режущий инструмент на основе поликристаллического кубического нитрида бора и способ его изготовления (варианты)

Формула изобретения

1. Режущий инструмент на основе поликристаллического кубического нитрида бора и несущей фазы, отличающийся тем, что он содержит большую долю кристаллов кубического нитрида бора, связанных вместе в виде поликристаллической массы, и меньшую долю несущей фазы, смешанной с поликристаллическим кубическим нитридом бора и полученной из исходного материала в виде порошка, имеющего ядро из тугоплавкого материала, содержащего карбид титана, нитрид титана, карбонитрид титана или карбонитрид титанаалюминия, и поверхностный слой с более высокой концентрацией азота, чем ядро.

2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что несущая фаза содержит нитрид титана, карбид титана, карбонитрид титана.

3. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что он содержит меньшую долю алюминида кобальта, объединенного с несущей фазой.

4. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что содержит кубический нитрид бора в пределах 50 - 85 мас.%, карбид титана, нитрид титана, карбонитрид титана или карбонитрид титана-алюминия в пределах 15 - 40 мас.% и алюминид кобальта - в пределах 4 - 10 мас.%.

5. Инструмента оп п.4, отличающийся тем, что часть титана замещена элементом, выбранным из группы, включающей кремний, тантал, кобальт, хром и вольфрам.

6. Режущий инструмент на основе поликристаллического кубического нитрида бора и несущей фазы, отличающийся тем, что включает объем, содержащий кубический нитрид бора в пределах 50 - 85 мас.%, связанный вместе в виде поликристаллической массы, при этом несущая фаза смешана с поликристаллическим кубическим нитридом бора и образована на 15 - 40 мас.% из карбонитрида титана или карбонитрида титана-алюминия и на 4 - 10 мас.% - из алюминида кобальта, объединенного с несущей фазой.

7. Инструмент по п.6, отличающийся тем, что несущая фаза образована из, по крайней мере, части частиц карбонитрида титана или карбонитрида титана-алюминия, имеющих поверхностный слой с концентрацией азота более высокой, чем в ядре частиц из карбонитрида титана или карбонитрида титана-алюминия.

8. Инструмент по п.6, отличающийся тем, что карбонитрид титана содержится в пределах 30 - 40 мас.%, а кубический нитрид бора - в пределах 50 - 60 мас.%.

9. Инструмент по п.6, отличающийся тем, что часть титана замещена элементом, выбранным из группы, включающей кремний, титан, кобальт, хром или вольфрам.

10. Инструмент по п.6, отличающийся тем, что отношение углерода к азоту в карбонитриде титана или в карбонитриде титана-алюминия составляет от 4 : 1 до 1 : 4.

11. Способ изготовления режущего инструмента на основе поликристаллического кубического нитрида бора, при котором получают смесь кристаллов кубического нитрида бора, порошка тугоплавкого материала, отличающийся тем, что в качестве порошка тугоплавкого материала используют карбид титана, нитрид титана, карбонитрид титана или карбонитрид титана-алюминия, источник кобальта и источник алюминия, и обрабатывают, по крайней мере, часть ингредиентов смеси аммиаком при температуре, по крайней мере, 1100^oC и воздействуют на смесь высокой температурой и высоким давлением в условиях термодинамической стабильности кубического нитрида бора в течение времени, достаточного для формирования поликристаллического объема из кубического нитрида бора, содержащего несущую фазу, образованную из карбида титана, нитрида титана, карбонитрида титана или карбонитрида титана-алюминия.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что источник кобальта и источник алюминия включает алюминид кобальта.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что смешивают порошок карбида титана, нитрида титана, карбонитрида титана или карбонитрида титана-алюминия и порошок алюминида кобальта, обрабатывают смесь карбида титана, нитрида титана, карбонитрида титана или карбонитрида титана-алюминия и алюминида кобальта при температуре, по крайней мере, 1100^oC в аммиаке перед смешиванием с кристаллами кубического нитрида бора.

14. Способ по п.11, отличающийся тем, что полученную смесь обрабатывают аммиаком при температуре, по крайней мере, 1100^oC.

