CN110590376B - 一种pcbn刀具材料及其制备方法 - Google Patents
一种pcbn刀具材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110590376B CN110590376B CN201911043957.3A CN201911043957A CN110590376B CN 110590376 B CN110590376 B CN 110590376B CN 201911043957 A CN201911043957 A CN 201911043957A CN 110590376 B CN110590376 B CN 110590376B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- powder
- pcbn
- sintering
- boron nitride
- ball
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 113
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- GJNGXPDXRVXSEH-UHFFFAOYSA-N 4-chlorobenzonitrile Chemical compound ClC1=CC=C(C#N)C=C1 GJNGXPDXRVXSEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract 11
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 43
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 39
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 35
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 30
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 29
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 25
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 19
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims description 18
- 239000007767 bonding agent Substances 0.000 claims description 17
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 14
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims description 13
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 9
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 8
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 239000010431 corundum Substances 0.000 claims description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 abstract description 19
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 abstract description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 abstract description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 26
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 13
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 11
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 6
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 5
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 3
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 3
- 229910052903 pyrophyllite Inorganic materials 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005034 decoration Methods 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001151 AlNi Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 Aluminum nitride Chemical class 0.000 description 1
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N Raney nickel Chemical compound [Al].[Ni] NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 229910000808 amorphous metal alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012752 auxiliary agent Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 229910001000 nickel titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
- C04B35/583—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on boron nitride
- C04B35/5831—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on boron nitride based on cubic boron nitrides or Wurtzitic boron nitrides, including crystal structure transformation of powder
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/64—Burning or sintering processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
- C04B2235/3804—Borides
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
本发明属于超硬材料技术领域,具体涉及一种PCBN刀具材料及其制备方法。本发明提供了一种PCBN刀具材料,包括立方氮化硼和三元硼化物;所述三元硼化物为Mo2NiB2。本发明以三元硼化物Mo2NiB2为结合相,在立方氮化硼中引入三元硼化物Mo2NiB2,使三元硼化物Mo2NiB2与立方氮化硼之间产生良好的结合,有效提高PCBN刀具材料的硬度和耐磨性。实验结果表明,本发明提供的PCBN刀具材料硬度达到40.7GPa;在线速度为320m/min、切深为0.15mm、走刀速度为0.3mm/rev、切削距离为20km条件下,后刀面磨损量仅279μm,具有极高硬度和优异的耐磨性。
Description
技术领域
本发明属于超硬材料技术领域,具体涉及一种PCBN刀具材料及其制备方法。
背景技术
人造金刚石和立方型晶体结构的氮化硼,以及由这两种材料为主要成分制得的复合材料,都称为超硬材料。由它们制成的各种工具与功能部件又通称为超硬材料制品或超硬材料工具。
立方氮化硼热稳定性优于人造金刚石,在高温下仍能保持足够高的力学性能和硬度,具有很好的红硬性。以立方氮化硼微粉为主要原料,可以在加入结合剂或不加任何结合剂条件下,经高温高压(HPHT)烧结合成得到聚晶立方氮化硼(PCBN)。PCBN具有立方氮化硼的大部分性能,且克服了立方氮化硼单晶的晶面方向性解理的缺点,具有很高的热稳定性、良好的耐化学腐蚀性、极高的硬度以及很高的弹性模量。采用PCBN材料制得的刀具,具有高硬度、高传热效率、高耐磨性、耐高温等优点。
目前用于制造PcBN刀具材料的结合剂可分为三类:(1)金属粉末,例如镍粉、钴粉、钨粉等,金属粉末常用于制造高含量的PCBN,以增加其韧性,这种刀具材料扛崩刃性好,但耐磨性和红硬性有所下降;(2)陶瓷粉末,包括氮化钛、氮化铝、碳化钛、氮碳化钛、氧化铝等,由这类材料制造的PCBN硬度高、耐磨性好、热稳定性好,但是烧结组织均匀性差,得到的材料韧性差、扛崩刃性能低;(3)陶瓷-金属结合剂,此类结合剂由陶瓷粉末和金属粉末混合而成,继承了陶瓷和金属粉末的优点,但制备烧结过程中容易出现金属成分偏聚的现象。
近年来,随着钛合金和镍基超合金等难切削材料的发展,伴随而来的是对合金加工手段更加苛刻的要求,给PCBN刀具材料带来了新的挑战,目前PCBN刀具材料的组织均匀化和致密化尚不足,耐磨性有待提高。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种PCBN刀具材料,组织致密,具有极高的硬度和优异的耐磨性;本发明还提供了一种简单易行的该PCBN刀具材料的制备方法。
为了实现上述发明目的,本发明提供了以下技术方案:
本发明提供一种PCBN刀具材料,包括立方氮化硼和三元硼化物;所述三元硼化物为Mo2NiB2。
本发明还提供了上述技术方案所述的PCBN刀具材料的制备方法,包括以下步骤:
将立方氮化硼和结合剂混合球磨后进行第一干燥,得到混合粉;
