CN108580912A - 制备pcbn复合片时金属粘结剂的添加方法 - Google Patents

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张延军
骆颖
张喆
何绪林
李运海
周志成
何锋
罗文来
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    • C22C2026/003—Cubic boron nitrides only

Abstract

本发明公开了一种制备PCBN复合片时金属粘结剂的添加方法，具体为：当金属添加剂包括两种以上金属单质时，根据各金属单质在配方中的添加量将所有的金属单质转换成预合金粉的形式，通过添加所述的预合金粉来实现金属粘结剂的添加。采用本发明所述方法添加金属粘结剂，可以提高混料的均匀性，并使后续的合成温度得以降低，整个方法生产成本低且更安全。

Description

制备PCBN复合片时金属粘结剂的添加方法
技术领域
本发明涉及PCBN复合片的制备方法，具体涉及制备PCBN复合片时金属粘结剂的添加方法。
背景技术
PCBN(聚晶立方氮化硼)复合片是超硬刀具材料的一种，利用PCBN复合片制成超硬刀具，可用于加工铸铁、淬火钢、粉末冶金、高温合金等材料，其加工铸铁的线速度可达1000m/min以上，加工HRC≥58淬火钢线速度可达250m/min以上，加工精度可达Ra0.2-0.4。
现有以CBN(立方氮化硼)粉为原料加入粘结剂以二次聚合法制备PCBN复合片的常规方法主要包括以下步骤：
1)配料：按照配方称取金刚石/CBN(立方氮化硼)粉、金属或陶瓷粘结剂等各组分；
2)混料：将称取的各组分置于混合罐中混合均匀，取出后烘干得到粉料；
3)装料：根据所要制备的复合片的规格称取相应质量(通常为0.7-4.0g)的粉料装入金属杯中，经拨粉、抖匀、抹平操作后进行冷压，得到装好的粉料；
4)粉料净化处理：将装好的粉料置于高温真空条件下处理(通常是在真空度为10-3-10-4Pa、温度为700-1000℃条件下保温1-3h)以除去粉料中的杂质；
5)装块：将经净化处理后的金属杯及其中的粉料组装到碳盐管及叶腊石块中；
6)合成：将装好的叶腊石块在高温高压(通常为5-6GPa、1500-1800℃)条件下合成以得到PCBN复合片。
目前，高含量PCBN复合片中的金属粘结剂大都含有两种或三种甚至更多的金属单质，常用的有Al、Co、Ni、W或Ti等。现有的单独添加金属单质粉体的方法存在混料不均匀，且合成温度高(Co、Ni、W、Ti都是高熔点金属，合成温度1500-1800℃)的不足。而混料不均导致合成所得的PCBN复合片组织不均匀，使其强度、韧性寿命都有所下降；而合成温度过高最直接的问题就是能耗高，此外增加了叶腊石保温、密封的难度，容易放炮，整个方法的安全系数降低，锤耗升高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制备PCBN复合片时金属粘结剂的添加方法，采用该方法添加金属粘结剂，可以提高混料的均匀性，并使后续的合成温度得以降低，整个方法生产成本低且更安全。
为解决上述技术问题，本发明提供的制备PCBN复合片时金属粘结剂的添加方法为：当金属添加剂包括两种以上金属单质时，根据各金属单质在配方中的添加量将所有的金属单质转换成预合金粉的形式，通过添加所述的预合金粉来实现金属粘结剂的添加。
上述方法中，可以采用现有常规技术将配方中金属添加剂所含的所有金属单质转换成预合金粉，如将金属单质以其可溶性盐的形式为原料采用现有常规的共沉淀法等来制备得到同时含有这些金属单质的预合金粉；也可以从市场上直接购买符合要求的预合金粉，然后经过换算加入相应的预合金粉的量；还可以将技术指标提供给生产厂家，让生产厂家制备成相应的预合金粉，然后再从回购此预合金粉。