15. Способ изготовления режущего инструмента на основе поликристаллического кубического нитрида бора и частиц тугоплавкого материала, отличающийся тем, что покрывают тугоплавкие частицы слоем материала, выбранного из группы, состоящей из кобальта, алюминия, алюминида кобальта и их сочетаний, причем частицы выбирают из группы, включающей кристаллы кубического нитрида бора, порошок карбида титана, порошок карбонитрида титана, порошок карбонитрида титана-алюминия и порошок нитрида титана, смешивают покрытые частицы для получения смеси кристаллов кубического нитрида бора и порошка, выбранного из группы, состоящей из порошка карбида титана, порошка карбонитрида титана, порошка карбонитрида титана-алюминия и порошка нитрида титана, воздействуют на смесь высокой температурой и высоким давлением в условиях, когда кубический нитрид бора является достаточно термодинамически стабильным, в течение времени, достаточного для образования поликристаллического объема из кубического нитрида бора, включающего несущую фазу, содержащую тугоплавкий материал и алюминид кобальта.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что обрабатывают, по меньшей мере, часть покрытых частиц аммиаком при температуре в интервале от около 1150 до 1250^oC.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что полученную смесь обрабатывают аммиаком при температуре, по меньшей мере, 1100^oC.

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что со смесью смешивают алюминид кобальта.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к поликристаллической композитной прессованной порошковой заготовке из кубического нитрида бора, включающей карбонитрид титана и алюминид кобальта в качестве несущей фазы, которая, в частности, является пригодной в качестве инструмента для обработки металлов на основе железа. В процессе получения прессованной порошковой заготовки смесь кубических кристаллов нитрида бора (CBN), карбонитрида титана (TiCN) и CO₂Al₉ обрабатывают при повышенной температуре в аммиаке для понижения содержания кислорода и углерода, и увеличения содержания азота. Затем смесь подвергают воздействию высоких температур и давлений, где CBN является термодинамически стабильным, для образования поликристаллического кубического нитрида бора.

Получаемая при высоком давлении форма нитрида бора, известная как кубический нитрид бора, превосходится по твердости только алмазом и имеет множество применений в качестве режущего инструмента и тому подобное. Поликристаллический CBN является пригодным, например, для высокоскоростной обработки металлов на основе железа, где взаимодействие алмаза с железом представляет собой проблему. Режущие инструменты, представленные на рынке или описанные в известных ранее патентах, используют кубический нитрид бора и связующую фазу, такую как нитрид титана, карбид титана, карбонитрид титана и их твердые растворы. Такие прессованные порошковые заготовки имеют превосходную устойчивость к абразивному износу, термическую стабильность, теплопроводность, ударную устойчивость и коэффициент трения для использования в качестве режущего инструмента.

Однако всегда является желательным улучшение качества, надежности, свойств, срока службы и остроты материалов, используемых для режущих инструментов.

В практике применения настоящего изобретения обнаружено, что композитный материал, имеющий большую долю поликристаллического кубического нитрида бора и меньшую долю несущей фазы, состоящей из карбонитрида титана или подобного материала, и алюминида кобальта, имеет заметно улучшенные рабочие характеристики при обработке материалов на основе железа и изделий, которые являются сложными для обработки из-за твердости материалов или углублений на пути резания, которые приводят к ударному воздействию на режущий инструмент.

Следовательно, в практике применения настоящего изобретения в соответствии с представленным предпочтительным исполнением указывается режущий инструмент на основе поликристаллического кубического нитрида бора, содержащий большую долю кристаллов кубического нитрида бора, соединенных вместе в виде поликристаллической массы. Меньшая доля режущего инструмента содержит несущую фазу из тугоплавкого материала, смешанную с поликристаллическим кубическим нитридом бора. Тугоплавкий материал предпочтительно содержит карбонитрид титана или карбонитрид титана-алюминия и малую долю алюминида кобальта, такого как Co₂Al₉. Несущая фаза определяется исходными материалами, и будет отмечено, что конечное состояние несущей фазы представляет собой композит из различных материалов, который не может быть характеризован полностью.

Обнаружено, что превосходный режущий инструмент может быть изготовлен путем предварительной обработки смеси порошков кристаллов кубического нитрида бора, карбонитрида титана или карбонитрида титана-алюминия в аммиаке при температуре, по крайней мере, 1100^oC.

