具有微观结构和纳米结构耐火材料的切削工具

摘要

在一个方面，本发明涉及切削工具，包括辐射烧蚀区，至少定义耐火面的微观结构和/或纳米结构的其中一个。例如，本文描述的切削工具至少包括一个由后刀面和前刀面交叉形成的切削刃，其中所述后刀面由耐火材料制成，它包括辐射烧蚀区，至少定义表面微观结构和表面纳米结构的其中一个，其中所述耐火材料的表面孔隙结构不会被表面微观结构和表面纳米结构堵塞。

说明书

技术领域

本发明涉及使用耐火材料的切削工具，尤其是通过暴露于烧蚀激光辐射而使耐火表面微观结构化和/或纳米结构化的切削工具。

背景技术

PCD是一种硬度极高的耐磨材料，非常适用于各种磨损场合。PCD一般通过将石墨放入大型专用压力机，在高温高压条件下生产而成。应用此类温度和压力条件后，将石墨的六角结构转换为金刚石的立方结构。可利用金属溶剂和/或催化剂减小将石墨转换为金刚石所需的温度和压力。例如，可以在合成过程中加入钴、镍和/或铁减小温度和压力。或者，可以通过烧结大量的金刚石单晶，实现大聚晶质量，来生产PCD。在工业生产过程中，通常通过加入金属或者陶瓷二次相来加快聚晶形成的速度。使用此类金属会有一定的缺点，因为最终产品由金刚石晶粒组成，而金属粘结剂大部分位于晶粒边缘。

金属粘结相的量一般介于5-10溶剂百分比之间，导致损害PCD合成物的化学和热稳定性。例如，由于金属粘结剂与金刚石之间的热膨胀系数存在很大差异，所以金属粘结剂能够在温度超过700℃时加快石墨化并诱发热应力。此类热限制会限制可成功应用于切削工具PCD基材的耐火材料的数量。再者，PCD和其他超硬工具材料，包括聚晶立方氮化硼(PcBN)加工成切削工具是一个既困难又耗时的过程。例如，由于金刚石之间互相接触，所以当前磨削加工极易造成晶体脱落和/或其他表面不平整现象。而且，电火花加工(EDM)具有磨损粘结相的倾向，从而削弱聚晶材料的完整性。鉴于这些加工缺点，急需开发一些可生产全新、符合要求的耐火面结构的方法。

发明内容

在一个方面，本发明涉及切削工具，包括辐射烧蚀区，定义耐火面的微观结构和/或纳米结构。例如，本文描述的切削工具至少包括一个由后刀面和前刀面交叉形成的切削刃，其中所述后刀面由耐火材料制成，它包括辐射烧蚀区，至少定义表面微观结构和表面纳米结构的其中一个，其中所述耐火材料的表面孔隙结构不会被表面微观结构和/或表面纳米结构堵塞。在一些实施例中，在烧蚀区内，表面微观结构和表面纳米结构的高度基本均一。而且，在一些实施例中，表面微观结构为结节或者脊线。

在另一个实施例中，切削工具至少包括一个由前刀面和后刀面交叉形成的切削刃，其中所述前刀面由耐火材料制成，它包括辐射烧蚀区，至少定义表面微观结构和表面纳米结构的其中一个，其中所述耐火材料的表面孔隙结构不会被表面微观结构和表面纳米结构堵塞。在一些实施例中，辐射烧蚀区位于所述前刀面的一个或多个表面结构上，例如断屑槽结构。

在另一方面，本文介绍了切削工具的制造方法。切削工具制造方法包括提供一个切削刀片，它包括由耐火材料制成的前刀面和刀体，以及通过带有激光束的所述前刀面和刀体进行切削，为形成切削刃的后刀面提供前刀面。所述后刀面包括辐射烧蚀区，至少定义表面微观结构和表面纳米结构的其中一个，其中所述耐火材料的孔隙结构不会被表面微观结构和表面纳米结构堵塞。

