CN102642023A - 立方氮化硼制品专用含硼金属结合剂及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种立方氮化硼制品专用含硼金属结合剂及其制备方法，其特征在于：所述含硼金属结合剂的原料及重量百分比如下：其中硼元素含量为2~20%，过渡金属为5~60%。，轻金属为2~10%；所述渡金属为铁、铜、钴、镍合金粉末；所述轻金属为钙、镁、铝合金粉末；其中所有独立存在原料粒度均需小于40μm。其制备方法是将这三种原料在三维混料机或高能球磨机中充分混合，然后在气体保护高温扩散炉中处理，然后经粉碎过筛而得成品。用该结合剂制成的立方氮化硼CBN制品，其锋利度比传统金属结合剂高2~3倍，其使用寿命比传统金属结合剂高3倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种立方氮化硼制品专用含硼金属结合剂及其制造方法，属于超硬材料领域。
背景技术
随着现代技术的发展，超硬材料制品得到了广泛的应用。超硬材料本身包括两种材料：人造金刚石和人造立方氮化硼。人造金刚石由于在600℃以上开始碳化，特别是在有铁元素存在的材料中，随着温度的升高，其机械强度迅速下降，因此限制了人造金刚石在加工铁系列金属制品时的应用。立方氮化硼正好克服了这一缺陷。立方氮化硼在氧化气氛条件下，900℃仍能保证其机械强度，因此在高速自动加工机械领域，得到了广泛的应用。
立方氮化硼（CBN）与人造金刚石一样是一种细的磨粒，必须有结合剂将其固结成型，才能起切削作用。传统的CBN结合剂有树脂、陶瓷和金属结合剂三种，其中，树脂结合剂加工容易、锋利度好，但使用温度低，其对CBN磨粒的把持力极差，因而耐用度也极差；陶瓷结合剂硬度高，可在高温下使用，其对CBN磨粒的把持力优于树脂结合剂，但陶瓷结合剂太脆，耐冲击能力差也限制了其使用。金属结合剂正好弥补了上述的缺点并保持了前两者的优点。但传统的金属结合剂均是沿袭了金刚石制品的结合剂配方方式，由于立方氮化硼CBN和人造金刚石物质结构的不同，金刚石制品的金属结合剂的优点没有在立方氮化硼制品中得到充分的发挥。这主要是表现在传统的金刚石制品金属结合剂对金刚石能产生一定程度的化学键合，因而把持力很好。而立方氮化硼是由氮和硼合成的，传统的金属结合剂与这两种元素没有产生化学键合，只是简单意义上的机械包镶作用。因此，有必要研究一种与氮和硼有化学作用的专用结合剂。
发明内容
本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种经济、实用、与立方氮化硼CBN结合好的含硼专用结合剂。
硼元素的最大特点，是可以与很多金属元素形成高温、高硬度的硼化物，而轻金属元素的氮化物也有这种特点，本发明配方中的硼元素在制品的烧结成型过程中，可与CBN中的氮产生一定的键合，而轻金属和过渡金属则容易与硼在烧结过程中与硼产生一定程度的键合，因而可以从真正意义上达到结合剂对磨粒的把持作用，所生成的制品其锋利度和耐用度均有明显的提高。
本发明的目的可通过下述技术措施来实现：
本发明的立方氮化硼制品专用含硼金属结合剂的原料及重量百分比如下：其中硼元素含量为2~20%，过渡金属为5~60%。，轻金属为2~10%；所述渡金属为铁、铜、钴、镍合金粉末；所述轻金属为钙、镁、铝合金粉末；其中所有独立存在原料粒度均需小于40μm。
本发明的的制备方法包括下述步骤：
a、按重量百分比取原料，放入气体保护的混料机中混合2~4小时；
b、将步骤a混合物置于高温扩散炉中处理9小时，高温扩散炉是在还原保护气氛中进行，其工作过程为：
室温600℃ 3小时
600℃恒温 1小时
600~800℃ 1小时
800℃恒温 1小时
800~960℃ 1小时
800~960℃恒温 2小时
同期自然冷却至室温 4~6小时；
C、将步骤b经过处理的原料在气体保护或真空球磨机中粉碎，经真空超声波筛（-400目筛网）；
D、将步骤c筛下物经称重，真空包装为成品。
更具体说：本发明中所述原料的选择如下：
根据国内市场的情况，选择优质的低碳硼铁作为硼的来源，其牌号为FeB23C0.05,其硼含量在20.0~25.0%之间；过渡金属铁、铜、镍、钴的合金选用国内牌为CSK-1（实际含量铁60%，铜10%，钴30%）和CSQ-1（实际含量铁60%，铜10%，镍30%），此两种合金质量稳定，抗氧化能力较强，有利于保证质量。轻金属选用国内牌号为FLM1的镁铝合金粉，其化学成分为Mg:Al为1:1.全部原料通过400目筛网，真空保存备用。
制备方法如下：
1、原料的称量按下述重量百分比进行：
FeB23C0.05 30~60%
CSK-1 10~40%
