一種結(jié)合劑、聚晶立方氮化硼刀具及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于立方氮化硼與硬質(zhì)合金復(fù)合刀具材料領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)合劑、聚晶立方氮化硼刀具及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦合金、高溫合金是強(qiáng)度、密度遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，熱強(qiáng)度高，不僅在室溫下而且在高溫(300?400°C)下都是目前強(qiáng)度最高的合金，加上它的高抗蝕性，是航空航天、海洋石油、汽車造船、化工、軍工等工業(yè)領(lǐng)域十分重要的工程材料。聚晶立方氮化硼(PCBN)材料具有高的硬度和耐磨性、很高的熱穩(wěn)定性和高溫硬度、優(yōu)良化學(xué)性能。由于較好的穩(wěn)定性及導(dǎo)熱性和較低的摩擦系數(shù)，PCBN作為刀具材料的應(yīng)用越來越廣泛。經(jīng)過30多年的發(fā)展，國外對PCBN刀具的研究已基本進(jìn)入成熟階段，產(chǎn)品也向多樣化、系列化方向發(fā)展，因此對鈦合金、高溫合金等難加工材料用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具進(jìn)行加工是未來發(fā)展趨勢。
[0003]PCBN是由立方氮化硼顆粒及適量結(jié)合劑混合經(jīng)高溫高壓燒結(jié)而成，目前使用的結(jié)合劑主要分為金屬結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑。用金屬作結(jié)合劑的聚晶立方氮化硼通常立方氮化硼含量高，韌性好，導(dǎo)熱性優(yōu)于用陶瓷作結(jié)合劑的聚晶立方氮化硼，但金屬通常在七八百度的溫度下就會(huì)軟化，高溫時(shí)金屬的軟化效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致聚晶立方氮化硼的耐磨性下降。陶瓷的熔點(diǎn)相對要高，高溫時(shí)不會(huì)產(chǎn)生軟化效應(yīng)，但由于陶瓷的脆性特點(diǎn)，純陶瓷結(jié)合劑聚晶立方氮化硼的韌性稍差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)合劑、聚晶立方氮化硼刀具及其制備方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種結(jié)合劑，所述結(jié)合劑由下述重量百分含量的原料組成:B4C粉2-10%、活性炭粉5-20%、碳化硅晶須40-60%、余量為Al粉。
[0006]利用所述的結(jié)合劑制成的聚晶立方氮化硼刀具，由下述重量百分比的原料組成:立方氮化硼粉末40-85%、結(jié)合劑15-60%。
[0007]所述聚晶立方氮化硼刀具的制備方法包括以下步驟:①立方氮化硼粉末處理:將立方氮化硼粉末用10-20mol/L氫氟酸進(jìn)行酸洗處理2h_4h，將酸洗過的立方氮化硼粉末離心分離，用蒸餾水水洗2-4次，無水乙醇醇洗2-4次，然后放于真空干燥箱內(nèi)40°C -80°C干燥8h-12h ;②將結(jié)合劑與步驟①處理后的立方氮化硼粉末混合均勻復(fù)合粉體組裝:將步驟②中混好的物料倒入葉臘石模具中，然后在200°C -400°C的條件下真空干燥20-40分鐘；④將葉臘石模具放入六面頂壓機(jī)內(nèi)，在溫度為1200-1700°C、壓力為4.5 — 7.5GPa的條件下合成10 — 30min。
[0008]所述步驟②中結(jié)合劑與立方氮化硼粉末的混合在三維混料機(jī)進(jìn)行，結(jié)合劑與立方氮化硼粉末的總重量與磨球重量比1: 1-1: 1.5，混料時(shí)間:4-8h。
[0009]所述磨球的直徑為l_3mm。
