Pcbn結(jié)構(gòu)體、工具元件及其制作方法
【專利摘要】一種用于處理超硬結(jié)構(gòu)體的方法，所述方法包括：將超硬結(jié)構(gòu)體加熱到至少500攝氏度的處理溫度，將超硬結(jié)構(gòu)體以至少1攝氏度每秒的平均冷卻速度和最多100攝氏度每秒的速度從處理溫度冷卻到小于約200攝氏度的溫度，以提供處理過的超硬結(jié)構(gòu)體。由該方法制造的PCBN結(jié)構(gòu)體可以具有至少650MPa的彎曲強(qiáng)度。
【專利說明】PCBN結(jié)構(gòu)體、工具元件及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開總體涉及超硬結(jié)構(gòu)體、包括超硬結(jié)構(gòu)體的工具元件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多晶金剛石(P⑶)材料和多晶立方氮化硼(PCBN)材料是超硬材料的示例。PCBN材料包括嵌在基體中的立方氮化硼(cBN)材料的晶粒，所述基體可以包括金屬和或陶瓷材料。PCD材料包括金剛石晶粒，其大多數(shù)彼此直接結(jié)合。超硬構(gòu)造可以包括PCD或PCBN結(jié)構(gòu)體，所述P⑶或PCBN結(jié)構(gòu)體與各嵌入的燒結(jié)碳化物基材一體地形成。一些超硬構(gòu)造在被處理以形成用于工具的元件時可能易于被二維扭曲。
[0003]美國專利號6517902公開了一種熱處理形式，其用于預(yù)形成具有結(jié)合至具有鈷粘合劑的燒結(jié)碳化鎢的基材的多晶金剛石的表面臺的元件。該基材包括具有至少30體積％的密排六方晶體結(jié)構(gòu)的鈷粘合劑的界面區(qū)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]從第一方面看，提供了一種用于處理超硬結(jié)構(gòu)體的方法，所述超硬結(jié)構(gòu)體例如是包括PCBN材料或由PCBN材料組成的超硬結(jié)構(gòu)體，所述方法包括:將超硬結(jié)構(gòu)體加熱到至少約500攝氏度的處理溫度，將超硬結(jié)構(gòu)體以至多約100攝氏度每秒的平均冷卻(淬火)速度從處理溫度冷卻(淬火)到小于約200攝氏度或環(huán)境溫度。冷卻溫度可以是至少約I攝氏度每秒或至少約5攝氏度每秒。
[0005]本公開還設(shè)想了處理超硬結(jié)構(gòu)體的方法的不同組合和變體，以下是其非限制性的和非窮盡性的示例。
[0006]在一些實(shí)施例中，超硬結(jié)構(gòu)體可以包括PCBN材料或P⑶材料(例如，熱穩(wěn)定P⑶材料)，或包括分散在包含SiC材料的基體中的多個金剛石晶粒的材料。在一些實(shí)施例中，所述超硬結(jié)構(gòu)體可以包含至少40體積和最多80體積的cBN晶粒；所述超硬結(jié)構(gòu)體可以包含平均尺寸為至多25微米的cBN晶粒；所述超硬結(jié)構(gòu)體可以包含分散在基體中的cBN晶粒，該基體含有選自碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦、鋁的硼化物和鋁的氮化物中的至少一種材料；所述超硬結(jié)構(gòu)體可以包括基體，所述基體包含組合平均楊氏模量為最多約350GPa的材料或材料的組合；和或所述超硬結(jié)構(gòu)體可以包括基體，所述基體包括組合平均膨脹系數(shù)是至少4.5X 10_6/K的材料或材料組合。
[0007]在一些形式中，超硬結(jié)構(gòu)體可以包含PCBN結(jié)構(gòu)體，所述PCBN結(jié)構(gòu)體可以包含至少30體積％和最多80體積％的cBN晶粒。所述cBN晶?？梢跃哂凶疃嗉s25微米、最多約10微米、最多約5微米或最多約2微米的平均尺寸。PCBN可以包含分散在基體中的cBN晶粒，該基體含有碳化鈦、氮化鈦、碳氮化 鈦、鋁或鈦的硼化物和或鋁的氮化物或任意這些材料的任意組合。一個示例性PCBN結(jié)構(gòu)體可以包括cBN晶?；蚧旧嫌蒫BN晶粒組成,所述cBN晶粒分散在基體中，所述基體包含包括Ti的材料和包括Al的材料，cBN晶粒的含量是PCBN結(jié)構(gòu)的至少約45體積％，且最多約75體積％。在實(shí)例的一個變體中，除了不可避免的少量的其它物質(zhì)和雜質(zhì)，基體可以由包括Ti的材料和包括Al的材料組成(即基本上由包括Ti的材料和包括Al的材料組成)。
