CN103789596A - 一种聚晶立方氮化硼刀具材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚晶立方氮化硼刀具材料及其制备方法，聚晶立方氮化硼刀具材料是由以下重量份的组分制成：立方氮化硼微粉45～70份，金属粉6～20份，氮化物与碳化物10～50份，所述立方氮化硼微粉的粒径不大于3.5μm，把上述原料采用粉体材料化学、物理净化、高能球磨、无蜡制粒工艺、冷压成形初坯，采用六面顶压机超高压高温烧结制备成细粒度聚晶立方氮化硼刀具材料，具有高耐磨性和足够韧性。

Description

一种聚晶立方氮化硼刀具材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及切削和铣削加工使用超硬复合材料刀具的制备技术领域，具体涉及一种细粒度聚晶立方氮化硼刀具材料及其制备方法。

背景技术

金刚石是世界上已知最硬的材料，立方氮化硼类似金刚石结构，其硬度仅次于金刚石，金刚石和立方氮化硼统称为超硬材料。超硬材料广泛应用于锯切工具、磨削工具、钻进工具和切削刀具。

金刚石高温容易氧化，特别是与铁系元素亲和性好，不适合用于铁系元素黑色金属加工。立方氮化硼热稳定性优于人造金刚石，在高温下仍能保持足够高的力学性能和硬度，具有很好的红硬性；立方氮化硼结构稳定，具有高的抗氧化能力，化学稳定性好，与金刚石相比尤其好在立方氮化硼在高达1100～1300℃的温度下也不与铁族元素起化学反应，因此立方氮化硼特别适合于加工黑色金属材料。聚晶立方氮化硼是由立方氮化硼单晶，可以加入粘结剂，也可以在不加任何粘结剂的条件下，经超高压高温烧结制得的。聚晶立方氮化硼具有立方氮化硼的大部分性能，克服了立方氮化硼单晶的晶面方向性解理的缺点。

聚晶立方氮化硼还具有以下特殊性能：(1)高硬度。(2)高耐磨性。(3)高化学惰性。(4)高热稳定性。聚晶立方氮化硼的耐热性可以达到1400℃，比金刚石刀具(700～800℃)高得多，经使用证明1100℃以上的切削温度仍能维持高锋利的切削性能，适合于干、湿式切削。(5)高导热性。(6)低摩擦系数。(7)高速切削特性和高加工精度。由于聚晶立方氮化硼具有高硬度、高耐磨性、高的传热效率以及优异的高温性能等，可以认为，聚晶立方氮化硼刀具是迄今世界上最能满足高速、高效、精密的首选切削工具。

例如汽车上的零配件有几千个，其中缸套是内燃机的重要零件之一，由于缸套的工作性质要求，它具有较高的耐磨性和力学性能。因此，汽缸套大多采用硼铸铁材料、离心铸造工艺方法制成，并要求基体上片状石墨分布形态为A型石墨。材料的力学性能和耐磨性的提高给加工带来了难度，属于难加工材料。采用硬质合金刀具不但光洁度达不到要求，而且刀具的寿命极低。目前硼铸铁汽缸套主要采用PcBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)刀具进行湿式车削代替磨削，但由于加工粗糙度、刀具寿命和切削速度的要求，对PcBN刀具是一种挑战，粗粒度的PcBN刀具很难符合要求。

在机械制造业，越来越多的厂家利用PCBN刀具实现以车代磨，以铣代磨工艺来制造零件，尤其是对淬硬钢的加工。以前的加工工艺一般首先零件毛坯要经过退火，然后粗加工，留出一定的余量，再淬火（调质）后采用磨削工艺实现零件的最终尺寸。如果采用PCBN刀具，毛坯淬火（调质）后，粗、精车或铣一道工序完成，大大提高了生产效率。同时减少了磨削带来的污泥和其他工业废物，如冷却液产生的废水和废气，这是因为PCBN刀具在加工淬硬钢时不使用冷却液，采用干式加工。此种加工工艺，无论是对加工环境，还是加工成本，以及对帮助改变全球变暖都是有利的。但是，由于加工淬硬钢，刀具切削刃口区域要承受较大的切削压力，刀具容易产生微崩刃而失效，故刀具的使用寿命是不稳定的。

