CN109574677A - 一种结合剂、聚晶立方氮化硼复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种结合剂、聚晶立方氮化硼复合材料及其制备方法，该结合剂包括组分金属铝、二氧化硅、碳化硅、碳化钛和氮化钛，其中，金属铝和二氧化硅在烧结过程中发生反应形成氧化铝和硅单质，氧化铝的熔点远高于金属铝，硅单质又具有良好的导热性，如此，该结合剂可以有效克服金属结合剂和陶瓷结合剂的缺点，用于制备聚晶立方氮化硼复合材料过程中，可以有效提高刀具的硬度、韧性及导热性能，具有广阔的适应性。

Description

一种结合剂、聚晶立方氮化硼复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于超硬材料领域，具体地，涉及一种结合剂、聚晶立方氮化硼复合材料及其制备方法。
背景技术
聚晶立方氮化硼是立方氮化硼颗粒和一定比例的结合剂在高温高压下烧结而成的。结合剂在合成聚晶立方氮化硼的过程中起着重要的作用，加入适量的结合剂可以降低烧结温度和压力，并能改善烧结体的性能。聚晶立方氮化硼结合剂主要有金属结合剂和陶瓷结合剂。
其中，金属结合剂通常在700～800℃就会软化，会导致聚晶立方氮化硼的耐磨性下降。陶瓷结合剂具有较高的耐高温磨损和较强的抗化学磨损优点，但陶瓷在高温时导热性差，使切削温度集中在被加工材料上，使之软化。因此，开发一种结合剂克服金属结合剂的软化问题和陶瓷结合剂的导热问题具有重要的现实意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种结合剂、聚晶立方氮化硼复合材料及其制备方法，以解决上述问题。
具体地，本发明采取如下技术方案：
一种结合剂，它包括以下质量份的组分：金属铝（Al） 3～6份、二氧化硅（SiO2） 19～36份、碳化硅 20～30份、碳化钛 10～15份和氮化钛 10～18份。
基于上述结合剂，它的平均粒径为224～357 nm。
基于上述结合剂，它还包括石墨烯微粉0.5～2份，所述石墨烯微粉的粒径为20～40 nm。
一种聚晶立方氮化硼复合材料，它包括以下质量份的原料：立方氮化硼72～89份和上述结合剂28～11份。
基于上述，所述立方氮化硼的平均粒径为3～10 μm。
一种上述的聚晶立方氮化硼复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
将所述结合剂、所述立方氮化硼混合均匀，制得混合物料；
在60～100 MPa条件下，将所述混合物料压制成坯，得到坯体；
将所述坯体在4～6.5 GPa、1200～1500℃条件下烧结5～10 min，取出，得到所述聚晶立方氮化硼复合材料。
与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著进步。具体的说，本发明提供一种结合剂，在烧结过程中，金属铝起到金属结合剂的作用，烧结温度逐渐上升，金属铝和二氧化硅发生反应形成氧化铝和硅单质，氧化铝和硅单质的熔点都远高于金属铝，可以有效避免金属结合剂的软点效应，而且氧化铝和结合剂中的陶瓷组分碳化硅、碳化钛和氮化钛共同作用，使聚晶立方氮化硼具有良好的硬度和韧性，同时，硅单质和石墨烯微粉还可以有效提高聚晶立方氮化硼的导热性。另外，本发明还提供一种聚晶立方氮化硼复合材料及其制备方法，采用上述结合剂和立方氮化硼混合制备聚晶立方氮化硼复合材料，经检测，所述聚晶立方氮化硼复合材料的硬度为3124～3356 Hv，冲击次数为43～47，导热系数为98～145 W/(m·K)。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种结合剂，它的平均粒径为300 nm，由以下质量份的组分构成：金属铝5份、二氧化硅 33份、碳化硅 30份、碳化钛 15份和氮化钛 15份。
本实施例提供一种聚晶立方氮化硼复合材料，它包括以下质量份的原料：立方氮化硼72份和所述结合剂28份，其中，所述立方氮化硼的平均粒径为10 μm。
本实施例提供该聚晶立方氮化硼复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
将所述结合剂、所述立方氮化硼混合均匀，制得混合物料；
在60 MPa条件下，将所述混合物料压制成坯，得到坯体；
将所述坯体在4 GPa、1200℃条件下烧结10 min，取出，得到所述聚晶立方氮化硼复合材料。
实施例2
本实施例提供一种结合剂，它的平均粒径为267 nm，由以下质量份的组分构成：金属铝6份、二氧化硅 36份、碳化硅 22份、碳化钛 13份、氮化钛 13份和石墨烯微粉1份；其中，所述石墨烯微粉的粒径为20～40 nm。
本实施例提供一种聚晶立方氮化硼复合材料，它包括以下质量份的原料：立方氮化硼80份和所述结合剂20份；其中，所述立方氮化硼的平均粒径为7 μm。
本实施例提供该聚晶立方氮化硼复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
将所述结合剂、所述立方氮化硼混合均匀，制得混合物料；
在80 MPa条件下，将所述混合物料压制成坯，得到坯体；
将所述坯体在5.2 GPa、1400℃条件下烧结7 min，取出，得到所述聚晶立方氮化硼复合材料。
实施例3
