[发明专利]立方氮化硼复合材料，其使用方法，其制备方法及包含其的工具

说明书

本发明提供了复合材料，以及使用该复合材料的方法。该复合材料包含分散在结合剂基质中的至少65体积％的之立方氮化硼(cBN)晶粒(10)，所述结合剂基质包括结合到cBN晶粒(10)的多种显微组织(12)和所述cBN晶粒(10)之间的多个中间区域(14)；显微组织(12)包括金属的氮化物或硼化合物；和中间区域(14)包括含有与硅化学结合的金属的硅化物相；其中该硅化物相的含量为复合材料的2到6重量％，并且其中所述cBN晶粒(10)具有0.2‑20微米的平均尺寸。可以进一步含有氮化硅(16)。该金属可以优选为钛，铪，钽或锆。

技术领域

本发明总体涉及一种包含立方氮化硼(cBN)的复合材料，该立方氮化硼(cBN)分散在包含金属的硅化物材料的结合剂基质中；包括该复合材料的机械工具；以断续模式使用包含该材料的机械工具加工铁基工件的方法；和制备所述复合材料的方法及包含其的机械工具。

背景技术

美国专利号8419814公开了通过包括如下的方法在cBN晶粒的表面上沉积纳米尺寸的氮化钛(TiN)和氮化钽(TaN)的显微组织：处理cBN晶粒以使其表面亲玻璃(vitreophillic)，将它们悬浮在乙醇中，引入Ta(OC₂H₅)₅和Ti(OC₃H₇)₄，并进一步处理该悬浮液和cBN晶粒，使得每个cBN颗粒变得涂覆有钛和钽氧化物化合物的紧密混合物。在合适的气氛中热处理涂覆的cBN晶粒以将所述氧化物转化成纳米尺寸的TiN和TaN。形成了由此涂覆的包括多个cBN晶粒的聚集体，并使其在超高压和高温下经受加压，导致在基本上由TiN和TaN的混合物构成的结合性基质内包括约84体积％cBN的无裂纹PCBN材料。在加工测试中，所述PCBN的样品表现出优异的性能，这可能是由于结合性基质的晶粒尺寸接近霍尔-佩奇(Hall-Petch)纳米晶粒尺寸。

美国专利号5288297公开了一种cBN压制品，其包含通过60-10体积％的结合性基质结合的40至90体积％的cBN晶体，该结合性基质主要包括氮化硅和金属二硼化物的紧密混合物，其中所述金属选自钛(Ti)、锆(Zr)和铪(Hf)原子。氮化硅和金属二硼化物各包括至少25体积％的结合性基质，它能牢固地和一致地结合于cBN晶体。公开了通过反应结合性金属的硅化物化合物与cBN晶粒生产cBN压制品的方法。

存在这样的需要：当用来加工铁基工件本体，特别是但不仅仅以重度断续加工方式时，具有较长工作寿命的相对坚固和耐磨损cBN复合材料。

概要

从第一方面来看，可以提供由如下构成的复合材料：分散于结合剂基质中的至少65体积％的立方氮化硼(cBN)晶粒，所述结合剂基质包含结合于cBN晶粒的多种显微组织和cBN晶粒之间的多个中间区域；所述显微组织包括金属的氮化物或硼化合物；和所述中间区域包括包含化学结合于硅的金属的硅化物相；其中硅化物相的含量为复合材料的2-6重量％，并且其中所述cBN晶粒具有0.2-20μm的平均尺寸。该cBN复合材料也可以称为多晶立方氮化硼(PCBN)材料。

本公开设想了各种复合材料，以下给出了其非限制性的、非穷举性的实例。

在一些实施例中，在复合材料中的硅化物相的含量可为复合材料的至多约5重量％。

在一些实施例中，硅化物相可以是陶瓷或金属间化合物相。