一種含有立方氮化硼、陶瓷、金屬的切削刀具材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于切削工具技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種含有立方氮化硼、陶瓷、金屬的切削刀具 材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氮化硼是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體，化學(xué)組成為43. 6%的硼和56. 4%的 氮，具有四種不同的變體：六方氮化硼（hBN)、菱方氮化硼（rBN)、立方氮化硼（cBN)和纖鋅 礦型氮化硼（wBN)。纖鋅礦型氮化硼晶粒細(xì)小，不能作為切削主體。
[0003] 隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，超硬材料得到了廣泛的應(yīng)用，比如鋸切工具、磨削工具、鉆 進(jìn)工具和切削工具。超硬材料包括兩種：金剛石和立方氮化硼（cBN)。金剛石由于在600°C 以上開始碳化，特別是在有鐵元素存在的材料中，隨著溫度的升高，其機(jī)械強(qiáng)度迅速下降， 因此限制了金剛石在加工鐵系列金屬制品時(shí)的應(yīng)用。立方氮化硼正好克服了這一缺陷，立 方氮化硼在氧化氣氛條件下，900°C仍能保證其機(jī)械強(qiáng)度，因此在高速自動(dòng)加工機(jī)械領(lǐng)域， 得到了廣泛的應(yīng)用。
[0004] 傳統(tǒng)上，用作切削工具或耐磨工具的立方氮化硼燒結(jié)體中含有燒結(jié)劑或粘合劑， 如TiN、TiC和Co。該燒結(jié)體是通過在4~5GPa的壓力下將立方氮化硼粉末與燒結(jié)劑或粘 合劑燒結(jié)而得到的。該燒結(jié)體中含有約10~40%的粘合劑，粘合劑極大地影響燒結(jié)體的強(qiáng) 度、耐熱性和熱擴(kuò)散性，在高速切削、尤其在切削黑色金屬材料時(shí)，在切削刃上容易出現(xiàn)缺 陷和裂紋，這縮短了工具的壽命。
[0005] 為了延長工具壽命，已有不使用粘合劑的cBN燒結(jié)體制造方法。在該方法中，將六 方氮化硼和諸如氮硼化鎂之類的催化劑用作原材料，將它們燒結(jié)并反應(yīng)。根據(jù)該方法，由于 不使用粘合劑，cBN顆粒之間強(qiáng)烈結(jié)合，導(dǎo)熱率高達(dá)6~7W/cm°C。因此，cBN燒結(jié)體用作散 熱器材料或卷帶自動(dòng)結(jié)合工具中。但是，由于部分催化劑殘留在燒結(jié)體中，并且當(dāng)燒結(jié)體受 熱時(shí)，由于cBN和催化劑之間的熱膨脹差異，容易產(chǎn)生細(xì)裂紋，從而耐熱溫度低至700°C，這 對(duì)于切削工具而言是一個(gè)很大問題。此外，由于粒徑粗達(dá)10 ym左右，這雖然提高了導(dǎo)熱 率，但削弱了其強(qiáng)度，使其無法承受大的切削負(fù)荷。
[0006] 為了獲得只由晶粒細(xì)小的立方氮化硼（cBN)燒結(jié)得到的燒結(jié)體來制作切削刀具， 而不含其他材料如陶瓷、金屬，需要超過8GPa和1600°C的很高的壓力和溫度。對(duì)于工業(yè)生 產(chǎn)，產(chǎn)生超過6GPa壓力過高。在如此高的壓力下，高壓設(shè)備的使用壽命會(huì)縮短。制作由cBN 組成的燒結(jié)塊的有利條件是壓力應(yīng)等于或小于6GPa。在等于或小于6GPa條件下燒結(jié)由陶 瓷和金屬粘結(jié)cBN的方法是眾所周知的。然而由陶瓷和金屬粘結(jié)cBN晶粒制作的刀具壽命 更短，因?yàn)樘沾珊徒饘儆捕扰ccBN相比太低，所以在切削時(shí)，陶瓷和金屬部分更容易剝落。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種具有高結(jié)構(gòu)耐磨性和耐沖擊性的切削 刀具材料，通過添加晶粒尺寸為主切削材料粗立方氮化硼（cBN) -半或更加細(xì)小的細(xì)立方 氮化硼（cBN)到粘結(jié)劑中，能夠使得切削刀具材料更具結(jié)構(gòu)耐磨和耐沖擊性，添加金屬，形 成基質(zhì)，有助于加強(qiáng)立方氮化硼（cBN)晶粒和陶瓷之間的粘結(jié)。
[0008] 本發(fā)明的另一目的是提供該切削刀具材料的制備方法。
[0009] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0010] -種含有立方氮化硼、陶瓷和金屬的切削刀具材料，由粗立方氮化硼晶粒部分和 粘結(jié)劑部分組成。