本发明将金属添加剂以预合多粉的形式添加，其有益效果在于：
1、可以减少混料时间，如此既能保证混料的均匀性，又能减小混料带来的杂质；在混料过程中通过粉料粒度检测及重量检测可以控制混料的均匀性和带入的杂质。
2、可以提高混料的均匀性。
3、利用预合金粉低熔点的特性可降低后续合成步骤中的合成温度，节约能耗的同时保证了方法的安全性；在合成过程中可结合XRD检测判定合成是否完成。
4、上述各方面结合使所得PCBN复合片的性能得到提高，成本有所降低，同时整个方法更为安全。采用预合金粉，其PCBN复合片。
附图说明
图1为实施例1制得的PCBN复合片的SEM图(2000倍)；
图2为对比例1制得的PCBN复合片的SEM图(2000倍)；
图3为实施例2制得的PCBN复合片的SEM图(2000倍)；
图4为对比例2制得的PCBN复合片的SEM图(2000倍)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详述，以更好地理解本发明的内容，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：制备Φ35mm规格的PCBN复合片
PCBN复合片的配方选用CBN-Al-Ti配方体系(其中Al、Ti为金属粘结剂)，按体积百分比计，其中CBN粉为70vol％，粒径为4μm；Al为10vol％，粒径为2μm；Ti为20vol％，粒径为2μm。
将上述金属粘结剂的指标提供给生产厂家，让其按要求生产出粒径为2μm的AlTi(66.7)预合金粉(厂家采用高压雾化法，按照设计好的胎体配比，在烧结之前预先将各种成分的金属熔炼成合金,然后雾化喷粉，即得相应的预合金粉)，然后根据配方中金属粘结剂的含量进行换算，该预合金粉的加入量应为30vol％。
1)按体积百分比计，称取70vol％的CBN粉(粒径为4μm)；30vol％的预合AlTi2金粉(粒径为2μm)；
2)将称取的各组分置于金属混料罐中，在300rpm转速下混料3h，将料倒出，于70℃条件下烘干，得到粉料；
3)称取4g的粉料装入锆杯中，经人工拨粉、抖匀、抹平操作后在150MPa的压力下冷压5s，得到装好的粉料；
4)将装好的粉料置于高温真空炉中，在真空度为10-4Pa、温度为1000℃条件下保温处理3h；
5)将经上述真空处理后的锆杯及其中的粉料组装到碳盐管及叶腊石块中；
6)将装好的叶腊石块置于六面顶压机中，在5.2GPa、1400℃条件下合成，得到PCBN复合片。
对比例1：制备Φ35mm规格的PCBN复合片
PCBN复合片的配方(同实施例1)选用CBN-Al-Ti配方体系(其中Al、Ti为金属粘结剂)，按体积百分比计，其中CBN粉为70vol％，粒径为4μm；Al为10vol％，粒径为2μm；Ti为20vol％，粒径为2μm。
1)按体积百分比计，称取70vol％的CBN粉(粒径为4μm)、10vol％的Al(粒径为2μm)以及20vol％的Ti(粒径为2μm)，备用；
2)将称取的各组分置于金属混料罐中，在300rpm转速下混料4h，将料倒出，于70℃条件下烘干，得到粉料；
3)称取4g的粉料装入锆杯中，经人工拨粉、抖匀、抹平操作后在150MPa的压力下冷压5s，得到装好的粉料；
4)将装好的粉料置于高温真空炉中，在真空度为10-4Pa、温度为1000℃条件下保温处理3h；
5)将经上述真空处理后的锆杯及其中的粉料组装到碳盐管及叶腊石块中；
6)将装好的叶腊石块置于六面顶压机中，在5.2GPa、1500℃条件下合成，得到PCBN复合片。
将实施例1和对比例1制得的PCBN复合片的组织在扫描电镜上进行检测，所得SEM图分别如图1和图2所示。
由图1和图2可知，通过将金属粘结剂采用预合金粉的形式添加，可以在更短的时间内使各组分混合得更均匀，而且后续合成时的温度更低。