CSQ-1 10~40%
FLM1 20~50%
2、混料是在真空搅拌三维混料机中进行，混料时间1~2小时；混好的料应立即送到扩散炉，若不立即进炉，应在真空周转箱中存放。
3、预合金化是在氢气保护的高温扩散炉中进行，预合金化应分两个阶段。
第一阶段为原料的净化阶段，即除去原料表面吸附的氧；第二阶段为扩散预合金阶段，利用原子在高温下扩散的特性，制成有一定预合金特性的广义上的合金（实际上是均匀部分合金混合物），具体操作如下：
室温→600℃ 3小时
600℃恒温 1小时
600~800℃ 1小时
800℃恒温 1小时
800~960℃ 1小时
800~960℃恒温 2小时
其中800~960℃和800~960℃恒温这两个阶段可根据配方不同进行调整 。
温度、时间达到指标后停止加热，继续在气体保护条件下自然冷却，当系统温度低于200℃时，可通入气量较大的氮气，直至室温。
4、粉碎、筛分、包装
经扩散后的半成品有轻微结块，应放入真空或有气体保护的球磨机中粉碎，然后用真空超声波筛，筛网为300目及400目两种，筛下物为成品，可包装入库，筛上物继续转入球磨机中。
具体实施方式
本发明以下将结合实施例对本发明制造不同用途的CBN制品进行进一步描述，但本发明并不仅限于这些实例。
实施例1：
用于自动车床的CBN砂轮结合剂。
1、原料配方的称量按下述重量百分比进行：
FeB23C0.05 46%（W/W%）
CSK-1 25%
CSQ-1 15%
FLM1 14%
2、混料是在真空搅拌三维混料机中进行，混料时间1~2小时；混好的料应立即送到扩散炉，若不立即进炉，应在真空周转箱中存放。
3、预合金化是在氢气保护的高温扩散炉中进行，预合金化应分两个阶段。
第一阶段为原料的净化阶段，即除去原料表面吸附的氧；第二阶段为扩散预合金阶段，利用原子在高温下扩散的特性，制成有一定预合金特性的广义上的合金（实际上是均匀部分合金混合物），具体操作如下：
室温600℃ 3小时
600℃恒温 1小时
600~800℃ 1小时
800℃恒温 1小时
840℃ 1小时
840℃恒温 2小时
温度、时间达到指标后停止加热，继续在气体保护条件下自然冷却，当系统温度低于200℃时，可通入气量较大的氮气，直至室温。
4、粉碎、筛分、包装
经扩散后的半成品有轻微结块，应放入真空或有气体保护的球磨机中粉碎，然后用真空超声波筛，筛网为300目及400目两种，筛下物为成品，可包装入库，筛上物继续转入球磨机中。
所得到的结合剂技术参数如下：
理论密度：4.8g/m3
粒度： 小于40微米
烧结温度：880℃
烧结成品硬度：98~100HRB
实施例2：
用于CBN绗磨油石结合剂
原料配方的称量按下述重量百分比进行：
FeB23C0.05 40%（W/W%）
CSK-1 25%
CSQ-1 5%
FLM1 35%
具体制备方法参照实施例1，但最终扩散处理温度调整为780℃。
所得到的结合剂技术参数为：
理论密度：3.62g/m3粒度： 小于40微米
烧结温度：820℃
烧结成品硬度：90~92HRB
实施例3：
用于钢材切割片CBN结合剂
原料配方的称量按下述重量百分比进行：
FeB23C0.05 55%（W/W%）
CSK-1 30%
CSQ-1 10%
FLM1 5%
具体制备方法参照实施例1，但最终扩散处理温度调整为960℃。
所得到的结合剂技术参数为：
理论密度：5.4g/m3
粒度： 小于40微米
烧结温度：920℃
烧结成品硬度：120HRB
上述各配方中元素实际含量见下表。
Claims (2)
1.一种立方氮化硼制品专用含硼金属结合剂，其特征在于：所述含硼金属结合剂的原料及重量百分比如下：其中硼元素含量为2~20%，过渡金属为5~60%，轻金属为2~10%；所述渡金属为铁、铜、钴、镍合金粉末；所述轻金属为钙、镁、铝合金粉末；其中所有独立存在原料粒度均需小于40μm。
2.一种用于制备权利要求1的所述立方氮化硼制品专用含硼金属结合剂的方法，其特征在于：它包括下述步骤：
a、按重量百分比取原料，放入气体保护的混料机中混合2~4小时；
b、将步骤a混合物置于高温扩散炉中处理9小时，高温扩散炉是在还原保护气氛中进行，其工作过程为：
室温600℃ 3小时
600℃恒温 1小时
600~800℃ 1小时
800℃恒温 1小时
800~960℃ 1小时
800~960℃恒温 2小时
同期自然冷却至室温 4~6小时；
C、将步骤b经过处理的原料在气体保护或真空球磨机中粉碎，经-400目筛网的真空超声波筛；
D、将步骤c筛下物经称重，真空包装为成品。
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