CN104591742B - 一种自润滑聚晶立方氮化硼（pcbn）刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自润滑聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具及其制备方法，以立方氮化硼微粉为主，除了碳化钛、氮化铝、氮化钛等结合剂之外，还在结合剂中添加了一定量的铝镁硼（AlMgB₁₄）。所述刀具既可以保证硬度、韧性，又降低了刀具与铸铁材料的摩擦系数，延长了刀具的寿命。

Description

一种自润滑聚晶立方氮化硼（ PCBN ）刀具及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种刀具及其制备方法，尤其是一种自润滑聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具及其制备方法。

背景技术

聚晶立方氮化硼简称PCBN，立方氮化硼是一种硬度仅次于金刚石的人工合成超硬材料，聚晶立方氮化硼刀具是以立方氮化硼单晶为原料，在高温高压下加入粘结剂烧结形成的块状聚合体。由于具备极高的硬度和化学稳定性，聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具可以用于实现高速干式切削，它为多种难加工金属材料提供了一种高效的切割方案。影响这种材料性能的主要因素是粘结剂。有研究发现，在同等速度下连续切削，PCBN刀具切削高韧性铸铁如蠕墨铸铁和球墨铸铁时的寿命只有切削灰铸铁时的1/10左右，而首要原因是由于高韧性铸铁在PCBN刀具切削刃表面没有形成MnS自润滑薄膜，因此严重影响了刀具的寿命因此，开发一种适合切削高性能铸铁（球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁）高速干切削的PCBN刀具材料有较重要的应用意义。

中国专利CN101892412A公开了一种立方氮化硼/碳化钛复合烧结刀具材料及其制备方法，通过在立方氮化硼微晶中加入高剂量的碳化钛微晶（质量百分比30-50），微量的碳粉、硅粉和铝粉，得到了一种硬度高耐磨性好的刀具材料。在线速度300m/min左右的条件下加工淬火齿轮，其效率是传统刀具的1.5倍以上，使用寿命是传统刀具的2倍以上。

中国专利CN 102557647A公开了一种立方氮化硼聚晶复合材料，除了一般的结合剂以外还添加了增韧剂如SiC晶须、纳米金刚石、氧化锆粉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的耐磨和耐崩损性。

中国专利CN101712550A以立方氮化硼为主要原料，并加入高纯度（99.5%以上）微晶粉末状的硼和铝，以及具有金刚石结构的碳，在超高温高压下制备出了一种硬度强，耐磨性和耐热性强的立方氮化硼超硬刀具。

中国专利CN103030397A以非化学计量比的氮化钛（TiN_X，0.3≤X≤0.6）作为立方氮化硼聚晶复合材料中结合剂的基本组份，和氮化铝和碳化钛组成结合剂，再与立方氮化硼单晶在高温高压烧结制备出立方氮化硼聚晶复合材料，得到的材料具有较高的硬度和断裂韧性。

上述技术具有针对立方氮化硼刀具的力学性能改善，如硬度、耐磨性、韧性等方面进行结合剂成分的改进，但缺少对刀具材料自润滑性能（即刀具摩擦系数）的改善的研究，而摩擦系数的大小对刀具在切削过程中的机械磨损起着重要作用。本发明创造性地在结合剂中加入一种具有极低摩擦系数的材料，AlMgB₁₄，在保证刀具具有高的硬度和耐磨性的同时可以降低在切削过程中，尤其是高速干切削高性能铸铁过程中的摩擦系数，减少了刀具磨损，延长了刀具寿命。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种自润滑聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具及其制备方法，通过在PCBN结合剂中添加一定量的AlMgB₁₄，来降低摩擦系数，来制备适宜于高速干切削性铸铁的刀具。

一种自润滑聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具，由立方氮化硼单晶及结合剂制备而成。所述立方氮化硼单晶为平均粒度为0.5-40μm的立方氮化硼单晶，占总质量百分比为80%~85%，所述结合剂占总质量百分比为15%~20%。

所述结合剂包括TiN、AlN、TiC及AlMgB₁₄，所述TiN、AlN、TiC平均粒度均为0.5-10μm，所占结合剂总质量百分比分别为60%~70%，5%~10%，5%~10%。

所述AlMgB₁₄平均粒度为0.5-10μm，占结合剂总质量百分比为15%~30%。

如上所述的刀具，其制备方法为：1）按照所述比例称取各组分，装入球磨罐中，在滚筒球磨机上球磨24小时使其混合均匀，制备混合粉料；2）将步骤1）所得混合粉料装入模具进行冷压，真空处理，将压坯与叶腊石组装成为组装体；3）将步骤2）所得组装体放入压机中加压至5-6GPa，温度1450-1650℃，烧结20-40 分钟，制备胚料；4）将步骤3）所得坯料，经过切割成片状，经磨削、抛光加工，可以制成各种角度的切削刀具。

通过调整所述刀具组分的含量，所述刀片适用于普通灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁的高速干切削加工。

