CN105130447B - 一种结合剂、聚晶立方氮化硼刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种结合剂、聚晶立方氮化硼刀具及其制备方法，本发明的结合剂为金属‑陶瓷结合剂，兼具金属结合剂和陶瓷结合剂的优点，将其应用在聚晶立方氮化硼刀具中时，在烧结过程中，铝粉充当金属结合剂的角色，到达高温阶段，Al‑B4C‑C之间发生反应生成Al3BC3陶瓷相，克服了金属结合剂的缺点；同时，生成Al3BC3陶瓷相形态为板条状或柱状，配合SiC晶须的添加，有很好的增韧效果，解决了陶瓷结合剂韧性差的难题；而且Al‑B4C‑C间发生反应放热也能促进烧结。本发明制备的聚晶cBN刀具，其弯曲强度可达350‑450 MPa，硬度可达45‑55GPa。
Description
技术领域
本发明属于立方氮化硼与硬质合金复合刀具材料领域，具体涉及一种结合剂、聚晶立方氮化硼刀具及其制备方法。
背景技术
钛合金、高温合金是强度、密度远大于其他金属结构材料，热强度高，不仅在室温下而且在高温(300～400℃)下都是目前强度最高的合金，加上它的高抗蚀性，是航空航天、海洋石油、汽车造船、化工、军工等工业领域十分重要的工程材料。聚晶立方氮化硼（PCBN）材料具有高的硬度和耐磨性、很高的热稳定性和高温硬度、优良化学性能。由于较好的稳定性及导热性和较低的摩擦系数，PCBN作为刀具材料的应用越来越广泛。经过30多年的发展，国外对PCBN刀具的研究已基本进入成熟阶段，产品也向多样化、系列化方向发展，因此对钛合金、高温合金等难加工材料用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具进行加工是未来发展趋势。
PCBN是由立方氮化硼颗粒及适量结合剂混合经高温高压烧结而成，目前使用的结合剂主要分为金属结合剂和陶瓷结合剂。用金属作结合剂的聚晶立方氮化硼通常立方氮化硼含量高，韧性好，导热性优于用陶瓷作结合剂的聚晶立方氮化硼，但金属通常在七八百度的温度下就会软化，高温时金属的软化效应会导致聚晶立方氮化硼的耐磨性下降。陶瓷的熔点相对要高，高温时不会产生软化效应，但由于陶瓷的脆性特点，纯陶瓷结合剂聚晶立方氮化硼的韧性稍差。
发明内容
本发明的目的是提供一种结合剂、聚晶立方氮化硼刀具及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种结合剂，所述结合剂由下述重量百分含量的原料组成： B4C粉 2-10%、活性炭粉5-20%、碳化硅晶须40-60% 、余量为Al粉。
利用所述的结合剂制成的聚晶立方氮化硼刀具，由下述重量百分比的原料组成：立方氮化硼粉末40-85%、结合剂15-60%。
所述聚晶立方氮化硼刀具的制备方法包括以下步骤：①立方氮化硼粉末处理：将立方氮化硼粉末用10-20mol/L氢氟酸进行酸洗处理2h-4h，将酸洗过的立方氮化硼粉末离心分离，用蒸馏水水洗2-4次，无水乙醇醇洗2-4次，然后放于真空干燥箱内40℃-80℃干燥8h-12h；②将结合剂与步骤①处理后的立方氮化硼粉末混合均匀；③复合粉体组装：将步骤②中混好的物料倒入叶腊石模具中，然后在 200℃-400℃的条件下真空干燥 20-40 分钟；④将叶腊石模具放入六面顶压机内，在温度为1200-1700℃、压力为4.5－7.5GPa的条件下合成10－30min。
所述步骤②中结合剂与立方氮化硼粉末的混合在三维混料机进行，结合剂与立方氮化硼粉末的总重量与磨球重量比1∶1-1∶1.5，混料时间：4-8h。
所述磨球的直径为1-3mm。
本发明产生的有益效果是，本发明的结合剂为金属-陶瓷结合剂，兼具金属结合剂和陶瓷结合剂的优点，将其应用在聚晶立方氮化硼刀具中时，在烧结过程中，铝粉充当金属结合剂的角色，到达高温阶段，Al-B4C-C之间发生反应生成Al3BC3陶瓷相，克服了金属结合剂的缺点；同时，生成Al3BC3陶瓷相形态为板条状或柱状，配合SiC晶须的添加，有很好的增韧效果，解决了陶瓷结合剂韧性差的难题；而且Al-B4C-C间发生反应放热也能促进烧结。本发明制备的聚晶cBN刀具，其弯曲强度可达350-450 MPa，硬度可达45-55GPa。
附图说明
图1为实施例1制得的聚晶立方氮化硼刀具的断面SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。
实施例1
一种结合剂，所述结合剂由下述重量百分含量的原料组成：B4C粉 4%、活性炭粉12%、碳化硅晶须60% 、余量为Al粉。利用所述的结合剂制备的聚晶立方氮化硼刀具，由下述重量百分比的原料组成：立方氮化硼粉末65%、结合剂35%。
