[发明专利]制造改性磨料复合片的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制造改性磨料复合片(compact)的方法。

背景技术

利用金刚石复合片(也被称为PCD)和立方氮化硼复合片(也被 称为PCBN)的切削工具部件广泛用于钻孔、铣制、切削和其它这样的 磨料应用。该工具部件通常包含与载体结合的PCD或PCBN的层，所述 载体通常为硬质合金载体。该PCD或PCBN层可以构成(present)尖 锐的切削刃或刀口或者切削表面或研磨面。

金刚石磨料复合片包含大量金刚石颗粒，它们含有大量的金刚石 与金刚石的直接结合。多晶金刚石将典型具有包含金刚石催化剂/溶剂 (例如钴、镍或包含一种或多种这些金属的合金)的第二相。cBN复 合片通常还包含粘结相，所述粘结相典型为cBN催化剂或包含这样的 催化剂。cBN的适宜粘结相的例子是铝、碱金属、钴、镍、钨等。

在使用中，这样的切削工具刀头(i ns er t)在其寿命的不同阶段 经受大载荷和高温。在早期阶段，当刀头的尖锐切削刃接触下层形成 物或工件时，切削工具经受大的接触压力。这导致可能引发许多断裂 过程，例如疲劳断裂。

当刀头的切削刃磨损时，接触压力降低并且过低以致不能引起高 的能量失效。然而，该压力仍能够使在高接触压力下萌生的裂纹扩展 并且可能最终导致剥落型失效。

在优化刀具性能中，典型通过控制诸如平均磨料粒径、总催化剂/ 溶剂含量、磨料密度等来实现增加的耐磨损性(以便实现更好的刀具 寿命)。然而，当典型使PCD或PCBN材料更耐磨时，其会变得更脆或 易于断裂。因此为改良的磨损性能而设计的PCD或PCBN元件往往具有 差的冲击强度或减小的耐剥落性。耐冲击性和耐磨损性之间的这种折 中使得设计(特别是对于苛刻应用)优化的结构固有地受到自身限制。

如果可以消除或者控制较耐磨PCD或PCBN的碎屑行为，这时可以 更充分地实现这些类型刀具的可能改善的性能。

已知从PCD层除去所有的金属浸渍剂(infiltrant)导致对高温 下的热劣化的显著改良的抵抗性，正如US 4,224,380和GB 1598837 中所公开的。JP 59119500提出了PCD烧结材料在加工表面的化学处 理之后的性能改善。这种处理溶解并去除与加工表面直接相邻的区域 中的催化剂/溶剂基质。要求该发明提高基质被除去的区域中的PCD 材料的耐热性，而不损害烧结金刚石的强度。

US 6,544,308和6,562,462描述了据称具有改良耐磨损性而不损 失冲击强度的刀具的制造和行为。PCD切削元件的特征尤其在于切削 表面的邻近区域，该区域基本上不含催化材料。该部分去除(高达70％ 的金刚石刀盘不含催化材料)据说对热稳定性有利。

这些专利中提到的去除催化材料的方法是酸刻蚀法(例如使用热 氢氟酸/硝酸或氢氯酸/硝酸的混合物)或者放电或其它电学法或电流 法，或者热蒸发。然而，这些方法没有考虑到金属基质组成的变化。 在高温-高压的压力机中进行磨料复合片的烧结，所述压力机对于其产 生的压力和温度条件具有一定程度的可变性。由于难以监测合成与烧 结所要求的高压和高温从而加重了这种可变性。

该工艺可变性是由以下因素引起的：压力机部件随着使用逐渐老 化，腔体(capsule)部件的物理尺寸和性能的变化，以及腔体内的压 力和温度梯度。可以通过仔细选择腔体部件的材料和结构以及通过腔 体的总体设计将这些梯度最小化。此外，可以改善压力机的压力-温度 -时间操作条件来将这些梯度最小化。然而，这些梯度决不可能被完全 消除。

更大且不可避免的可变性来源是烧结不同PCD或PCBN产品所需的 不同工艺条件，这些产品根据设计可具有不同的粒径、不同的层厚、 不同的层组成和不同的总高度和外直径。

所有上述可变性来源导致金属基质最终组成的差异。金属基质组 成的可变性导致金属基质的可变去除速率，因为金属基质的某些组分 将对去除方法更敏感，而某些较不敏感。当金属基质组成的可变性来 源在于腔体内时，这导致磨料复合片内热稳定层厚度的变化，而这是 不允许的，因为其将转变为磨料复合片上的较好和较差性能的区域。

当可变性来源是压力机或压力机条件时，换而言之在腔体以外时， 必须根据特定的磨料复合片产品连续调节去除催化材料的条件。基于 生产的观点，这是不方便的并且可能更昂贵。

发明内容