CN102557647A - 一种立方氮化硼聚晶复合材料 - Google Patents

一种立方氮化硼聚晶复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种立方氮化硼聚晶复合材料，是由以下重量百分比的组分制成：立方氮化硼54～95％，结合剂5～42％，增韧剂0～15％；所述立方氮化硼的粒度为1纳米～40微米，是由至少两种任意重量比的不同粒度范围的立方氮化硼微粉组成，不同粒度范围的立方氮化硼微粉按照其平均粒度递增设置，平均粒度的递增倍率为1.4-3.4倍。本发明采用不同粒度范围的立方氮化硼微粉混合，作为立方氮化硼聚晶复合材料的主要成分，采用结合剂、增韧剂作为辅料制成立方氮化硼聚晶复合材料，提高了立方氮化硼聚晶复合材料耐磨和耐崩损性，磨损的磨耗比为11200～11900，抗弯强度为800～1150MPa，同时立方氮化硼聚晶复合材料的knoop硬度依然保持在30-38GPa的硬度水平，气孔率为2～5％。

Description

一种立方氮化硼聚晶复合材料
技术领域
本发明涉及一种立方氮化硼聚晶复合材料，属于制造金属加工刀具材料技术领域。
背景技术
立方氮化硼具有仅次于金刚石的硬度和导热率，而且具有比金刚石高的耐热性和与黑色金属的化学惰性，采用立方氮化硼聚晶制造的刀具在加工难加工材料时具有独特优势，可满足高硬度、高耐磨、高耐崩损性、耐高温的要求。
中国专利CN101767477A公开了一种纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片及其制造方法，其中复合片中涉及一种立方氮化硼层，采用立方氮化硼和结合剂混合烧结而成，而且还可以在立方氮化硼层中加入粘结合金、稀土金属或碳化硅晶须，立方氮化硼材料的硬度、耐磨性、烧结致密性、断裂韧性等。但是随着现代科技的发展，越来越多的难加工材料被应用如灰铸铁、冷硬铸铁、球墨铸铁、蠕变铸铁、淬火钢、轴承钢、模具钢、各类硬质合金、高温耐热合金、钛合金等，这些难加工材料硬度高、强度大、被加工时会产生大量热量，采用目前的立方氮化硼材料制造的刀具，其硬度、耐磨性能、耐崩损性能已无法满足要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属加工用立方氮化硼聚晶复合材料，在保持立方氮化硼聚晶复合材料的硬度的前提下进一步提高其耐磨和耐崩损性。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种立方氮化硼聚晶复合材料，是由以下重量百分比的组分制成：立方氮化硼54～95％，结合剂5～42％，增韧剂0～15％；所述立方氮化硼的粒度为1纳米～40微米，是由至少两种任意重量比的不同粒度范围的立方氮化硼微粉组成，不同粒度范围的立方氮化硼微粉按照其平均粒度递增设置，平均粒度的递增倍率为1.4-15.8倍。
所述结合剂为耐磨结合剂、促烧结结合剂和增强结合剂，在立方氮化硼聚晶复合材料的用量上限分别为35％、5％、2％；其中耐磨结合剂和促烧结结合剂为单独使用或共同使用，增强结合剂与耐磨结合剂和/或促烧结结合剂共同使用；所述耐磨结合剂选自碳化钛、碳氮化钛、氮化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝、(TiW)C、TiW、TiTa中的一种或其任意比组合；所述促烧结结合剂选自铝、镍、锑、锡、镁、铜中的一种或其任意比组合；所述增强结合剂选自氧化铝、氮化铝、硼化铝、氧化钇、氮化钇、氧化镝、氮化镝、铈、钕、钆、镥中的一种或其任意比组合。
所述耐磨结合剂的粒度为1纳米～30微米，所述促烧结结合剂的粒度为1纳米～30微米，所述增强结合剂的粒度为5纳米～50微米。
所述4增韧剂选自SiC晶须、纳米金刚石、氧化锆粉中的一种或其任意比组合。
所述不同粒度范围的立方氮化硼微粉为三种，这三种立方氮化硼微粉按照平均粒度由低到高排列的重量比为1∶1.5～4∶2～5。
所述不同粒度范围的立方氮化硼微粉为两种，这两种立方氮化硼微粉平均粒度由低到高的重量比为1∶1.5～4。
所述增韧剂的粒度为5纳米～2微米。
本发明的立方氮化硼聚晶复合材料采用如下制备方法：将各原料按照配方比例混合，在5.9～7.5Gpa的压力下，于1250～1450℃温度下，压制10～20分钟，即得立方氮化硼聚晶复合材料。
