XRD峰具有至少0.2度2θ的半寬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的CBN壓塊，其中第二硬質(zhì)相的XRD峰具有至少0.25度2θ的半寬度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的CBN壓塊，其中第二硬質(zhì)相的XRD峰具有至少0.3度2θ的半寬度。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的CBN壓塊，其中該第二硬質(zhì)相為TiCN。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的CBN壓塊，其中該基質(zhì)相進(jìn)一步包括為鋁或鋁基化合物的粘合劑相。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的CBN壓塊，其中該基質(zhì)相進(jìn)一步包括碳化鎢和/或Al2O3。
11.含有根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)的CBN壓塊的工具插件。
全文摘要
本發(fā)明涉及包含CBN和基質(zhì)相的CBN壓塊，該基質(zhì)相結(jié)合了選自TiCN、TiC、TiN、其混合物與固溶體的第二硬質(zhì)相和最大量的二硼化鈦，其中(101)二硼化鈦峰(在背景校正之后)的XRD峰高小于(111)CBN峰的峰高的12％。
文檔編號B23B27/14GK101084169SQ200580041693
公開日2007年12月5日 申請日期2005年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者N·卡恩, S·A·安德森 申請人:六號元素(產(chǎn)品)(控股)公司