Pcbn材料、包含其的工具元件及其使用方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】PCBN材料、包含其的工具元件及其使用方法
[0001] 本公開(kāi)內(nèi)容整體上涉及PCBN材料和包含其的工具元件，所述工具元件特別地但 非專(zhuān)門(mén)地用于機(jī)加工包含金屬的工件。
[0002] 美國(guó)專(zhuān)利號(hào)4, 666, 466公開(kāi)了包含立方氮化硼（cBN)晶粒塊和粘結(jié)成硬聯(lián)合體 (conglomerate)的第二相的磨料還塊，其中鄰近的cBN晶粒彼此接合以形成交互生長(zhǎng)的 塊。坯塊的cBN含量為按重量計(jì)至少80%，并且第二相基本上由氮化鋁和或二硼化鋁組成。 還公開(kāi)了用于制備坯塊的方法，該方法包括將cBN晶粒塊置于與鋁塊接觸以形成反應(yīng)塊， 將反應(yīng)塊置于反應(yīng)區(qū)中，將反應(yīng)區(qū)的壓力升高至在5.0至6. 5吉帕斯卡（GPa)范圍內(nèi)的壓 力和在1400至1600攝氏度范圍內(nèi)的溫度，持續(xù)足以產(chǎn)生燒結(jié)坯塊的時(shí)間。
[0003] 美國(guó)專(zhuān)利號(hào)8, 148, 282公開(kāi)了在基于鋁的非cBN基質(zhì)內(nèi)包含約91至94質(zhì)量％的 cBN晶粒的立方氮化硼（cBN)復(fù)合材料。在燒結(jié)過(guò)程期間，使熔融的鋁金屬與cBN晶粒反 應(yīng)，直至鋁在所得的燒結(jié)坯塊中完全轉(zhuǎn)化為A1N(氮化鋁）和A1B2(二硼化鋁）。其它反應(yīng) 產(chǎn)物例如A1B6 (六硼化鋁）和A1B12 (十二硼化鋁）原則上是可能的，其會(huì)具有降低最終坯 塊中的cBN含量的效果，并且描述為通常所不需要的。公開(kāi)了未發(fā)現(xiàn)這些更高級(jí)別的硼化 鋁的證據(jù)。
[0004] 存在對(duì)于PCBN材料和包含PCBN材料且在使用中具有良好的工作壽命或性能的工 具的需要，所述工具特別地但非專(zhuān)門(mén)地用于機(jī)加工包含鑄鐵的本體。
[0005] 從第一方面來(lái)看，提供了PCBN材料，包含通過(guò)包含氮化鋁或者由氮化鋁組成（少 量雜質(zhì)除外）的基質(zhì)粘結(jié)在一起的至少30體積％的立方氮化硼（cBN)晶粒以及包含硼原 子和鋁原子的多個(gè)區(qū)域，在所述區(qū)域中存在為所存在的鋁原子的至少15倍的硼原子。換句 話說(shuō)，所述區(qū)域中存在的硼原子與鋁原子的原子比將為至少15。所述區(qū)域還可以稱(chēng)為"富 硼"區(qū)域。
[0006] 通過(guò)公開(kāi)內(nèi)容設(shè)想了PCBN材料的各種形式、組成、顯微組織和布置，在下文描述 了其非限制性、非窮舉性實(shí)例。
[0007] 在一些實(shí)例中，可存在為（富硼）區(qū)域中所存在的鋁原子的至多約30或至多約25 倍的硼原子。
[0008] 可以將（富硼）區(qū)域說(shuō)成以硼化鋁晶粒的形式存在于PCBN材料中，所述硼化鋁晶 ?？梢蚤g隙位于cBN晶粒之間的間隙區(qū)域內(nèi)。在一些示例性顯微組織布置中，可以將cBN 晶粒和硼化鋁晶粒說(shuō)成分散在包含氮化鋁或基本上由氮化鋁組成的膠凝材料內(nèi)。
