專利名稱：具有優良的抗碎裂性和抗邊部裂縫性的立方氮化硼切削工具刀片的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種包含立方氮化硼的切削工具刀片刀片，在加工如淬火鋼和類似材料的硬質材料時，其具有良好的抗碎裂性和抗邊部裂縫性。
背景技術：
在高溫高壓下燒結而成的立方氮化硼(cBN)基陶瓷已為人所公知。
一般來說，用于硬質零件加工的cBN基材料包含作為硬質彌散相的cBN和用來形成燒結硬質切削工具刀片的陶瓷結合劑。具有40-80％體積百分含量cBN的cBN切削工具刀片的陶瓷結合相通常含有具有少量的Ti、W、Co、Al的硼化物或這些物質的固溶體、鋁土以及其他不可避免的反應產物的氮化物、碳氮化物以及碳化鈦。通過改變組分的相對含量，就能夠將cBN工具設計成在不同的應用條件下(例如連續或間歇切削)均具有最優的性能。具有相對較高cBN含量的cBN工具通常被推薦用于重載斷續切削，而具有高陶瓷結合相含量的cBN工具在連續切削中抗磨損性能良好。斷續切削的苛刻條件通常造成邊部裂縫，以致相對于例如缺口磨損或凹坑磨損的其他磨損方式來說更能決定工具的使用壽命。甚至在連續切削時，工具的不穩定性也可能產生造成邊部裂縫提前發生的間歇行為。特別是，具有體積百分含量范圍為40-80％cBN、且含有氮化物、碳氮化物以及碳化鈦的cBN切削工具刀片通常用于從對抗磨損性能有很高要求的連續切削到對抗裂縫性能有很高要求的間歇切削這樣的非常廣泛的切削應用中。因此，迫切需要上述cBN切削工具不僅具有優良的抗邊部裂縫性能，同時需要其具有良好的抗磨損性能。
以前，為了提高抗碎裂性能，已建議在陶瓷結合相和彌散硬質相之間引入中間結合相(EP-A-1498199)。為了避免cBN-cBN之間的直接接觸，還建議使結合相環繞cBN晶粒(EP-A-974566)。cBN或覆蓋cBN晶粒的殘余B2O3和形成TiB2的陶瓷結合相之間發生化學反應，從而生成結合相。另外，為了提高環繞在cBN晶粒周圍的增強凸緣，利用PVD-工藝對cBN晶粒進行Ti和Al的氮化物或硼化物的預涂層處理(US6,265,337)。
已經發現，由于忽略了一個非常重要的韌化機理，即裂痕撓曲，因而陶瓷結合相和彌散硬質相之間的中間相事實上降低了刀片材料的邊部韌性。如果材料中不同相之間的結合過強，產生的裂縫將很容易在材料中筆直傳播，以致其裂縫韌性較低。如果結合過弱，就意味著其抗磨損性能會有很大程度的降低。然而，如果結合平衡的話，就意味著其低于晶粒的固有強度，裂縫就會沿著具有較高韌性晶界傳播。通過仔細控制燒結溫度和原材料的活性，就能夠使cBN晶粒和陶瓷結合相之間具有理想的結合強度。
US4,343,651公開了一種cBN溶度高于80％wt的燒結坯，其中，通過加入Cu和/或Fe能夠使TiB2降至最低。
由于工業上需要降低成本和提高產量，因此就需要進一步改進cBN基工具。一般而言，這意味著高切削速度、尤其是高切削深度和給進量，并且經常還要結合考慮間歇切削。因此，為了達到加工工業的要求，不僅要提高其抗磨損性能而且要提高其抗邊部裂縫性能。
發明內容
因此，本發明的目的在于提供具有良好的抗磨損性能和抗邊部裂縫性能的cBN基工具。
本發明的另一目的在于提供在不同相之間具有平衡結合的cBN基工具。
本發明的另一目的在于提供基本不含Fe和Cu的cBN基工具。
