專利名稱：立方氮化硼壓塊的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于制造立方氮化硼磨料壓塊的組合物，具體地涉及具有增強(qiáng)的抗磨性和增強(qiáng)的抗碎裂性的壓塊。
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(jià)四面體鍵。制備CBN的方法是本領(lǐng)域眾所周知的。一種方法是，在特定催化添加劑材料(其可以包括堿金屬、堿土金屬、鉛、錫和這些金屬的氮化物)的存在下，使hBN經(jīng)受極高壓力和溫度。在溫度和壓力降低時(shí)，可以回收到CBN。
CBN在加工工具(tool)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(shí)具有低的摩擦系數(shù)。
金剛石是硬度高于CBN的唯一已知材料。但是，由于金剛石趨于與一些材料如鐵反應(yīng)，其不能用于與含鐵的金屬一起使用，由此此時(shí)優(yōu)選使用CBN。
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(shí)，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接觸和粘結(jié)的程度較低。CBN壓塊將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(shí)，通常存在另一硬質(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或工具時(shí)直接粘結(jié)于工具體。但是，對(duì)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?。
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(shí)間段?？梢岳谜澈蟿┫嘣鰪?qiáng)顆粒的粘結(jié)。所用的典型高溫高壓(HTHP)條件為1100℃或更高的溫度和2GPa或更高數(shù)量級(jí)的壓力。保持這些條件的時(shí)間段通常為約3-120分鐘。
燒結(jié)的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(shí)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(duì)該領(lǐng)域廣泛研究之后發(fā)現(xiàn)，這些不同模式的切削對(duì)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(chǎng)中對(duì)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，由此工具的工具壽命有限。
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。砂磨粉碎顯示為最差的混合方法。
US 4,334,928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)明的第一方面，提供了用于制備CBN壓塊的組合物，其包含約45％-約75體積％的CBN，典型地為45-70體積％，其中該CBN由一種以上平均粒度的顆粒組成；第二硬質(zhì)相，其包括含有第4、5或6族過渡金屬的氮化物、碳氮化物或碳化物的化合物或者其固溶體或混合物；和粘合劑相；其中，典型地，粘合劑相的存在量為第二硬質(zhì)相的約5-30wt％。
組合物中存在的CBN的體積為約50-65％。該CBN的平均粒度通常小于10μm且優(yōu)選地小于5μm。
該CBN優(yōu)選地為雙峰的，即，其由具有兩種平均粒度的顆粒組成。較細(xì)顆粒的平均粒度范圍通常為約0.1-約2μm，且較粗顆粒的平均粒度范圍通常為約0.3-約5μm。較粗CBN顆粒與較細(xì)顆粒的含量比例典型地為50∶50-90∶10。
本發(fā)明的組合物含有CBN、第二硬質(zhì)相和粘合劑相，也可以含有少量的其它附帶的雜質(zhì)，包括氧化物相。特別是在該組合物用碳化鎢球研磨時(shí)，可能存在作為顆粒生長抑制劑的碳化鎢。碳化鎢存在時(shí)，通常不超過3體積％。
氮化物、碳氮化物或碳化物的金屬為第4、5或6族過渡金屬，優(yōu)選為鈦。
粘合劑相優(yōu)選地由鋁和任選的一種或多種其它元素組成，所述其它元素選自硅、鐵、鎳、鈷、鈦、鎢、鈮和鉬，其可以與鋁形成合金、混合或形成固溶體。但是可以使用其它粘合劑相。
第二硬質(zhì)相可以是亞化學(xué)計(jì)量的。此時(shí)，可以將其與粘合劑相如鋁預(yù)先反應(yīng)。這樣將獲得化學(xué)計(jì)量的第二硬質(zhì)相、過渡金屬鋁化物和任意未反應(yīng)的粘合劑相的反應(yīng)產(chǎn)物。