以下详细说明进一步介绍了这些和其他实施例。

附图说明

附图1示意了将本文所述的一个实施例中的PCD切削工具的切削刃放大3000倍的扫描电子显微镜(SEM)图。

附图2示意了将所拍摄的附图1所示后刀面截面放大10000倍的SEM图。

附图3示意了将所拍摄的附图1所示后刀面截面放大25000倍的SEM图。

附图4示意了将本文所述的一个实施例中的钨硬质合金切削工具基材的后刀面放大2000倍的SEM图。

附图5示意了将所拍摄的附图4所示后刀面截面放大10000倍的SEM图。

附图6示意了将所拍摄的附图4所示后刀面截面放大25000倍的SEM图。

附图7示意了使用纳秒级脉冲宽度的激光辐射进行处理的硬质合金后刀面截面的SEM图。

附图8是激光切削PCD切削刀片刀坯的前刀面和刀体，形成一个具有本文所述的一些实施例说明的辐射烧蚀区的后刀面的示意图。

附图9为PCD切削工具的光学图像，本文所述的一个实施例说明的前刀面上有一个断屑槽。

具体实施方式

通过参阅以下详细描述和示例以及前后文的介绍，更容易地理解本文所述的实施例。但是，本文提及的元件、设备和方法不仅限于详细描述和示例中介绍的特定实施例。须认识到，这些实施例仅仅用于阐明本发明的原理。所属技术领域的专业人员将容易在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行一些修改和调整。

在一个方面，本发明涉及切削工具，包括辐射烧蚀区，定义耐火面的微观结构和/或纳米结构。在一些实施例中，本文描述的切削工具至少包括一个由后刀面和前刀面交叉形成的切削刃，其中所述后刀面由耐火材料制成，它包括辐射烧蚀区，至少定义表面微观结构和表面纳米结构的其中一个，其中所述耐火材料的表面孔隙结构不会被表面微观结构和表面纳米结构堵塞。

所述后刀面的耐火材料可包括与本文所述激光辐射相互作用的任何耐火材料，由此形成的辐射烧蚀区用于定义表面微观结构和表面纳米结构的其中一个。例如，所述后刀面耐火材料可以是单晶体，譬如，单晶金刚石。或者，所述后刀面耐火材料可以是聚晶体，包括聚晶金刚石(PCD)。聚晶金刚石的平均晶粒度一般介于0.5μm与50μm之间。而且，所述聚晶金刚石的粒度分布可呈双峰或多峰态。所述后刀面的其他耐火聚晶材料可以包括硬质合金、化学汽相淀积(CVD)金刚石、聚晶立方氮化硼(PcBN)和聚晶陶瓷。

在一些实施例中，构成所述后刀面的硬质合金包括碳化钨(WC)，其量至少80重量百分比或者至少85重量百分比。碳化钨的平均晶粒度介于0.5μm与30μm之间。此外，硬质合金的金属粘结剂可以包括钴或钴合金。例如，钴可存在于硬质合金成分中，量介于1重量百分比至20重量百分比之间。所述后刀面的硬质合金也包括一种或多种添加剂，例如，一个或多个以下元素和/或化合物：钛、铌、钒、钽、铬、锆、钌、铼、钼和/或铪。在一些实施例中，钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪构成带WC的固溶体硬质合金。此外，硬质合金可以包括氮。

所述后刀面的PcBN可以包括至少45重量百分比的PcBN。在一些实施例中，PcBN的占比量可从表I中选择。

表I——PcBN重量百分比

≥45≥50≥60≥70＞80＞85≥9045-9586-9790-9792-95

再者，所述后刀面的PcBN也可以包括陶瓷或者金属粘结剂。PcBN的合适陶瓷粘结剂包括氮化物、碳氮化物、碳化物和/或钛、钨、钴或铝的硼化物。例如，在一些实施例中，PcBN包括AIN、AlB₂或二者混合物的粘结剂。

可通过X射线衍射(XRD)确定构成所述后刀面的PcBN的组分。对于本文所述PcBN基材的组分相分析，可以使用配设Eulerean支架和微焦点光学、用于分析PcBN复合片和刀头的PANalytical X’pert MRD衍射系统，或配设可编程光学、用于分析PcBN单实心片的PANalytical X’pert MPD。

两种x射线衍射系统均配置聚焦光束光学功能，且配设铜质x射线管，工作参数为45KV和40MA。对于所述单实心片的分析，所述PANalytical MRD配设可编程发散狭缝和可编程防散射狭缝。x射线束宽度由合适的掩膜尺寸控制，x射线长度使用可编程光学固定在2mm。所述PANalytical MPD配设一个线性带固态x射线探测仪和镍β滤波器。

根据PcBN后刀面尺寸的不同，所述PANalyticalX’pert MRD系统配置100或500焦点的微焦点单毛细管光学。所述PANalyticalMRD配设一个线性带固态x射线探测仪和镍β滤波器。

选择合适的分析扫描范围、计数和扫描速率，为Rietveld分析提供最佳数据。提供一个背景轮廓，并在PcBN基材衍射数据上执行峰值搜索，以确定所有峰值位置和峰值强度。利用任何市售的晶相数据库，将峰值位置和强度数据用于确定所述PcBN后刀面的晶相组成。

