本發(fā)明總體涉及一種包含立方氮化硼(cBN)的復(fù)合材料，該立方氮化硼(cBN)分散在包含金屬硅化物材料的結(jié)合劑基質(zhì)中；包括該復(fù)合材料的機(jī)械工具；以斷續(xù)模式使用包含該材料的機(jī)械工具加工鐵基工件的方法；和制備所述復(fù)合材料的方法及包含其的機(jī)械工具。

背景技術(shù)：

美國專利號(hào)8419814公開了通過包括如下的方法在cBN晶粒的表面上沉積納米尺寸的氮化鈦(TiN)和氮化鉭(TaN)的顯微組織：處理cBN晶粒以使其表面親玻璃(vitreophillic)，將它們懸浮在乙醇中，引入Ta(OC₂H₅)₅和Ti(OC₃H₇)₄，并進(jìn)一步處理該懸浮液和cBN晶粒，使得每個(gè)cBN顆粒變得涂覆有鈦和鉭氧化物化合物的緊密混合物。在合適的氣氛中熱處理涂覆的cBN晶粒以將所述氧化物轉(zhuǎn)化成納米尺寸的TiN和TaN。形成了由此涂覆的包括多個(gè)cBN晶粒的聚集體，并使其在超高壓和高溫下經(jīng)受加壓，導(dǎo)致在基本上由TiN和TaN的混合物構(gòu)成的結(jié)合性基質(zhì)內(nèi)包括約84體積％cBN的無裂紋PCBN材料。在加工測(cè)試中，所述PCBN的樣品表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，這可能是由于結(jié)合性基質(zhì)的晶粒尺寸接近霍爾-佩奇(Hall-Petch)納米晶粒尺寸。

美國專利號(hào)5288297公開了一種cBN壓制品，其包含通過60-10體積％的結(jié)合性基質(zhì)結(jié)合的40至90體積％的cBN晶體，該結(jié)合性基質(zhì)主要包括氮化硅和金屬二硼化物的緊密混合物，其中所述金屬選自鈦(Ti)、鋯(Zr)和鉿(Hf)原子。氮化硅和金屬二硼化物各包括至少25體積％的結(jié)合性基質(zhì)，它能牢固地和一致地結(jié)合于cBN晶體。公開了通過反應(yīng)結(jié)合性金屬硅化物化合物與cBN晶粒生產(chǎn)cBN壓制品的方法。

存在這樣的需要：當(dāng)用來加工鐵基工件本體，特別是但不僅僅以重度斷續(xù)加工方式時(shí)，具有較長工作壽命的相對(duì)堅(jiān)固和耐磨損cBN復(fù)合材料。

概要

從第一方面來看，可以提供由如下構(gòu)成的復(fù)合材料：分散于結(jié)合劑基質(zhì)中的至少65體積％的立方氮化硼(cBN)晶粒，所述結(jié)合劑基質(zhì)包含結(jié)合于cBN晶粒的多種顯微組織和cBN晶粒之間的多個(gè)中間區(qū)域；所述顯微組織包括金屬的氮化物或硼化合物；和所述中間區(qū)域包括包含化學(xué)結(jié)合于硅的金屬的硅化物相；其中硅化物相的含量為復(fù)合材料的2-6重量％，并且其中所述cBN晶粒具有0.2-20μm的平均尺寸。該cBN復(fù)合材料也可以稱為多晶立方氮化硼(PCBN)材料。

本公開設(shè)想了各種復(fù)合材料，以下給出了其非限制性的、非窮舉性的實(shí)例。

在一些實(shí)施例中，在復(fù)合材料中的硅化物相的含量可為復(fù)合材料的至多約5重量％。

在一些實(shí)施例中，硅化物相可以是陶瓷或金屬間化合物相。

在一些實(shí)施例中，所述金屬可以是鈦(Ti)。顯微組織可以包含氮化鈦(TiN)和/或顯微組織包含二硼化鈦(TiB₂)。在一些實(shí)施例中，硅化物可以包含具有化學(xué)式Ti_xSi_y的硅化鈦材料，其中x為0.9-1.1，y為0.9-1.1(基本為TiSi)。在一些實(shí)施例中，硅化物可以包含具有化學(xué)式Ti_xSi_z的硅化鈦材料，其中x為0.9-1.1，且z為1.9-2.1(基本為硅化鈦TiSi₂，二硅化鈦)。金屬硼化物材料可包含二硼化鈦(TiB₂)，且復(fù)合材料中的二硅化鈦和二硼化鈦的相對(duì)量可以使得硅化鈦的(311)X-射線衍射(XRD)峰與二硼化鈦的(101)XRD峰之比為0.2-1.1。

在一些實(shí)施例中，該金屬可以是鉿(Hf)、鉭(Ta)或鋯(Zr)。

在一些實(shí)施例中，硅化物相可以通過顯微組織與cBN晶粒隔開。

在一些實(shí)施例中，顯微組織可以為結(jié)合于cBN晶粒的表面區(qū)域的涂覆層的形式。

在一些實(shí)施例中，cBN晶粒的含量可以為復(fù)合材料的至少約80或至少約90體積％。

在一些實(shí)施例中，cBN晶粒具有0.1-10微米的平均尺寸。在更具體的實(shí)施例中，cBN晶粒可以具有0.1-5微米的平均尺寸，或所述cBN晶粒可具有大于5至20微米的平均尺寸。cBN晶粒的平均尺寸和尺寸分布的選擇，例如是否其可以具有一個(gè)或多于一個(gè)模式，可取決于要使用該復(fù)合材料的應(yīng)用類型。

在一些實(shí)施例中，可以根據(jù)cBN的含量選擇cBN晶粒的平均尺寸和或尺寸分布，使得cBN顆粒之間的結(jié)合性基質(zhì)的平均體積既不過大也不過小。在一些實(shí)施例中，在具有相對(duì)高含量的cBN晶粒(至少約80或90體積％)的復(fù)合材料中所包含的cBN晶?？梢员染哂邢鄬?duì)低含量的cBN晶粒的復(fù)合材料相對(duì)更大。在一些實(shí)施例中，在包含至少80或至少90體積％的cBN晶粒的復(fù)合材料中的cBN晶粒的平均尺寸可以大于5微米，或大于約10微米。在其它的實(shí)施例中，在包含小于90或小于80體積％的cBN晶粒的復(fù)合材料中的cBN晶粒的平均尺寸可以大于0.1微米，或大于約5微米，且小于約10微米。雖然不希望被特定的理論所束縛，但可以相對(duì)于復(fù)合材料中的cBN含量來平衡cBN晶粒的平均尺寸和/或尺寸分布，以便達(dá)到根據(jù)本公開的整體量的殘余硅化物。這可以幫助控制復(fù)合材料的硅化物含量，實(shí)現(xiàn)不太高(潛在地因?yàn)閏BN晶粒之間的區(qū)域太大)且不太低(潛在地因?yàn)閏BN晶粒之間的區(qū)域太小)的硅化物含量。

