[发明专利]立方氮化硼压块

说明书

发明背景

本发明涉及适用于制造立方氮化硼磨料压块的粉状组合物的制备，具体地涉及具有增强的抗磨性和增强的抗碎裂性的压块。

氮化硼通常以三种晶体形式存在，即立方氮化硼(CBN)、六方氮化硼(hBN)和纤锌矿型(wurtzitic)立方氮化硼(wBN)。立方氮化硼为结构类似于金刚石的氮化硼的硬质闪锌矿形式。在CBN结构中，原子之间形成的键是坚固的，主要为共价四面体键。制备CBN的方法是本领域众所周知的。一种方法是，在特定催化添加剂材料(其可以包括碱金属、碱土金属、铅、锡和这些金属的氮化物)的存在下，使hBN经受极高压力和温度。在温度和压力降低时，可以回收到CBN。

CBN在加工工具(tool)等中具有广泛的商业应用。其可以用作砂轮、切削工具等中的磨粒，或者采用常规电镀技术将其粘结于工具体以形成工具插件。

CBN也可以以粘结形式用作CBN压块。CBN压块趋于具有良好的磨损性，是热稳定的，具有高导热性，良好的抗冲性和与含铁的金属接触时具有低的摩擦系数。

金刚石是硬度高于CBN的唯一已知材料。但是，由于金刚石趋于与一些材料如铁反应，其不能用于与含铁的金属一起使用，由此此时优选使用CBN。

CBN压块包括CBN颗粒的烧结物质。当CBN含量大于该压块的80体积％时，存在大量的CBN-CBN接触和粘结。当CBN含量较低，例如范围在该压块的40-60体积％，那么直接的CBN-CBN接触和粘结的程度较低。

CBN压块通常也含有粘合剂相，例如铝、硅、钴、镍、和钛。

当压块的CBN含量小于70体积％时，通常存在另一硬质相，即第二相，其可以是陶瓷质的。适宜的陶瓷硬质相的实例为第4、5或6族过渡金属(依据新的IUPAC形式)的碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物，氧化铝，和碳化物如碳化钨及其混合物。该基质构成组合物中除CBN之外的全部组分。

US6,316,094中，在烧结之前，利用多种混合技术进行基质材料与CBN的混合，例如超声混合、球磨和利用碾磨机的混合。声称利用碾磨机的混合相对于大多数其它混合方法产生了降低的工具寿命。

CBN压块可以在形成工具插件或工具时直接粘结于工具体。但是，对于许多应用，优选地将该压块粘结于基体/载体材料，形成负载的压块结构，随后将该负载的压块结构粘结于工具体。该基体/载体材料通常为硬质金属碳化物，其与粘合剂如钴、镍、铁或其混合物或合金粘结在一起。金属碳化物颗粒可以包括钨、钛或钽碳化物颗粒或其混合物。

制造CBN压块和负载的压块结构的已知方法包括，使CBN颗粒的未烧结物质经受高温和高压条件(即CBN在结晶学上稳定的条件)适当的时间段。可以利用粘合剂相增强颗粒的粘结。所用的典型高温高压(HTHP)条件为1100℃或更高的温度和2GPa或更高数量级的压力。保持这些条件的时间段通常为约3-120分钟。

烧结的CBN压块，具有或者不具有基体，经常被切割为期望的尺寸和/或待用的特定切削或钻孔工具的形状，并随后利用钎焊技术将其安装在工具体上。

CBN压块广泛地应用于制造用于硬化钢精加工的切削工具，如容器硬化钢、滚珠钢和通过硬化的工程钢。除了使用条件之外，如切削速度、切削的进送和深度，通常已知CBN工具的性能取决于加工件的几何形状，且特别地，是否该工具长期不变地接合于加工件，本领域公知为“连续切削”，或者是否该工具以断续方式接合于加工件，本领域通常公知为“断续切削”。

依据加工件几何形状，通常CBN工具在加工循环之内同时经历连续的和断续的切削，另外，连续/断续切削比例在该领域中大大地变化。在对该领域广泛研究之后发现，这些不同模式的切削对构成工具切削边的CBN材料产生非常不同的需求。主要问题是，工具趋于由于破裂或碎裂而灾难性地失效，其由于市场中对于通过增加切削速度的更高产能的日益增加的需求而加剧，由此工具的工具寿命有限。

发明概述

依据本发明，提供制备适合于制造CBN压块的粉状组合物的方法，该组合物包括CBN颗粒、粉状第二硬质相和粉状粘合剂相，该方法包括以下步骤：砂磨粉碎(attrition milling)第二硬质相和粘合剂相，制得该组分的细混合物；将CBN颗粒加入到细混合物中并砂磨粉碎该混合物。优选地，粉状第二硬质相和粘合剂相的砂磨粉碎为低粘度砂磨粉碎阶段，且细混合物和CBN颗粒的砂磨粉碎为高粘度砂磨粉碎阶段。

砂磨粉碎和干燥之后，优选地在使组合物经受制备CBN压块必须的高温和高压条件之前使粉状混合物进行真空热处理以使污染物最小化。