Pcbn中的二硼化鈦組合物的制作方法
【專利說(shuō)明】PCBN中的二硼化鈦組合物
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2012年8月31日提交的、名為“PcBN中的二硼化鈦組合物”的臨時(shí)申請(qǐng)61/696，124的優(yōu)先權(quán)。
[0003]技術(shù)領(lǐng)域和工業(yè)應(yīng)用
[0004]本公開(kāi)涉及一種適用于制備超硬研磨壓坯的由粉狀組合物制備的燒結(jié)超硬材料，具體地涉及包含可用于耐用性和韌性提高的切削工具的包含立方氮化硼(cBN)的燒結(jié)體。
[0005]多晶立方氮化硼(PcBN)、金剛石和金剛石復(fù)合材料普遍用于提供切削工具如用于金屬加工的切削工具的超硬切削表面。
[0006]cBN切削工具經(jīng)受腐蝕或磨損，并需要耐化學(xué)性和耐熱性以優(yōu)化對(duì)工件的切削速度和工具的壽命。
[0007]因此，需要在材料中的一種新型組合物，以制備具有混合的優(yōu)異耐用性和韌性特性的超硬壓坯。
[0008]發(fā)明概述
[0009]在一個(gè)實(shí)施方案中，燒結(jié)的超硬壓坯體可以包含超硬顆粒和將所述超硬顆粒結(jié)合在一起的粘結(jié)相，其中所述粘結(jié)相包含鈦化合物和余量鋁化合物，其中所述燒結(jié)超硬壓坯體具有一定量的鈦化合物，以具有混合的耐用性和韌性應(yīng)用。
[0010]在另一個(gè)實(shí)施方案中，PcBN壓坯體包含:按體積計(jì)至少35%的立方氮化硼(cPN)顆粒，其中cPN顆粒的平均粒度分布(PSD)為約0.1 μπι至約5 μπι;將立方氮化硼顆粒結(jié)合在一起的粘結(jié)相，其中所述粘結(jié)相包含鈦化合物和余量鋁化合物。
[0011]在另一個(gè)實(shí)施方案中，PcBN壓坯體包含立方氮化硼顆粒；和將立方氮化硼顆粒結(jié)合在一起的粘結(jié)相，其中，所述粘結(jié)相包含二硼化鈦，其中所述二硼化鈦被限定為二硼化鈦(101)峰的XRD峰高，在背景校正之后，所述二硼化鈦(101)峰的XRD峰高為(Ill)cBN的峰高的至少約15%。
【附圖說(shuō)明】
[0012]當(dāng)結(jié)合附圖解讀時(shí)，將更好地理解前述發(fā)明概述和以下對(duì)實(shí)施方案的詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，所描述的實(shí)施方案不限制于所示的精確布置和工具。
[0013]圖1為根據(jù)示例性實(shí)施方案的背景校正后的PcBN壓坯體中二硼化鈦的XRD跡線圖。
[0014]發(fā)明詳述
[0015]一個(gè)示例性實(shí)施方案提供了一種燒結(jié)的超硬壓坯體，其具有包含鈦化合物和余量鋁化合物的粘結(jié)相。超硬顆?？梢赃x自立方氮化硼、金剛石和金剛石復(fù)合材料。用于制備多晶cBN壓坯的起始材料組合物包含以粉末或特別是生壓坯形式的cBN和粘結(jié)相。粘結(jié)相可以至少部分地熔融和與cBN反應(yīng)并通過(guò)高壓高溫(HPHT)燒結(jié)期間燒結(jié)的反應(yīng)形成結(jié)合。
[0016]一個(gè)示例性實(shí)施方案可以提高cBN材料的韌性和增加耐磨性。超硬的燒結(jié)壓坯及其制備的方法提供了顯著改善的微觀結(jié)構(gòu)均勻性和比其他超硬的燒結(jié)壓坯更好的耐用性和韌性。
[0017]示例性實(shí)施方案提供了 cBN壓坯，更具體地提供了包括cBN和基質(zhì)相的cBN壓坯，所述基質(zhì)相合并了鈦基粘結(jié)相與余量鋁化合物。所述cBN壓坯可包含可與cBN顆粒相比的15% -40%的鈦化合物，如二硼化鈦，其被限定為在背景校正后，與cBN(lll)峰相比的二硼化鈦(101)峰的XRD峰高。
[0018]由于cBN和包含鈦化合物的二次硬質(zhì)相之間的反應(yīng)的結(jié)果，二硼化鈦可以通常出現(xiàn)在cBN壓坯中。二硼化鈦可以在cBN晶粒之間或cBN晶粒與粘結(jié)劑晶粒之間充當(dāng)結(jié)結(jié)劑。二硼化鈦具有約3000°C的高熔點(diǎn)、約24GPa的優(yōu)異硬度和與其他材料相比的高楊氏模量。二硼化鈦在高溫下具有良好的抗磨損性和抗氧化性。
[0019]在制備本發(fā)明的燒結(jié)cBN壓坯時(shí)，給料粉末可以以所期望的粒度進(jìn)行摻合和通過(guò)各種技術(shù)進(jìn)行混合。主要在碾磨或摻合步驟過(guò)程中完成cBN顆粒的分散。通常作為粉碎和分散的手段的碾磨是本領(lǐng)域所公知的。通常用于研磨陶瓷粉末的碾磨技術(shù)包括常規(guī)的球磨、滾球磨、行星球磨、磨碎機(jī)和攪拌球磨。在常規(guī)球磨中，能量輸入由碾磨介質(zhì)的尺寸和密度、碾磨桶的直徑和旋轉(zhuǎn)的速度決定。由于該方法需要球滾動(dòng)，從而限制了旋轉(zhuǎn)速度，且因此限制了能量。常規(guī)球磨很適于碾磨具有低至中顆粒強(qiáng)度的粉末。通常，在要將粉末碾磨至約I微米或更高的最終粒度時(shí)使用常規(guī)球磨。