本發明的這些和其他目的均通過由含有cBN相和含有碳氮化鈦相以及TiB2相的結合相的復合材料組成的切削工具刀片實現，其中，從利用CuKa-輻射線得到的復合材料圖譜中，最強的(101)TiB2峰和最強的cBN(111)峰的峰高比約小于0.06，XRD圖譜中的碳氮化鈦相的(220)峰同TiC(PDF32-1383)和TiN(PDF38-1420)的PDF-線的垂直線均相交，而且其最低相交點的高度至少為陶瓷結合相最大的(220)峰高的0.15。
圖1所示為根據本發明和現有技術所述、利用點聚焦(pointfocus)、2θ修正、背景提取(background subtraction)以及從cBN材料中剝離(stripping)出的Kα2所形成的XRD圖譜。垂直線對應于從公用PDF-數據庫(國際衍射數據中心編輯的粉末衍射，ICDD)中摘錄的結構信息，其還表示感興趣的化合物，同時在每條線上還給出了名稱以及各化合物的米勒系數。
圖2a為本發明所述cBN材料中的典型裂縫撓曲(D)的5000X SEM背散射圖像。暗晶粒為CBN，亮基體為陶瓷結合相。圖2b為現有技術所述cBN工具中的典型直裂縫圖。
圖3所示為本發明(圖3a)和現有技術(圖3b)所述工具的TiC1-xNx的220-峰的XRD圖譜。該圖譜利用點聚焦、2θ修正、背景提取以及Kα2剝離而得到。圖3a示出了來自碳氮化鈦相的220峰以及TiC和TiN的PDF線的相交點(如B所示)。
具體實施例方式
本發明涉及一種用于加工硬化鋼、熱加工和冷加工工具鋼、模具鋼、表面硬化鋼、高速鋼以及可鍛灰口鑄鐵的切削工具刀片。所述切削工具刀片可以為整體cBN工具或是連接于超硬基體上的cBN小型工具。其由包括cBN相和結合相的涂層或非涂層復合物組成，所述結合相含有碳氮化鈦相和TiB2相。優選地，所述復合物包括40-80vol％、優選55-70vol％的cBN，其平均粒度小于5μm的，優選1-4μm，且優選具有這樣的雙峰cBN晶粒尺寸分布其中0.1-1μm的一部分＞10vol％，2-5μm的另外部分＞10vol％。在利用CuKa輻射得到的復合物XRD圖譜中，最強TiB2峰和最強cBN峰的峰高比≤0.06，優選≤0.045，最優選≤0.03。此比值確定為最強TiB2(PDF35-0741)峰(101)和最強cBN(PDF35-1365)峰(111)的峰高比ITiB2(101)/IcBN(111)。此外，任何Ti、W、Co、Al的硼化物及其組合物的最強峰與最強cBN峰的峰高比值小于0.06。
本發明的另一特點在于XRD圖譜中碳氮化鈦相的(220)峰均同TiC(PDF32-1383)和TiN(PDF38-1420)的上述PDF-線的垂直線相交，而且其最低相交點的高度至少為陶瓷結合相最大(220)峰高的0.15，優選至少為0.20，如圖3a所示。這表明了從TiC到TiN之間這樣一個相當寬的TiC1-xNx組分范圍。為了表征通常釬焊到超硬基體且不會受基體衍射噪音干擾的小試樣，優選利用光聚焦來進行確定。由于在59-62度(deg)2θ這樣的特定角度范圍內，不會有其他的干擾峰，因此適用(220)峰。
本發明所述的材料進一步包含重量百分比可達5％的從研磨超硬合金球得到的碳化鎢以及從原材料中Al和不可避免的氧反應所得到的氧化鋁。本發明所述材料中的Cu和Fe含量在工業雜質的范圍內。Cu和/或Fe的總含量優選低于1wt％，最優選低于0.5wt％。