[0009] 在一些實(shí)例中，（富硼）區(qū)域可以包含具有無(wú)機(jī)化學(xué)式AlxBy的硼化鋁相，其中X 是至少0.8和至多1.2,并且y是至少15或16,y:x比率是至少15或16 (換句話說(shuō)，其中 對(duì)于每個(gè)鋁原子存在至少15或16個(gè)硼原子）。在一些實(shí)例中，y可以具有在16至16. 5范 圍內(nèi)的平均值，或y可以在24至26范圍內(nèi)。X和或y的值可以是在整個(gè)（富硼）區(qū)域的體 積中的平均值。硼化鋁相可以選自以化學(xué)計(jì)量、或者亞化學(xué)計(jì)量或超化學(xué)計(jì)量形式的十六 硼化鋁（A1B16)或二十五硼化鋁（A1B25)中的一種或多種。
[0010] 在一些實(shí)例中，（富硼）區(qū)域可以是基本上非晶態(tài)的，或它們可以是基本上晶態(tài) 的。
[0011] 在一些實(shí)例中，CBN含量可以為PCBN材料的至少70體積％、至少80體積％或至 少90體積％。在一些實(shí)例中，cBN含量可以為PCBN材料的至多96體積％。
[0012] 在一些實(shí)例中，硼化鋁相的含量可以為PCBN材料的至少1重量％或至少10重 量％。
[0013] 在一些實(shí)例中，cBN晶?？梢跃哂兄辽?. 5微米的平均尺寸；在一些實(shí)例中，cBN晶 ?？梢跃哂兄炼?0微米、至多8微米或至多5微米的平均尺寸。在一些實(shí)例中，在PCBN材 料的表面處暴露的cBN晶粒的面積分布隨著cBN晶粒尺寸的變化可以包括多于一種模式。
[0014] 在一些實(shí)例中，PCBN材料可以含有小于2重量％或小于1重量％的二硼化鋁 (A1B2)，或它可以基本上不含二硼化鋁。在PCBN材料的XRD痕跡中，在約1重量％的檢測(cè) 極限內(nèi)，可以基本上不存在對(duì)應(yīng)于二硼化鋁的峰。
[0015] 在一些實(shí)例中，（富硼）區(qū)域可以以基本上嵌入氮化鋁材料內(nèi)的微觀晶粒的形式 出現(xiàn)。大多數(shù)或基本上所有（富硼）區(qū)域可以通過(guò)包含氮化鋁的膠凝材料與cBN晶粒分開(kāi)。 在一些實(shí)例中，當(dāng)通過(guò)顯微鏡手段觀察PCBN材料的表面時(shí)，（富硼）區(qū)域的小于約10%或 小于約5%的邊界路徑長(zhǎng)度可以與cBN材料接觸；并且在一些實(shí)例中，（富硼）區(qū)域基本上 沒(méi)有部分邊界可以接觸cBN晶粒的邊界。cBN晶粒和或（富硼）區(qū)域的大多數(shù)或基本上所 有的表面積可以與氮化鋁材料粘結(jié)。
[0016] 在一些實(shí)例中，就穿過(guò)PCBN材料的表面上可見(jiàn)的富硼區(qū)域的段長(zhǎng)分布而言，（富 硼）區(qū)域可以具有至多約20微米或至多約10微米的平均尺寸。富硼區(qū)域的等效圓面積分 布隨著穿過(guò)所述區(qū)域的段長(zhǎng)的變化可以包括多于一種模式。（富硼）區(qū)域的尺寸分布中的 第一模式可以為至多約5微米或至多約1微米，并且（富硼）區(qū)域的第二模式可以為大于 5微米。
[0017] 在一些實(shí)例中，PCBN材料可以具有小于1 %的孔隙率或可以基本上不含孔隙率。
[0018] 在一些實(shí)例中，PCBN材料可以具有顯微組織組成和布置，使得穿過(guò)PCBN材料的平 均聲速為至少14500米/秒（m/s)、至少14700m/s或至少15000m/s。雖然不希望受特定理 論束縛，但穿過(guò)PCBN材料的聲速可以提供它的顯微組織、材料組成和或cBN晶粒和粘合劑 基質(zhì)之間的粘結(jié)強(qiáng)度的某些方面的指示。在一些實(shí)例中，聲速可以提供PCBN材料用于某些 應(yīng)用的潛在有效性的指示。一般地，穿過(guò)PCBN材料的相對(duì)較高的聲速可以指示它潛在具有 尚品質(zhì)。
