CN105950940A - 一种镀镍立方氮化硼复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镀镍立方氮化硼复合材料及其制备方法，该镀镍立方氮化硼复合材料是将镀镍立方氮化硼粉体与结合剂混合后，经放电等离子体烧结制成的；其中，所述镀镍立方氮化硼粉体与结合剂的体积比为(30～90):(10～70)。该镀镍立方氮化硼复合材料所用镀镍立方氮化硼粉体表面金属化，在放电等离子烧结工艺中，有利于脉冲电流在粉体间的传导和放电，烧结的镍金属涂层将cBN颗粒与结合剂牢固结合起来，同时使cBN颗粒内部的缺陷“微裂纹”微小空洞得到弥补，进而提高磨料的颗粒强度；还可以起到隔氧保护、减轻热损伤程度等作用；该镀镍立方氮化硼复合材料致密度高、强度高，具有良好的耐磨性能和长的使用寿命，适合推广使用。
Description
技术领域
本发明属于超硬复合材料技术领域，具体涉及一种镀镍立方氮化硼复合材料，同时还涉及一种镀镍立方氮化硼复合材料的制备方法。
背景技术
立方氮化硼(cBN)具备许多的优异性能，如高硬度、高耐磨性、高的热稳定性等，cBN的热稳定性和对铁族元素及其合金的化学惰性优于金刚石，因而特别适用于铁系合金的加工磨削，广泛用于钢铁制品的精密加工、研磨。由于合成大尺寸、高质量的cBN单晶非常困难，所以目前通常是将cBN微粉和结合剂制备成cBN/结合剂复合材料来满足工业应用。
立方氮化硼聚晶材料是具有卓越性能表现的一种刀具材料，由于其具有与铁族元素非常高的化学惰性，因此在高韧性、高耐磨、高强度黑色金属材料工具的加工中发挥着不可替代的作用。制备立方氮化硼聚晶材料的传统工艺是采用高温高压法，虽然这项技术不断完善，但依然存在着样品尺寸小、设备难以维护调整等诸多问题。
放电等离子体烧结工艺是一种新型的材料制备技术，其具有加热速率快、样品尺寸大、设备操作简单、易于维护等优点，近年来获得广泛的应用。现有技术中，赵玉成等在《放电等离子烧结制备立方氮化硼聚晶》(金刚石与磨料磨具工程，2007年8月)一文中，公开了采用放电等离子烧结工艺在氮气气氛中制备以Si3N4-AlN-Al2O3-Y2O3-BN系的立方氮化硼聚晶；其实验方法是采用平均粒径为20～50μm的Si3N4、AlN、Al2O3、Y2O3以及5μm和10μm的cBN微粉配料后，采用湿式球磨混匀，干燥后，将混合粉料装填于石墨模具中，按300℃/min的升温速率升温，在氮气气氛条件下，在1250℃、1350℃、1450℃和30MPa的压力下进行烧结，保温时间为5min，随炉冷却；该方法可制备出致密的立方氮化硼聚晶烧结体，氮化硼依然保持立方结构。
CN103920984B公开了一种双材料组合式搅拌摩擦焊搅拌头，解决现有技术存在的搅拌头耐磨性差等问题；其搅拌针是由以下方法制备的：采用颗粒大小为30-50μm、纯度为99.99％的Ni、Co、Ti、In金属混合制备成粉状粘结合金，将其与cBN颗粒(80-120μm)混合均匀，采用放电等离子烧结技术制备cBN超硬耐磨复合材料，制造搅拌针；采用放电等离子烧结技术制备cBN超硬耐磨复合材料的常规工艺参数为：真空度控制在2×102Pa以上，烧结温度700-1000℃，轴向压力20-30MPa，保温时间3-10min。所得的cBN超硬耐磨复合材料具有一定的致密性、抗冲击性和耐磨性。
但是，上述方法中所用的超硬粉体均为cBN粉体，cBN粉体与金属原子键结构有着本质的不同，具有特殊的物理化学性能，表现出非常稳定的电子配位，很难被熔化的金属所润湿。由于cBN粉体与大部分金属、陶瓷甚至树脂等结合剂之间无界面结合力，仅靠结合剂对cBN颗粒的机械镶嵌作用制备刀具或磨具，故在使用过程中易脱落、流失，从而使刀具或磨具的加工效率和使用寿命大大降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种镀镍立方氮化硼复合材料，解决现有cBN粉体与结合剂之间无界面结合力，仅靠结合剂对cBN颗粒的机械镶嵌作用制备复合材料所造成的加工效率低、使用寿命短的问题。
