CN102765705A - 一种立方氮化硼刀具材料及其快速制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种立方氮化硼刀具材料及其快速制备方法，按质量比26~55∶74称取立方氮化硼多晶粉体、钛粉，或按质量比26~55∶74∶1称取立方氮化硼多晶粉体、钛粉、镍粉装入球磨罐中，在滚筒球磨机上进行混料，混合粉料装入石墨模具中，在氩气气氛下进行烧结，烧结温度为1350～1600℃，压力15～50MPa，烧结时间10–50分钟，烧结后，自然冷却到室温，得到主要成分为立方氮化硼、氮化钛、硼化钛和镍钛的刀具材料。本发明烧结温度和烧结压力低，烧结过程可控性强，烧结后的立方氮化硼刀具材料成分均匀，性能优异，弯曲强度、断裂韧性大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及立方氮化硼材料，特别涉及一种立方氮化硼刀具材料及其快速制备方法，属于无机非金属材料技术领域。
背景技术
立方氮化硼刀具材料具有高的硬度和耐磨性、稳定的化学性能、高的抗氧化温度，适合进行高速切削加工，特别适合加工金刚石刀具无法加工的铁基合金，因而具有很大的市场。
立方氮化硼刀具材料通常是将立方氮化硼与粘结剂氮化钛和硼化钛在高温（1300-1900°C）高压（4-8GPa）下进行烧结制备的。由于氮化钛（熔点2950°C）和硼化钛（熔点2980°C）具有高的熔点，立方氮化硼刀具材料烧结成型比较困难。
中国专利CN1611461A公开了一种立方氮化硼复合片，由氮化硼粉末和粘接剂混合烧结而成，粘接剂选自钴、钼、钛、铁、铝、镍、铜、钨、铬、氮化钼、氮化钛、氮化锆、氮化铬、氮化钨、氮化铝、三氧化铝中任意1-3种，粘接剂总重量为立方氮化硼重量的2-20％，在上述混合物中加入粘接剂重量1-8％的碳粉或碳粉和硬质合金粉。该专利是将氮化硼粉末与粘接剂混合烧结而成，烧结过程中加入了碳粉或硬质合金，温度高，压力大，能耗大，生产效率较低。
国内生产的立方氮化硼刀具材料性能较低，难以满足使用要求，高性能的立方氮化硼刀具材料主要依赖进口。因而开发高性能的立方氮化硼刀具材料具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题，提供一种立方氮化硼刀具材料及其快速制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种立方氮化硼刀具材料，由立方氮化硼多晶粉体与钛粉、镍粉按质量比26~55∶74∶1混合后，烧结而成，刀具材料的主要成分为立方氮化硼、氮化钛、硼化钛和镍钛。
所述的立方氮化硼、氮化钛、硼化钛和镍钛质量比为1~30∶45~64∶25~36∶1~2。
所述的立方氮化硼多晶粉体粒度为0.1~100μm。
一种立方氮化硼刀具材料的快速制备方法，包括步骤如下：
（1）按质量比26~55∶74称取立方氮化硼多晶粉体、钛粉，或按质量比26~55∶74∶1称取立方氮化硼多晶粉体、钛粉、镍粉装入球磨罐中，在滚筒球磨机上进行混料，球磨5~20h，转速为300~1000r/min；
（2）混合粉料装入石墨模具中，在氩气气氛下进行烧结，烧结温度为1350～1600℃，压力15～50MPa，烧结时间10–50分钟，烧结后，自然冷却到室温。
所述的立方氮化硼多晶粉体粒度为0.1~100μm，优选0.5~1.5μm。
所述的烧结温度优选1500~1550℃，烧结压力优选30MPa。
本发明的有益效果是：
1、由于原料中不含有氮化钛和硼化钛，因此烧结温度和烧结压力低，烧结过程可控性强，既节省能源，生产效率也高；同时，烧结过程中，立方氮化硼与钛粉反应，原位生成氮化钛和硼化钛，与镍粉共同作为粘结剂，反应过程中产生的热量加速了刀具材料的烧结，可以在较低的温度和压力下完成烧结；
