[发明专利]由无应力CBN复合材料制造的切削工具和制造方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2012年5月31日提交的临时申请61/653,699的优先权。本申请与名称为“Sintered superhard compact for cutting tool applications and method of its production”(用于切削工具应用的烧结超硬复合片和其制造方法)且要求2012年5月31日提交的临时申请61/653,779的优先权的共同待审申请有关。本申请此外与名称为“Method of making a cBN material”(制造cBN材料的方法)且要求2012年5月31日提交的临时申请61/653,686的优先权的共同待审申请有关。

技术领域

本发明总体上涉及切削工具，并且特别地涉及如下的切削工具，其包含无残余应力的烧结体，和固定至合适的硬质金属例如硬质合金硬质金属(cemented carbide hard metal)的切削工具载体上的自立式(free standing)超硬复合材料。

背景技术

多晶立方氮化硼(PCBN)、金刚石和金刚石复合材料通常用于提供用于切削工具例如金属加工中使用的切削工具的超硬切削刃。

用于硬质部件车削的薄cBN复合材料坯体目前随着烧结被制造为硬质合金硬质金属，其也被称为“支撑的”。它们是在高压、高温(HPHT)工艺中制造的，其中首先将cBN复合材料粉末掺合物与硬质合金硬质金属盘一起装载在耐熔囊中。通常将几个这样的囊编成高压腔芯。在HPHT工艺期间，使材料经受至少40,000个大气压的压力和在1300-1450℃范围内的温度。在这样的条件下，cBN复合材料粉末掺合物被烧结得完全致密，并且由于盘中钴的熔化，硬质金属盘熔融或至少变软。

在HPHT烧结工艺期间，cBN复合材料熔合至硬质金属。在HPHT烧结后，压力和温度降至环境条件，并且在这个过程期间，cBN复合材料和硬质合金硬质金属都变成刚性固体。因为cBN复合材料和硬质金属具有不同的机械性质例如体积模量和热性质例如热膨胀，所以产生不可避免的残余应力场。这特别出现在硬质部件车削cBN复合材料的情况下，其在大多数情况下具有如下的陶瓷类粘结材料，其具有比硬质合金硬质金属显著更高的热膨胀系数。因此，cBN复合材料层处于拉伸应力下。图1示出由硬质合金硬质金属支撑的cBN复合材料层。通过X射线衍射(XRD)进行的残余应力分析显示，该cBN复合材料层具有660MPa的拉伸应力。这种拉伸应力降低了材料的机械强度并且可能产生劣化切削工具性能的垂直裂纹，如图1中所示的。

可通过使用金属陶瓷硬质金属盘代替硬质合金来支撑cBN复合材料层，以避免cBN复合材料层中拉伸应力的不利状态。可将金属陶瓷硬质金属设计为具有更高的热膨胀系数，以使得cBN复合材料可被设计为具有压缩残余应力。适度的压缩残余应力可能是有利的，但如果过量，则这样的压缩应力可能导致在cBN复合材料层中出现裂纹，所述裂纹与cBN复合材料/支撑层界面平行。

图2示出由金属陶瓷硬质金属支撑的cBN复合材料层中的裂纹。这种层中的残余应力为约1,400MPa(压缩应力)。在机械负荷下，例如在加工操作中，这种层将会分层并从支撑的金属陶瓷硬质金属剥落。最确定的是，本领域普通技术人员可通过调节金属陶瓷硬质金属组成使其热性质和机械性质与各种cBN复合材料的热性质和机械性质匹配来避免这些问题，然而，从制造工艺和成本的观点来看，这将不是特别期望的解决方案。除此之外，产生必须将金属陶瓷硬质金属支撑材料钎焊至硬质合金类载体的问题，在这种情况下，由于金属陶瓷和硬质合金的热膨胀系数不同，将出现裂纹。

因此，可见需要在韧度要求苛刻的操作例如硬质部件车削中使用的由无应力超硬复合材料制造的切削工具。

发明内容

在一个实施方案中，切削工具用刀片包含具有顶部、底部和连接至顶部和底部的多个侧壁的刀体，其中在不存在支撑物的情况下，刀体包含烧结的超硬材料；和具有凹槽的基底载体，其中刀体的底部和侧壁适于固定至基底载体的凹槽。

在另一个实施方案中，切削工具用刀片可包含具有顶部、底部和连接至顶部和底部的多个侧壁的无应力刀体，其中无应力刀体包含超硬复合材料；和具有凹槽的基底载体，其中刀体的底部和侧壁适于固定至基底载体的凹槽。