專利名稱：：Pcbn切削工具組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及超硬切削工具組件，并且更具體地說，涉及PCBN切削工具組件。
背景技術(shù)：
：氮化硼典型地以三種晶體形式存在，即立方氮化硼(CBN)、六方氮化硼(hBN)及wurtzitic立方氮化硼(wBN)。立方氮化硼是具有與金剛石的結(jié)構(gòu)相類似的結(jié)構(gòu)的硬鋅混合形式的氮化硼。在CBN結(jié)構(gòu)中，在原子之間形成的鍵堅固，主要是共價四面體型鍵。CBN在機加工工具等方面具有廣泛商業(yè)用途。它在砂輪、切削工具等中用作磨粒，或者使用常規(guī)電鍍技術(shù)結(jié)合到工具本體上以形成工具嵌入件。CBN也可以以結(jié)合形式用作CBN壓坯，也稱作PCBN(多晶體CBN)。CBN壓坯包括燒結(jié)的大量CBN顆粒。當CBN含量按壓坯的體積超過百分之八十時，有相當大量的CBN對CBN接觸。當CBN含量較低時，例如按壓坯的體積在百分之四十至六十的范圍中，直接CBN對CBN接觸的程度受到限制。CBN壓坯一般也包含粘合劑，該粘合劑在包含鋁、鈷、鎳、鎢及鈦的壓坯中包含一個或多個陶瓷相。CBN壓坯往往具有良好的磨損性，是熱穩(wěn)定的，具有較高導(dǎo)熱率、良好的耐沖擊性，及當與工件接觸時具有低摩擦系數(shù)。CBN壓坯，有或沒有基體，常常切成待使用的具體切削或鉆削工具的希望尺寸和/或形狀，并且然后利用釬焊技術(shù)安裝到工具本體上。當壓坯的CBN含量按體積小于百分之七十時，基體相，即非CBN相，將典型地也包含輔助或次級硬相(secondaryhardphase),該硬相在本質(zhì)上可以是陶瓷。適當陶瓷硬相的例子是硬質(zhì)合金、氮化物、硼化物及族4、5或6(根據(jù)新IUPAC格式)過渡金屬氧化鋁和其混合物的碳氮化物?；w相構(gòu)成在排除CBN的組分中的所有成分。CBN壓坯在工具嵌入件或工具的形成時可以直接結(jié)合到工具本體上。然而，對于多種用途，優(yōu)選的是，壓坯結(jié)合到基體/支撐材料上，形成支撐壓坯結(jié)構(gòu)，及然后支撐壓坯結(jié)構(gòu)結(jié)合到工具本體上?；w/支撐材料典型地是與諸如鈷、鎳、鐵或其混合物或合金之類的粘合劑結(jié)合在一起的硬質(zhì)合金。金屬硬質(zhì)合金顆?？梢园]、鈦或鉭硬質(zhì)合金顆?；蚱浠旌衔?。用來制造多晶體CBN壓坯和支撐壓坯結(jié)構(gòu)的已知方法涉及使未燒結(jié)的大量CBN顆粒以及粉末化基體相經(jīng)受高溫和高壓狀態(tài)，即對于適當?shù)臅r間段在這種條件下CBN是結(jié)晶學(xué)或熱動態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。使用的典型高溫和高壓狀態(tài)是在U00。C或更高的范圍中的溫度和2GPa或更高量級的壓力。用來保持這些狀態(tài)的時間段典型地是約3至120分鐘。具有大于七十體積百分比的CBN含量的CBN壓坯稱作高CBNPCBN材料。它們被廣泛地用在用來加工灰鑄鐵、白鑄鐵、粉末冶金鋼、工具鋼及高錳鋼的切削工具的制造中。除使用狀態(tài)之外，如切削速度、進給和切削的深度，PCBN工具的性能一般已知取決于工件的幾何形狀，并且特別是取決于工具是否在延長時間段內(nèi)恒定地結(jié)合工件-在現(xiàn)有技術(shù)中稱作"連續(xù)切削"，或工具是否以斷續(xù)方式結(jié)合工件-在現(xiàn)有技術(shù)中稱作"斷續(xù)切削"。商業(yè)上可獲得的PCBN切削工具都具有厚度為0.2mm以上的燒結(jié)PCBN層。這些厚PCBN層處理困難和昂貴。因PCBN切削工具的制造成本因而使它太昂貴，以致在硬質(zhì)合金切削工具市場不能成功地竟爭。對于為典型硬質(zhì)合金用途待考慮的PCBN，它必須處理更容易和更便宜，并且具有更高抗破碎能力，而在耐磨性方面仍然超過硬質(zhì)合金。美國專利no.5，697,994描述了一種用于木材加工用途的切削工具，該切削工具包括在硬質(zhì)合金基體上的PCD或PCBN層。