将所述混合粉进行真空净化处理或高温还原处理后冷压,得到合金块;
将所述合金块依次进行第二干燥和烧结处理,得到所述PCBN刀具材料;
所述结合剂包括钼粉、镍粉、硼粉和烧结促进剂。
优选的,所述烧结促进剂包括铝粉、钛粉和钴粉中的一种或多种。
优选的,所述立方氮化硼与结合剂的质量比为(11~51):9。
优选的,所述结合剂中钼粉、镍粉、硼粉和烧结促进剂的质量比为(53~65):(20~30):(4~7):(1~10)。
优选的,所述球磨的液态介质为丙酮或无水乙醇;所述液态介质与待球磨物料的用量比为(80~150)mL:100g;所述球磨用磨球为硬质合金球、氧化锆球或刚玉球;所述球磨的球料比为(8~12):1。
优选的,所述第一干燥的温度为80~100℃,时间为4~8h。
优选的,所述真空净化处理的温度为500~800℃,时间为1~3h,真空度≤3×10- 3Pa;所述高温还原处理的温度为800~900℃,时间为1~2h,氢气流量为0.1~0.2L/min。
优选的,所述第二干燥的温度为60~120℃,时间为15~20min。
优选的,所述烧结的温度为1100~1500℃,时间为3~30min,压力为4.5~6GPa。
本发明提供一种PCBN刀具材料,包括立方氮化硼和三元硼化物;所述三元硼化物为Mo2NiB2。本发明以三元硼化物Mo2NiB2为结合相,在立方氮化硼中引入三元硼化物Mo2NiB2,使三元硼化物Mo2NiB2与立方氮化硼之间产生良好的结合,提高PCBN刀具材料的组织结合强度,进而提高PCBN刀具材料的组织均匀化和致密化程度,有效提高PCBN刀具材料的硬度和耐磨性。实验结果表明,本发明提供的PCBN刀具材料硬度达到40.7GPa;在线速度为320m/min、切深为0.15mm、走刀速度为0.3mm/rev、切削距离为20km条件下,后刀面磨损量仅279μm,与其他PCBN刀具材料相比,硬度和耐磨性得到显著提升。
本发明还提供了上述技术方案所述PCBN刀具材料的制备方法,包括以下步骤:将立方氮化硼微粉和结合剂粉混合球磨后进行第一干燥,得到混合粉;将所述混合粉进行真空净化处理或高温还原处理后冷压,得到合金块;将所述合金块依次进行第二干燥和烧结处理,得到所述PCBN刀具材料;所述结合剂包括钼粉、镍粉、硼粉和烧结促进剂。本发明通过球磨、第一干燥、真空净化处理/高温还原处理等操作,保证PCBN刀具材料的制备原料分散均匀且纯净无杂质;通过烧结工艺,使钼、镍、硼三种粉末发生原位反应生成三元硼化物Mo2NiB2,同时立方氮化硼中的硼原子也会参与上述原位反应,从而使三元硼化物Mo2NiB2与立方氮化硼之间产生良好的结合,使烧结体的结合强度更高;此外,高温下有利于形成半液相,半液相的环境可使立方氮化硼颗粒重新排列,更加有利于获得致密的烧结体;而且,烧结过程会抑制原子的迁移,防止三元硼化物颗粒出现异常长大现象,从而更加有利于获得组织细小均匀、结构致密的烧结体。
附图说明
图1为本发明实施例1所得PCBN刀具材料原材料的XRD图;
图2为本发明实施例1所得PCBN刀具材料的XRD图;
图3为本发明实施例1所得PCBN刀具材料与对比例1~2的PCBN刀具材料的硬度对比图;
图4为本发明实施例1所得PCBN刀具材料与对比例1~2的PCBN刀具材料的后刀面磨损量对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种PCBN刀具材料,包括立方氮化硼和三元硼化物;所述三元硼化物为Mo2NiB2。
在本发明中,所述三元硼化物Mo2NiB2为结合相,所述三元硼化物Mo2NiB2与立方氮化硼之间可以产生良好的结合,提高PCBN刀具材料组织结合强度,进而提高PCBN刀具材料的组织均匀化和致密化程度,有效提高PCBN刀具材料的硬度和耐磨性。同时,PCBN刀具材料中含有的烧结助剂铝、钛等也会与立方氮化硼中的氮原子反应,生成硬度极高的AlN和TiN,有利于提高PCBN刀具材料的切削性能;添加的镍与烧结助剂铝或钛反应,生成AlNi3合金和镍钛合金,可以提高PCBN刀具材料的韧性,进而提高PCBN刀具的抗冲击性能。
本发明还提供了上述技术方案所述的PCBN刀具材料的制备方法,包括以下步骤:
将立方氮化硼和结合剂混合球磨后进行第一干燥,得到混合粉;
将所述混合粉进行真空净化处理或高温还原处理后冷压,得到合金块;
将所述合金块依次进行第二干燥和烧结处理,得到所述PCBN刀具材料。
在本发明中,若无特殊说明,所述各组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明将立方氮化硼和结合剂混合球磨,得到球磨料。
在本发明中,所述立方氮化硼的粒径优选为单一粒度微粉或级配粒度微粉;所述单一粒径微粉的粒度优选为0.5~50μm,更优选为1~45μm,再优选为5~40μm;所述级配粒度微粉的粒度优选按照孔隙率为26%进行设计,具体为:第一粒度立方氮化硼和第二粒度立方氮化硼的粒度比为1:(0.23~0.41);第一粒度立方氮化硼和第二粒度立方氮化硼的质量比优选为74:26。
在本发明中,所述结合剂优选包括钼粉、镍粉、硼粉和烧结促进剂。在本发明中,所述烧结促进剂优选包括铝粉、钛粉和钴粉中的一种或多种,更优选为铝粉。在本发明中,所述结合剂中钼粉、镍粉、硼粉和烧结促进剂的质量比优选为(53~65):(20~30):(4~7):(1~10),更优选为(55~59):(19~29):(5~6):(4~8)。