所述聚晶立方氮化硼刀具的制备方法包括以下步骤：①立方氮化硼粉末处理：将立方氮化硼粉末（粒径为1～10µm）用15mol/L氢氟酸进行酸洗处理3h，将酸洗过的立方氮化硼粉末离心分离，用蒸馏水水洗3次，无水乙醇醇洗3次，然后放于真空干燥箱内60℃下干燥10h；②将结合剂与步骤①处理后的立方氮化硼粉末加入到三维混料机进行混合，结合剂与立方氮化硼粉末的总重量与磨球（直径为1mm）重量比1∶1.2，混料时间为4h；③复合粉体组装：将步骤②中混好的物料倒入叶腊石模具中，然后在 300℃的条件下真空干燥 30 分钟；④将叶腊石模具放入六面顶压机内，在温度为1350℃、压力为5.5GPa的条件下合成25min。
本实施例所制得的聚晶立方氮化硼刀具的硬度为47.5GPa、弯曲强度为380MPa；制得的聚晶立方氮化硼刀具的断面SEM图如图1所示。
实施例2
一种结合剂，所述结合剂由下述重量百分含量的原料组成：B4C粉 2%、活性炭粉20%、碳化硅晶须40% 、余量为Al粉。利用所述的结合剂制备的聚晶立方氮化硼刀具，由下述重量百分比的原料组成：立方氮化硼粉末85%、结合剂15%。
所述聚晶立方氮化硼刀具的制备方法包括以下步骤：①立方氮化硼粉末处理：将立方氮化硼粉末用10mol/L氢氟酸进行酸洗处理4h，将酸洗过的立方氮化硼粉末离心分离，用蒸馏水水洗2次，无水乙醇醇洗4次，然后放于真空干燥箱内40℃干燥12h；②将结合剂与步骤①处理后的立方氮化硼粉末加入到三维混料机进行混合，结合剂与立方氮化硼粉末的总重量与磨球（直径为1-3mm）重量比1∶1，混料时间为6h；③复合粉体组装：将步骤②中混好的物料倒入叶腊石模具中，然后在 200℃的条件下真空干燥 40 分钟；④将叶腊石模具放入六面顶压机内，在温度为1200℃、压力为4.5GPa的条件下合成30min。
本实施例所制得的聚晶立方氮化硼刀具的硬度为53GPa、弯曲强度为425MPa。
实施例3
一种结合剂，所述结合剂由下述重量百分含量的原料组成：B4C粉 10%、活性炭粉5%、碳化硅晶须50% 、余量为Al粉。利用所述的结合剂制备的聚晶立方氮化硼刀具，由下述重量百分比的原料组成：立方氮化硼粉末40%、结合剂60%。
所述聚晶立方氮化硼刀具的制备方法包括以下步骤：①立方氮化硼粉末处理：将立方氮化硼粉末用20mol/L氢氟酸进行酸洗处理2h，将酸洗过的立方氮化硼粉末离心分离，用蒸馏水水洗4次，无水乙醇醇洗2次，然后放于真空干燥箱内80℃干燥8h；②将结合剂与步骤①处理后的立方氮化硼粉末加入到三维混料机进行混合，结合剂与立方氮化硼粉末的总重量与磨球（直径为1-3mm）重量比1∶1.5，混料时间为8h；③复合粉体组装：将步骤②中混好的物料倒入叶腊石模具中，然后在 400℃的条件下真空干燥 20分钟；④将叶腊石模具放入六面顶压机内，在温度为1700℃、压力为7.5GPa的条件下合成10min。
本实施例所制得的聚晶立方氮化硼刀具的硬度为51GPa、弯曲强度为440MPa。
Claims (4)
1.一种聚晶立方氮化硼刀具，其特征在于，所述聚晶立方氮化硼刀具由下述重量百分比的原料组成：立方氮化硼粉末40-85%、结合剂15-60%；所述结合剂由下述重量百分含量的原料组成：B4C粉 2-10%、活性炭粉5-20%、碳化硅晶须40-60%、余量为Al粉。
2.一种权利要求1所述聚晶立方氮化硼刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：①立方氮化硼粉末处理：将立方氮化硼粉末用10-20mol/L氢氟酸进行酸洗处理2h-4h，将酸洗过的立方氮化硼粉末离心分离，用蒸馏水水洗2-4次，无水乙醇醇洗2-4次，然后放于真空干燥箱内40℃-80℃干燥8h-12h；②将结合剂与步骤①处理后的立方氮化硼粉末在三维混料机内混合均匀；③复合粉体组装：将步骤②中混好的物料装入叶腊石模具中，然后在 200℃-400℃的条件下真空干燥 20-40 分钟；④将叶腊石模具放入六面顶压机内，在温度为1200-1700℃、压力为4.5-7.5GPa的条件下合成10-30min。
3.如权利要求2所述聚晶立方氮化硼刀具的制备方法，其特征在于，所述步骤②中结合剂与立方氮化硼粉末在三维混料机进行混合时，结合剂与立方氮化硼粉末的总重量与磨球重量比1∶1-1∶1.5，混料时间：4-8h。
4.如权利要求2所述聚晶立方氮化硼刀具的制备方法，其特征在于，所述磨球的直径为1-3mm。
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