本发明的第二个目的是提供一种上述镀镍立方氮化硼复合材料的制备方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种镀镍立方氮化硼复合材料，是将镀镍立方氮化硼粉体与结合剂混合后，经放电等离子体烧结制成的；其中，所述镀镍立方氮化硼粉体与结合剂的体积比为(30～90):(10～70)。
所述放电等离子体烧结的烧结压力为30～110MPa，烧结温度为800～1450℃，保温时间为10～60min。
所述结合剂为金属粉体与陶瓷粉体混合制成的金属陶瓷结合剂；所述金属粉体为Al、Ti中的任意一种或组合，所述陶瓷粉体为TiN、TiC、Al2O3、AlN、Si3N4、Y2O3中的任意一种或组合。优选的，所述金属陶瓷结合剂中，金属粉体的质量百分含量为5％～30％。
所述镀镍立方氮化硼粉体是由包括以下步骤的方法制备的：
1)取立方氮化硼微粉，依次进行酸化处理和表面活化处理，得活化粉体；
2)将步骤1)所得活化粉体置于化学镀液中，在超声条件下进行化学镀镍，后分离，得镀镍立方氮化硼粉体。
所用立方氮化硼微粉为微米级。优选的，所述立方氮化硼微粉的粒径为10～40μm。
步骤1)中，酸化处理所用的酸为盐酸。所述盐酸的质量浓度为36.5％。酸化处理后，将立方氮化硼微粉用无水乙醇洗至中性。酸化处理的作用是增加立方氮化硼微粉的表面粗糙度，活化立方氮化硼表面，有利于镀覆过程中镍的沉积，同时提高后续镀覆时镀层与微粉的结合力。
步骤1)中，所述表面活化处理是指将立方氮化硼微粉浸在氯化钯溶液中，使其表面敏化、活化。表面敏化、活化有利于镀覆过程中镍沉积在立方氮化硼微粉表面。优选的，所述氯化钯溶液的浓度为3～7g/L；浸泡时间为5～15min。
步骤1)中，所述还原处理是指将立方氮化硼微粉浸入联氨溶液中进行浸泡还原。优选的，所述联氨溶液的浓度为3～7g/L；浸泡时间为5～15min。经过还原处理的立方氮化硼微粉不经水洗直接加入化学镀液中进行化学镀。
步骤2)中，所述化学镀液的主要成分为硫酸镍、联氨、柠檬酸钠和硫脲。优选的，所述化学镀液含有以下浓度的成分：硫酸镍30g/L、联氨20～90g/L、柠檬酸钠20～90g/L、硫脲10～20mg/L。所述联氨在配制化学镀液时，采用质量浓度为80％的水合联氨进行配制。所述化学镀液的用量为：每2～6g活化粉体使用1L化学镀液。
步骤2)中，所述超声条件的超声功率为40～60W。超声波有效引起化学镀键的共振，颗粒分散更加均匀，还可以加速物质之间的转化与转动，提高镀液中粒子的分散性，从而提高镀镍质量。
步骤2)中，化学镀镍的镀覆时间为30～60min。
上述所得的镀镍立方氮化硼，是依次对立方氮化硼(cBN)进行酸化、表面活化、还原的表面处理后，再超声辅助通过化学镀镍的方法制备的；该镀镍立方氮化硼中，镀镍层对立方氮化硼微粉的包覆均匀，镀镍层与立方氮化硼的结合紧密，结合强度高，结合效果好；镀镍层改善了原料立方氮化硼微粉表面棱角分明的情况，增加了表面粗糙度。cBN颗粒表面金属化后，采用该镀镍立方氮化硼制备镀镍立方氮化硼复合材料，镀镍层提高了结合剂对cBN粉体的粘结性能，能够改善结合剂与cBN颗粒之间的结合状态，从而提高复合材料的强度、耐磨性及使用寿命。
本发明的镀镍立方氮化硼复合材料，是将镀镍立方氮化硼粉体与结合剂混合后，经放电等离子体烧结制成；所用镀镍立方氮化硼粉体表面金属化，在放电等离子烧结工艺中，有利于脉冲电流在粉体间的传导和放电，烧结的镍金属涂层将cBN颗粒与结合剂牢固结合起来，同时使cBN颗粒内部的缺陷“微裂纹”微小空洞得到弥补，进而提高磨料的颗粒强度；还可以起到隔氧保护、减轻热损伤程度等作用；该镀镍立方氮化硼复合材料致密度高、强度高，具有良好的耐磨性能和长的使用寿命，适合推广使用。
