超硬刀具元件 |
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| 申请号 | CN201080021144.5 | 申请日 | 2010-05-14 | 公开(公告)号 | CN102427901A | 公开(公告)日 | 2012-04-25 |
| 申请人 | 六号元素有限公司; | 发明人 | P·M·哈登; A·J·库珀; | ||||
| 摘要 | 一种超硬刀具元件，用于加工包括木材、金属、陶瓷材料或 复合材料 的 工件 ，该超硬刀具包括超硬结构(140)和保护层(170)，超硬结构具有前刀面侧(110)和 后刀面 侧(120)，前刀面侧(110)和后刀面侧(120)围绕一楔 角 (ω)，保护层在前刀面侧(110)上的前刀面分界面(180)处结合到超硬结构(140)上，保护层(170)比超硬结构(140)的材料要软。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种超硬刀具元件，用于加工包括木材、金属、陶瓷材料或复合材料的工件，该超硬刀具元件包括超硬结构和保护层，该超硬结构具有前刀面侧和后刀面侧，前刀面侧和后刀面侧围绕一楔角；该保护层在前刀面侧上的前刀面分界面处结合到超硬结构上，该保护层比超硬结构的材料软；该楔角至少为20度，最大为75度。 |
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| 说明书全文 | 超硬刀具元件技术领域背景技术[0002] 需要使用具有硬或超硬切削刀片的工具来加工硬质或耐磨工件材料，如金属合金、陶瓷、金属陶瓷、某些复合材料和石材。碳化钨硬质合金是一种应用最广的刀具材料，用于加工硬质工件材料，既硬又韧。多晶金刚石(PCD)和多晶立方氮化硼(PCBN)为超硬材料，例如可用于加工广泛适用于汽车工业中的某些金属合金。超硬材料特别坚硬，维氏硬度至少为约25GPa。但是，通常超硬材料不如硬质合金材料坚韧，因而超硬材料比硬金属更易破裂和裂开。超硬刀具插入件可包括结合到支撑基底上的超硬结构，其通常由碳化钨硬质合金制成。 [0005] 美国专利6,439,327号公开了一种多晶金刚石刀具，用于钻入地层的旋转钻头上，其中刀具侧面设置有金属层，该金属层高压结合到多晶金刚石侧面上。钼是合适金属的一个例子。 [0006] 美国专利6,779,951号公开了一种钻孔机插入元件，通过将多晶金刚石(PCD)夹在碳化钨硬质合金(或类似硬质材料)层和多金属层之间来制备该插入元件，从而增强了层间结合性并减小了分层的可能性。 [0007] PCT专利申请WO/2008/104946号公开了一种工具构件，包括具有工作面的多晶金刚石层，以及厚度最大为100微米且含金属的更软层。 [0008] PCT专利申请WO/2008/104944号公开了一种使用工具的加工工件的方法，该工具包括的工具部件包括具有工作面的多晶金刚石层，以及结合到工作面上的、含金属的更软层。 [0009] 英国专利申请2 251 879A号公开了一种用于旋转钻头的切削元件预制件的制造方法，该钻头用于钻入地下地层中或在地下地层中钻孔。该方法包括步骤：形成包括超硬材料的中间结构，超硬材料结合在不及其硬的两外层材料之间。超硬材料优选包括多晶金刚石材料，不及超硬材料硬的材料优选包括碳化钨。 [0010] 需要提供一种超硬工具来将硬质或耐磨工件切削至小的精加工误差，可使精加工表面十分光滑、尺寸精度高，并可减小对工件边缘的损伤，从而可提高工具使用寿命。 发明内容[0011] 本发明的第一方面提供了一种超硬刀具元件，用于加工包括木材、金属、陶瓷材料或复合材料的工件，该超硬刀具元件包括：超硬结构，超硬结构具有前刀面侧和后刀面侧，前刀面侧和后刀面侧在它们之间围绕一楔角，该楔角为锐角；保护层，该保护层在前刀面侧上的前刀面分界面处结合到超硬结构上，该保护层基本上比超硬结构的材料要软；楔角至少为约20度或至少为约35度，最大为约75度，最大为约73度或最大为约65度。 [0012] 在本发明的一个实施例中，最靠近切削刃的保护层的区域的厚度至少为约(13.3-0.11ω)微米，最大为约(380-5.0ω)微米和约(126.6-0.11ω)微米中的较小值，其中楔角ω的范围为约35度至约65度。在本发明的一个实施例中，最靠近切削刃的保护层的区域的厚度至少为约(46.7-0.56ω)微米，最大为约(380-5.0ω)微米和约(126.6-0.11ω)微米中的较小值，其中楔角ω的范围为约35度至约65度。在本发明的一个实施例中，最靠近切削刃的保护层的区域的厚度(微米)至少为约20微米，最大为约200微米，楔角ω的范围为约35度至约65度。 [0013] 在本发明的一个实施例中，最靠近切削刃的保护层的区域的厚度大于约(86.6-1.33ω)微米，楔角ω的范围为约35度至约65度。在本发明的一个实施例中，最靠近切削刃的保护层的区域的厚度小于约(380-5.0ω)微米，其中楔角ω的范围为约35度至约65度。在本发明的一个实施例中，最靠近切削刃的保护层的区域的厚度大于约(86.6-1.33ω)微米，小于约(462.5-6.5ω)微米，其中楔角ω的范围为约35度至约65度。 [0014] 在本发明的一个实施例中，保护层包括超硬材料。在某些实施例中，保护层包括超硬材料颗粒，其含量水平至少为保护层体积的约20％或至少为保护层体积的约30％。在某些实施例中，保护层包括超硬材料颗粒，其含量水平最多为保护层体积的约80％或最多为保护层体积的约60％。 [0015] 在本发明的一个实施例中，保护层包括多个子层。在一个实施例中，保护层包括靠近前刀面分界面的第一子层，该第一子层包括相互结合的金刚砂颗粒。在一个实施例中，保护层包括基本不含超硬材料的第二子层。在本发明的一个实施例中，该保护层包括靠近前刀面分界面的第一子层，该第一子层包括相互结合的金刚砂颗粒，并具有最靠近切削刃的区域，该区域的厚度小于约50微米、小于约30微米或小于约25微米。在一个实施例中，保护层包括基本不含超硬材料的层或子层，该层或子层的厚度在从约1微米至约80微米的范围内。 [0016] 在本发明的一个实施例中，至少保护层的一部分与超硬结构一体形成。 [0017] 在本发明的某些实施例中，最靠近切削刃的保护层的区域的厚度至少为约2微米、至少为约5微米、至少为约10微米或至少为约15微米。在某些实施例中，最靠近切削刃的保护层的区域的厚度最多为约150微米、最多为约100微米、最多为约80微米或最多为约40微米。在本发明的某些实施例中，最靠近切削刃的保护层的区域的厚度在从约15微米至约40微米的范围内。 [0018] 在本发明的某些实施例中，超硬结构包括多晶金刚石(PCD)或多晶立方氮化硼(PCBN)。在某些实施例中，超硬结构包括PCD材料，在PCD材料中的金刚石体积含量为该材料的至少约80％或至少85％。在某些实施例中，PCD材料包括相互结合的金刚砂颗粒，其平均粒度至少为约0.5微米，在某些实施例中，金刚砂颗粒的平均粒度最多为约55微米、最多为约25微米、最多为约15微米或甚至最多为约10微米。在一个实施例中，PCD材料包括多模式的粒度分布的金刚砂颗粒，在某些实施例中，金刚砂颗粒的粒度分布的第一峰值的范围为约1微米至约5微米，第二峰值范围为约6微米至约12微米。 [0019] 在本发明的某些实施例中，保护层的平均维氏硬度比超硬结构的平均维氏硬度至少小约10％、至少小约20％、或至少小约60％。在某些实施例中，保护层包括金属碳化物，这些金属可从包括Mo、W、Nb、Ta、V、Ti、Cr、Zr、Hf和Si的组中选取；或从包括Mo、Ta和Nb的组中选取。 [0020] 在本发明的一个实施例中，超硬结构包括层状PCD材料，在一个实施例中，该层PCD材料厚度均匀，从前刀面分界面到刀具元件在前刀面侧的暴露面所测得。在某些实施例中，PCD结构的厚度至少为约10微米或至少为约100微米，在某些实施例中，PCD结构的厚度最多为约400微米或最多为约350微米。 [0021] 在本发明的一个实施例中，超硬结构由PCD形成，该PCD包括体积含量至少为80％的金刚石，保护层包括靠近前刀面分界面的第一子层，第一子层含相互结合的金刚砂颗粒，相互结合的金刚砂颗粒的体积含量在从约60％至约75％的范围内，该第一子层中最靠近切削刃的区域的厚度范围为约15微米至30微米；该保护层包括基本不含超硬材料的第二子层；最靠近工作刃的保护层的厚度是第一子层和第二子层的厚度总和，该厚度大于约(86.6-1.33ω)微米，小于约(462.5-6.5ω)微米，其中为锐角的楔角ω的范围为约35度至约65度。 [0022] 本发明的第二方面提供了一种用于加工或切削工件的段、插入件、刀片或工具，包括根据本发明的超硬刀具元件的实施例。在一个实施例中，该段、插入件、刀片或工具用于加工或切削包括复合地板用材质的主体。 [0023] 在本发明的一个实施例中，该段、插入件、刀片或工具用于对含金属的工件执行断续切削操作或粗切削加工操作。在一个实施例中，用于对含金属的工件执行断续切削操作或粗切削加工操作的插入件包括根据本发明的超硬刀具元件的实施例，其中最靠近切削刃的保护层的区域的厚度(微米)至少为约20微米、最多为约200微米。 [0024] 本发明的一个方面提供了一种段、插入件或工具的使用方法，该段、插入件或工具包括根据本发明的超硬刀具元件的实施例，该方法包括接合含木材、复合材料或金属材料的工件，以及选择地从工件上去除材料。 [0026] 现在将参照附图描述非限制性的实施例，附图中： [0027] 图1示出了用于切割木材的圆锯的局部示意透视图； [0028] 图2示出了图1中“E”所示的超硬刀具元件的局部放大示意横截面视图； [0029] 图3示出了超硬刀具元件的实施例在前刀面侧区域中的一部分的微观结构示意横截面图； [0030] 图4示出了超硬刀具元件中的超硬材料含量与距离表面的深度的两叠加示意曲线图。 [0031] 图5示出了超硬刀具元件中的超硬材料含量与距离表面的深度的示意曲线图。 [0032] 图6示出了保护层厚度(微米)与楔角度数大小的曲线图，不同区域包括这些尺寸的组合。 [0033] 图7A和7B示出了预成型组件的实施例的示意横截面视图。 [0034] 附图中相同的附图标记表示相同的对应特征。 具体实施方式[0035] 本申请中所使用的刀具元件的“前刀面侧”是包括前刀面的一侧，该前刀面即使用过程中切屑在其上方流过的切削工具的表面。本申请中所使用的“切屑”是工件的一部分，使用过程中由机床将其从加工面上去除。本申请中所使用的刀具元件的“后刀面侧”是包括“刀后面”的一侧，该刀后面即由切割工具在工件上形成的表面在其上方经过的工具的表面。本申请中所使用的“切削刃”是用于进行切削的前刀面的刀刃。 [0036] 本申请中所使用的“超硬材料”是维氏(Vickers)硬度至少大约为25GPa的材料。例如，多晶金刚石(PCD)材料和多晶立方氮化硼(PCBN)材料是超硬材料。本申请中所使用的PCD材料包括大量金刚砂颗粒，相当大一部分金刚砂颗粒直接相互结合，金刚石的含量至少大约为该PCD材料的体积的80％。在PCD材料的一个实施例中，金刚砂颗粒之间的孔隙中可至少局部填充有黏结剂材料，该黏结剂材料包括用于金刚石的催化剂。本申请中使用的PCBN材料包括大量的cBN颗粒，它们分散在耐磨基体中，该基体可包括陶瓷或金属材料、或包括陶瓷和金属材料，cBN的含量至少大约为该PCBN材料的体积的50％。