CN108675813A - 一种高强度聚晶立方氮化硼及其制造方法 - Google Patents

一种高强度聚晶立方氮化硼及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超硬材料技术，具体涉及一种高性能聚晶立方氮化硼及其制造方法；一种高性能聚晶立方氮化硼，所述的聚晶立方氮化硼包括占总质量30‑97份的立方氮化硼微粉，占总质量5份‑80份的金属硼化物，占总质量2‑5份的铝（Al）‑钛（Ti）‑铌（Nb）合金，占总质量2‑5份的稀土硼化物，占总质量2‑5份的氮化硼纳米管。

Description

一种高强度聚晶立方氮化硼及其制造方法
技术领域
本发明涉及超硬材料技术，具体涉及一种高性能聚晶立方氮化硼及其制造方法。
背景技术
聚晶立方氮化硼具有如:高的硬度、耐磨性和抗冲击韧性，高的热稳定性、化学稳定性，良好的导热性以及摩擦系数低等优点，目前主要应用于各种铸铁及淬火钢的切削加工以及某些高速切削领域。随着材料科学的进步，对刀具材料的硬度、耐磨性、韧性和强度的要求提出了更高的要求，理想的刀具材料应既具有极高的耐磨性，有利于延长刀具耐用度，同时又具有好的断裂韧性，使得其能够承受大的切削力。
随着汽车、航空航天等领域的快速发展，所用的铸铁及淬火钢材料正被更轻量化、高硬度、高耐磨的金属合金材料（如球墨铸铁、蠕墨铸铁、钛合金、高温镍基合金等）替代，要求刀具材料既要高硬度、更耐磨，同时又要求具备较高的抗机械冲击和热冲击的性能，并且刀具材料还要具备更好的导热性能。而目前的聚晶立方氮化硼刀具与聚晶金刚石刀具均不能满足这些要求的性能。
本发明就提供了一种高强度、高硬度、高导热性能的聚晶立方氮化硼及其制造方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度、高硬度、高导热性能的聚晶立方氮化硼及其制造方法。
本发明的技术方案是这样实现的：一种高性能聚晶立方氮化硼，所述的聚晶立方氮化硼包括占总质量30-97份的立方氮化硼微粉，占总质量5份-80份的金属硼化物，占总质量2-5份的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金，占总质量2-5份的稀土硼化物，占总质量2-5份的氮化硼纳米管。
所述的金属硼化物作为结合剂，铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金和稀土硼化物作为润湿结合剂，氮化硼纳米管作为添加剂。
所述的立方氮化硼微粉的粒度为0.2-54微米，金属硼化物的粒度为1纳米-1微米，稀土硼化物的粒度为1-100纳米，铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金的粒度为1纳米-1微米，氮化硼纳米管的粒度为0.1微米，长径比大于10。
一种如上所述的高性能聚晶立方氮化硼的制造方法，该方法的工艺流程如下：
（1）选取粒度为0.2-54微米的立方氮化硼微粉进行级配组合，进行真空加热离子净化；
（2）将步骤（1）加热离子净化后的立方氮化硼微粉通过离子注入设备对表面分别进行氮原子和硼原子的表面修复改性；
（3）筛选1纳米-1微米的金属硼化物做结合剂；选取1纳米-1微米的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金和1-100纳米的稀土硼化物作为润湿结合合金；选取0.1微米、长径比大于10的氮化硼纳米管作为添加剂；
（4）选取由步骤（2）得到的改性后的占总重量的30份-97份的立方氮化硼微粉，选取步骤（3）中占总重量5份-80份的金属硼化物，选取步骤（3）中占总重量1份-15份的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金、稀土硼化物和氮化硼纳米管，放入到加入到多维高能球磨机中在气氛保护的干燥环境下进行混合1-10小时，得到混合料；其中立方氮化硼微粉、金属硼化物、铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金、稀土硼化物和氮化硼纳米管的质量总和与磨球的质量比为1：1-1:1.5；
（5）将步骤（4）制得的混合料通过喷雾造粒方法制粒，最后制成均匀的待成型料；
（6）将步骤（5）中制得的待成型料经热等静压成型，然后放入石墨模具中组装成合金块，然后在300度的真空条件下干燥1小时；
（7）经步骤（6）制得的合金块放入六面定压机内，在压力5.5-18GPa、温度为1200-2300℃的条件下，以压制时间为3-25分钟的工艺进行合成，制得聚晶立方氮化硼。