本发明的有益效果：

本发明通过在常用的结合剂（氮化钛、碳化钛、氮化铝）中加入AlMgB₁₄，与立方氮化硼单晶一起烧结制备出一种适合于高速干式切削高性能铸铁材料的自润滑聚晶立方氮化硼刀具。所述刀具既可以保证硬度、韧性，又降低了刀具与铸铁的摩擦系数，延长了刀具的寿命，是一种自润型刀具。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明，但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。

实施例 1

一种自润滑聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具，由占总质量百分比为80%，平均粒度为0.5-40μm的立方氮化硼单晶和占总质量百分比20%结合剂制备，所述结合剂分别为平均粒度为0.5-10μm的TiN、AlN 、TiC，和平均粒度为0.5-10μm的AlMgB₁₄，所述结合剂各组分其占结合剂总质量百分比分别为70%，10%、5%和15%。

如上所述的一种自润滑聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具，其制备方法为：1）按照所述比例称取各组分，装入球磨罐中，在滚筒球磨机上球磨24小时使其混合均匀，制备混合粉料；2）将步骤1）所得混合粉料装入模具进行冷压，真空处理，将压坯与叶腊石组装成为组装体；3）将步骤2）所得组装体放入压机中加压至5-6GPa，温度1450-1650℃，烧结20-40 分钟，制备胚料；4）将步骤3）所得坯料，经过切割成片状，经磨削、抛光加工，可以制成各种角度的切削刀具。

如上所述的一种自润滑聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具，其应用为普通灰铸铁以及球墨铸铁的高速干切削加工。

实施例2

一种自润滑聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具，由占总质量百分比为85%，平均粒度为0.5-20μm和20-40μm的两种立方氮化硼单晶和占总质量百分比15%结合剂制备，所述平均粒度为0.5-20μm立方氮化硼单晶占立方氮化硼单晶总质量的60%，所述平均粒度20-40μm立方氮化硼单晶占立方氮化硼单晶总质量的40%，所述结合剂分别为平均粒度为0.5-10μm的TiN、AlN 、TiC，和平均粒度为0.5-10μm的AlMgB₁₄，所述结合剂各组分其占结合剂总质量百分比分别为60%，5%、5%和30%。

具体制备方法同实施例1。

如上所述的一种自润滑聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具，其应用为蠕墨铸铁、可锻铸铁的高速干切削加工。

小结

实施例1中所述刀具与铸铁的摩擦系数为0.12，相比于普通CBN刀具的0.23和硬质合金的0.52分别降低了48%和77%，形成了高速干切削加工高性能铸铁过程中的自润滑效应；刀具硬度达到42 GPa，适合于一些较低硬度的球墨铸铁和普通灰铸铁，在线速度为300m/min的条件下切削这类铸铁材料时，刀具寿命比传统陶瓷刀具提高20-30%，比硬质合金刀具提高70-80%。

实施例2中所述刀具结合剂中的AlMgB₁₄的含量增加至30%，摩擦系数低至0.06，硬度达到55GPa，适合切削高强度和高耐磨性的球墨铸铁、蠕墨铸铁以及可锻铸铁，线速度为300m/min时刀具使用寿命是普通刀具的1.5倍。

综上所述本发明所述的一种自润滑聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具，通过在常用的结合剂（氮化钛、碳化钛、氮化铝）中加入AlMgB₁₄，与立方氮化硼单晶一起烧结制备出一种适合于高速干式切削高性能铸铁材料的自润滑聚晶立方氮化硼刀具。所述刀具既可以保证硬度、韧性，又降低了刀具与铸铁的摩擦系数，延长了刀具的寿命，是一种自润型刀具。

Claims (4)

1.一种自润滑聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，由立方氮化硼单晶及结合剂制备而成，其特征在于：所述结合剂由TiN、AlN、TiC和AlMgB₁₄组成；所述立方氮化硼单晶为平均粒度为0.5-40μm的立方氮化硼单晶，占总质量百分比为80％～85％，所述结合剂占总质量百分比为15％～20％。

2.如权利要求1所述的一种刀具，其特征在于：所述结合剂中TiN、AlN、TiC平均粒度均为0.5-10μm，所占结合剂总质量百分比分别为60％～70％，5％～10％，5～10％，所述AlMgB₁₄平均粒度为0.5-10μm，占结合剂总质量百分比为15％～30％。

3.如权利要求2所述的一种刀具，其制备方法为：1)按照所述比例称取各组分，装入球磨罐中，在滚筒球磨机上球磨24小时使其混合均匀，制备混合粉料；2)将步骤1)所得混合粉料装入模具进行冷压，真空处理，将压坯与叶腊石组装成为组装体；3)将步骤2)所得组装体放入压机中加压至5-6GPa，温度1450-1650℃，烧结20-40分钟，制备坯料；4)将步骤3)所得坯料，经过切割加工成片状，经磨削、抛光加工，制成各种角度的切削刀具。

4.如权利要求1所述的刀具，其应用为普通灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁的高速干切削加工。