上述組合物優(yōu)選地通過一種方法來制備，該方法包括最優(yōu)化的粉末加工如砂磨粉碎(attrition milling)和特別地兩階段砂磨粉碎；第一階段研磨用于第二硬質(zhì)相顆粒和粘合劑相的破裂，和隨后，第二階段砂磨粉碎用于CBN和其它基質(zhì)材料的均勻混合。由此，可以使該組合物經(jīng)受熱處理以使組合物的污染物最小化。
依據(jù)本發(fā)明的第二方面，制備CBN壓塊的方法包括使上述組合物經(jīng)受適于制備CBN壓塊的高溫和高壓的條件。該條件為CBN在結(jié)晶學(xué)上穩(wěn)定的那些且是本領(lǐng)域公知的。
在施加高溫和高壓條件之前，可以將該組合物置于基體表面上。該基體通常為硬質(zhì)金屬碳化物基體。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了CBN壓塊，其包括CBN和基質(zhì)相，其中CBN粒度體積頻數(shù)分布具有1微米或更大的表示為d90-d10的分布差值(distribution spread)，且d90最大值為5微米或更小、優(yōu)選為3.5微米或更小、更優(yōu)選為2.5微米或更小。
該基質(zhì)相優(yōu)選地含有如上所述的第二硬質(zhì)相和粘合劑相，以及第二硬質(zhì)相、粘合劑相和CBN之間的任意反應(yīng)產(chǎn)物。
粘合劑相的存在量通常為該基質(zhì)中第二硬質(zhì)相的約5-30wt％。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說明本發(fā)明涉及CBN磨料壓塊的制造。用于制備CBN磨料壓塊的組合物或起始材料包括CBN，其由一種以上平均粒度的顆粒組成；第二硬質(zhì)相，其將包括第4、5或6族化合物，包括氮化物、碳氮化物或碳化物，或其混合物或固溶體；和粘合劑相。該第二硬質(zhì)相通常由第4、5或6族化合物組成，包括氮化物、碳氮化物或碳化物或其混合物或固溶體。該組合物可以含有其它微量組分，如氧化鋁或碳化鎢，和其它附帶的雜質(zhì)如Nb、Ta或Mo。特別是在該組合物用碳化鎢球研磨時(shí)，可能存在作為顆粒生長抑制劑的碳化鎢。碳化鎢存在時(shí)，通常不超過3體積％。
該CBN將含有多峰的顆粒，即，至少兩種類型的彼此平均粒度不同的CBN顆粒。“平均粒度”含義為主要量的顆粒將接近特定尺寸，但是存在少量距離該特定尺寸更遠(yuǎn)的顆粒。顆粒分布中的峰值將具有特定尺寸。由此，例如如果平均粒度為2μm，該定義表示將存在一些大于2μm的顆粒，但是主要量的顆粒的尺寸近似為2μm且顆粒分布中峰值將接近2μm。
該組合物中使用多峰、優(yōu)選雙峰的CBN，確保了基質(zhì)被良好地分散以降低預(yù)燒結(jié)組合物中存在的關(guān)鍵尺寸缺陷的可能性。這點(diǎn)對(duì)于由該組合物制得的壓塊的韌性和強(qiáng)度均有益。在預(yù)處理期間通過機(jī)械方法獲得通常為0.5μm的小粒度的基質(zhì)材料，具體通過砂磨粉碎第二硬質(zhì)相、鋁、任意其它粘合劑材料和附帶的雜質(zhì)。
通常作為粉碎和分散方法的研磨是本領(lǐng)域眾所周知的。用于研磨陶瓷粉末的常用研磨技術(shù)包括常規(guī)球磨機(jī)和滾筒式球磨機(jī)，行星式球磨機(jī)和砂磨粉碎式球磨機(jī)和攪拌式(agitated)或攪拌式(stirred)球磨機(jī)。
在常規(guī)球磨機(jī)中，能量輸入由研磨介質(zhì)的尺寸和密度、研磨罐的直徑和旋轉(zhuǎn)速度來確定。當(dāng)該方法要求球體滾動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度、和由此能量是有限制的。常規(guī)球磨法非常適用于研磨低至中等顆粒強(qiáng)度的粉末。通常，在粉末將被研磨為大約1微米或更大的最終尺寸時(shí)采用常規(guī)球磨法。
行星式球磨法中，研磨罐的行星式運(yùn)動(dòng)使得重力加速度增加高達(dá)20倍，在使用致密介質(zhì)時(shí)，其在研磨中能容許比常規(guī)球磨法充分更大的能量。這種技術(shù)非常適用于粉碎中等強(qiáng)度的顆粒，最終粒度為約1微米。
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(shí)，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(duì)于所述其它方法，砂磨粉碎獲得了更細(xì)的顆粒和更好的均質(zhì)性。
更細(xì)的第二硬質(zhì)相和粘合劑相顆粒具有高的比表面積和由此反應(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)。該高比表面積效應(yīng)賦予最終結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度，不會(huì)損壞必要的韌性。