本发明的技术方案有以下积极效果：本发明通过离子注入设备对表面分别进行氮原子和硼原子的表面修复改性；提高了立方氮化硼微粉制备聚晶立方氮化硼刀具时的切削性能及使用寿命，金属硼化物做结合剂，以增加最终立方氮化硼聚晶的耐磨性和抗破损性，稀土硼化物做结合剂，以提高立方氮化硼聚晶的强度、耐磨度和耐高温性能；氮化硼纳米管做添加剂，以增加立方氮化硼聚晶的韧性，铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金作为润湿结合合金，以促进烧结；金属硼化物、稀土硼化物、氮化硼纳米管和铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb），均具有较高的强度、耐热、耐腐蚀、耐磨性能，同时也具有较高的导热性能。
具体实施方式
一种高性能聚晶立方氮化硼，所述的聚晶立方氮化硼包括占总质量30-97份的立方氮化硼微粉，占总质量5份-80份的金属硼化物，占总质量2-5份的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金，占总质量2-5份的稀土硼化物，占总质量2-5份的氮化硼纳米管。
所述的金属硼化物作为结合剂，铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金和稀土硼化物作为润湿结合剂，氮化硼纳米管作为添加剂。
所述的立方氮化硼微粉的粒度为0.2-54微米，金属硼化物的粒度为1纳米-1微米，稀土硼化物的粒度为1-100纳米，铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金的粒度为1纳米-1微米，氮化硼纳米管的粒度为0.1微米，长径比大于10。
一种如上所述的高性能聚晶立方氮化硼的制造方法，该方法的工艺流程如下：
（1）选取粒度为0.2-54微米的立方氮化硼微粉进行级配组合，进行真空加热离子净化；
（2）将步骤（1）加热离子净化后的立方氮化硼微粉通过离子注入设备对表面分别进行氮原子和硼原子的表面修复改性；
（3）筛选1纳米-1微米的金属硼化物做结合剂；选取1纳米-1微米的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金和1-100纳米的稀土硼化物作为润湿结合合金；选取0.1微米、长径比大于10的氮化硼纳米管作为添加剂；
（4）选取由步骤（2）得到的改性后的立方氮化硼微粉占总重量的30份-97份，选取步骤（3）中占总重量5份-80份的金属硼化物，选取步骤（3）中占总重量2-5份的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金，选取步骤（3）中占总重量2-5份的稀土硼化物，选取步骤（3）中占总重量2-5份的氮化硼纳米管，放入到加入到多维高能球磨机中在气氛保护的干燥环境下进行混合1-10小时，得到混合料；其中立方氮化硼微粉、金属硼化物、铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金、稀土硼化物和氮化硼纳米管的质量总和与磨球的质量比为1：1-1:1.5；
（5）将步骤（4）制得的混合料通过喷雾造粒方法制粒，最后制成均匀的待成型料；
（6）将步骤（5）中制得的待成型料经热等静压成型，然后放入石墨模具中组装成合金块，然后在300度的真空条件下干燥1小时；
（7）经步骤（6）制得的合金块放入六面定压机内，在压力5.5-18GPa、温度为1200-2300℃的条件下，以压制时间为3-25分钟的工艺进行合成，制得聚晶立方氮化硼。
实施例1：
一种高性能聚晶立方氮化硼，所述的聚晶立方氮化硼包括占总质量30份的立方氮化硼微粉，占总质量5份的金属硼化物，占总质量2的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金，占总质量2份的稀土硼化物，占总质量2份的氮化硼纳米管。
所述的金属硼化物作为结合剂，铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金和稀土硼化物作为润湿结合剂，氮化硼纳米管作为添加剂。
所述的立方氮化硼微粉的粒度为0.2-54微米，金属硼化物的粒度为1纳米-1微米，稀土硼化物的粒度为1-100纳米，铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金的粒度为1纳米-1微米，氮化硼纳米管的粒度为0.1微米，长径比大于10。
一种如上所述的高性能聚晶立方氮化硼的制造方法，该方法的工艺流程如下：
（1）选取粒度为0.2-54微米的立方氮化硼微粉进行级配组合，进行真空加热离子净化；
（2）将步骤（1）加热离子净化后的立方氮化硼微粉通过离子注入设备对表面分别进行氮原子和硼原子的表面修复改性；
（3）筛选1纳米-1微米的金属硼化物做结合剂；选取1纳米-1微米的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金和1-100纳米的稀土硼化物作为润湿结合合金；选取0.1微米、长径比大于10的氮化硼纳米管作为添加剂；
