專利名稱：：一種聚晶立方氮化硼的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明提供了聚晶立方氮化硼(PcBN)的制備方法，屬于切削加工材料的先進(jìn)刀具領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：切削刀具是機(jī)械制造中用于切削加工的工具，目前廣泛使用的金屬切削刀具材料有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金和陶瓷刀具等，而我國(guó)刀具材料結(jié)構(gòu)中高速鋼占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，約占60%，硬質(zhì)合金不到40%。由于用于高速切削的刀具需要同時(shí)具有韌性好、抗沖擊能力強(qiáng)和耐磨性好等性能，并直接影響了切削加工精度，因此傳統(tǒng)的刀具材料面臨巨大挑戰(zhàn)。隨著對(duì)高速切削的要求越來(lái)越高，陶瓷刀具等應(yīng)運(yùn)而生。由于CBN的三高性高硬度、高的熱穩(wěn)定性和高的與鐵族元素的惰性，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家將其作為提高及加工工業(yè)中的經(jīng)濟(jì)效益(節(jié)能、高效、精密、自動(dòng)化)的重要工具材料加以發(fā)展，尤其在軍工、宇航、噴涂焊加工工業(yè)中更為突出。而單晶CBN的粒度小，而且存在有易劈裂的"解理面"，不能直接用于制造切削刀具，因此在工業(yè)上作切削刀具大多是聚晶的PcBN，PcBN是由無(wú)數(shù)細(xì)小的CBN單晶構(gòu)成，PcBN因而無(wú)方向性，會(huì)使劈裂的影響大大減少，而且隨著切削過(guò)程刀具的磨損，會(huì)連續(xù)露出新鮮的晶體。CBN單晶表面有一層致密的氧化硼薄膜，這層薄膜阻礙了CBN晶粒間的直接鍵合，所以難得到CBN與CBN之間的直接鍵合的高強(qiáng)度的PCBN，因而在聚合過(guò)程中加入多種結(jié)合劑材料以加強(qiáng)CBN晶粒間的連接。目前國(guó)內(nèi)外PcBN的結(jié)合劑基本有兩種類型一種是由金屬及其合金組成的金屬結(jié)合劑，這種結(jié)合劑對(duì)提高PcBN的韌性起到良好的作用，但在高溫條件下結(jié)合劑軟化，對(duì)PcBN的耐磨性起到副作用；另一類是目前正在發(fā)展的陶瓷與金屬或金屬合金組成的結(jié)合劑，因?yàn)榧兲沾山Y(jié)合劑可以解決高溫條件下軟化的問(wèn)題，但這種PcBN抗沖擊性能差，壽命短。PcBN(聚晶立方氮化硼)是由無(wú)數(shù)細(xì)小無(wú)序排列的cBN單晶組成的，無(wú)解理面，宏觀上無(wú)方向性，這會(huì)使劈裂的影響大大減小，而且會(huì)隨著切削刀具的磨損連續(xù)地露出新鮮的晶體。PcBN刀具材料按其成分和制造方法可分為聚晶立方氮化硼燒結(jié)體(PcBN燒結(jié)體)和復(fù)合聚晶立方氮化硼(PcBN復(fù)合刀片)。由于PcBN具有良好的抗化學(xué)腐蝕性，且在120(TC的高溫下表現(xiàn)出很好的熱穩(wěn)定性，因此在刀具尖端的相對(duì)高溫不會(huì)對(duì)它產(chǎn)生任何不利的影響，相反它還能在切削硬質(zhì)鐵合金時(shí)起到加速切削的作用。目前聚晶立方氮化硼PcBN的制備方法主要采用在高溫高壓下的熱壓燒結(jié)法制備而成，還有報(bào)道稱采用等離子放電燒結(jié)工藝，現(xiàn)有的制備聚晶立方氮化硼的方法均是成型與燒結(jié)同時(shí)進(jìn)行，成型所需壓力很大，為7—9GP;燒結(jié)溫度也較高，為1400—260(TC，另外制備工藝所需要設(shè)備復(fù)雜，成本高，從而在一定程度上限制了聚晶立方氮化硼的使用。因此，必須大幅度降低PcBN的生產(chǎn)制造成本，使其變?yōu)?普通"刀具材料，才有可能使PcBN得到廣泛的推廣應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種聚晶立方氮化硼的制備方法，以大大降低生產(chǎn)成本。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案采用了一種聚晶立方氮化硼的制備方法，包括以下步驟以立方氮化硼及結(jié)合劑為原料，將立方氮化硼及結(jié)合劑混合后球磨，球磨時(shí)球料比為(l一4):1，轉(zhuǎn)速為400—800轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為4—20小時(shí)；將球磨后的混合料干燥，干燥后加入有機(jī)粘結(jié)劑，混合均勻，過(guò)100目篩網(wǎng)；冷壓成型，壓力范圍為0.8GPa—2GPa;將成型后的坯體進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000—1300°C，保溫時(shí)間為4—20小時(shí)，燒結(jié)后即制得成品。