CN106625896A - 一种新型超硬刀具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超硬刀头中不含粘结剂的刀具，刀具由刀头和刀柄固定连结而成。刀头由超硬质相多晶金刚石或超硬质相多晶立方氮化硼（cBN）加工制成，其内含有的非超硬质相成分低于超硬刀头总质量的1wt.%。所述多晶金刚石或多晶cBN的前驱体先要在200～1500℃的条件下真空保温10～300分钟，再装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在6～25GPa、1200～3000℃的条件下保温保压1～300分钟烧结而成。本发明所述刀具的超硬刀头中不含粘结剂，其维氏硬度为40～150GPa，与传统金刚石或cBN刀具相比具有更高的硬度、耐磨性、热稳定性、抗冲击性，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统刀具的寿命增加了30%以上。

Description

一种新型超硬刀具
技术领域
本发明属于刀具技术领域，尤其涉及一种机械制造中用于切削加工的超硬多晶金刚石和cBN刀具。
背景技术
刀具是机械制造中用于切削加工的机用或手用工具，又称切削工具，具体可用于切削木材、切削金属材料、地质勘探、打井、矿山钻探等。刀具按工件加工表面的形式可分为加工各种外表面的刀具、孔加工刀具、螺纹加工刀具、齿轮加工刀具以及切断刀具等五类，此外，还有组合刀具；
按照切削运动方式和相应的刀刃形状，刀具又可分为通用刀具、成形刀具及特殊刀具等三类；按照用途分类，刀具除金属切削刀具外，还包括用于木工的木工刀具，还有特别应用的一类刀具，用于地质勘探、打井、矿山开采的矿山刀具。
现有技术中，用于切削加工的金刚石或cBN刀具都是将作为前驱体的碳或氮化硼中加入含量为1wt.％～ 60wt.％的粘结剂，所述粘结剂可以是钴、镍、钼、锰、铝、硅、碳化硅、碳化钛、氮化钛、氮化铝、硼化钛、硼化铝或其他陶瓷材料中的一种或几种，之后在高温高压条件下烧结成块体，最后加工为超硬刀具。这些粘结相的硬度一般只有金刚石或cBN硬度的50%或更低。在不同的切削条件下，超硬刀具会出现不同情况的磨损，当在高速高效切削加工或加工耐高温材料时，超硬刀刃及刀具表面与切出的工件、切屑新鲜表面接触的部分可达到很高的切削温度，刀具中作为硬质相的金刚石或cBN与作为粘结相的粘结剂都会受热膨胀，而硬质相和粘结相的膨胀系数具有差异，弹性模量也有较大差异，导致硬质相部分在热膨胀的同时受到同样发生热膨胀的粘结剂的挤压，从而产生裂纹，致使其寿命减短；另一方面，高温条件使得超硬刀刃中的粘结剂扩散到工件或切屑中，降低了超硬刀刃的粘结强度，而切屑中的元素原子也扩散入超硬刀具中，从而在刀具表面形成低硬度、高脆性的复合物，这降低了刀具的强度与硬度，使得刀具的磨损加据，且随着切削温度的不断升高，元素的扩散速率增加，从而加剧了刀具的磨损程度。随着金属切削加工参数的不断提升，对刀具材质的硬度、韧性、耐高温性和耐磨性提出了更高的要求，现有的带粘结剂的刀具在切削加工使用中越来越显示出整体性能上的不足。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种不含粘结剂的刀具，所述刀具由刀头和刀柄采用真空焊接、激光焊接、微波焊接或者机械固定方式连结而成，刀头由超硬质相多晶金刚石或超硬质相多晶立方氮化硼（cBN）作为超硬刀刃加工制成，其内含有的非超硬质相成分低于刀具超硬刀头总质量的1wt.%。所述超硬质相多晶金刚石刀头是采用石墨、石墨烯、富勒烯、无定形碳、玻璃碳、纳米洋葱碳、C60、微米级金刚石、纳米级金刚石等高纯碳中的一种或多种作为前驱体合成的，超硬质相多晶cBN刀头是采用微米级六方氮化硼（hBN和wBN）、非晶BN、纳米hBN、纳米wBN 、微米级cBN、纳米级cBN等高纯BN中的一种或多种作为前驱体合成的。所述多晶金刚石或多晶cBN是先在真空度为1×10－5Pa～1×10－ 1Pa、200～1500℃的条件下真空保温10～300分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在6～25GPa、1200～3000℃的条件下保温保压1～300分钟烧结而成的。
本发明提供的刀具的超硬刀刃中不含粘结剂，与传统金刚石或cBN刀具相比具有更高的硬度、耐磨性、热稳定性、抗冲击性，本发明所述新型超硬刀具维氏硬度为40～150GPa，其在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统刀具的寿命增加了30%以上。
实施例
1.采用高纯石墨作为前驱体，在真空度为1×10－1Pa、200℃的条件下真空保温120分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在6～8GPa，1200～1500℃条件下保温保压1～30分钟，得到超硬金刚石块体。将本实施例得到的金刚石块体加工成刀头，其维氏硬度为40～50GPa，在切削加工中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统聚晶金刚石复合刀具的寿命增加了30%以上。
2.采用微米级金刚石作为前驱体，在真空度为1×10－2Pa、800℃的条件下真空保温80分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在10～15GPa，1500～2000℃条件下保温保压30～180分钟，得到超硬金刚石块体。将本实施例得到的金刚石块体加工成刀头，其维氏硬度为65～85GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统聚晶金刚石复合刀具的寿命增加了30%以上。