Эти и другие детали и преимущества настоящего изобретения будут лучше поняты с помощью ссылок на последующее подробное описание, если его рассматривать в сочетании с чертежами, где

на фиг. 1 показан вид сбоку режущего инструмента, приведенного в качестве примера;

фиг. 2 - частичный вид сбоку цапфы шарошечного бурового долота, обработанной таким режущим инструментом.

Приведенный в качестве примера режущий инструмент включает обычную цементированную подложку из карбида вольфрама 11, имеющую, по крайней мере, на одной стороне слой поликристаллического кубического нитрида бора (PCBN). Режущий инструмент может иметь рабочую поверхность по всему поперечному сечению 13, с наклоном в обратную сторону от режущей кромки 14. Такой режущий инструмент, приведенный в качестве примера, не ограничивает изобретение и на практике с использованием изобретения могут быть получены инструменты с другой геометрией.

Режущий инструмент обычно получают, сначала изготавливая обычными способами заготовку из цементированного карбида вольфрама. Типичный цементированный карбид вольфрама имеет частицы из карбида вольфрама, WC, связанные вместе с помощью кобальта. Средний размер частиц карбида вольфрама может быть в пределах от около 1 до 25 микрон, при этом размер от 5 до 10 микрон является наиболее типичным. Содержание кобальта обычно лежит в пределах от около 6 до 20 массовых процентов. Хотя упоминается материал карбид вольфрама, также может использоваться TiC, TaC и/или NbC.

Слой порошков, которые впоследствии образуют слой PCBN, располагают рядом с лицевой поверхностью карбидной заготовки. Эту сборку размещают в защитном стакане, таком как чашка из ниобия, то есть слой смеси порошков может быть размещен в стакане, и карбидная заготовка помещена поверх слоя порошков. Вторую чашку переворачивают над первой чашкой с образованием закрытого стакана. Сборку двух чашек, заключающих карбидную заготовку и слой порошков, прессуют с помощью матрицы для плотного совмещения содержимого в закрытом стакане. Несколько таких сборок из карбидной заготовки и слоя порошков могут быть заключены в стакан и разделены с помощью ниобиевых дисков. Другие конфигурации могут быть использованы для образования других типов инструментов.

Закрытый стакан затем помещают в соответствующем нагревателе в ячейку высокого давления в прессе сверхвысоких давлений. Давление повышают до области, в которой кубический нитрид бора является термодинамически стабильным. Ячейку в прессе затем нагревают до соответствующей температуры в течение соответствующего времени для образования поликристаллического кубического нитрида бора из кристаллов CBN. В качестве примера, давление в прессе сверхвысоких давлений может быть 50 килобар, и температуры порядка 1500^oC могут поддерживаться в течение от пяти до пятидесяти минут. Такая обработка при высокой температуре и высоком давлении для получения PCBN хорошо известна и описана в литературе.

Во время такой обработки при высокой температуре и высоком давлении отдельные кристаллы кубического нитрида бора (CBN) становятся связанными вместе с образованием поликристаллической массы. Полученный в результате PCBN является сплошной фазой, и тугоплавкая несущая фаза смешивается с фазой PCBN. Несущая фаза образуется из порошков, смешанных с порошком CBN, и вблизи границы с подложкой композит может также включать кобальт, который проникает из подложки из цементированного карбида вольфрама. (Такое проникновение, по-видимому, ограничено десятью микронами или менее от границы раздела).

После удаления из пресса сверхвысоких давлений режущий инструмент очищают, шлифуют, затачивают и доводят, как требуется для получения конечной геометрии режущего инструмента.

В примерном исполнении слой PCBN образуют из смеси, включающей от 50 до 85% массовых кристаллов кубического нитрида бора. Предпочтительное исполнение имеет от 55 до 65% CBN. Начальный средний размер частиц CBN может изменяться от примерно микрона до около тридцати микрон, в зависимости от свойств, желательных в готовом режущем инструменте. Если это желательно, могут быть использованы кристаллы с различными диапазонами размеров частиц. Например, CBN со средним размером частиц около трех микрон может быть смешан с CBN со средним размером частиц около пятнадцати микрон для "упаковок", отличных от упаковок с более однородными размерами частиц. Является предпочтительным, чтобы CBN имел средний размер частиц в три микрона или более. Материал, сделанный из CBN с размером частиц, меньшим, чем около трех микрон, является не таким твердым, как с частицами больших размеров.