所述的立方氮化硼與結(jié)合劑的重量百分含量分別為立方氮化硼70—95%，結(jié)合劑5—30%。所述的立方氮化硼的粒徑范圍為0.1-100lim。所述的立方氮化硼為純凈的氮化硼或是鍍Ti、Ni的立方氮化硼。所述的結(jié)合劑由單質(zhì)鋁粉、含硅物質(zhì)、含硼物質(zhì)、含鋁物質(zhì)及含氮物質(zhì)組合而成，各組分的重量比為單質(zhì)鋁粉含硅物質(zhì)含硼物質(zhì)含鋁物質(zhì)含氮物質(zhì)=(10—50):(5—25):(2—10):(1—5):(10—20)。所述的含硅物質(zhì)為二氧化硅；含硼物質(zhì)為氧化硼或是硼酸中的任意一種或其組合；含鋁物質(zhì)為氧化鋁；含氮物質(zhì)為氮化硅。所述的結(jié)合劑由單質(zhì)硅粉、含鉀礦物及含氮物質(zhì)組合而成，各組分的重量比為單質(zhì)硅粉含鉀礦物質(zhì)含氮物質(zhì)=(i~io):(440):(i-io)。所述的含鉀礦物為鉀長(zhǎng)石；含氮物質(zhì)為氮化硅。所述的有機(jī)粘結(jié)劑為聚乙烯醇(PVA)。所述的冷壓成型過(guò)程中坯體的成型采用分步加壓法，即先在低壓力(200MPa)下壓制成坯體，然后逐步加壓以達(dá)到所需的壓力；壓力范圍0.82GPa，保壓時(shí)間60200s。本發(fā)明的方法以立方氮化硼cBN為主耐磨相，添加結(jié)合劑后過(guò)篩、造粒、冷壓分步成型，在空氣氣氛下燒結(jié)后得到PcBN復(fù)合體，其中立方氮化硼cBN的粒徑范圍為(U100um;選料時(shí)cBN粒度滿足r1:r2:r3=l:0.414:0.225的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)最緊密堆積；本發(fā)明所提供的聚晶立方氮化硼PcBN的制備方法所需要的壓力小，燒結(jié)溫度低，操作條件易達(dá)到；所需要設(shè)備簡(jiǎn)單、操作易控制，成本低，該方法適宜PcBN的大規(guī)模化生產(chǎn)。本發(fā)明的PcBN呈灰色，為致密塊體。使用本發(fā)明的方法所得的聚晶立方氮化硼PcBN具有硬度高、磨削效率高、抗沖擊韌性好、容易修整、磨削質(zhì)量好等優(yōu)越性能。圖1為本發(fā)明采用的原料立方氮化硼cBN粉體的X射線衍射圖；圖2為實(shí)施例1燒結(jié)體PcBN的掃描電鏡照片;圖3為實(shí)施例1所制備的燒結(jié)體PcBN斷面掃描電鏡照片；圖4為實(shí)施例2所制備的燒結(jié)體PcBN斷面掃描電鏡照片；圖5為實(shí)施例2燒結(jié)體PcBN的線掃描圖；圖6為實(shí)施例2燒結(jié)體PcBN能譜分析。具體實(shí)施方式實(shí)施例1本發(fā)明的聚晶立方氮化硼PcBN的制備方法如下稱量0.6gAl，0.3gSi02，0.15gAl2O3，0.06gH3BO3，0.6gSi3N4，將其混合均勻即為結(jié)合劑；然后再稱量《2g立方氮化硼cBN(X射線衍射圖見圖l)，其粒徑范圍為3040Pm;將結(jié)合劑和cBN置于行星球磨機(jī)混合，球料比為2:1，球磨介質(zhì)為水，轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/min，球磨時(shí)間為4小時(shí)；將球磨后的混合料放入60'C干燥箱烘干；取出放入研缽，加入聚乙烯醇PVA作為有機(jī)粘結(jié)劑，混合均勻，過(guò)100目篩網(wǎng)；稱量0.5g混合料，用①8的模具在壓機(jī)上成型，初始?jí)毫?MPa，保壓時(shí)間為100秒；卸壓后再加載8MPa壓力，保壓100s;再卸壓加載12MPa的壓力，保壓100s，脫模后即為坯體；將成型后的坯體置于燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)制度為0~300°C，升溫速率3°C/min;300900°C，速率5°C/min;900-1200°C，速率l(TC/min;在120(TC下保溫4小時(shí)，自然冷卻至室溫，燒結(jié)后即制得成品。制備而得的PcBN燒結(jié)體的斷面掃描電鏡照片如圖3所示，從圖3中可以看出，cBN顆粒與結(jié)合劑之間的界面結(jié)合非常好，斷口處氣孔較少，斷口較平整，發(fā)生脆性斷裂。用阿基米德原理測(cè)得制品的氣孔率和體積密度，其數(shù)值見表1試樣A。