专利名称：具有超硬磨料体的金属切削镶齿及其制造方法
技术领域：
本发明涉及其切削刃由一氮化硼多立方晶系(即PCBN)或多晶金刚石(即PCD)之类超硬磨料制成的金属切削镶齿及其制造方法。
其切削刃由PCD制成的金属切削镶齿通常用来切削黄铜、镁和铝之类有色合金；而其切削刃由PCBN制成的金属切削镶齿通常用来切削铸铁、淬火钢等等。
镶齿的制造方法有二种，即(i)在高温高压下把PCBN或PCD材料烧结成整块后精加工成镶齿最终形状；或者(ii)在高温高压下把一层PCBN或PCD粘接到一基体(通常为硬质合金圆板)上后切成较小的一片片(小片)。然后把这些小片钎焊到一正规的硬质合金镶齿上后磨制成最终形状。这种制造方法由于生产工序多而成本较高。此外，每一镶齿通常只有一个或两个超硬角是可用的。
美国专利4,866,885公开了一种金属切削镶齿制造工艺，其中，在一硬质合金基体一表面上从该基体外周向里一定间距处做出浅槽。用PCD或PCBN之类磨料硬粒灌满每一浅槽，然后在高温高压下烧结该基体和磨料硬粒而使磨料硬粒烧结在一起并粘接到硬质合金体上。然后沿着穿过磨料体的直线切开该基体而制成由一硬质合金基体和该基体一边上的切削磨料体构成的一般为方形的切削镶齿。这一工艺的一个缺点是该镶齿只在一边上有磨料体。为了在另一边上形成磨料体，必须在该边上另外做出浅槽后灌满超硬磨料。此外，该钢丝切割增加了工序。
因此，为了降低单位切削角的制造成本而又不相应增加工序、从而降低镶齿制造的总成本，希望在一个镶齿上同时形成更多的磨料体。
本发明涉及金属切削镶齿及其制造方法。该镶齿包括一具有由一周面互连的第一和第二侧面的基体和一粘接到该周面上、且从该第一侧面伸展到该第二侧面的超硬磨料体。
最好是，第一和第二侧面为多边形，从而该周面包括若干互连的平面而构成该镶齿的各角，而超硬磨料体位于至少一角处。最好不止一角处具有超硬磨料体。
超硬磨料体可制成在该基体的周面上的一凹槽中且从第一侧面伸展到第二侧面。
该超硬磨料最好为PCD或PCBN。该金属切削镶齿的制造方法涉及到在高温高压下使得在一容器中的超硬磨料烧结在一起，同时粘接到该基体上。该基体包括由一周面互连的第一侧面和第二侧面。加到该基体上的超硬磨料沿着该周面从该第一侧面伸展到该第二侧面。
该基体可为一细长形棒而横切成若干镶齿，每一镶齿有一对由周面互连的相反侧面，而磨料体从一侧面伸展到另一侧面。
或者也可在该容器中上下叠置若干基体。各基体之间用隔片隔开。经过高温和高压工序后把基体与隔片分开。
容器中的基体中可有与周面间距并从第一侧面穿透到第二侧面的孔，孔中灌满超硬磨料。施加高温高压后，在圆孔处切开基体而露出从第一侧面伸展到第二侧面的超硬磨料。
可把基体装入容器中而在容器与基体周面之间留出一空间，然后在该空间中灌满超硬磨料。
容器可分成若干共平面小室。可把各基体分别插入各小室中后把高温高压同时施加于这些小室。
从下面结合附图对本发明优选实施例的详述中可更清楚看出本发明的目的和优点，在各附图中，相同部件用同一标号表示。附图中
图1A到图5描述本发明的一实施例的镶齿的制作步骤；图6为可用于本发明的另一种基体的侧视图；图7和图8为镶齿的两种备选结构的俯视图；图9为一烧结容器的剖面图，示出另一种可使用的基体；图10A和10B示出本发明的另一实施例的金属切削镶齿的制作步骤；图11A和11B示出本发明又一实施例的金属切削镶齿的制作步骤；图12为本发明的另一实施例的具有共平面小室的烧结容器的剖面图；图13A到13C示出本发明的另一实施例的金属切削镶齿的制作步骤；图14为本发明又一实施例的制成在一镶齿中的基体的俯视图；图15为本发明另一实施例的一叠由隔片隔开的镶齿的侧视图。
图1A到图5示出金属切削镶齿第一优选实施例的制作步骤。图1示出圆盘形坯料或基体10(最好为硬质合金)。该基体互连其侧面16、18的周面12上有至少一沿其整个长度、即从一侧面16伸展到另一侧面18的纵向凹槽14。该凹槽14可为任何形状，比方说图示的多边形或半圆形。图2A、2B示出四个相距90°的这类凹槽。基体10放置在一形状对应的容器20(图3A、3B)中，而凹槽14中灌满包括PCD(以及金属粘接剂)或PCBN之类的超硬磨粒(下面称为磨粒)在内的材料13。材料13可以是松散的粉末或经预压的未火烧粉粒料。然后密封容器20后在高温高压下进行常见的烧结，从而磨粒互相粘接在一起并粘接到凹槽14的侧壁上。
