Pcbn結構體、工具元件及其製作方法
2023-08-04 17:27:46 1
Pcbn結構體、工具元件及其製作方法
【專利摘要】一種用於處理超硬結構體的方法，所述方法包括：將超硬結構體加熱到至少500攝氏度的處理溫度，將超硬結構體以至少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於約200攝氏度的溫度，以提供處理過的超硬結構體。由該方法製造的PCBN結構體可以具有至少650MPa的彎曲強度。
【專利說明】PCBN結構體、工具元件及其製作方法
【技術領域】
[0001]本公開總體涉及超硬結構體、包括超硬結構體的工具元件及其製造方法。
【背景技術】
[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，其大多數彼此直接結合。超硬構造可以包括PCD或PCBN結構體，所述P⑶或PCBN結構體與各嵌入的燒結碳化物基材一體地形成。一些超硬構造在被處理以形成用於工具的元件時可能易於被二維扭曲。
[0003]美國專利號6517902公開了一種熱處理形式，其用於預形成具有結合至具有鈷粘合劑的燒結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％的密排六方晶體結構的鈷粘合劑的界面區。
【發明內容】
[0004]從第一方面看，提供了一種用於處理超硬結構體的方法，所述超硬結構體例如是包括PCBN材料或由PCBN材料組成的超硬結構體，所述方法包括:將超硬結構體加熱到至少約500攝氏度的處理溫度，將超硬結構體以至多約100攝氏度每秒的平均冷卻(淬火)速度從處理溫度冷卻(淬火)到小於約200攝氏度或環境溫度。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]本公開還設想了處理超硬結構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]在一些實施例中，超硬結構體可以包括PCBN材料或P⑶材料(例如，熱穩定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。在一些實施例中，所述超硬結構體可以包含至少40體積和最多80體積的cBN晶粒；所述超硬結構體可以包含平均尺寸為至多25微米的cBN晶粒；所述超硬結構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；所述超硬結構體可以包括基體，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；和或所述超硬結構體可以包括基體，所述基體包括組合平均膨脹係數是至少4.5X 10_6/K的材料或材料組合。
[0007]在一些形式中，超硬結構體可以包含PCBN結構體，所述PCBN結構體可以包含至少30體積％和最多80體積％的cBN晶粒。所述cBN晶粒可以具有最多約25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結構體可以包括cBN晶粒或基本上由cBN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結構的至少約45體積％，且最多約75體積％。在實例的一個變體中，除了不可避免的少量的其它物質和雜質，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]在一些實施例中，超硬結構體可以包含PCBN結構體，所述PCBN結構體可以包含(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)熱膨脹係數是至少約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構體以最多約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結構體加熱至該溫度持續至少約I分鐘、至少約5分鐘或至少約10分鐘的時間段，使得PCBN結構體可以在其整個體積中具有基本相同的溫度。
[0011]在一些實施例中，可以通過使所述超硬結構體在20攝氏度下與具有最多約0.4W/Cm.K)的熱傳導率的流體接觸來冷卻所述超硬結構體。可以通過使所述超硬結構體與油接觸來冷卻所述超硬結構體。
[0012]在一種示例性方法中，超硬結構體可以包含PCBN結構體或基本由PCBN結構體組成，且可以通過使其與熱導率顯著小於水的熱導率(例如，在20攝氏度顯著小於約0.6W/(m.K))的流體接觸來冷卻所述超硬結構體。在一個特別的實施例中，流體的熱導率在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結構體與設計用於以控制速度進行淬火的油或聚合物溶液接觸來冷卻PCBN結構體。特別的變體可以包括將PCBN結構體浸沒在流體中，將流體噴灑在PCBN結構體上或澆在PCBN結構體上。流體可以以受控(恆定或變化)的速度在PCBN結構上方流動，或者流體可以相對於PCBN結構體式為基本靜態的。`
[0013]在某些實施例中，所述方法可包括將處理過的超硬結構體加熱至至少500攝氏度的溫度持續至少約5分鐘的時間段。
[0014]在某些實施例中，所述方法可以包括將冷卻的超硬結構體再加熱至至少約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，超硬結構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]在某些實施例中，該方法可以包括加工處理過的超硬結構體，以形成用於工具的元件。在一個實施例中，該方法可以包括加工處理過的超硬結構體以形成用於工具的元件，所述用於工具的元件可以被進一步加工以形成用於工具機或其它切割或鑽孔工具的插入件。例如，處理過的超硬構造可以通過雷射、通過電火花加工(EDM)或其它裝置切割以形成用於工具的元件，所述用於工具的元件可以通過例如研磨進一步加工。熱處理後切割處理過的超硬構造很可能會導致具有改進尺寸公差(與熱加工前切割超硬構造相比)的用於工具的元件。