[0008]在一些實(shí)施例中，超硬結(jié)構(gòu)體可以包含PCBN結(jié)構(gòu)體，所述PCBN結(jié)構(gòu)體可以包含(組合平均)楊氏模量為最多約350Gpa或最多約300Gpa的材料或材料的組合。基體可包括(組合平均)熱膨脹系數(shù)是至少約4.5 X IO-6A或至少約8X 10_6/K的材料或材料組合。
[0009]在一些實(shí)施例的變體中，處理溫度可以是至少約600攝氏度或至少約700攝氏度。處理溫度可以是最多約1100攝氏度。
[0010]一種示例性方法可以包括將超硬結(jié)構(gòu)體以最多約50攝氏度每秒、20攝氏度每秒或最多10攝氏度每秒的平均淬火速度冷卻至最多約200攝氏度或最多約100攝氏度的溫度。在淬火前，可以將PCBN結(jié)構(gòu)體加熱至該溫度持續(xù)至少約I分鐘、至少約5分鐘或至少約10分鐘的時間段，使得PCBN結(jié)構(gòu)體可以在其整個體積中具有基本相同的溫度。
[0011]在一些實(shí)施例中，可以通過使所述超硬結(jié)構(gòu)體在20攝氏度下與具有最多約0.4W/Cm.K)的熱傳導(dǎo)率的流體接觸來冷卻所述超硬結(jié)構(gòu)體。可以通過使所述超硬結(jié)構(gòu)體與油接觸來冷卻所述超硬結(jié)構(gòu)體。
[0012]在一種示例性方法中，超硬結(jié)構(gòu)體可以包含PCBN結(jié)構(gòu)體或基本由PCBN結(jié)構(gòu)體組成，且可以通過使其與熱導(dǎo)率顯著小于水的熱導(dǎo)率(例如，在20攝氏度顯著小于約0.6W/(m.K))的流體接觸來冷卻所述超硬結(jié)構(gòu)體。在一個特別的實(shí)施例中，流體的熱導(dǎo)率在20攝氏度是最多約0.4ff/ (m.K)或最多約0.2ff/ (m.K)，在某些變體中，可以通過使PCBN結(jié)構(gòu)體與設(shè)計(jì)用于以控制速度進(jìn)行淬火的油或聚合物溶液接觸來冷卻PCBN結(jié)構(gòu)體。特別的變體可以包括將PCBN結(jié)構(gòu)體浸沒在流體中，將流體噴灑在PCBN結(jié)構(gòu)體上或澆在PCBN結(jié)構(gòu)體上。流體可以以受控(恒定或變化)的速度在PCBN結(jié)構(gòu)上方流動，或者流體可以相對于PCBN結(jié)構(gòu)體式為基本靜態(tài)的。`
[0013]在某些實(shí)施例中，所述方法可包括將處理過的超硬結(jié)構(gòu)體加熱至至少500攝氏度的溫度持續(xù)至少約5分鐘的時間段。
[0014]在某些實(shí)施例中，所述方法可以包括將冷卻的超硬結(jié)構(gòu)體再加熱至至少約500攝氏度、至少約600攝氏度或至少約700攝氏度的再加熱溫度，或再加熱至其開始冷卻的溫度。在一些變體中，超硬結(jié)構(gòu)體可以在再加熱溫度保持至少約5分鐘、至少約10分鐘、至少約30分鐘或至少約I小時。
[0015]在某些實(shí)施例中，該方法可以包括加工處理過的超硬結(jié)構(gòu)體，以形成用于工具的元件。在一個實(shí)施例中，該方法可以包括加工處理過的超硬結(jié)構(gòu)體以形成用于工具的元件，所述用于工具的元件可以被進(jìn)一步加工以形成用于機(jī)床或其它切割或鉆孔工具的插入件。例如，處理過的超硬構(gòu)造可以通過激光、通過電火花加工(EDM)或其它裝置切割以形成用于工具的元件，所述用于工具的元件可以通過例如研磨進(jìn)一步加工。熱處理后切割處理過的超硬構(gòu)造很可能會導(dǎo)致具有改進(jìn)尺寸公差(與熱加工前切割超硬構(gòu)造相比)的用于工具的元件。
