[发明专利]立方氮化硼烧结体

说明书

本发明涉及立方氮化硼(cBN)烧结体，尤其涉及用于切削刀具的cBN烧结体，以改善刀具的耐磨性和抗崩裂性能。

由于cBN是一种硬度仅次于金刚石的物质，因此，cBN基烧结体已在切削刀具、耐磨部件、耐冲击部件等场合中得到应用，这种类型的烧结体难于同时获得高硬度和高强度，特公昭62-25630，62-25631，以及特开平5-186272已对旨在实现硬度和强度的良好匹配的技术进行了公开，然而，所公开的技术对于实现硬度和强度的良好匹配并不充分，例如，包含前述烧结体的单刃刀具在用于高速切削时，允许发生侧面磨损和月牙洼磨损，以使刃口锐利，结果容易导致刃口崩裂(chipping)，甚至对于普通切削速度而言，所述刀具在用于施加强烈冲击的场合如断续切削时，会由于冲击的作用而发生刃口崩裂，这此缺陷已这成刀具寿命的不稳定。

本发明的一个目的是提供一种cBN烧结体，该烧结体由于对耐月牙洼磨损性能和机械强度进行了最佳选择而具有更优的抗崩裂性能。本发明的另一个目的是提供一种cBN烧结体，该烧结体由于对抗冲击性能和机械强度进行了最优选择而具有更优的抗崩裂性能。

本发明所提供的第一种烧结体是这样一种烧结体，其中，cBN粒子通过一种粘结相来进行粘结，所述粘结相具有二维连续结构。所述粘结相至少包含下列一种物质：(a).元素周期表中的4a，5a，或6a族过渡金属的碳化物、氮化物、碳氮化物或硼化物；(b).Al的氮化物、硼化物或氧化物；(c).至少一种Fe、Co，或Ni的碳化物、氮化物、碳氮化物和硼化物；以及(d).一种上述这些物质的相互固溶体。所述粘结相厚度的平均值应小于或等于1.5μm，而且其标准偏差小于或等于0.9μm。在上面的描述中，粘结相厚度指的是烧结体中处于任意画的一条直线上的cBN粒子间的距离。所述cBN含量的体积百分比为45-70％。所述cBN粒子的平均尺寸为2-6μm(首尾两尺寸均包括在内)。所述平均粒子尺寸指的是累积粒子体积百分数占50％的粒子的直径。

本发明所提供的第二种烧结体是这样一种烧结体，其中，cBN粒子通过一种粘结相来进行粘结。所述粘结相具有二维连续结构，所述粘结相包含至少一种下列物质：(a).周期表中4a、5a或6a族过渡金属的碳化物、氮化物、碳氮化物、或硼化物；(b).Al的氮化物、硼化物或氧化物；(c).至少一种Fe、Co或Ni的碳化物、氮化物、碳氮化物和硼化物；以及(d).一种上述这些物质的相互固溶体。所述粘结相的平均厚度小于或等于1.0μm，而且其标准偏差小于或等于0.7μm。在上面的描述中，所述粘结相的厚度指的是烧结体中处在任意画的一条直线上的cBN粒子间的距离。cBN含量的体积百分数为45-70％。所述cBN粒子的平均尺寸应不小于0.01μm但又小于2.0μm。所述平均尺寸指的是粒子的累积体积百分数占50％的粒子的直径。

传统的cBN烧结体已经包含一种厚度变化很大的烧结相，从而产生粘结相本身占有很大体积的局部区域。由于这些部位是烧结体中的机械性能薄弱区(缺陷)，因此，裂纹易于在这些部位产生，导致刀具的抗崩裂性能不足。

由于刃口处温度高，所以高速切削尤其会降低材料的强度。高速切削也会产生月牙洼磨损，使刃口锐利，从而降低刃口的强度。这种情况下，会在月牙洼磨损部位产生由于刃口受到冲击所引起的、与刃口平行的裂纹。在断续冲击作用下，所述裂纹扩展，从而导致崩裂出现。

甚至在普通的切削速度下，当刀具用于有冲击作用的场合如断续切削时，冲击会造成上述缺陷部位出现应力集中，这种应力集中会在这种机械性能薄弱的缺陷部位引起断裂，从而导致刃口崩裂的产生。

考虑到上述这种失效机制，本发明通过使粘结相具有比传统的烧结体粘结相更小的厚度变化，来消除上述缺陷部位，从而使本发明的烧结体具有改善的抗崩裂性能。当粘结相的厚度平均值和标准偏差超过上述特定值时，仅由所述粘结相占很大体积分数的部位就会增加，从而削弱了对抗崩裂性能的有效改善。粘结相平均厚度的下限应为约0.02μm，以确保其作用的发挥。

如果cBN粒子的直径过小，所述粒子就会丧失其耐热性，从而容易导致磨损的发生；如果直径过大，所述cBN粒子本身就会在冲击作用下发生劈裂，造成刃口出现崩裂，从而导致刃具丧失其抗崩裂性能。因此，本发明的第一种烧结体应含有粒子尺寸为2-6μm的cBN粒子，以使其具有优良的耐热性并适合用于高速切削。类似地，本发明的的第二种烧结体应含有粒子尺寸不小于0.01μm但又小于2.0μm的cBN粒子，以使其具有优良抗冲击性能。