用HX-1000TM/LCD顯微硬度計(jì)測(cè)試PcBN燒結(jié)體的顯微硬度，試驗(yàn)力9.807N，試驗(yàn)力保持時(shí)間15s，測(cè)得的顯微硬度值見表2試樣A。實(shí)施例2本實(shí)施例的聚晶立方氮化硼PcBN制備方法如下稱量1.2g鉀長(zhǎng)石，0.42gSi，0.18gSi3N4，將其混合均勻后即得到結(jié)合劑；然后再稱量4.2g立方氮化硼cBN(X射線衍射圖見圖1)，其粒徑范圍為2236um;將制得的結(jié)合劑和cBN置于行星球磨機(jī)混合，球料比為3:1，球磨介質(zhì)為水，轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/min，球磨時(shí)間為8小時(shí)；將球磨后的混合料放入6(TC干燥箱烘干；取出放入研缽，加入PVA作為粘結(jié)劑，混合均勻，過(guò)100目篩網(wǎng)；稱量0.5g混合料，用08的模具在壓機(jī)成型，初始?jí)毫?MPa，保壓時(shí)間為100秒；卸壓后再加載8MPa壓力，保壓100s;再卸壓加載12MPa的壓力，保壓100s，脫模后即為坯體。將成型后的坯體置于燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)制度為0300°C，升溫速率3°C/min;300900°C，速率5°C/min;900~1200°C，速率10°C/min。1200°C下保溫4小時(shí)，自然冷卻至室溫，燒結(jié)后即制得成品。制備的PcBN燒結(jié)體的斷面掃描電鏡照片如圖4所示，從圖中可以看出，cBN顆粒與結(jié)合劑之間的界面結(jié)合緊密，試樣斷口處大氣孔少，孔隙比較均勻，氣孔圓滑，沒有尖銳棱角。而且斷口平整，發(fā)生脆性斷裂。用阿基米德原理測(cè)得制品的氣孔率和體積密度，其數(shù)值見表1試樣B。用HX-1000TM/LCD顯微硬度計(jì)測(cè)試PcBN燒結(jié)體的顯微硬度，試驗(yàn)力9.807N，試驗(yàn)力保持時(shí)間15s，測(cè)得的顯微硬度值見表2試樣B。從圖5的線掃描圖和圖6的能譜分析可以看出，cBN顆粒之間的結(jié)合劑的元素主要是A1、Si、K，且各種元素的比例與所配的結(jié)合劑的質(zhì)量比相一致。實(shí)施例3本實(shí)施例的聚晶立方氮化硼PcBN制備方法如下:稱量1.2g鉀長(zhǎng)石，0.42gSi，0.18gSi3N4，將其混合均勻即得結(jié)合劑；然后再稱量4.2g鍍Ti的cBN，其粒徑范圍為30~40Pm;將結(jié)合劑和cBN置于行星球磨機(jī)混合，球料比為4:1，球磨介質(zhì)為水，，轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/min，球磨時(shí)間為16小時(shí)；將球磨后的混合料放入6(TC干燥箱烘干；取出放入研缽，加入PVA作為粘結(jié)劑，混合均勻，過(guò)100目篩網(wǎng)；稱量0.5g混合料，用0)8的模具在壓機(jī)成型，初始?jí)毫?MPa，保壓時(shí)間為100秒；卸壓后再加載8MPa壓力，保壓100s;再卸壓加載12MPa的壓力，保壓100s;再卸壓加載14MPa的壓力，保壓100s;脫模后即為坯體；將成型后的坯體置于燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)制度為0300°C，升溫速率3°C/min;300900°C，速率5。C/min;900~1200°C，速率10°C/min。1200。C下保溫4小時(shí)，自然冷卻至室溫，燒結(jié)后即制得成品。用阿基米德原理測(cè)得制品的氣孔率和體積密度，其數(shù)值見表1試樣C。用HX-1000TM/LCD顯微硬度計(jì)測(cè)試PcBN燒結(jié)體的顯微硬度，試驗(yàn)力9.807N,試驗(yàn)力保持時(shí)間15s，測(cè)得的顯微硬度值見表2試樣C。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)例僅用于說(shuō)明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。權(quán)利要求1.一種聚晶立方氮化硼的制備方法，其特征在于包括以下步驟以立方氮化硼及結(jié)合劑為原料，將立方氮化硼及結(jié)合劑混合后球磨，球磨時(shí)球料比為(1-4)∶1，轉(zhuǎn)速為400-800轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為4-20小時(shí)；將球磨后的混合料干燥，干燥后加入有機(jī)粘結(jié)劑，混合均勻，過(guò)100目篩網(wǎng)；冷壓成型，壓力范圍為0.8GPa-2GPa；將成型后的坯體進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000-1300℃，保溫時(shí)間為4-20小時(shí)，燒結(jié)后即制得成品。