[0010]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是，本發(fā)明的結(jié)合劑為金屬-陶瓷結(jié)合劑，兼具金屬結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用在聚晶立方氮化硼刀具中時(shí)，在燒結(jié)過程中，鋁粉充當(dāng)金屬結(jié)合劑的角色，到達(dá)高溫階段，Al-B4C-C之間發(fā)生反應(yīng)生成Al3BC3陶瓷相，克服了金屬結(jié)合劑的缺點(diǎn)；同時(shí)，生成Al3BC3陶瓷相形態(tài)為板條狀或柱狀，配合SiC晶須的添加，有很好的增韌效果，解決了陶瓷結(jié)合劑韌性差的難題；而且Al-B4C-C間發(fā)生反應(yīng)放熱也能促進(jìn)燒結(jié)。本發(fā)明制備的聚晶cBN刀具，其彎曲強(qiáng)度可達(dá)350-450 MPa，硬度可達(dá)45_55GPa。
【附圖說明】
[0011 ] 圖1為實(shí)施例1制得的聚晶立方氮化硼刀具的斷面SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。
[0013]實(shí)施例1
一種結(jié)合劑，所述結(jié)合劑由下述重量百分含量的原料組成=B4C粉4%、活性炭粉12%、碳化硅晶須60%、余量為Al粉。利用所述的結(jié)合劑制備的聚晶立方氮化硼刀具，由下述重量百分比的原料組成:立方氮化硼粉末65%、結(jié)合劑35%。
[0014]所述聚晶立方氮化硼刀具的制備方法包括以下步驟:①立方氮化硼粉末處理:將立方氮化硼粉末(粒徑為I?1Mffl)用15mol/L氫氟酸進(jìn)行酸洗處理3h，將酸洗過的立方氮化硼粉末離心分離，用蒸餾水水洗3次，無水乙醇醇洗3次，然后放于真空干燥箱內(nèi)60°C下干燥1h ;②將結(jié)合劑與步驟①處理后的立方氮化硼粉末加入到三維混料機(jī)進(jìn)行混合，結(jié)合劑與立方氮化硼粉末的總重量與磨球(直徑為Imm)重量比1: 1.2，混料時(shí)間為4h ;③復(fù)合粉體組裝:將步驟②中混好的物料倒入葉臘石模具中，然后在300°C的條件下真空干燥30分鐘；④將葉臘石模具放入六面頂壓機(jī)內(nèi)，在溫度為1350°C、壓力為5.5GPa的條件下合成 25min。
[0015]本實(shí)施例所制得的聚晶立方氮化硼刀具的硬度為47.5GPa、彎曲強(qiáng)度為380MPa ；制得的聚晶立方氮化硼刀具的斷面SEM圖如圖1所示。
[0016]實(shí)施例2
一種結(jié)合劑，所述結(jié)合劑由下述重量百分含量的原料組成=B4C粉2%、活性炭粉20%、碳化硅晶須40%、余量為Al粉。利用所述的結(jié)合劑制備的聚晶立方氮化硼刀具，由下述重量百分比的原料組成:立方氮化硼粉末85%、結(jié)合劑15%。
[0017]所述聚晶立方氮化硼刀具的制備方法包括以下步驟:①立方氮化硼粉末處理:將立方氮化硼粉末用10mol/L氫氟酸進(jìn)行酸洗處理4h，將酸洗過的立方氮化硼粉末離心分離，用蒸餾水水洗2次，無水乙醇醇洗4次，然后放于真空干燥箱內(nèi)40°C干燥12h 將結(jié)合劑與步驟①處理后的立方氮化硼粉末加入到三維混料機(jī)進(jìn)行混合，結(jié)合劑與立方氮化硼粉末的總重量與磨球(直徑為1-3_)重量比1: 1，混料時(shí)間為6h 復(fù)合粉體組裝:將步驟②中混好的物料倒入葉臘石模具中，然后在200°C的條件下真空干燥40分鐘；④將葉臘石模具放入六面頂壓機(jī)內(nèi)，在溫度為1200°C、壓力為4.5GPa的條件下合成30min。
[0018]本實(shí)施例所制得的聚晶立方氮化硼刀具的硬度為53GPa、彎曲強(qiáng)度為425MPa。
[0019]實(shí)施例3 一種結(jié)合劑，所述結(jié)合劑由下述重量百分含量的原料組成=B4C粉10%、活性炭粉5%、碳化硅晶須50%、余量為Al粉。利用所述的結(jié)合劑制備的聚晶立方氮化硼刀具，由下述重量百分比的原料組成:立方氮化硼粉末40%、結(jié)合劑60%。
