CN105112758A - 一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料，包括立方氮化硼晶粒部分和粘合剂部分，粘合剂部分包括了纤锌矿型氮化硼晶粒部分、陶瓷和金属。还公布了立方氮化硼晶粒部分的晶粒尺寸和粘合剂部分中纤锌矿型氮化硼晶粒的晶粒尺寸。本发明还公开了该切削刀具材料的制备方法。所制得的切削材料可以在更低的压力和温度条件下烧结，提高了最终产品的硬度。

Description

一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料及其制备方法

技术领域

本发明属于切削工具技术领域，涉及一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料及其制备方法。

背景技术

氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体，化学组成为43.6％的硼和56.4％的氮，具有四种不同的变体：六方氮化硼(hBN)、菱方氮化硼(rBN)、立方氮化硼(cBN)和纤锌矿型氮化硼(wBN)。纤锌矿型氮化硼晶粒细小，不能作为切削主体。

随着现代技术的发展，超硬材料得到了广泛的应用，比如锯切工具、磨削工具、钻进工具和切削工具。超硬材料包括两种：金刚石和立方氮化硼(cBN)。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。

传统上，用作切削工具或耐磨工具的立方氮化硼烧结体中含有烧结剂或粘合剂，如TiN、TiC和Co。该烧结体是通过在4～5GPa的压力下将立方氮化硼粉末与烧结剂或粘合剂烧结而得到的。该烧结体中含有约10～40％的粘合剂，粘合剂极大地影响烧结体的强度、耐热性和热扩散性，在高速切削、尤其在切削黑色金属材料时，在切削刃上容易出现缺陷和裂纹，这缩短了工具的寿命。

为了延长工具寿命，已有不使用粘合剂的cBN烧结体制造方法。在该方法中，将六方氮化硼和诸如氮硼化鎂之类的催化剂用作原材料，将它们烧结并反应。根据该方法，由于不使用粘合剂，cBN颗粒之间强烈结合，导热率高达6～7W/cm℃。因此，cBN烧结体用作散热器材料或卷带自动结合工具中。但是，由于部分催化剂残留在烧结体中，并且当烧结体受热时，由于cBN和催化剂之间的热膨胀差异，容易产生细裂纹，从而耐热温度低至700℃，这对于切削工具而言是一个很大问题。此外，由于粒径粗达10μm左右，这虽然提高了导热率，但削弱了其强度，使其无法承受大的切削负荷。

高压相氮化硼有两种类型，立方氮化硼(cBN)和纤锌矿型氮化硼(wBN)。cBN主要是通过使用金属作为溶剂，在通过超过4GPa的静态高压条件下产生，是一种单晶体，在冲击作用下，晶粒间容易裂开。而纤锌矿型氮化硼是通过10GPa以上的爆炸高压产生，无需溶剂。纤锌矿型氮化硼是多晶结构，不易裂开，可承受强烈的反复冲击。通过烧结方法、用不到1毫米的立方氮化硼微粒制造切削刀具的主体，需要有6GPa以上的高压和1600℃以上的高温。对于工业制造，要产生6GPa以上的高压，其生产机器的寿命很短，所以要制造含有立方氮化硼烧结体的有利条件，其压力应当≤6GPa。在此压力下烧结立方氮化硼，我们知道通常的方法是用陶瓷和金属材料与立方氮化硼结合。然而，用陶瓷和金属材料与立方氮化硼结合会使得切削刀具的寿命变短，因为陶瓷和金属材料的硬度与立方氮化硼相比太小，所以切削时陶瓷和金属材料部分的磨损比立方氮化硼更快，从而导致切削刀具边缘过早磨损。

发明内容

为解决上述问题，本发明利用立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼的晶体特性以及各自不同的功用，对立方氮化硼来说，它适用于切削，而纤锌矿型氮化硼通过添加到陶瓷和金属基体中，适用于抵抗磨损和冲击。立方氮化硼粒子与陶瓷结合，通过纤锌矿型氮化硼细晶粒强化并辅以金属材料组合而成，使得烧结更容易、烧结后硬度增强。

本发明的另一目的是提供该切削刀具材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料，由立方氮化硼晶粒部分和粘合剂部分组成。