本发明采用不同粒度范围的立方氮化硼微粉混合，作为立方氮化硼聚晶复合材料的主要成分，采用结合剂、增韧剂作为辅料制成立方氮化硼聚晶复合材料，提高了立方氮化硼聚晶复合材料耐磨和耐崩损性，磨损的磨耗比为11200～11900(JB/T3235-1999，人造金刚石烧结体磨耗比测定方法)，抗弯强度为800～1150MPa(GB/T74741-19993，三点负荷法测陶瓷材料室温抗弯强度)，同时立方氮化硼聚晶复合材料的knoop硬度依然保持在30-38GPa的硬度水平(JISZ2251-20094，努普硬度试验方法)，气孔率为2～5％(GB/T25995-2010，精细陶瓷密度和显气孔率试验方法)。
具体实施方式
实施例1
本发明的立方氮化硼聚晶复合材料的一种具体实施例如下：
原料选用3种不同粒度范围的立方氮化硼微粉，其粒度范围分别是：立方氮化硼微粉A1：1-2纳米，立方氮化硼微粉B1：3-5纳米，立方氮化硼微粉C1：8-10纳米。A1、B1、C1的平均粒度递增倍率分别为3倍和2倍，A1、B1、C1的重量比为2∶2∶6，这3种立方氮化硼微粉共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的90％；选用3-5纳米的(TiW)C作为结合剂，占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的10％。
将上述选用的原料经球磨混合成型后，在5.9Gpa的压力下，于1300℃温度下，在混制成型料机压制10分钟，即得立方氮化硼聚晶复合材料。得到的立方氮化硼聚晶复合材料的性能参数如下：气孔率3％，其knoop硬度30Gpa，磨耗比11500，抗弯强度800Mpa。
实施例2
本发明的立方氮化硼聚晶复合材料的一种具体实施例如下：
原料选用3种不同粒度范围的立方氮化硼微粉，其粒度范围分别是：立方氮化硼微粉A2：8-12纳米，立方氮化硼微粉B2：10-20纳米，立方氮化硼微粉C2：20-30纳米。A2、B2、C2的平均粒度递增倍率分别为1.5倍和1.67倍，A2、B2、C2的重量比为2∶3∶5，这3种立方氮化硼微粉共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的92％；
选用10-12纳米的氮化硅和氧化铝作为结合剂，二者的重量比为3∶7，共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的8％；
将上述选用的原料经球磨混合成型后，在6Gpa的压力下，于1300℃温度下，压制10分钟，即得立方氮化硼聚晶复合材料。得到的立方氮化硼聚晶复合材料的性能参数如下：气孔率3％，其knoop硬度35Gpa，磨耗比11400，抗弯强度830Mpa。
实施例3
本发明的立方氮化硼聚晶复合材料的一种具体实施例如下：
原料选用3种不同粒度范围的立方氮化硼微粉，其粒度范围分别是：立方氮化硼微粉A3：90-100纳米，立方氮化硼微粉B3：1-2微米，立方氮化硼微粉C3：4-6微米。A3、B3、C3的平均粒度递增倍率分别为15.8倍和3.33倍，A3、B3、C3的重量比为2∶3∶5，这3种立方氮化硼微粉共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的95％；
选用1微米的锡(Sn)和铜(Cu)作为结合剂，二者的重量比为2∶8，共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的5％；
将上述选用的原料经球磨混合成型后，在6Gpa的压力下，于1350℃温度下，压制15分钟，即得立方氮化硼聚晶复合材料。得到的立方氮化硼聚晶复合材料的性能参数如下：气孔率4％，其knoop硬度37Gpa，磨耗比11200，抗弯强度900Mpa。
实施例4
本发明的立方氮化硼聚晶复合材料的一种具体实施例如下：
原料选用3种不同粒度范围的立方氮化硼微粉，其粒度范围分别是：立方氮化硼微粉A4：8-12微米，立方氮化硼微粉B4：10-20微米，立方氮化硼微粉C4：20-25微米。A4、B4、C4的平均粒度递增倍率分别为1.5倍和1.5倍，A4、B4、C4的重量比为2∶3∶5，这3种立方氮化硼微粉共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的90％；
选用10微米的氮化钛作为结合剂(耐磨结合剂)，占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的5％；
选用10微米的镍(Ni)、锑(Sb)、锡(Sn)作为结合剂(促烧结结合剂)，三者的重量比为3∶3∶4，共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的5％。
将上述选用的原料经球磨混合成型后，在6.1Gpa的压力下，于1350℃温度下，压制15分钟，即得立方氮化硼聚晶复合材料。得到的立方氮化硼聚晶复合材料的性能参数如下：气孔率5％，其knoop硬度37Gpa，磨耗比11600，抗弯强度1000Mpa。
