CN109456062A - 一种PcBN刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PcBN刀具及其制备方法，属于聚晶立方氮化硼超硬刀具的制造技术领域。本发明的PcBN刀具的制备方法，包括以下步骤：将立方氮化硼单晶、碳化硅、有机聚硅氮烷与热固化助剂在溶剂中混合均匀后进行热固化，然后热解，再进行粉碎、烧结，即得；所述碳化硅的粒径不大于0.5μm。本发明的PcBN刀具的制备方法，固化前每个cBN单晶表面都均匀附着前驱体PSN结合剂，烧结过程中PSN在cBN晶粒表面生成SiC、Si₃N₄纳米晶，直接作为结合剂参与烧结过程，保证了结合剂整体分布均匀；烧结过程生成的SiC纳米晶在原料碳化硅晶粒上长大成为棒状结构，能够提升PcBN刀具的整体力学性能，尤其是硬度和抗弯强度。

Description

一种PcBN刀具及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种PcBN刀具及其制备方法，属于聚晶立方氮化硼超硬刀具的制造技术领域。

背景技术

立方氮化硼(cBN)具有硬度高、耐磨性好、耐高温、化学稳定性高等特点，加工而成的聚晶立方氮化硼(PcBN)还兼具高热导率和低摩擦系数优点。PcBN作为刀具使用时由于其硬度高、化学稳定性好、红硬性好，特别适合加工各种难加工材料，例如钛合金、高温合金、各种淬硬钢等。研究显示，PcBN刀具比传统的普通陶瓷刀具和硬质合金刀具的使用寿命长、切削速度快、效率高。

在制备PcBN刀具过程中结合剂的选用非常重要，选用合适的结合剂不仅可以降低烧结温度和压力、促进烧结过程，还能有效提高PcBN材料的力学性能。据近年来国内外研究，在PcBN烧结时所用结合剂可以归为三类，陶瓷结合剂、金属结合剂、金属陶瓷结合剂。金属结合剂PcBN具有较高的韧性和导热性，但是由于金属通常在700℃-800℃发生软化，使得产品的硬度和耐磨性下降。陶瓷结合剂PcBN通常热稳定性比较好，硬度和耐磨性也很高，但是通常韧性比较低。金属陶瓷结合剂虽然同时兼具两者优点，但是对同时选用的金属结合剂和陶瓷结合剂的选择相当的严苛，要求二者能发生反应生成新的有利相或者有良好的化学兼容性。

有机聚硅氮烷PSN是一种组成为重复Si-N单元的低粘度液体聚合物，其既可作为热固性树脂使用，又可作为陶瓷前驱体使用，在较为温和的条件下裂解得到SiC、Si₃N₄或SiCN陶瓷产物。有机聚硅氮烷PSN可用各种极性或非极性干燥溶剂进行稀释。现有技术中，梁力行在《聚晶立方氮化硼刀具的制备工艺与性能研究》(郑州大学硕士学位论文2018年5月)中提供了一种cBN-SiCN粉末的制备方法，该制备方法包括：1)先驱体的制备：取出一定量的液态有机聚硅氮烷(PSN)，称取PSN总质量5％的热固化助剂过氧化二异丙苯(DP)，将二者放入圆底烧瓶。在氮气气氛保护下，把圆底烧瓶放入油浴锅在50℃保温30min，使DP完全溶解。2)cBN-SiCN粉末的制备：以四氢呋喃为溶剂，将先驱体与cBN微粉在烧杯中迅速混合，用保鲜膜封住烧杯口，放入超声细胞破碎仪内进行超声处理。超声完成后把cBN-PSN混合液倒入锡箔纸折成的小容器内，放入真空干燥箱中，真空状态下140℃保温4h，完成热固化过程。把固化后cBN-PSN块体置于Al₂O₃瓷舟中，N₂气氛条件下在定制管式气氛炉中以1000℃保温2h进行热解。热解完成后取出块体，高能球磨60min即可得到cBN-SiCN粉末。将该粉末采用烧结工艺制成的PcBN材料还存在硬度较小的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种PcBN刀具的制备方法，该制备方法能够提高制得的PcBN刀具的硬度。