同时对实施例1和对比例1制得的PCBN复合片进行硬度和抗弯强度检测，其中硬度采用VH-5型硬度计进行检测，抗弯强度按照E6公司的三点抗弯法在电脑式单柱拉力试验机上进行，所得结果如下述表1所示：
表1：
实施例2：制备Φ35mm规格的PCBN复合片
PCBN复合片的配方选用CBN-Al-Co-W配方体系(其中Al、Co、W为金属粘结剂)，按体积百分比计，其中CBN粉为85vol％，粒径为4μm；Al为4vol％，粒径为2μm；Co为3vol％，粒径为2μm；W为8vol％，粒径为2μm。
将上述金属粘结剂的指标提供给生产厂家，让其按要求生产出粒径为2μm的WCo(20)Al(26.7)预合金粉(厂家采用高压雾化法，按照设计好的胎体配比，在烧结之前预先将各种成分的金属熔炼成合金，然后雾化喷粉，即得相应的预合金粉)，然后根据配方中金属粘结剂的含量进行换算，该预合金粉的加入量应为15vol％。
1)按体积百分比计，称取85vol％的CBN粉(粒径为4μm)；15vol％的WCo(20)Al(26.7)预合金粉(粒径为2μm)；
2)将称取的各组分置于金属混料罐中，在300rpm转速下混料3h，将料倒出，于70℃条件下烘干，得到粉料；
3)称取4g的粉料装入锆杯中，经人工拨粉、抖匀、抹平操作后在150MPa的压力下冷压5s，得到装好的粉料；
4)将装好的粉料置于高温真空炉中，在真空度为10-4Pa、温度为1000℃条件下保温处理3h；
5)将经上述真空处理后的锆杯及其中的粉料组装到碳盐管及叶腊石块中；
6)将装好的叶腊石块置于六面顶压机中，在5.2GPa、1500℃条件下合成，得到PCBN复合片。
对比例2：制备Φ35mm规格的PCBN复合片
PCBN复合片的配方(同实施例2)选用CBN-Al-Co-W配方体系(其中Al、Co、W为金属粘结剂)，按体积百分比计，其中CBN粉为85vol％，粒径为4μm；Al为4vol％，粒径为2μm；Co为3vol％，粒径为2μm；W为8vol％，粒径为2μm。
1)按体积百分比计，称取85vol％的CBN粉(粒径为4μm)、4vol％的Al(粒径为2μm)以及3vol％的Co(粒径为2μm)和8vol％的W(粒径为2μm)，备用；
2)将称取的各组分置于金属混料罐中，在300rpm转速下混料4h，将料倒出，于70℃条件下烘干，得到粉料；
3)称取4g的粉料装入锆杯中，经人工拨粉、抖匀、抹平操作后在150MPa的压力下冷压5s，得到装好的粉料；
4)将装好的粉料置于高温真空炉中，在真空度为10-4Pa、温度为1000℃条件下保温处理3h；
5)将经上述真空处理后的锆杯及其中的粉料组装到碳盐管及叶腊石块中；
6)将装好的叶腊石块置于六面顶压机中，在5.2GPa、1650℃条件下合成，得到PCBN复合片。
将实施例2和对比例2制得的PCBN复合片的组织在扫描电镜上进行检测，所得SEM图分别如图3和图4所示。
由图3和图4可知，通过将金属粘结剂采用预合金粉的形式添加，可以在更短的时间内使各组分混合得更均匀，而且后续合成时的温度更低。
同时对实施例2和对比例2制得的PCBN复合片进行硬度和抗弯强度检测，其中硬度采用VH-5型硬度计进行检测，抗弯强度按照E6公司的三点抗弯法在电脑式单柱拉力试验机上进行，所得结果如下述表2所示：
表2：
样品 显微硬度(HV) 抗弯强度(MPa)
实施例2 3600 840
对比例2 3550 800

Claims (1)

1.制备PCBN复合片时金属粘结剂的添加方法，其特征在于：当金属添加剂包括两种以上金属单质时，根据各金属单质在配方中的添加量将所有的金属单质转换成预合金粉的形式，通过添加所述的预合金粉来实现金属粘结剂的添加。
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