一种上述的镀镍立方氮化硼复合材料的制备方法，包括将镀镍立方氮化硼粉体与结合剂混合后，经放电等离子体烧结，即得；其中，所述镀镍立方氮化硼粉体与结合剂的体积比为(30～90):(10～70)。
本发明的镀镍立方氮化硼复合材料的制备方法中，镀镍立方氮化硼粉体良好的导电性有利于放电等离子烧结工艺的进行，传统的放电等离子烧结立方氮化硼复合材料是通过添加一定量的金属结合剂来提高粉体的导电性，本发明采用包覆工艺(镀镍立方氮化硼)和放电等离子烧结的工艺相结合的方法，包覆后的立方氮化硼粉体有利于脉冲电流在粉体间的传导和放电，产生等离子体，生产效率高，所得产品质量好。此外，包覆的镀镍层一方面避免了粉末内放电产生的瞬间高温对立方氮化硼表面的破坏，另一方面增强了cBN粉体与结合剂的润湿性，提高立方氮化硼聚晶材料的烧结性能，使烧结体内孔隙减小，界面结合力增强。
本发明的镀镍立方氮化硼复合材料的制备方法，工艺简单，操作方便，生产效率高，且易于进行自动化控制，适合大规模工业化生产。
附图说明
图1为实施例1所用的原料立方氮化硼微粉的扫描电子显微图；
图2为实施例1所得镀镍立方氮化硼粉体的扫描电子显微图；
图3为实施例1所得镀镍立方氮化硼粉体的XRD图谱；
图4为实施例1所得镀镍立方氮化硼复合材料的扫描电子显微图。
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
本实施例所用的镀镍立方氮化硼，是由以下方法制备的：
1)取粒度为20～40μm的立方氮化硼微粉，用质量浓度为36.5％的盐酸对立方氮化硼微粉进行酸化处理，后用无水乙醇洗至中性，浸在浓度为5g/L的氯化钯溶液中10min使其表面敏化、活化，取出后再浸入浓度为5g/L的联氨溶液中10min进行浸泡还原处理，后分离得活化粉体；
2)将步骤1)所得活化粉体置于化学镀液中，在超声条件(超声功率50W)下进行化学镀镍，镀覆时间为30min；镀覆结束后，经沉淀分离、洗涤烘干，得镀镍立方氮化硼粉体。其中，所用的化学镀液包含以下组分：硫酸镍30g/L、联氨60g/L、柠檬酸钠50g/L、硫脲20mg/L；所述化学镀液的用量为：每4g活化粉体使用1L化学镀液。
本实施例的镀镍立方氮化硼复合材料，是采用上述所得镀镍立方氮化硼粉体制备的；制备方法为：
将镀镍立方氮化硼粉体与结合剂按照体积比为65:35的比例混合均匀后，采用放电等离子体烧结技术进行烧结，即得镀镍立方氮化硼复合材料；其中，放电等离子体烧结技术的烧结压力为30MPa，烧结温度为1100℃，保温时间为30min。所用结合剂为金属陶瓷结合剂，由以下质量百分比的组分组成：Al 10％、Ti 12.5％、TiN 35％、TiC 35％、Al2O3 7.5％。
分别对本实施例所用原料立方氮化硼微粉、所得镀镍立方氮化硼粉体和所得镀镍立方氮化硼复合材料进行检测，结果如图1-4所示。图1为所用的原料立方氮化硼微粉的扫描电子显微图，从图1可以看出，原料立方氮化硼微粉颗粒表面光滑，棱角均匀。图2和图3分别为所得镀镍立方氮化硼粉体的扫描电子显微图和XRD图谱，从图2、3可以看出，镍成功包覆于立方氮化硼粉体表面，且取得了较好的包覆效果。图4为所得镀镍立方氮化硼复合材料的扫描电子显微图，从图4可以看出，所得试样内部结构比较致密，镍包覆后的cBN颗粒与结合剂有很好的界面结合效果。
经检测，本实施例所得镀镍立方氮化硼复合材料的致密度为97.23％，硬度为46.2GPa。
实施例2
本实施例所用的镀镍立方氮化硼，是由以下方法制备的：
1)取粒度为10～20μm的立方氮化硼微粉，用质量浓度为36.5％的盐酸对立方氮化硼微粉进行酸化处理，后用无水乙醇洗至中性，浸在浓度为5g/L的氯化钯溶液中10min使其表面敏化、活化，取出后再浸入浓度为5g/L的联氨溶液中10min进行浸泡还原处理，后分离得活化粉体；