PCD在粘結(jié)相中一般設(shè)有耐腐蝕或耐氧化輔助合金材料。其中提供的例子是PCD層厚度為0.3mm。對于PCBN,層厚度優(yōu)選地為0.3mm至0.9mm。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的切削工具組件包括本體，該本體包括硬質(zhì)合金基體，并且具有至少一個工作表面，至少一個工作表面呈現(xiàn)用于本體的切削刃或區(qū)域，其特征在于，至少一個工作表面包括與切削刃或區(qū)域相鄰的并且從至少一個工作表面延伸到不大于0.2mm的深度的PCBN,并且其中，基體具有1.0mm至40mm的厚度。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，切削工具組件本體包括硬質(zhì)合金基體和結(jié)合到基體的主要表面上的超薄PCBN層，超薄PCBN層具有一般不大于0.2mm的厚度，并且基體具有在1.0mm至40mm之間的厚度。在本發(fā)明的可選擇優(yōu)選實施例中，一個或多個中間層位于硬質(zhì)合金基體與PCBN層之間，優(yōu)選地基于比PCBN軟的陶瓷、金屬或超硬材料或它們的組合。在本發(fā)明的另一個可選擇優(yōu)選實施例中，切削工具組件本體包括硬質(zhì)合金基體，該硬質(zhì)合金基體具有呈現(xiàn)用于工具組件的切削刃或區(qū)域的工作表面，并且具有從工作表面延伸到基體中的多個凹槽或凹口和位于相應(yīng)凹槽或凹口中的多個帶或多塊超硬材料，布置是這樣的，從而PCBN從工作表面延伸到不大于0.2mm的深度，并且形成工具組件的切削刃或區(qū)域的部分。PCBN層或嵌入件的厚度或深度優(yōu)選地從0.001mm至0.15mm。PCBN可選擇性地包含第二相，該第二相包括從包括鋁、鈷、鐵、鎳、鉑、鈦、鉻、鉭、銅、鴒或其合金或混合物的組中選擇的金屬或金屬化合物。現(xiàn)在參照附圖僅作為例子更詳細地描述本發(fā)明，在附圖中圖l是本發(fā)明的切削工具組件的第一實施例的部分立體圖；圖2是本發(fā)明的切削工具組件的第二實施例的部分立體圖；圖3是本發(fā)明的切削工具組件的第三實施例的部分立體圖；圖4是在使用中的本發(fā)明的切削工具組件的側(cè)視圖，表明其"自動磨銳"作用；圖5是曲線圖，表示對于兩種PCBN切削工具在輕間歇機加工條件下的屑(chip)尺寸；及圖6是箱式圖，表明對于兩種PCBN切削工具的抗破裂性。具體實施方式本發(fā)明的目的是提供一種具有以在硬質(zhì)合金與PCBN之間的性能而設(shè)計的PCBN切削工具。該目的通過提供一種切削工具組件10而實現(xiàn)，如例如在圖1中表明的那樣，該切削工具組件10包括帶有超薄PCBN層14的硬質(zhì)合金基體12，該超薄PCBN層14具有不大于、一般小于0.2mm的厚度，優(yōu)選地在0.001-0.15mm之間；并且其中，基體具有從1,0-40mm的厚度。這樣一種切削工具組件通過高溫高壓合成而生產(chǎn)。在切削刃16處的超薄硬層14的厚度是確定材料性能的關(guān)鍵參數(shù)，并且允許既用頂部硬層14(PCBN)又用硬質(zhì)合金基體12切削?？鼓バ?、抗破碎性、切削力、磨削性、EDM能力及熱穩(wěn)定性都是由硬層的厚度影響的性能。存在用來用硬質(zhì)合金基體生產(chǎn)PCBN切削工具的各種方法，這些方法在工業(yè)上是熟知的。超薄硬層與較軟基體一起在切削期間產(chǎn)生"自銳"特性，這又減小在切削刃處的力和溫度。硬層是上述類型的高或低CBN含量PCBN。硬層的厚度依據(jù)對于具體用途的要求性能優(yōu)選地在0.001-0.15mm之間變化。參照圖2的工具組件30,超薄硬層32也可結(jié)合到金屬、陶瓷、或超硬材料的中間較軟層34上，該中間較軟層34又結(jié)合到硬質(zhì)合金基體36上?？蛇x擇地，參照在圖3中所表明的工具組件40，超薄硬層也可以是帶42(豎直層)的形式，該帶橫過與基體材料44交替的切削工具，其中帶的寬度46在10與50微米之間。也想到其中下凹PCBN片位于基體材料中的其它布置。基體材料可從碳化鴒、超細粒碳化鵠、碳化鈦、碳化鉭及碳化鈮中選擇。用來生產(chǎn)硬質(zhì)合金的方法在工業(yè)上是熟知的。