晶体结构数据是基材中存在的每个结晶相的输入。典型的Rietveld精修参数设置如下：

试样几何结构：平板

线性吸收系数：从平均试样组成中计算

加权方式：对照I_obs

轮廓函数：Pseudo-Voigt

轮廓底宽：根据试样进行选择

最小平方类型：Newton-Raphson

极化系数：1.0

Rietveld精修一般包括：

试样位移：试样从x射线对准位置中移开

背景轮廓选择以最恰当地描述衍射数据的背景轮廓

尺度函数：每个相的尺度函数

B整体：应用于相中所有原子的位移参数

晶胞参数：a、b、c以及α、β和γ

W参数：说明峰值FWHM

任何其他实现可接受加权R值的参数。

在另一组实施例中，构成所述前刀面的聚晶陶瓷可以包括从由元素周期表IVB、VB和VIB组的铝及金属元素组成的组中选择的一个或多个金属元素，和元素周期表IIIA、IVA、VA和VIA组的一个或多个非金属元素。例如，聚晶陶瓷可以从由氧化铝、氮化钛、碳氮化钛、氧碳氮化钛、碳化钛、氮化锆、碳氮化锆、氮化铪和碳氮化铪组成的组中选择。

在一些实施例中，所述后刀面的耐火材料采用石墨。此外，所述后刀面的耐火材料可以包括杂化材料，包括sp³杂化分量和sp²杂化分量，例如各种等级的类金刚石(DLC)。

基于所述前刀面的组分同一性和构成所述前刀面的激光辐射的规范(后者将在下文进一步详述)，所述后刀面上辐射烧蚀区的表面微观结构和表面纳米结构会表现出各式各样的形态学。在一些实施例中，表面微观结构和表面纳米结构呈结节状。在其他实施例中，表面微观结构和表面纳米结构呈脊线状。在辐射烧蚀区中，表面微观结构或纳米结构的高度基本均一。在一些实施例中，在所述后刀面的相邻辐射烧蚀区上，表面微观结构或表面纳米结构的高度基本均一。而且，在辐射烧蚀区内，表面微观结构或纳米结构的间距基本均一。此外，在所述后刀面的相邻辐射烧蚀区上，表面微观结构或表面纳米结构的间距基本均一。在一些实施例中，表面微观结构和/或纳米结构可让所述后刀面的表面粗糙度(Ra)介于0.025μm与0.7μm之间。所述后刀面的辐射烧蚀区的表面粗糙度要根据ISO 4287进行确定。

所述后刀面耐火材料与下述设备应用的激光辐射相互作用而形成的辐射烧蚀区的微观结构和/或纳米结构不会造成所述耐火材料再分布和/或再淀积。例如，所述后刀面耐火材料的表面孔隙结构不会被表面微观结构和表面纳米结构堵塞。而且，在一些实施例中，会均匀地从所述前刀面上去除耐火材料，形成所述微观结构和/或纳米结构。在这类实施例中，不优先通过暴露于激光辐射来烧蚀耐火材料的组分。例如，不优先通过暴露于激光辐射来去除或者腐蚀PCD或者硬质合金的金属粘结剂，从而留下PCD晶粒或者WC晶粒的基本结构。同样地，不优先去除PcBN的陶瓷粘结剂。通过均一或者基本均一地去除耐火材料组分，来构成表面微观结构和/或表面纳米结构，能够抑制或者减少晶体脱落以及其他会导致工具切削刃性能降低的机制。

由所述后刀面和前刀面交叉形成的切削刃可以使用任何所需的半径，不一定要与本发明的目的一致。在一些实施例中，所述切削刃的半径介于4μm与25μm之间。在其他实施例中，所述切削刃的半径达60μm或小于5μm。所述切削刃可进行磨光或者进一步处理成任何形状或者结构，包括T型棱面、蛇形刃或者任何刀刃形状，例如波状结构。可以使用本文所述设备应用的激光辐射执行对所述切削刃的进一步处理，从而在所述前刀面上形成辐射烧蚀区，具体如下文所述。

