CN102858482B - 超硬刀头、其制造方法和包含其的工具 - Google Patents

超硬刀头、其制造方法和包含其的工具 Download PDF

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Abstract

用于回转式机械工具的刀尖（20），包含借助于设置在该超硬结构（12）和该烧结碳化物基材之间的至少一个中间层（161，162，163）连接到烧结碳化物基材（14）的超硬结构（12），该中间层（161、162、163）包含超硬材料的晶粒和分散在金属粘结剂材料中的金属碳化物材料的晶粒。

Description

超硬刀头、其制造方法和包含其的工具
发明背景
本发明的实施方案总的涉及用于回转式机械工具、更特别但非排它地用于麻花钻或立铣刀的超硬刀尖；涉及其制造方法和包含其的工具。
超硬材料的实例是聚晶金刚石（PCD）材料和聚晶立方氮化硼（PCBN）材料。PCD材料包含大量基本共生的金刚石晶粒，PCBN材料在含有金属和/或陶瓷材料的基质中包含立方氮化硼（cBN）颗粒。PCD和PCBN可以通过分别对金刚石晶粒或cBN晶粒的聚集块体施以至少约5.5GPa的超高压和至少约1,250摄氏度的温度而制成。
美国专利号US4,762,445公开了一种特别适于直径大于约3.17毫米的具有螺旋出屑槽的麻花钻的复合烧结麻花钻。可包含金刚石的最硬材料以窄脉纹（vein）形式位于前缘并横穿钻头的中线。
需要提供用于回转式机械工具的替代性超硬刀尖。
发明概述
从第一方面考虑，可以提供用于回转式机械工具，例如用于麻花钻或立铣刀的超硬刀尖（或简称“刀尖”），包含借助于设置在超硬结构与烧结碳化物基材之间的至少一个中间层连接到烧结碳化物基材的超硬结构，该中间层包含超硬材料例如合成或天然金刚石或立方氮化硼（cBN）的晶粒，以及分散在金属粘结剂材料中的金属碳化物材料的晶粒。
从第二方面考虑，可以提供用于回转式机械工具的刀尖（或“超硬刀尖”）的坯料本体（blankbody）（也称为超硬坯料本体），所述坯料本体包含借助于设置在超硬结构与烧结碳化物基材之间的至少一个中间层连接到烧结碳化物基材的超硬结构，该中间层包含超硬材料例如合成或天然金刚石或立方氮化硼（cBN）的晶粒，以及分散在金属粘结剂材料中的金属碳化物材料的晶粒。
从第三方面考虑，可以提供包含刀尖（或“超硬刀尖”）的回转式机械工具，所述刀尖包含借助于设置在超硬结构与烧结碳化物基材之间的中间层连接到烧结碳化物基材的超硬结构，该中间层包含超硬材料例如合成或天然金刚石或立方氮化硼（cBN）的晶粒，以及分散在金属粘结剂材料中的金属碳化物材料的晶粒。
从第四方面考虑，可以提供制造前述权利要求任一项所述的刀尖的方法，所述方法包括提供坯料本体，所述坯料本体包含借助于设置在超硬结构与烧结碳化物基材之间的中间层连接到烧结碳化物基材的超硬结构，该中间层包含超硬材料的晶粒和金属碳化物材料的晶粒；和从该坯料本体中除去材料以形成刃口。
从第五方面考虑，可以提供使用包含刀尖（或“超硬”）的回转式机械工具特别但非排它地通过钻孔或铣削本体的方法，该本体包含钛（Ti）和/或碳纤维增强聚合物（CFRP）材料，所述刀尖包含借助于设置在超硬结构与烧结碳化物基材之间的中间层连接到烧结碳化物基材的PCD结构，该中间层包含超硬材料例如合成或天然金刚石或立方氮化硼（cBN）的晶粒，以及分散在金属粘结剂材料中的金属碳化物材料的晶粒。
从第六方面考虑，可以提供用于机加工本体的球头立铣刀的刀尖，该本体特别但非排它地包含铸铁、灰铸铁和高强度铁、硬化工具钢或超级合金材料，例如Cr-Ni超级合金材料，所述刀尖包含借助于设置在超硬结构与烧结碳化物基材之间的中间层连接到烧结碳化物基材的PCBN结构，该中间层包含超硬材料，例如合成或天然金刚石或立方氮化硼（cBN）的晶粒，以及分散在金属粘结剂材料中的金属碳化物材料的晶粒。
附图概述
现在参考附图描述刀尖、用于刀尖的坯料本体和工具的非限制性布置，其中，
图1显示了示例性坯料本体的示意性透视图。
图2A显示了示例性坯料本体的示意性透视图。
图2B显示了示例性坯料本体的示意性横截面图。
图3显示了示例性坯料本体的示意性横截面图。