在本发明中,所述立方氮化硼与结合剂的质量比优选为(11~51):9,更优选为(15~45):9,再优选为(20~40):9。
在本发明中,所述球磨优选为湿法球磨。在本发明中,所述球磨的液态介质优选为丙酮或无水乙醇;所述液态介质与待球磨物料的用量比优选为(80~150)mL:100g,更优选为(90~140)mL:100g,再优选为(100~130)mL:100g。在本发明中,所述球磨用磨球优选为硬质合金球、氧化锆球或刚玉球;所述球磨的球料比优选为(8~12):1,更优选为(9~11):1,最优选为10:1。在本发明中,所述球磨的转速优选为100~300rpm,更优选为150~250rpm,再优选为180~220rpm;时间优选为2~8h,更优选为3~7h,再优选为4~6h。在本发明中,所述球磨用球磨罐的材质优选为硬质合金,具体如碳化物(WC)。在本发明中,所述球磨的仪器优选为行星式球磨机。本发明通过球磨,降低因球和罐的磨损导致杂质对粉体原料的污染,并且通过球磨中液态介质的加入,提高原料的混合均匀性。
得到球磨料后,本发明将所述球磨料进行第一干燥,得到混合粉。
在本发明中,所述第一干燥的温度优选为80~100℃,更优选为85~98℃,再优选为88~95℃;时间优选为4~8h,更优选为4.5~7.5h,再优选为5~7h。在本发明中,所述第一干燥的设备优选为干燥箱。本发明通过第一干燥,去除球磨中液态介质在球磨料中的残留,防止液态介质对后续PCBN刀具材料微观组织形成的影响。
得到混合粉后,本发明将所述混合粉进行真空净化处理或高温还原处理,得到纯净粉。
在本发明中,所述真空净化处理的温度优选为500~800℃,更优选为550~780℃,再优选为600~750℃;时间优选为1~3h,更优选为1.5~2.7h,再优选为1.7~2.5h;真空度优选≤3×10-3Pa。本发明通过真空净化处理,去除球磨中的液态介质以及反应体系中其他有机杂质。
在本发明中,所述高温还原处理的温度优选为800~900℃,更优选为820~880℃,再优选为840~860℃;时间优选为1~2h,更优选为1.2~1.8h,再优选为1.4~1.6h;氢气流量优选为0.1~0.2L/min,更优选为0.12~0.18L/min,再优选为0.14~0.16L/min。本发明通过高温还原处理,去除体系吸附的氧气,以防止氧化对PCBN刀具材料的不利影响。
进行所述真空净化处理或高温还原处理前,本发明优选将所述混合粉置于金属屏蔽杯内。在本发明中,所述金属屏蔽杯优选为金属铌屏蔽杯。本发明通过使用金属屏蔽杯,保护金属屏蔽杯内的纯净粉不受外界粉尘、气体等污染。
得到纯净粉后,本发明将所述纯净粉进行冷压,得到合金块。
在本发明中,所述冷压的压力优选为10~20MPa,更优选为12~18MPa,再优选为14~16MPa。本发明对所述冷压的温度没有特殊限定,采用本领域技术人员熟知的冷压温度即可,具体的,如室温。
得到合金块后,本发明将所述合金块进行第二干燥处理,得到待烧结合金坯。
在本发明中,所述第二干燥的温度优选为60~120℃,更优选为70~110℃,再优选为80~100℃;时间优选为15~20min,更优选为16~19min,再优选为17~18min。
在进行所述第二干燥前,本发明优选将所述合金块装入石墨加热管内,将装有合金块的石墨加热管装入叶腊石传压腔体内,再依次装入隔热钛片和导电钢圈。
得到待烧结合金坯后,本发明将所述待烧结合金坯进行烧结处理,得到所述PCBN刀具材料。
在本发明中,所述烧结的温度优选为800~1500℃,更优选为850~1400℃,再优选为870~1350℃;时间优选为3~30min,更优选为5~25min,再优选为10~20min;压力优选为4.5~6GPa,更优选为4.8~5.8GPa,再优选为5~5.5GPa。
在本发明中,所述烧结过程中进行以下反应:
在本发明中,所述烧结过程中,钼、镍、硼三种金属粉末发生原位反应生成三元硼化物Mo2NiB2,同时立方氮化硼中的硼原子也会参与上述反应,从而使三元硼化物Mo2NiB2与立方氮化硼之间产生良好的结合,使烧结体的结合强度更高。
为了进一步说明本发明,下面结合实施例对本发明提供的PCBN刀具材料及其制备方法进行详细地描述,但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
以质量百分比计,PCBN刀具材料由以下原料制备:
粒度为4~8μm的立方氮化硼微粉与结合剂质量比为55:45,其中,结合剂包括钼粉、镍粉、硼粉和铝粉,钼粉:镍粉:硼粉:铝粉的质量比为67.7:19.3:6.8:6.2。
所述PCBN刀具材料的制备方法为:
将上述原料导入硬质合金混料罐内,加入无水乙醇作为分散剂(无水乙醇与待球磨原料的比例为80mL:100g),按照球料比10:1加入碳化物(WC)混料球,然后密封混料罐,将混料罐安装到行星式球磨机上,设定转速100rpm,混料时间4h,得到球磨料;将得到的球磨料于80℃烘箱内干燥8h,得到混合粉;
将得到的混合粉装入金属铌屏蔽杯内,然后放入真空炉内进行高温净化处理,温度800℃,真空度<3×10-3Pa,时间2h,得到净化粉;将得到的净化粉放入模具内用冷压机压实,表压20MPa,得到合金块;
将得到的合金块装入盐管内,盐管外套上石墨加热管,然后装入叶腊石传压腔体内,再依次装入隔热钛片和导电钢圈,将上述组装好的体系放入120℃烘箱内干燥20min,然后放入六面顶压机内,在1200℃、压力5.5GPa的条件下,烧结180s,合成出以三元硼化物为结合相的PCBN刀具材料。