所述粘合剂部分包括了纤锌矿型氮化硼晶粒部分、陶瓷和金属。陶瓷是金属碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、硅化物中的任意一种。金属是铝或者钛，还可以包含镁、锆、钒、铌、钽、铬、钼、钨、锰、铁、钴、镍、铜中的一种或多种的混合。

立方氮化硼晶粒部分的晶粒尺寸为1～100微米，粘合剂部分中的纤锌矿型氮化硼晶粒部分的晶粒尺寸为1～50微米。

一种制备权利要求1所述的一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料的方法，包括以下步骤：

(1)按照比例称取立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属原始微粉；

(2)混合步骤(1)中的原始微粉，球磨30分钟，使得几种微粉混合更均匀，得到混合微粉，添加甲苯溶液作为润滑剂；

(3)加热干燥，除去甲苯；

(4)将(2)中得到的混合微粉放在圆柱形的金属容器中真空800℃加热4小时净化，除去吸收的氧气；

(5)将净化后的混合微粉转移到充满氮气的手套箱中，将其中结块的微粉粉碎成细粉；

(6)将混合微粉装入耐高温耐高压容器中；

(7)将(6)中的装满混合微粉的耐高温耐高压容器放入高温高压设备中，升压至3GPa以上，升温至1200℃以上；

(8)保持步骤(7)的压力和温度10～30分钟；

(9)降低压力、停止加热，使设备温度达到0～25℃，压力达到标准大气压；

(10)从高温高压设备中取出耐高温耐高压容器，去除烧结体表面包裹的容器，得到含有立方氮化硼、陶瓷和金属的切削刀具材料。

本发明的有益效果是：

(1)通过添加纤锌矿型氮化硼，使烧结更容易，可在更低的压力和温度条件下烧结，提高了最终产品的硬度；

(2)烧结时所要求的温度压力相比较同类产品低，延长了设备使用寿命，节省了能量，节约了成本。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明：

实施例1

选择占总质量50％且晶粒尺寸分布在10～15微米的立方氮化硼(cBN)作为切削部分，另外50％的粘合剂部分主要由20％TiC、15％TiN和7％晶粒尺寸在2微米的纤锌矿型氮化硼(wBN)、8％的金属铝球磨90分钟混合得到。TiC和TiN的平均晶粒尺寸为5微米，铝的晶粒尺寸为10微米，甲苯作为混合润滑剂。将混合后的粘结剂部分与切削部分cBN放入到球磨机的锅中混合30分钟。混合完成后，将混合微粉取出放入到玻璃烧杯中，静置5小时使微粉沉淀到烧杯底部。在保证全部沉淀后，倾倒掉甲苯。混合微粉通过加热5小时去除剩余的甲苯。在去除甲苯后，混合微粉装入金属容器中，放入到真空炉中800℃加热4小时，去除吸收的氧气和熔化铝使微粉混合均匀。当炉内温度低于100℃，3小时后，炉中充满氮气，混合微粉转移到充满氮气的手套箱中。在手套箱中，通过碳化钨锅和杵，结块的微粉变为细粉。装入Φ14*4mm、厚0.5mm的锆杯中。用60kg/c㎡的小型液压机压。锆杯内微粉厚为1.5mm。放入烧结后的Φ13*2.5mm的WC片在微粉上。然后装满混合微粉和碳化钨片的耐温容器放入到高压设备中，5.1GPa、1480℃条件下合成15分钟。

通过以上工艺，混合微粉被烧结成3.2mm厚、直径为11.7mm的柱体。烧结柱体的表面用金刚石砂轮和金刚石研磨膏抛光，获得光亮的表面。用光学显微镜进行观察，cBN颗粒已经与粘合材料粘合在一起。粘合剂中，wBN的细小颗粒到处分散。通过X光线衍射可对cBN、wBN、氮化铝(以下简称AlN)、硼化钛(以下简称TiB2)、铝化钛(以下简称TiAl)等进行观察。在烧结过程中他们都进行了化合，cBN和wBN通过这些化合物与基体结合在一起。