[0019] 在一些實(shí)例中，在cBN晶粒當(dāng)中相對(duì)高的鄰接可為可見(jiàn)的，其中較高比例的cBN晶 粒邊界涉及cBN晶粒之間的直接接觸。換句話說(shuō)，較高比例的cBN晶粒邊界的比表面積可 以與cBN晶粒之間的直接接觸或鄰近接觸相關(guān)。這種顯微組織布置可以引起穿過(guò)根據(jù)本公 開(kāi)內(nèi)容的示例性PCBN材料的增加的聲速。
[0020] 從第二個(gè)方面來(lái)看，提供了一種制備根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的PCBN材料的方法，所述方 法包括預(yù)燒結(jié)坯塊，所述預(yù)燒結(jié)坯塊包括包含多個(gè)cBN晶粒的聚集體和鋁來(lái)源，關(guān)于所述 聚集體來(lái)選擇和布置所述來(lái)源，使得熔融的鋁將可用于在至少約1500攝氏度、大于1600 攝氏度或至少約1650攝氏度的燒結(jié)溫度和至少約4. 5吉帕斯卡（GPa)的燒結(jié)壓力下接觸 所述cBN晶粒，使預(yù)燒結(jié)坯塊經(jīng)受燒結(jié)溫度和燒結(jié)壓力足夠的燒結(jié)時(shí)期，用于鋁與所述cBN 晶粒反應(yīng)至在所述cBN晶粒之間基本上沒(méi)有保留未反應(yīng)的鋁的程度，并且提供燒結(jié)的PCBN 結(jié)構(gòu)，選擇所述燒結(jié)壓力和燒結(jié)溫度，使得在燒結(jié)的PCBN結(jié)構(gòu)中基本上不出現(xiàn)六方氮化硼 (hBN);并且隨后將所述溫度和壓力降低至環(huán)境條件；包含在所述聚集體中的所述cBN晶粒 的含量和尺寸分布使得所述PCBN材料中的所述cBN晶粒的量將為至少30體積％ (或在一 些實(shí)例中30質(zhì)量％ )。
[0021] 公開(kāi)內(nèi)容設(shè)想了該方法的變體，其中下述是非限制性和非窮舉性實(shí)例。
[0022] 在一些實(shí)例中，燒結(jié)溫度可以為至少約1650攝氏度、至少約1700攝氏度或至少約 1800攝氏度。
[0023] 在一些實(shí)例中，燒結(jié)壓力可以為至少約5吉帕斯卡（GPa)或至少約6吉帕斯卡 (GPa)。
[0024] 在一些實(shí)例中，燒結(jié)時(shí)期可以為至少30秒、至少1分鐘、至少5分鐘、至少約15分 鐘或至少約30分鐘。一般地，較長(zhǎng)的燒結(jié)時(shí)期可以用于燒結(jié)較大體積的PCBN材料，并且相 對(duì)短的燒結(jié)時(shí)期可以用于燒結(jié)較小體積的PCBN材料。
[0025] 在一些實(shí)例中，質(zhì)量分布隨著包含在聚集體中的cBN晶粒的等效圓直徑（E⑶）晶 粒尺寸的變化可以包括多于一種模式。
[0026] 在一些實(shí)例中，包含在聚集體中的cBN晶粒的平均尺寸可以為至多約10微米或至 多約5微米。
[0027] 在一些實(shí)例中，鋁來(lái)源可以采取與包含在聚集體中的cBN晶粒摻混的鋁金屬晶粒 的形式，或鋁來(lái)源可以采取與聚集體接觸的本體例如盤(pán)的形式。
[0028] 從第三個(gè)方面來(lái)看，提供了包含根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的PCBN材料的工具。
[0029] 在一些實(shí)例中，工具可以是成形工具例如機(jī)床。工具可以包括用于機(jī)加工例如車(chē) 肖IJ、鉆孔或銑削本體的可轉(zhuǎn)位插入件。
[0030] 在一些實(shí)例中，工具可以包含例如借助于釬焊合金與工具載體本體接合的根據(jù)本 公開(kāi)內(nèi)容的PCBN結(jié)構(gòu)。在其它實(shí)例中，工具可以包含沒(méi)有釬焊至工具載體的自支撐PCBN 結(jié)