3.采用微米级金刚石与石墨的混合物作为前驱体，在真空度为1×10－1Pa、1000℃的条件下真空保温60分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在15～20Pa，2000～2300℃条件下保温保压60～200分钟，得到超硬金刚石块体。将本实施例得到的金刚石块体加工成刀头，其维氏硬度为95～100GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统聚晶金刚石复合刀具的寿命增加了30%以上。
4.用高纯石墨与C60的混合物作为前驱体，在真空度为1×10－5Pa、1000℃的条件下真空保温120分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在18～20GPa，1500～1800℃条件下保温保压80～150分钟，得到超硬金刚石块体。将本实施例得到的金刚石块体加工成刀头，其维氏硬度为85～95GPa，在切削加工中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统聚晶金刚石复合刀具的寿命增加了30%以上。
5.用高纯石墨与玻璃碳的混合物作为前驱体，在真空度为1×10－3Pa、1000℃的条件下真空保温200分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在18～20GPa，1300～1500℃条件下保温保压60～120分钟，得到超硬金刚石块体。将本实施例得到的金刚石块体加工成刀头，其维氏硬度为70～90GPa，在切削加工中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统聚晶金刚石复合刀具的寿命增加了30%以上
6.采用C60作为前驱体，在真空度为1×10－2Pa、1000℃的条件下真空保温120分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在20～25GPa，2000～2500℃条件下保温保压60～120分钟，得到超硬金刚石块体。将本实施例得到的金刚石块体加工成刀头，其维氏硬度为95～110GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统聚晶金刚石复合刀具的寿命增加了35%以上。
7.采用C60作为前驱体，在真空度为1×10－2Pa、1200℃的条件下真空保温90分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在20～25GPa，2300～2800℃条件下保温保压60～150分钟，得到超硬金刚石块体。将本实施例得到的金刚石块体加工成刀头，其维氏硬度为100～110GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统聚晶金刚石复合刀具的寿命增加了35%以上。
8.采用微米级金刚石作为前驱体，在真空度为1×10－3Pa、1500℃的条件下真空保温150分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在20～25GPa，2000～2300℃条件下保温保压30～90分钟，得到超硬金刚石块体。将本实施例得到的金刚石块体加工成刀头，其维氏硬度为100～110GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统聚晶金刚石复合刀具的寿命增加了40%以上。
9.采用纳米级金刚石作为前驱体，在真空度为1×10－3Pa、1200℃的条件下真空保温120分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在25～28GPa，2300～2500℃条件下保温保压120～300分钟，得到超硬金刚石块体。将本实施例得到的金刚石块体加工成刀头，其维氏硬度为110～120GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统聚晶金刚石复合刀具的寿命增加了40%以上。
10. 采用纳米级金刚石作为前驱体，在真空度为1×10－3Pa、1500℃的条件下真空保温150分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在28～30GPa，2500～2800℃条件下保温保压120～300分钟，得到超硬金刚石块体。将本实施例得到的金刚石块体加工成刀头，其维氏硬度为140～150GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统聚晶金刚石复合刀具的寿命增加了45%以上。
11. 采用微米级cBN作为前驱体，在真空度为1×10－1Pa、500℃的条件下真空保温30分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在12～15GPa，1200～1500℃条件下保温保压10～60分钟，得到超硬cBN块体。将本实施例得到的cBN块体加工成刀头，其维氏硬度为40～50GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统刀具的寿命增加了30%以上。
12. 采用微米级cBN作为前驱体，在真空度为1×10－3Pa、1000℃的条件下真空保温60分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在15～20GPa，1600～2000℃条件下保温保压10～60分钟，得到超硬cBN块体。将本实施例得到的cBN块体加工成刀头，其维氏硬度为60～75GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统刀具的寿命增加了30%以上。