本發明所述的cBN切削工具刀片利用如研磨、壓制以及高壓燒結這樣的傳統粉末冶金方法制得。形成陶瓷結合相、Ti(C，N)、化學計量的或優選亞化學計量的以及金屬結合相的粉末以及Al在超微磨碎機中被預研磨成極為細小晶粒的粉末。隨后將該超微研磨機研磨的粉末連同cBN粉末原材料一起進行混合和研磨。在研磨后，對其進行干燥，并將其擠壓制成半成品盤狀坯塊。隨后在溫度為900-1250℃下對該半成品坯塊預燒結一小時。
隨后在壓強為5Gpa、溫度范圍為1300℃的超高壓燒結爐中，對該半成品坯塊進行單獨燒結或是在超硬板上對其進行燒結。選擇燒結溫度和燒結時間，從而獲得完全燒結(就多孔性而言)但是，為了使陶瓷結合相和硬質cBN相之間的化學反應降至最低，必須防止溫度過高和時間過長。該最佳的燒結溫度取決于成分、陶瓷結合相的化學計量以及所有原材料的晶粒度。熟練的工匠能夠利用其器械通過試驗以確定獲得理想的微觀組織的必要條件。通常，其溫度范圍為1200-1325℃。
隨后，經過頂端和底端的研磨后，利用電弧放電鋼絲切割將該燒結坯切割成理想的形狀。隨后，將該燒結cBN半成品切片釬焊至超硬基體上，并研磨成如WO2004/105983中所述的理想形狀和尺寸。在另一實施例中，將燒結cBN半成品切片研磨成理想的形狀和尺寸，而不將其釬焊至超硬基體(整體cBN)上。該研磨刀片還可涂覆有該申請文件中所述的抗磨損PVD以及CVD層，如TiN、(Ti，Al)N以及Al2O3。
出于對本發明進行說明的考慮，下面通過以下實施例對本發明進行進一步的描述。然而應當理解的是，本發明并不限于這些實例的具體內容。
實例1本發明所述的cBN坯體是由體積百分比為65vol％的具有雙峰分布粒度的cBN的球磨粉末制得的，所述具有雙峰分布粒度包括30vol％的0.2-0.6μm的cBN晶粒，余者為2-4μm的cBN晶粒，同時還有非化學計量陶瓷結合相Ti(C0.3N0.7)0.8以及6wt％的Al結合相。在與cBN進行球磨之前，所述結合相以及陶瓷結合相被研磨成具有細小晶粒的精細混合物。
在球磨后，對所述的粉末進行干燥，進而壓實成直徑為40mm的盤狀半成品。在約為900℃的溫度下，將該生坯預燒結1小時左右。
隨后，在壓強為5Gpa，溫度為1300℃的超高壓燒結儀器中，對該預燒結半成品進行燒結。
在Bruker D8衍射顯示計中對cBN材料進行分析，其分析條件如下表1
其結果如圖1a所示。作為對比，現有技術的cBN材料的分析結果如圖1b所示。現有cBN材料含有大約60vol％的cBN，其晶粒尺寸約為2-5μm，平衡量為碳氮化鈦和含量約為5wt％的Al。
另外，在如表1所示的條件下對所述兩種材料的陶瓷結合相進行分析，本發明所述材料的分析結果如圖3a所示，現有材料的分析結果如圖3b所示。
從圖1a和圖1b能夠明顯的看出兩種刀片的主要區別在于是否出現硼化物反應相，特別是TiB2或Ti、W、Co、Al的任何硼化物以及其組合物。在圖1a中選定的2θ區域內希望發現上述的TiB2的最強峰。本發明所述刀片的最強TiB2峰和最強cBN峰的峰高比值為0，而現有刀片中的峰高比值為0.23。
如圖3a所示，在本發明所述刀片中，陶瓷結合相包含很寬成分范圍的TiC1-xNx。如圖3b所示，在現有刀片中，主要的陶瓷結合相由相對較窄的Ti(C，N)峰構成。為了避免來自干擾峰的重疊，選擇59-64度(deg)的2θ區間用于描述如圖3a和圖3b所示的結合相。如圖3a所示，TiC1-xNx的(220)衍射峰同TiN和TiC PDF-線相交于圖3a中的B處。最低的相交點高度為TiN相交點的高度，該高度為結合相最高220峰高度的0.24。與之相反，如圖3b所示，現有技術所含的TiCN在此情形僅與TiN這一條線相交。相交部分的最低點為同TiC相交的點，其＝0。