Некоторая экономия может быть достигнута путем замены кубического нитрида бора на часть исходного материала из гексагонального нитрида бора. Кроме того, может быть также использован нитрид бора со структурой вюрцита. Любой такой гексагональный нитрид бора и/или нитрид бора со структурой вюрцита, включенный в исходную смесь, преобразуется в кубический нитрид бора при условиях высокого давления и высокой температуры в прессе сверхвысоких давлений. Использование части гексагонального нитрида бора может быть предпочтительным, поскольку это дешевле, чем использование кубического нитрида бора.

Является желательным увеличение прочности или прочности слоя PCBN без значительной деградации его твердости и устойчивости к износу. Для этого образуется несущая фаза из тугоплавкого материала, который смешивают с PCBN. Предпочтительный тугоплавкий материал включает карбонитрид титана или карбонитрид титана-алюминия (упоминаемый здесь как TiCN или TiAl CN). Эти тугоплавкие материалы не являются стехиометрическими соединениями, но, по-видимому, являются твердыми растворами карбида титана и нитрида титана с различными пропорциями углерода и азота. Обычно карбонитрид титана, используемый в практике настоящего изобретения, имеет приблизительно равные пропорции углерода и азота.

Тугоплавкий материал несущей фазы может быть определен как (Ti_xM_y)C_zN_q, элемент сплава М может быть одним или несколькими элементами из алюминия, кремния, хрома, кобальта, вольфрама и тантала, причем алюминий, кремний, вольфрам и тантал являются предпочтительными, и алюминий является особенно предпочтительным. Когда тугоплавкий материал является карбонитридом титана, у равно нулю. В других случаях пропорция металла в сплаве и титана, у/x, находится в пределах от 0,05 до 0,3. Когда композиция тугоплавкого материала содержит карбонитрид титана-алюминия, алюминий присутствует в количестве вплоть до 30% от общего содержания металла. Карбонитрид титана- алюминия является желательным материалом для увеличения устойчивости к химическому износу и прочности.

Дополнительный источник алюминия является желательным, и предпочтительно находится в форме алюминида кобальта Co₂Al₉.

Коммерчески доступный карбонитрид титана имеет общую композицию из 49,4 атомных процентов титана, 22,8% азота, 26% углерода и 1,8% кислорода. Этот материал имеет восковое покрытие на частицах порядка одного процента от массы, которое добавляют к TiCN для замедления окисления. Рассмотренные выше данные анализа общего содержания включают воск и вероятно смещены в сторону более высокого содержания углерода и азота, чем у ядра частиц из TiCN. Несмотря на это, предполагается, что TiCN имеет видимую форму TiC_0,52N_0,46O_0,04.

Анализ поверхности порошка TiCN показывает видимую композицию из 22,7 атомных процентов титана, 10% азота, 40,7% углерода и 26,6% кислорода. Поскольку это является неподходящей стехиометрией для композиции Ti-C-N-O, это предполагает смещение, вызванное воском на поверхности. Одно из опосредованных измерений содержания воска показывает, что около 0,7 массового процента углерода присутствует на поверхности в форме воска. Может присутствовать также поверхностное окисление, если принять во внимание часть видимого содержания кислорода TiCN.

Как обнаружено, желательно увеличить содержание азота на поверхности тугоплавкого материала по отношению к содержанию углерода. Поэтому материал обрабатывают с помощью способа, который, согласно выбору авторов, упоминается как гипернитридирование. Способ гипернитридирования включает нагревание TiCN при повышенной температуре в среде из аммиака. Аммиак крекируется, давая активный водород и азот.

Термическая обработка происходит при температуре, по крайней мере, около 1100^oC, а наиболее предпочтительно - при температуре от около 1150 до 1250^oC. Время нагрева предпочтительно находится в пределах от около 1 до 5 часов, хотя более продолжительные времена могут потребоваться при относительно более низких температурах. Температура может быть больше, чем 1250^oC, но только незначительное увеличение результатов отмечается при нагреве 1250^oC, и неизвестно никаких разумных причин для использования более высоких температур. В примерном исполнении обработка гипернитридированием содержит нагрев порошка TiCN при 1150^oC в течение около от 1,5 до 2 часов.

