聚晶立方氮化硼复合材料制造技术

本公开涉及用于摩擦搅拌焊接的聚晶立方氮化硼PCBN复合材料。该PCBN复合材料包含处在粘合剂基质材料中的钨(W)、铼(Re)和铝(Al)。铼(Re)和铝(Al)。铼(Re)和铝(Al)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】聚晶立方氮化硼复合材料


[0001]本公开涉及一种复合材料，其包含钨(W)、铼(Re)和立方氮化硼(cBN)颗粒，所述颗粒在高压和高温(HPHT)条件下一起形成。本公开还涉及该复合材料作为用于钢、镍合金和其他高熔点合金的摩擦搅拌焊接的探针或工具材料的应用，并且涉及在减少的磨损和断裂方面具有比现有探针高得多的性能的探针。本公开还涉及用于制造此类复合材料的方法以及包括此类材料的探针。

技术介绍

[0002]摩擦搅拌焊接(FSW)是如下技术：使旋转工具与待接合的两个相邻工件强制接触并且工具的旋转产生工件的摩擦和粘性加热。当混合沿着塑性区域发生时，严重变形。在塑性区域冷却时，工件沿着焊接接头接合。由于工件保持在固相，所以该过程在技术上是锻造过程而不是焊接过程，尽管如此，按照惯例将其称为焊接或摩擦搅拌焊接，并且这里遵循该惯例。
[0003]在低温金属中的FSW的情形中，整个工具/工具保持器可以是单件的成形工具钢，在该情形中，其通常被称为“探针”(probe)。在工具用于焊接较高温度合金(诸如钢)的情形中，工具通常处在两个或更多个部件中，其中与被焊接的材料直接接触的端部元件通常被称为“定位器”(puck)或“工具插入件”，并且工具的其余部分是“工具保持器”，该“工具保持器”将定位器牢固地保持并且装配到FSW机器中，使得工具定位器和工具保持器一起构成“工具”或“工具组件”。通常对工具定位器进行成形以形成肩部和搅拌销，通常具有切入表面中的反向螺旋，使得在旋转期间，其朝向销拉动金属并将金属向下推动到由所述销形成的孔中。
>[0004]通常，FSW操作包括若干步骤，例如：
[0005]a)插入步骤(也称为刺入步骤)，从工具与工件接触时的点到销完全嵌入直至受热且软化的工件中的肩部的点。
[0006]b)工具横移，这时工具沿着待接合工件之间的线横向移动，和
[0007]c)提取步骤，这时工具被提升或横移出工件。
[0008]工具横移(其是主要形成焊缝的阶段)通常在恒定条件下进行；典型地，这些条件是旋转速度、刺入条件、横移速度等。
[0009]FSW方法在1991年由焊接研究所(TWI)开辟，并且描述于WO 93/10935中。TWI已经许可了该技术，尽管它主要用于将铝(Al)合金制成的部件焊接在一起，但是它也用于其它低熔点金属，例如铜(Cu)、铅(Pb)和镁(Mg)。
[0010]WO 2004/101205要求保护FSW工具，该工具尤其包含在高压高温(HPHT)条件下制造的超级磨料材料。具体地，要求聚晶聚晶金刚石(PCD)和聚晶氮化硼(PCBN)。
[0011]通用电气公司提交了针对将基于钨的难熔金属合金用于钢和其它材料的FSW的专利申请(US 2004/238599A1)。
[0012]FSW是用于接合金属的良好确立的方法。然而，目前典型地仅适合于具有相对低熔
点的金属，这是因为存在以下要求：FSW工具或探针材料在接合温度下保持其基本特性并且不与接合的金属发生化学相互作用。出于这个原因，使用钢探针通过FSW接合钢和其它高熔点金属是不可行的，例如在如Al&Cu的较低熔点金属的情形中使用。
[0013]最近的驱动是使用如下材料来开发FSW探针，该材料在含铁环境中在高于1000℃的温度下保持其基本特性和形式，以便使钢和其他高熔点金属的FSW接合在技术上和商业上可行。难以开发合适的工具，这至少部分是由于温度，而且还由于在该过程期间工具经受的载荷。通常已发现这些工具具有有限的寿命周期。此外，这些工具通常由难以成形的昂贵材料制成，因此工具是昂贵的。目前，通常根据每个工具的焊接米数(metres)来量度此类工具的寿命，并且使用该工具的成本是按照每米的$、USD来量度，将工具成本除以按米计的工具寿命。尽管自从2000年左右以来知晓在钢中摩擦搅拌焊接的许多益处，但其使用是非常受限的，因为目前可用的工具被认为是昂贵的，并且是不可靠的且寿命是有限的。
[0014]例如，使用由HPHT方法制造的聚晶立方氮化硼(PCBN)作为探针材料在本领域中已有描述。还存在对使用W、Re、Mo的大量研究，包括它们的合金和其它难熔金属。这两种方法(PCBN和难熔金属)均具有不同的缺点：
[0015]·
尽管PCBN远比这种应用所需的更耐磨，但其断裂韧性低于理想所需。当工件初始为冷并且工件和工具之间的接触点相对较小时，该应用涉及将探针刺入到这两件之间的接合部的工件中。因此，该步骤涉及高的力和快速的加热，并且能够严重地向工具施加应力和损坏工具。在随后的横移期间，当工具也旋转时，工具也经受大的循环力，这能够驱动裂纹扩展。
[0016]·
虽然诸如W、Mo和Re的难熔金属具有足够的断裂韧性，但是它们缺少商业可行探针所需的耐磨性，并且它们的主要失效机制是磨损。更重要的是，由此类金属制成的探针在应用期间往往发生形状畸变。
[0017]对于将W、Mo或Re的韧性和强度与PCBN的增强耐磨性结合的材料存在长期需求，同时保留FSW应用期间所需的基本化学惰性和形式。
[0018]专利技术概述
[0019]在本专利技术的第一方面中，提供了一种聚晶立方氮化硼PCBN复合材料，其包含：60
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90体积％立方氮化硼cBN颗粒和40
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10体积％的粘合剂基质材料，所述cBN颗粒分散在该粘合剂基质材料中，该粘合剂基质材料包含90
