CN104774591A - 一种无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料及其制备方法，该磨料是由以下方法制备的：1)将六方氮化硼粉体装入模具中，模压预成型；2)将预成型品在真空条件下进行等冷静压处理；3)将六方氮化硼块体装入钽杯中，与传压介质组成组装块；4)将组装块进行高温高压合成处理后，随炉冷却并脱模，破碎分级，即得。本发明的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，具有亚微米尺寸cBN单晶的超细晶体结构，其微破碎自锐效应和各向同性克服了单晶cBN磨料的钝化、解理和各向异性等缺陷；具有较高的硬度和强度，适用于高硬度淬火钢特别是电气、电子和光学器件的高精度加工，具有很高的社会价值和经济效益，适合推广应用。

Description

一种无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料及其制备方法

技术领域

本发明属于超硬材料技术领域，具体涉及一种无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，同时还涉及一种无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法。

背景技术

立方氮化硼的硬度高，抗氧化性强，具有优越的物理、化学和热稳定性能，尤其是避免了金刚石制品加工铁基合金材料发生化学反应的局限性，被国际材料界作为金刚石的替代材料(王光祖.立方氮化硼特性综述.超硬材料工程.2005,5(17):41-45)。因此近年来，随着像磨削中心、超高速磨床等磨削系统的开发，立方氮化硼磨料在精密加工、航空航天、汽车制造业以及轴承行业等领域有着越来越广泛的应用(Yoshio Ichida,Ryunosuke Sato.Profile grinding of superalloys with ultrafine-crystalline cBN wheels.JSME InternationalJournal.2006；49(1):94-99)。

然而传统单晶立方氮化硼磨料的缺点在磨削过程中逐渐暴漏出来，例如单晶立方氮化硼存在易劈裂的解理面，脆性大，容易发生解理破损。这会导致在磨削过程中，当大多数磨粒因磨耗磨损而出现平台后，磨粒与工件接触界面之间的滑擦作用必然强于耕犁、切削作用，这无疑降低了磨粒的锋利度，导致过大的磨削力与过高的磨削温度，甚至产生磨削颤振或烧伤磨削件，降低加工质量(Wen-Feng Ding,Jiu-Hua Xu.Wear behavior andmechanism of single-layer brazed CBN abrasive wheels during creep-feed grinding castnickel-based superalloy.Int J Adv Manuf Technol.2010；51:541–550)。

当前，多晶立方氮化硼磨料是解决单晶立方氮化硼磨料缺陷的有效方法，多晶立方氮化硼磨料根据制备时是否加入粘结剂可以分为含有结合剂的聚晶立方氮化硼(PcBN)磨料和不含结合剂的聚晶立方氮化硼(B-PcBN)磨料。而对于含粘结剂的PcBN磨料来说，粘结剂的加入虽然可以有效地改善PCBN的烧结工艺，降低其烧结温度(1200-1500℃)及压力(4-7GPa)(Hara A.Yatsu S.Japanese Patent S55-113859Sept 2 1980；Ran Lv,Jin Liu.Highpressure sintering of cubic boron nitride compacts with Al and AlN.Diamond&RelatedMaterials.2008；17:2062-2066)，但是粘结剂的加入会显著影响PcBN磨料的硬度、耐磨性和导热率，从而降低了磨料的使用性能和寿命，使磨料及相应的磨具不能满足高效高精磨削加工的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料。

本发明的第二个目的是提供一种无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，是由包括以下步骤的方法制备的：

1)将六方氮化硼粉体装入模具中，模压预成型，得预成型品；

2)将步骤1)所得预成型品在真空条件下进行等冷静压处理，得六方氮化硼块体；

3)将步骤2)所得六方氮化硼块体装入钽杯中，与传压介质组成组装块；

4)将步骤3)所得组装块进行高温高压合成处理后，随炉冷却并脱模，破碎分级，即得所述无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料。

步骤1)中，所述六方氮化硼粉体的粒径为0.1～5μm。

步骤1)中，所述模压的条件为：真空度≤1×10^-1Pa，模压温度为800～1600℃。

模压预成型时，达到模压条件后，保持模压条件0.5～3h后再开始加载压力。

加载压力为50～100MPa。

所述模压预成型所用的设备为真空热压烧结炉。

步骤2)中，所述等冷静压处理的压力为150～200MPa，保压时间为2～10h。

步骤2)所得六方氮化硼块体的氧杂质含量≤0.05％，体积密度为1.7～2.2g/cm³。

步骤4)中，所述高温高压合成的压力为9～15GPa，温度为1500～2200℃，保温保压时间为5～20min。

步骤4)中脱模时，钽杯使用氢氟酸溶解去除。

一种无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，包括下列步骤：

1)将六方氮化硼粉体装入模具中，模压预成型，得预成型品；

2)将步骤1)所得预成型品在真空条件下进行等冷静压处理，得六方氮化硼块体；

3)将步骤2)所得六方氮化硼块体装入钽杯中，与传压介质组成组装块；

4)将步骤3)所得组装块进行高温高压合成处理后，随炉冷却并脱模，破碎分级，即得所述无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料。