因此，人们使用聚晶立方氮化硼作为刀具材料，重点关注的是聚晶立方氮化硼刀具的强度和耐磨性，在保障耐磨性的同时兼具足够的冲击韧性。

英国Element Six公司公开的专利WO2004040029，采用各种碳化物和氮化物的混合物形成一种复杂的核分散于基体中，基体中包有超硬材料立方氮化硼和金刚石，以及结合剂，经高压高温合成具有一种蜂窝状结构的聚晶立方氮化硼，具有优良的强度和断裂韧性。

中国专利201010615047.0公开了一种聚晶立方氮化硼复合片用的粉末状粘结剂，包含有TiN、AlN、Si₃N₄、Co和SiO₂，能增强复合片的抗冲击性能。中国专利CN201010542237.4还公开了一种表面镀镍Si₃N₄晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，采用Si₃N₄晶须及表面镀覆纳米镍的Si₃N₄晶须的引入来增加聚晶立方氮化硼复合片的韧性，提高了刀具的耐冲击性能，从而实现其长时间的连续车削，提高刀具的实用寿命和企业的生产效率。

以上专利只是从增强韧性的角度出发的，未充分考虑聚晶立方氮化硼的耐磨性。再者，聚晶立方氮化硼复合片的韧性主要是靠硬质合金底衬来提供的。本发明采用的是无硬质合金底衬PcBN，经我们研究发现PcBN的耐磨性与cBN粒度有如下的关系：当cBN粒度为2.8μm时，PcBN的切削耐用度（耐磨性）达到最大值，大于或小于2.8μm时PcBN的切削耐用度是递减的；小于2.8μm时PcBN的切削耐用度递减的速率更大。因此，细粒度的（2.8μm左右）PcBN综合了其耐磨性和韧性，高速精加工具有最好的综合使用性能。但细粒度的粉体有着高的表面能，混料和烧结困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中存在问题而提供一种具有高耐磨性和足够韧性的聚晶立方氮化硼刀具材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种聚晶立方氮化硼刀具材料，它是由以下重量份的组分制成：立方氮化硼微粉45～70份，金属粉6～20份，氮化物与碳化物10～50份，所述立方氮化硼微粉的粒径不大于3.5μm。

所述金属粉为Co粉、Al粉、Ti粉中的至少一种。

所述氮化物与碳化物为氮化钛、氮化铝、碳化钛、碳化钨、碳化铪、中的至少一种。

所述的氮化物与碳化物是氮碳化钛。

所述氮化物与碳化物的纯度都大于99%，氮化物与碳化物的重量份比为0.3~10.5:1，氮化物与碳化物的粒径为10～20μm。

一种聚晶立方氮化硼刀具材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)把立方氮化硼微粉、金属微粉、氮化物与碳化物分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的水、氧和其它杂质；

(2)把步骤(1)中处理后的立方氮化硼微粉、金属微粉、氮化物与碳化物进行高能球磨，混合均匀；

(3)把步骤(2)得到的粉末加入粉末总量0.3％的湿润剂，浸润24h后进行压实、破碎，压实、破碎反复2-3次，然后过筛制成粒径大于10μm的大颗粒粉末；

(4)把步骤(3)得到的大颗粒粉末压制成块体，可以是圆柱、三角柱、六边形柱、四方柱，把块体在500℃的条件下真空干燥10~15h。

(5)把步骤(4)干燥后的块体装入石墨模具内，把石墨模具装入叶腊石腔体，再依次把导电钢圈和金属片装入叶腊石腔体，装配成合成块放入120℃烘箱中干燥0.5~2h，再通过超高压高温烧结，制成聚晶立方氮化硼刀具材料。