在一些實(shí)施例中，如從復(fù)合材料的表面上看，cBN晶粒的區(qū)域分布可以具有至少兩個(gè)模式。

在一些實(shí)施例中，所述結(jié)合性基質(zhì)可包含氮化硅(Si₃N₄)。

在一些實(shí)施例中，硅化物相的含量可以是結(jié)合劑基質(zhì)的20-60重量％。

從第二方面來看，提供了一種使用示例性公開的復(fù)合材料的方法，所述方法包含：提供包含切割刃的機(jī)械工具，該切割刃包含復(fù)合材料；以斷續(xù)模式使用該機(jī)械工具加工包含鐵基材料的工件，其中配置該工件使得連續(xù)的接合長度(engagement length)為加工操作期間在該工件的表面和切割刃之間經(jīng)過的距離的30-50％。

在一些實(shí)施例中，可以配置該工件使得該工件的至少一部分呈現(xiàn)到切割工具的接合角，所述接合角為30-90度。

在一些實(shí)施例中，該工件可以包含在洛氏‘C’硬度標(biāo)度(HRC)上具有至少50，至少52，至少60或至少62的硬度的材料。

在一些實(shí)施例中，該工件可包含鋼、鑄鐵或超合金材料。例如，該工件可包含鋼或灰鑄鐵材料。

在一些實(shí)施例中，機(jī)械工具可以包含連接到支撐體的復(fù)合材料。

在一些實(shí)施例中，所述機(jī)械工具包含可轉(zhuǎn)位刀片。例如，該機(jī)械工具可配置成用于車削或銑削操作，并且該方法可包含在車削或銑削操作中使用機(jī)械工具。在一些實(shí)施例中，所述工件可以適合于制造制動(dòng)盤，并且該方法可包含將工件進(jìn)行加工以制造制動(dòng)盤。

從第三方面來看，提供了一種制造包含示例公開的復(fù)合材料的制品的方法，所述方法包括：將硅化物相前體與多個(gè)cBN晶粒組合以提供原料組合體，選擇的硅化物相前體使得金屬能夠與cBN晶粒反應(yīng)以形成氮化物或硼化物的反應(yīng)產(chǎn)物；其中在原料組合體中的cBN晶粒的含量使得在復(fù)合材料中的cBN晶粒含量將為復(fù)合材料的至少65體積％；在足夠高的溫度下將所述原料組合體經(jīng)受cBN為熱力學(xué)穩(wěn)定相的壓力持續(xù)足夠長的時(shí)間，以使硅化物相前體中包含的一些金屬與cBN晶粒反應(yīng)以形成反應(yīng)結(jié)合于cBN晶粒的多種顯微組織；和保留金屬硅化物相為復(fù)合材料的2-6重量％或結(jié)合劑基質(zhì)的20-60％，余量為在化合物材料中包含的cBN以外的材料。

在一些實(shí)施例中，該保留的金屬硅化物相是復(fù)合材料的2-5重量％或結(jié)合劑基質(zhì)的20-50％，作為包含在復(fù)合材料中cBN以外的材料的余量。

在一些實(shí)施例中，硅化物相前體可以是粉末形式，和硅化物相粉末的晶粒的平均晶粒尺寸可以是0.1-5微米。

在一些實(shí)施例中，包含在硅化物相前體中的金屬可以是鈦(Ti)。在一些實(shí)施例中，硅化物可以包含具有化學(xué)式Ti_xSi_y的硅化鈦材料，其中x為0.9-1.1，y為0.9-1.1(基本為TiSi)。在一些實(shí)施例中，硅化物可以包含具有化學(xué)式Ti_xSi_z的硅化鈦材料，其中x為0.9-1.1，z為1.9-2.1(基本為TiSi₂，二硅化鈦)。

在一些實(shí)施例中，硅化物相可以包含鉿(Hf)、鉭(Ta)或鋯(Zr)。

在一些實(shí)施例中，該方法可以包含通過如下方式產(chǎn)生硅化物相前體：組合單質(zhì)形式的Si和金屬使得Si和金屬將會(huì)能夠彼此反應(yīng)，形成預(yù)反應(yīng)組合體；處理所述預(yù)反應(yīng)組合體，使得金屬與Si反應(yīng)以形成包含硅化物相的反應(yīng)的材料；和將反應(yīng)的材料粉碎以提供多個(gè)硅化物相的晶粒。該方法可以包含通過碾磨粉碎所反應(yīng)的材料。

在一些實(shí)施例中，在超高壓力下燒結(jié)復(fù)合材料的溫度可影響在復(fù)合材料中的殘余硅化物相的整體含量。特別是，相對(duì)低的燒結(jié)溫度(所有其它都基本相同)可以導(dǎo)致較高含量的殘余硅化物相。

從第四方面來看，可提供適合于以斷續(xù)模式加工鐵基工件的機(jī)械工具，其包含示例公開的復(fù)合材料，其中切割刃、前刀面和后刀面包含所述復(fù)合材料。該機(jī)械工具可用于車削或銑削工件。

將參考附圖描述復(fù)合材料和機(jī)械工具的非限制性實(shí)施例，其中：

附圖說明

圖1A和圖1B示出了根據(jù)下面描述的實(shí)施例2的復(fù)合材料的掃描電子顯微照片(SEM)圖像(以兩種不同的放大率，如由顯示1微米的比例尺所示那樣)；

圖2A和圖2B示出了示例性復(fù)合材料的兩個(gè)SEM圖像，包括對(duì)應(yīng)于獲得能量色散光譜(EDS)光譜的點(diǎn)的附圖標(biāo)記；

圖3示出了示例性復(fù)合材料的X-射線衍射圖，其中已識(shí)別主峰；

圖4顯示了柱狀圖，其比較了在稱為"H30重度斷續(xù)硬零件車削"的加工測(cè)試中的切割元件工作壽命(六個(gè)切割元件包含示例性復(fù)合材料和一個(gè)切割元件包含參比復(fù)合材料)；

圖5顯示了柱狀圖，其比較了在稱為"K30重度斷續(xù)灰鑄鐵制動(dòng)盤車削"的加工測(cè)試中在切割元件中形成的磨損疤痕(六個(gè)切割元件包含如圖4所示的相同示例性復(fù)合材料和參比材料)；和