[0020]在行星球磨中，碾磨桶的行星運(yùn)動(dòng)給予達(dá)重力加速度20倍的加速度。當(dāng)使用致密的碾磨體時(shí)，這能夠在碾磨中提供與常規(guī)球磨相比大得多的能量。該技術(shù)很適于粉碎中等強(qiáng)度、具有約I微米的最終粒度的顆粒。
[0021]在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，超硬顆粒可以例如包含按體積計(jì)至少約35%的超硬顆粒如cBN。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，超硬顆?？梢园大w積計(jì)約35%至約70%的cBNo燒結(jié)的超硬壓坯體可以還包含將超硬顆粒結(jié)合在一起的粘結(jié)相。該粘結(jié)相可以例如包含鈦化合物如二硼化鈦、氮化鈦、碳化鈦、碳氮化鈦，和余量鋁化合物如氮化鋁或氧化鋁。
[0022]二硼化鈦可以在高壓高溫條件過(guò)程中形成，其中可以將鈦化合物與適合于混合的耐用性和韌性應(yīng)用的超硬顆粒如cBN混合。
[0023]在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，燒結(jié)的超硬顆?？梢跃哂腥缰辽偌s0.1 μπι的平均粒度分布(PSD)。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，燒結(jié)的超硬顆?？梢跃哂腥鐝募s0.1 μπι至約5 μ m 的 PSD0
[0024]在高壓高溫(HPHT)工藝中燒結(jié)cBN基材料。HPHT工藝過(guò)程中的相變導(dǎo)致生成新相如硼化物、氮化物和碳氮化物。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，可以在氮化鈦和超硬顆粒如cBN之間形成二硼化鈦。
[0025]可以使用具有40kV和45mA的發(fā)電機(jī)組的安裝有Cu輻射的垂直衍射儀來(lái)進(jìn)行cBN壓坯材料的X射線檢測(cè)。通常地，可以在20-65度的2 Θ范圍內(nèi)，以0.02度2 Θ的步長(zhǎng)、每步5秒進(jìn)行XRD掃描。收集的XRD掃描在半高寬(FWHM)測(cè)量之前進(jìn)行背景校正和Ka_2扣除。可以在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合和確定峰位后進(jìn)行FWHM測(cè)量。在確定峰位后可以直接測(cè)量峰高?？梢栽?111)面測(cè)量cBN峰高，而可以在(101)面測(cè)量二硼化鈦。
[0026]在制備超硬壓坯步驟的一個(gè)示例性實(shí)施方案中，可以通過(guò)碾磨步驟將原始超硬材料如cBN與流體和陶瓷材料摻合，該陶瓷材料包括化學(xué)計(jì)量的或亞化學(xué)計(jì)量的來(lái)自鋁、鈦或元素周期表中IV、V或VI族的其他過(guò)渡金屬的碳化物、氮化物、氧化物或其組合。碾磨之后，可以將粉末裝載在耐熔金屬杯(如Ta或Nb)中。杯的尺寸可以限制最終燒結(jié)壓坯的尺寸。可以將載體材料(粉末或壓坯)裝載在杯中以原位結(jié)合至燒結(jié)cBN壓坯。合適的基底包括如碳化鎢。圍繞基底邊緣將杯材料卷邊可以密封杯。
[0027]然后，坯料可以被裝載到包含壓力傳遞和壓力密封材料的高壓室中，然后以預(yù)定的時(shí)間段如10-90分鐘經(jīng)受高壓(如10-80千巴)和高溫(約1000-1900°C )，以燒結(jié)粉末混合物并將其釬焊成理想尺寸。將燒結(jié)的坯料從室中移出，進(jìn)行加工以去除杯材料和使其形成理想尺寸。完工的坯料是充分導(dǎo)電的，可以通過(guò)電火花加工(EDM)切割成適于制備切削工具的形狀和尺寸，所述切削工具用于加工粉末金屬鐵和其他類似材料?？梢酝ㄟ^(guò)改變?cè)某叽缍淖兯枋龅臒Y(jié)坯料的尺寸和形狀，且尺寸主要由促進(jìn)燒結(jié)步驟的高壓/高溫(HPHT)裝置所限制。
[0028]實(shí)施例1
[0029]對(duì)粒度分布理想的基材如亞化學(xué)計(jì)量的TiN、TiC、Al和cBN進(jìn)行測(cè)量(65體積％的cBN、27體積％的Ti基材料、8體積％的Al)。用手大致?lián)胶匣旌衔?。將碳化鎢介質(zhì)裝載入磨碎機(jī)中。加入碾磨流體以產(chǎn)生足夠的漿料粘度。當(dāng)磨碎機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，將大致?lián)胶系姆勰┙M合物加入磨碎機(jī)中，并摻合預(yù)定的時(shí)間以產(chǎn)生足夠水平的摻合。
[0030]將漿料過(guò)篩和干燥?；厥辗勰?，并粗略過(guò)篩。測(cè)量粉末并倒入金屬杯如Ta、Mo、或Nb杯中。將碳化鎢基底放置在粉末上方并將杯密封。在惰性氣體下對(duì)裝載了的杯進(jìn)行熱處理，并裝載入HPHT室。在預(yù)定的壓力和溫度下對(duì)裝載了的杯進(jìn)行HPHT處理一段限定的時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)充分的反應(yīng)和燒結(jié)。對(duì)燒結(jié)坯料進(jìn)行加工以去除杯材料和使成為理想尺寸(如3.2mm的厚度，59mm的直徑)。完工的坯料是充分