对实施例1所得PCBN刀具材料进行以下测试:
1、采用X射线衍射研究PCBN刀具材料原料的组成,XRD测试结果见图1;采用X射线衍射研究所得PCBN刀具材料的相组成,XRD测试结果见图2。由图1可知,所述PCBN刀具材料的原料中含有立方氮化硼(cBN)、钼(Mo)粉、镍(Ni)粉、铝(Al)粉,其中硼(B)粉是非晶状态,X射线检测不到。由图2可见,本发明提供的PCBN刀具材料包括三元硼化物Mo2NiB2、氮化铝(AlN)、立方氮化硼(cBN)以及镍铝合金(AlNi3)。
2、在载荷0.5kgf,保载时间15s条件下,测试本实施例所得PCBN刀具材料的维氏硬度,测试结果为:40.7GPa。
3、耐磨性测试:采用后刀面磨损量的大小来衡量耐磨性的高低,具体方法是:将待测材料制成刀具后切削铸铁,切削参数为线速度Vc=320m/min、切深ap=0.15mm、走刀速度f=0.3mm/rev、切削距离是20km。本实施例测试结果为:279μm。
实施例2
以质量百分比计,PCBN刀具材料由以下原料制备:
粒度为1~3μm的立方氮化硼微粉与结合剂质量比为85:15,其中,结合剂包括钼粉、镍粉、硼粉和铝粉,钼粉:镍粉:硼粉:铝粉的质量比为59.6:25.4:7:8。
所述PCBN刀具材料的制备方法为:
将上述原料导入硬质合金混料罐内,加入无水乙醇作为分散剂(无水乙醇与待球磨原料的比例为80mL:100g),按照球料比10:1加入碳化物(WC)混料球,然后密封混料罐,将混料罐安装到行星式球磨机上,设定转速100rpm,混料时间4h,得到球磨料;将得到的球磨料于80℃烘箱内干燥8h,得到混合粉;
将得到的混合粉装入金属铌屏蔽杯内,然后放入还原炉内进行还原处理,温度900℃,氢气流量0.15L/min,时间1.5h,得到净化粉;将得到的净化粉放入模具内用冷压机压实,表压20MPa,得到合金块;
将得到的合金块装入盐管内,盐管外套上石墨加热管,然后装入叶腊石传压腔体内,再依次装入隔热钛片和导电钢圈,将上述组装好的体系放入120℃烘箱内干燥20min,然后放入六面顶压机内,在1400℃、压力5.5GPa的条件下,烧结600s,合成出以三元硼化物为结合相的PCBN刀具材料。
按照实施例1相同的测试方法对实施例2所得PCBN刀具材料进行测试,所得PCBN刀具材料的相组成与实施例1所得PCBN刀具材料的相组成相似,维氏硬度与耐磨性与实施例1测试结果近似。
对比例1
国内某品牌PCBN刀具材料,主要组成为TiC、AlN和立方氮化硼。
按照实施例1的测试方法,测试对比例1提供的国内PCBN刀具材料硬度,测试结果为:31.5GPa。
按照实施例1的测试方法,测试对比例1提供的国内PCBN刀具材料耐磨性,测试结果为:453μm。
对比例2
国外某品牌PCBN刀具材料,主要组成为TiC、Al2O3和立方氮化硼。
按照实施例1的测试方法,测试对比例1提供的国外PCBN刀具材料硬度,测试结果为:37.7GPa。
按照实施例1的测试方法,测试对比例1提供的国外PCBN刀具材料耐磨性,测试结果为:369μm。
将本发明实施例1所得PCBN刀具材料与对比例1~2的PCBN刀具材料进行硬度对比,见图3。由图3可见,本发明提供的PCBN刀具材料硬度显著高于对比例1~2提供的PCBN刀具材料硬度。
由以上实施例可以看出,本发明提供的PCBN刀具材料硬度达到40.7GPa;在线速度为320m/min、切深为0.15mm、走刀速度为0.3mm/rev、切削距离为20km条件下,测试本发明实施例1所得PCBN刀具材料与对比例1~2的PCBN刀具材料的后刀面磨损量,测试结果见图4。由图4可见,本发明实施例1所得PCBN刀具材料的后刀面磨损量为279μm,显著优于对比例1~2所得PCBN刀具材料的后刀面磨损量。
本发明提供的PCBN刀具材料硬度达到40.7GPa,在线速度为320m/min、切深为0.15mm、走刀速度为0.3mm/rev、切削距离为20km条件下后刀面磨损量仅279μm,硬度和耐磨性远高于传统PCBN刀具材料,可广泛适用于对材料硬度和耐磨性有较高要求的刀具材料领域。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种PCBN刀具材料,其特征在于,包括立方氮化硼和三元硼化物;所述三元硼化物为Mo2NiB2;
所述的PCBN刀具材料的制备方法,包括以下步骤:
将立方氮化硼和结合剂混合球磨后进行第一干燥,得到混合粉;
将所述混合粉进行真空净化处理或高温还原处理后冷压,得到合金块;
将所述合金块依次进行第二干燥和烧结处理,得到所述PCBN刀具材料;
所述结合剂包括钼粉、镍粉、硼粉和烧结促进剂;
所述立方氮化硼与结合剂的质量比为(11~51):9;
所述结合剂中钼粉、镍粉、硼粉和烧结促进剂的质量比为(53~65):(20~30):(4~7):(1~10)。
2.权利要求1所述的PCBN刀具材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将立方氮化硼和结合剂混合球磨后进行第一干燥,得到混合粉;
将所述混合粉进行真空净化处理或高温还原处理后冷压,得到合金块;
将所述合金块依次进行第二干燥和烧结处理,得到所述PCBN刀具材料;
所述结合剂包括钼粉、镍粉、硼粉和烧结促进剂;
所述立方氮化硼与结合剂的质量比为(11~51):9;