13. 采用纳米hBN作为前驱体，在真空度为1×10－1Pa、1000℃的条件下真空保温60分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在12～15GPa，1600～2200℃条件下保温保压10～200分钟，得到超硬cBN块体。将本实施例得到的cBN块体加工成刀头，其维氏硬度为80～85GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统刀具的寿命增加了35%以上。
14. 采用非晶BN作为前驱体，在真空度为1×10－2Pa、1800℃的条件下真空保温120分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在15～18GPa，1800～2000℃条件下保温保压30～120分钟，得到超硬cBN块体。将本实施例得到的cBN块体加工成刀头，其维氏硬度为90～100GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统刀具的寿命增加了35%以上。
15. 采用非晶BN作为前驱体，在真空度为1×10－4Pa、1200℃的条件下真空保温150分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在18～20GPa，2000～2300℃条件下保温保压60～120分钟，得到超硬cBN块体。将本实施例得到的cBN块体加工成刀头，其维氏硬度为90～100GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统cBN刀具的寿命增加了35%以上。
16. 采用微米级cBN与非晶BN的混合物作为前驱体，在真空度为1×10－2Pa、1200℃的条件下真空保温150分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在20～22GPa，1500～2000℃条件下保温保压20～150分钟，得到超硬cBN块体。将本实施例得到的cBN块体加工成刀头，其维氏硬度为75～80GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统刀具的寿命增加了35%以上。
17. 采用微米级cBN与非晶BN的混合物作为前驱体，在真空度为1×10－2Pa、1200℃的条件下真空保温150分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在20～22GPa，1500～2000℃条件下保温保压60～120分钟，得到超硬cBN块体。将本实施例得到的cBN块体加工成刀头，其维氏硬度为80～85GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统刀具的寿命增加了40%以上。
18. 采用非晶BN作为前驱体，在真空度为1×10－2Pa、900℃的条件下真空保温100分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在20～25GPa，2000～2500℃条件下保温保压30～120分钟，得到超硬cBN块体。将本实施例得到的cBN块体加工成刀头，其维氏硬度为85～95GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统刀具的寿命增加了40%以上。
19. 采用非晶BN与纳米wBN的混合物作为前驱体，在真空度为1×10－5Pa、1200℃的条件下真空保温120分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在20～23GPa，2200～2500℃条件下保温保压60～150分钟，得到超硬cBN块体。将本实施例得到的cBN块体加工成刀头，其维氏硬度为85～95GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统刀具的寿命增加了45%以上。
20. 采用纳米级cBN作为前驱体，在真空度为1×10－2Pa、1000℃的条件下真空保温100分钟，之后装入高熔点包裹材料中进行预压封装，最后在25～30GPa，2500～3000℃条件下保温保压30～150分钟，得到超硬cBN块体。将本实施例得到的cBN块体加工成刀头，其维氏硬度为90～100GPa，在切削加工过程中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统刀具的寿命增加了45%以上。

Claims (7)

1.一种新型超硬刀具，包括刀头和刀柄，其特征在于：所述刀头由超硬质相多晶金刚石或超硬质相多晶立方氮化硼（cBN）作为超硬刀刃加工制成，所述刀具超硬刀头内含有的非超硬质相成分低于刀具超硬刀头总质量的1wt.%。
2.如权利要求1所述的一种新型超硬刀具，其特征在于：所述超硬质相多晶金刚石刀头是采用高纯碳作为前驱体合成的。
3.如权利要求2所述的一种新型超硬刀具，其特征在于：所述作为前驱体的高纯碳为石墨、石墨烯、富勒烯、无定形碳、玻璃碳、纳米洋葱碳、C60、微米级金刚石、纳米级金刚石中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的一种新型超硬刀具，其特征在于：所述超硬质相多晶cBN刀头是采用高纯BN作为前驱体合成的。
5.如权利要求4所述的一种新型超硬刀具，其特征在于：所述作为前驱体的高纯BN为微米级或亚微米六方氮化硼（hBN和wBN）、非晶BN、纳米hBN、纳米wBN 、微米级cBN、纳米级cBN中的一种或多种。
6.如权利要求1至5中任一所述的一种新型超硬刀具的超硬刀头，其特征在于：所述多晶金刚石或多晶cBN是在6～25GPa、1200～3000℃的高温高压条件下烧结而成的。
7.如权利要求6所述的一种新型超硬刀具，其特征在于：所述新型超硬刀具的刀头和刀柄采用真空焊接、激光焊接、微波焊接或者机械固定方式连结在一起。
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