聚晶立方氮化硼材料制造技术

本公开涉及聚晶立方氮化硼PCBN材料，其包括含有氮化物化合物的粘合剂基质材料。该氮化物化合物选自HfN、VN和/或NbN。VN和/或NbN。VN和/或NbN。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】聚晶立方氮化硼材料
专利

[0001]本公开涉及烧结的聚晶立方氮化硼材料领域，并且涉及制造此类材料的方法。特别地，本公开涉及使用烧结的聚晶立方氮化硼材料机加工Inconel
TM
族超合金。

技术介绍

[0002]聚晶超硬材料，如聚晶金刚石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)，可用于各种工具，用于切削、机加工、钻孔或降解硬质或磨蚀性材料，如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料。
[0003]磨料压块广泛用于切削、车削、铣削、磨削(grinding)、钻孔和其它磨制(abrasive)操作。它们通常含有分散在第二相基质中的超硬磨料颗粒。基质可以是金属或陶瓷或金属陶瓷。超硬磨料颗粒可以是金刚石、立方氮化硼(cBN)、碳化硅或氮化硅等。在通常使用的高压和高温压实制造工艺期间，这些颗粒可以彼此结合，从而形成聚晶物质，或者可以通过第二相材料的基质结合以形成烧结的聚晶物体。此类物体通常被称为聚晶金刚石或聚晶立方氮化硼，其中它们分别包含金刚石或cBN作为超硬磨料。
[0004]美国专利US 4,334,928教导了一种用于工具的烧结压块，其基本上由20至80体积％的立方氮化硼组成；以及余量是至少一种基质化合物材料的基质，所述基质化合物材料选自周期表的IVa或Va过渡金属的碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物和硅化物、它们的混合物和它们的固溶体化合物。该专利中概述的方法均涉及使用机械研磨/混合技术(如球磨，研钵等)来合并所需材料。
[0005]烧结的聚晶物体可以通过将它们形成于基底上而被“背衬”。可用于形成合适基底的粘结碳化钨是由分散在例如钴基质中的碳化物颗粒形成，通过将碳化钨颗粒/晶粒和钴混合在一起然后加热以便凝固。为了形成具有超硬材料层(如PCD或PCBN)的切削元件，在难熔金属包壳(例如铌包壳)中，将金刚石颗粒或晶粒或CBN晶粒放置在粘结碳化钨物体附近，并且经受高压和高温使得金刚石晶粒或CBN晶粒之间发生晶粒间键合，从而形成聚晶超硬金刚石或聚晶CBN层。
[0006]在一些情况下，基底可以在附着到超硬材料层之前完全烧结，而在其它情况下，基底可以是生坯态(未完全烧结)。在后一种情况下，基底可在HPHT烧结工艺期间完全烧结。基底可以是粉末形式，并且可以在用于烧结超硬材料层的烧结工艺期间凝固。
[0007]作为替代，固体烧结聚晶物体可以是无背衬的，并且可以形成为没有基底的独立式。
[0008]图1显示了用于制造烧结PCBN材料的示例性方法。以下编号对应于图1的编号：
[0009]S1.将基质前体粉末预混合。基质前体粉末的实例包括钛和铝的碳化物和/或氮化物。基质前体粉末的典型平均颗粒尺寸为1至10μm。
[0010]S2.将基质前体粉末在1000℃以上热处理至少一小时，以引发基质前体颗粒之间的预反应从而形成“饼状物”(cake)。
[0011]S3.将饼状物压碎并筛分以获得所需粒级的颗粒。
[0012]S4.将平均颗粒尺寸为0.5至15μm的立方氮化硼(cBN)颗粒添加到筛分后的基质前体粉末中。
[0013]S5.将所得混合粉末球磨以将基质前体粉末破碎至期望尺寸(典型为50nm至700nm)并使基质前体粉末与cBN颗粒紧密混合。该过程可能需要数小时，并且涉及使用诸如碳化钨球的研磨介质。
[0014]S6.将得到的研磨粉末在真空或低压下在60℃以上干燥以除去溶剂，随后通过缓慢地使氧气进入系统以钝化金属表面(如铝)来进行调整。
[0015]S7.将干燥的粉末筛分并制备预复合物组件。
[0016]S8.预复合组合件在700℃以上进行热处理，以去除任何吸附的水或气体。
[0017]S9.将脱气的预复合物组件组装到适合于烧结的舱室中。
[0018]S10.在至少1250℃和至少4GPa的高压高温(HPHT)工艺中烧结舱室以形成烧结的PCBN材料。
[0019]钨(W)和钴(Co)在欧洲都被归类为关键原材料(CRM)。CRM是在经济上和战略上被认为对欧洲经济重要的原材料。原则上，它们具有与其供应相关联的高风险，对于欧洲经济中的关键领域(诸如消费电子产品、环境技术、汽车、航空航天、防御、健康和钢铁)具有显著的重要性，并且它们缺乏(可行的)替代品。钨和钴都是两种重要类别的硬材料(即硬质合金/WC
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Co和PCD/金刚石
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Co)的主要成分。
