[发明专利]立方氮化硼压块

说明书

发明背景

本发明涉及立方氮化硼(CBN)磨料压块(compact)。

氮化硼典型地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，原子之间形成的健是牢 固的，主要为共价四面体健。

CBN在机加工工具等中具有广泛的商业应用。可以将其用作砂轮、 刀具等中的磨料颗粒，或者使用常规电镀技术将其粘结于工具本体以形 成工具嵌体。

CBN也可以按粘结形式用作CBN压块，也称作PCBN(多晶CBN)。 CBN压块包含CBN颗粒的烧结物质。当CBN含量为该压块的至少70体积 ％时，存在大量的CBN与CBN接触。当CBN含量较低时，例如在该压块 的40-60体积％范围内，这时直接的CBN与CBN接触的程度是有限的。

CBN通常还可含有基本是陶瓷性质的粘合剂。当压块的CBN含量小 于70体积％时，基质相即非CBN相还将典型地包含另外或第二硬质相， 该相通常也是陶瓷性质的。适宜的陶瓷硬相的实例为第4、5或6族过 渡金属(依据新的IUPAC版式)的碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物， 氧化铝，及它们的混合物。该基质相构成组合物中除CBN之外的全部成 分。

CBN压块倾向于具有良好的抗磨损性，是热稳定的，具有高导热性、 良好的抗冲击性并且与工件滑动接触时具有低的摩擦系数。通常将具有 或不具有基材(该基层在烧结处理期间被整体粘结至PCBN层)的CBN 压块切割成待用的特定切削或钻孔工具的所需尺寸和/或形状，并然后 使用钎焊技术安装在工具本体上。

CBN压块可以在工具嵌体或工具的成形中直接机械固定于工具本 体。然而，对于许多应用，优选将该压块粘结于基材/载体材料，形成 负载的压块结构，并然后将该负载的压块结构机械固定于工具本体。该 基材/载体材料典型地为胶结金属碳化物，其与粘合剂如钴、镍、铁或 者其混合物或合金粘结在一起。金属碳化物颗粒可以包含钨、钛或钽的 碳化物颗粒或其混合物。

制造多晶CBN压块和负载的压块结构的已知方法包括，使CBN颗粒 的未烧结物质与粉状基质相一起经受高温和高压(HPHT)条件(即CBN在 结晶学或热力学上稳定的条件)适当的时间段。

所用的典型高温高压条件为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。

具有至少70体积％CBN含量的CBN压块称作高CBN PCBN材料。它们 广泛地应用于制造对灰口铸铁、白口铸铁、粉末冶金钢、工具钢和高锰 钢进行机加工所用的切削工具。除了使用条件例如切削速度、切削的进 刀和深度外，通常已知PCBN工具的性能还取决于工件的几何形状，且 特别地取决于该工具是否长时期不变地作用于工件，本领域中称作为 “连续切削”，或者取决于该工具是否以断续方式作用于工件，本领域 中通常称作“断续切削”。

高CBN PCBN材料典型地用于灰口铸铁、白口铸铁、高锰钢和粉末 冶金钢的粗加工和精加工操作。

在对该领域的深入研究之后发现，这些不同模式的切削、机加工操 作和不同类型的工件材料对构成工具切削刃的PCBN材料具有非常不同 的要求。典型地，这些应用领域中就高性能而言的PCBN材料应具有高 的抗磨损性、高的抗冲击性、高的导热性、良好的抗月牙洼磨损性和良 好的耐热性，即能够在高温下维持这些性能。切削工具尖端在机加工期 间可达到约1100℃的温度。

应用中提供上述行为的性能组合仅可通过如下材料实现：该材料具 有高CBN含量(高于70体积％)和能与CBN形成高强度粘结的粘合剂相， 高韧性且在高温下可保持其性能。

高CBN含量PCBN材料的常规PCBN材料设计方法曾使用金属基起始 材料与CBN反应形成作为粘合剂相的稳定陶瓷化合物。高压高温烧结的 PCBN材料基本上无孔隙且是陶瓷性质的。已知陶瓷材料具有高的抗磨损 性、高的导热性、良好的抗月牙洼磨损性，但它们由于其固有的脆性而 缺乏抗冲击性。

主要问题是，工具趋于因粘合剂相的弱点而破裂或碎裂所致的灾难 性失效，其由于市场中对于更高产率的日益增加的需求而加剧。这典型 地导致工具的缩减寿命，这使得必须定期更换工具。这进而典型地导致 不希望的生产成本增加。