图4显示了示例性坯料本体的示意性横截面图。
图5显示了示例性坯料本体的示意性横截面图。
图6显示了用于麻花钻的示例性刀尖的示意性透视图。
图7显示了示例性麻花钻的示意性透视图。
图8A显示了示例性麻花钻的末端部分的示意性侧视图。
图8B显示了从末端观察的图8A所示麻花钻的示意性俯视图。
在所有附图中相同的附图标记指代相同的一般特征。
发明详述
下面简要解释本文中所用的某些术语。
本文中使用的“超硬”或超级硬材料具有至少25GPa的维氏硬度。合成和天然金刚石、聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼（cBN）和聚晶cBN（PCBN）材料是超硬材料的实例。合成金刚石，也称为人造金刚石，是已经制得的金刚石材料。聚晶超硬结构包含超硬晶粒的烧结块体，其相当大一部分可以直接或粘附地（coherently）粘结到相邻晶粒。PCD结构包含PCD材料或基本由PCD材料组成，PCBN结构包含PCBN材料或基本由PCBN材料组成。
聚晶金刚石（PCD）材料包含大量金刚石晶粒（大量金刚石晶粒的聚集），其相当大一部分直接相互粘结，其中金刚石的含量为该材料的至少约80体积%。金刚石晶粒之间的间隙可以至少部分用粘合剂材料填充，所述粘合剂材料包含用于合成金刚石的催化剂材料，或所述间隙基本上可以是空的。用于合成金刚石的催化剂材料能够在合成或天然金刚石热力学稳定的温度和压力下促进合成金刚石晶粒的生长和/或合成或天然金刚石晶粒的直接共生。用于金刚石的催化剂材料的实例是Fe、Ni、Co和Mn以及包括这些元素的某些合金。包含PCD材料的超硬结构可以包含至少一个区域，在该区域中从间隙中除去催化剂材料，留下金刚石晶粒之间的间隙空间。具有至少一个其中用于金刚石的催化剂材料已耗尽或其中催化剂材料处于作为催化剂的活性相对较低的形式的显著区域的PCD结构可以描述为热稳定的PCD。
PCBN材料包含分散在含有金属或陶瓷材料的基质中的立方氮化硼（cBN）晶粒。例如，PCBN材料可以包含至少约60体积%的分散在粘合剂基质材料中的cBN晶粒，所述基质材料包含含Ti化合物，例如碳氮化钛，和/或含Al化合物，例如氮化铝，和/或含金属诸如Co和/或W的化合物。一些种类（或“等级”）的PCBN材料可包含至少约80体积%或甚至至少约至少约85体积%的cBN晶粒。
机械工具是动力机械装置，可用于通过机加工制造包含材料如金属、复合材料、木材或聚合物的部件。机加工是从本体（可称为工件）选择性去除材料。回转式机械工具包含切削元件，例如钻头，其在使用时绕其自身轴旋转。镶刃工具或***件（insert）是其中刃口由刀具刀尖构成的工具，所述刀具刀尖由与该工具或***件的其余部分不同的材料组成，该刀尖通常被钎焊或夹持到工具本体上。可以通过处理坯料本体以将其成型为用于刀尖的结构来制得用于机械工具的刀尖。机械工具的前刀面是当该工具用于从本体除去材料时碎屑在其上流过的表面，前刀面引导新生成的碎屑的流动。碎屑是通过使用中的机械工具从工件的工作表面除去的工件的部分。刀尖的刃口是旨在进行本体的切削的前刀面的边缘。
麻花钻是用于借助于旋转剪切切削运动在工件，特别是包含金属、木材和塑料的工件上钻孔的带有出屑槽的镶刃钻具。麻花钻通常可以描述为具有一个或多个切削面或切削刃以及一个或多个螺旋形或直线形出屑槽（用于从钻取的孔中输送碎屑）的旋转末端切削工具。“出屑槽”是当使用中的工具旋转时用于输送碎屑离开刃口的回转式机械工具的凹进部分。其它回转式机械工具，如丝锥立铣刀、球头立铣刀和直立铣刀（也称为槽钻）可以具有多至六个或更多个刃口和出屑槽。出屑槽可具有横截面呈整体半圆形的沟槽形式。虽然某些钻头含有平行于该工具的轴线延伸的直出屑槽，但大多数麻花钻包含受制于设计考虑事项（例如刃口的所需前角、排屑的便利性和钻头的刚度）构造的螺旋状出屑槽。