[0020]所述聚晶立方氮化硼刀具的制備方法包括以下步驟:①立方氮化硼粉末處理:將立方氮化硼粉末用20mol/L氫氟酸進(jìn)行酸洗處理2h，將酸洗過的立方氮化硼粉末離心分離，用蒸餾水水洗4次，無水乙醇醇洗2次，然后放于真空干燥箱內(nèi)80°C干燥Sh 將結(jié)合劑與步驟①處理后的立方氮化硼粉末加入到三維混料機(jī)進(jìn)行混合，結(jié)合劑與立方氮化硼粉末的總重量與磨球(直徑為1-3_)重量比1: 1.5，混料時(shí)間為8h 復(fù)合粉體組裝:將步驟②中混好的物料倒入葉臘石模具中，然后在400°C的條件下真空干燥20分鐘；④將葉臘石模具放入六面頂壓機(jī)內(nèi)，在溫度為1700°C、壓力為7.5GPa的條件下合成lOmin。
[0021]本實(shí)施例所制得的聚晶立方氮化硼刀具的硬度為51GPa、彎曲強(qiáng)度為440MPa。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種結(jié)合劑，其特征在于，所述結(jié)合劑由下述重量百分含量的原料組成:B 4C粉2-10%、活性炭粉5-20%、碳化硅晶須40-60%、余量為Al粉。2.—種使用權(quán)利要求1所述的結(jié)合劑制成的聚晶立方氮化硼刀具，其特征在于，所述聚晶立方氮化硼刀具由下述重量百分比的原料組成:立方氮化硼粉末40-85%、結(jié)合劑I5-60%ο3.—種權(quán)利要求2所述聚晶立方氮化硼刀具的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:①立方氮化硼粉末處理:將立方氮化硼粉末用10-20mol/L氫氟酸進(jìn)行酸洗處理2h_4h，將酸洗過的立方氮化硼粉末離心分離，用蒸餾水水洗2-4次，無水乙醇醇洗2-4次，然后放于真空干燥箱內(nèi)40°C -80°C干燥8h-12h ;②將結(jié)合劑與步驟①處理后的立方氮化硼粉末混合均勻復(fù)合粉體組裝:將步驟②中混好的物料裝入葉臘石模具中，然后在200°C-40(TC的條件下真空干燥20-40分鐘；④將葉臘石模具放入六面頂壓機(jī)內(nèi)，在溫度為 1200-1700°C、壓力為 4.5 - 7.5GPa 的條件下合成 10 — 30min。4.如權(quán)利要求3所述聚晶立方氮化硼刀具的制備方法，其特征在于，所述步驟②中結(jié)合劑與立方氮化硼粉末的混合在三維混料機(jī)進(jìn)行，結(jié)合劑與立方氮化硼粉末的總重量與磨球重量比1: 1-1: 1.5，混料時(shí)間:4-8h。5.如權(quán)利要求4所述聚晶立方氮化硼刀具的制備方法，其特征在于，所述磨球的直徑為 1-3mmο
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種結(jié)合劑、聚晶立方氮化硼刀具及其制備方法，本發(fā)明的結(jié)合劑為金屬-陶瓷結(jié)合劑，兼具金屬結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用在聚晶立方氮化硼刀具中時(shí)，在燒結(jié)過程中，鋁粉充當(dāng)金屬結(jié)合劑的角色，到達(dá)高溫階段，Al-B4C-C之間發(fā)生反應(yīng)生成Al3BC3陶瓷相，克服了金屬結(jié)合劑的缺點(diǎn)；同時(shí)，生成Al3BC3陶瓷相形態(tài)為板條狀或柱狀，配合SiC晶須的添加，有很好的增韌效果，解決了陶瓷結(jié)合劑韌性差的難題；而且Al-B4C-C間發(fā)生反應(yīng)放熱也能促進(jìn)燒結(jié)。本發(fā)明制備的聚晶cBN刀具，其彎曲強(qiáng)度可達(dá)350-450MPa，硬度可達(dá)45-55GPa。
【IPC分類】C04B35/5831, C04B35/81, C04B35/622
【公開號(hào)】CN105130447
【申請?zhí)枴緾N201510503103
【發(fā)明人】王海龍, 李劍, 馬堯, 張銳, 趙笑統(tǒng), 邵剛, 陳德良, 許紅亮, 盧紅霞, 范冰冰
【申請人】鄭州大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年8月17日