所述结合剂中钼粉、镍粉、硼粉和烧结促进剂的质量比为(53~65):(20~30):(4~7):(1~10)。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述烧结促进剂包括铝粉、钛粉和钴粉中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述球磨的液态介质为丙酮或无水乙醇;所述液态介质与待球磨物料的用量比为(80~150)mL:100g;所述球磨用磨球为硬质合金球、氧化锆球或刚玉球;所述球磨的球料比为(8~12):1。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述第一干燥的温度为80~100℃,时间为4~8h。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述真空净化处理的温度为500~800℃,时间为1~3h,真空度≤3×10-3Pa;所述高温还原处理的温度为800~900℃,时间为1~2h,氢气流量为0.1~0.2L/min。
7.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述第二干燥的温度为60~120℃,时间为15~20min。
8.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述烧结的温度为1100~1500℃,时间为3~30min,压力为4.5~6GPa。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201911043957.3A CN110590376B (zh) | 2019-10-30 | 2019-10-30 | 一种pcbn刀具材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201911043957.3A CN110590376B (zh) | 2019-10-30 | 2019-10-30 | 一种pcbn刀具材料及其制备方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN110590376A CN110590376A (zh) | 2019-12-20 |
CN110590376B true CN110590376B (zh) | 2021-10-08 |
Family
ID=68852064
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201911043957.3A Active CN110590376B (zh) | 2019-10-30 | 2019-10-30 | 一种pcbn刀具材料及其制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN110590376B (zh) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111116208A (zh) * | 2020-01-02 | 2020-05-08 | 西安交通大学 | 一种钇改性Mo2NiB2基金属陶瓷及其制备方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102191393A (zh) * | 2010-03-18 | 2011-09-21 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种钼镍硼三元硼化物基硬质合金的制备方法 |
CN104591742A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-05-06 | 广东工业大学 | 一种自润滑聚晶立方氮化硼(pcbn)刀具及其制备方法 |
CN104694807A (zh) * | 2013-12-09 | 2015-06-10 | 青岛平度市旧店金矿 | 一种三元硼化物金属陶瓷的制备工艺 |
CN108473377A (zh) * | 2016-11-17 | 2018-08-31 | 住友电工硬质合金株式会社 | 烧结体和包含该烧结体的切削工具 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014145787A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Mesocoat, Inc. | Ternary ceramic thermal spraying powder and coating method |
-
2019
- 2019-10-30 CN CN201911043957.3A patent/CN110590376B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102191393A (zh) * | 2010-03-18 | 2011-09-21 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种钼镍硼三元硼化物基硬质合金的制备方法 |
CN104694807A (zh) * | 2013-12-09 | 2015-06-10 | 青岛平度市旧店金矿 | 一种三元硼化物金属陶瓷的制备工艺 |