然后，从容器(见图4)中取出基体10后沿直线26加工(最好是磨削)该基体而制成镶齿24。
可以看到，镶齿24的磨料体伸展在该基体的整个厚度上，从而这些磨料体在镶齿正反两个侧面上都可用来切削金属。若想使用在浅槽中构成磨料部的现有方法(例如上述专利No.4,866,885公开的方法)获得同样结果，就得分别做出8个浅槽，而不是本发明的4个凹槽，从而本发明的制造成本和工序大大下降。
对本发明的镶齿所作的金属切削试验表明，该磨料体性能合格，同时不会从凹槽14的壁上脱落。也就是说，这些壁与该磨料体之间的粘接强度承受得了在做典型金属切削时会使磨料体从该基体上脱落下来的剪切力。
按照本发明，可按照所要制作的镶齿的类型选择磨料体的数量及其位置。一个镶齿上的磨料体最好尽可能多而使单个镶齿具有最大数量的切削刃。
需要时，该基体可以采取图6所示的圆柱形棒10A。凹槽可以是其中灌满超硬磨料粒子的细长形纵向凹槽14A。完成烧结工序后，可沿着与该基体的纵轴线垂直的平行平面P把该基体切成一个个镶齿。
镶齿可以是任何所需形状。例如图7和图8分别示出两个镶齿实施例30A和30B，它们都为圆形并都有两个磨料体30A′和30B′。
也可不把基体做成其上有用来灌满磨粒的槽，而是如图9所示，把基体32做成其外周面上的一个或多个平面33与容器20的内壁相间距而形成空间34。然后在这些空间中灌满含有超硬磨粒的材料35后进行烧结而制成图8所示的镶齿30B。
最好把镶齿直接烧结成所要求的多角形。例如，图10A示出一放置在一容器41中的长方形基体40，该基体的各角上有凹槽42，这些凹槽中灌满超硬磨料44。烧结后就形成图10B所示镶齿46(各角已磨制光滑)。这一实施例尚不怎么优选，因为在该容器中烧结一多角形基体时，这些角会使应力增大而造成开裂。
图11A和11B示出另一种在一镶齿的各角处形成磨料体的方法。把一硬质合金基体72的角部70切去后用磨料粉末74(或经预压的未火烧粉粒料)灌满从而形成在该棒与容器20之间的三角形空间后用高温高压烧结成镶齿76。
一种同时制造多个镶齿的方法是分别把各薄盘形基体80放到一容器84的后共平面小室82中(见图12)。然后用高温高压在一容器中同时制成多个镶齿。这种方法可用来制造任何所需形状的镶齿，包括圆形镶齿。
图13A-13C示出另一种方法的实施例，其中，比方说在制造基体时或制造基体后以任何合适方式在一硬质合金基体90中形成规则分布的许多孔92。这些孔穿透基体并灌满磨料93(即粉末或压实粉粒料)后对一容器(未示出)中的该基体进行高温高压烧结。然后沿着与孔92平行的直线94用钢丝放电加工从该基体上切割下一块块镶齿96(见图13C)，从而在这些镶齿的各角处形成磨料体98。
基体90可较薄，也即其厚度等于镶齿厚度。但基体90也可如图13B所示具有较厚厚度，而是使用钢丝放电加工沿着直线100进行切片，直线100与孔92垂直地穿过各孔92。
也可不是如图13A那样在一整块基体中形成许多孔，而是把许多切去角的坯料互相共平面放置，从而四个坯料的被切去的角就拼成图13A所示的一个孔。
也可不使用图13A所示一大块基体，而是使用较小基体102(见图14)，该基体102中有若干穿透该基体的孔104。这些孔104位于该基体外周向里的一定距离处并灌满磨料后进行高温高压烧结。然后，沿着直线106用钢丝放电加工切割基体102而制成一镶齿，或者，该基体也可为一细长形棒，在沿直线106切割前横向切割成一片片薄片。
