CN111394633B - 一种超硬材料聚晶复合片 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超硬材料切削工具技术领域，具体涉及一种超硬材料聚晶复合片。本发明的超硬材料聚晶复合片包括超硬材料聚晶层，所述超硬材料聚晶层由超硬材料和结合剂制成，所述结合剂由以下重量份数的组分组成：碳化硼28～32份，碳化硅18～22份，铝8～10份，硼化钛15～20份，钴15～20份。本发明的超硬材料聚晶复合片中所用结合剂不仅具有粘结的作用还有增强的作用，有效提高了超硬材料聚晶复合片的耐磨性和强度。

Description

一种超硬材料聚晶复合片
技术领域
本发明属于超硬材料切削工具技术领域，具体涉及一种超硬材料聚晶复合片。
背景技术
聚晶金刚石(PCD)以及聚晶立方氮化硼(PCBN)材料具有热稳定性好、化学惰性强、硬度高等优点，在切削刀具、矿藏开采、金属拉拔等行业获得广泛的应用。目前，PCD以及PCBN多是由金刚石或者立方氮化硼颗粒以及结合剂混合后经高温高压烧结而成。由于结合剂的性能与金刚石或立方氮化硼的性能相差较大，对PCD以及PCBN的性能产生较大的负面影响。现有技术中常通过改善结合剂的性能的方式来降低其负面影响，但是效果并不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超硬材料聚晶复合片，该超硬材料聚晶复合片具有较高的耐磨性和强度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种超硬材料聚晶复合片，包括超硬材料聚晶层，所述超硬材料聚晶层由超硬材料和结合剂制成，所述结合剂由以下重量份数的组分组成：碳化硼28～32份，碳化硅18～22份，铝8～10份，硼化钛15～20份，钴15～20份。
本发明的超硬材料聚晶复合片中，超硬材料为金刚石和/或立方氮化硼。本发明所用结合剂在与超硬材料形成超硬材料聚晶层时，结合剂既具有陶瓷之间不同相形成的互穿网络增强体，又具有陶瓷金属复合材料增强体，不仅起到粘结的作用还起到了增强相的作用，从而有效提高了超硬材料聚晶复合片的耐磨性和强度。
碳化硼陶瓷是引人注目的非氧化物陶瓷，在硬度上仅次于金刚石和立方氮化硼，但强度不够高断裂韧性低，为了提高韧性需要添加颗粒作为增强相，TiB2因高硬度和高熔点而常用来改善碳化硼的力学性能。碳化硅是常用的陶瓷相在作为粘结剂时脆性大，加入钴有利于提高结合剂的韧性，此外碳化硅弥散的分布在材料内部可以阻止位错的扩展，产生钉扎作用增强材料的强度。当前结合剂因为本身硬度与超硬磨料相差过大，所以起的主要作用是粘结超硬材料，增强把持力如韧性是其主要发展方向。此外传统的粘结剂中引进的硬质相多为碳化钨，成本较高。本发明的结合剂因为引进了碳化硼，在增强韧性的同时提高了复合片的耐磨性，容易降低了企业的生产成本。同时一定含量钴元素可以显著提高刀具的耐磨性和切削性，钴将粉末结合在一起，使材料具有更高的韧性，并且可以减少对冲击的敏感性，并且钴元素可以提高刀具的寿命。
优选的，本发明的超硬材料聚晶复合片中，所用结合剂由以下重量份数的组分组成：碳化硼30份，碳化硅20份，铝10份，硼化钛20份，钴20份。
本发明的超硬材料聚晶复合片中既可以只有超硬材料聚晶层，还可以由超硬材料聚晶层和硬质合金基体组成。
本发明的超硬材料聚晶复合片中，所述超硬材料和结合剂的质量比为(10～20)：(80～90)。优选的，所述超硬材料和结合剂的质量比为15：85。
本发明的超硬材料聚晶复合片中，所述碳化硼的颗粒粒径为200～300nm。
碳化硼有很多同分异构体，其中最稳定的碳化硼结构是具有斜方六面体结构的B12C3、B4C相和其他硼碳比接近4:1的相，理化性能也较好。为提高碳化硼结构的稳定性，所述碳化硼由直流电弧等离子体法合成，合成时以石墨为阳极靶材，碳源气体、硼源气体为反应气；所述碳源气体为甲烷、丙酮、乙醇中的一种或多种；所述硼源气体为乙硼烷。
在采用直流电弧等离子体法合成碳化硼时，碳源气体中的碳与硼源气体中的硼电离成为碳离子态和硼离子态，石墨在电弧高温作用下蒸发气化与碳离子态和硼离子态相互碰撞，离开电弧区成核长大形成碳化硼颗粒。由于所用碳源气体中碳的杂化结构、硼源气体中的硼的杂化结构与B4C中碳与硼的结构相同，并且在电离时仍能保持其杂化结构，因此极易形成稳定的B4C结构，但由于B4C存在大量的变体，所以需要进行工艺参数的调配。
优选的，碳源气体与硼源气体的体积比为(2.5～3.5)：(9～10.5)。进一步优选的，碳源气体与硼源气体的体积比为3:10。