麻花钻可以包含两条或更多条出屑槽，每条出屑槽用于该钻头的工作末端处的每个刃口。刃口可用于将工件材料剪切成更易于去除的碎屑并可包含在钻头的尖端中，该钻头还可以包含位于刃口之间的横刃（chiseledge）。在最简单的钻头中，可以通过棱边（web）的厚度确定横刃的几何形状，该棱边是分隔出屑槽的材料部分。当钻头的棱边部分不能切割工件材料，而是将其由中心线向外朝向刃口挤出时，通过在出屑槽与钻头尖端表面之间的交叉点处形成凹口可以使其长度最小化。该钻头尖端的设计，特别是棱边和凹口的布置，可能影响钻头围绕旋转轴的导向机制同心旋转的程度。麻花钻的“圆柱形刃带”是相邻出屑槽之间钻头本体的外周部分。该钻具的圆柱形刃带可构造成在钻头本体与要制造的孔表面之间提供公隙（clearance）。这也有助于在轨线上引导钻具。
麻花钻通常夹持在卡盘、套爪或其它机械连接装置中，这些装置安装在精密主轴上。在使用时，其绕其自身的旋转轴旋转，并可以直线平移以使钻头前进穿过工件，以碎屑或切屑形式排出废金属。
现在参照图1至图8B描述刀尖、用于刀尖的坯料本体和包含刀尖的工具的实例。
图1显示了用于麻花钻（未显示）的刀尖的坯料本体10的实例，包含借助于设置在超硬结构12与烧结碳化物基材14之间的中间层16连接到烧结碳化物基材14的超硬结构12。该中间层16包含合成金刚石晶粒和分散在包含Co的金属粘结剂材料中的WC晶粒。
图2A和图2B描述了超硬坯料本体10的实例，其中超硬结构12借助于设置在超硬结构12与烧结碳化物基材14之间的三个中间层161、162、163连接到烧结碳化物基材14。三个中间层161、162、163各自包含不同的各自组成的金刚石晶粒、金属碳化物晶粒和金属粘结剂。在这些实施例中，各坯料本体10的工作末端具有大致滚圆（rounded）的圆锥形状，所述圆锥形状具有滚圆顶点121，该烧结碳化物基材14具有整体圆柱形的形式，其具有近端141和远端143，近端141为工作末端，远端143为连接末端，以及连接近端141和远端143的侧面142。工作末端141的至少一部分可以具有基本圆锥、截头圆锥或滚圆圆锥的形状，例如球形滚圆圆锥形状。超硬结构12的纵向厚度T在整个结构中不必相同，在图2B所示的实例中，超硬结构12的纵向厚度T在临近刃口处大于在顶点处的厚度。
图3、图4和图5描述了坯料本体10的其它实例，其中超硬结构12借助于设置在超硬结构12与烧结碳化物基材14之间的两个中间层161和162连接到烧结碳化物基材14。两个中间层161、162各自包含不同的各自组成的金刚石晶粒、金属碳化物晶粒和金属粘结剂。在图3中，坯料本体10的工作末端具有整体滚圆（或“钝头”）的圆锥形状，其具有滚圆顶点121。在图4中，坯料本体10的工作末端具有整体半球形形状，并且在超硬结构12、中间层161、162与基材14之间的界面具有被环形凸缘围绕的半球形的整体形式。在图5中，坯料本体10的工作末端具有整体圆顶形形状，并且在超硬结构12、中间层161、162和基材14之间的界面具有一般轮廓的圆顶。
具有整体圆顶形状的刀尖可特别用于球头立铣刀。球头立铣刀可用于制造具有弓形凹面特征的制品，例如用于注射成型的挤出模具或用于汽车的等速（CV）万向节部件。公开的包含PCBN材料的滚圆或圆顶形刀尖可用于球头立铣刀，所述球头立铣刀用于机加工包含铸铁、灰铸铁和高强度铁、硬化工具钢或超级合金材料例如Cr-Ni超级合金材料的本体。
参照图6，用于麻花钻头（未显示）的超硬刀尖20的实施例包含具有切削面22并借助于设置在超硬结构12与烧结碳化物基材14之间的三个中间层161、162和163连接到烧结碳化物基材14的超硬结构12，中间层161、162、163包含超硬材料的晶粒和分散在金属粘结剂中的金属碳化物材料的晶粒。出屑槽24成形到超硬结构12和烧结碳化物基材14中。超硬结构12的外周侧限定连接出屑槽24的圆柱形刃带18。
如图7所示，示例性麻花钻40可包含具有出屑槽44的钻轴42，以及连接到钻轴42的末端46的超硬刀尖20。该钻轴42限定了纵轴L。
参照图8A和图8B，示例性麻花钻（仅显示其一部分）包含含有至少两个出屑槽44（在图8A中仅可见其中之一）的钻轴42和在钻轴42的近端46处连接到该钻轴的超硬刀尖20。图8B显示在图8A所示方向T上超硬刀尖的正对末端的视图或俯视图。超硬刀尖20包含构造成在末端46处匹配轴42的出屑槽44的两个出屑槽24，并限定了两个刃口26，各与各自的出屑槽24相关联。在该特定实施例中，超硬结构12限定了横刃28。超硬刀尖20包含借助于设置在超硬结构12与烧结碳化物基材14之间的中间层16连接到烧结碳化物基材14的超硬层12，该中间层16包含金刚石晶粒和分散在金属粘结剂中的金属碳化物材料的晶粒。超硬结构12的外周侧限定连接出屑槽24的圆柱形刃带18。在该实例的一种变体（未显示）中，该超硬结构的外周侧的至少一部分可以变窄以限定出周缘（或至少相对薄的外周刃带），该周缘部分和外周表面部分一起连接于形成在超硬刀尖中的相邻出屑槽。
