CN105624513A - 一种pcbn专用碳化物基高熵合金陶瓷结合剂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种PCBN专用碳化物基高熵合金陶瓷结合剂。该结合剂是由下述质量百分比的原料组成，其中：高熵合金20%~50%，碳化物陶瓷50%~80%。本发明所述的高熵合金可以形成高混合熵稳定的固溶体，产生多种特殊效应，例如热力学上的高熵效应，结构上的晶格畸变效应、多组元之间的协同效应以及性能上的“鸡尾酒”效应等。因此，与传统合金相比，高熵合金更容易实现均质化和合金化，合金熔点更低，具有一些传统合金所无法比拟的优异性能，例如高强度、高硬度、高耐磨、高电阻、高热阻、耐腐蚀性等。

Description

一种PCBN专用碳化物基高熵合金陶瓷结合剂
技术领域
本发明属于立方氮化硼聚晶（下称PCBN）超硬材料制造技术领域，具体说是涉及一种PCBN专用碳化物基高熵合金陶瓷结合剂。
技术背景
在现有技术中，制造立方氮化硼聚晶使用的结合剂有三类：1．金属结合剂，由金属或合金组成；2．陶瓷结合剂，仅陶瓷组成；3．金属陶瓷结合剂，由陶瓷和金属或合金组成。通常由一种金属和一种陶瓷组成，例如Ni-Si3N4。使用的合金，常用二元合金，例如Ti-Al，至多用到三元合金，例如Ti-Al-Mo。
现有PCBN结合剂存在的问题是：1.聚晶烧结温度和压力很高；2.聚晶产品硬度和强度不够高；3.聚晶组织和性能均匀性差，产品质量不够稳定。
由于存在这些问题，PCBN聚晶产品的应用受到局限，特别是作为刀具用的聚晶还不过关，对一些硬韧合金钢材料加工效果差，还有一些高硬度金属材料难以加工。例如，加工铸铁，无论是现有的金刚石聚晶还是PCBN聚晶，加工效果都不够理想。
发明内容
本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种PCBN专用碳化物基高熵合金陶瓷结合剂。
本发明的目的可通过下述技术措施来实现：
本发明的PCBN专用碳化物基高熵合金陶瓷结合剂是由下述质量百分比的原料组成，其中：高熵合金20%~50%，碳化物陶瓷50%~80%。优选方案是由质量百分比为35%的高熵合金、65%的碳化物陶瓷组成。
本发明所述高熵合金包括质量百分比为15%~25%的铬、15%~25%的钼、15%~25%的钨、10%~20%的钛、10%~20%的镍，以及0%~5%的铈；且所述高熵合金为粒径5~40μm的粉末颗粒。
本发明中所述高熵合金优选方案是由质量百分比为铬25%、钼25%、钨25%、钛12%、镍12%、铈1%组成。
本发明所述碳化物陶瓷是由质量百分比为55%~95%的碳化硅、5%~45%的碳化钨组成，且所述碳化物陶瓷为粒径5~40μm的粉末颗粒。
本发明中所述碳化物陶瓷优选方案是由质量百分比为碳化硅70%、碳化钨30%组成。
本发明的结合剂用量如下：在高压高温合成PCBN的制造工艺中，碳化物基高熵合金陶瓷结合剂与立方氮化硼（CBN）配料的质量10%~30%：70%~90%；优选用量：结合剂20%，CBN80%。
本发明所述的高熵合金可以形成高混合熵稳定的固溶体，产生多种特殊效应，例如热力学上的高熵效应，结构上的晶格畸变效应、多组元之间的协同效应以及性能上的“鸡尾酒”效应等。因此，与传统合金相比，高熵合金更容易实现均质化和合金化，合金熔点更低，具有一些传统合金所无法比拟的优异性能，例如高强度、高硬度、高耐磨、高电阻、高热阻、耐腐蚀性等。
因此，高熵合金作为结合剂应用于PCBN高压高温烧结，有利于实现烧结过程，降低烧结条件（烧结压力、烧结温度和烧结时间），提高和稳定聚晶产品质量。
本发明的有益效果如下：
1.降低CBN聚晶烧结压力和温度。传统工艺常用压力为4.5～6.5GPa，加热至1450～1650℃。与原有工艺相比，表观压力（100MPa）降低1～5ＭPa（相当于压力降低1%～5%）,温度下降10～50℃。
2.有效地提高PCBN聚晶质量。聚晶具有超硬性（维氏硬度38～55GPa）、高耐磨性、耐高温等特点。成功用于制造切削刀具，可以加工其他刀具无法加工的硬质合金、铸铁和高硬度合金钢等难加工硬质材料。
3.提高了高压高温烧结工艺过程和聚晶产品质量的稳定性，产品优等品率可提高5%～10%，优等品率达到95%以上。
具体实施方式
本发明以下将结合实施例作进一步描述：
实施例1
1、制备高熵合金粉
⑴按质量百分比取：铬25%、钼25%、钨25%、钛12%、镍12%、铈1%。
⑵通过粉碎、筛分工序将上述原料制备成为粒径20μm的粉末颗粒。
⑶高熵合金粉的配制方法可采用下述两种方法之一来进行：
方法之一：使用单质金属混合粉。此法操作简便，按照发明要求的成分和配比，进行配料和混料，在三维混料机中进行球磨混料，混合好的金属粉料可以作为结合剂的原料备用。
方法之二：使用预合金粉。此法需要预先合金化，然后制成粉末以备使用。实施步骤如下：①按照上述方法之一给出的高熵合金的配方要求进行配料；②采用真空熔炼的方法，将配好的物料置于高温炉内，熔炼成高熵合金；③然后采用雾化法，将熔炼好的合金通过雾化过程制成粉末，作为结合剂原料以备使用。
2、制备碳化物陶瓷粉末
⑴按质量百分比取：碳化硅70%，碳化钨30%。
⑵通过粉碎、筛分工序将上述原料制备成为粒径20μm的粉末颗粒。
⑶配制方法：按照本发明要求的成分和配比，进行配料和混料。在三维混料机中进行球磨混料。混合好的陶瓷粉料可以作为结合剂的原料以备使用。
3、结合剂粉末的配制
将准备好的上述两种材料，按照高熵合金35%和碳化物陶瓷65%的配比进行配料，然后在三维混料机中进行球磨混料。混合料妥善保存，作为制造PCBN的结合剂使用。
实施例2
1、制备高熵合金粉
⑴按质量百分比取：铬23%、钼24%、钨24%、钛15%、镍14%。
⑵通过粉碎、筛分工序将上述原料制备成为粒径20μm的粉末颗粒。
⑶高熵合金粉末的配制方法可采用下述两种方法之一来进行：
方法之一：使用单质金属混合粉。此法操作简便，按照发明要求的成分和配比，进行配料和混料，在三维混料机中进行球磨混料，混合好的金属粉料可以作为结合剂的原料备用。
方法之二：使用预合金粉。此法需要预先合金化，然后制成粉末以备使用。实施步骤如下：①按照上述方法之一给出的高熵合金的配方要求进行配料；②采用真空熔炼的方法，将配好的物料置于高温炉内，熔炼成高熵合金；③然后采用雾化法，将熔炼好的合金通过雾化过程制成粉末，作为结合剂原料以备使用。
2、制备碳化物陶瓷粉末
⑴按质量百分比取：碳化硅80%，碳化钨20%。
⑵通过粉碎、筛分工序将上述原料制备成为粒径20μm的粉末颗粒。
⑶配制方法：按照本发明要求的成分和配比，进行配料和混料。在三维混料机中进行球磨混料。混合好的陶瓷粉料可以作为结合剂的原料以备使用。
3、结合剂粉末的配制
将准备好的上述两种材料，按照高熵合金40%和碳化物陶瓷60%的配比进行配料，然后在三维混料机中进行球磨混料。混合料妥善保存，作为制造PCBN的结合剂使用。
实施例3
1、制备高熵合金粉
⑴按质量百分比取：铬23%、钼24%、钨24%、钛14%、镍13%、铈2%。
⑵通过粉碎、筛分工序将上述原料制备成为粒径20μm的粉末颗粒。
⑶高熵合金粉末的配制方法可采用下述两种方法之一来进行：
方法之一：使用单质金属混合粉。此法操作简便，按照发明要求的成分和配比，进行配料和混料，在三维混料机中进行球磨混料，混合好的金属粉料可以作为结合剂的原料备用。
方法之二：使用预合金粉。此法需要预先合金化，然后制成粉末以备使用。实施步骤如下：①按照上述方法之一给出的高熵合金的配方要求进行配料；②采用真空熔炼的方法，将配好的物料置于高温炉内，熔炼成高熵合金；③然后采用雾化法，将熔炼好的合金通过雾化过程制成粉末作为结合剂原料以备使用。
2、制备碳化物陶瓷粉末
⑴按质量百分比取：碳化硅85%，碳化钨15%。
⑵通过粉碎、筛分工序将上述原料制备成为粒径20μm的粉末颗粒。
⑶配制方法：按照本发明要求的成分和配比，进行配料和混料。在三维混料机中进行球磨混料。混合好的陶瓷粉料可以作为结合剂的原料以备使用。
3、结合剂粉末的配制
将准备好的上述两种材料，按照高熵合金40%和碳化物陶瓷60%的配比进行配料，然后在三维混料机中进行球磨混料。混合料妥善保存，作为制造PCBN的结合剂使用。