本实施例提供一种结合剂，它的平均粒径为224 nm，由以下质量份的组分构成：金属铝3份、二氧化硅 19份、碳化硅 30份、碳化钛 13份、氮化钛 12份和石墨烯微粉2份；其中，所述石墨烯微粉的粒径为20～40 nm。
本实施例提供一种聚晶立方氮化硼复合材料，它包括以下质量份的原料：立方氮化硼89份和所述结合剂11份；其中，所述立方氮化硼的平均粒径为3 μm。
本实施例提供该聚晶立方氮化硼复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
将所述结合剂、所述立方氮化硼混合均匀，制得混合物料；
在100 MPa条件下，将所述混合物料压制成坯，得到坯体；
将所述坯体在6.5 GPa、1500℃条件下烧结5 min，取出，得到所述聚晶立方氮化硼复合材料。
实施例4
本实施例提供一种结合剂，它的平均粒径为357 nm，由以下质量份的组分构成：金属铝5份、二氧化硅 32份、碳化硅 24份、碳化钛 11份、氮化钛 18份和石墨烯微粉0.5份；其中，所述石墨烯微粉的粒径为20～40 nm。
本实施例提供一种聚晶立方氮化硼复合材料，它包括以下质量份的原料：立方氮化硼75份和所述结合剂25份；其中，所述立方氮化硼的平均粒径为5 μm。
本实施例提供该聚晶立方氮化硼复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
将所述结合剂、所述立方氮化硼混合均匀，制得混合物料；
在65 MPa条件下，将所述混合物料压制成坯，得到坯体；
将所述坯体在5.5 GPa、1500℃条件下烧结7 min，取出，得到所述聚晶立方氮化硼复合材料。
实施例5
本实施例提供一种结合剂，它的平均粒径为325 nm，由以下质量份的组分构成：金属铝3份、二氧化硅 20份、碳化硅 28份、碳化钛 15份、氮化钛 18份和石墨烯微粉1份；其中，所述石墨烯微粉的粒径为20～40 nm。
本实施例提供一种聚晶立方氮化硼复合材料，它包括以下质量份的原料：立方氮化硼85份和所述结合剂15份；其中，所述立方氮化硼的平均粒径为8 μm。
本实施例提供该聚晶立方氮化硼复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
将所述结合剂、所述立方氮化硼混合均匀，制得混合物料；
在89 MPa条件下，将所述混合物料压制成坯，得到坯体；
将所述坯体在4.8 GPa、1450℃条件下烧结5 min，取出，得到所述聚晶立方氮化硼复合材料。
实施例6
本实施例提供一种结合剂，它的平均粒径为289 nm，由以下质量份的组分构成：金属铝4份、二氧化硅 28份、碳化硅 20份、碳化钛 11份、氮化钛 10份和石墨烯微粉1.5份；其中，所述石墨烯微粉的粒径为20～40 nm。
本实施例提供一种聚晶立方氮化硼复合材料，它包括以下质量份的原料：立方氮化硼78份和所述结合剂22份；其中，所述立方氮化硼的平均粒径为6 μm。
本实施例提供该聚晶立方氮化硼复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
将所述结合剂、所述立方氮化硼混合均匀，制得混合物料；
在75 MPa条件下，将所述混合物料压制成坯，得到坯体；
将所述坯体在5.8 GPa、1400℃条件下烧结8 min，取出，得到所述聚晶立方氮化硼复合材料。
性能检测
对实施例1～6得到的聚晶立方氮化硼复合材料的硬度、耐冲击性能和导热系数进行测试。测试结果参见表1。
具体的，采用FM-ARS900半自动显微测量系统进行硬度测试；采用落球式抗冲击试验仪进行耐冲击性能测试，试验所用钢球质量为：0.77 kg，落球距离为：30 cm；按照标准ASTM E1461-2007进行导热性能测试。
表1 实施例1～6得到的聚晶立方氮化硼复合材料的性能参数
由表1可知，本发明提供的结合剂用于制备聚晶立方氮化硼复合材料，可以有效提高刀具的硬度、韧性和导热性能。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1. 一种结合剂，其特征在于，它包括以下质量份的组分：金属铝 3～6份、二氧化硅 19～36份、碳化硅 20～30份、碳化钛 10～15份和氮化钛 10～18份。
2. 根据权利要求1所述的结合剂，其特征在于，它的平均粒径为224～357 nm。
3. 根据权利要求1或2所述的结合剂，其特征在于，它还包括石墨烯微粉0.5～2份，所述石墨烯微粉的粒径为20～40 nm。
4.一种聚晶立方氮化硼复合材料，其特征在于，它包括以下质量份的原料：立方氮化硼72～89份和权利要求1～3任一项所述的结合剂28～11份。
5. 根据权利要求4所述的聚晶立方氮化硼复合材料，其特征在于，所述立方氮化硼的平均粒径为3～10 μm。
6.一种权利要求4或5所述的聚晶立方氮化硼复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
将所述结合剂、所述立方氮化硼混合均匀，制得混合物料；
在60～100 MPa条件下，将所述混合物料压制成坯，得到坯体；
将所述坯体在4～6.5 GPa、1200～1500℃条件下烧结5～10 min，取出，得到所述聚晶立方氮化硼复合材料。
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