本发明还提供了一种具有高硬度的PcBN刀具。

为了实现以上目的，本发明的PcBN刀具的制备方法所采用的技术方案是：

一种PcBN刀具的制备方法，包括以下步骤：将立方氮化硼单晶、碳化硅、有机聚硅氮烷与热固化助剂在溶剂中混合均匀后进行热固化，然后热解，再进行粉碎、烧结，即得；所述碳化硅的粒径不大于0.5μm。

本发明的PcBN刀具的制备方法中，热固化前每个cBN单晶表面都均匀附着前驱体PSN结合剂，烧结过程中PSN在cBN晶粒表面生成SiC、Si₃N₄纳米晶，直接作为结合剂参与烧结过程，保证了结合剂整体分布均匀；烧结过程生成的SiC纳米晶在原料碳化硅晶粒上长大成为棒状结构，能够提升PcBN刀具的断裂韧性和抗弯强度。

为了在提高制备的PcBN刀具性能的同时，降低成本，优选的，所述碳化硅的平均粒径为0.1～0.5μm。

所述热固化助剂为过氧化二异甲苯。

为了进一步提高PcBN刀具的力学性能，优选的，所述立方氮化硼单晶、碳化硅与有机聚硅氮烷的质量比为1:0.2～0.6:0.165～0.8。

优选的，所述碳化硅与有机聚硅氮烷的质量比为0.25～1.5:1。碳化硅与有机聚硅氮烷的质量比较小时，难以为碳化硅再结晶提供必要的液相条件，棒状结构的较少，质量比较大时，不利于PcBN刀具强度的提高。

本发明的PcBN刀具所采用的技术方案为：

一种采用上述的PcBN刀具的制备方法制得的PcBN刀具。

本发明的PcBN刀具采用上述的制备方法制得，具有良好的力学性能，特别是具有较高的硬度和抗弯强度。

附图说明

图1为本发明的实施例1的制备方法制得的PcBN刀具XRD图谱；

图2为本发明的实施例1的制备方法制得的PcBN刀具的断面的SEM图。

具体实施方式

本发明提供的PcBN刀具的制备方法，包括以下步骤：将立方氮化硼单晶、碳化硅、有机聚硅氮烷与热固化助剂在溶剂中混合均匀后进行热固化，然后热解，再进行粉碎、烧结，即得；所述碳化硅的粒径不大于0.5μm。

在本发明的PcBN刀具的制备方法的一些实施例中，将立方氮化硼单晶、碳化硅、有机聚硅氮烷与热固化助剂在溶剂中混合均匀，该混合均匀的过程在惰性气氛中进行。所述惰性气氛可以选择氮气。

在本发明的PcBN刀具的制备方法的一些实施例中，所述碳化硅的平均粒径可优选为0.1～0.5μm。

在本发明的PcBN刀具的制备方法的一些实施例中，将立方氮化硼单晶、碳化硅、有机聚硅氮烷与热固化助剂在溶剂中混合均匀的方法包括：先将有机聚硅氮烷与热固化助剂混合，然后再与立方氮化硼单晶和碳化硅进行混合。

在本发明的PcBN刀具的制备方法的一些实施例中，热固化助剂与立方氮化硼单晶的质量之比为3～10:100，优选为5:100。

在本发明的PcBN刀具的制备方法的一些实施例中，所述热固化助剂为过氧化二异甲苯。

在本发明的PcBN刀具的制备方法的PcBN刀具的制备方法的一些实施例中，还可以将立方氮化硼单晶、碳化硅、有机聚硅氮烷与热固化助剂在溶剂中混合均匀后先进行超声分散，然后再进行热固化。进行超声分散可以采用超声细胞破碎机。超声分散的时间可以选择0.5～1h。