附图1-6示意了本文所述的一个实施例中的一种切削工具的前述结构特性。附图1示意了后刀面(11)和前刀面(12)交叉形成的切削刃(10)放大3000倍后的SEM图。所述后刀面(11)和前刀面(12)由PCD制成。所述后刀面(11)包括辐射烧蚀区，覆盖整个表面，用于定义表面微观结构和纳米结构，而所述前刀面(12)在距离所述切削刃(10)至少1μm的距离上无辐射烧蚀区。如附图1所示，PCD材料不会再分布或再淀积，且所述后刀面(11)的表面孔隙结构不会被表面微观结构和表面纳米结构堵塞。附图2示意了将所拍摄的附图1所示后刀面(11)截面放大10000倍的SEM图。附图2通过增加放大倍数，解析了表面纳米结构的结节形态以及表面纳米结构不会堵塞孔隙的情况。附图3示意了将所拍摄的附图2所示后刀面截面放大25000倍的SEM图。附图3通过增加放大倍数，说明了纳米级结节基本均一的高度和间距。

附图4-6也示意了上述切削工具的结构特性。附图4-6对应的是烧结WC基材的后刀面，附图1-3所示PCD切削结构烧结在此基材上。附图4示意了烧结WC基材的后刀面截面放大2000倍的SEM图。如附图4所示，在所述后刀面的相邻辐射烧蚀区上，表面微观结构和纳米结构表现出基本一致的形态和高度。附图5示意了将所拍摄的附图4所示后刀面截面放大10000倍的SEM图。附图4通过增加放大倍数，确立了表面微观结构和纳米结构的脊线式形态，以及材料不会再分布和无孔隙堵塞的情况。而且，附图6示意了将所拍摄的附图4所示后刀面截面放大25000倍的SEM图。附图6通过增加放大倍数，说明了表面微观结构和纳米结构具有基本均一的高度和间距。

与附图1-6所示辐射烧蚀区不同，附图7示意了使用在纳秒时间尺度上具有脉冲宽度的激光束进行处理的烧结WC切削工具的后刀面截面，其中所述烧结WC材料熔化并再分布在所述表面上。由于材料的熔化和再分布特性，所述烧结WC的表面孔隙结构会被堵塞或者破坏。而且，不存在可辨别的微观结构或者纳米结构周期性或者排序。

本文也提供了附图1-6所示和具有上述结构特征的切削工具的制造方法。例如，切削工具制造方法包括提供一个切削刀片，它包括由耐火材料制成的前刀面和刀体，以及通过带有激光束的所述前刀面和刀体进行切削，为形成切削刃的后刀面提供前刀面。所述后刀面包括辐射烧蚀区，至少定义表面微观结构和表面纳米结构的其中一个，其中所述耐火材料的孔隙结构不会被表面微观结构和表面纳米结构堵塞。

利用合理规格的激光辐射和相关设备切削由耐火材料制成的所述前刀面和刀体，得到所述后刀面，它包括辐射烧蚀区，用于定义表面微观结构和/或表面纳米结构，其中所述表面微观结构和纳米结构不会堵塞耐火材料的孔隙结构。具体的激光束参数取决于待切削的耐火材料的一致性，例如PCD、烧结WC或PcBN。在一些实施例中，使用了超短脉冲激光(例如飞秒)，这种激光能够在极其有限的时间内将能量转换为耐火材料，该时间一般短于电子--晶格交互的热激励时间。在这类实施例中，热扩散受限，会导致可忽略的热作用区，热能集中在聚焦区周围。而且，峰值强度能够达到或者超出GW/cm²，从而能够烧结耐火材料晶粒和相关金属或者陶瓷粘结剂。表II提供了本文所述方法所用激光束的一般规范。

表II——激光束规范

波长近紫外红外线中间功率0.1-100W脉冲宽度＜100皮秒(ps)脉冲能量＞0.05μJ焦斑直径10-150μm

此外，在切削过程中，激光束可以旋转。例如，在切削作业中可以使用激光开孔设备。可以设计并利用此类系统，在旋转光学过程中实现对圆形束位移和合成的调整。本切削应用的光转速可超出10,000rpm，以实现更小的脉冲重叠。再者，激光束可表现出旋转对称的重量分布。执行本文所述方法所用的激光开孔设备可从位于德国代根多夫的GFH公司购买，产品名称为GL.trepan。

在另一方面，本文介绍了前刀面上有辐射烧蚀区的切削工具。例如，切削工具至少包括一个由前刀面和后刀面交叉形成的切削刃，其中所述前刀面由耐火材料制成，它包括辐射烧蚀区，至少定义表面微观结构和表面纳米结构的其中一个，其中所述烧结材料的表面孔隙结构不会被表面微观结构和表面纳米结构堵塞。所述前刀面的表面微观结构和表面纳米结构能够具有上述和附图1-6所示的相同形态和结构。例如，所述前刀面的表面微观结构和纳米结构可以呈结节状或者脊线状，并在某个辐射烧蚀区或者相邻辐射烧蚀区之间表现出基本均一的高度和/或间距。再者，所述前刀面的耐火材料可以包括上述后刀面所用的任何耐火材料，包括PCD、聚晶CVD金刚石、PcBN、烧结硬质合金、聚晶陶瓷、单晶金刚石、石墨或者具有上述特性的DLC。