[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的彎曲強度的PCBN結構體。
[0017]本公開還設想了超硬結構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結構體可以包含至少約40體積％和最多80體積％的cBN晶粒；PCBN結構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結構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]根據第一方面的方法及其變體可能製造根據第二方面的增強的超硬結構體製造。【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]下面參照【專利附圖】
【附圖說明】非限制性實施例，其中:
[0021]圖1示出了示例性PCBN構造的透視圖；
[0022]圖2示出了示例性 PCBN結構體的透視圖；
[0023]圖3示出了示例性PCBN構造的平面圖，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的PCBN結構體的測量彎曲強度的圖；
[0026]圖6示出了作為淬火溫度差的函數的PCBN結構體的測量彎曲強度的圖。
【具體實施方式】
[0027]PCBN結構體可以基本由PCBN結構體組成，且可以接合至基材諸如燒結碳化物基材，或者PCBN結構體可以是基本獨立的而不接合至基材。參照圖1，示例性PCBN構造10包括PCBN結構體12，所述PCBN結構體12接合到燒結碳化物基材14。參照圖2，示例性PCBN結構體12可以具有大體盤狀形狀且是獨立的(而非接合到基材上)。
[0028]提供PCBN構造的示例性方法可見於美國專利第7867438號。
[0029]參照圖3，可以切割處理過的PCBN結構體10，和或以其它方式加工以製造用於工具插入件的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]以下更詳細地說明非限制性實施例。
[0031]提供了 PCBN材料的兩個不同等級的兩套矩形樣品46，製備長度為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樣品僅由獨立的PCBN結構體組成(即，其不接合到基材)。各樣品PCBN材料的基體材料的性質總結在下面的表1中。
[0032]
【權利要求】
1.一種用於處理超硬結構體的方法，所述方法包括:將超硬結構體加熱到至少約500攝氏度的處理溫度，並將超硬結構體以至少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於約200攝氏度的溫度，以提供處理過的超硬結構體。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述超硬結構體包含PCBN材料。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中所述超硬結構體包含PCD材料。
4.如任一前述權利要求所述的方法，其中所述超硬結構體包含熱穩定PCD材料。
5.如任一前述權利要求所述的方法，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.如任一前述權利要求所述的方法，其中，通過使所述超硬結構體在20攝氏度下與具有最多約0.4W/ Cm.K)的熱傳導率的流體接觸來冷卻所述超硬結構體。
7.如任一前述權利要求所述的方法，其中，通過使所述超硬結構體與油接觸來冷卻所述超硬結構體。
8.如任一前述權利要求所述的方法，其中，所述超硬結構體包含至少40體積％和最多80體積％的cBN晶粒。
9.如任一前述權利要求所述的方法，其中，所述超硬結構體包含具有平均尺寸為至多25微米的cBN晶粒。
10.如任一前述權利要求所述的方法，其中，所述超硬結構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.如任一前述權利要求所`述的方法，其中所述超硬結構體包含基體，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.如任一前述權利要求所述的方法，其中，所述超硬結構體包含多個超硬晶粒和基體，所述基體包括組合平均膨脹係數是至少約4.5 X IO-6A的材料或材料組合。
13.如任一前述權利要求所述的方法，包括將所述處理過的超硬結構體加熱至至少500攝氏度的溫度持續至少5分鐘的時間段。
14.如任一前述權利要求所述的方法，包括加工處理過的超硬結構體，以形成用於工具的元件。
15.一種PCBN結構體，其具有至少650Mpa的彎曲強度。
16.如權利要求15所述的PCBN結構體，包含至少40體積％且最多80體積％的cBN晶粒。
17.如權利要求15或16所述的PCBN結構體，包含平均尺寸是最多25微米的cBN晶粒。
18.如權利要求15-17中任一所述的PCBN結構體，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 優先權日:2011年5月27日
【發明者】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