После такой обработки TiCN имеет композицию в объеме материала из 49,9 атомных процентов титана, 26,5% азота, 22,7% углерода и 1% кислорода. Предполагается, что активный водород из подвергающегося крекингу аммиака взаимодействует с углеродом и кислородом, удаляя их в виде газообразных продуктов. Водород известен в качестве активного декарбонизатора других материалов.

Также предполагается, что изменения содержания азота и углерода в TiCN происходят прежде всего в слое, прилежащем к поверхности частиц, вероятно, на глубине не более чем от 1/2 до одного микрона. Предполагается, что факторы, ограничивающие скорость реакции при гипернитридировании, связаны с диффузией углерода из внутренней части частиц к поверхности, где может осуществляться реакция с активным водородом, и с диффузией азота в TiCN для заполнения вакансий в решетке, где отсутствует углерод. Водород, как известно, является растворимым в титане при повышенных температурах, и диффузия водорода вероятно является более быстрой в TiCN, чем либо у углерода или азота, либо у продуктов реакции этих элементов с водородом.

Предполагается, что узлы в кристаллической решетке, занятые до этого углеродом, занимаются азотом, когда углерод уходит. Измерение постоянных кристаллической решетки после гипернитридирования не описывает никакого изменения постоянных решетки. Это интерпретируется как подтверждение того, что эффектом гипернитридирования является увеличение содержания азота вблизи поверхности при расходе углерода. Поверхностный слой является относительно тонким, и рентгенографические измерения, как предполагается, определяются внутренним материалом ядра частиц.

Предполагается, что увеличение содержания азота на поверхности усиливает связывание TiCN в частицах кубического нитрида бора во время обработки при высоком давлении и температуре. Предполагается, что тонкий поверхностный слой карбонитрида титана может состоять в основном из нитрида титана с композицией, изменяющейся от наружной поверхности до ядра, которая определяется диффузией углерода и азота. Подвижность азота вблизи поверхности и в CBN должна усиливать связывание. Таким образом, после гипернитридирования частицы TiCN по-видимому включают ядро из неизмененного TiCN с тонким поверхностным слоем, который легко связывается с CBN. Свойства материала ядра обеспечивают улучшенные рабочие характеристики композита PCBN.

Поверхность частиц TiCN после гипернитридирования может также содержать графит или аморфный углерод, присутствующий из-за разложения воска.

Гипернитридирование усиливает связывание без разрушения превосходных свойств TiCN в композиции PCBN. Это можно увидеть, сравнивая композитный материал PCBN с материалом режущего инструмента, где используются CBN и нитрид титана. При очень сложном испытании по токарной обработке, где инструмент подвергается ударной нагрузке, среднее количество деталей, обработанных инструментом из нового материала, превышает почти в два раза число деталей, обработанных с помощью самого лучшего известного из литературы материала для такого применения (22 детали против 12 деталей).

Предпочтительным является создание исходной смеси порошков из CBN, TiCN, и Co₂Al₉ перед гипернитридированием. Например, предпочтительная композиция может быть получена путем смешивания от 30 до 40 мас.% порошка TiCN, имеющего средний размер частиц в 10 микрон или менее, от 50 до 65 мас.% кристаллов CBN, имеющих средний размер частиц в 10 микрон или менее, и от 2 до 10 мас.% алюминида кобальта, имеющего такой же размер частиц. Смесь порошков затем нагревают в аммиаке при 1125^oC в течение от полутора до двух часов.

В дополнение к гипернитридированию TiCN, предполагается, что эта обработка также улучшает CBN. Конкретно, содержание любых оксидов бора на поверхностях CBN должно уменьшаться с помощью чрезвычайно активного водорода. Активный азот должен обеспечить стехиометрию нитрида бора, который иногда является дефицитным по отношению к азоту.

Предполагается, что гипернитридирование усиливает связывание между кристаллами CBN-CBN, а также связывание между CBN и TiCN. Дополнительный азот, который может присутствовать в фазе CBN, а также на поверхности фазы TiCN, как предполагается, способствует механизмам переноса.