圖6示出了用于在示例性和參比的復(fù)合材上進(jìn)行H30加工測(cè)試的測(cè)試工件的透視圖的照片。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1A、圖1B、圖2A和圖2B，示例性復(fù)合材料可以包含多個(gè)cBN晶粒10，其包含分散在結(jié)合劑基質(zhì)中的約90體積％的復(fù)合材料，所述結(jié)合劑基質(zhì)包含反應(yīng)結(jié)合于cBN晶粒10的多種顯微組織12和在cBN晶粒10之間的間隙中的多個(gè)中間區(qū)域14。該顯微組織12可包含氮化鈦(TiN)和二硼化鈦(TiB₂)；特別是顯微組織12可包含比TiN多的TiB₂和潛在少量的Si₃N₄晶粒，其似乎以不超過復(fù)合材料的約1-2體積％的痕量存在于結(jié)合劑基質(zhì)中。中間區(qū)域14的一些部分看起來包含硅化鈦相，特別是TiSi₂和可能的TiSi，且其他部分似乎包含TiB₂。其它區(qū)域16似乎包含氮化硅(Si₃N₄)。硅化鈦相的含量將是復(fù)合材料的2至6重量％或2至5重量％。

參照?qǐng)D2A和圖2B，原位進(jìn)行能量色散光譜(EDS)分析以給出在示例性復(fù)合材料表面的區(qū)域部分上的各個(gè)點(diǎn)處的主要元素的指示，且將結(jié)果總結(jié)于表1中?；跈z測(cè)到的元素的相對(duì)摩爾量，對(duì)于一些點(diǎn)提到了可能非限定性和非窮盡(mon-exhaustive)的化合物或相。

表1

將對(duì)制造示例性cBN復(fù)合材料的示例性方法進(jìn)行說明。

可通過以合適的比例(如2Ti+3Si)將Ti和Si粉末摻混在一起制備包含硅(Si)和鈦(Ti)的混合物或合金，例如在真空中在升高的溫度下處理摻混的粉末。該反應(yīng)產(chǎn)物可以包含一種或多種硅化鈦合金或一種或多種化合物TiSi、TiSi₂或Ti₅Si₃的金屬間化合物相，可以以彼此組合制得它們?？蓪i和Ti粉末緊密摻混并密封在抽空的石英管或包入金屬的真空爐(例如鉬合金內(nèi)壁的真空爐)中用于在約1,000至約1,200攝氏度的溫度下的熱處理。例如，可以在真空下在約1,100攝氏度的溫度下將摻混的粉末熱處理約15-30分鐘。在將摻混的Ti和Si粉末摻混在一起并在約1,000℃的溫度下經(jīng)受真空熱處理2小時(shí)的實(shí)驗(yàn)中，X-射線衍射(XRD)分析揭示了在反應(yīng)產(chǎn)物材料中一些殘余的未反應(yīng)的Si是明顯的，而當(dāng)在1,100℃下進(jìn)行熱處理2小時(shí)時(shí)，沒有明顯的未反應(yīng)的Si的痕跡。

反應(yīng)產(chǎn)物材料的整體組成可以近似等于Si₃Ti₂，為粗粒料的形式，例如可以通過碾磨至多約4小時(shí)將其粉碎以提供細(xì)分的摻混粉末，其顆粒具有至多約10微米或至多約3微米的平均尺寸。使用碾磨來粉碎鈦或其它硅化物粒料是相對(duì)積極性(aggressive)的高功率的方法，且可能能夠降低粒料的尺寸到尺寸為1.5至2.5微米的平均晶粒尺寸的非常細(xì)的粉末。金屬間TiSi₂和其它硅化鈦相比單質(zhì)形式的前體Ti和Si更脆，這可以使得更容易通過研磨控制硅化物相的粉碎以產(chǎn)生非常細(xì)分的晶粒(相比對(duì)于前體元素的其它來源所可能的)。此外，該硅化物相傾向于比單質(zhì)Ti和Si顯著更耐氧化；Ti和或Si的氧化將可能降低有效燒結(jié)或與cBN的結(jié)合以形成cBN復(fù)合材料。Ti與Si的反應(yīng)可以在真空中進(jìn)行以促進(jìn)可能存在的氧的去除。

雖然不希望被特定的理論所束縛，但約1-約5微米的相對(duì)細(xì)的鈦或其他硅化物粉末可導(dǎo)致晶粒的更均勻摻混和因此更均一的顯微組織和或燒結(jié)的cBN復(fù)合材料的優(yōu)異性能。特別地，非常細(xì)分的硅化物相晶粒將具有相對(duì)高的比表面積用于與cBN晶粒反應(yīng)，潛在地導(dǎo)致cBN復(fù)合材料的更有效的反應(yīng)燒結(jié)。具有小于約0.1微米的晶粒尺寸的硅化鈦粉末(或其它種類的硅化物粉末，例如硅化鉿或硅化鋯粉末)，可以增加向原料粉末摻混物引入太多表面氧的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)楸缺砻娣e將會(huì)相對(duì)大，且氧化物化合物和其它雜質(zhì)可能附著于粉末表面。在原料粉末中存在過多的氧對(duì)于燒結(jié)的復(fù)合材料的使用中的某些性質(zhì)和行為可能是有害的。

然后，可以用多個(gè)cBN晶粒摻混細(xì)的硅化鈦粉末，其可具有0.1微米到約5微米的平均尺寸，且其尺寸分布可以表現(xiàn)出一個(gè)、兩個(gè)或更多個(gè)模式(其也可被稱為峰)。例如，超聲裝置可用于摻混cBN晶粒和硅化鈦粉末。在一些示例性方法中，可以通過剪切混合摻混的cBN晶粒和硅化物粉末，其中可以在己烷或其它合適的流體介質(zhì)中混合粉末，然后干燥和篩分以選擇適當(dāng)尺寸的晶粒，例如約220微米。在一些示例性方法中，可以借助鋼球通過擺動(dòng)式混合機(jī)(shaker-mixer)(如Turbula^TM摻混機(jī))混合cBN晶粒和硅化物粉末，之后去除球，并且提供該摻混粉末。使用超聲混合可以在燒結(jié)的cBN復(fù)合材料的顯微組織中導(dǎo)致優(yōu)異的均勻性，其可包含較少和較小的材料團(tuán)聚，或在結(jié)合劑基質(zhì)中基本上沒有明顯的材料團(tuán)聚。

將會(huì)對(duì)cBN晶粒和硅化鈦粉末的相對(duì)量進(jìn)行選擇使得在燒結(jié)的cBN復(fù)合材料中存在cBN的所需的重量或體積含量，其將會(huì)為復(fù)合材料的至少65體積％，并且可以是至少70，至少80或至少90重量％。在摻混cBN晶粒與硅化鈦粉末混合時(shí)，由于少量的cBN與Ti和或Si的反應(yīng)形成TiN和或TiB₂和或Si₃N₄所致的次要量的cBN損失可以考慮在內(nèi)。這樣損失的cBN量將可能取決于cBN晶粒的比表面積，其可能取決于形狀和尺寸分布，cBN晶粒的數(shù)量(換句話說，可添加比可能首先看似必要略多的cBN以補(bǔ)償這種潛在效應(yīng))。