實施例2在將燒結坯的頭部和底部均磨削成帶有CNGA 120408標識的刀片后，利用電弧放電鋼絲切割將實施例1所述的燒結體切割成Safe-Lok概念所述的形狀。在重載間歇車削加工中，對刀片的韌性進行測試，其車削加工條件如下工件材料 淬硬球軸承鋼，HRC 56速度 120m/min給進量 0.1-0.6mm/rev切削深度(DOC)0.1-0.6mm干車然后對帶有10mm槽縫的環進行平面加工。其給進量和DOC每次均增加0.02mm，直至其被切斷或裂縫。
利用了實施例1中的現有刀片作對比，。
每個試驗均重復4次。其給進量和DOC的平均值如表2所示。
本發明所述刀片的抗裂縫/碎裂性能比典型的現有刀片高30％，而它們的抗磨性能相同。
實施例3將實施例1所提到的本發明所述刀片銅焊到Safe-Lok概念下的超硬體上，進而對其進行進一步的加工，以形成帶有CNGA 120408標識的切削工具刀片。在連續的車削加工下對該刀片的抗磨性能進行測試，其車削加工條件如下所示；工件材料 表面硬化鋼，HRC 52速度 200m/min給進量 0.2mm/rev切削深度(DOC)0.15mm干車利用實施例1中的現有刀片作對比。
測量達到側面磨損(VB)為0.12mm時的時間進行。四次試驗的平均值如表3所示。
同現有材料相比，本發明所述材料的抗磨性能有一些提高。
權利要求
1.一種用于加工硬化鋼、熱加工和冷加工工具鋼、模具鋼、表面硬化鋼、高速鋼以及可鍛灰口鑄鐵的切削工具刀片，其由包括cBN-相和含有碳氮化鈦相和TiB2相的結合相的復合材料制得，其特征在于在利用CuKa-輻射線檢測的復合材料XRD圖譜中，最強(101)TiB2峰和最強cBN(111)峰的峰高比小于0.06，XRD圖譜中的碳氮化鈦相的(220)峰同TiC(PDF32-1383)和TiN(PDF38-1420)的PDF-線的垂直線相交，而且其最低相交點的高度至少為陶瓷結合相最大(220)峰高的0.15。
2.如權利要求1所述的一種切削工具刀片，其特征在于，通過XRD測得的最強TiB2峰和最強cBN峰的峰高比值小于0.045。
3.如權利要求1所述的一種切削工具刀片，其特征在于，通過XRD測得的最強TiB2峰和最強cBN峰的峰高比值小于0.03。
4.如權利要求1所述的一種切削工具刀片，其特征在于，所述的復合材料包含40-80vol％的cBN。
5.如權利要求1所述的一種切削工具刀片，其特征在于通過XRD測得的Ti、W、Co、Al的硼化物及其組合的最強峰和最強cBN峰的峰高比值小于0.06。
6.如權利要求1所述的一種切削工具刀片，其特征在于，具有雙峰cBN晶粒尺寸分布，其含有體積百分數至少為10％的0.1-1μm晶粒，以及體積百分數至少為10％的2-5μm晶粒。
7.如前述權利要求任意項所述的一種切削工具刀片，其特征在于，在cBN燒結材料中還包含碳化鎢和/或氧化鋁。
8.如前述權利要求中任意項所述的一種切削工具刀片，其特征在于，Cu和Fe元素的總含量小于0.5wt％。
全文摘要
本發明公開了一種用于加工例如硬化鋼、熱加工和冷加工工具鋼、模具鋼、表面硬化鋼、高速鋼以及可鍛灰口鑄鐵的切削工具刀片，其由包括cBN－相和含有碳氮化鈦相和TiB
文檔編號C04B35/58GK1978383SQ200610143208
公開日2007年6月13日 申請日期2006年10月30日 優先權日2005年10月28日
發明者利夫·達爾 申請人:山特維克知識產權股份有限公司