在PCBN的某些实施例中，cBN颗粒的体积含量至少大约为60％、至少大约为70％、或者至少大约为 80％。超硬材料的实施例可包括分散在硬质基体中的超硬材料颗粒，其中硬质基体优选包括陶瓷材料为主要成分，陶瓷材料优选从碳化硅、氮化钛和碳氮化钛中选取。本申请中使用的“多晶超硬结构”表示包括多晶超硬材料的结构。 [0037] 本申请中使用的“机床”是动力机械装置，可用于通过加工制造包括如金属、复合材料、木材或聚合物的材料的构件。本申请中使用的“加工”是选择性地从主体(称之为工件)去除材料。锯切和切削就是这种加工操作的例子。 [0038] 参照图1，用于切削耐磨木制品如复合地板的圆锯刀片500的实施例包括多个钎焊到刀座600外周上的PCD刀具元件100。刀具元件100设置有PCD结构的前刀面110、以及切削刃130，使用过程中前刀面110面对锯的向前旋转方向，切削刃130设置在径向最外层位置以在使用过程中刀片旋转时能切削工件(未示出)。 [0039] 参照图1和图2，用于切削木材的PCD刀具元件100的实施例具有前刀面侧110、后刀面侧120以及形成在前刀面侧110和后刀面侧120相交处的切削刃130。刀具元件100包括超硬结构140，其在基底分界面160处结合到支撑基底150上。超硬结构140由PCD形成，支撑基底150由钴结碳化钨硬质合金形成。保护层170在前刀面分界面180处结合到PCD结构140上。保护层170比超硬结构140的PCD要软，并包括第一子层171和第二子层172。第一子层171包括体积含量至少为50％的相互结合的金刚石，还包括少量从第二子层172扩散过来的金属或金属化合物和钴。第二子层172基本上由金属碳化物构成，还含有少量金属。第一子层171的厚度大约为20-30微米的范围，第二子层172的厚度大约为 10-25微米的范围。保护层170的总厚度大约为30-55微米的范围。为锐角的楔角ω由前刀面分界面180与最接近基底分界面160的后刀面侧限定，楔角ω的范围为35-65度。 [0040] 参照图2，保护层170的实施例与PCD结构140一体形成，并包括第一子层171和第二子层172。第一子层171包括相互结合的金刚石、还包括少量从第二子层172扩散过来的金属或金属化合物以及钴，金刚石的体积含量大约为70％至80％的范围。第二子层172基本上由金属碳化物构成，还包括少量未反应的金属。在形成PCD超硬结构140的烧结步骤中也同时形成了第一子层171的相互结合的金刚石，第一子层171在分界面180处与PCD超硬结构140一体结合。PCD结构140的金刚石体积含量大约为90％。第一子层171的厚度大约为25微米，第二子层172的厚度大约为15微米。保护层170的总厚度大约为40微米，结合的保护层170中的金刚石平均体积含量大约为47％，大约为下方的PCD结构中的金刚石体积含量的一半。 [0041] 参照图3，PCD刀具元件的实施例包括PCD结构的前刀面侧上的保护层170，保护层170包括第一子层171和第二子层172，第一子层靠近与超硬结构140的前刀面的前刀面分界面180。第一子层包括大量的相互结合的金刚砂颗粒173，第二子层172基本上不含超硬材料如金刚砂颗粒。第一子层171中的金刚砂颗粒173体积含量大约为该子层的65％，超硬结构140中的金刚砂颗粒141的体积含量大致为超硬结构的88％。第一子层的平均厚度t1大致为30微米，第二子层的平均厚度t2大致为15微米。在本发明的一个实施例中，保护层包括基本上不含超硬材料的层或子层，该层或子层的厚度大约在1微米至80微米范围内。 [0042] 参照图4，超硬刀具元件的实施例包括位于PCD结构140前刀面侧上的保护层170，保护层170包括金刚砂颗粒，金刚砂颗粒含量200随着深度210从保护层170的表面 220到与PCD结构140的前刀面分界面180而改变。