Claims (5)

1.一种PCBN专用碳化物基高熵合金陶瓷结合剂，其特征在于：它是由下述质量百分比的原料组成，其中：高熵合金20%~50%，碳化物陶瓷50%~80%。
2.根据权利要求1所述的PCBN专用碳化物基高熵合金陶瓷结合剂，其特征在于：所述高熵合金包括质量百分比为15%~25%的铬、15%~25%的钼、15%~25%的钨、10%~20%的钛、10%~20%的镍，以及0%~5%的铈；且所述高熵合金为粒径5~40μm的粉末颗粒。
3.根据权利要求1所述的PCBN专用碳化物基高熵合金陶瓷结合剂，其特征在于：所述碳化物陶瓷是由质量百分比为55%~95%的碳化硅、5%~45%的碳化钨组成，且所述碳化物陶瓷为粒径5~40μm的粉末颗粒。
4.根据权利要求1所述的PCBN专用碳化物基高熵合金陶瓷结合剂，其特征在于：所述高熵合金是由质量百分比为25%的铬、25%的钼、25%的钨、12%的钛、12%的镍、1%的铈组成。
5.根据权利要求1所述的PCBN专用碳化物基高熵合金陶瓷结合剂，其特征在于：所述碳化物陶瓷是由质量百分比为70%的碳化硅、30%的碳化钨组成。
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