所述步骤(2)高能球磨的条件为球磨机转速300r/min，混合时间为10~30h。

所述步骤(5)超高压高温烧结的具体条件是采用六面顶压机设备进行合成，压力为4.8～5.5GPa，温度1400～1500℃，合成时间2～35min。

所述步骤(3)中加入的湿润剂为乙醇或丙酮。

本发明的有益效果：本发明充分利用细颗粒立方氮化硼制备的PcBN具有最佳的耐磨性和低的机械零件表面加工粗糙度的特性，采用粉体材料化学、物理净化、高能球磨、无蜡制粒工艺、冷压成形初坯，采用六面顶压机超高压高温烧结制备了细粒度聚晶立方氮化硼刀具材料。制备的聚晶立方氮化硼聚晶在没有硬质合金基体材料的前提下，也具有断裂韧性好、抗冲击性能高。制成的刀具用于以下的材料，如各种（硼）铸铁、淬硬钢、高温合金、高钴硬质合金、表面喷涂材料、黑色粉末烧结金属等高硬度、耐磨等难以用普通刀具进行加工的工件材料。本发明聚晶立方氮化硼特别适合于高速切削加工，如铣刀切削HT250速度1600～2000m/min；车削硼铸铁速度200～300m/min；切削高温合金速度60～80 m/min；车削淬硬钢速度150～300m/min。在实现高速切削加工时，应充分综合考虑切削深度和进给量的参数选择。

附图说明

图1为实施例1平均粒度为2.8μm的PcBN刀片。

图2为实施例1聚晶立方氮化硼刀具材料的扫描照片。

图3为实施例2平均粒度为2.2μm的PcBN刀片。

图4为实施例2聚晶立方氮化硼刀具材料的扫描照片

图5为实施例3平均粒度为2.8μm的PcBN刀片。

图6为实施例3聚晶立方氮化硼刀具材料的扫描照片。

具体实施方式

实施例1

聚晶立方氮化硼刀具材料的制备方法：选择粒径为3.5μm的立方氮化硼微粉为原料，立方氮化硼微粉占原料微粉的质量分数比是60%；粘结剂金属粉和氮化钛、碳化钨占原料微粉的质量分数比是40%，其中氮化钛、碳化钨的质量比为10.5:1，钴粉的含量不大于总质量分数得3%，铝粉的含量不大于总质量分数得7%。上述原料微粉分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的杂质，表面钝化物、污染物和氧化物。

把上述原料微粉按设定比例在高能球磨机内进行混合，球磨机转速300r/min，混合时间设定为10h，测得粉体材料的平均粒度为2.8μm，将粉末加入0.3％的湿润剂，浸润24h后进行压实、破碎，压实、破碎反复2-3次，然后过筛制成粒径大于10μm的大颗粒粉末，最后压制成所需形状的试块，并于500℃的条件下真空干燥10h,将干燥后的试块放进石墨模具，把石墨模具装入叶腊石腔体，再依次把导电钢圈和金属片装入叶腊石腔体，装配成合成块放入120℃烘箱中干燥0.5h，再通过超高压高温烧结，制成聚晶立方氮化硼刀具材料。烧结的具体条件是采用六面顶压机设备进行合成，压力为5.0GPa，温度1450 ℃，合成时间10分钟。

上述方法制备得到的聚晶立方氮化硼刀具材料显微硬度为HV3100，抗弯强度为831MPa，主要用于淬硬钢的加工。

实施例2

聚晶立方氮化硼刀具材料的制备方法：选择粒径为3.5μm的立方氮化硼微粉为原料，立方氮化硼微粉占原料微粉的质量分数比是70%；粘结剂金属粉和碳化钛、碳化钨占原料微粉的质量分数比是30%，其中碳化钛、碳化钨的质量比为10.5:1，钴粉的含量不大于总质量分数得3%，铝粉的含量不大于总质量分数得7%。上述原料微粉分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的杂质，表面钝化物、污染物和氧化物。