在(a)所示的实施例中，金刚石分散在整个保护层170中，金刚石含量200随深度210从表面220朝向前刀面分界面180而严格单调增加。在(b)所示的实施例中，金刚石分散在整个保护层170中，金刚石含量200从表面220朝向前分界面180增加，但在保护层170的大部分基本上恒定。 [0043] 参照图5，超硬刀具元件的实施例包括位于PCD结构140前刀面侧的保护层170，保护层170包括金刚砂颗粒，金刚砂颗粒的含量200随着深度210从保护层170的表面220到与PCD结构140的前刀面分界面180而改变。保护层170包括厚度为t1的第一子层171和厚度为t2的第二子层172；第一子层在前刀面分界面180处与PCD结构140接合，并包括金刚石。第二子层172从第一子层171伸展到表面220处，并基本上不含有金刚石。 [0044] 参照图6，超硬刀具的一些实施例包括层状的PCD结构和保护涂层，保护涂层总厚度(微米)400和为锐角的楔角(度)ω在410所示的曲线图区域内。在本发明的某些实施例中，保护层包括平均厚度为t1的第一子层401和基本上不含超硬材料的第二子层402，第一子层401的金刚石体积含量大约为60％至80％。厚度和楔角的最佳组合取决于如下几个因素，包括使用的PCD等级、用于保护层的材料、工件材料类型、切削工件边缘的允许精加工误差、以及适宜的切削条件如进给速度和切削深度，以及该操作是粗加工还是精加工。 [0045] 本申请所使用的“粒度”以圆当量直径(ECD)的形式表示。颗粒的ECD为与穿过颗粒的横截面面积相等的圆的直径。针对未结合的单个颗粒或针对在主体内结合在一起的多个颗粒，可通过对穿过主体的横截面或对主体的表面进行图像分析，来测量多个颗粒的ECD粒度分布和平均粒度。 [0046] 用于制造根据本发明的超硬紧凑结构的示例方法可包括以下步骤：将多个超硬颗粒成型为聚合块，紧靠着聚合块一侧布置金属或含金属材料；在有烧结辅助剂的情况下烧对聚合块进行烧结以形成超硬紧凑结构；从紧凑结构去除金属或含金属材料以形成适当厚度的保护层；以及，在超硬结构上形成切削刃。该方法可包括以下步骤：紧靠着聚合块的第一侧布置基底、紧靠着聚合块的相对的第二侧布置金属或含金属材料；在有烧结辅助剂的情况下对聚合块进行烧结以形成超硬紧凑结构；从紧凑结构去除金属或含金属材料以形成适当厚度的保护层；以及，在多晶超硬结构上形成切削刃。该方法可包括去除保护层最靠近切削刃的基本上不含超硬材料的所有部分、层或子层。在某些实施例中，金属可从包括Mo、W、Nb、Ta、V、Ti、Cr、Zr、Hf和Si的组中选取，更优选金属从包括Mo、Ta和Nb的组中选取。在一个实施例中，基底可包括硬质合金(硬质金属的例子)，例如钴结碳化钨硬质合金。例如可仅通过混合来自第一源的具有第一平均粒度的金刚砂颗粒和来自第二源的具有第二平均粒度的金刚砂颗粒来形成聚合块。在一个实施例中，第一平均粒度可在0.5微米至约 4微米的范围，第二平均粒度可在约8微米至约15微米的范围。 [0047] 现在描述一个非限制性的方法实施例，用于制备根据本发明实施例的超硬紧凑结构。可通过如下步骤来制备PCD紧凑结构：形成预紧凑组件，该预紧凑组件包括多个形成到聚合块中的金刚砂颗粒；烧结用于金刚石的辅助剂和基底；以及使得预紧凑组件受到超高压和高温处理以将金刚砂颗粒烧结在一起，如本领域所知。在一个实施例中，多个金刚砂颗粒的平均粒度范围为约0.5微米至约15微米。参照图7A和7B，预紧凑组件300的实施例可包括多个金刚砂颗粒形成的聚合块310、钴结碳化钨硬质合金支撑基底320、含碳化物形成的难熔金属的盘或杯状件340、以及将这些部件整体或局部封装起来的套筒350。聚合块310在分界面330处紧靠着基底320的表面布置，盘或杯状件340紧靠着聚合块310的相反面350布置。然后将预紧凑组件300装配到可在超高压高温炉内使用的囊(未示出)内。 