CN104591742A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-05-06 | 广东工业大学 | 一种自润滑聚晶立方氮化硼(pcbn)刀具及其制备方法 |
CN108473377A (zh) * | 2016-11-17 | 2018-08-31 | 住友电工硬质合金株式会社 | 烧结体和包含该烧结体的切削工具 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN110590376A (zh) | 2019-12-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110029942B (zh) | 适用于钻探的热稳定型聚晶金刚石复合片及其制备方法 | |
CN109972015B (zh) | Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料及其制备方法 | |
CN107973606B (zh) | 聚晶立方氮化硼、制备方法及其应用、包含该聚晶立方氮化硼的刀具 | |
GB2506287B (en) | Tungsten Carbide Composite Containing Alumina Grains and Silicon Nitride Whiskers and the Preparation Method Thereof | |
CN112063905B (zh) | 一种高性能WC-WCoB-Co复相硬质合金及其制备方法 | |
CN104630590B (zh) | 一种复合硬质合金材料及其制备方法 | |
CN101591194B (zh) | 一种超硬刀具复合材料 | |
US20170121230A1 (en) | Tungsten carbide-cubic boron nitride composite material and preparation method thereof | |
CN112500178B (zh) | 一种原位生成ZrB2-SiC增韧PcBN刀具及其制备方法 | |
CN104630589B (zh) | 一种碳化钨包覆的复合硬质合金材料及其制备方法 | |
CN102211925A (zh) | 一种微纳米复合陶瓷材料的制备方法 | |
CN111809073A (zh) | 一种梯度硬质合金方块及其制备方法 | |
CN101100383A (zh) | 一种钛铝碳三元层状可加工陶瓷材料的制备方法 | |
CN110590376B (zh) | 一种pcbn刀具材料及其制备方法 | |
CN111943702A (zh) | 一种原位自生β-SIALON晶须增韧碳化钨复合材料及其制备方法与应用 | |
JPH0782031A (ja) | 立方晶窒化ホウ素含有焼結体およびその製造方法 | |
CN107188565A (zh) | 一种三元系锇钨二硼化物硬质材料及其制备方法和应用 | |
CN107287461B (zh) | 一种超细晶高性能Ti(C,N)-TiB2-WC-TaC复合金属陶瓷刀具及制备方法 | |
JPS63145726A (ja) | 切削工具用立方晶窒化硼素基超高圧焼結材料の製造法 | |
CN113941708A (zh) | 一种增强PcBN复合片界面结合能力的制备方法 | |
CN113462944A (zh) | 硼掺杂(Ti,W,Mo,Nb,Ta)(C,N)-Co-Ni粉、金属陶瓷及制备方法 | |
Peicheng et al. | Effect of Temperature on Sintering of PCBN with Ti, Si 3 N 4, AlN, Y 2 O 3 Additives | |
EP2619342B1 (en) | Sintered cubic boron nitride cutting tool | |
CN109175387B (zh) | 非晶晶化制备纳米晶WC-Co硬质合金的方法 | |
CN108220735B (zh) | 制备金属陶瓷的强化相体系及其制备方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240621 Address after: No. 20 Tieshan Road, Guilin High-tech Zone, Guangxi Zhuang Autonomous Region, 541004 Patentee after: Guilin Tebang New Materials Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 541004 No. 9 Fuxing Road, Qixing District, Guilin City, Guangxi Zhuang Autonomous Region Patentee before: CHINA NONFERROUS METAL (GUILIN)GEOLOGY AND MINING Co.,Ltd. Country or region before: China |
|
TR01 | Transfer of patent right |