在某些示例性刀尖中，中间层的厚度或超过一个层的组合厚度为至少约0.1毫米，因为明显比这更薄的层可能是无效的。中间层中超硬晶粒的平均含量为中间层组成的至少约10重量%。该中间层可以包含至少约30体积%和至多约80体积%的金刚石晶粒；或该中间层可以包含至少约10体积%和至多约50体积%的cBN晶粒。如果中间层的金刚石含量显著大于约80体积%，该金刚石晶粒可能互生，导致形成PCD材料。如果金刚石晶粒的平均含量显著小于约30重量%，该中间层的性质可能不会提供由超硬材料的那些性质向烧结碳化物材料的那些性质的有效过渡。如果中间层的cBN含量显著大于约50体积%或显著小于约10重量%，该中间层的性质可能不会提供由超硬材料的那些性质向烧结碳化物材料的那些性质的有效过渡。特别的，当该超硬结构由包含少于约80体积%的cBN的PCBN材料组成，且该中间层包含cBN晶粒时，与其中该超硬结构由PCD材料组成且中间层中的超硬晶粒是金刚石晶粒的情况相比，更低含量的cBN晶粒就可足够了。如果中间层中金属粘结剂材料的平均含量不显著大于在烧结碳化物基材中的平均含量，超硬结构与基材之间性质的渐变可以得到增强。该中间层可以既含有cBN晶粒，又含有金刚石晶粒。
在一种示意性布置中，刀尖可以包含PCD结构和至少三个中间层，各自具有不同含量的金刚石晶粒（并因此具有不同含量的碳化物晶粒和金属粘结剂）。在另一实施例中，可以存在至少一个中间层，其中金刚石晶粒的含量遍及该层更加逐渐地改变。该中间层中的金刚石含量可以从与烧结碳化物基材的界面向与超硬结构的界面增加。在一种布置中，存在由烧结碳化物材料向PCD材料的基本连续的渐变。
本文中公开的钻头可以因相对简单和所需步骤数量减少而导致降低的制造成本。其原因可能在于该超硬结构可以与该基材一起整体成型，而不是提供预烧结件并随后连接到该基材上。提供单一和整体成型的超硬坯料本体并随后将其加工以形成用于旋转工具的刀尖的方法可能允许相对有效地提供更复杂的尖端和刃口构造。但是，可以预期在一方面的制造的相对简便性与另一方面的使用的坚固性之间的折衷。
回转式机械工具，如具有PCD刀尖的钻头，可用于机加工包含Ti或CFRP，或Ti与CFRP的组合的本体。回转式机械工具刀头在使用时可能会经历对切削结构的高剪切应力活动。当被钻进的本体包含很坚硬的材料如Ti和/或CFRP时，该剪切应力可能更剧烈。在其中限定刃口的超硬结构以嵌在烧结碳化物本体中的脉纹形式存在的超硬钻头中，超硬结构后面的烧结碳化物体将可能承载它并减少该超硬结构被剪切应力剪断的可能性或甚至防止该超硬结构被剪切应力剪断。在其中以粘接到烧结碳化物基材的层或帽（cap）形式提供超硬结构的超硬刀尖中，在使用时可能存在更大的超硬结构剪断、或至少一部分超硬结构断裂并从基材脱离的风险。提供如本文所公开的含超硬晶粒的中间层可以降低这种风险和提高刀尖的坚韧性，尽管相对较小地牺牲一定程度的可接受的复杂性。
包含例如Ti和/或CFRP的难机加工工件的钻削可能导致钻头的相对高的磨损率，使用具有尽可能高的耐磨损性的刀尖材料可为更有效的。虽然通常将PCD材料理解为具有高的耐磨性，但不同等级的PCD可以具有不同的耐磨性。不同等级的PCD可以具有不同的结构与组成特征，如不同的金刚石含量，不同的金刚石晶粒尺寸分布，和在金刚石晶粒之间间隙中的催化剂材料的不同含量。通常，预计对于更高含量的金刚石和因此更低含量的催化剂材料（如钴），该耐磨损性将更高。遗憾的是，预计此类等级更容易从烧结碳化物基材上脱层。
可以时常将钻头修复以延长它们的工作寿命。这可以通过研磨刀尖来实现，这需要从刀尖上除去部分材料。可能需要市售PCD镶刃的钻头重新研磨三到四次，每次从表面上除去约0.5毫米。当该PCD结构具有连接到烧结碳化物基材的层的一般形式时，其因此可能需要厚至少约2.5毫米或至少约3毫米。预计这种相对厚的PCD层会提高脱层的风险，所述脱层可能是由于PCD材料与烧结碳化物材料之间热性质，如热膨胀系数（CTE）方面的差异。