在本发明的PcBN刀具的制备方法的一些实施例中，所述溶剂为四氢呋喃。

在本发明的PcBN刀具的制备方法的一些实施例中，所述立方氮化硼单晶、碳化硅与有机聚硅氮烷的质量比为1:0.2～0.6:0.165～0.8。

在本发明的PcBN刀具的制备方法的一些实施例中，所述碳化硅与有机聚硅氮烷的质量比优选为0.25～3:1，更进一步优选为0.25～1.5:1。

在本发明的PcBN刀具的制备方法的一些实施例中，所述立方氮化硼单晶的平均粒径为1～20μm，优选为3～6μm。

在本发明的PcBN刀具的制备方法的一些实施例中，所述热固化的温度为130～180℃。所述热固化的时间为3～8h。

在本发明的PcBN刀具的制备方法的一些实施例中，所述热解的温度为1000～1500℃。所述热解的时间为1～4h。

在本发明的PcBN刀具的制备方法的一些实施例中，所述烧结的温度为1400～1500℃。所述烧结的时间为5～30min。所述烧结的压力为5～7GPa。采用高温高压的烧结方法，能否够有效地抑制cBN单晶的六方化转变，保持cBN的良好力学性能。此外，在高温高压下前驱体PSN的结晶化转变速率提高，缩短前驱体PSN结合剂PcBN刀具的生产时间，提高生产效率。

以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

PcBN刀具的制备方法的实施例1

本实施例的PcBN刀具的制备方法，包括以下步骤：

1)通过手套箱在隔离氧气环境中取出一定量液态有机聚硅氮烷(PSN)，然后称取有机聚硅氮烷的质量3％的过氧化二异甲苯；将称取的液态有机聚硅氮烷和过氧化二异甲苯混合后置于圆底烧瓶中在氮气气氛下油浴60℃保温30min，得到前驱原液；

2)以四氢呋喃作为溶剂，将平均粒径为6μm的cBN微粉、平均粒径为0.5μm的SiC微粉与前驱体原液按照cBN、SiC和PSN的质量比为5:3:2的比例在溶剂中混合均匀，然后通过超声细胞破碎机分散3h，得到混合分散液；

3)将所得混合分散液在真空条件下于180℃保温4h，固化为块体；然后将块体置于管式炉中在氮气气氛下于1400℃保温1h进行高温裂解反应，再将高温裂解完的块体通过高能球磨研磨成粉料；

4)将所得粉料填入模具，在高温高压条件下进行烧结，即得；烧结的温度为1450℃，保温时间为10min，压力为5GPa。

将本实施例制得的PcBN刀具进行XRD测试，测试结果见图1。由图1可知，制得的PcBN刀具中生成的物相除了主相cBN以外，主要生成SiC和Si₃N₄相，还有少量Si单质，没有杂质相的生成，基本达到预期的目标。

将本实施例制得的PcBN刀具进行SEM测试，测试结果见图2。从图2可以看出烧结制得的PcBN刀具比较致密，cBN晶粒没有明显长大现象。

PcBN刀具的制备方法的实施例2

本实施例的PcBN刀具的制备方法，包括以下步骤：

1)通过手套箱在隔离氧气环境中取出一定量液态有机聚硅氮烷(PSN)，然后称取有机聚硅氮烷的质量3％的过氧化二异甲苯；将称取的液态有机聚硅氮烷和过氧化二异甲苯混合后置于圆底烧瓶中在氮气气氛下油浴60℃保温30min，得到前驱原液；

2)以四氢呋喃作为溶剂，将平均粒径为5μm的cBN微粉、平均粒径为0.5μm的SiC微粉与前驱体原液按照cBN、SiC和PSN的质量比为6:3:1的比例在溶剂中混合均匀，然后通过超声细胞破碎机分散3h，得到混合分散液；

3)将所得混合分散液在真空条件下于180℃保温4h，固化为块体；然后将块体置于管式炉中在氮气气氛下于1400℃保温1h进行高温裂解反应，再将高温裂解完的块体通过高能球磨研磨成粉料；

4)将所得粉料填入模具，在高温高压条件下进行烧结，即得；烧结的温度为1450℃，保温时间为10min，压力为6GPa。

采用本实施例的制备方法制得的PcBN刀具的硬度为28±3.2GPa，抗弯强度425±26MPa。

PcBN刀具的制备方法的实施例3

本实施例的PcBN刀具的制备方法，包括以下步骤：

1)通过手套箱在隔离氧气环境中取出一定量液态有机聚硅氮烷(PSN)，然后称取有机聚硅氮烷的质量3％的过氧化二异甲苯；将称取的液态有机聚硅氮烷和过氧化二异甲苯混合后置于圆底烧瓶中在氮气气氛下油浴60℃保温30min，得到前驱原液；