通过调整直流电弧等离子体法的工艺参数来进一步优化合成的碳化硼的性能，优选的，直流电弧等离子体法合成碳化硼时的电流为280～350A。
优选的，直流电弧等离子体法合成碳化硼时，以氩气为等离子气体，氩气与碳源气体的体积比为(1.5～2.5)：(2.5～3.5)。进一步优选的，氩气与碳源气体的体积比为2：3。
本发明的超硬材料聚晶复合片中，超硬材料聚晶层由超硬材料和结合剂混合后烧结而成。优选的，所述烧结在4.5GPa、1300℃的条件下进行。其中结合剂由各组分湿混球磨后干燥得到。
附图说明
图1为本发明的实施例2～4中所用碳化硼的XRD图；
图2为本发明的实施例2中所用碳化硼的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例的超硬材料聚晶复合片中，包括聚晶金刚石层，聚晶金刚石层由金刚石和结合剂混合后烧结而成，其中结合剂由以下重量份数的组分组成：碳化硼30份，碳化硅20份，铝10份，硼化钛20份，钴20份。金刚石和结合剂的质量比为15：85。
本实施例的超硬材料聚晶复合片的制备方法，包括以下步骤：
(1)在VZD-400型直流电弧设备腔体中，以碳棒为阴极，石墨块为靶材放置在阳极托盘上，采用分子泵将腔室内部真空抽至5×10-3Pa；然后通入氩气20kPa、甲烷30kPa、乙硼烷100kPa(三种气体一同通入腔室)；之后接通电弧控制电源，调整电流大小为300A开始起弧(电弧温度高达3000℃)，在分子状态的甲烷和硼烷电离成为碳离子态和硼离子态，石墨块体靶材在电弧高温作用下蒸发气化与碳离子态、硼离子态相互碰撞团聚，离开电弧区成核长大形成碳化硼颗粒，并沉积在腔室内壁上，形成碳化硼粉体；3h之后，关闭电源，钝化12h后收取粉末，得颗粒粒径为200～300nm的碳化硼粉体；
(2)按重量份数计，取步骤(1)中的碳化硼粉末30份，与碳化硅20份、铝10份、硼化钛20份、钴粉20份混合后在球磨机中加水球磨240min，然后取出并干燥，得结合剂；然后将结合剂与金刚石按照85:15的比例混合均匀，然后参照现有技术组装成PCD预烧结体，然后将PCD预烧结体组合成合成块；之后将合成块在六面顶压机中，在4.5GPa、1300℃条件下烧结得到超硬材料聚晶复合片毛坯；之后将超硬材料聚晶复合片毛坯进行整形、研磨、平磨处理得到超硬材料聚晶复合片。
实施例2
本实施例的超硬材料聚晶复合片中，包括聚晶立方氮化硼层，聚晶立方氮化硼层由立方氮化硼和结合剂混合后烧结而成，其中结合剂由以下重量份数的组分组成：碳化硼30份，碳化硅20份，铝10份，硼化钛20份，钴20份。立方氮化硼和结合剂的质量比为15：85。
本实施例的超硬材料聚晶复合片的制备方法，包括以下步骤：
(1)在VZD-400型直流电弧设备腔体中，以碳棒为阴极，石墨块为靶材放置在阳极托盘上，采用分子泵将腔室内部真空抽至5×10-3Pa；然后通入氩气20kPa、甲烷30kPa、乙硼烷100kPa(三种气体一同通入腔室)；之后接通电弧控制电源，调整电流大小为300A开始起弧(电弧温度高达3000℃)，在分子状态的甲烷和硼烷电离成为碳离子态和硼离子态，石墨块体靶材在电弧高温作用下蒸发气化与碳离子态、硼离子态相互碰撞团聚，离开电弧区成核长大形成碳化硼颗粒，并沉积在腔室内壁上，形成碳化硼粉体；3h之后，关闭电源，钝化12h后收取粉末，得颗粒粒径为200～300nm的碳化硼粉体；
(2)按重量份数计，取步骤(1)中的碳化硼粉末30份，与碳化硅20份、铝10份、硼化钛20份、钴粉20份混合后在球磨机中加水球磨240min，然后取出并干燥，得结合剂；然后将结合剂与立方氮化硼按照85:15的比例混合均匀，然后组装成PCBN预烧结体，然后将PCBN预烧结体组合成合成块；之后将合成块在六面顶压机中，在4.5GPa、1300℃条件下烧结得到超硬材料聚晶复合片毛坯；之后将超硬材料聚晶复合片毛坯进行整形、研磨、平磨处理得到超硬材料聚晶复合片成品。
实施例3
本实施例的超硬材料聚晶复合片及其制备方法基本与实施例2相同，区别仅在于：制备方法的步骤(1)中所用甲烷为25kPa、乙硼烷为95kPa。
实施例4
本实施例的超硬材料聚晶复合片及其制备方法基本与实施例2相同，区别仅在于：制备方法的步骤(1)中所用甲烷为35kPa、乙硼烷为105kPa。
本发明的超硬材料聚晶复合片的其他实施例中，甲烷可以采用其他碳源其他丙酮或乙醇替代。
对比例部分
对比例1
本对比例的超硬材料聚晶复合片中，由立方氮化硼和结合剂混合后烧结而成，其中结合剂由以下重量份数的组分组成：碳化硼0份，碳化硅20份，铝10份，硼化钛20份，钴20份。立方氮化硼和结合剂的质量比为15：85。