步骤2)中，所述等冷静压处理是将预成型品装入袋状橡胶制品中，抽真空后进行等冷静压处理。袋状橡胶制品的塑性变形能力较强，不容易产生应力集中点，而且作为抽真空的容器时也比较容易操作。所述袋装橡胶制品包括但不仅限于橡胶手套。

本发明的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，是以六方氮化硼为原料，依次经模压预成型、冷等静压处理、组成组装块、高温高压合成等工艺制备的，以高纯hBN通过直接的相变所得无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，具有以下优点：

1)该磨料只由亚微米尺寸的cBN单晶组成，具有亚微米尺寸cBN单晶的超细晶体结构；由于其极细的晶粒组成和超强的界面结合，使其避免了传统聚晶立方氮化硼磨料(PcBN)中粘结剂的含量和种类对磨料使用性能及寿命的限制，该磨料具有更高的硬度、耐热性和热导率，硬度为40～50GPa，横向断裂强度为1.1～1.7GPa；

2)该磨料不仅具有优异的耐磨性能，还具有杰出的自锐性和各向同性的优势，可以有效避免单晶cBN磨粒在磨削过程中易发生解理破碎等缺点，即其微破碎自锐效应和各向同性克服了单晶cBN磨料的钝化、解理和各向异性等缺陷；

3)与单晶cBN磨料不同，该磨料在磨削力增大的条件下，B-PcBN磨料之间的亚微米cBN单晶结合面会发生脱粘，使磨钝的亚微米尺寸的cBN单晶脱落，可使磨粒内部的单晶cBN颗粒不断裸露出来继续参与磨削，因此，本发明的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料的自锐特性可使磨粒始终维持在高锋利状态，避免了磨粒磨钝后磨削力和磨削温度的急剧增加，显著提高工具的寿命及工件表面的加工精度。

本发明的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，适用于传统单晶和聚晶立方氮化硼磨料(PcBN)无法满足的高硬度淬火钢特别是电气、电子和光学器件的高精度加工，具有很高的社会价值和经济效益，适合推广应用。

本发明的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，是以六方氮化硼为原料，依次经模压预成型、冷等静压处理、组成组装块、高温高压合成等工艺，高度结晶的高纯六方氮化硼粉体经过真空热压成型为各向通行的hBN块体，然后在高温高压的条件下经过直接的相转变烧结出cBN，后经破碎分级得到无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料；该制备方法工艺简单，操作方便，成本低，易于自动化控制，适合规模工业化生产。

附图说明

图1为实施例1所得无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，是由以下方法制备的：

1)将粒径为0.1～1μm的六方氮化硼(hBN)粉体装入模具后，置于真空热压烧结炉中，在真空度为6.6×10^-2Pa、模压温度为800℃的模压条件下保持0.5h后开始加载压力进行预成型，加载压力为100MPa，得预成型品；

2)将步骤1)所得预成型品装入橡胶手套中，抽真空后进行冷等静压处理，压力为150MPa，保压时间为2h，得到致密的六方氮化硼块体；该致密的六方氮化硼块体的氧杂质含量≤0.05％，体积密度为1.7g/cm³。

3)将步骤2)所得六方氮化硼块体装入钽杯中，并与传压介质组成组装块；

4)将步骤3)所得组装块放入顶压机中，使组装块在9GPa压力下加热到2200℃，保温保压10min进行高温高压合成处理，完成后卸除压力，随炉冷却并脱模(脱模时钽杯使用氢氟酸溶解去除)，得合成制品；将合成制品破碎分级，即得所述无结合剂的聚晶立方氮化硼(B-PcBN)磨料。

本实施例所得无结合剂的聚晶立方氮化硼(B-PcBN)磨料的结构如图1所示，该磨料只由亚微米尺寸的cBN单晶组成，具有亚微米尺寸cBN单晶的超细晶体结构。

本实施例所得无结合剂的聚晶立方氮化硼(B-PcBN)磨料的硬度为41GPa，横向断裂强度为1.3GPa。

实施例2

本实施例的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，是由以下方法制备的：

1)将粒径为0.5～3μm的六方氮化硼(hBN)粉体装入模具后，置于真空热压烧结炉中，在真空度为6.6×10^-2Pa、模压温度为1000℃的模压条件下保持1.5h后开始加载压力进行预成型，加载压力为50MPa，得预成型品；

2)将步骤1)所得预成型品装入橡胶手套中，抽真空后进行冷等静压处理，压力为200MPa，保压时间为5h，得到致密的六方氮化硼块体；该致密的六方氮化硼块体的氧杂质含量≤0.05％，体积密度为2.2g/cm³。

3)将步骤2)所得六方氮化硼块体装入钽杯中，并与传压介质组成组装块；

4)将步骤3)所得组装块放入顶压机中，使组装块在12GPa压力下加热到2000℃，保温保压15min进行高温高压合成处理，完成后卸除压力，随炉冷却并脱模(脱模时钽杯使用氢氟酸溶解去除)，得合成制品；将合成制品破碎分级，即得所述无结合剂的聚晶立方氮化硼(B-PcBN)磨料。