[0016]從第二方面看，提供了一種具有至少約650Mpa、至少約700MPa或至少約800MPa的彎曲強(qiáng)度的PCBN結(jié)構(gòu)體。
[0017]本公開還設(shè)想了超硬結(jié)構(gòu)體的不同組合和變型，其中以下是非限制性的和非窮盡性的示例。[0018]PCBN結(jié)構(gòu)體可以包含至少約40體積％和最多80體積％的cBN晶粒；PCBN結(jié)構(gòu)體可以包含具有平均尺寸為至多約25微米的cBN晶粒，和或PCBN結(jié)構(gòu)體可以包含分散在基體中的cBN晶粒，所述基體包含選自碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦、鋁的硼化物和鋁的氮化物的至少一種材料。
[0019]根據(jù)第一方面的方法及其變體可能制造根據(jù)第二方面的增強(qiáng)的超硬結(jié)構(gòu)體制造。【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面參照【專利附圖】

【附圖說明】非限制性實(shí)施例，其中:
[0021]圖1示出了示例性PCBN構(gòu)造的透視圖；
[0022]圖2示出了示例性 PCBN結(jié)構(gòu)體的透視圖；
[0023]圖3示出了示例性PCBN構(gòu)造的平面圖，示例性的PCBN元件從其切出；
[0024]圖4示出了示例性工具插入件的透視圖,包含PCBN元件；
[0025]圖5示出了作為淬火溫度差的函數(shù)的PCBN結(jié)構(gòu)體的測量彎曲強(qiáng)度的圖；
[0026]圖6示出了作為淬火溫度差的函數(shù)的PCBN結(jié)構(gòu)體的測量彎曲強(qiáng)度的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]PCBN結(jié)構(gòu)體可以基本由PCBN結(jié)構(gòu)體組成，且可以接合至基材諸如燒結(jié)碳化物基材，或者PCBN結(jié)構(gòu)體可以是基本獨(dú)立的而不接合至基材。參照圖1，示例性PCBN構(gòu)造10包括PCBN結(jié)構(gòu)體12，所述PCBN結(jié)構(gòu)體12接合到燒結(jié)碳化物基材14。參照圖2，示例性PCBN結(jié)構(gòu)體12可以具有大體盤狀形狀且是獨(dú)立的(而非接合到基材上)。
[0028]提供PCBN構(gòu)造的示例性方法可見于美國專利第7867438號。
[0029]參照圖3，可以切割處理過的PCBN結(jié)構(gòu)體10，和或以其它方式加工以制造用于工具插入件的PCBN元件30。圖4示出了工具插入件40，其包含PCBN元件30，所述PCBN元件30接合到承載體42上。
[0030]以下更詳細(xì)地說明非限制性實(shí)施例。
[0031]提供了 PCBN材料的兩個不同等級的兩套矩形樣品46，制備長度為28.5mm、寬度為
6.25mm、厚4.76mm的各樣品。第一組由第一等級(或類型)的PCBN材料的PCBN樣品組成，所述PCBN材料包含約50體積％的cBN晶粒，所述cBN晶粒的平均尺寸為約0.7微米至約I微米，其分散在基本上由碳氮化鈦材料和鋁的硼化物組成的基體中。第二組由第二等級的PCBN材料的PCBN樣品組成，所述PCBN材料包含約84體積％的cBN晶粒，所述cBN晶粒的平均尺寸為約22微米，其分散在基本包含鋁的氮化物材料和鋁的硼化物的基體中。第一和第二組的PCBN樣品僅由獨(dú)立的PCBN結(jié)構(gòu)體組成(即，其不接合到基材)。各樣品PCBN材料的基體材料的性質(zhì)總結(jié)在下面的表1中。
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種用于處理超硬結(jié)構(gòu)體的方法，所述方法包括:將超硬結(jié)構(gòu)體加熱到至少約500攝氏度的處理溫度，并將超硬結(jié)構(gòu)體以至少I攝氏度每秒和最多100攝氏度每秒的平均冷卻速度從處理溫度冷卻到小于約200攝氏度的溫度，以提供處理過的超硬結(jié)構(gòu)體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述超硬結(jié)構(gòu)體包含PCBN材料。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述超硬結(jié)構(gòu)體包含PCD材料。