[0020]专利技术概述
[0021]本专利技术的目的是开发在极端条件下表现良好并且不需要使用WC
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Co背衬的用于工具加工操作的可行的替代材料。
[0022]根据本专利技术的第一方面，提供了一种聚晶立方氮化硼PCBN材料，其包含：
[0023]‑
40至95体积％的立方氮化硼cBN颗粒，
[0024]‑
粘合剂基质材料，所述cBN颗粒分散在所述粘合剂基质材料中，所述粘合剂基质材料的含量是所述PCBN材料的5体积％至60体积％；
[0025]‑
所述粘合剂基质材料包含铝或其化合物，和/或钛或其化合物，和
[0026]‑
所述粘合剂基质材料还包含氧化物化合物、氮化物化合物和/或氧氮化物化合物，其中所述氮化物化合物选自下列中的任一种或多种：HfN、VN和/或NbN。
[0027]任选地，所述氧氮化物化合物的存在量为PCBN材料的5体积％至35体积％。
[0028]任选地，所述氧氮化物化合物的存在量为PCBN材料的10体积％至25体积％。
[0029]任选地，所述氧氮化物化合物包括AlON。
[0030]任选地，所述氧化物化合物包括Al2O3。Al2O3的存在量可以为PCBN材料的10体积％或25体积％。
[0031]任选地，所述HfN的存在量为PCBN材料的10体积％或25体积％。粘合剂基质材料还可包含HfB2和/或BN。
[0032]任选地，所述VN的存在量是PCBN材料的10体积％或25体积％。粘合剂基质材料可进一步包含AlN和/或BN。
[0033]任选地，所述NbN的存在量为PCBN材料的10体积％或25体积％。
[0034]任选地，所述铝Al或其化合物的存在量为PCBN材料的2
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15体积％，优选5
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15体积％，更优选5体积％。
[0035]所述PCBN材料可包含50
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70体积％的立方氮化硼cBN。任选地，所述PCBN材料包含60体积％的立方氮化硼cBN。
[0036]根据本专利技术的第二方面，提供了一种制造聚晶立方氮化硼PCBN材料的方法，所述方法包括：
[0037]‑
将以下的前体粉末一起研磨：
[0038]ο立方氮化硼cBN粉末
[0039]ο含氧化物的粉末
[0040]ο含氮化物的粉末，其中所述含氮化物的粉末选自：HfN、VN和/或NbN，
[0041]ο含铝粉末和/或含钛粉末；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材料，其包含：
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40至95体积％的立方氮化硼cBN颗粒，
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粘合剂基质材料，所述cBN颗粒分散在所述粘合剂基质材料中，所述粘合剂基质材料的含量是所述PCBN材料的5体积％至60体积％；
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所述粘合剂基质材料包含铝或其化合物，和/或钛或其化合物，和
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所述粘合剂基质材料还包含氧化物化合物、氮化物化合物和/或氧氮化物化合物，其中所述氮化物化合物选自：HfN、VN、NbN。2.如权利要求1所述的PCBN材料，其中所述氧氮化物化合物的存在量为所述PCBN材料的5体积％至35体积％。3.如权利要求2所述的PCBN材料，其中所述氧氮化物化合物的存在量为所述PCBN材料的10体积％至25体积％。4.如权利要求1、2或3所述的PCBN材料，其中所述氧氮化物化合物包括AlON。5.如前述权利要求中任一项所述的PCBN材料，其中所述氧化物化合物包括Al2O3。6.如权利要求5所述的PCBN材料，其中Al2O3的存在量为所述PCBN材料的10体积％或25体积％。7.如前述权利要求中任一项所述的PCBN材料，其中所述HfN的存在量为所述PCBN材料的10体积％或25体积％。8.如权利要求7所述的PCBN材料，其中所述粘合剂基质材料还包含HfB2和/或BN。9.如前述权利要求中任一项所述的PCBN材料，其中所述VN的存在量是所述PCBN材料的10体积％或25体积％。10.如权利要求9所述的PCBN材料，其中所述粘合剂基质材料还包含AlN和/或BN。11.如前述权利要求中任一项所述的PCBN材料，其中所述NbN的存在量为所述PCB...

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