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99重量％的难熔金属钨(W)和铼(Re)的合金，并且其还包含0.5
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10重量％的非氧化物形式的铝(Al)。
[0020]任选地，粘合剂相还包含处于cBN晶粒上的界面层，所述界面层包含Al或者其硼化物或氮化物。
[0021]任选地，界面层覆盖cBN晶粒表面的至少50％。
[0022]任选地，界面层是包含Al、B和N的反应层，并且包含氮化铝和/或硼化铝。
[0023]反应层的组成可在其整个厚度上变化。
[0024]任选地，包含Al的界面层的平均厚度为100
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250nm，优选为170
‑
190nm，使用本文所述的方法测量。
[0025]任选地，复合材料的总氧含量小于3％，优选小于2％，优选小于1％，优选小于0.5％，优选小于0.3％，如本文所述测量。
[0026]PCBN材料可包含70体积％的cBN颗粒和30体积％的粘合剂基质。优选地，PCBN复合
材料包含65
‑
75体积％的cBN颗粒和25
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35体积％的粘合剂基质。
[0027]任选地，cBN颗粒具有8至20μm范围内的平均晶粒尺寸，如本文所述测量。
[0028]任选地，钨
‑
铼合金的组成位于以下范围内：72重量％至77重量％的钨(W)和相应的28重量％至23重量％的Re。钨
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铼合金可包含90重量％的钨和10重量％的铼，或80重量％的钨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种聚晶立方氮化硼PCBN复合材料，其包含：60
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90体积％立方氮化硼cBN颗粒和40
‑
10体积％的粘合剂基质材料，所述cBN颗粒分散在该粘合剂基质材料中，该粘合剂基质材料包含90
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99重量％的难熔金属钨(W)和铼(Re)的合金，并且其还包含0.5
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10重量％的非氧化物形式的铝(Al)。2.根据权利要求1所述的PCBN复合材料，其中所述粘合剂相还包含处于cBN晶粒上的界面层，所述界面层包含Al或者其硼化物或氮化物。3.根据权利要求2所述的PCBN复合材料，其中所述界面层覆盖cBN晶粒表面的至少50％。4.根据前述权利要求中任一项所述的PCBN复合材料，其中所述界面层是包含Al、B和N的反应层，并且包含氮化铝和/或硼化铝。5.根据权利要求4所述的PCBN复合材料，其中所述反应层的组成在其整个厚度上变化。6.根据权利要求2
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5中任一项所述的PCBN复合材料，其中包含Al的界面层的平均厚度为100
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250nm，优选为170
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190nm。7.根据前述权利要求中任一项所述的PCBN复合材料，其中所述复合材料的总氧含量小于3％，优选小于2％，优选小于1％，优选小于0.5％，优选小于0.3％，如本文所述测量。8.根据前述权利要求中任一项所述的PCBN复合材料，其包含65
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75体积％的cBN颗粒和25
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30体积％的粘合剂基质。9.根据前述权利要求中任一项所述的PCBN复合材料，其中所述cBN颗粒具有位于8至20μm范围内的平均晶粒尺寸。10.根据前述权利要求中任一项所述的PCBN复合材料，其中所述W
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Re合金的组成位于以下范围内：72重量％至77重量％的钨(W)和相应的28重量％至23重量％的Re。11.根据前述权利要求中任一项所述的PCBN复合材料，其中所述W
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Re合金的晶粒具有位于3至5μm范围内的平均晶粒尺寸。12.根据前述权利要求中任一项所述的PCBN复合材料，其进一步包含在粘合剂基质材料内的WC杂质，所述杂质以PCBN复合材料的小于1重量％的量存在。13.根据前述权利要求中任一项所述的PCBN复合材料，其进一步包含在粘合剂基质材料中的铼
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铝合金。14.根据前述权利要求中任一项所述的PCBN复合材料，其中所述c...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：六号元素英国有限公司，
类型：发明
国别省市：