2)以四氢呋喃作为溶剂，将平均粒径为4μm的cBN微粉、平均粒径为0.5μm的SiC微粉与前驱体原液按照cBN、SiC和PSN的质量比为5:1:4的比例在溶剂中混合均匀，然后通过超声细胞破碎机分散3h，得到混合分散液；

3)将所得混合分散液在真空条件下于180℃保温4h，固化为块体；然后将块体置于管式炉中在氮气气氛下于1400℃保温1h进行高温裂解反应，再将高温裂解完的块体通过高能球磨研磨成粉料；

4)将所得粉料填入模具，在高温高压条件下进行烧结，即得；烧结的温度为1400℃，保温时间为10min，压力为5GPa。

采用本实施例的制备方法制得的PcBN刀具的硬度为20.3±1.7GPa，抗弯强度491±26MPa。

PcBN刀具的制备方法的实施例4

本实施例的PcBN刀具的制备方法，包括以下步骤：

1)通过手套箱在隔离氧气环境中取出一定量液态有机聚硅氮烷(PSN)，然后称取有机聚硅氮烷的质量3％的过氧化二异甲苯；将称取的液态有机聚硅氮烷和过氧化二异甲苯混合后置于圆底烧瓶中在氮气气氛下油浴60℃保温30min，得到前驱原液；

2)以四氢呋喃作为溶剂，将平均粒径为3μm的cBN微粉、平均粒径为0.5μm的SiC微粉与前驱体原液按照cBN、SiC和PSN的质量比为5:2:3的比例在溶剂中混合均匀，然后通过超声细胞破碎机分散1h，得到混合分散液；

3)将所得混合分散液在真空条件下于180℃保温4h，固化为块体；然后将块体置于管式炉中在氮气气氛下于1400℃保温1h进行高温裂解反应，再将高温裂解完的块体通过高能球磨研磨成粉料；

4)将所得粉料填入模具，在高温高压条件下进行烧结，即得；烧结的温度为1500℃，保温时间为10min，压力为7GPa。

采用本实施例的制备方法制得的PcBN刀具的硬度为22.5±2.8GPa，抗弯强度439±61MPa。

PcBN刀具的制备方法的实施例5

本实施例的PcBN刀具的制备方法，包括以下步骤：

1)通过手套箱在隔离氧气环境中取出一定量液态有机聚硅氮烷(PSN)，然后称取有机聚硅氮烷的质量3％的过氧化二异甲苯；将称取的液态有机聚硅氮烷和过氧化二异甲苯混合后置于圆底烧瓶中在氮气气氛下油浴60℃保温30min，得到前驱原液；

2)以四氢呋喃作为溶剂，将平均粒径为5μm的cBN微粉、平均粒径为0.5μm的SiC微粉与前驱体原液按照cBN、SiC和PSN的质量比为5:2.5:2.5的比例在溶剂中混合均匀，然后通过超声细胞破碎机分散1h，得到混合分散液；

3)将所得混合分散液在真空条件下于180℃保温4h，固化为块体；然后将块体置于管式炉中在氮气气氛下于1400℃保温1h进行高温裂解反应，再将高温裂解完的块体通过高能球磨研磨成粉料；

4)将所得粉料填入模具，在高温高压条件下进行烧结，即得；烧结的温度为1500℃，保温时间为10min，压力为6GPa。

采用本实施例的制备方法制得的PcBN刀具的硬度为26±3.2GPa，抗弯强度477±19MPa。

PcBN刀具的制备方法的实施例6

本实施例的PcBN刀具的制备方法，包括以下步骤：

1)通过手套箱在隔离氧气环境中取出一定量液态有机聚硅氮烷(PSN)，然后称取有机聚硅氮烷的质量3％的过氧化二异甲苯；将称取的液态有机聚硅氮烷和过氧化二异甲苯混合后置于圆底烧瓶中在氮气气氛下油浴60℃保温30min，得到前驱原液；

2)以四氢呋喃作为溶剂，将平均粒径为3μm的cBN微粉、平均粒径为0.5μm的SiC微粉与前驱体原液按照cBN、SiC和PSN的质量比为5:1.5:3.5的比例在溶剂中混合均匀，然后通过超声细胞破碎机分散1h，得到混合分散液；