实施例5
本发明的立方氮化硼聚晶复合材料的一种具体实施例如下：
原料选用3种不同粒度范围的立方氮化硼微粉，其粒度范围分别是：立方氮化硼微粉A5：10-20微米，立方氮化硼微粉B5：20-25微米，立方氮化硼微粉C5：30-35微米。A5、B5、C5的平均粒度递增倍率分别为1.5倍和1.44倍，A5、B5、C5的重量比为2∶3∶5，这3种立方氮化硼微粉共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的54％；
选用10微米的氮化钛和碳化钛作为结合剂(耐磨结合剂)，二者的重量比为1∶3，共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的35％；
选用10微米的镍(Ni)、锑(Sb)、锡(Sn)作为结合剂(促烧结结合剂)，三者的重量比为3∶3∶4，共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的5％；
选用5纳米的钆(Gd)作为结合剂(增强结合剂)，占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的1％；
选用纳米金刚石(5纳米)作为增韧剂，占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的5％。
将上述选用的原料经球磨混合成型后，在7Gpa的压力下，于1250℃温度下，压制19分钟，即得立方氮化硼聚晶复合材料。得到的立方氮化硼聚晶复合材料的性能参数如下：气孔率2％，其knoop硬度38Gpa，磨耗比11900，抗弯强度1100Mpa。
实施例6
本发明的立方氮化硼聚晶复合材料的一种具体实施例如下：
原料选用2种不同粒度范围的立方氮化硼微粉，其粒度范围分别是：立方氮化硼微粉A6：20-25微米，立方氮化硼微粉B6：35-40微米。A6、B6的平均粒度递增倍率为1.67倍，A6、B6的重量比为4∶6，这2种立方氮化硼微粉共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的70％；
选用10微米的氮化铝和碳化硅作为结合剂(耐磨结合剂)，二者的重量比为1∶5，共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的15％；
选用10微米的铝(Al)和铜(Cu)作为结合剂(促烧结结合剂)，二者的重量比为1∶9，共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的5％；
选用100纳米的氧化镝作为结合剂(增强结合剂)，占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的2％；
选用SiC晶须(1微米)和氧化锆微粉(2微米)作为增韧剂，二者的重量比为1∶1，占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的15％；
将上述选用的原料经球磨混合成型后，在7.5Gpa的压力下，于1450℃温度下，压制17分钟，即得立方氮化硼聚晶复合材料。得到的立方氮化硼聚晶复合材料的性能参数如下：气孔率2％，其knoop硬度37.5Gpa，磨耗比11800，抗弯强度1150Mpa。
实施例7
本发明的立方氮化硼聚晶复合材料的一种具体实施例如下：
原料选用4种不同粒度范围的立方氮化硼微粉，其粒度范围分别是：立方氮化硼微粉A7：0.5-1微米，立方氮化硼微粉B7：1-3微米，立方氮化硼微粉C7：3-5微米，立方氮化硼微粉D7：8-15微米。A7、B7、C7、D7的重量比为1∶3∶4∶7，这4种立方氮化硼微粉共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的75％；
选用10微米的氮化钛和碳化硅作为结合剂(耐磨结合剂)，二者的重量比为2∶3，共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的20％；
选用1微米的铝(Al)和硅(si)作为结合剂(促烧结结合剂)，二者的重量比为2∶5，共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的5％；
将上述选用的原料经球磨混合成型后，在7.5Gpa的压力下，于1350℃温度下，压制17分钟，即得立方氮化硼聚晶复合材料。得到的立方氮化硼聚晶复合材料的性能参数如下：气孔率2％，其knoop硬度35.5Gpa，磨耗比11000，抗弯强度1145Mpa。