Является неожиданным, что эта обработка гипернитридированием является эффективной в смеси, включающей алюминид кобальта. В соответствии с фазовой диаграммой Al-Co, Co₂Al₉ имеет температуру разложения при 944^oC, где должны существовать жидкая фаза и -фаза, которая является стабильной при более высоких температурах. Где-то около 1100^oC композиция Co₂Al₉, по-видимому, полностью расплавляется. По каким-то непонятным причинам, однако, частицы алюминида кобальта, по-видимому, остаются интактными. Возможно, что образуется прочная и стабильная поверхность из нитрида алюминия с температурой плавления, превышающей 2000^oC, которая удерживает частицы интактными, даже если часть частицы расплавляется. Как указано далее, существуют некоторые доказательства в поддержку этой гипотезы.

Другой возможностью является то, что существует взаимодействие между TiCN и алюминидом кобальта, которое дает материал, который является нестехиометрическим TiAlCN. Алюминид кобальта может продолжать присутствовать в виде -фазы, которая разлагается при 1172^oC, или в виде CoAl, который имеет температуру плавления почти в 1650^oC. Безотносительно к происходящим явлениям, обработка гипернитридированием является противоположностью к обычным, если предположить, что температура предварительной обработки не должна превосходить температуру плавления порошкообразного соединения.

Порошки могут быть подвергнуты гипернитридированию по отдельности, или гипернитридированию могут быть подвергнуты частичные смеси. Например, предшествующая смесь карбонитрида титана и Co₂Al₉ может быть приготовлена и подвергнута гипернитридированию перед смешиванием с порошком CBN, который отдельно приготавливают для прессования с помощью известных способов.

После гипернитридирования смешанных порошков порошковая прессованная заготовка из поликристаллического кубического нитрида бора изготавливается с помощью по существу обычных способов. Слой смешанных порошков формуют в непосредственной близости к подложке из цементированного карбида вольфрама в "стакане" из тугоплавкого металла, такого как ниобий. Эту сборку затем прессуют в прессе сверхвысоких давлений при высоком давлении и температуре, где кубический нитрид бора является термодинамически стабильным. Прессование в течение от 5 до 15 минут образует поликристаллическую массу CBN, внутри которой диспергированы домены карбонитрида титана, которые обеспечивают механическую поддержку для PCBN.

Алюминид кобальта, по-видимому, катализирует повторную кристаллизацию и связывание CBN, а также способствует прочной межфазной связи между CBN и TiCN. Основываясь на изучении конечного композитного материала, другие источники кобальта и алюминия могут быть эквивалентными исходными материалами. Покрытия из кобальта и/или алюминия на других частицах смеси могут оказаться полезными.

Предполагается, что источник азота, внешний по отношению к CBN, является значимым для хорошей связи между кристаллами. Это может способствовать также связыванию TiCN. Нитрид алюминия является подходящим источником азота. Подвергая гипернитридированию алюминид кобальта, можно получить нитрид алюминия, который служит в качестве источника азота во время прессования при высоком давлении и температуре. В композицию может быть включен порошок нитрида алюминия. Нитрид кремния также может быть включен в композицию в качестве источника азота или может появляться в результате гипернитридирования композиции, включающей порошок сплава алюминий-кремний. Могут быть использованы другие эквивалентные источники азота.

Композит на основе кубического нитрида бора характеризуется здесь с помощью исходных материалов, поскольку они хорошо известны. Композит после прессования при высоком давлении и высокой температуре является в высшей степени сложным и не может быть полностью характеризован. Например, в примерном исполнении композит создан из кристаллов CBN, карбонитрида титана и Co₂Al₉. Последний материал не был обнаружен в конечном композите, и его составляющие явно присутствуют, по крайней мере, в двух других фазах.

Микроскопическое исследование и анализ композитного материала показывает, что он содержит кристаллы CBN, соединенные вместе в виде PCBN, и диспергированные среди них домены, обогащенные карбонитридом титана. Домены TiCN сами по себе состоят из нескольких отдельных фаз.

Фаза CBN является, по-видимому, чистым BN, насколько это можно определить. До определенной степени иррегулярные зерна CBN обычно имеют размеры в пределах от около 1 до 5 микрон.