（4）选取由步骤（2）得到的改性后的立方氮化硼微粉占总重量的30份，选取步骤（3）中占总重量5份的金属硼化物，选取步骤（3）中占总重量2份的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金，选取步骤（3）中占总重量2份的稀土硼化物，选取步骤（3）中占总重量2份的氮化硼纳米管，全部加入到多维高能球磨机中在气氛保护的干燥环境下进行混合1小时，得到混合料；其中立方氮化硼微粉、金属硼化物、铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金、稀土硼化物和氮化硼纳米管的质量总和与磨球的质量比为1：1-1:1；
（5）将步骤（4）制得的混合料通过喷雾造粒方法制粒，最后制成均匀的待成型料；
（6）将步骤（5）中制得的待成型料经热等静压成型，然后放入石墨模具中组装成合金块，然后在300度的真空条件下干燥1小时；
（7）经步骤（6）制得的合金块放入六面定压机内，在压力5.5GPa、温度为1200℃的条件下，以压制时间为分钟的工艺进行合成，制得聚晶立方氮化硼。
本实施例所制得的高性能聚晶立方氮化硼刀具材料硬度为60Gpa，弯曲强度410MPa。
实施例2：
一种高性能聚晶立方氮化硼，所述的聚晶立方氮化硼包括占总质量63份的立方氮化硼微粉，占总质量42.5份的金属硼化物，占总质量3.5份的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金，占总质量3.5份的稀土硼化物，占总质量3.5份的氮化硼纳米管。
所述的金属硼化物作为结合剂，铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金和稀土硼化物作为润湿结合剂，氮化硼纳米管作为添加剂。
所述的立方氮化硼微粉的粒度为0.2-54微米，金属硼化物的粒度为1纳米-1微米，稀土硼化物的粒度为1-100纳米，铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金的粒度为1纳米-1微米，氮化硼纳米管的粒度为0.1微米，长径比大于10。
一种如上所述的高性能聚晶立方氮化硼的制造方法，该方法的工艺流程如下：
（1）选取粒度为0.2-54微米的立方氮化硼微粉进行级配组合，进行真空加热离子净化；
（2）将步骤（1）加热离子净化后的立方氮化硼微粉通过离子注入设备对表面分别进行氮原子和硼原子的表面修复改性；
（3）筛选1纳米-1微米的金属硼化物做结合剂；选取1纳米-1微米的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金和1-100纳米的稀土硼化物作为润湿结合合金；选取0.1微米、长径比大于10的氮化硼纳米管作为添加剂；
（4）选取由步骤（2）得到的改性后的立方氮化硼微粉占总重量的63份，选取步骤（3）中占总重量42.5份的金属硼化物，选取步骤（3）中占总重量3.5份的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金，选取步骤（3）中占总重量3.5份的稀土硼化物，选取步骤（3）中占总重量3.5份的氮化硼纳米管，全部加入到多维高能球磨机中在气氛保护的干燥环境下进行混合5.5小时，得到混合料；其中立方氮化硼微粉、金属硼化物、铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金、稀土硼化物和氮化硼纳米管的质量总和与磨球的质量比为1：1-1:1.2；
（5）将步骤（4）制得的混合料通过喷雾造粒方法制粒，最后制成均匀的待成型料；
（6）将步骤（5）中制得的待成型料经热等静压成型，然后放入石墨模具中组装成合金块，然后在300度的真空条件下干燥1小时；
（7）经步骤（6）制得的合金块放入六面定压机内，在压力5.5-18GPa、温度为1200-2300℃的条件下，以压制时间为14分钟的工艺进行合成，制得聚晶立方氮化硼。
本实施例所制得的高性能聚晶立方氮化硼刀具材料硬度为52Gpa，弯曲强度430MPa。
实施例3：
一种高性能聚晶立方氮化硼，所述的聚晶立方氮化硼包括占总质量97份的立方氮化硼微粉，占总质量80份的金属硼化物，占总质量5份的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金，占总质量5份的稀土硼化物，占总质量5份的氮化硼纳米管。
所述的金属硼化物作为结合剂，铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金和稀土硼化物作为润湿结合剂，氮化硼纳米管作为添加剂。
所述的立方氮化硼微粉的粒度为0.2-54微米，金属硼化物的粒度为1纳米-1微米，稀土硼化物的粒度为1-100纳米，铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金的粒度为1纳米-1微米，氮化硼纳米管的粒度为0.1微米，长径比大于10。