然后预紧凑组件受到超高压高温处理，例如压力大致为5.5GPa、温度大致为1,350摄氏度，从而金刚砂颗粒烧结在一起以形成PCD。在一个实施例中，金刚石烧结助剂(也称之为金刚石溶剂/催化剂)是源自基底320的熔融态钴，并在超高压高温条件下渗入聚合块中。这种超高压高温可分别为大于约5GPa和1400摄氏度。在烧结步骤中，盘或杯状件340中的一些或全部碳化物形成的难熔金属与金刚石聚合块中的碳发生反应以形成碳化陶瓷层，从而碳化陶瓷层与聚合块中的一些金刚石共同形成了结合到PCD结构上的保护层。在超高温高压条件下烧结PCD的步骤中，可实现碳化层整体极好地结合到PCD结构。 [0048] 在烧结步骤之后，将已烧结的PCD紧凑结构处理到理想的尺寸，在紧凑结构的前刀面侧上留下较软的保护层。 [0049] 参照图7A和7B，超硬结构的实施例由PCD形成，保护层的第一子层在烧结步骤中形成为一种“稀释的”PCD上层。这由紧靠着金刚砂颗粒的聚合块310的表面350布置的金属盘或杯状件340而获得。这种“稀释的PCD”层在传统操作中被除掉，因为该层比下方的PCD结构更软、并不如下方的PCD结构耐磨。尽管不希望受理论局限，但认为该层中PCD形成的“稀释”与金刚石溶解在周围溶剂/催化剂材料(通常包括钴)中，并与盘或杯状件的金属发生反应从而形成金属碳化物有关。 [0050] 在PCD刀具元件的一个实施例中，PCD结构可包括平均粒度在0.5至11微米范围内的金刚砂颗粒，如PCT公开号WO07/020518和WO/2008/015622所公开的。 [0051] 在PCD刀具元件的一个实施例中，PCD结构如PCT公开号WO07/069025所公开的那样超薄，其厚度范围大致为120至180微米。 [0052] 在某些实施例中，超硬结构由PCBN或碳化硅结合金刚石形成。 [0053] 本发明的实施例特别适于加工或切削下列等级的金属：硬化钢(ISO申请号为H10至H30)、铸铁(ISO申请号为K10至K30)、粉末金属和烧结铁(ISO申请号为P10至P30)和超耐热不锈钢(super alloy)(ISO申请号为S10至S30)；也适于最大无变形切屑厚度Hex大于0.09毫米的粗加工操作。 [0054] 本发明的实施例也可用于在地层中钻孔或在岩层或石层中钻孔的工具中，如油气工业中使用的钻头。 [0055] 当PCD结构包括平均粒度小的金刚砂颗粒时，本发明的某些实施例特别有益，本发明中具有薄的PCD结构的实施例也特别有益，在某些实施例中，PCD层在所限定范围内越薄，效果就越好。 [0056] 在前刀面分界面基本平行于前刀面侧的实施例中，前刀面侧可用于测量楔角。在某些实施例中，超硬结构在基底分界面处结合或固定到支撑基底上，该基底分界面与后刀面侧相交，锐角由前刀面分界面和最靠近基底分界面的后刀面侧界定。在某些实施例中，超硬结构越薄，层或子层就应越薄。 [0057] 在第一子层含金刚石的实施例中，在相同烧结步骤中第一子层与超硬结构一起形成。 [0058] 本申请中所使用的“粗加工”或“粗切削”可理解为是一种剧烈的加工方式，这种加工方式由于切削深度大、进料速度高因而可相对高速地去除工件材料。这种加工方式不同于“精加工”操作，精整加工操作的目的是产生高误差光洁度，因而切削深度小且进料速度低。粗加工操作中刀具切削刃上的载荷比精加工操作中要大得多，所以在粗加工操作中，尤其是在前刀面角为正值时，切削刃的强度需要大得多。 [0059] 本发明的实施例适于在包括木材或复合材料的工件上进行粗加工操作。本发明的实施例适于锯、特型铣、车削、破碎(hogging)或切削耐磨工件，如含木材或复合材料的工件。包括超硬刀具元件的工具的某些实施例可以是锯、槽刨机、木材切碎机或切削刀。 [0060] 在本发明的某些实施例中，超硬结构包括金刚石如PCD；保护层包括含陶瓷材料的陶瓷子层。