接著，可以形成包含混合的硅化物粉末和cBN晶粒的粉末或粒料并將其壓實(shí)以提供預(yù)燒結(jié)體例如盤。預(yù)燒結(jié)體不必相對(duì)于燒結(jié)碳化物基材放置，和可封裝在耐火金屬夾套中，并在約750攝氏度下在真空中脫氣約30分鐘。在脫氣步驟后，可以將封裝的盤密封在額外的耐火金屬夾套中以提供雙夾套的預(yù)燒結(jié)體。將封裝的預(yù)燒結(jié)體經(jīng)受高壓和高溫，其中在所述高壓下cBN為熱力學(xué)穩(wěn)定的，例如至少約3(GPa)，至少約5.5GPa或至少約6.5GPa，和在所述高溫下在金屬硅化物中的鈦或其他金屬可與cBN反應(yīng)以形成Si₃N₄、TiN和或TiB₂。通常，在3-8GPa范圍內(nèi)的較高的燒結(jié)壓力可能導(dǎo)致較密實(shí)的燒結(jié)復(fù)合壓制品，并在使用中表現(xiàn)出某些優(yōu)異性能和行為。在一些實(shí)施例中，該壓力可以是約6.5-約7.0GPa，溫度可為至少約1，300-1，450攝氏度(通常當(dāng)使用較高的壓力時(shí)可以使用較高的溫度)；因此對(duì)于約6.8GPa的壓力可以使用約1，450攝氏度的溫度。

燒結(jié)原料粉末所用的溫度將對(duì)于未與cBN反應(yīng)的殘余硅化物的相對(duì)量具有影響；一般來說，在所有其它條件相同的情況下，燒結(jié)溫度越低，在燒結(jié)的復(fù)合材料中的殘余金屬硅化物的含量可以越高。

盡管上述描述的示例性方法主要提到硅化鈦，但用于制作包含其它金屬硅化物相例如硅化鉿或硅化鋯的原料的方法基本上將會(huì)是類似的。

某些示例性cBN壓制品看起來對(duì)于用于重度斷續(xù)加工操作，例如具有至少50或至少52HRC硬度(洛氏C標(biāo)度的硬度)的淬硬鋼和或鑄鐵例如灰鑄鐵的車削或銑削是特別有效的。

雖然不希望被特定的理論所束縛，但cBN晶粒與來自硅化物相粉末的元素的化學(xué)反應(yīng)可導(dǎo)致cBN晶粒和結(jié)合劑基質(zhì)之間的強(qiáng)結(jié)合。例如，金屬硼化物和或金屬氮化物的反應(yīng)產(chǎn)物的顯微組織可以牢固地結(jié)合于cBN表面。為了發(fā)生這種反應(yīng)結(jié)合，用作燒結(jié)cBN復(fù)合材料的原料的硅化物相將需要包含能夠與硼源反應(yīng)以形成金屬硼化物化合物和或與氮源反應(yīng)以形成金屬氮化物化合物的金屬。潛在地，cBN和這樣的金屬的氮化物和或硼化物反應(yīng)產(chǎn)物可為結(jié)合于cBN晶粒的層狀或涂層狀的顯微組織。少量相對(duì)脆的材料例如未與cBN晶粒反應(yīng)的保留的硅化物相的存在，可以提高cBN復(fù)合材料的耐沖擊性和強(qiáng)度。該硅化物化合物例如硅化鈦可以以金屬間相存在，其可以是相對(duì)脆性的，并且比結(jié)合劑基質(zhì)中存在的氮化鈦和或硼化鈦和或其它材料潛在地更易碎(較不堅(jiān)固或堅(jiān)韌)。潛在地，少量相對(duì)脆的材料的存在可以具有改善cBN復(fù)合材料的耐沖擊性和或強(qiáng)度，特別是沖擊強(qiáng)度的作用。沖擊強(qiáng)度可能是用于斷續(xù)加工工件的材料的一個(gè)重要屬性。雖然不希望被特定的理論所束縛，但這可以通過硅化物相而發(fā)生，該硅化物相因硅化物相中裂紋的增殖而消耗沖擊能量，實(shí)際上"破碎"硅化物相。例如，當(dāng)蔓延穿過cBN復(fù)合材料的裂紋到達(dá)硅化物相的區(qū)域或晶粒處時(shí)，其顯著量的能量可能被消耗在這樣的"破碎"中，因此減弱或預(yù)防其進(jìn)一步蔓延。如果存在過多的硅化物相，那么復(fù)合材料的整體耐沖擊性可能將會(huì)減小，因?yàn)?破碎"效果可能具有越來越長的范圍，且出現(xiàn)在復(fù)合材料的太大體積中。作為替代或補(bǔ)充，太高含量的硅化物相可能潛在對(duì)復(fù)合材料的某些其他性能例如化學(xué)或其它磨損耐受性具有有害影響。如果存在太少的相，潛在裂縫衰減或抑制作用可能變得顯著較不明顯或可忽略。

雖然不希望被特定的理論所束縛，但示例公開的cBN復(fù)合材料似乎將cBN晶粒和結(jié)合劑基質(zhì)之間的強(qiáng)反應(yīng)結(jié)合方面和可有效提高復(fù)合材料的某些力學(xué)性能如耐沖擊性的保留的殘余硅化物材料組合起來，這對(duì)于斷續(xù)加工是特別有用的。

雖然不希望被特定的理論所束縛，但用于制備復(fù)合材料的示例方法可具有增強(qiáng)結(jié)合劑顯微組織的均勻性或以某些其他的方式改變結(jié)合劑顯微組織的方面，該方法包含碾磨金屬硅化物材料然后將其與cBN晶粒摻混，因此提供細(xì)分的金屬硅化物的原料粉末。

現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述非限制和非窮盡的實(shí)施例。

實(shí)施例1-6

制造了包含從相同的燒結(jié)盤切割出的實(shí)施例cBN復(fù)合材料的六對(duì)測(cè)試機(jī)械工具以便進(jìn)行如下所述的兩種斷續(xù)加工測(cè)試。還制造并測(cè)試了包含參比cBN復(fù)合材料的一對(duì)參比機(jī)械工具。所有的實(shí)施例切割工具具有相同的結(jié)構(gòu)并且包含名義上相同的cBN復(fù)合材料，其包含90體積％的cBN晶粒、TiN、TiB₂、Si₃N₄和硅化鈦金屬間相TiSi、TiSi₂。

參比材料是AMB90^TM PCBN，將六號(hào)元素(Element Six)產(chǎn)品用于重度斷續(xù)硬車削。通過燒結(jié)摻有具有約6微米的平均晶粒尺寸的鋁(Al)粉末的cBN晶粒制得參比材料，cBN的質(zhì)量含量為摻混粉末的約90％，且余量由Al粉末構(gòu)成。該cBN晶粒具有3-8微米的平均尺寸范圍。將摻混的粉末進(jìn)行壓實(shí)以形成預(yù)燒結(jié)盤，并經(jīng)受約5.5GPa的燒結(jié)壓力和約1，250℃的燒結(jié)溫度持續(xù)約30分鐘的時(shí)間。