把上述原料微粉按设定比例在高能球磨机内进行混合，球磨机转速300r/min，混合时间设定为10h，测得粉体材料的平均粒度为2.2μm,将粉末加入0.3％的湿润剂，浸润24h后进行压实、破碎，压实、破碎反复2-3次，然后过筛制成粒径大于10μm的大颗粒粉末，最后压制成所需形状的试块。

将压制成型的试块放进石墨模具，最后装入叶腊石腔体，封头，装配成合成块放入120℃烘箱中干燥1h，再通过超高压高温烧结在一起形成PcBN聚晶。烧结的具体条件是采用六面顶压机设备进行合成，压力为5.0GPa，温度1450 ℃，合成时间10分钟。

上述方法制备得到的聚晶立方氮化硼刀具材料显微硬度为HV3300，抗弯强度为805MPa，主要用于硼铸铁的加工。

实施例3

聚晶立方氮化硼刀具材料的制备方法：选择平均粒径为2.5μm的立方氮化硼混合微粉为原料，立方氮化硼微粉占原料微粉的质量分数比是50%；粘结剂金属粉和碳化钛、氮化钛占原料微粉的质量分数比是50%，其中碳化钛与氮化钛的质量比为3:1，钴粉的含量不大于总质量分数得3%，铝粉的含量不大于总质量分数得7%。上述原料微粉分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的杂质，表面钝化物、污染物和氧化物。

把上述原料微粉按设定比例在高能球磨机内进行混合，球磨机转速300r/min，混合时间设定为24h，测得粉体材料的平均粒度为2.8μm,将粉末加入0.3％的湿润剂，浸润24h后进行压实、破碎，压实、破碎反复2-3次，然后过筛制成粒径大于10μm的大颗粒粉末，最后压制成所需形状的试块。

将压制成型的试块放进石墨模具，最后装入叶腊石腔体，封头，装配成合成块放入120℃烘箱中干燥2h，再通过超高压高温烧结在一起形成PcBN聚晶。烧结的具体条件是采用六面顶压机设备进行合成，压力为5.0GPa，温度1450 ℃，合成时间10分钟。

上述方法制备得到的聚晶立方氮化硼刀具材料显微硬度为HV3120，抗弯强度为887MPa。刀具材料适合加工的材料广。

实施例4

一种聚晶立方氮化硼刀具材料，它是由以下重量份的组分制成：粒径为2.5μm的立方氮化硼微粉45份，金属钴粉20份，粒径为10μm的氮化钛与碳化钛35份，其中氮化钛与碳化钛的重量份比为5:1。

一种聚晶立方氮化硼刀具材料的制备方法，步骤如下：

(1)把立方氮化硼微粉、金属钴粉、氮化钛与碳化钛分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的水、氧和其它杂质；

(2)把步骤(1)中处理后的立方氮化硼微粉、金属钴粉、氮化钛与碳化钛进行高能球磨，球磨机转速300r/min，混合时间为10h，混合均匀；

(3)把步骤(2)得到的粉末加入粉末总量0.3％的乙醇，浸润24h后进行压实、破碎，压实、破碎反复2-3次，然后过筛制成粒径大于10μm的大颗粒粉末；

(4)把步骤(3)得到的大颗粒粉末压制成四方柱，把块体在500℃的条件下真空干燥15h。

(5)把步骤(4)干燥后的四方柱装入石墨模具内，把石墨模具装入叶腊石腔体，再依次把导电钢圈和金属片装入叶腊石腔体，装配成合成块放入120℃烘箱中干燥1h，再通过压力为4.8GPa，温度为1400℃六面顶压机合成35min制成聚晶立方氮化硼刀具材料。