2、相对于氮化钛和硼化钛，反应物钛粉价格低廉；
3、通过调整原料立方氮化硼与钛粉的配比以及立方氮化硼的粒度，可以很方便的控制复合材料的最终成分和性能；
4、烧结后的立方氮化硼刀具材料成分均匀，性能优异，弯曲强度、断裂韧性大大提高。
附图说明
图1是实施例1反应烧结制得的立方氮化硼刀具材料的X-射线衍射图。
图2是实施例1反应烧结制得的立方氮化硼刀具材料的金相组织。
图3是实施例2反应烧结制得的立方氮化硼刀具材料的金相组织。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
通过立方氮化硼微粉、钛粉和镍粉反应烧结制备立方氮化硼刀具材料。用天平称取钛粉29.41g，粒度8~12μm的立方氮化硼多晶粉体12.24g、镍粉0.42g，装入球磨罐中，在滚筒球磨机上球磨20h，转速为1000r/min。球磨后的混合粉料装入石墨模具中，在多功能热压烧结炉中氩气气氛下加热到800°C时施加30MPa压力，进一步升温到1500°C并保持20min后停止加热并解除压力，冷却到室温后停止通入氩气。
本实施例得到的立方氮化硼刀具材料的X-射线衍射图如图1，图中各衍射峰与氮化钛、硼化钛、立方氮化硼相吻合，图中没有其他杂相。
本实施例得到的立方氮化硼刀具材料的金相组织如图2，组织分布均匀。
实施例中的立方氮化硼刀具材料的性能，密度4.97g·cm-3（相对密度为99.4%），弯曲强度339.2MPa，断裂韧性5.95MPa·m1/2，显微硬度2394.2。
实施例2：
通过立方氮化硼微粉和钛粉反应烧结制备立方氮化硼刀具材料。用天平称取钛粉29.41g，粒度8~12μm的立方氮化硼多晶粉体12.24g，装入球磨罐中，在滚筒球磨机上球磨20h，转速为1000r/min。球磨后的混合粉料装入石墨模具中，在多功能热压烧结炉中氩气气氛下加热到800°C时施加30MPa压力，进一步升温到1500°C并保持20min后停止加热并解除压力，冷却到室温后停止通入氩气。
本实施例得到的立方氮化硼刀具材料的金相组织如图3，组织分布均匀。
实施例中的立方氮化硼刀具材料的性能，密度4.44g·cm-3（相对密度为88.8%），弯曲强度346.1MPa，断裂韧性5.17MPa·m1/2，显微硬度2086.0。
实施例3：
通过立方氮化硼微粉、钛粉和镍粉反应烧结制备立方氮化硼刀具材料。用天平称取钛粉29.41g，粒度0.5~1.5μm的立方氮化硼多晶粉体12.24g、镍粉0.42g，装入球磨罐中，在滚筒球磨机上球磨20h，转速为1000r/min。球磨后的混合粉料装入石墨模具中，在多功能热压烧结炉中氩气气氛下加热到800°C时施加30MPa压力，进一步升温到1500°C并保持20min后停止加热并解除压力，冷却到室温后停止通入氩气。
实施例中的立方氮化硼刀具材料的性能，密度4.98g·cm-3（相对密度为99.6%），弯曲强度388.6MPa，断裂韧性6.26MPa·m1/2，显微硬度2558.7。
实施例4：
通过立方氮化硼微粉和钛粉反应烧结制备立方氮化硼刀具材料。用天平称取钛粉29.41g，粒度0.5~1.5μm的立方氮化硼多晶粉体12.24g，装入球磨罐中，在滚筒球磨机上球磨20h，转速为1000r/min。球磨后的混合粉料装入石墨模具中，在多功能热压烧结炉中氩气气氛下加热到800°C时施加30MPa压力，进一步升温到1500°C并保持20min后停止加热并解除压力，冷却到室温后停止通入氩气。