一种如上所述的高性能聚晶立方氮化硼的制造方法，该方法的工艺流程如下：
（1）选取粒度为0.2-54微米的立方氮化硼微粉进行级配组合，进行真空加热离子净化；
（2）将步骤（1）加热离子净化后的立方氮化硼微粉通过离子注入设备对表面分别进行氮原子和硼原子的表面修复改性；
（3）筛选1纳米-1微米的金属硼化物做结合剂；选取1纳米-1微米的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金和1-100纳米的稀土硼化物作为润湿结合合金；选取0.1微米、长径比大于10的氮化硼纳米管作为添加剂；
（4）选取由步骤（2）得到的改性后的立方氮化硼微粉占总重量的97份，选取步骤（3）中占总重量80份的金属硼化物，选取步骤（3）中占总重量5份的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金，选取步骤（3）中占总重量5份的稀土硼化物，选取步骤（3）中占总重量5份的氮化硼纳米管，全部加入到多维高能球磨机中在气氛保护的干燥环境下进行混合10小时，得到混合料；其中立方氮化硼微粉、金属硼化物、铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金、稀土硼化物和氮化硼纳米管的质量总和与磨球的质量比为1：1-1:1.5；
（5）将步骤（4）制得的混合料通过喷雾造粒方法制粒，最后制成均匀的待成型料；
（6）将步骤（5）中制得的待成型料经热等静压成型，然后放入石墨模具中组装成合金块，然后在300度的真空条件下干燥1小时；
（7）经步骤（6）制得的合金块放入六面定压机内，在压力18GPa、温度为2300℃的条件下，以压制时间为25分钟的工艺进行合成，制得聚晶立方氮化硼。
本实施例所制得的高性能聚晶立方氮化硼刀具材料硬度为45Gpa，弯曲强度450MPa。

Claims (4)

1.一种高性能聚晶立方氮化硼，其特征在于：所述的聚晶立方氮化硼包括占总质量30-97份的立方氮化硼微粉，占总质量5份-80份的金属硼化物，占总质量2-5份的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金，占总质量2-5份的稀土硼化物，占总质量2-5份的氮化硼纳米管。
2.根据权利要求1所述的高性能聚晶立方氮化硼，其特征在于：所述的金属硼化物作为粘结剂，铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金和稀土硼化物作为润湿粘结剂，氮化硼纳米管作为添加剂。
3.根据权利要求1所述的高性能聚晶立方氮化硼，其特征在于：所述的立方氮化硼微粉的粒度为0.2-54微米，金属硼化物的粒度为1纳米-1微米，稀土硼化物的粒度为1-100纳米，铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金的粒度为1纳米-1微米，氮化硼纳米管的粒度为0.1微米，长径比大于10。
4.根据权利要求1所述的高性能聚晶立方氮化硼的制造方法，其特征在于：该方法的工艺流程如下：
（1）选取粒度为0.2-54微米的立方氮化硼微粉进行级配组合，进行真空加热离子净化；
（2）将步骤（1）加热离子净化后的立方氮化硼微粉通过离子注入设备对表面分别进行氮原子和硼原子的表面修复改性；
（3）选取1纳米-1微米的金属硼化物做结合剂；选取1纳米-1微米的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金和1-100纳米的稀土硼化物作为润湿粘结合金；选取0.1微米、长径比大于10的氮化硼纳米管作为添加剂；
（4）选取由步骤（2）得到的改性后的立方氮化硼微粉占总重量的30份-97份，选取步骤（3）中占总重量5份-80份的金属硼化物，选取步骤（3）中占总重量2-5份的铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金，选取步骤（3）中占总重量2-5份的稀土硼化物，选取步骤（3）中占总重量2-5份的氮化硼纳米管，全部加入到多维高能球磨机中在气氛保护的干燥环境下进行混合1-10小时，得到混合料；其中立方氮化硼微粉、金属硼化物、铝（Al）-钛（Ti）-铌（Nb）合金、稀土硼化物和氮化硼纳米管的质量总和与磨球的质量比为1：1-1:1.5；
（5）将步骤（4）制得的混合料通过喷雾造粒方法制粒，最后制成均匀的待成型料；
（6）将步骤（5）中制得的待成型料经热等静压成型，然后放入石墨模具中组装成合金块，然后在300度的真空条件下干燥1小时；
（7）经步骤（6）制得的合金块放入六面定压机内，在压力5.5-18GPa、温度为1200-2300℃的条件下，以压制时间为3-25分钟的工艺进行合成，制得聚晶立方氮化硼。
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