在一些实施例中，辐射烧蚀区位于所述前刀面的一个或多个表面结构上。例如，辐射烧蚀区可以位于所述前刀面的一个或多个断屑槽结构上。在一些实施例中，辐射烧蚀区位于断屑槽结构的侧壁和/或底面上。所述前刀面的辐射烧蚀区也可以与切削刃结构相关联，包括T型棱面、蛇形刃或者任何刀刃形状。可通过暴露于具有上述和表II所示特性的激光辐射，将辐射烧蚀区赋于前刀面。而且，所述前刀面的辐射烧蚀区的表面粗糙度(Sa)可介于0.002μm与4μm之间。可根据Blunt等人所著的《(评估表面形貌的先进技术》第一版(ISBN9781903996116)和ISO 11562给出的程序确定前刀面辐射烧蚀区的Sa。

以下非限制性示例进一步介绍了这些和其他实施例。

示例1——PCD切削工具

PCD切削工具具有一个包括辐射烧蚀区的后刀面，辐射烧蚀区用于定义表面微观结构和纳米结构，PCD切削工具的制造方法如下。提供PCD切削刀片刀坯。所述PCD切削刀片刀坯包括一层在高温高压(HPHT)压力机中烧结到烧结硬质合金基材的PCD。所述PCD层的平均晶粒度为10μm，厚度为1.6mm，而烧结硬质合金基材包括钴粘结剂和粒度为1-10μm的WC晶粒。使用具有表III所列规范的激光束切削所述PCD切削刀片的前刀面和刀体。所述激光束由购自GFH公司的GL.trepan激光钻孔设备生产。

表III——激光束规范

波长1030nm中间功率50W脉冲宽度＜1ps脉冲能量0.25μJ聚焦光学90mm焦斑直径可变重复速率200kHz扫描速度2mm/min

附图8是激光切削所述PCD切削刀片刀坯的前刀面和刀体，形成一个具有本文所述辐射烧蚀区的后刀面的示意图。如附图8所示，所述PCD层使用所述激光钻孔设备切削后，再使用所述激光设备切削所述烧结硬质合金基材。

切削所述后刀面和所述PCD刀体，可得到一个具有辐射烧蚀区的后刀面，辐射烧蚀区用于定义附图1-3示意的表面微观结构和表面纳米结构。需要注意的是，在使用GL.trepan激光钻孔设备切削，形成辐射烧蚀区后，所述后刀面不做进一步处理。而且，切削所述底部WC-Co基材，可得到辐射烧蚀区，它用于定义附图4-6示意的表面微观结构和表面纳米结构。与PCD纳米结构的结节形态不同，WC-Co表面微观结构和纳米结构呈脊线状形态。

示例2——PCD切削工具

PCD切削工具具有一个包括断屑槽结构的前刀面，所述断屑槽结构包括辐射烧蚀区，辐射烧蚀区用于至少定义表面微观结构和纳米结构的其中一个，PCD切削工具的制造方法如下。提供PCD切削刀片刀坯。所述PCD切削刀片刀坯包括一层在HPHT压力机中烧结到烧结硬质合金基材的PCD。所述PCD层的平均晶粒度为10μm，厚度为0.5mm。使用具有表IV所列规范的激光束在所述前刀面上加工所述断屑槽结构。所述激光束由购自GFH公司的GL.scan激光钻孔设备生产。

表IV——激光束规范

波长1030nm中间功率20-50W脉冲宽度＜1ps脉冲能量0.25μJ聚焦光学163mm焦斑直径可变重复速率200kHz扫描速度可变

对所述前刀面进行激光加工，得到附图9所示的断屑槽结构。至少定义表面微观结构和表面纳米结构的其中一个的辐射烧蚀区位于所述断屑槽的侧壁和底面上。与示例1相同，表面微观结构和表面纳米结构没有堵塞所述PCD的表面孔隙结构。

为了完成本发明的各种目标，本文已介绍了本发明的各种实施例。须认识到，这些实施例仅仅用于阐明本发明的原理。所属技术领域的专业人员将容易在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行一些修改和调整。