图12所示方法无需对基体进行横向切片，而是共平面地布置各基体。但图15所示的另一种方法是在一叠坯料的各坯料112之间设置隔片，这种方法基于图1A到图5所示方法。隔开110由不与基体和超硬磨料粘接或至少只与基体和超硬磨料形成较浅粘接(反应)层的材料制成。例如，隔片可由铌、钼或锆制成，它们可用化学腐蚀剂溶解掉。然后把余下的较浅粘接层磨掉。或者，隔片也可由氯化钠、石墨、云母、滑石、三氧化二铝、六方形一氮化硼(HBN)之类高熔点、低剪切强度的材料制成。由于剪切强度低，因此该隔片可剥去或如上所述，粘接层可磨掉。各基体102可与各隔片110一起放入一容器(未画出)中。在装入该容器时，当在先前插入的基体的凹槽中已灌满磨料后即插入一隔片。
可以看出，可结合前述各方法(图12所示方法除外)使用隔片110。
如前所述，本发明的磨料体可粘接到具有或不具有中心孔的任何合适形状的基体(坯料)上，或者其后磨制成合适形状(例如圆形、方形、长方形、三角形、菱形或梯形)。磨料体本身也可以是任何形状且位于镶齿的任何部位，只要制成的镶齿的切削工作主要由这些磨料体担当。尽管附图所示位于各角的磨料体相对这些角是对称的，但这些磨料体也可不对称。同一镶齿上可有不同形状的磨料体，需要时，可在磨料体粘接到基体上后重新成形(例如用磨制重新成形)。
磨料粉末最好为PCD和PCBN粒子与周期表中IVa到VIa类金属、最好是现有技术中的Ti的碳化物、氮化物、氮碳化物、氧化物、硼化物之类的坚硬、耐磨粒子的混合物。使用MN90级粗晶金刚石作为混合粒子可获得特别良好的结果，然后使该混合物经普通的高温高压处理而生成比方说美国专利4,991,467和5,115,597所公开的高压材料(此两专利公开的内容作为参考材料包括在本发明中)。
由于硬质合金基体大致不参与由所制成的镶齿担当的切削工作，因此其组分选定成与PCD或PCBN磨料有良好的粘接性、易于磨制、成本低且有合适的抗裂性。最好使用Co的重量百分比含量为10-20％(15-17％则更好)的WC-Co硬质合金。使用16％的Co可获得特别好的结果，也可不使用硬质合金，而是使用钛基氮碳化物(所谓的金属陶瓷)。还可用常见的物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)法在本发明镶齿上涂上一薄层耐磨涂层。CVD涂层通常约在950-1000℃下沉积，而PVD涂层最好为用钛源和在氮气中在约5000℃下沉积的一层TiN，用这一工艺生成的PVD涂层具有剩余抗压应力。
例1在一直径约为22mm、Co的重量百分比含量为16％的圆棒形硬质合金坯料的圆周面上等距磨制出四个横截面大致为半圆形的凹槽。这些凹槽灌满PCBN粉末混合物(MN90级粗晶金刚石)后封入在一容器中而按美国专利5,115,697所述工艺进行高温高压烧结。然后对该坯料的各边进行无心磨削而磨制成方形并横向切割成约厚5mm的薄片。然后把这些薄片磨制成SNGN120408型镶齿。可看到在PCBN与硬质合金坯料之间形成良好接触。
例2在下列条件下测试例1镶齿的车削操作工件材料灰铸铁550125速度400m/min进刀量0.15/0.25/0.35mm/rev切削深度1mm干式切削镶齿经280次操作后未见严重损坏，PCBN与硬质合金坯料间的粘接强度经受住了所有280次操作。
例3用冷却液以500m/min的切削速度重复例2。PCBN与硬质合金坯料间的粘接强度仍足够大。
例4不用冷却液以0.5mm/rev的进刀量重复例2。测试该镶齿的两刀刃，经170次操作后两刀刃未见损坏，需要时可进一步用它们进行切削。
例5以3mm厚的镶齿、0.4-0.6mm/rve的进刀量、湿式或干式切削重复例3。在干式切削条件下，经200次操作后进刀量从0.4mm/rev增大到0.5mm/rev，然后经600次操作后再增大到0.6mm/rev。在600次操作后停止测试时，刀刃明显磨损、甚至侧面出现磨损，但未见弧坑形磨损或碎裂或其它损坏。
在湿式切削条件下，进刀量为0.4mm/rev时经383次操作或进刀量为0.6mm/rev时经186次操作后整个角断裂。在这两种情况下整个角部都损坏，该断裂整个发生在PCBN体内部而非PCBN后硬质合金粘接处，从而表明此时粘接强度也是足够大。
从上可见，本发明可以较低成本制造其两侧面上都有超硬磨料体的金属切削镶齿。因此该镶齿的单位切削刃的成本降低并具有最大数量的有用切削刃。