因為切削既用PCBN又用硬質(zhì)合金進行，所以基體的選擇是另一個變量，該變量可被改變以便改變切削組件的性能以適合不同用途。在某些用途中，優(yōu)選的可能是，提供具有成輪廓或成形表面的基體，這生成與互補形狀或輪廓的界面。從加工性能觀點看，本發(fā)明的關(guān)鍵特征是將降低PCBN切削工具的處理成本的超薄硬層。就性能而論，本發(fā)明的關(guān)鍵特征是調(diào)節(jié)硬層厚度，從而可實現(xiàn)希望的性能并且也保證在切削期間"自銳"作用發(fā)生。這可能意味著剛好在PCBN下面添加較軟的陶瓷或金屬中間層。這意味著當磨損在切削過程期間的某一階段通過硬層進行時，切削將通過硬層和基體和/或中間層進行。常規(guī)工具都具有高于0.2mm的硬層厚度，并因此基體永遠不與工件接觸(因為工具壽命標準是VBBa=0.2-0.3mm)，并且工具的性能和特性只是硬層的性能和特性。如在圖4中表明的那樣，只要切削由硬層14進行，磨損速率就是硬層的磨損速率。磨損一延伸到硬質(zhì)合金基體12中并且切削由PCBN和硬質(zhì)合金進行，磨損速率就將增大以包括基體的和硬層的磨損速率。因而，硬層越厚，磨損速率由硬層的耐磨性控制得越長，并且工具壽命越長。在由硬層和硬質(zhì)合金進行切削的地方具有超薄硬層給出在硬質(zhì)合金與硬層的耐磨性之間的耐磨性。通過改變硬層的厚度(在0.001-0.15mm之間)，它允許人們把材料的性能和工具壽命變到對于具體用途要求的性能和工具壽命。這允許人們?yōu)榫唧w用途提供特征產(chǎn)品。硬層越薄，切削工具性能將越接近基體的性能。然而，由于工程切削工具的"自銳"作用，切削過程和磨損速率由硬層支配。用超薄硬層14和基體12切削的好處是它對于工具具有"自銳，，作用。如在圖4中表明的那樣，可看到，因為基體12的材料比頂部硬層14軟得多，所以它磨損掉得比硬層14快，在硬層與底部層之間于刃16處形成"刀刃，，18。這允許工具主要用頂部硬層14切削，使與工件的接觸面積最小，這最終導(dǎo)致在切削刃16處的較低的力和溫度。它也意味著，當工具磨損時，它保持允許它較高效地切削的后角(a)。這種磨損特性對于粗加工用途和木材合成物加工是理想的，特別是在鋸片用途中，在該處尺寸公差不太關(guān)鍵。它在油鉆探用途中也是有益的，在該處鋒利刀具導(dǎo)致較低"在鉆頭上的重量"和較高鉆進速度。它在鋼鐵材料的加工中也是有益的。超薄硬層的另一個好處是它給工具改進的切削阻力。較厚層具有較高殘余應(yīng)力，并且更易于剝落和破裂。而且，如果剝落發(fā)生，硬質(zhì)合金基體將阻止開裂并且停止它變得比頂部硬層的厚度大。對于加工性的影響當頂部硬層變得較薄時，所有處理(EDM、EDG、磨削)都更容易和更快。具有超薄硬層將縮短處理時間。如較早解釋的那樣，常規(guī)PCBN壓坯以PCBN層厚度>0.2mm制造，以便切削只由硬層進行。然而，在這樣的厚層的合成期間，壓坯因為在PCBN與硬質(zhì)合金基體之間的熱膨脹差異常常成弓形。這導(dǎo)致輔助處理(機械磨削，EDG或研磨)以使壓坯變平。借助于超薄硬層，使盤的彎曲最小化并且不需要另外處理。這可以供近凈成形PCBN壓坯的生產(chǎn)用。現(xiàn)在僅作為例子參照如下非限制例子，將進一步討論本發(fā)明。這些例子表示超薄PCBN切削工具組件的優(yōu)點。在例子中使用的PCBN切削工具組件由在現(xiàn)有技術(shù)中熟知的并且如以上所描述的PCBN制造方法制成。例1:AISI4340"鉆削"輕間斷加工試驗相信試驗足以代表硬加工。以上描述類型的兩個PCBN切削工具組件被用在試驗中。一個具有O.lmm厚度的超薄PCBN層，并且另一個具有0.5mm厚度的PCBN層。記錄最大屑尺寸。試驗條件如下:<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由圖5的曲線圖可看到，超薄PCBN層比較厚0.5mm層呈現(xiàn)較少破裂。如PCD的情況是，一旦破裂路徑到達硬質(zhì)合金，在刃上的實際的屑就獲得"阻止"。從此處起，磨損是關(guān)鍵特征，并且不破裂。例2:粗加工例子機加工致壓坯石墨鑄鐵(CGI)的災(zāi)難性抗破裂性使用例1的相同兩個PCBN切削工具組件進行中斷的銑削操作，由此，把條件和工件選擇成使任何磨損事件最小化并且回過來促進破裂。