2)将步骤1)所得活化粉体置于化学镀液中，在超声条件(超声功率50W)下进行化学镀镍，镀覆时间为45min；镀覆结束后，经沉淀分离、洗涤烘干，得镀镍立方氮化硼粉体。其中，所用的化学镀液包含以下组分：硫酸镍30g/L、联氨60g/L、柠檬酸钠50g/L、硫脲20mg/L；所述化学镀液的用量为：每4g活化粉体使用1L化学镀液。
本实施例的镀镍立方氮化硼复合材料，是采用上述所得镀镍立方氮化硼粉体制备的；制备方法为：
将镀镍立方氮化硼粉体与结合剂按照体积比为45:55的比例混合均匀后，采用放电等离子体烧结技术进行烧结，即得镀镍立方氮化硼复合材料；其中，放电等离子体烧结技术的烧结压力为70MPa，烧结温度为1250℃，保温时间为60min。所用结合剂为金属陶瓷结合剂，由以下质量百分比的组分组成：Ti 10％、TiN 25％、TiC 35％、AlN 20％、Al2O3 10％。
经检测，本实施例所得镀镍立方氮化硼复合材料的致密度为98.90％，硬度为48.3GPa。
实施例3
本实施例所用的镀镍立方氮化硼，是由以下方法制备的：
1)取粒度为20～30μm的立方氮化硼微粉，用质量浓度为36.5％的盐酸对立方氮化硼微粉进行酸化处理，后用无水乙醇洗至中性，浸在浓度为5g/L的氯化钯溶液中10min使其表面敏化、活化，取出后再浸入浓度为5g/L的联氨溶液中10min进行浸泡还原处理，后分离得活化粉体；
2)将步骤1)所得活化粉体置于化学镀液中，在超声条件(超声功率50W)下进行化学镀镍，镀覆时间为60min；镀覆结束后，经沉淀分离、洗涤烘干，得镀镍立方氮化硼粉体。其中，所用的化学镀液包含以下组分：硫酸镍30g/L、联氨60g/L、柠檬酸钠50g/L、硫脲20mg/L；所述化学镀液的用量为：每4g活化粉体使用1L化学镀液。
本实施例的镀镍立方氮化硼复合材料，是采用上述所得镀镍立方氮化硼粉体制备的；制备方法为：
将镀镍立方氮化硼粉体与结合剂按照体积比为70:30的比例混合均匀后，采用放电等离子体烧结技术进行烧结，即得镀镍立方氮化硼复合材料；其中，放电等离子体烧结技术的烧结压力为110MPa，烧结温度为1300℃，保温时间为20min。所用结合剂为金属陶瓷结合剂，由以下质量百分比的组分组成：Al 5％、Ti 10％、TiN 43％、AlN 35％、Al2O3 7％。
经检测，本实施例所得镀镍立方氮化硼复合材料的致密度为97.15％，硬度为47.5GPa。
实施例4
本实施例所用的镀镍立方氮化硼，是由以下方法制备的：
1)取粒度为10～40μm的立方氮化硼微粉，用质量浓度为36.5％的盐酸对立方氮化硼微粉进行酸化处理，后用无水乙醇洗至中性，浸在浓度为3g/L的氯化钯溶液中15min使其表面敏化、活化，取出后再浸入浓度为3g/L的联氨溶液中15min进行浸泡还原处理，后分离得活化粉体；
2)将步骤1)所得活化粉体置于化学镀液中，在超声条件(超声功率40W)下进行化学镀镍，镀覆时间为50min；镀覆结束后，经沉淀分离、洗涤烘干，得镀镍立方氮化硼粉体。其中，所用的化学镀液包含以下组分：硫酸镍30g/L、联氨90g/L、柠檬酸钠90g/L、硫脲15mg/L；所述化学镀液的用量为：每6g活化粉体使用1L化学镀液。
本实施例的镀镍立方氮化硼复合材料，是采用上述所得镀镍立方氮化硼粉体制备的；制备方法为：
将镀镍立方氮化硼粉体与结合剂按照体积比为30:70的比例混合均匀后，采用放电等离子体烧结技术进行烧结，即得镀镍立方氮化硼复合材料；其中，放电等离子体烧结技术的烧结压力为90MPa，烧结温度为800℃，保温时间为50min。所用结合剂为金属陶瓷结合剂，由以下质量百分比的组分组成：Al 8％、Ti 10％、TiN 35％、AlN 30％、Al2O3 7％、Y2O3 10％。