尽管上面以优选实施例说明了本发明，但熟悉本技术领域的人士可看到，在后附权利要求书限定的本发明的精神和范围内可作出并未专门说明的增减、修正和改动。
权利要求
1.一种金属切削镶齿，包括一具有由一周面互连的第一和第二侧面的基体和一粘接到该周面上并从该第一侧面伸展到该第二侧面的超硬磨料体。
2.按权利要求1所述的镶齿，其中，第一和第二侧面为多边形，从而该周面包括若干互连而构成该镶齿各角的平面，该磨料体位于至少一角上。
3.按权利要求2所述的镶齿，其中，每一角上都有一磨料体。
4.按权利要求1所述的镶齿，其中，若干磨料体相间距地分布在该周面上。
5.按权利要求1所述的镶齿，其中，该基体的周面上有一从第一侧面伸展到第二侧面的凹槽，该磨料体位于该凹槽中。
6.按权利要求5所述的镶齿，其中，该凹槽为多边形。
7.按权利要求5所述的镶齿，其中，该凹槽为单边形。
8.按权利要求1所述的镶齿，其中，第一和第二侧面呈圆形。
9.按权利要求1所述的镶齿，其中，该基体为一硬质合金。
10.按权利要求9所述的镶齿，其中，该超硬磨料为PCD或PCBN。
11.一种金属切削镶齿，包括一基体，该基体具有由界定该基体各角的周面互连的第一和第二多边形侧面；以及若干粘接到该周面上至少两个角落处且从第一侧面伸展到第二侧面的超硬磨料体。
12.按权利要求11所述的金属切削镶齿，其中，该基体由一硬质合金构成。
13.按权利要求11所述的金属切削镶齿，其中，该超硬磨料为PCD或PCBN。
14.一种制造金属切削镶齿的方法，其中，在高温高压下烧结超硬磨料并同时把它粘接到一容器中的一基体上，其改进之处在于该基体包括由周面互连的第一和第二侧面，而该超硬磨料粘接到该周面上而从第一侧面伸展到第二侧面。
15.按权利要求14所述的方法，其改进之处还在于，该超硬磨料在该容器中以该周面以及该容器的与该周面相对的一部分为界。
16.按权利要求14所述的方法，其改进之处还在于，该超硬磨料灌入该容器中一在该周面上从第一侧面伸展到第二侧面的凹槽中，从而该超硬磨料以该凹槽以及该容器的与该凹槽相对的一部分为界。
17.按权利要求14所述的方法，其改进之处还在于，把一由该基体和粘接到该基体上的一超硬磨料体构成的部件从该容器取出后沿该基体和磨料体的横向从该部件上切下若干镶齿，每一镶齿包括由周面互连的正反两侧面，而该磨料体从一侧面伸展到另一侧面。
18.按权利要求14所述的方法，其改进之处还在于，在该容器中上下叠置若干基体、把超硬磨料加到每一基体上、烧结时各基体之间用隔片隔开、烧结后把基体与隔片分开。
19.按权利要求14所述的方法，其中，该基体中有与该周面相间距并从第一侧面伸展到第二侧面的孔，其改进之处还在于，在这些孔中灌满超硬磨料并经高温高压后切去一部分基体而露出一部分从第一侧面伸展到第二侧面的超硬磨料。
20.按权利要求19所述的方法，用切削法切去该部分基体。
21.按权利要求20所述的方法，其中，用钢丝放电加工法切去该部分基体。
22.按权利要求14所述的方法，其改进之处还在于，在周面与容器之间形成一空间，把超硬磨料灌入该空间中。
23.按权利要求14所述的方法，其改进之处在于，把该容器分隔成若干小室、在各小室中插入基体后同时对各小室施加高温高压。
24.按权利要求1所述的镶齿，其中，所述镶齿涂有PVD涂层。
25.按权利要求1所述的镶齿，其中，所述镶齿涂有CVD涂层。
全文摘要
一种金属切削镶齿，包括一硬质合金基体和粘接到该基体的周面上并从该基体的一侧面伸展到另一侧面的PCD或PCBN之类超硬磨料。该基体的各角部可有若干超硬磨料体，把该磨料加到一容器中的基体上后用高温高压进行烧结并同时使之粘接到该基体上。镶齿可以棒状(即整件)制作，然后把该棒横切成一片片薄镶齿；或者各镶齿可在该容器中夹以隔片或不夹以隔片地分开制作。
文档编号B23B27/20GK1141223SQ9610509
公开日1997年1月29日 申请日期1996年5月20日 优先权日1995年5月22日
发明者彼得·利特克, 斯科特·M·帕克, 罗纳德·B·克罗克特, 甘希亚姆·拉伊 申请人:桑德维克公司, 史密斯国际公司