3)将所得混合分散液在真空条件下于180℃保温4h，固化为块体；然后将块体置于管式炉中在氮气气氛下于1400℃保温1h进行高温裂解反应，再将高温裂解完的块体通过高能球磨研磨成粉料；

4)将所得粉料填入模具，在高温高压条件下进行烧结，即得；烧结的温度为1450℃，保温时间为10min，压力为5GPa。

采用本实施例的制备方法制得的PcBN刀具的硬度为25±1.5GPa，抗弯强度467±18MPa。

PcBN刀具的制备方法的实施例7

本实施例的PcBN刀具的制备方法，包括以下步骤：

1)通过手套箱在隔离氧气环境中取出一定量液态有机聚硅氮烷(PSN)，然后称取有机聚硅氮烷的质量6％的过氧化二异甲苯；将称取的液态有机聚硅氮烷和过氧化二异甲苯混合后置于圆底烧瓶中在氮气气氛下油浴50℃保温30min，得到前驱原液；

2)以四氢呋喃作为溶剂，将平均粒径为21μm的cBN微粉、平均粒径为0.1μm的SiC微粉与前驱体原液按照cBN、SiC和PSN的质量比为5:1.5:3.5的比例在溶剂中混合均匀，然后通过超声细胞破碎机分散1h，得到混合分散液；

3)将所得混合分散液在真空条件下于130℃保温8h，固化为块体；然后将块体置于管式炉中在氮气气氛下于1000℃保温4h进行高温裂解反应，再将高温裂解完的块体通过高能球磨研磨成粉料；

4)将所得粉料填入模具，在高温高压条件下进行烧结，即得；烧结的温度为1400℃，保温时间为30min，压力为6GPa。

采用本实施例的制备方法制得的PcBN刀具的硬度为29±2.2GPa，抗弯强度510±15MPa。

PcBN刀具的制备方法的实施例8

本实施例的PcBN刀具的制备方法，包括以下步骤：

1)通过手套箱在隔离氧气环境中取出一定量液态有机聚硅氮烷(PSN)，然后称取有机聚硅氮烷的质量10％的过氧化二异甲苯；将称取的液态有机聚硅氮烷和过氧化二异甲苯混合后置于圆底烧瓶中在氮气气氛下油浴80℃保温30min，得到前驱原液；

2)以四氢呋喃作为溶剂，将平均粒径为1μm的cBN微粉、平均粒径为0.3μm的SiC微粉与前驱体原液按照cBN、SiC和PSN的质量比为5:1.5:3.5的比例在溶剂中混合均匀，然后通过超声细胞破碎机分散1h，得到混合分散液；

3)将所得混合分散液在真空条件下于150℃保温3h，固化为块体；然后将块体置于管式炉中在氮气气氛下于1000℃保温5h进行高温裂解反应，再将高温裂解完的块体通过高能球磨研磨成粉料；

4)将所得粉料填入模具，在高温高压条件下进行烧结，即得；烧结的温度为1500℃，保温时间为30min，压力为5GPa。

采用本实施例的制备方法制得的PcBN刀具的硬度为27±1.6GPa，抗弯强度509±23MPa。

PcBN刀具的实施例

本实施例的PcBN刀具由上述制备方法的实施例中的制备方法制得，此处不再赘述。

Claims (6)

1.一种PcBN刀具的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将立方氮化硼单晶、碳化硅、有机聚硅氮烷与热固化助剂在溶剂中混合均匀后进行热固化，然后热解，再进行粉碎、烧结，即得；所述碳化硅的粒径不大于0.5μm。

2.根据权利要求1所述的PcBN刀具的制备方法，其特征在于：所述碳化硅的粒径为0.1～0.5μm。

3.根据权利要求1所述的PcBN刀具的制备方法，其特征在于：所述热固化助剂为过氧化二异甲苯。

4.根据权利要求1所述的PcBN刀具的制备方法，其特征在于：所述立方氮化硼单晶、碳化硅与有机聚硅氮烷的质量比为1:0.2～0.6:0.165～0.8。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的PcBN刀具的制备方法，其特征在于：所述碳化硅与有机聚硅氮烷的质量比为0.25～1.5:1。

6.一种采用如权利要求1所述的PcBN刀具的制备方法制得的PcBN刀具。