制備如下的實(shí)施例cBN復(fù)合材料。以3Ti和2Si的摩爾比將Ti和Si粉末摻混在一起和在抽空至10^-3-10^-6毫巴(mbar)的真空爐中經(jīng)受約1，100攝氏度的熱處理。反應(yīng)產(chǎn)物包含相對(duì)大塊形式的至少TiSi和TiSi₂，將其破碎并篩分至約212微米，然后通過在己烷中碾磨4小時(shí)粉碎以提供具有約1.5-2.5μm的平均晶粒尺寸的良好摻混的粉末?；厥漳肽サ姆勰?，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中干燥，然后在烘箱中在60℃下另外干燥過夜。

將細(xì)硅化鈦粉末與90重量％的具有2-20微米的平均尺寸的cBN晶粒摻混，如表4中對(duì)于各種實(shí)施例所示。各種方法被用來摻混實(shí)施例1-6的粉末，在實(shí)施例1、2和6中通過在己烷中超聲處理；在實(shí)施例4中通過(Turbula^TM)擺動(dòng)式混合機(jī)和鋼球；對(duì)于實(shí)施例5通過行星式球磨機(jī)摻混cBN和Ti-Si反應(yīng)產(chǎn)物粉末。

在實(shí)施例1，2和6中的超聲混合包括向Ti-Si反應(yīng)產(chǎn)物粉末加入己烷和向所得的懸浮液引入超聲波探頭(prove)，和施加25％的超聲振幅(使用具有2000bdc、20kHz的最大頻率、2.2kW的最大功率和全波50mm直徑的鈦焊頭(horn)的Branson^TM裝置)5分鐘。然后，將一定量的cBN粉末引入到懸浮液，使得cBN含量為90重量％的組合的Ti-Si粉末和cBN的混合物，并以相同的幅度將組合的懸浮液超聲處理10分鐘。在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中干燥懸浮液，然后在烘箱中在60℃下干燥至少5小時(shí)。在氮?dú)夥障聦⒒旌系姆勰├鋮s到約25℃和篩分至低于約212微米。

實(shí)施例4的搖擺式混合包含組合90重量％的cBN粉末與10重量％的鈦-硅反應(yīng)產(chǎn)物粉末和引入8個(gè)WC球，每個(gè)的直徑為8mm。將粉末搖擺式混合1小時(shí)，接著去除WC球。

實(shí)施例5的行星式球磨包含組合90重量％的cBN晶粒與10重量％的鈦-硅反應(yīng)產(chǎn)物粉末和引入3mm直徑的WC球，使得組合的粉末與球的質(zhì)量比為1：2.5。將己烷加入到混合的粉末中，使得粉末的體積與己烷的體積為約2：1。以90轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)使懸浮液經(jīng)受行星式球磨30分鐘。去除球并且在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中干燥漿料或懸浮液，然后在烘箱中在60℃下干燥至少5小時(shí)。在氮?dú)夥罩袑⒒旌系姆勰├鋮s到約25℃和篩分至低于約212微米。

將包含cBN和硅化鈦晶粒的摻混的原料粉末進(jìn)行壓實(shí)以形成多個(gè)盤。將壓實(shí)的盤封裝在超高壓爐的反應(yīng)容器中(它也可以稱為超高壓力壓機(jī))，并經(jīng)受約6.8GPa的超高壓力和約1，450℃的溫度約10分鐘的時(shí)間以提供由cBN復(fù)合材料(略低的溫度用于燒結(jié)實(shí)施例3)構(gòu)成的燒結(jié)盤。將盤進(jìn)行切割以形成切割元件的前體本體，然后通過金剛石研磨進(jìn)行進(jìn)一步加工以提供用于六個(gè)實(shí)施例切割工具的六個(gè)切割元件。

參照?qǐng)D3，對(duì)于實(shí)施例2和6測(cè)量了XRD譜上的在約45.77度的2θ附近的硅化鈦(TiSi₂)(311)X射線衍射XRD峰與52.1°的2θ的二硼化鈦(TiB₂)(101)峰的高度之比。這些比例測(cè)量為約0.37，似乎表明復(fù)合材料具有相對(duì)低的TiSi₂含量和可能其它硅化鈦材料(在cBN含量為65體積％的下述其他實(shí)施例7和9中，該比例為約1.0)。據(jù)估計(jì)，這可以表明硅化鈦材料的含量可以為cBN復(fù)合材料的約2-3重量％。

制備了包含實(shí)施例cBN復(fù)合材料的實(shí)施例車削工具。將燒結(jié)的cBN復(fù)合盤切割成具有10×10mm尺寸的片，每個(gè)具有3.2mm厚度。通過形成25度倒角和20微米的邊緣珩磨(edge hone)和-6度前角制備工具切割刃。在K30灰鑄鐵鑄鐵測(cè)試(類似于制動(dòng)盤加工)和所謂的H30'O1時(shí)鐘測(cè)試'中測(cè)試該工具。

在選擇具有與H25或H30硬車削相似性的條件下，在車削測(cè)試中對(duì)每對(duì)實(shí)施例工具之一進(jìn)行測(cè)試，其中切割插件用于加工(車削)由淬硬鋼構(gòu)成的本體。當(dāng)由實(shí)施例的cBN復(fù)合材料限定的刀具刃已經(jīng)破裂到破裂疤痕的尺寸(平行于切割速度向量測(cè)量)大于后面磨損疤痕的平均尺寸，或后面磨損疤痕的長度達(dá)到至少0.3毫米時(shí)，終止每一測(cè)試。發(fā)生這些發(fā)生情況之一是壽命終結(jié)的準(zhǔn)則，其在測(cè)量的切割力方面在相對(duì)突然的改變中變得明顯。在形成0.3毫米(mm)的后面磨損帶尺寸之前可能發(fā)生災(zāi)難性的刃破裂?？梢跃痛龑?shí)現(xiàn)的壽命結(jié)束準(zhǔn)則所需的道次數(shù)報(bào)告cBN復(fù)合材料的性能；插件壽命越長，在測(cè)試中的cBN復(fù)合材料的性能越好。期望這個(gè)結(jié)果在包含鋼本體的斷續(xù)切割的某些工業(yè)加工應(yīng)用中提供cBN復(fù)合材料的潛在工作壽命的指示。