Домены TiCN включают зерна TiCN и часть, по-видимому, являющуюся обогащенным кобальтом связующим. Эти домены также иррегулярной формы и имеют размеры в пределах от около 1 до 10 микрон. Содержание кобальта сильно изменяется для различных доменов, что, вероятно, является следствием неоднородного распределения исходных частиц TiCN и Co₂Al₉. Отношение углерода к азоту в TiCN, по-видимому, близко к единице. Концентрация азота очень мала, по-видимому, меньше, чем один атомный процент.

Обогащенные TiCN домены содержат малые количества вольфрама, который, по-видимому, растворен в кобальте. В нескольких областях, где кобальт не присутствует, также детектируется вольфрам. Этот последний вольфрам может присутствовать в карбиде вольфрама. Карбид вольфрама может присутствовать в малых количествах, менее чем два массовых процента, как результат способов, использованных для смешивания порошков. Порошки смешивают путем смешивания кристаллов CBN, зерен TiCN и частиц Co₂Al₉. Гомогенную по виду смесь получают путем обработки в шаровой мельнице, футерованной цементированным карбидом вольфрама и содержащей шары из цементированного карбида вольфрама. Малое количество карбида вольфрама и даже меньшее количество кобальта может быть введено из-за эрозии шаров и футеровки мельницы.

Обогащенная кобальтом связующая фаза демонстрирует большой разброс по размерам и по содержанию вольфрама. Наблюдаемые размеры находятся в пределах от около 50 нанометров до 5 микрон. Содержание вольфрама изменяется, причем некоторые области имеют содержание от 1 до 5 атомных процентов вольфрама в кобальте, а другие области имеют вплоть до 30 атомных процентов вольфрама. Кристаллическая структура обогащенной кобальтом фазы неизвестна, но возможно, что некоторые из областей с низким содержанием вольфрама в кобальте являются гранецентрированной кубической фазой, а области с высоким содержанием вольфрама являются этой фазой.

Также обнаружены обогащенные алюминием фазы с размерами в пределах от около 1 до 10 микрон. Эти относительно большие области, по-видимому, содержат AlN, Al₂O₃ и, возможно AlN_xO_y. По крайней мере, некоторые из этих больших обогащенных алюминием доменов имеют обогащенное кобальтом ядро, окруженное обогащенными алюминием фазами. Кроме того, также могут быть обнаружены очень малые, то есть меньшие, чем около 50 нанометров, обогащенные алюминием фазы, взвешенные в доменах карбонитрида титана.

Таким образом, композит PCBN после прессования является сложным и характеризуется здесь, скорее, с помощью его исходных материалов, чем конечного композита.

Другая желаемая порошковая прессованная заготовка на основе PCBN получается из 80 мас.% CBN (вплоть до около половины которого может быть гексагональным нитридом бора (HBN)), 15 мас.% TiCN и 5 мас.% Co₂Al₉. Хорошая композиция на основе PCBN для грубой обработки содержит от около 93 до 94 мас.% CBN (вплоть до половины которого может быть HBN), от около 4 до 5% нитрида алюминия и около 2% алюминида кобальта. Композиция с от 55 до 60% CBN, 35% TiCN и от 4 до 10% алюминида кобальта является превосходной для точной обработки. Композиция, содержащая около 80% CBN, 15% TiCN и 5% алюминида кобальта, имеет хорошее сочетание твердости, устойчивости по отношению к износу и ударной прочности для операций как грубой, так и точной обработки, тем самым, делая возможным использование одного и того же инструмента для обоих видов обработки.

Экспериментальные режущие инструменты, изготовленные как описано выше, использовались для очень сложных заданий по обработке металлов и проявили себя как превосходные по сравнению с коммерчески доступными режущими инструментами на основе кубического нитрида бора. В качестве примера, инструмент содержит в качестве исходных материалов 57 мас.% кристаллов кубического нитрида бора, 35% TiCN, 8% Co₂Al₉ и вплоть до около 2 мас.% карбида вольфрама, введенного как примесь во время измельчения на мельнице для получения начальной смеси частиц. Смешанные частицы CBN, TiCN и Co₂Al₉ подвергают гипернитридированию, как описано выше. Смешанные порошки формируют в композит на основе поликристаллического кубического нитрида бора на подложке из цементированного карбида вольфрама.