在某些实施例中，陶瓷材料可从以下组中选取，该组包括碳化钼、碳化钨、碳化铌、碳化钽、碳化钛、碳化钒、碳化铬、碳化锆、碳化铪和碳化硅。在某些实施例中，陶瓷材料可从以下组中选取，该组包括碳化钼、碳化铌和碳化钽。在某些实施例中，保护层可包括至少含两种金属的合金，或诸如Mo、W、Nb、Ta、Ti、V、Cr、Zr或Hf之类的金属。 [0061] 在某些实施例中，超硬结构包括cBN如PCBN，保护层包括含硼化物(如二硼化钛)、氮化物(如氮化钛)、氮化硼、碳化物或碳氮化物(如碳氮化钛)的子层或陶瓷层。 [0062] 在一个实施例中，最靠近切削刃的保护层包括超硬材料颗粒，它们分散在保护层的全部厚度范围内，而没有基本上不含超硬材料的层或子层。如果基本上不含超硬材料的上子层被磨损掉后，那么采用这种实施例是有益的。这种情况下或使用之前以这种方式处理刀具的情况下，楔角大于45度是有益的。 [0063] 本发明的实施例的优点是：切削包括木材的工件时抗冲击性得到显著提高。在用于加工或锯切耐磨工件(特别是含木材或复合材料的工件)时，在包括PCD切削结构的实施例中这种优点特别明显，其中相对厚(即几十微米的厚度级别)的软质材料保护层整体结合到最靠近前刀面侧的工作面上。 [0064] 本申请中，大量颗粒的“多模式的”粒度分布可理解为颗粒的粒度分布不止一个峰值，每一峰值对应相应的“模式”。多模式的多晶主体可通过混合不止一种源的多个颗粒而制成，每个源包括的颗粒的平均尺寸基本不同。测量混合颗粒的粒度分布通常会展示出不同峰值对应不同模式。当颗粒烧结在一起以形成多晶体时，颗粒间相互压紧而破裂时会进一步改变粒度分布，从而颗粒尺寸整体减小。然而，从烧结制品的图像分析通常仍然可清晰明显示出颗粒的多模式的性质。 [0065] 更软的保护层不如下方的超硬结构耐磨，因而这种保护层不能保护超硬结构防磨损。但是，因为更软的材料通常比相对易碎的超硬材料更坚韧，因此这种保护层由于抗冲击性增强可减小切削刃处的破碎或其它破裂。更软保护层的优点在于增加由超硬材料制成的切削刃的强度，从而增加了切削刃的潜在工作寿命。通常，靠近切削刃的更软保护层越厚，切削刃就越不易破裂。 [0066] 本发明的实施例的优点是：在基本不需降低工件切削边缘的质量的情况下可提高切削刃的抗冲击性和耐崩裂性。尽管不希望受具体理论的限制，在切削刃的前刀面上采用更软的保护层可具有提高切削刃的耐崩裂性的优点，但通常也会具有导致工件的切削边缘裂开或破碎的有害效果，尤其是包含木材或复合材料的工件。因此，抗冲击性增强的这种优点在某些应用中会因为工件中实现的尺寸精度减小(特别是因为工件破碎)而抵消。甚至稍微钝一点的切削段(segment)、刀片或插入件(insert)在某些情况下会撕裂工件，而不是干净地切削工件。在某些情况下这是不允许的，需要后续的精加工步骤来修复由超硬结构工作面上的相对软的层所造成的损害，这可能成本高昂。事实上，这些需要恰好是其中能使用超硬工具的应用，以保证尺寸精度、速度和可靠性。 [0067] 尽管不希望受具体理论的局限，本发明实施例的优点可由保护层及合适楔角范围的特定组合而带来，这样可保证锋利地切削与提高切削刃的耐崩裂性及耐磨性相结合。通常，在本发明范围内，楔角越小，更软的保护涂层就需要越厚。但是，如果保护层厚度对于指定楔角而言太厚的话，切削工件边缘的精加工质量就会令人不满意。对于权利要求保护范围内的指定楔角、指定的超耐磨元件材料(如指定类型的PCD材料)，并且对于具有指定结构和成分的保护层而言，具有最优厚度范围值，保护层厚度从该最优厚度范围值内选取。如果楔角小于大约20度，那么超硬刀具元件易遭受过度破裂，即使具有更软的保护层也会导致使用寿命太低。如果楔角大于约75度，即使更软的保护层相对薄，也不可能在加工工件上实现充分的尺寸公差和精加工。 [0068] 例子 [0069] 将参照下面的例子来更详细描述本发明的实施例，这些例子不会限制本发明。 [0070] 例子1 [0071] 大量未结合的金刚砂颗粒放置在硬质合金基底的表面上，该基底中具有钴为结合相，该组件封装在钼套管内以形成预紧凑组件。该大量金刚砂颗粒的平均尺寸在约1微米至约10微米的范围内，并包括两种金刚砂颗粒源的混合物，这两种源的平均粒度分别为约2微米和约10微米。该预紧凑组件被装填在用于超高压炉的囊内，并在约1400摄氏度温度、约5.5GPa压力下保持充分长时间以形成烧结PCD紧凑结构。该PCD紧凑结构包括层状PCD材料，其在分界面处结合到硬质合金基底上，含碳化钼的层结合到与所述分界面相对的PCD层表面上。可认为碳化钼层是由钼套管和金刚石块中的碳之间发生反应而生成的。碳化钼层也含有一些未反应的钼。多晶金刚石层厚度为约300微米，由与基底的分界面和与碳化钼层的分界面所测得，并包括含钴的第二相。 [0072] 通过研磨来加工PCD紧凑结构，以去除钼/碳化钼的含钼层的外部区域，最终在PCD表面上留下一层薄的涂层。然后进一步加工该PCD紧凑结构以形成总厚度为1.6mm的刀具元件，该刀具元件包括碳化钼基底、结合到基底上的PCD层，以及含碳化钼层的保护层。该保护涂层包括第一子层，第一子层靠近PCD和碳化钼层之间的分界面，第一子层含相互结合的金刚石、钴和钼。第一子层中的相互结合的金刚石体积含量小于下方的PCD中的金刚石体积含量，因而第一子层不及下方的PCD坚硬耐磨。第一子层厚度大致为25微米，在传统的PCD刀具元件制备中通常会将该第一子层磨掉。布置在第一子层上并含碳化钼的第二子层基本上不含金刚砂颗粒，其厚度大致为20至30微米。因而，包括第一子层和第二子层的保护层总厚度大致在45至55微米范围内。 [0073] PCD刀具元件上的切削刃被制备成使得：紧凑结构上具有含钼的保护涂层的一侧是前刀面侧，保护涂层和PCD结构之间的分界面基本上平行于该前刀面侧，前刀面侧基本上是平坦的。将楔角制备成65度，由该分界面到后刀面侧所测得。为进行剧烈切削含木材的工件的操作，可选择保护层厚度值及楔角值的组合。 [0074] 例子2 [0075] 除了PCD层厚度为约150微米、含碳化钼的第二子层厚度为约35微米以外，PCD紧凑结构的制备与例子1相同，因而保护层总厚度为约60微米。加工该PCD紧凑结构以形成总厚度为1.3mm、楔角为60度的刀具元件。 [0076] 例子3 [0077] 除了含碳化钼的第二子层厚度为约8微米以外，PCD紧凑结构的制备与例子2相同，因而保护层总厚度为约33微米。加工该PCD紧凑结构以形成总厚度为1.3mm、楔角为60度的刀具元件。 [0078] 例子4 [0079] 除了PCD层厚度为约150微米、含碳化钼的第二子层厚度为约80微米以外，PCD紧凑结构的制备与例子1相同，因而保护层总厚度为约105微米。加工该PCD紧凑结构以形成总厚度为1.3mm、楔角为45度的刀具元件。 [0080] 通过切削800米的层压板产品来测试该PCD刀具元件。切削测试之后，检测发现该工件的切削边缘十分光滑、基本上无缺口或明显裂口。且PCD切割元件的切削刃的磨损也显著减小。 [0081] 例子5 [0082] 除了PCD层厚度为约350微米、含有碳化钼的第二子层厚度为约95微米以外，PCD紧凑结构的制备与例子1相同，因而保护层总厚度为约120微米。加工该PCD紧凑结构以形成总厚度为2.2mm、楔角为45度的刀具元件。 [0083] 通过切削1600米(可以到50000米)的层压板产品来测试该PCD刀具元件。切削测试之后，检测发现该工件的切削边缘十分光滑、基本上无缺口或明显裂口。且PCD切割元件的切削刃磨损也显著减小。 |
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