在圖6中顯示了測(cè)試工件，其包含從圓板圓周軸向突出的一系列條狀物30(因此稱為"時(shí)鐘測(cè)試")。每個(gè)條狀物呈現(xiàn)與工具成90度的接合角，并在其整個(gè)體積中具有大致相同的硬度(其也可以被稱為"完全淬硬")，洛氏C硬度在約60-60HRC的范圍內(nèi)，為根據(jù)AISI 4340規(guī)范的淬硬鋼材料。該測(cè)試被認(rèn)為在實(shí)踐中的許多應(yīng)用中在加工情形的淬硬鋼(尤其是但不是唯一的)中提供PCBN材料的潛在性能的相當(dāng)好的指示。測(cè)試工件和切割條件配置成使工具經(jīng)受特定比例的連續(xù)和斷續(xù)切割條件下，該比例對(duì)于每個(gè)切割周期(其可以稱為"道次")基本恒定。具體而言，通過采用恒定表面速度控制的面車削方法在整個(gè)測(cè)試中保持此比率基本上恒定。平行于測(cè)試工件軸的縱向旋轉(zhuǎn)軸提供條狀物30之間的一系列弧形空間，使得孔的直徑和傾斜空間(pitch space)預(yù)期呈現(xiàn)出可能代表工業(yè)中的特定普通硬車削操作的車削條件。

例如，將每對(duì)實(shí)施例工具的另一個(gè)用在K30斷續(xù)加工測(cè)試中，其中工件由灰鑄鐵構(gòu)成，響應(yīng)變量是切割一定距離(從工件去除材料)后的磨損疤痕的尺寸。下面給出H30和K30測(cè)試的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。在表2中提供了在使用O1工具鋼的H30‘時(shí)鐘測(cè)試’和‘制動(dòng)盤’K30中使用的測(cè)試參數(shù)。在表3中顯示了關(guān)于在K30測(cè)試中使用的灰鑄鐵材料的等級(jí)的信息。與其它級(jí)別GG20和GG25相比，所使用的等級(jí)提供了相對(duì)好的耐磨性、強(qiáng)度和熱處理響應(yīng)，且具有合理的可加工性和優(yōu)良的表面光潔度。所使用的灰鑄鐵等級(jí)的布氏硬度為190-260。通常，PCBN工具用于以相對(duì)高的切割速度加工灰鑄鐵，如表2所示。

表2

表3

掃描電子顯微術(shù)(SEM)和X-射線衍射(XRD)分析確認(rèn)顯著量的二硼化鈦(TiB₂)和氮化硅(Si₃N₄)相的存在，其可能由于cBN晶粒和鈦(Ti)與硅(Si)的源之間的反應(yīng)結(jié)合所引起。實(shí)施例的工具顯示出在H30應(yīng)用中工具壽命方面的至多約100％的改進(jìn)和K30應(yīng)用中耐磨性方面的30％的改進(jìn)。

六對(duì)實(shí)施例工具的每個(gè)的H30和K30切割測(cè)試的結(jié)果總結(jié)在表4中，以及使用參比材料獲得的相應(yīng)結(jié)果。加工測(cè)試結(jié)果也圖示地顯示于圖4和圖5中，并指示出該實(shí)施例cBN復(fù)合材料在兩個(gè)測(cè)試中表現(xiàn)得顯著好于參比樣品。在H30測(cè)試中，由實(shí)施例刀具所顯示的平均道次數(shù)為約76，且標(biāo)準(zhǔn)偏差為約6，而參比刀具的道次數(shù)為約38。在K30測(cè)試中，形成在實(shí)施例刀具中的平均磨損疤痕的尺寸為約68微米，標(biāo)準(zhǔn)差為約4微米，而參比刀具中的磨損疤痕為約85微米。

表4

這些結(jié)果似乎提供強(qiáng)有力的證據(jù)，表明包含反應(yīng)結(jié)合于包括少量的一種或多種硅化鈦金屬間相的結(jié)合劑基質(zhì)的90體積％cBN晶粒的cBN復(fù)合材料具有相對(duì)高的強(qiáng)度和韌性，并將可能在包括淬硬鋼和灰鑄鐵的斷續(xù)加工的加工操作中表現(xiàn)良好。

實(shí)施例7-10

借助鋼球通過搖擺式混合機(jī)以2Ti+3Si(重量比為53％Ti和47％Si)的摩爾比混合具有約30-50微米的平均晶粒尺寸和分別為99.5與99％的純度的鈦(Ti)和硅(Si)粉末1小時(shí)。將混合的粉末在真空中在1,100℃下進(jìn)行熱處理2小時(shí)，且將Ti-Si反應(yīng)產(chǎn)物材料進(jìn)行碾磨4小時(shí)。Ti-Si的反應(yīng)產(chǎn)物材料的X-射線衍射(XRD)分析表明平均氧含量為約8重量％(加上或減去約5重量％)。

在不同的實(shí)施例中，通過搖擺式混合機(jī)(Turbula^TM)和鋼球摻混所碾磨的硅化物反應(yīng)產(chǎn)物材料與具有如表5中所示的平均尺寸的cBN晶粒約1小時(shí)，并將混合的粉末壓實(shí)成盤，每個(gè)盤具有50克(g)的質(zhì)量。原料中的該cBN含量為90重量％，余量為硅化鈦(TiSi)反應(yīng)產(chǎn)物材料。將每個(gè)盤封裝在難熔金屬夾套中，在750攝氏度下在真空中脫氣30分鐘，密封在附加的難熔金屬夾套中并在約1,250℃的溫度下經(jīng)受約5.5GPa的加壓以提供實(shí)施例7-10。

掃描電子顯微鏡(SEM)分析揭示了在任何這些實(shí)施例復(fù)合材料中沒有大量團(tuán)聚的痕跡，表明細(xì)分的Ti-Si反應(yīng)產(chǎn)物材料非常有效且均勻地?fù)交煊衏BN晶粒。cBN晶粒與結(jié)合劑基質(zhì)的反應(yīng)燒結(jié)的清楚痕跡是明顯的。

表5

制造了包含每一實(shí)施例cBN復(fù)合材料的實(shí)施例機(jī)械工具，并經(jīng)受K30類型應(yīng)用中的測(cè)試，這將可能提供復(fù)合材料在制動(dòng)盤的加工中的性能指示。測(cè)試的響應(yīng)變量是在一定數(shù)量的切割道次之后在機(jī)械工具的切割刃處形成的磨損疤痕的尺寸(所謂的‘Vb’長度)，對(duì)于每個(gè)實(shí)施例的工具在表5中示出了這些。就該性能的量度而言，所有實(shí)施例7-10都顯示比參比AMB90^TM PCBN材料優(yōu)越的性能。

實(shí)施例11-15

使用基本關(guān)于實(shí)施例1-6所解釋的方法制造了包含65、80和90體積％的實(shí)施例cBN復(fù)合材料，但不同的是，估計(jì)用于燒結(jié)實(shí)施例15的溫度低于用于其它實(shí)施例的溫度約100至200攝氏度。

將材料進(jìn)行XRD分析。測(cè)量了XRD譜上在45.77度的2θ處(TiSi₂的最強(qiáng)峰)的硅化鈦(TiSi₂)(311)X射線衍射XRD峰與在約52.1°2θ處的二硼化鈦(TiB₂)(101)的最強(qiáng)峰的高度之比，且結(jié)果列于表6中。