通常雙峰分布的極細(xì)CBN顆粒，顯然地通過在如上所述的高溫和高壓條件下燒結(jié)期間銷連接顆粒邊界，提供了抑制基質(zhì)材料的顆粒生長的另一益處。
采用砂磨粉碎、特別是兩步砂磨粉碎，與在真空爐中熱處理幾小時(shí)一起，在預(yù)燒結(jié)組合物中獲得所需的粒度，充分地降低了預(yù)燒結(jié)產(chǎn)品中的污染物。
制備CBN必須的典型高溫和高壓條件是本領(lǐng)域眾所周知的。這些條件為約2-約6GPa的壓力和約1100℃-約2000℃的溫度。發(fā)現(xiàn)對(duì)于本發(fā)明有利的條件落在約4-6GPa和約1200-約1600℃之內(nèi)。
已發(fā)現(xiàn)，利用多峰CBN制得了具有優(yōu)異韌性和高強(qiáng)度的CBN壓塊。該壓塊形成本發(fā)明的另一方面，且具有的CBN粒度體積頻數(shù)分布中，表示為d90-d10的分布差值為1微米或更大，且d90最大值為5微米或更小、優(yōu)選為3.5微米或更小、更優(yōu)選為2.5微米或更小。
該CBN壓塊也具有基質(zhì)相，所述基質(zhì)相可以含有第二硬質(zhì)相，所述第二硬質(zhì)相包括含第4、5或6族過渡金屬的氮化物、碳氮化物或碳化物的化合物或者其固溶體或混合物。該基質(zhì)可以進(jìn)一步包含由鋁和任選的一種或多種其它元素組成的粘合劑相，所述其它元素選自硅、鐵、鎳、鈷、鈦、鎢、鈮和鉬，其與鋁形成合金、混合或形成固溶體。粘合劑相的存在量通常為該基質(zhì)中第二硬質(zhì)相的約5-30wt％。在該壓塊的制造期間，將存在一些各種組分，即CBN、第二硬質(zhì)相和粘合劑相之間的反應(yīng)。該基質(zhì)將也含有這些反應(yīng)產(chǎn)物中的一些。
d10表示10％的所測(cè)顆粒(體積)將位于其下的粒度。類似地，d90表示90％(體積)的所測(cè)顆粒將位于其下的粒度。由此，差值定義為其中80體積％的所分析的粒度落在其中的粒度范圍，即d90與d10之差(即d90-d10)。比d10值更細(xì)和比d90更粗的CBN顆?？梢允欠堑湫偷脑摲植?，即局外者。由此，選擇分布差值使對(duì)于給定的CBN壓塊粒度范圍落在d10與d90數(shù)值之間。
為了獲得d10、d90和d90-d10值，采用金屬絲EDM將樣品件切削并且拋光。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(gè)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。隨后，將所鑒別的CBN顆粒進(jìn)一步分離，并且，最后，測(cè)量各個(gè)顆粒并且轉(zhuǎn)化為等價(jià)環(huán)狀直徑(ECD)。通常在給定材料上進(jìn)行10000次CBN粒度測(cè)量。
將等價(jià)環(huán)狀直徑測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為等價(jià)球體積。隨后采用常規(guī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理法，獲得尺寸遞增(binning)0.1微米的百分比累積體積分布曲線。通過在y-軸上從10到90體積％之間連直線并且讀出該累積體積分布曲線的x-軸中對(duì)應(yīng)的粒度，由此獲得對(duì)應(yīng)于d10和d90值的粒度。
由本發(fā)明組合物制得的且如上所述的壓塊，特別適用于連續(xù)的與輕度斷續(xù)的、和中度到重度斷續(xù)的硬化鋼，如容器硬化鋼和滾珠鋼的加工。
現(xiàn)在將參照下列非限定性實(shí)施例，僅以示例的方式，描述本發(fā)明。
實(shí)施例實(shí)施例1用管式混合器，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(C0.3N0.7)0.8)與平均粒度為5微米的Al粉混合。Ti(C0.3N0.7)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(shí)。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60體積％的CBN。采用砂磨粉碎將含CBN的漿料研磨和混合1小時(shí)。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。
對(duì)比例1材料1A用管式混合器，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(C0.3N0.7)0.8)與平均粒度為5微米的Al粉混合。Ti(C0.3N0.7)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(shí)，并且加入平均粒度為0.7微米的CBN且在己烷中砂磨粉碎1小時(shí)。CBN加入量使得混合物中計(jì)算的CBN總體積百分比為約60％。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。
將該壓塊和實(shí)施例1中制得的壓塊(下文稱為材料1B)在加工測(cè)試中分析和比較。
將每種材料中的樣品件用金屬絲EDM切削并且拋光。利用掃描電子顯微鏡分析該CBN壓塊的拋光表面。分別在5000和7000放大倍數(shù)下獲得材料1B和1A的背散射電子圖像，如前所述地利用圖像分析儀分離至少30個(gè)圖像。結(jié)果概括于表1中。材料1B相對(duì)于材料1A具有顯著更寬的CBN粒度范圍(具有1.388微米的分布差值)。
表1.CBN粒度分析結(jié)果的總結(jié)
將燒結(jié)的壓塊二者用金屬絲EDM切削且磨碎以形成切削插件。采用150m/min的切削速度，0.1mm/rev的進(jìn)送速度和0.2mm的切削深度，連續(xù)加工SAE 8620容器硬化鋼(60HRC)。
持續(xù)切削測(cè)試，直到由邊緣破裂或邊緣碎裂而使切削邊緣失效，測(cè)量總的切削長度來表示切削工具性能。測(cè)試的工具沒有由于過量側(cè)面磨損而失效。
利用如上所述的加工測(cè)試，在150m/min的切削速度下，評(píng)價(jià)材料1A和材料1B切削性能。材料1A的性能為4872m的平均切削長度，但是材料1B令人吃驚地具有6615m的平均切削長度。材料1B相對(duì)于材料1A所實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)對(duì)應(yīng)于約36％。由此，材料1B通過改進(jìn)切削工具的抗碎裂或破裂性能，顯著地改進(jìn)了連續(xù)切削硬化鋼中的工具壽命。
依據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀、SNMN090308 S0220，利用由材料1A和材料1B制得的切削工具插件進(jìn)行第二種加工測(cè)試。選擇加工件為40mm外徑和18.3mm內(nèi)徑的管狀的SAE 100Cr6滾珠鋼。該加工件的“測(cè)試”段的長度為50mm。將兩個(gè)矩形槽(橫截面為10mm×15mm)在該管的一個(gè)面上磨碎，平行于軸線。
在150m/min的切削速度、0.2mm的切削深度和0.1mm的進(jìn)送速度下進(jìn)行加工測(cè)試。通過面對(duì)管材的橫截面來進(jìn)行加工件的重度斷續(xù)的切削。“通過(pass)”定義為從外徑到內(nèi)徑的管橫截面的加工，并且通過計(jì)算在工具邊緣由于切削的重度斷續(xù)性質(zhì)而破裂之前通過的次數(shù)來確定工具性能。監(jiān)視切削力以鑒別工具邊緣破損。
材料1A的性能為平均76次通過，但是材料1B性能為多大約25％次數(shù)的通過，平均工具壽命為101次通過。
實(shí)施例2用管式混合器，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(shí)。
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(shí)。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。
對(duì)比例2材料2A用管式混合器，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(shí)，并加入平均粒度為0.7微米的CBN且在己烷中砂磨粉碎1小時(shí)。CBN加入量使得混合物中計(jì)算的CBN總體積百分比為約55％。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。
將該壓塊和實(shí)施例2中制得的壓塊(下文稱為材料2B)在加工測(cè)試中分析和比較。
采用對(duì)比例1中所述的圖像分析來分析每種材料中的樣品件。結(jié)果概括于表2中。材料2B相對(duì)于材料2A具有顯著更寬的CBN粒度范圍(具有1.254微米的分布差值)。
表2.對(duì)于材料2A和材料2B的CBN粒度分析結(jié)果的總結(jié)
將燒結(jié)的壓塊二者用金屬絲EDM切削且磨碎以形成具有如SNMN090308的標(biāo)準(zhǔn)ISO插件幾何形狀的切削插件，200微米斜面寬度和20度角和15-20微米的hedge hone。
采用150m/min的切削速度，0.15mm/rev的進(jìn)送速度和0.2mm的切削深度，加工SAE 4340硬化鋼(52HRC)。該加工件為圓柱形，外徑為110mm且內(nèi)徑為55mm。其在外徑與內(nèi)徑之間等距離處也含有10mm直徑的6個(gè)孔，且孔之間距離相等。加工操作為面轉(zhuǎn)換操作，其中沿加工件的直徑保持恒定的切削速度。該加工操作為交替的連續(xù)和斷續(xù)切削，其中切削工具邊緣通過加工件材料的孔和連續(xù)部分。