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚晶立方氮化硼的制備方法，其特征在于所述的立方氮化硼與結(jié)合劑的重量百分含量分別為立方氮化硼70—95%，結(jié)合劑5—30%。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚晶立方氮化硼的制備方法，其特征在于所述的立方氮化硼的粒徑范圍為0.1~100um。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚晶立方氮化硼的制備方法，其特征在于所述的立方氮化硼為純凈的氮化硼或是鍍Ti、Ni的立方氮化硼。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一條所述的聚晶立方氮化硼的制備方法，其特征在于所述的結(jié)合劑由單質(zhì)鋁粉、含硅物質(zhì)、含硼物質(zhì)、含鋁物質(zhì)及含氮物質(zhì)組合而成，各組分的重量比為單質(zhì)鋁粉含硅物質(zhì)含硼物質(zhì)含鋁物質(zhì)含氮物質(zhì)=(10—50):(5—25):(2—10):(1—5):(10—20)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的聚晶立方氮化硼的制備方法，其特征在于所述的含硅物質(zhì)為二氧化硅；含硼物質(zhì)為氧化硼或是硼酸中的任意一種或其組合；含鋁物質(zhì)為氧化鋁；含氮物質(zhì)為氮化硅。7.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一條所述的聚晶立方氮化硼的制備方法，其特征在于所述的結(jié)合劑由單質(zhì)硅粉、含鉀礦物及含氮物質(zhì)組合而成，各組分的重量比為單質(zhì)硅粉含鉀礦物質(zhì)含氮物質(zhì)=(1~10):(440):(iio)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的聚晶立方氮化硼的制備方法，其特征在于所述的含鉀礦物為鉀長(zhǎng)石；含氮物質(zhì)為氮化硅。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚晶立方氮化硼的制備方法，其特征在于所述的有機(jī)粘結(jié)劑為聚乙烯醇(PVA)。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚晶立方氮化硼的制備方法，其特征在于所述的冷壓成型過(guò)程中坯體的成型采用分步加壓法，即先在低壓力下壓制成坯體，然后逐步加壓以達(dá)到所需的成型壓力；最終成型壓力范圍0.82GPa，保壓時(shí)間6Q200s。全文摘要本發(fā)明公開了一種聚晶立方氮化硼的制備方法，包括以下步驟以立方氮化硼及結(jié)合劑為原料，將立方氮化硼及結(jié)合劑混合后球磨，球磨時(shí)球料比為(1-4)∶1，轉(zhuǎn)速為400-800轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為4-20小時(shí)；將球磨后的混合料干燥，干燥后加入有機(jī)粘結(jié)劑，混合均勻，過(guò)100目篩網(wǎng)；冷壓成型，壓力范圍為0.8GPa-2GPa；將成型后的坯體進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000-1300℃，保溫時(shí)間為4-20小時(shí)，燒結(jié)后即制得成品。本發(fā)明方法所制備的聚晶立方氮化硼PcBN呈灰色，為致密塊體，具有硬度高、磨削效率高、抗沖擊韌性好、容易修整、磨削質(zhì)量好等優(yōu)越性能。本發(fā)明的方法所需設(shè)備簡(jiǎn)單、操作易控制，成本低，易于大規(guī)?；a(chǎn)，具有很好的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，易于推廣應(yīng)用。文檔編號(hào)C22C29/16GK101560624SQ200910064948公開日2009年10月21日申請(qǐng)日期2009年5月18日優(yōu)先權(quán)日2009年5月18日發(fā)明者任振火,莉關(guān),銳張,李和鑫,李明亮,溫合靜,王海龍,陳德良申請(qǐng)人:河南富耐克超硬材料有限公司;鄭州大學(xué)