[发明专利]立方氮化硼陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请与2008年9月17日提交的美国临时专利申请No.61/097,777有关，并要求该申请的优先权。

背景技术

1.技术领域

由立方氮化硼(cBN)与各种陶瓷氧化物、氮化物的基质成分和/或它们的基质材料的固态溶液以及碳化物晶须构成的复合材料及其制造方法。

2.相关领域描述

具有大部分立方氮化硼(cBN)相(如大于50体积％)和各种陶瓷添加剂(例如氧化物、氮化物和碳化物)的切削工具组合物已经被商业化，以用于加工铸铁、硬化钢和其它金属。然而，由于加工过程中摩擦生热产生的高温，使得某些铸铁合金的加工较为困难，例如，球墨铸铁或蠕墨铸铁(composite graphite iron)。人们相信在某些此类铸铁加工应用中，切削点产生的高温会导致铸铁和cBN之间发生化学反应，这种反应被称为“化学磨损”。这种化学磨损转而常常导致切削工具过早失效。

已经利用切削工具使用的各种组合物尝试解决这种问题。例如，由于氧化铝表现出高的化学稳定性，因此氧化铝基切削工具有可能解决化学磨损问题。然而，氧化铝易于发生脆性断裂，由氮化硅基陶瓷构成的切削工具也已经用于加工铁类金属和合金，其中该陶瓷包括氮化硅、氧化铝和氮化铝的固态溶液，例如赛隆(silicon aluminum oxynitrides)相。虽然其在高温下的稳定性是有益的，但此类材料不具有含cBN切削工具所表现出的硬度和耐磨性。

另外，纤维或晶须增强是一种已经用来赋予陶瓷材料更大断裂韧度的方法。由于增加的断裂韧度与设计用于加工钢铁的切削工具有关，因而是一种期望的属性。例如，已经发现，对于氧化铝(Al₂O₃)来说，添加碳化硅(SiC)晶须可以显著增加断裂韧度，并且在某些应用中产生更好的性能。已经将SiC晶须加入Si₃N₄，或者已经将AlN基质SiC晶须加入Al₂O₃、莫来石或B₄C(美国专利No.4,543,345)。已经报道了其它晶须增强方法和其它晶须材料，例如，钛、锆和其它过渡金属的碳化物、硼化物和氮化物。

已经描述了用SiC晶须和其它晶须材料增强的陶瓷切削工具，其中其它晶须材料例如为过渡金属(如4族和5族的过渡金属)的氮化物、硼化物和碳化物。通过烧结向cBN陶瓷内加入晶须增强物的方法还没有被描述。具体地讲，还没有将晶须加入也包括cBN的陶瓷基中。也没有描述过包括cBN的此类陶瓷基和将SiC晶须均匀分散到该基质内或在烧结cBN所需高压下保持晶须完整性的方法。

此处所公开的内容描述了在解决上述一个或多个问题方面的尝试。因此，需要提供一种材料，该材料提供期望的硬度、改善的耐磨性、高温稳定性和对化学磨损的抵抗力，并且可用于制造允许更高切削速度的切削工具。

发明内容

在一个实施方式中，一种复合材料可由立方氮化硼(cBN)与各种陶瓷氧化物、氮化物和基质材料的固态溶液的基质成分构成。一种陶瓷基复合材料可包括立方氮化硼、氧化铝、氮化硅。该陶瓷基复合材料还可包括氮化铝和/或氮化硅、氧化铝和氮化铝的固态溶液。该复合材料还可包括添加元素，例如镧系元素、钇或钪中的至少一种。在一个实施方式中，该添加元素以氧化物形式添加。

一种制备陶瓷基复合材料的方法可包括：提供粉末；将立方氮化硼、氧化铝和氮化硅在该粉末中混合，以形成混合物；以及在至少约1200℃的温度和至少约40kBar的压力下烧结该混合物，以形成烧结产物。该方法还可包括将烧结产物制成切削工具的步骤。该粉末也可包括氮化铝和/或氧化物形式的添加元素。所述添加元素可以是镧系元素、铱或钪。该方法还可包括向粉末内加入碳化硅晶须和/或氮化硅晶须的步骤。

另一个实施方式包括具有立方氮化硼(cBN)和碳化硅晶须的陶瓷基复合材料。该复合材料还可包括氮化硅晶须和添加元素。所述添加元素可以是镧系元素、钇或钪或它们的氧化物中的至少一种。碳化硅晶须可以具有约1至约2μm×约17至约20μm的尺寸，在一个替代实施方式中，具有约1.5μm×约18μm的尺寸。

附图说明

图1示出了根据一个实施方式制备的三种复合材料的工具寿命。

图2示出了根据一个实施方式的具有碳化硅晶须的陶瓷的图像。

图3

图4

图5

具体实施方式