在使用中PCD材料的部分从钻具脱层可能是严重的问题，因为该部分可能会深深堆积在钻取的孔中，并因PCD的极高硬度而难以取出。这可导致制得部件的损耗，其可能是相对昂贵的。
Ti中的毛刺与CFRP中脱层缺陷的发生可以通过构造PCD刃口以具有正向或至少中立的切削几何形状来减少，这预计可以降低在本体（和在PCD刀尖）上的轴向力。另一方面，预计负向切削几何形状布置获得不那么容易破损的更稳定的刃口，但是预计本体上的刃口的质量会变差。
虽然不希望被特定理论束缚，但使用包含足够含量的金刚石晶粒的至少一个中间层可能导致在超硬结构与基材之间应力的改善分布或降低。包含与超硬结构中所含相同的超硬材料晶粒夹杂可具有这样的情况：超硬结构和中间层的热性质与机械性质更好地匹配，致使性质在超硬结构与基材之间更逐渐地过渡。可以通过提供超过一个中间层增进这种情况。
包含PCD材料的PCD结构可以通过如下方式制得：在用于金刚石的催化剂材料例如钴的存在下，在金刚石比石墨更热力学稳定的压力和温度下，将聚集的大量金刚石晶粒烧结在一起。该压力可以为至少约5GPa，该温度可以为至少约1,250摄氏度。在某些变体中，该压力可以大于6.0GPa、大于7.0GPa或甚至至少约8GPa。该金刚石晶粒可以烧结在烧结碳化物基材上，获得包含粘接到基材的PCD结构的复合片。该基材可以含有催化剂材料如钴，并可以提供催化剂材料的源，该源在烧结该PCD材料的压力和温度下在处于熔融状态时可以在该金刚石晶粒中渗透。在一种制造刀尖的方法中，可以构造包含插在聚集的大量金刚石晶粒与烧结碳化物基材之间的用于中间层的前体片材的预复合组装件。随后可使该前体组装件经受至少约5.5GPa的压力和至少约1,250摄氏度的温度以烧结金刚石晶粒并形成单一本体，所述本体包含经由至少一个中间层连接到该基材的PCD材料。该单一本体随后可以通过例如研磨加工以制造适于进一步加工以制造回转式机械工具的刀尖的坯料本体。PCD坯料本体可以通过包括电火花机加工（EDM）和研磨的方法加工以形成出屑槽和刀尖的切削面。
在上述示例性方法中，中间层的前体片材可以包含借助于粘合剂材料保持在一起的金刚石晶粒、碳化物晶粒与金属粉末。制造层状PCD元件的示例性方法包括提供流延片材，每个片材包含通过粘合剂（如水基有机粘合剂）粘接到一起的大量金刚石晶粒，并将片材相互堆叠并堆叠在支撑本体上。包含具有不同尺寸分布、金刚石含量与添加剂的金刚石晶粒的不同片材可以选择性堆叠以获得所需结构。该片材可以通过本领域已知的方法制得，如挤出或流延法，在流延法中将包含金刚石晶粒和粘合剂材料的浆料涂覆到表面上并使其干燥。也可使用制造含金刚石片材的其它方法，如可以使用美国专利号5,766,394和6,446,740中描述的方法。沉积含金刚石层的替代性方法包括喷涂法，例如热喷涂。
在将金刚石晶粒的聚集块体烧结在一起以形成PCD材料时，可以以各种方式将溶剂/催化剂材料引入到聚集块体中。一种方式包括通过从水溶液中沉淀的方法将金属氧化物沉积到大量金刚石晶粒的表面上，随后使其固结成聚集块体。此类方法公开在PCT公开号WO2006/032984和WO2007/110770中。另一种方式包括以粉末形式制备或提供包括用于金刚石的催化剂材料的金属合金，并将该粉末与大量金刚石晶粒混合，随后使其固结成聚集块体。可以借助于球磨机来进行混合。可以将其它添加剂混入聚集块体中。金刚石晶粒的聚集块体（包括已经引入的任何溶剂/催化剂材料颗粒或添加剂材料颗粒）可以成型为未粘结或松散粘结的结构，将其放置到烧结碳化物基材上。该烧结碳化物基材可含有用于金刚石的催化剂材料的源，例如钴。包含晶粒的聚集块体与基材的组装件可以封装到适于超高压炉设备的容器中，并使该容器经受大于6GPa的压力。各种超高压设备是已知的，并可以使用包括带式、环形的（torroidal）、立方和四方多顶砧***。容器的温度应对于使催化剂材料熔融足够高，并且对于避免金刚石显著转化为石墨足够低。时间应对于使烧结完成足够长，但应尽可能短以尽量提高生产率和降低成本。
提出下列条款以进一步描述坯料本体、刀尖、回转式机械工具、使用回转式机械工具的方法和制造刀尖的方法。