Задание по механической обработке представляет собой точную обработку стальной цапфы одной из лап шарошечного долота. Такая цапфа иллюстрируется на фиг. 2 на конце лапы 20 шарошечного долота. Вблизи ближнего к ноге конца цапфы находится уплотняющая поверхность 21 для приема уплотняющего кольца или ему подобного. Далее имеется цилиндрическая поверхность подвеса цапфы 22 и кольцо шарикоподшипника 23. Конечная торцевая поверхность 24 и шпиндель 25 на цапфе снабжены поверхностно упрочненным материалом 26, который имеет твердость, намного превышающую твердость кованной стали цапфы.

Задание по механической обработке является особенно сложным, поскольку часть поверхности подвеса цапфы содержит вставную подушку 27 из поверхностно упрочненного материала, простирающуюся вокруг части окружности, и существует углубление 28 на противоположной стороне цилиндрической поверхности вблизи прохода для смазки 29. Режущий инструмент на основе CBN должен не только резать поверхностно упрочненный материал и сталь, но также подвергается нагрузке ударного типа при прохождении углубления и поверхностно упрочненной подушки при вращении цапфы.

Известные из литературы режущие инструменты обрабатывают в среднем около 12 таких цапф для шарошечных долот на инструмент перед тем, как инструмент становится непригодным для дальнейшего употребления. Режущие инструменты, изготовленные как описано выше, из PCBN и TiCN, обрабатывают в среднем около 22 таких цапф для шарошечных долот на один инструмент.

Способы изготовления порошковых прессованных заготовок из композита на основе PCBN, как описано выше, исходят из смеси порошков. Альтернативой является покрытие частиц карбонитрида титана, карбида титана, нитрида титана или карбонитрида титана-алюминия тонким слоем кобальта и/или алюминия или алюминида кобальта перед смешиванием с кристаллами CBN. Алюминид кобальта, кобальт или алюминий можно наносить на эти частицы с помощью плазменного осаждения из паровой фазы или химического осаждения металлоорганики из паровой фазы. Соответствующие процессы ПОПФ или ХОПФМО хорошо известны. Можно также осаждать карбонитрид титана или карбонитрид титана-алюминия на кристаллы CBN. Такие покрытые частицы способствуют хорошему связыванию между кристаллами в порошковой прессованной заготовке PCBN. Покрытые частицы также могут быть подвергнуты гипернитридированию перед или после смешивания.

В композициях, описанных выше, исходный материал нитрида бора является кубическим нитридом бора. Замечено, что часть CBN может быть заменена гексагональным нитридом бора (НВN) или нитридом бора со структурой вюрцита. Эти материалы преобразуются в CBN при повышенных температурах и давлениях, где CBN является термодинамически стабильным.

Карбонитрид титана, использованный в исследованиях, описанных здесь, имеет отношение углерода к азоту порядка единицы, то есть формула может быть определена как TiC_0,5N_0,5. Обнаружено, что с карбидом титана и нитридом титана в качестве несущей фазы твердость композитного материала может быть ниже, чем с карбонитридом титана, и при этом, по-видимому, появляется некоторая неоднородность по твердости. Таким образом, по-видимому, как углерод, так и азот, в значительной степени участвуют в создании прочности, химической стойкости, связывании между кристаллами и других свойств, присущих удачным материалам для режущих инструментов. Таким образом, пропорции углерода и азота C:N в композиции предпочтительно заключены в пределах от 4:1 до 1: 4. Формула для соединения предпочтительно находится в пределах от TiC_0,8N_0,2 до TiC_0,2N_0,8. Подобные же пределы отношения углерода к азоту являются предпочтительными для карбонитрида титана-алюминия.

Многие другие модификации и вариации настоящего изобретения будут ясны специалистам в данной области. Так, например, хотя алюминид кобальта является предпочтительным материалом, используемым при получении композитного PCBN, алюминид никеля может быть эквивалентом в некоторых применениях. Хотя в качестве способов для покрытия частиц рассмотрены ПОПФ и ХОПФМО, могут быть использованы также другие способы покрытия. Также могут быть использованы различные сочетания покрытых частиц. Хотя в практике настоящего изобретения предпочтительно использовать карбонитрид титана, гипернитридирование карбида титана и/или нитрида титана могут сделать их подходящими заменами для некоторой части или всего подвергнутого гипернитридированию карбонитрида титана.