实施例8
本发明的立方氮化硼聚晶复合材料的一种具体实施例如下：
原料选用3种不同粒度范围的立方氮化硼微粉，其粒度范围分别是：立方氮化硼微粉A8：2-5微米，立方氮化硼微粉B8：4-6微米，立方氮化硼微粉C8：8-10微米。A8、B8、C8的重量比为1∶3∶7，这3种立方氮化硼微粉共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的85％；
选用5微米的碳氮化钛作为结合剂(耐磨结合剂)，共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的9％；
选用1微米的铝(Al)和钴(Co)作为结合剂(促烧结结合剂)，二者的重量比为8∶9，共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的6％；
将上述选用的原料经球磨混合成型后，在7.5Gpa的压力下，于1480℃温度下，压制20分钟，即得立方氮化硼聚晶复合材料。得到的立方氮化硼聚晶复合材料的性能参数如下：气孔率2％，其knoop硬度38.5Gpa，磨耗比11800，抗弯强度1150Mpa。
实施例9
本发明的立方氮化硼聚晶复合材料的一种具体实施例如下：
原料选用4种不同粒度范围的立方氮化硼微粉，其粒度范围分别是：立方氮化硼微粉A9：4-5微米，立方氮化硼微粉B9：8-10微米，立方氮化硼微粉C9：20-25微米，立方氮化硼微粉D9：30-35微米。A9、B9、C9、D9的重量比为2∶3∶5∶9，这4种立方氮化硼微粉共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的78％；
选用30微米的氮化钛和碳化硅作为结合剂(耐磨结合剂)，二者的重量比为3∶5，共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的18％；
选用30微米的铝(Al)和硅(si)作为结合剂(促烧结结合剂)，二者的重量比为2∶5，共占立方氮化硼聚晶复合材料总质量的4％；
将上述选用的原料经球磨混合成型后，在7.5Gpa的压力下，于1350℃温度下，压制17分钟，即得立方氮化硼聚晶复合材料。得到的立方氮化硼聚晶复合材料的性能参数如下：气孔率2％，其knoop硬度33.5Gpa，磨耗比10900，抗弯强度1170Mpa。

Claims (7)

1.一种立方氮化硼聚晶复合材料，其特征在于：是由以下重量百分比的组分制成：立方氮化硼54～95％，结合剂5～42％，增韧剂0～15％；所述立方氮化硼的粒度为1纳米～40微米，是由至少两种任意重量比的不同粒度范围的立方氮化硼微粉组成，不同粒度范围的立方氮化硼微粉按照其平均粒度递增设置，平均粒度的递增倍率为1.4-15.8倍。
2.根据权利要求1所述的立方氮化硼聚晶复合材料，其特征在于：所述结合剂为耐磨结合剂、促烧结结合剂和增强结合剂，在立方氮化硼聚晶复合材料的用量上限分别为35％、5％、2％；其中耐磨结合剂和促烧结结合剂为单独使用或共同使用，增强结合剂与耐磨结合剂和/或促烧结结合剂共同使用；所述耐磨结合剂选自碳化钛、碳氮化钛、氮化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝、(TiW)C、TiW、TiTa中的一种或其任意比组合；所述促烧结结合剂选自铝、镍、锑、锡、镁、铜中的一种或其任意比组合；所述增强结合剂选自硼化铝、氧化钇、氮化钇、氧化镝、氮化镝、铈、钕、钆、镥中的一种或其任意比组合。
3.根据权利要求2所述的立方氮化硼聚晶复合材料，其特征在于：所述耐磨结合剂的粒度为1纳米～30微米，所述促烧结结合剂的粒度为1纳米～30微米，所述增强结合剂的粒度为5纳米～100纳米。
4.根据权利要求1所述的立方氮化硼聚晶复合材料，其特征在于：所述增韧剂选自SiC晶须、纳米金刚石、氧化锆粉中的一种或其任意比组合。
5.根据权利要求1所述的立方氮化硼聚晶复合材料，其特征在于：所述不同粒度范围的立方氮化硼微粉为三种，这三种立方氮化硼微粉按照平均粒度由低到高排列的重量比为1∶1.5～4∶2～5。
6.根据权利要求1所述的立方氮化硼聚晶复合材料，其特征在于：所述不同粒度范围的立方氮化硼微粉为两种，这两种立方氮化硼微粉平均粒度由低到高的重量比为1∶1.5～4。
7.根据权利要求1或4所述的立方氮化硼聚晶复合材料，其特征在于：所述增韧剂的粒度为5纳米～2微米。
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