1．用于回转式机械工具的刀尖（也称为超硬刀尖），包含借助于设置在该超硬结构与该烧结碳化物基材之间的中间层连接到烧结碳化物基材的超硬结构，该中间层包含超硬材料例如金刚石或cBN的晶粒以及分散在金属粘结剂材料中的金属碳化物材料例如碳化钨（WC）的晶粒，所述金属粘结剂材料可以包含钴（Co）。
2．条款1的刀尖，包含至少两个出屑槽，该超硬结构的外周侧限定连接该出屑槽的圆柱形刃带（land）。
3．条款1或条款2的刀尖，用于麻花钻或立铣刀。
4．前述条款任一项的刀尖，其中该超硬结构限定了刃口之间的横刃。
5．前述条款任一项的刀尖，其中该超硬结构限定了侧表面。
6．前述条款任一项的刀尖，其中该超硬结构包含聚晶金刚石（PCD）材料或由聚晶金刚石（PCD）材料组成。
7．前述条款任一项的刀尖，其中该超硬结构包含PCD材料或由PCD材料组成，所述PCD材料包含至少约85体积%或至少约88体积%的金刚石。
8．前述条款任一项的刀尖，其中该超硬结构包含含有至多约10体积%的用于金刚石的金属催化剂材料的PCD材料。
9．条款1至5任一项的刀尖，其中该超硬结构包含PCBN材料或由PCBN材料组成。
10．条款9的刀尖，其中该PCBN材料包含分散在含Co、W和Al的粘合剂基质中的至少约80体积%或至少约85体积％的cBN晶粒，其中该cBN晶粒具有至多约5微米或至多约3微米的平均尺寸。
11．前述条款任一项的刀尖，其中该超硬结构具有至少约1毫米、至少约2.5毫米或至少约3毫米（例如至少在刃口处）的厚度（纵向厚度）。
12．前述条款任一项的刀尖，其中该超硬结构的纵向厚度基本上在整个超硬结构中并不相同。
13．前述条款任一项的刀尖，其中该基材具有近端和远端，该超硬结构（其可具有层的一般形式）基本覆盖整个近端，远端连接到用于回转式工具（如麻花钻）的部件，如钻轴。
14．前述条款任一项的刀尖，其中该超硬结构借助于设置在超硬结构与烧结碳化物基材之间的至少两个或至少三个中间层连接到烧结碳化物基材，该中间层包含不同的相对含量的金刚石晶粒、金属碳化物晶粒和金属粘结剂。
15．前述条款任一项的刀尖，其中至少一个中间层具有至少约0.1毫米的厚度。
16．前述条款任一项的刀尖，其中至少一个中间层具有至多约0.3毫米的厚度。
17．前述条款任一项的刀尖，其中该中间层包含至少约30体积%的金刚石和至多约80体积%的金刚石晶粒，或至少约10体积%的cBN晶粒和至多约50体积%的cBN晶粒。
18．用于回转式机械工具的刀尖（也称为超硬刀尖）的坯料本体，该坯料本体包含借助于设置在该超硬结构与该烧结碳化物基材之间的中间层连接到烧结碳化物基材的超硬结构，该中间层包含超硬材料例如金刚石或cBN的晶粒和分散在金属粘结剂材料中的金属碳化物材料例如碳化钨（WC）的晶粒，所述金属粘结剂材料可以包含钴（Co）。
19．条款18的坯料本体，其中该超硬结构包含聚晶金刚石（PCD）材料或由聚晶金刚石（PCD）材料组成。
20．条款18或19的坯料本体，其中该超硬结构包含PCD材料或由PCD材料组成，所述PCD材料包含至少约85体积%或至少约88体积%的金刚石。
21．条款18至20任一项的坯料本体，其中该PCD材料包含至多约10体积%的用于金刚石的金属催化剂材料。
22．条款18至21任一项的坯料本体，其中该超硬结构包含热稳定的PCD。
23．条款18的坯料本体，其中该超硬结构包含PCBN材料或由PCBN材料组成。
24．条款23的坯料本体，其中该PCBN材料包含分散在含Co、W和Al的粘合剂基质中的至少约80体积%、或至少约85体积%的cBN晶粒，并且其中该cBN晶粒具有至多约5微米或至多约3微米的平均尺寸。
25．条款18至24任一项的坯料本体，其中该基材具有近端和远端，该超硬结构（其可具有层的一般形式）基本覆盖整个近端，远端连接到用于回转式工具（如麻花钻）的部件，如钻轴。
26．条款18至25任一项的坯料本体，其中该超硬结构借助于设置在超硬结构与烧结碳化物基材之间的至少两个或至少三个中间层连接到烧结碳化物基材，该中间层包含不同组成的金刚石或cBN晶粒、金属碳化物晶粒和金属粘结剂。
27．条款18至26任一项的坯料本体，其中至少一个中间层具有至少约0.1毫米的厚度。
28．条款18至27任一项的坯料本体，其中至少一个中间层具有至多约0.3毫米的厚度。
29．条款18至28任一项的坯料本体，其中该烧结碳化物基材具有狭长的或整体柱形的形式，其具有近端和远端，近端为工作末端，远端为连接末端，以及连接近端和远端的侧面；该工作末端的至少一部分具有基本圆锥、截头圆锥或滚圆圆锥的形状，例如球形滚圆圆锥形状，或整体圆顶形状；该超硬结构相邻该工作末端布置。
30．条款18至29任一项的坯料本体，具有由该超硬结构限定的顶点，并且其中该超硬结构的纵向厚度在相邻坯料本体外周缘处大于在顶点处的厚度。
31．条款18至30任一项的坯料本体，其中该超硬结构具有帽的整体形式。
32．条款18至31任一项的坯料本体，其中中间层的综合厚度或中间层的厚度（视情况而定）可以为至少约0.4或至少约0.6毫米。
33．条款18至32任一项的坯料本体，其中该超硬结构具有至少约1毫米、至少约2.5毫米或至少约3毫米（例如至少在刃口处）的厚度（纵向厚度）。
34．条款18至33任一项的坯料本体，包含至少两个或三个中间层，或通常由该烧结碳化物材料至该超硬结构的整体连续的渐变。
35．包含条款1至17任一项的超硬刀尖的回转式机械工具。
36．条款36的回转式机械工具，其中该超硬结构整体上由纵轴横向延伸并限定刃口。
37．机加工包含钛（Ti）和/或碳纤维增强聚合物（CFRP）材料的本体的方法，该方法使用条款35或36的回转式机械工具。
38．制造用于条款35或36的回转式机械工具的刀尖的方法，该方法包括提供条款18至34任一项的坯料本体，和从该坯料本体除去材料以形成刃口。
39．条款38的方法，包括从坯料本体除去材料以形成出屑槽。
下面更详细地描述非限制性实施例。
实施例1
制造用于麻花钻头的PCD刀尖坯料本体，其包含经由三个中间层粘结到烧结碳化物基材的多模态PCD帽。
通过以下方法制备预复合片（pre－compact）组装件：提供在一端具有以与PCD刀尖坯料本体工作表面的预期形状相同的整体形状构造的内部形状的壳体，并将PCD结构的前体层和中间层以及基材本体组装到该壳体中。
该基材本体是成型的钴结碳化钛硬质合金，包含约10重量%的钴和平均尺寸为约4微米至约6微米的WC晶粒。该基体本体包含近端和远端，该末端通过整体柱形的侧面连接。近端具有球形钝头圆锥形状，所述圆锥具有曲率半径为约2.25毫米的滚圆顶点。
用于三种各自的中间层（标记为L1、L2和L3）的三种前体中的每者层由各自由标记为S1、S2和S3的片材形成，其包含三种不同组成的金刚石与碳化钨晶粒。标记为S1的该片材之一还包含粉末形式的掺合钴。在下表1中显示了层S1、S2和S3以重量%为单位的组成，不包含有机粘合剂。通过流延包含金刚石和碳化钨晶粒和有机粘合剂的各自浆料并使浇铸的浆料干燥来形成该片材。金刚石晶粒具有多模态尺寸分布和约5微米至约15微米的平均尺寸。坯料本体箔F1、F2和F3由各自的片材S1、S2和S3切割至适于组装到壳体中的尺寸，并将各个箔成型以符合该壳体末端的内部形状。
表1
金刚石 WC Co
S1 75重量% 25重量% 0重量%
S2 50重量% 50重量% 0重量%
S3 20重量% 61重量% 19重量%
通过如下方式组装该预复合片组装件：将PCD结构的前体层放置到该壳体中与该壳体的成形内部末端接触，倚靠（against）PCD前体层放置箔F1，倚靠F1放置箔F2，倚靠F2上放置箔F3并随后将基材本体放置到该壳体中，倚靠F3压制其近端。
在真空中使该预复合片组装件经受热处理以烧除基本所有的有机粘合剂，随后将其装配到用于超高压炉的容器中。使预复合片组装件经受约5.5GPa的压力和约1,350摄氏度的温度以烧结该PCD前体结构以形成经由三个中间层连接到基材本体的PCD端帽。
实施例2
类似于实施例1中所述那样制造用于麻花钻钻头的PCD刀尖坯料本体，所述坯料本体包含经由三个中间层粘结到烧结碳化物基材的多模态PCD帽，但不同的是S3中Co的含量更高（如表2中所示）。
表2
金刚石 WC Co
S1 75重量% 25重量% 0重量%
S2 50重量% 50重量% 0重量%
S3 18重量% 54重量% 28重量%
实施例3