实施例5

一种聚晶立方氮化硼刀具材料，它是由以下重量份的组分制成：粒径为3.5μm的立方氮化硼微粉70份，金属铝粉6份，粒径为20μm的氮化铝与碳化钛24份，其中氮化铝与碳化钛的重量份比为8:1。

一种聚晶立方氮化硼刀具材料的制备方法，步骤如下：

(1)把立方氮化硼微粉、金属铝粉、氮化铝与碳化钛分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的水、氧和其它杂质；

(2)把步骤(1)中处理后的立方氮化硼微粉、金属铝粉、氮化铝与碳化钛进行高能球磨，球磨机转速300r/min，混合时间为20h，混合均匀；

(3)把步骤(2)得到的粉末加入粉末总量0.3％的丙酮，浸润24h后进行压实、破碎，压实、破碎反复2-3次，然后过筛制成粒径大于10μm的大颗粒粉末；

(4)把步骤(3)得到的大颗粒粉末压制成三角柱，把块体在500℃的条件下真空干燥12h。

(5)把步骤(4)干燥后的三角柱装入石墨模具内，把石墨模具装入叶腊石腔体，再依次把导电钢圈和金属片装入叶腊石腔体，装配成合成块放入120℃烘箱中干燥2h，再通过压力为5.5GPa，温度为1500℃六面顶压机合成2min制成聚晶立方氮化硼刀具材料。

实施例6

一种聚晶立方氮化硼刀具材料，它是由以下重量份的组分制成：粒径为3μm的立方氮化硼微粉70份，金属钛粉20份，粒径为15μm的氮化钛与碳化钨10份，其中氮化钛与碳化钨的重量份比为6:1。

一种聚晶立方氮化硼刀具材料的制备方法，步骤如下：

(1)把立方氮化硼微粉、金属钛粉、氮化钛与碳化钨分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的水、氧和其它杂质；

(2)把步骤(1)中处理后的立方氮化硼微粉、金属钛粉、氮化钛与碳化钨进行高能球磨，球磨机转速300r/min，混合时间为30h，混合均匀；

(3)把步骤(2)得到的粉末加入粉末总量0.3％的丙酮，浸润24h后进行压实、破碎，压实、破碎反复2-3次，然后过筛制成粒径大于10μm的大颗粒粉末；

(4)把步骤(3)得到的大颗粒粉末压制成六边形柱，把块体在500℃的条件下真空干燥15h。

(5)把步骤(4)干燥后的六边形柱装入石墨模具内，把石墨模具装入叶腊石腔体，再依次把导电钢圈和金属片装入叶腊石腔体，装配成合成块放入120℃烘箱中干燥0.5h，再通过压力为5GPa，温度为1450℃六面顶压机合成20min制成聚晶立方氮化硼刀具材料。

实施例7

一种聚晶立方氮化硼刀具材料，它是由以下重量份的组分制成：粒径为3μm的立方氮化硼微粉45份，金属钛粉7份，金属钴粉8份，粒径为10μm的氮化铝与碳化钛50份，其中氮化铝与碳化钨的重量份比为0.3:1。

一种聚晶立方氮化硼刀具材料的制备方法，步骤如下：

(1)把立方氮化硼微粉、金属钛粉、金属钴粉、氮化铝与碳化钨分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的水、氧和其它杂质；

(2)把步骤(1)中处理后的立方氮化硼微粉、金属钛粉、金属钴粉氮化铝与碳化钨进行高能球磨，球磨机转速300r/min，混合时间为15h，混合均匀；

(3)把步骤(2)得到的粉末加入粉末总量0.3％的丙酮，浸润24h后进行压实、破碎，压实、破碎反复2-3次，然后过筛制成粒径大于10μm的大颗粒粉末；

(4)把步骤(3)得到的大颗粒粉末压制成圆柱，把块体在500℃的条件下真空干燥15h。

(5)把步骤(4)干燥后的圆柱装入石墨模具内，把石墨模具装入叶腊石腔体，再依次把导电钢圈和金属片装入叶腊石腔体，装配成合成块放入120℃烘箱中干燥1h，再通过压力为4.8GPa，温度为1450℃六面顶压机合成30min制成聚晶立方氮化硼刀具材料。