本对比例的超硬材料聚晶复合片的制备方法，包括以下步骤：
(2)按重量份数计，与碳化硅20份、铝10份、硼化钛20份、钴粉20份混合后在球磨机中加水球磨240min，然后取出并干燥，得结合剂；然后将结合剂与立方氮化硼按照85:15的比例混合均匀，然后组装成预烧结体，然后将预烧结体组合成合成块；之后将合成块在六面顶压机中，在4.5GPa、1300℃条件下烧结得到超硬材料聚晶复合片毛坯；之后将超硬材料聚晶复合片毛坯进行整形、研磨、平磨处理得到超硬材料聚晶复合片成品。
对比例2
本对比例的超硬材料聚晶复合片中，由金刚石和结合剂混合后烧结而成，其中结合剂由以下重量份数的组分组成：碳化硼0份，碳化硅20份，铝10份，硼化钛20份，钴20份。立方氮化硼和结合剂的质量比为85：15。
本对比例的超硬材料聚晶复合片的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份数计，碳化硅20份、铝10份、硼化钛20份、钴粉20份混合后在球磨机中加水球磨240min，然后取出并干燥，得结合剂；然后将结合剂与金刚石按照85:15的比例混合均匀，然后组装成预烧结体，然后将预烧结体组合成合成块；之后将合成块在六面顶压机中，在4.5GPa、1300℃条件下烧结得到超硬材料聚晶复合片毛坯；之后将超硬材料聚晶复合片毛坯进行整形、研磨、平磨处理得到超硬材料聚晶复合片成品。
试验例部分
试验例1
本试验例对实施例1～2中的聚晶金刚石复合片以及聚晶立方氮化硼复合片以及对比例1～2中的超硬材料聚晶复合片分别进行了磨耗比、硬度以及抗冲击性能测试。具体为：
磨耗比：在万能工具磨床上用碳化硅砂轮复合片进行磨削加工。磨削加工时砂轮的速度控制为1200r/min,砂轮前进速度0.05r/min,，控制砂轮的总进刀量为15mm，用千分之一的电子天平称量复合片和砂轮对磨前后的质量。计算公式如下：
Figure BDA0002448525180000051
式中E为磨耗比，M1、M3为复合片磨削后的质量，M2、M4为砂轮磨削后的质量。
硬度：显微硬度能够反映物体抵抗另一硬物压入的能力其原理是将面夹角为136°的金刚石正四棱锥头压入式样后，在试样上产生一个凹坑，用显微镜测量凹坑对角线的长度。计算公式为
Figure BDA0002448525180000052
HV为维氏硬度(MPa)，F为试验力(N)，d为压痕对角线线长度。
抗冲击性能：采用英斯特朗落锤实验机进行抗冲击性实验，将重锤从不同高度落到实验试样上，求取落下高度和试样的破坏率关系，用破坏率为50％落下高度来表示试样的抗冲击能力。E＝mgh，其中E为冲击能量(J)，m为落锤质量(kg)，g为重力加速度(m/s2)，h为落锤与试样的高度差。
测试结果如表1所示。
表1复合片性能测试结果
Figure BDA0002448525180000053
Figure BDA0002448525180000061
试验例2
本试验例对实施例2～4中的碳化硼分别进行了XRD测试，结构如图1所示。并对实施例2～4的碳化硼进行SEM测试，其中实施例2中的碳化硼的形貌如图2所示，实施例3～4中的碳化硼与实施例2基本相同。
由图1和图2可知，制备的粉末为碳化硼，切粒度分布均匀，无其他杂质相存在。

Claims (4)

1.一种超硬材料聚晶复合片，其特征在于，包括超硬材料聚晶层，所述超硬材料聚晶层由超硬材料和结合剂制成，所述结合剂由以下重量份数的组分组成：碳化硼28～32份，碳化硅18～22份，铝8～10份，硼化钛15～20份，钴15～20份；
所述超硬材料和结合剂的质量比为(10～20)：(80～90)；所述碳化硼的颗粒粒径为200～300nm；所述碳化硼由直流电弧等离子体法合成，合成时以石墨为阳极靶材，碳源气体、硼源气体为反应气；所述碳源气体为甲烷、丙酮、乙醇中的一种或多种；所述硼源气体为乙硼烷。
2.根据权利要求1所述的超硬材料聚晶复合片，其特征在于，碳源气体与硼源气体的体积比为(2.5～3.5)：(9～10.5)。
3.根据权利要求1所述的超硬材料聚晶复合片，其特征在于，直流电弧等离子体法合成碳化硼时的电流为280～350A。
4.根据权利要求1所述的超硬材料聚晶复合片，其特征在于，直流电弧等离子体法合成碳化硼时，以氩气为等离子气体，氩气与碳源气体的体积比为(1.5～2.5)：(2.5～3.5)。
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