经检测，本实施例所得镀镍立方氮化硼复合材料的致密度为98.82％，硬度为48.6GPa。
实施例5
本实施例所用的镀镍立方氮化硼，是由以下方法制备的：
1)取粒度为10～40μm的立方氮化硼微粉，用质量浓度为36.5％的盐酸对立方氮化硼微粉进行酸化处理，后用无水乙醇洗至中性，浸在浓度为7g/L的氯化钯溶液中5min使其表面敏化、活化，取出后再浸入浓度为7g/L的联氨溶液中5min进行浸泡还原处理，后分离得活化粉体；
2)将步骤1)所得活化粉体置于化学镀液中，在超声条件(超声功率60W)下进行化学镀镍，镀覆时间为40min；镀覆结束后，经沉淀分离、洗涤烘干，得镀镍立方氮化硼粉体。其中，所用的化学镀液包含以下组分：硫酸镍30g/L、联氨20g/L、柠檬酸钠20g/L、硫脲10mg/L；所述化学镀液的用量为：每2g活化粉体使用1L化学镀液。
本实施例的镀镍立方氮化硼复合材料，是采用上述所得镀镍立方氮化硼粉体制备的；制备方法为：
将镀镍立方氮化硼粉体与结合剂按照体积比为90:10的比例混合均匀后，采用放电等离子体烧结技术进行烧结，即得镀镍立方氮化硼复合材料；其中，放电等离子体烧结技术的烧结压力为50MPa，烧结温度为1450℃，保温时间为10min。所用结合剂为金属陶瓷结合剂，由以下质量百分比的组分组成：Al 6％、Ti 9％、TiN 35％、AlN 35％、Si3N4 8％、Al2O3 7％。
经检测，本实施例所得镀镍立方氮化硼复合材料的致密度为98.52％，硬度为47.8GPa。
Claims (10)
1.一种镀镍立方氮化硼复合材料，其特征在于：是将镀镍立方氮化硼粉体与结合剂混合后，经放电等离子体烧结制成的；其中，所述镀镍立方氮化硼粉体与结合剂的体积比为(30～90):(10～70)。
2.根据权利要求1所述的镀镍立方氮化硼复合材料，其特征在于：所述放电等离子体烧结的烧结压力为30～110MPa，烧结温度为800～1450℃，保温时间为10～30min。
3.根据权利要求1所述的镀镍立方氮化硼复合材料，其特征在于：所述结合剂为金属粉体与陶瓷粉体混合制成的金属陶瓷结合剂；所述金属粉体为Al、Ti中的任意一种或组合，所述陶瓷粉体为TiN、TiC、Al2O3、AlN、Si3N4、Y2O3中的任意一种或组合。
4.根据权利要求1所述的镀镍立方氮化硼复合材料，其特征在于：所述镀镍立方氮化硼粉体是由包括以下步骤的方法制备的：
1)取立方氮化硼微粉，依次进行酸化处理、表面活化处理和还原处理，得活化粉体；
2)将步骤1)所得活化粉体置于化学镀液中，在超声条件下进行化学镀镍，后分离，得镀镍立方氮化硼粉体。
5.根据权利要求4所述的镀镍立方氮化硼复合材料，其特征在于：步骤1)中，酸化处理所用的酸为盐酸。
6.根据权利要求4所述的镀镍立方氮化硼复合材料，其特征在于：步骤1)中，所述表面活化处理是指将立方氮化硼微粉浸在氯化钯溶液中，使其表面敏化、活化。
7.根据权利要求4所述的镀镍立方氮化硼复合材料，其特征在于：步骤1)中，所述还原处理是指将立方氮化硼微粉浸入联氨溶液中进行浸泡还原。
8.根据权利要求4所述的镀镍立方氮化硼复合材料，其特征在于：步骤2)中，所述化学镀液的主要成分为硫酸镍、联氨、柠檬酸钠和硫脲。
9.根据权利要求4所述的镀镍立方氮化硼复合材料，其特征在于：步骤2)中，所述超声条件的超声功率为40～60W。
10.一种如权利要求1所述的镀镍立方氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于：包括将镀镍立方氮化硼粉体与结合剂混合后，经放电等离子体烧结，即得；其中，所述镀镍立方氮化硼粉体与结合剂的体积比为(30～90):(10～70)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |