CN101560624B - 一种聚晶立方氮化硼的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚晶立方氮化硼的制备方法，包括以下步骤：以立方氮化硼及结合剂为原料，将立方氮化硼及结合剂混合后球磨，球磨时球料比为(1-4)∶1，转速为400-800转/分，球磨时间为4-20小时；将球磨后的混合料干燥，干燥后加入有机粘结剂，混合均匀，过100目筛网；冷压成型，压力范围为0.8GPa-2GPa；将成型后的坯体进行烧结，烧结温度为1000-1300℃，保温时间为4-20小时，烧结后即制得成品。本发明方法所制备的聚晶立方氮化硼PcBN呈灰色，为致密块体，具有硬度高、磨削效率高、抗冲击韧性好、容易修整、磨削质量好等优越性能。本发明的方法所需设备简单、操作易控制，成本低，易于大规模化生产，具有很好的社会价值和经济价值，易于推广应用。

Description

一种聚晶立方氮化硼的制备方法

技术领域

本发明提供了聚晶立方氮化硼(PcBN)的制备方法，属于切削加工材料的先进刀具领域。

背景技术

切削刀具是机械制造中用于切削加工的工具，目前广泛使用的金属切削刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金和陶瓷刀具等，而我国刀具材料结构中高速钢占有绝对优势，约占60％，硬质合金不到40％。由于用于高速切削的刀具需要同时具有韧性好、抗冲击能力强和耐磨性好等性能，并直接影响了切削加工精度，因此传统的刀具材料面临巨大挑战。随着对高速切削的要求越来越高，陶瓷刀具等应运而生。

由于CBN的三高性：高硬度、高的热稳定性和高的与铁族元素的惰性，在工业发达国家将其作为提高及加工工业中的经济效益(节能、高效、精密、自动化)的重要工具材料加以发展，尤其在军工、宇航、喷涂焊加工工业中更为突出。而单晶CBN的粒度小，而且存在有易劈裂的“解理面”，不能直接用于制造切削刀具，因此在工业上作切削刀具大多是聚晶的PcBN，PcBN是由无数细小的CBN单晶构成，PcBN因而无方向性，会使劈裂的影响大大减少，而且随着切削过程刀具的磨损，会连续露出新鲜的晶体。

CBN单晶表面有一层致密的氧化硼薄膜，这层薄膜阻碍了CBN晶粒间的直接键合，所以难得到CBN与CBN之间的直接键合的高强度的PCBN，因而在聚合过程中加入多种结合剂材料以加强CBN晶粒间的连接。

目前国内外PcBN的结合剂基本有两种类型：一种是由金属及其合金组成的金属结合剂，这种结合剂对提高PcBN的韧性起到良好的作用，但在高温条件下结合剂软化，对PcBN的耐磨性起到副作用；另一类是目前正在发展的陶瓷与金属或金属合金组成的结合剂，因为纯陶瓷结合剂可以解决高温条件下软化的问题，但这种PcBN抗冲击性能差，寿命短。

PcBN(聚晶立方氮化硼)是由无数细小无序排列的cBN单晶组成的，无解理面，宏观上无方向性，这会使劈裂的影响大大减小，而且会随着切削刀具的磨损连续地露出新鲜的晶体。PcBN刀具材料按其成分和制造方法可分为聚晶立方氮化硼烧结体(PcBN烧结体)和复合聚晶立方氮化硼(PcBN复合刀片)。由于PcBN具有良好的抗化学腐蚀性，且在1200℃的高温下表现出很好的热稳定性，因此在刀具尖端的相对高温不会对它产生任何不利的影响，相反它还能在切削硬质铁合金时起到加速切削的作用。

目前聚晶立方氮化硼PcBN的制备方法主要采用在高温高压下的热压烧结法制备而成，还有报道称采用等离子放电烧结工艺，现有的制备聚晶立方氮化硼的方法均是成型与烧结同时进行，成型所需压力很大，为7-9GP；烧结温度也较高，为1400-2600℃，另外制备工艺所需要设备复杂，成本高，从而在一定程度上限制了聚晶立方氮化硼的使用。因此，必须大幅度降低PcBN的生产制造成本，使其变为“普通”刀具材料，才有可能使PcBN得到广泛的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚晶立方氮化硼的制备方法，以大大降低生产成本。

为了实现上述目的，本发明的技术方案采用了一种聚晶立方氮化硼的制备方法，包括以下步骤：以立方氮化硼及结合剂为原料，将立方氮化硼及结合剂混合后球磨，球磨时球料比为(1-4)∶1，转速为400-800转/分，球磨时间为4-20小时；将球磨后的混合料干燥，干燥后加入有机粘结剂，混合均匀，过100目筛网；冷压成型，压力范围为0.8GPa-2GPa；将成型后的坯体进行烧结，烧结温度为1000-1300℃，保温时间为4-20小时，烧结后即制得成品。

所述的立方氮化硼与结合剂的重量百分含量分别为：立方氮化硼70-95％，结合剂5-30％。

所述的立方氮化硼的粒径范围为0.1～100μm。

所述的立方氮化硼为纯净的氮化硼或是镀Ti、Ni的立方氮化硼。

所述的结合剂由单质铝粉、含硅物质、含硼物质、含铝物质及含氮物质组合而成，各组分的重量比为  单质铝粉∶含硅物质∶含硼物质∶含铝物质∶含氮物质＝(10-50)∶(5-25)∶(2-10)∶(1-5)∶(10-20)。

所述的含硅物质为二氧化硅；含硼物质为氧化硼或是硼酸中的任意一种或其组合；含铝物质为氧化铝；含氮物质为氮化硅。

所述的结合剂由单质硅粉、含钾矿物及含氮物质组合而成，各组分的重量比为：单质硅粉∶含钾矿物质∶含氮物质＝(1～10)∶(4～40)∶(1～10)。

所述的含钾矿物为钾长石；含氮物质为氮化硅。

所述的有机粘结剂为聚乙烯醇(PVA)。所述的冷压成型过程中坯体的成型采用分步加压法，即先在低压力(200MPa)下压制成坯体，然后逐步加压以达到所需的压力；压力范围：0.8～2GPa，保压时间：60～200s。

本发明的方法以立方氮化硼cBN为主耐磨相，添加结合剂后过筛、造粒、冷压分步成型，在空气气氛下烧结后得到PcBN复合体，其中立方氮化硼cBN的粒径范围为0.1～100μm；选料时cBN粒度满足r₁∶r₂∶r₃＝1∶0.414∶0.225的关系，以实现最紧密堆积；本发明所提供的聚晶立方氮化硼PcBN的制备方法所需要的压力小，烧结温度低，操作条件易达到；所需要设备简单、操作易控制，成本低，该方法适宜PcBN的大规模化生产。本发明的PcBN呈灰色，为致密块体。使用本发明的方法所得的聚晶立方氮化硼PcBN具有硬度高、磨削效率高、抗冲击韧性好、容易修整、磨削质量好等优越性能。

附图说明

图1为本发明采用的原料立方氮化硼cBN粉体的X射线衍射图；

图2为实施例1烧结体PcBN的扫描电镜照片；

图3为实施例1所制备的烧结体PcBN断面扫描电镜照片；

图4为实施例2所制备的烧结体PcBN断面扫描电镜照片；

图5为实施例2烧结体PcBN的线扫描图；

图6为实施例2烧结体PcBN能谱分析。

具体实施方式

实施例1

本发明的聚晶立方氮化硼PcBN的制备方法如下：称量0.6gAl，0.3g SiO₂，0.15g Al₂O₃，0.06g H₃BO₃，0.6g Si₃N₄，将其混合均匀即为结合剂；然后再称量4.2g立方氮化硼cBN(X射线衍射图见图1)，其粒径范围为30～40μm；将结合剂和cBN置于行星球磨机混合，球料比为2∶1，球磨介质为水，转速为600转/min，球磨时间为4小时；将球磨后的混合料放入60℃干燥箱烘干；取出放入研钵，加入聚乙烯醇PVA作为有机粘结剂，混合均匀，过100目筛网；称量0.5g混合料，用Φ8的模具在压机上成型，初始压力为4MPa，保压时间为100秒；卸压后再加载8MPa压力，保压100s；再卸压加载12MPa的压力，保压100s，脱模后即为坯体；将成型后的坯体置于烧结炉中烧结，烧结制度为：0～300℃，升温速率3℃/min；300～900℃，速率5℃/min；900～1200℃，速率10℃/min；在1200℃下保温4小时，自然冷却至室温，烧结后即制得成品。制备而得的PcBN烧结体的断面扫描电镜照片如图3所示，从图3中可以看出，cBN颗粒与结合剂之间的界面结合非常好，断口处气孔较少，断口较平整，发生脆性断裂。用阿基米德原理测得制品的气孔率和体积密度，其数值见表1试样A。用HX-1000TM/LCD显微硬度计测试PcBN烧结体的显微硬度，试验力：9.807N，试验力保持时间15s，测得的显微硬度值见表2试样A。

实施例2

本实施例的聚晶立方氮化硼PcBN制备方法如下：称量1.2g钾长石，0.42gSi，0.18g Si₃N₄，将其混合均匀后即得到结合剂；然后再称量4.2g立方氮化硼cBN(X射线衍射图见图1)，其粒径范围为22～36μm；将制得的结合剂和cBN置于行星球磨机混合，球料比为3∶1，球磨介质为水，转速为600转/min，球磨时间为8小时；将球磨后的混合料放入60℃干燥箱烘干；取出放入研钵，加入PVA作为粘结剂，混合均匀，过100目筛网；称量0.5g混合料，用Φ8的模具在压机成型，初始压力为4MPa，保压时间为100秒；卸压后再加载8MPa压力，保压100s；再卸压加载12MPa的压力，保压100s，脱模后即为坯体。将成型后的坯体置于烧结炉中烧结，烧结制度为：0～300℃，升温速率3℃/min；300～900℃，速率5℃/min；900～1200℃，速率10℃/min。1200℃下保温4小时，自然冷却至室温，烧结后即制得成品。制备的PcBN烧结体的断面扫描电镜照片如图4所示，从图中可以看出，cBN颗粒与结合剂之间的界面结合紧密，试样断口处大气孔少，孔隙比较均匀，气孔圆滑，没有尖锐棱角。而且断口平整，发生脆性断裂。用阿基米德原理测得制品的气孔率和体积密度，其数值见表1试样B。用HX-1000TM/LCD显微硬度计测试PcBN烧结体的显微硬度，试验力：9.807N，试验力保持时间15s，测得的显微硬度值见表2试样B。从图5的线扫描图和图6的能谱分析可以看出，cBN颗粒之间的结合剂的元素主要是Al、Si、K，且各种元素的比例与所配的结合剂的质量比相一致。

实施例3

本实施例的聚晶立方氮化硼PcBN制备方法如下：称量1.2g钾长石，0.42gSi，0.18g Si₃N₄，将其混合均匀即得结合剂；然后再称量4.2g镀Ti的cBN，其粒径范围为30～40μm；将结合剂和cBN置于行星球磨机混合，球料比为4∶1，球磨介质为水，，转速为600转/min，球磨时间为16小时；将球磨后的混合料放入60℃干燥箱烘干；取出放入研钵，加入PVA作为粘结剂，混合均匀，过100目筛网；称量0.5g混合料，用Φ8的模具在压机成型，初始压力为4MPa，保压时间为100秒；卸压后再加载8MPa压力，保压100s；再卸压加载12MPa的压力，保压100s；再卸压加载14MPa的压力，保压100s；脱模后即为坯体；将成型后的坯体置于烧结炉中烧结，烧结制度为：0～300℃，升温速率3℃/min；300～900℃，速率5℃/min；900～1200℃，速率10℃/min。1200℃下保温4小时，自然冷却至室温，烧结后即制得成品。用阿基米德原理测得制品的气孔率和体积密度，其数值见表1试样C。用HX-1000TM/LCD显微硬度计测试PcBN烧结体的显微硬度，试验力：9.807N，试验力保持时间15s，测得的显微硬度值见表2试样C。

表1为烧结体PcBN气孔率和相对密度

表2为烧结体PcBN显微硬度值

最后所应说明的是，以上实例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：以立方氮化硼及结合剂为原料，将立方氮化硼及结合剂混合后球磨，球磨时球料比为(1-4)∶1，转速为400-800转/分，球磨时间为4-20小时；将球磨后的混合料干燥，干燥后加入有机粘结剂，混合均匀，过100目筛网；冷压成型，压力范围为0.8GPa-2GPa；将成型后的坯体进行烧结，烧结温度为1000-1300℃，保温时间为420小时，烧结后即制得成品；

所述的结合剂由单质铝粉、含硅物质、含硼物质、含铝物质及含氮物质组合而成，各组分的重量比为：单质铝粉∶含硅物质∶含硼物质∶含铝物质∶含氮物质＝(10-50)∶(5-25)∶(2-10)∶(1-5)∶(10-20)；或者所述的结合剂由单质硅粉、含钾矿物及含氮物质组合而成，各组分的重量比为：单质硅粉∶含钾矿物∶含氮物质＝(1～10)∶(4～40)∶(1～10)。

2.根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于：所述的立方氮化硼与结合剂的重量百分含量分别为：立方氮化硼70-95％，结合剂5-30％。

3.根据权利要求2所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于：所述的立方氮化硼的粒径范围为0.1～100μm。

4.根据权利要求3所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于：所述的立方氮化硼为纯净的氮化硼或是镀Ti、Ni的立方氮化硼。

5.根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于：所述的含硅物质为二氧化硅；含硼物质为氧化硼或是硼酸中的任意一种或其组合；含铝物质为氧化铝；含氮物质为氮化硅。

6.根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于：所述的含钾矿物为钾长石；含氮物质为氮化硅。

7.根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于：所述的有机粘结剂为聚乙烯醇(PVA)。

8.根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于：所述的冷压成型过程中坯体的成型采用分步加压法，即先在低压力下压制成坯体，然后逐步加压以达到所需的成型压力：最终成型压力范围0.8～2GPa，保压时间60～200s。

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