[发明专利]烧结的聚晶立方氮化硼材料

说明书

提供了一种聚晶立方氮化硼PCBN材料。该材料包含30至90重量％的立方氮化硼(cBN)和基质材料，cBN颗粒分散在所述基质材料中。所述基质材料包含铝化合物的颗粒；其中当使用线性截距技术测量时，所述基质材料颗粒具有不大于100nm的d50。

技术领域

本发明涉及烧结的聚晶立方氮化硼材料领域，以及制造此类材料的方法。

背景技术

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、钻孔或降解硬质材料或磨蚀性材料，如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料。

磨料压块广泛用于切削、铣削、磨削、钻孔和其它研磨操作。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块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从而形成烧结聚晶物体。此类物体通常称为PCD或PCBN，其中它们分别含有金刚石或cBN作为超硬磨料。

美国专利US4,334,928教导了一种用于工具的烧结压块，该工具基本上由20至80体积％的立方氮化硼组成；且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。该基质在烧结体中形成连续的结合结构，高压氮化硼散布在连续基质中。该专利中概述的方法都涉及使用机械磨制/混合技术如球磨、砂浆等将期望的材料组合。

对用于基质相的前体粉末进行磨制以减小它们的颗粒尺寸，以便更紧密地混合并改善它们之间的结合，因为较小的颗粒更具反应性。然而，PCBN的典型烧结工艺使用至少1100℃的温度和至少3.5GPa的压力来形成PCBN材料。在这些条件下，可以发生晶粒生长并且一些基质颗粒的颗粒尺寸能够大大增加，从而具有典型高达1μm的尺寸。这对所得PCBN的性质具有不利影响。

发明概述

目的是提供一种烧结的PCBN材料，其具有更均匀的基质晶粒尺寸以提供改善的工具性能。

根据第一方面，提供了一种制造PCBN材料的方法。将基质前体颗粒混合，前体粉末包括平均颗粒尺寸不大于100nm的颗粒，该基质前体颗粒包含铝化合物，具有30至90重量％的立方氮化硼cBN颗粒，该立方氮化硼cBN颗粒具有至少0.2μm的平均颗粒尺寸。在不低于1000℃且不高于2200℃的温度以及至少6GPa的压力下烧结混合颗粒，以形成包含分散在基质材料中的cBN颗粒的PCBN材料，其中当使用等效圆直径技术测量时，基质材料颗粒具有不超过100nm的d50。

作为选择，基质材料还包含碳和氮中的任何的钛化合物。

作为选择，基质材料包含碳氮化钛、碳化钛、氮化钛、二硼化钛、氮化铝和氧化铝中的任何。

该方法任选地还包括在选自下列任一个的温度下烧结：不超过1700℃、不超过1600℃、不超过1500℃、不超过1400℃以及不超过1300℃。

将基质粉末和cBN粉末混合的步骤任选地包括湿法声学混合、干法声学混合和碾磨中的任何。

作为选择，提供平均尺寸在0.2和15μm之间的cBN颗粒。

作为另一选择，提供具有选自大于1μm和大于4μm中任何的平均尺寸的cBN颗粒。

作为选择，提供具有多模态平均尺寸分布的cBN颗粒。

该方法任选地还包括在不低于1000℃且不高于2200℃的温度以及至少6GPa的压力下烧结混合颗粒，以形成包含分散在基质材料中的cBN颗粒的PCBN材料，其中当使用等效圆直径技术测量时，基质材料颗粒具有不大于100nm的d90。