持續(xù)切削測(cè)試，直到由邊緣破裂或邊緣碎裂而使切削邊緣失效，計(jì)算面切削的次數(shù)(一個(gè)面切削等于從加工件的外徑到內(nèi)徑切削的總長度)來表示切削工具性能。測(cè)試的工具沒有由于過量側(cè)面磨損而失效。
利用如上所述的加工測(cè)試，在150m/min的切削速度下，評(píng)價(jià)材料2A和材料2B切削性能。材料2A的性能為19次面切削，但是材料2B令人吃驚地繼續(xù)到平均28次面切削。材料2B相對(duì)于材料2A所實(shí)現(xiàn)的工具性能改進(jìn)對(duì)應(yīng)于約50％。具有雙峰CBN粒度的材料2B通過改進(jìn)切削工具的抗碎裂或破裂性能，顯著地改進(jìn)了包括嚴(yán)重?cái)嗬m(xù)切削和連續(xù)切削的切削操作中的工具壽命。
實(shí)施例3用管式混合器，將亞化學(xué)計(jì)量的平均粒度為1.4微米的碳氮化鈦TiN0.7與平均粒度為5微米的Al粉混合。TiN0.7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(shí)。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60體積％的CBN。采用加入CBN的混合物在己烷中砂磨粉碎1小時(shí)。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。
對(duì)比例3材料3A用管式混合器，將亞化學(xué)計(jì)量的平均粒度為1.4微米的碳氮化鈦TiN0.7與平均粒度為5微米的Al粉混合。TiN0.7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(shí)，并加入平均粒度為0.7微米的CBN且在己烷中砂磨粉碎1小時(shí)。CBN加入量使得混合物中計(jì)算的CBN總體積百分比為約60％。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。
將該壓塊和實(shí)施例3中制得的壓塊(下文稱為材料3B)在加工測(cè)試中分析和比較。
采用如每一前述實(shí)施例的圖像分析來分析每種材料中的樣品件。結(jié)果概括于表3中。材料3B相對(duì)于材料3A具有顯著更寬的CBN粒度范圍(具有1.444微米的分布差值)。
表3.對(duì)于材料2A和材料2B的CBN粒度分析結(jié)果的總結(jié)
將燒結(jié)的壓塊二者用金屬絲EDM切削且磨碎以形成具有如SNMN090308的標(biāo)準(zhǔn)ISO插件幾何形狀的切削插件，200微米斜面寬度和20度角和15-20微米的hedge hone。
使用高Cr鋼材料的粉末冶金合金用于連續(xù)切削試驗(yàn)。該加工件材料(K190)在軟的鐵氧體基質(zhì)中含有約30體積％的磨料碳化物相。由此，該材料是非常粗造的且導(dǎo)致可察覺到的量的側(cè)面磨損。
采用150m/min的切削速度，0.1mm/rev的進(jìn)送速度和0.2mm的切削深度，加工測(cè)試棒。將該加工件分割為圓形測(cè)試棒的長度80mm的段，加工測(cè)試包括連續(xù)切削長度80mm的圓形棒。持續(xù)切削測(cè)試，直到切削邊緣達(dá)到約300微米的最大側(cè)面磨損(Vb max)。測(cè)量總的切削長度并且使其標(biāo)裝化以對(duì)應(yīng)300微米的最大側(cè)面磨損。全部工具由于過量側(cè)面磨損而失效。
利用如上所述的加工測(cè)試，在150m/min的切削速度下，評(píng)價(jià)材料3A和材料3B切削性能。材料3A的性能為992m切削長度，但是材料3B性能為1473m切削長度。材料3B相對(duì)于材料3A所實(shí)現(xiàn)的工具性能改進(jìn)對(duì)應(yīng)于約48％。具有雙峰CBN粒度的材料3B通過改進(jìn)切削工具的耐磨性，顯著地改進(jìn)了包括嚴(yán)重磨損的切削操作中的工具壽命。
權(quán)利要求
1.用于制備CBN壓塊的組合物，其包含約45％-約75體積％的CBN，其中該CBN由具有一種以上平均粒度的顆粒組成；第二硬質(zhì)相，其包括含有第4、5或6族過渡金屬的氮化物、碳氮化物或碳化物的化合物或其混合物或固溶體；和粘合劑相。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的組合物，其中粘合劑相的存在量為第二硬質(zhì)相的約5-30wt％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的組合物，其中組合物中存在的CBN的體積為約45-70％。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的組合物，其中組合物中存在的CBN的體積為約50-65％。