制造用于麻花钻钻头的PCBN刀尖坯料本体，所述坯料本体包含经由两个中间层粘结到烧结碳化物基材的具有层的一般形式的PCBN结构。该坯料本体具有整体圆顶形状的工作末端。
通过以下方法制备预复合片组装件：提供在一端具有以与该坯料本体工作末端所预期的相同的整体圆顶形状构造的内部形状的壳体，并将PCBN结构的前体层和中间层以及基材本体组装到该壳体中。
该基材本体基本上由成型的钴结碳化钛硬质合金组成，包含约8重量%的钴和平均尺寸为约4微米至约6微米的WC晶粒。
两个各自中间层L1和L2的两种前体层分别由各自的片材S1和S2形成，其包含借助于有机粘合剂材料保持在一起的三种不同各自组成的cBN与碳化钨晶粒。层S1和S2以重量%计的组成显示在下表3中，不包含有机粘合剂。通过流延包含cBN和碳化钨晶粒和有机粘合剂材料的各自浆料并使浇铸的浆料干燥来形成该片材。箔F1和F2由各自的片材S1和S2切割至适于组装到壳体中的尺寸。
表3
cBN WC Co
S 1 50重量% 50重量% 0重量%
S2 25重量% 75重量% 0重量%
通过如下方式组装该预复合片组装件：将PCBN结构的前体材料放置到该壳体中与该壳体的成形内部末端接触，倚靠PCBN前体层放置箔F1，倚靠F1放置箔F2并随后将基材本体放置到该壳体中，倚靠F2压制其近端。PCBN结构的前体材料包含cBN晶粒与铝粉、W粉和WC粉的混合物。
在真空中使该预复合片组装件经受热处理以烧除基本所有的有机粘合剂，随后将其装配到用于超高压炉的容器中。使预复合片组装件经受约5GPa的压力和约1,400摄氏度的温度以烧结该PCBN前体结构以形成经由两个中间层连接到基材本体的PCBN端帽。烧结的PCBN结构包含分散在含Co、W和Al的粘合剂基质材料中的85体积%的cBN晶粒，所述cBN晶粒具有约2微米的平均尺寸。
上面已经描述了超硬刀尖、用于刀尖的坯料本体和工具的各种示例性实施方案。本领域那些技术人员将理解，可以在不背离所述的发明的精神与范围的情况下对这些实施例进行改变和变动。

Claims (12)

1.用于麻花钻或立铣刀的刀尖，包含借助于设置在超硬结构与烧结碳化物基材之间的至少一个中间层连接到烧结碳化物基材的超硬结构，所述中间层包含超硬材料的晶粒和分散在金属粘结剂材料中的金属碳化物材料的晶粒，其中所述超硬结构包含聚晶金刚石(PCD)材料或聚晶立方氮化硼(PCBN)材料，其中所述刀尖包含至少两个出屑槽，所述超硬结构的外周侧限定连接所述出屑槽的柱形刃带。
2.如权利要求1所述的刀尖，其中所述超硬结构借助于设置在所述超硬结构与所述烧结碳化物基材之间的至少两个中间层连接到烧结碳化物基材，所述中间层包含不同组成的金刚石晶粒、金属碳化物晶粒和金属粘结剂。
3.如权利要求1所述的刀尖，其中所述中间层包含金刚石晶粒。
4.如权利要求1所述的刀尖，其中所述中间层包含至少30体积％的金刚石和至多80体积％的金刚石晶粒。
5.如权利要求1所述的刀尖，其中所述中间层包含至少10体积％的cBN晶粒和至多50体积％的cBN晶粒。
6.如权利要求1所述的刀尖，其中至少一个中间层具有至少0.1毫米的厚度。
7.如权利要求1所述的刀尖，其中所述超硬结构具有至少1毫米的厚度。
8.如权利要求1所述的刀尖，其中所述超硬结构包含PCBN材料，所述PCBN材料包含分散在含Co、W和Al的粘合剂基质中的至少80体积％的cBN晶粒，其中所述cBN晶粒具有至多5微米的平均尺寸。
9.如权利要求1所述的刀尖，其中所述超硬结构包含PCD材料，所述PCD材料包含至多10体积％的用于金刚石的金属催化剂材料。
10.包含如权利要求1所述的刀尖的回转式机械工具。
11.机加工包含碳纤维增强聚合物(CFRP)材料的本体的方法，该方法使用包含如权利要求1-10中任一项所述的刀尖的回转式机械工具，所述刀尖包含借助于设置在所述超硬结构与烧结碳化物基材之间的至少一个中间层连接到烧结碳化物基材的超硬结构，所述中间层包含超硬材料的晶粒和分散在金属粘结剂材料中的金属碳化物材料的晶粒。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述本体包含钛(Ti)和碳纤维增强聚合物(CFRP)材料。
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