表6

留在復(fù)合材料中的殘余硅化物的量似乎受到至少cBN晶粒的平均尺寸和潛在尺寸分布、復(fù)合材料中的cBN晶粒的含量和燒結(jié)該復(fù)合材料的溫度的影響。該后一點(diǎn)由如下事實(shí)所指明：實(shí)施例15的TiSi₂/TiB₂比率高于從其它數(shù)據(jù)的檢查可預(yù)期的比率，因?yàn)橼厔?shì)是該比率對(duì)于比相對(duì)低的cBN的含量較高，而對(duì)于相對(duì)高的cBN含量較低。雖然不希望被特定的理論所束縛，但看來實(shí)施例15的燒結(jié)溫度的降低導(dǎo)致更高的比率(即，相對(duì)較高的硅化物相含量)。

如下簡要地解釋本文使用的術(shù)語和概念。

如本文所用，機(jī)械工具是可用于通過選擇性地從工件移除材料(該過程可以稱為加工)制造部件的動(dòng)力機(jī)械設(shè)備。在制品的制造中待加工的本體可以稱為工件材料，且一般可以包含金屬、合金、復(fù)合材料、木材、聚合物，包含碳纖維增強(qiáng)的聚合物。切割工具可具有前刀面，即在其上方形成碎屑(chip)的一個(gè)表面或多個(gè)表面，該前刀面引導(dǎo)新形成的碎屑流。"碎屑"是通過使用中的機(jī)械工具從本體的工作表面移除的本體小片。切割插件的后面是經(jīng)過由切割插件在本體上產(chǎn)生的加工表面的道次的表面。該后面可以提供與本體的間隙，并且可以包含多于一個(gè)后刀面。切割刃是旨在進(jìn)行本體的切割的前刀面的邊緣。

如本文中所使用的，"粗加工"指的是攻擊性形式的加工，其中通過使用大的切割深度和進(jìn)給速率以相對(duì)高的速率移除工件材料。這區(qū)別于"精加工"，其中目的是產(chǎn)生高公差的光潔度，且切割深度和進(jìn)給速率較低。在粗加工操作中，工具的切割刃上的載荷遠(yuǎn)大于精加工操作中的，所以切割刃需要比粗加工操作中更強(qiáng)，特別當(dāng)前角為正時(shí)。這使得硬或超硬，但相對(duì)較脆的材料一般不適用于粗加工某些難以加工的工件材料，例如鈦合金。例如PCD、PCBN或先進(jìn)陶瓷通常不用于粗加工難以加工的材料，盡管這些材料具有高的耐磨性。

在粗加工操作，進(jìn)給速度和切割深度是相對(duì)高的，并且工具切割刃上的負(fù)荷是高的，通常在約5至10kN(千牛頓)的范圍內(nèi)。經(jīng)常對(duì)包含"斷續(xù)"外貌的工件進(jìn)行粗加工，所述外貌可以是有意的或是無意的。例如，斷續(xù)可以是"V"槽或從源自鑄造過程中釋放的氣體的孔隙、爐渣或砂粒的形式。在粗加工中，尺寸公差不如精加工操作中重要，并且可以允許達(dá)到并超過1mm的后面磨損值。因此，在粗加工中主要的失效模式可能是碎屑耐受性而不是磨損。

包含cBN復(fù)合材料如PCBN材料的切割工具可用來加工三種寬泛族群的鐵基材料，即淬硬鋼("硬車削")、在相對(duì)軟的基質(zhì)中包含硬質(zhì)晶粒的燒結(jié)粉末金屬、和灰鑄鐵與硬鑄鐵。實(shí)施例類型的淬硬鋼可具有至少50HRC或至少52HRC的洛氏"C"硬度。

加工操作可包含在整個(gè)操作中保持與工件制品(換句話說，被加工的本體)接合的切割工具，或者可以在操作期間重復(fù)地與工件接合和脫離。例如，該工件可具有相對(duì)復(fù)雜的形狀，潛在地具有凹部和凸部，和或加工操作可以包含銑削，其中旋轉(zhuǎn)切割工具將只通過旋轉(zhuǎn)弧反復(fù)與工件接合。這樣的加工模式可被稱為"斷續(xù)加工"或"斷續(xù)切割"：其中切割工具將與工件接合并通過部分操作從其移除材料，且在剩余的操作中與它脫離。與工件的配置相關(guān)的各種因素將有可能影響加工過程和合適切割工具的選擇和用于切割刃的材料。特別是，這樣的因素可以包含"接合角"，斷續(xù)切割的百分比和"連續(xù)接合長度"。僅舉幾個(gè)例子，與加工操作相關(guān)的因素可以包含"進(jìn)給速度"、"前角"、"切割速度"和"切割深度"。

接合角和連續(xù)刃長度是幫助描述貫穿待經(jīng)受車削的細(xì)長工件的橫向截面形狀的參數(shù)，其中工件將會(huì)圍繞連接工件的相對(duì)端的中心縱軸快速旋轉(zhuǎn)，且定位該切割工具從而接合和切割鄰近該工件表面的材料。該切割工具還可以徑向向內(nèi)移動(dòng)，因?yàn)楣ぜ耐鈴较虺叽鐚⒁蚯懈畈僮鞫鴾p小，且可以沿工件側(cè)面移動(dòng)，其方向與后者的縱軸對(duì)齊。

待加工的測(cè)試工件本體可以具有中心圓芯的整體形狀，多個(gè)輪輻結(jié)構(gòu)由此徑向向外突出(為了簡單起見，使用了所顯示和描述的工件配置，且所描述的概念將會(huì)適用于工件的整體配置，包含不規(guī)則或不對(duì)稱的工件)。接合角φ介于切割刃和要被切割工具接合和切割的接近輪輻之間。例如，當(dāng)工件被配置成使得輪輻結(jié)構(gòu)側(cè)面位于在中心縱軸上會(huì)聚的徑向平面上時(shí)，接合角是90度；當(dāng)輪輻結(jié)構(gòu)的側(cè)面向內(nèi)傾斜而不是與徑向平面對(duì)齊時(shí)，該接合角小于90度。90度的接合角將使斷續(xù)切割操作中的切割工具具有特別苛刻的影響。在相反的極端情況下，0度的接合角將實(shí)際上對(duì)應(yīng)于完全不斷續(xù)，該工具將實(shí)際上以連續(xù)模式加工工件，至少對(duì)于該工件的部分旋轉(zhuǎn)。在完全連續(xù)加工中，切割刃將在后者的整個(gè)旋轉(zhuǎn)中保持與工件接合(使用車削作為例子來解釋接合角的概念，其還可以應(yīng)用于其他類型的加工操作)。

工件材料和接合角的陡度的特征可以在于從0延伸到30的標(biāo)度，其中30表示最苛刻的斷續(xù)條件。例如，淬硬鋼的斷續(xù)切割可以為H5至H30的標(biāo)度，用于汽車或其它交通工具的制動(dòng)盤的灰鑄鐵或球墨鑄鐵的標(biāo)度為K05至K30。