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的組合物，其中CBN的平均粒度小于10μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的組合物，其中CBN的平均粒度小于5μm。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的組合物，其中該CBN由具有兩種平均粒度的顆粒組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的組合物，其中較細(xì)顆粒的平均粒度范圍為約0.1-約2μm。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的組合物，其中較粗顆粒的平均粒度范圍為約0.3-約5μm。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)的組合物，其中較粗CBN顆粒與較細(xì)顆粒的含量比例典型地為50∶50-90∶10。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的組合物，其中該粘合劑相由鋁和任選的一種或多種其它元素組成，所述其它元素選自硅、鐵、鎳、鈷、鈦、鎢、鈮和鉬，其與鋁形成合金、混合或形成固溶體。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的組合物，其中第4、5或6族過渡金屬為鈦。
13.制備CBN壓塊的方法，其包括使根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的組合物經(jīng)受適于制備CBN壓塊的高溫和高壓的條件。
14.根據(jù)權(quán)利要求1 3的方法，其中高溫和高壓的條件為約2GPa-約6GPa的壓力和約1100℃-約2000℃的溫度。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14的方法，其中高溫和高壓的條件為約4-6GPa的壓力和約1200℃-1600℃的溫度。
16.通過權(quán)利要求13-15中任一項(xiàng)的方法制得的CBN壓塊。
17.CBN壓塊，其包括CBN和基質(zhì)相，其中CBN粒度體積頻數(shù)分布具有1微米或更大的表示為d90-d10的分布差值，且d90最大值為5微米或更小。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的CBN壓塊，其中d90最大值為3.5微米或更小。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的CBN壓塊，其中d90最大值為2.5微米或更小。
20.根據(jù)權(quán)利要求17-19中任一項(xiàng)的CBN壓塊，其中基質(zhì)相含有第二硬質(zhì)相，該硬質(zhì)相包括含有第4、5或6族過渡金屬的氮化物、碳氮化物或碳化物的化合物或其混合物或固溶體。
21.根據(jù)權(quán)利要求17-20中任一項(xiàng)的CBN壓塊，其中第4、5或6族過渡金屬為鈦。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21的CBN壓塊，其中基質(zhì)相進(jìn)一步包含粘合劑相，該粘合劑相由鋁和任選的一種或多種其它元素組成，所述其它元素選自硅、鐵、鎳、鈷、鈦、鎢、鈮和鉬，其與鋁形成合金、混合或形成固溶體。
23.含有根據(jù)權(quán)利要求16-22中任一項(xiàng)的CBN壓塊的工具插件。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的組合物，其實(shí)質(zhì)上如本文中參照任一示例性實(shí)施例所述。
25.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其實(shí)質(zhì)上如本文中參照任一示例性實(shí)施例所述。
26.根據(jù)權(quán)利要求17的CBN壓塊，其實(shí)質(zhì)上如本文中參照任一示例性實(shí)施例所述。
27.根據(jù)權(quán)利要求23的工具插件，其實(shí)質(zhì)上如本文中參照任一示例性實(shí)施例所述。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制備CBN壓塊的組合物，其包含約45％－約75體積％的CBN，其中該CBN由一種以上平均粒度的、優(yōu)選雙峰的顆粒組成；第二硬質(zhì)相，其包括含有第4、5或6族過渡金屬的氮化物、碳氮化物或碳化物的化合物或其混合物或固溶體；和粘合劑相。
文檔編號(hào)B23B27/14GK101084170SQ200580041694
公開日2007年12月5日 申請(qǐng)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(qǐng)人:六號(hào)元素(產(chǎn)品)(控股)公司