本实施例所得无结合剂的聚晶立方氮化硼(B-PcBN)磨料的结构同实施例1。

本实施例所得无结合剂的聚晶立方氮化硼(B-PcBN)磨料的硬度为45GPa，横向断裂强度为1.6GPa。

实施例3

本实施例的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，是由以下方法制备的：

1)将粒径为1～5μm的六方氮化硼(hBN)粉体装入模具后，置于真空热压烧结炉中，在真空度为6.6×10^-2Pa、模压温度为1600℃的模压条件下保持1.5h后开始加载压力进行预成型，加载压力为75MPa，得预成型品；

2)将步骤1)所得预成型品装入橡胶手套中，抽真空后进行冷等静压处理，压力为200MPa，保压时间为5h，得到致密的六方氮化硼块体；该致密的六方氮化硼块体的氧杂质含量≤0.05％，体积密度为2.1g/cm³。

3)将步骤2)所得六方氮化硼块体装入钽杯中，并与传压介质组成组装块；

4)将步骤3)所得组装块放入顶压机中，使组装块在10GPa压力下加热到2000℃，保温保压15min进行高温高压合成处理，完成后卸除压力，随炉冷却并脱模(脱模时钽杯使用氢氟酸溶解去除)，得合成制品；将合成制品破碎分级，即得所述无结合剂的聚晶立方氮化硼(B-PcBN)磨料。

本实施例所得无结合剂的聚晶立方氮化硼(B-PcBN)磨料的结构同实施例1。

本实施例所得无结合剂的聚晶立方氮化硼(B-PcBN)磨料的硬度为44GPa，横向断裂强度为1.5GPa。

实施例4

本实施例的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，是由以下方法制备的：

1)将粒径为0.1～1μm的六方氮化硼(hBN)粉体装入模具后，置于真空热压烧结炉中，在真空度为1.0×10^-1Pa、模压温度为1400℃的模压条件下保持3h后开始加载压力进行预成型，加载压力为90MPa，得预成型品；

2)将步骤1)所得预成型品装入橡胶手套中，抽真空后进行冷等静压处理，压力为180MPa，保压时间为10h，得到致密的六方氮化硼块体；该致密的六方氮化硼块体的氧杂质含量≤0.05％，体积密度为2.0g/cm³。

3)将步骤2)所得六方氮化硼块体装入钽杯中，并与传压介质组成组装块；

4)将步骤3)所得组装块放入顶压机中，使组装块在13GPa压力下加热到1500℃，保温保压20min进行高温高压合成处理，完成后卸除压力，随炉冷却并脱模(脱模时钽杯使用氢氟酸溶解去除)，得合成制品；将合成制品破碎分级，即得所述无结合剂的聚晶立方氮化硼(B-PcBN)磨料。

本实施例所得无结合剂的聚晶立方氮化硼(B-PcBN)磨料的结构同实施例1。

本实施例所得无结合剂的聚晶立方氮化硼(B-PcBN)磨料的硬度为41.5GPa，横向断裂强度为1.38GPa。

Claims (10)

1.一种无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，其特征在于：是由包括以下步骤的方法制备的：

1)将六方氮化硼粉体装入模具中，模压预成型，得预成型品；

2)将步骤1)所得预成型品在真空条件下进行等冷静压处理，得六方氮化硼块体；

3)将步骤2)所得六方氮化硼块体装入钽杯中，与传压介质组成组装块；

4)将步骤3)所得组装块进行高温高压合成处理后，随炉冷却并脱模，破碎分级，即得所述无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料。

2.根据权利要求1所述的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，其特征在于：步骤1)中，所述六方氮化硼粉体的粒径为0.1～5μm。

3.根据权利要求1所述的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，其特征在于：步骤1)中，所述模压的条件为：真空度≤1×10^-1Pa，模压温度为800～1600℃。

4.根据权利要求3所述的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，其特征在于：模压预成型时，达到模压条件后，保持模压条件0.5～3h后再开始加载压力。

5.根据权利要求4所述的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，其特征在于：加载压力为50～100MPa。

6.根据权利要求1所述的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，其特征在于：步骤2)中，所述等冷静压处理的压力为150～200MPa，保压时间为2～10h。

7.根据权利要求1所述的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，其特征在于：步骤2)所得六方氮化硼块体的氧杂质含量≤0.05％，体积密度为1.7～2.2g/cm³。

8.根据权利要求1所述的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，其特征在于：步骤4)中，所述高温高压合成的压力为9～15GPa，温度为1500～2200℃，保温保压时间为5～20min。

9.根据权利要求1所述的无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料，其特征在于：步骤4)中脱模时，钽杯使用氢氟酸溶解去除。

10.一种无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：

1)将六方氮化硼粉体装入模具中，模压预成型，得预成型品；

2)将步骤1)所得预成型品在真空条件下进行等冷静压处理，得六方氮化硼块体；

3)将步骤2)所得六方氮化硼块体装入钽杯中，与传压介质组成组装块；

4)将步骤3)所得组装块进行高温高压合成处理后，随炉冷却并脱模，破碎分级，即得所述无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料。