[发明专利]聚晶立方氮化硼材料

说明书

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。

发明领域

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。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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：

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。

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)。

S3.将饼状物压碎并筛分以获得所需粒级的颗粒。

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。

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。

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。

S7.将干燥的粉末筛分并制备预复合物组件。

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。

S9.将脱气的预复合物组件组装到适合于烧结的舱室中。