[0011] 所述粘結(jié)劑部分包括了細(xì)立方氮化硼晶粒部分、陶瓷和金屬。陶瓷是金屬碳化物、 氮化物、氧化物、硼化物、硅化物中的任意一種。金屬是鎂、鈦、鋯、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、錳、 鐵、鈷、鎳、銅、鋁中的一種或多種的混合。
[0012] 粗立方氮化硼晶粒部分的晶粒尺寸為8~20微米，粘結(jié)劑部分中的細(xì)立方氮化硼 晶粒部分的晶粒尺寸為1~4微米。
[0013] -種制備權(quán)利要求1所述的一種含有立方氮化硼、陶瓷和金屬的切削刀具材料的 方法，包括以下步驟：
[0014] (1)按照比例稱取粗立方氮化硼、細(xì)立方氮化硼、陶瓷、金屬原始微粉；
[0015] (2)混合步驟（1)中的原始微粉，球磨30分鐘，使得幾種微粉混合更均勻，得到混 合微粉，添加甲苯溶液作為潤滑劑；
[0016] (3)加熱干燥，除去甲苯；
[0017] (4)將（2)中得到的混合微粉放在圓柱形的金屬容器中真空800°C加熱4小時(shí)凈 化，除去吸收的氧氣；
[0018] (5)將凈化后的混合微粉轉(zhuǎn)移到充滿氮?dú)獾氖痔紫渲校瑢⑵渲薪Y(jié)塊的微粉粉碎成 細(xì)粉；
[0019] (6)將混合微粉裝入耐高溫耐高壓容器中；
[0020] (7)將（6)中的裝滿混合微粉的耐高溫耐高壓容器放入高溫高壓設(shè)備中，升壓至 3GPa以上，升溫至1200°C以上；
[0021] (8)保持步驟（7)的壓力和溫度10~30分鐘；
[0022] (9)降低壓力、停止加熱，使設(shè)備溫度達(dá)到0~25°C，壓力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；
[0023] (10)從高溫高壓設(shè)備中取出耐高溫耐高壓容器，去除燒結(jié)體表面包裹的容器，得 到含有立方氮化硼、陶瓷和金屬的切削刀具材料。
[0024] 金屬可用來幫助粘結(jié)陶瓷和細(xì)立方氮化硼（cBN)形成基質(zhì)。其中原始微粉中，粗 立方氮化硼（cBN)質(zhì)量占比為40~80 %，粘結(jié)劑（陶瓷+金屬+細(xì)立方氮化硼）的質(zhì)量占 比為20~60%。
[0025] 本發(fā)明的有益效果是：
[0026] (1)提尚了刀具材料的耐磨性；
[0027] (2)提高了刀具材料的耐沖擊性；
[0028](3)燒結(jié)時(shí)所要求的溫度壓力相比較同類產(chǎn)品低，按照一般工藝，需要超過8GPa 的壓力和1600°C的溫度，使用此方法延長了設(shè)備使用壽命，節(jié)省了能量，節(jié)約了成本。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明：
[0030] 實(shí)施例1
[0031] 選擇占總質(zhì)量50%且晶粒尺寸分布在10~15微米的粗立方氮化硼（cBN)作為切 削部分，另外50%的粘結(jié)劑部分主要由20% TiC、15% TiN和7%晶粒尺寸在2微米的細(xì)立 方氮化硼（cBN)、8%的金屬鋁，球磨90分鐘混合得到。TiC和TiN的平均晶粒尺寸為5微 米，鋁的晶粒尺寸為10微米，甲苯作為混合潤滑劑。將混合后的粘結(jié)劑部分與切削部分cBN 放入到球磨機(jī)的罐中混合30分鐘?；旌贤瓿珊?，將混合微粉取出放入到玻璃燒杯中，靜置 5小時(shí)使微粉沉淀到燒杯底部。在保證全部沉淀后，傾倒掉甲苯。混合微粉通過在干燥箱 中加熱去除剩余的甲苯。在去除甲苯后，混合微粉裝入金屬容器中，放入到真空爐中800°C 加熱4小時(shí)，去除吸收的氧氣。當(dāng)爐內(nèi)溫度低于100°C，3小時(shí)后，爐中充滿氮?dú)?，混合微?轉(zhuǎn)移到充滿氮?dú)獾氖痔紫渲?。在手套箱中，通過碳化鎢鍋和杵，結(jié)塊的微粉變?yōu)榧?xì)粉。裝入 C>14*4mm、厚0. 5mm的錯(cuò)杯中。用60kg/c m2的小型液壓機(jī)壓。錯(cuò)杯內(nèi)微粉厚為1. 5mm。放 入燒結(jié)后的? 13*2. 5mm的WC片在微粉上。然后裝滿混合微粉和碳化鎢片的耐溫容器放入 到高壓設(shè)備中，5. lGPa、1480°C條件下合成15分鐘。
[0032] 通過以上過程，混合微粉燒結(jié)為為〇 11. 7*1. 1mm的致密圓柱體。燒結(jié)體表面由金 剛石砂輪和金剛石研磨膏拋光。通過光學(xué)顯微鏡觀察，cBN晶粒由粘結(jié)劑粘結(jié)，且粘結(jié)劑中 細(xì)cBN是分散的。通過X射線衍射，可觀察到cBN、A1N、TiB2、TiAl等。在燒結(jié)過程中它們 進(jìn)行化合，粗cBN晶粒和包含細(xì)cBN晶粒的基質(zhì)通過這些化合反應(yīng)粘結(jié)。
[0033] 將柱狀燒結(jié)體切割成