该柱状烧结体切割成60度角的三角形，铜焊在碳化钨基体上形成TNG160308一次性刀头。进行的切削试验为：切削硬度为HRC63的模具钢，其圆周速度为128米/分，切削深度为0.5mm，进给量为0.11毫米/转，刀头在切削25分钟后的侧面磨损为0.3mm。改用碳化钨刀头，在同样条件下重复进行切削试验，切削8秒钟后，刀头边缘断裂，因此不可能进行切削。

实施例2

试验2-10

重复进行试验2-试验10，切削试验的条件和结果与试验1相同，如表1所示。表中，持续时间指的是通过切削硬度为HRC60～63的磨具钢，切削深度为0.5mm、进给量为0.11毫米/转、圆周速度为98～118米/分后刀头边缘磨损达到0.3mm的时间。

表1：烧结条件和试验2～10的切削试验结果(重量百分比wt.％)

备注：表中的数据为质量百分比(除最后一列)，未特别标注的晶粒尺寸如前文中所述，cBN该列的括号内数据为其晶粒尺寸。

对比例1

为了了解添加wBN的粘结作用，对比试验中不添加wBN。

质量百分比50％的晶粒尺寸在10～15的cBN作为主要切削部分，50％粘结剂部分：25％TiC,17％TiN，8％Al。用球磨机混合90分钟。TiC和TiN主要粒度为5微米，铝的平均粒度为10微米。甲苯作为混合润滑剂。

重复相同的实验步骤和切削测试。实验结果：8分钟后刀头侧面磨损为0.3mm。时间短于本发明的一半。

对比试验2～10将wBN换为cBN，成分及实验结果如表2所示。

表2：烧结条件和对比试验2～10的切削试验结果(重量百分比wt.％)

对比试验1-10的测试结果都没有达到本发明的水平。

Claims (9)

1.一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料，其特征在于，由立方氮化硼晶粒部分和粘合剂部分组成。

2.根据权利要求1所述的一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料，其特征在于，所述粘合剂部分包括了纤锌矿型氮化硼、陶瓷和金属。

3.根据权利要求2所述的一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料，其特征在于，所述陶瓷是金属碳化物和金属氮化物、氧化物、硼化物、硅化物中的任意一种或多种的混合。

4.根据权利要求2所述的一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料，其特征在于，所述金属是铝或钛，还可以包含镁、鋯、钒、铌、钽、铬、钼、钨、锰、铁、钴、镍、铜中的任意一种或多种的混合。

5.根据权利要求1所述的一种含有立方氮化硼、陶瓷和金属的切削刀具材料，其特征在于，所述立方氮化硼晶粒部分的晶粒尺寸为1~40微米。

6.根据权利要求1所述的一种含有立方氮化硼、陶瓷和金属的切削刀具材料，其特征在于，所述粘合剂部分中的纤锌矿型氮化硼晶粒部分的晶粒尺寸为1~15微米。

7.一种制备权利要求1所述的一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）按照比例称取立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属原始微粉；

（2）混合步骤（1）中的原始微粉，球磨30分钟，使得几种微粉混合更均匀，得到混合微粉，添加甲苯溶液作为润滑剂；

（3）加热干燥，除去甲苯；

（4）将（2）中得到的混合微粉放在圆柱形的金属容器中真空800℃加热4小时净化，除去吸收的氧气；

（5）将净化后的混合微粉转移到充满氮气的手提箱中，将其中结块的微粉粉碎成细粉；

（6）将混合微粉装入耐高温耐高压容器中；

（7）将（6）中的装满混合微粉的耐高温耐高压容器放入高温高压设备中，升压至3GPa以上，升温至1200℃以上；

（8）保持步骤（6）的压力和温度10~30分钟；

（9）降低压力、停止加热，使设备温度达到0~25℃，压力达到标准大气压；

（10）从高温高压设备中取出耐高温耐高压容器，去除烧结体表面包裹的容器，得到含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料。

8.根据权利要求7所述的一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料的制备方法，其特征在于，立方氮化硼晶粒部分的质量占原始微粉质量的35%~85%。

9.根据权利要求7所述的一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料的制备方法，其特征在于，粘合剂部分的质量占原始微粉质量的15%~65%。