每齒的進給量從O.l至0.2至0.3等而增加，直到觀察到鼻部的災(zāi)難性失效。每齒的進給量代表在切削刃上的負載，并因此是適當?shù)目蛊屏研灾甘疚?。使用過的試驗條件如下-工件材料GJV400(>95%珠光體、10%球化性)-切削速度300m/min-每齒的進刀變化-DOC:1mm-WOC:1/2塊-后角18度-前角0度由圖6的箱式圖顯然，01層比05層具有較高抗破裂性。由于這種數(shù)據(jù)不是正態(tài)分布的，所以進行Kruskal-Wallis統(tǒng)計試驗，以估計這種改進是否是顯著的。由于P值小于0.05，所以可得到結(jié)論，薄層比0.5mm層更顯著地抗-皮裂。Kruskal-Wallis試驗Fz失效對工具材料的關(guān)系對于Fz失效的Kruskal-Wallis試驗工具材料N中值平均級別ZPCB賺50.50007.52.09PCBN0550.30003.5-2.09綜合105.5H=4.36DF=1P=0.037H=4.50DF=1P-0.034(用于聯(lián)系(ties)而被調(diào)節(jié))權(quán)利要求1.一種切削工具組件，其包括本體；該本體包括硬質(zhì)合金基體，并且具有至少一個工作表面，所述至少一個工作表面呈現(xiàn)用于所述本體的切削刃或區(qū)域，其特征在于，所述至少一個工作表面包括與切削刃或區(qū)域相鄰的并且從所述至少一個工作表面延伸到不大于0.2mm的深度的PCBN，并且其中，所述基體具有1.0mm至40mm的厚度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具組件，其中，所述本體包括硬質(zhì)合金基體和結(jié)合到基體的主要表面上的超薄PCBN層，超薄PCBN層具有不大于0.2mm的厚度，并且所述基體具有在l.Omm與40mm之間的厚度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工具組件，其中，超薄PCBN層的厚度小于0.2mm。4.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的工具組件，其中，一個或多個中間層位于硬質(zhì)合金基體與PCBN層之間，所述中間層比超薄層的PCBN軟。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的工具組件，其中，中間層是陶瓷、金屬或超硬材料或它們的組合。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具組件，其中，本體包括硬質(zhì)合金基體，該硬質(zhì)合金基體具有呈現(xiàn)用于工具組件的切削刃或區(qū)域的工作表面，并且具有從工作表面延伸到基體中的多個槽或凹口和位于相應(yīng)槽或凹口中的多個PCBN的帶或PCBN的塊，所述布置使得PCBN從工作表面延伸到不大于0.2mm的深度，并且形成工具組件的切削刃或區(qū)域的部分。7.根據(jù)前迷權(quán)利要求的任一項所述的工具組件，其中，PCBN層、塊或帶的厚度或深度從0.001mm至0.15mm。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具組件，大體如這里參照附圖的圖1至6中任一個所描述的那樣。全文摘要一種切削工具組件(10)，包括本體，該本體包括硬質(zhì)合金基體(12)，并且具有至少一個工作表面(14)，至少一個工作表面呈現(xiàn)用于本體的切削刃或區(qū)域(16)，至少一個工作表面(14)包括與切削刃或區(qū)域(16)相鄰的并且從至少一個工作表面延伸到不大于0.2mm的深度的PCBN，并且其中，基體(12)具有1.0mm至40mm的厚度。文檔編號C23C30/00GK101336311SQ200680051951公開日2008年12月31日申請日期2006年12月12日優(yōu)先權(quán)日2005年12月12日發(fā)明者C·J·比勒陀利烏斯,P·M·哈登,T·P·霍華德申請人:六號元素(產(chǎn)品)(控股)公司