可以根據(jù)各種參數(shù)表征切割工具的運(yùn)動(dòng)。例如，在所謂的"OD"(外徑)加工中，縱向沿著側(cè)旋轉(zhuǎn)工件的側(cè)面送入工具，遠(yuǎn)離一端并朝向相對(duì)端；和在"面車削"中，工具將會(huì)徑向向內(nèi)，因?yàn)樗档土吮磺懈畹墓ぜ闹睆健?/p>

連續(xù)的接合長度是指以距離為單位的輪輻結(jié)構(gòu)最外側(cè)的弧長度，或者作為與工件的徑向截面外接的圓的圓周百分比。它也可以表示為切割工具與輪輻結(jié)構(gòu)接合的時(shí)間。連續(xù)的接合長度可以指以距離、時(shí)間或整轉(zhuǎn)百分比為單位表示的單個(gè)輪輻的長度或全部輪輻的組合長度。

用于淬硬鋼的斷續(xù)加工中的工具的加工測(cè)試(其也可以稱為"硬車削")廣義上可以分為H05-10(90-100％連續(xù)切割和較低的接合角)、H15-H20(工具與工件接觸約60-80％的時(shí)間，在表面加工(facing)和車削應(yīng)用中的每單位長度，低到中間接合角)和H25-H30(連續(xù)加工約為30-50％的單位長度，沿著面或外側(cè)具有變化但是近似等距的間隙。通常使用接近90度的高接合角，取決于工件的配置。

如本文所使用的，超硬材料具有至少約為25吉帕(GPa)的維氏硬度。金剛石和立方氮化硼(cBN)材料是超硬材料的例子。超硬刀具部分將包含超硬材料，其中切割刃至少部分由超硬材料限定。多晶立方氮化硼(PCBN)材料包含各種等級(jí)(或類型)的超硬復(fù)合材料的范圍，包括分散在并結(jié)合到結(jié)合劑基質(zhì)中的立方氮化硼(cBN)晶粒。

在一些PCBN材料的實(shí)施例中，cBN晶粒的含量為至少約60體積％，至少約70體積％或至少約80體積％。

PCBN可以分成兩大類，即"低cBN"和"高cBN"，其中cBN含量分別為約30-70體積％和約70-95體積％。高cBN材料可能用于包含較高斷續(xù)切割程度的操作，該程度可能因其中包含的工件或材料的形狀特征而出現(xiàn)。較高的cBN含量傾向于產(chǎn)生更強(qiáng)的PCBN，其對(duì)于斷續(xù)的操作是特別重要的。

盡管超硬材料極硬，但它們通常不如燒結(jié)碳化物材料強(qiáng)和韌，因此它們更易于破裂和碎裂。燒結(jié)碳化物切割工具可產(chǎn)生比PCD和PCBN更好的工具壽命，這是因?yàn)槠漭^高的韌性和抗碎裂性，盡管PCD和PCBN顯著更耐磨損。例如，標(biāo)準(zhǔn)文本指明，當(dāng)可能時(shí)，具有負(fù)前角的碳化物工具應(yīng)該用于鈦合金的粗機(jī)加工，或粗加工。使用PCBN工具而不是燒結(jié)碳化物工具的優(yōu)點(diǎn)源于PCBN材料的優(yōu)異耐火"熱硬度"，其在較高速度的切割操作中可能是特別有利的，其中該速度可以為至少150米/分鐘(m/min)，并且在切割工具和工件之間的界面處將產(chǎn)生相對(duì)較高的溫度。

盡管cBN對(duì)于鐵基金屬是相對(duì)惰性的，但在PCBN材料中包含的cBN晶粒的化學(xué)磨損在連續(xù)加工中達(dá)到高的溫度下可能是明顯的。因此，包含相對(duì)高含量的cBN晶粒的高PCBN可用在諸如斷續(xù)加工的操作中，其中工具插件材料需要相對(duì)強(qiáng)，并在相對(duì)高的溫度下維持它的硬度。包含相對(duì)較低含量的cBN晶粒的PCBN材料可用在諸如連續(xù)加工的操作中，其中工具插件材料需要相對(duì)耐化學(xué)磨損。在所有其它條件相同時(shí)(在cBN含量相對(duì)高時(shí)這可能特別明顯)，包含相對(duì)大的cBN晶粒的PCBN材料的強(qiáng)度一般可能低于包含相對(duì)小(細(xì))cBN晶粒的PCBN材料。因此，與較粗晶粒的PCBN材料相比，細(xì)晶粒PCBN可能較強(qiáng)并產(chǎn)生更好的工件表面光潔度。

通常，可以預(yù)計(jì)在某些應(yīng)用中包含相對(duì)粗糙的cBN晶粒的PCBN材料將導(dǎo)致工件的太差的表面光潔度。因此，包含在用于加工操作的PCBN材料中的cBN趨向于不會(huì)顯著大于約4微米，且大多數(shù)商用的PCBN材料包含在約1微米至約2微米的范圍內(nèi)的cBN晶粒。公開的實(shí)施例PCBN材料(也稱為cBN復(fù)合材料)跨越較寬的晶粒尺寸范圍，具有2-20微米的平均(d50)值。

包含斷續(xù)切割程度與高的加工速度結(jié)合的中間加工操作對(duì)于設(shè)計(jì)PCBN材料造成挑戰(zhàn)。在某些應(yīng)用中，例如其中使用PCBN材料以斷續(xù)續(xù)模式加工淬硬鋼的應(yīng)用中(如在所謂的"鉆孔43/40"中所表征的)，傾向于包含在PCBN中的cBN的一定程度的化學(xué)以及侵蝕磨損。這種應(yīng)用中主要失效模式是碎裂，認(rèn)為其源于與工件的斷續(xù)性質(zhì)相關(guān)的化學(xué)(彈坑)磨損和沖擊的結(jié)合。

如在本文使用的，"基本上由某些成分組成"的材料是指該材料由所述組分以及少量實(shí)際上不可避免的雜質(zhì)組成。

如本文所用的，術(shù)語金屬硅化物或金屬硼化物(其中可以具體提及該金屬)通常指含有一個(gè)或多個(gè)金屬原子和一個(gè)或多個(gè)硅或硼原子的化合物。例如，金屬硅化物相可以包含對(duì)應(yīng)的硅化物和或二硅化物化合物和/或包含三個(gè)或更多個(gè)硅原子的化合物，除非另有說明。特別地，硅化鈦通常將會(huì)包括TiSi和TiSi₂，和硼化鈦將會(huì)包括TiB₂。然而，可以提及具體的化合物，這些一般是指化學(xué)計(jì)量比、亞化學(xué)計(jì)量比和超化學(xué)計(jì)量比形式的化合物，除非另有說明。