实施例8

一种聚晶立方氮化硼刀具材料，它是由以下重量份的组分制成：粒径为2μm的立方氮化硼微粉55份，金属铝粉10份，金属钴粉10份，粒径为12μm的氮碳化钛25份。

一种聚晶立方氮化硼刀具材料的制备方法，步骤如下：

(1)把立方氮化硼微粉、金属铝粉、金属钴粉、氮碳化钛分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的水、氧和其它杂质；

(2)把步骤(1)中处理后的立方氮化硼微粉、金属铝粉、金属钴粉氮碳化钛进行高能球磨，球磨机转速300r/min，混合时间为15h，混合均匀；

(3)把步骤(2)得到的粉末加入粉末总量0.3％的乙醇，浸润24h后进行压实、破碎，压实、破碎反复2-3次，然后过筛制成粒径大于10μm的大颗粒粉末；

(4)把步骤(3)得到的大颗粒粉末压制成圆柱，把块体在500℃的条件下真空干燥12h。

(5)把步骤(4)干燥后的圆柱装入石墨模具内，把石墨模具装入叶腊石腔体，再依次把导电钢圈和金属片装入叶腊石腔体，装配成合成块放入120℃烘箱中干燥1.5h，再通过压力为5GPa，温度为1450℃六面顶压机合成25min制成聚晶立方氮化硼刀具材料。

Claims (9)

1.一种聚晶立方氮化硼刀具材料，其特征在于：它是由以下重量份的组分制成：立方氮化硼微粉45～70份，金属粉6～20份，氮化物与碳化物10～50份，所述立方氮化硼微粉的粒径不大于3.5μm。

2.根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼刀具材料，其特征在于：所述金属粉为Co粉、Al粉、Ti粉中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼刀具材料，其特征在于： 所述氮化物与碳化物为氮化钛、氮化铝、碳化钛、碳化钨、碳化铪、中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼刀具材料，其特征在于：所述的氮化物与碳化物是氮碳化钛。

5.根据权利要求1或3所述的聚晶立方氮化硼刀具材料，其特征在于：所述氮化物与碳化物的纯度都大于99%，氮化物与碳化物的重量份比为0.3~10.5:1，氮化物与碳化物的粒径为10～20μm。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的聚晶立方氮化硼刀具材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)把立方氮化硼微粉、金属微粉、氮化物与碳化物分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的水、氧和其它杂质；

(2)把步骤(1)中处理后的立方氮化硼微粉、金属微粉、氮化物与碳化物进行高能球磨，混合均匀；

(3)把步骤(2)得到的粉末加入粉末总量0.3％的湿润剂，浸润24h后进行压实、破碎，压实、破碎反复2-3次，然后过筛制成颗粒粉末；

(4)把步骤(3)得到的颗粒粉末压制成块体，把块体在500℃的条件下真空干燥10~15h；

 (5)把步骤(4)干燥后的块体装入石墨模具内，把石墨模具装入叶腊石腔体，再依次把导电钢圈和金属片装入叶腊石腔体，装配成合成块放入120℃烘箱中干燥0.5~2h，再通过超高压高温烧结，制成聚晶立方氮化硼刀具材料。

7.根据权利要求6所述的聚晶立方氮化硼刀具材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)高能球磨的条件为球磨机转速300r/min，混合时间为10~30h。

8.根据权利要求6所述的聚晶立方氮化硼刀具材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)超高压高温烧结的具体条件是采用六面顶压机设备进行合成，压力为4.8～5.5GPa，温度1400～1500℃，合成时间2～35min。

9.根据权利要求6所述的聚晶立方氮化硼刀具材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中加入的湿润剂为乙醇或丙酮。

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