4.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述超硬結(jié)構(gòu)體包含熱穩(wěn)定PCD材料。
5.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述超硬材料包含多個金剛石晶粒，所述金剛石晶粒分散在包含SiC材料的基體中。
6.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，通過使所述超硬結(jié)構(gòu)體在20攝氏度下與具有最多約0.4W/ Cm.K)的熱傳導(dǎo)率的流體接觸來冷卻所述超硬結(jié)構(gòu)體。
7.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，通過使所述超硬結(jié)構(gòu)體與油接觸來冷卻所述超硬結(jié)構(gòu)體。
8.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述超硬結(jié)構(gòu)體包含至少40體積％和最多80體積％的cBN晶粒。
9.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述超硬結(jié)構(gòu)體包含具有平均尺寸為至多25微米的cBN晶粒。
10.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述超硬結(jié)構(gòu)體包含分散在基體中的cBN晶粒，所述基體含有選自碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦、鋁的硼化物和鋁的氮化物中的至少一種材料。
11.如任一前述權(quán)利要求所`述的方法，其中所述超硬結(jié)構(gòu)體包含基體，所述基體包含組合平均楊氏模量為最多約350GPa的材料或材料的組合。
12.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述超硬結(jié)構(gòu)體包含多個超硬晶粒和基體，所述基體包括組合平均膨脹系數(shù)是至少約4.5 X IO-6A的材料或材料組合。
13.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，包括將所述處理過的超硬結(jié)構(gòu)體加熱至至少500攝氏度的溫度持續(xù)至少5分鐘的時間段。
14.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，包括加工處理過的超硬結(jié)構(gòu)體，以形成用于工具的元件。
15.一種PCBN結(jié)構(gòu)體，其具有至少650Mpa的彎曲強(qiáng)度。
16.如權(quán)利要求15所述的PCBN結(jié)構(gòu)體，包含至少40體積％且最多80體積％的cBN晶粒。
17.如權(quán)利要求15或16所述的PCBN結(jié)構(gòu)體，包含平均尺寸是最多25微米的cBN晶粒。
18.如權(quán)利要求15-17中任一所述的PCBN結(jié)構(gòu)體，包含分散在基體中的cBN晶粒，所述基體包含選自碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦、鋁的硼化物和鋁的氮化物的至少一種材料。
【文檔編號】C04B35/5831GK103562156SQ201280025517
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月27日
【發(fā)明者】D·J·卡羅蘭, A·伊萬克維奇, N·墨非 申請人:六號元素有限公司