实施例中的立方氮化硼刀具材料的性能，密度4.68g·cm-3（相对密度为93.6%），弯曲强度357.6MPa，断裂韧性6.12MPa·m1/2，显微硬度2485.3。
实施例5：
通过立方氮化硼微粉和钛粉反应烧结制备立方氮化硼刀具材料。用天平称取钛粉30.54g，粒度36~54μm的立方氮化硼多晶粉体11.39g，装入球磨罐中，在滚筒球磨机上球磨20h，转速为1000r/min。球磨后的混合粉料装入石墨模具中，在多功能热压烧结炉中氩气气氛下加热到800°C时施加30MPa压力，进一步升温到1400°C并保持40min后停止加热并解除压力，冷却到室温后停止通入氩气。
实施例中的立方氮化硼刀具材料的力学性能，弯曲强度230.6MPa，断裂韧性4.95MPa·m1/2。
实施例6：
通过立方氮化硼微粉和钛粉反应烧结制备立方氮化硼刀具材料。用天平称取钛粉29.41g，粒度36~54μm的立方氮化硼多晶粉体12.24g，装入球磨罐中，在滚筒球磨机上球磨20h，转速为1000r/min。球磨后的混合粉料装入石墨模具中，在多功能热压烧结炉中氩气气氛下加热到800°C时施加30MPa压力，进一步升温到1400°C并保持40min后停止加热并解除压力，冷却到室温后停止通入氩气。
实施例中的立方氮化硼刀具材料的力学性能，弯曲强度210.4MPa，断裂韧性4.69MPa·m1/2。
实施例7：
通过立方氮化硼微粉和钛粉反应烧结制备立方氮化硼刀具材料。用天平称取钛粉29.41g，粒度8~12μm的立方氮化硼多晶粉体12.24g，装入球磨罐中，在滚筒球磨机上球磨20h，转速为1000r/min。球磨后的混合粉料装入石墨模具中，在多功能热压烧结炉中氩气气氛下加热到800°C时施加30MPa压力，进一步升温到1400°C并保持20min后停止加热并解除压力，冷却到室温后停止通入氩气。
实施例中的立方氮化硼刀具材料的性能，密度4.02g·cm-3（相对密度为80.4%），弯曲强度248.1MPa，断裂韧性4.28MPa·m1/2，显微硬度2377.0。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种立方氮化硼刀具材料，其特征是，由立方氮化硼多晶粉体与钛粉、镍粉按质量比26~55∶74∶1混合后，烧结而成，主要成分为立方氮化硼、氮化钛、硼化钛和镍钛。
2.根据权利要求1所述的一种立方氮化硼刀具材料，其特征是，所述的立方氮化硼、氮化钛、硼化钛和镍钛质量比为1~30∶45~64∶25~36∶1~2。
3.根据权利要求1所述的一种立方氮化硼刀具材料，其特征是，所述的立方氮化硼多晶粉体粒度为0.1~100μm。
4.一种立方氮化硼刀具材料的快速制备方法，其特征是，包括步骤如下：
（1）按质量比26~55∶74称取立方氮化硼多晶粉体、钛粉，或按质量比26~55∶74∶1称取立方氮化硼多晶粉体、钛粉、镍粉装入球磨罐中，在滚筒球磨机上进行混料，球磨5~20h，转速为300~1000r/min；
（2）混合粉料装入石墨模具中，在氩气气氛下进行烧结，烧结温度为1350～1600℃，压力15～50MPa，烧结时间10-50分钟，烧结后，自然冷却到室温。
5.根据权利要求4所述的一种立方氮化硼刀具材料的快速制备方法，其特征是，所述的烧结温度为1500~1550℃，烧结压力为30MPa。
6.根据权利要求4所述的一种立方氮化硼刀具材料的快速制备方法，其特征是，所述的立方氮化硼多晶粉体粒度为0.1~100μm。
7.根据权利要求6所述的一种立方氮化硼刀具材料的快速制备方法，其特征是，所述的立方氮化硼多晶粉体粒度为0.5~1.5μm。
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