專利名稱：納米無鈷硬質(zhì)合金-立方氮化硼聚晶復(fù)合片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超硬材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種納米無鈷硬質(zhì)合金(nano wc)-立方 氮化硼(nano cBN)聚晶復(fù)合片及其制造方法。
背景技術(shù)：
立方氮化硼聚晶復(fù)合片不但具備立方氮化硼的優(yōu)良品質(zhì)，而且基體的復(fù)合片還具 有硬質(zhì)合金的抗沖擊韌性，因而具有如高的硬度、耐磨性和抗沖擊韌性，高的熱穩(wěn)定性、化 學(xué)穩(wěn)定性，良好的導(dǎo)熱性以及摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于各種高硬度材料(如工 具鋼、高速鋼、軸承鋼、粉末冶金剛、粉末冶煉金屬、不銹鋼、高強(qiáng)度鋼、高錳鋼、鑄鐵、鈦合金 等)的切削加工以及某些高速切削領(lǐng)域。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，對刀具材料的硬度、耐磨 性、韌性和強(qiáng)度的要求提出了更高的要求，理想的刀具材料應(yīng)既具有極高的耐磨性，有利于 延長刀具耐用度，同時又具有好的斷裂韌性，使得其能夠承受大的切削力。
立方氮化硼顆粒的尺寸大小對聚晶立方氮化硼的耐磨性和抗沖擊性的影響很大。 一般說來，立方氮化硼粒度越小，聚晶立方氮化硼耐磨性越好，抗壓強(qiáng)度越高。顆粒尺寸越 大，聚晶立方氮化硼抗沖擊性能越強(qiáng)，而抗磨損能力越弱，用此制作的刀具的刃口鋒利性就 越差，因此國際上許多生產(chǎn)廠商紛紛在研制細(xì)粒度聚晶立方氮化硼，粒度在0. 5-2微米之 間。采用納米級立方氮化硼顆粒(5-90納米)將既能降低燒結(jié)條件，又能實(shí)現(xiàn)聚晶立方氮 化硼具有較好的耐磨性能。 在合成聚晶立方氮化硼復(fù)合片的過程中，硬質(zhì)合金中的鈷掃越立方氮化硼層，盡 管鈷與立方氮化硼不反應(yīng)，少量的鈷還是殘留在聚晶中，作為立方氮化硼顆粒的"孔隙"填 充劑。而鈷的硬度比立方氮化硼顆粒的硬度低得多，導(dǎo)致立方氮化硼層硬度降低。納米級 硬質(zhì)合金是指合金中的WC的平均粒徑尺寸《0. 5納米的合金，其硬度高達(dá)HRA95以上，是 普通硬質(zhì)合金耐磨壽命10-20倍以上.納米級無鈷硬質(zhì)合金較常規(guī)硬質(zhì)合金具有更高的強(qiáng) 度、硬度、耐磨和優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，無鈷硬質(zhì)合金可以做到粘結(jié)金屬不用鈷，合金保持 性能與含鈷合金相同，成本大幅降低，重要的是減少了鈷在立方氮化硼層的殘留，避免硬度 的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高的硬度、耐磨性、韌性與強(qiáng)度的納米無鈷硬質(zhì) 合金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片。 本發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明的納米無鈷硬質(zhì)合金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片，包括硬質(zhì)合金層和復(fù)合在 其上的立方氮化硼層，立方氮化硼層由納米立方氮化硼和結(jié)合劑混合燒結(jié)而成。所述的硬 質(zhì)合金為納米無鈷硬質(zhì)合金。 所述的立方氮化硼為納米立方氮化硼，納米立方氮化硼占立方氮化硼層總質(zhì)量的 45% 90%。
所述的結(jié)合劑選自粒度為5 50納米的碳化鈦或氮化鈦或兩種物質(zhì)的混合物，結(jié) 合劑的用量為立方氮化硼層總質(zhì)量的5% 40%。 所述的立方氮化硼層中還含有選自鋁、鎳、銻、錫、鎂或銅中的任意一種或一種以 上的金屬粉末作為粘結(jié)合金，粘結(jié)合金的用量占立方氮化硼層總質(zhì)量的1% 5%。
所述的立方氮化硼層中還含有稀土元素，稀土元素占立方氮化硼層總質(zhì)量的 1% 5%。 所述的立方氮化硼層中還含有占立方氮化硼層總質(zhì)量的1% 5%的碳化硅晶 須，碳化硅晶須直徑為0. 1微米、長徑比大于10。 本發(fā)明的納米無鈷硬質(zhì)合金-立方氮化硼聚晶復(fù)合片的立方氮化硼層中還可以
添加粒度為5 60納米的(TiW)C、TiW、 (TiTa)等組分，以增加最終立方氮化硼聚晶復(fù)合片
的耐磨性和抗破損性；另外還可以添加5 50納米的氧化鋁、氮化鋁、硼化鋁等。 本發(fā)明的納米無鈷硬質(zhì)合金-立方氮化硼聚晶復(fù)合片的制造方法的工藝流程如
下 (1)選取粒度為5 100納米的立方氮化硼進(jìn)行級配組合，進(jìn)行真空加熱離子凈 化； (2)取納米立方氮化硼占總質(zhì)量的45% 90%，納米陶瓷結(jié)合劑占總質(zhì)量的 5% 40%，粘結(jié)合金占總質(zhì)量的1% _5%，稀土元素占立方氮化硼層總質(zhì)量的1% 5%， 碳化硅晶須占立方氮化硼層總質(zhì)量的1% 5%，放入多維高能球磨機(jī)中在氬氣環(huán)境下進(jìn) 行混配料30 45分鐘，以混制分散均勻，然后再次進(jìn)行真空加熱離子凈化；
(3)將混制成型料機(jī)壓成型后與納米無鈷硬質(zhì)合金，按照說明書附圖的組裝方式 組裝。首先放入鹽管，外套Mg0管后，將正方形石墨片與鋼片按圖上標(biāo)示，上下面交替放置， 然后放入模具內(nèi)，填充葉臘石與導(dǎo)電鋼碗，再次機(jī)壓緊密待合成。合成尺寸料層為1 2. 5 毫米，復(fù)合片尺寸為15 70毫米。 (4)在壓力為5. 5 7GPa、溫度為1200 1700°C的條件下，壓制3 8分鐘，即得 納米無鈷硬質(zhì)合金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片。
本發(fā)明的有益效果如下 (1)本發(fā)明采用的納米立方氮化硼以及納米陶瓷結(jié)合劑使最終立方氮化硼聚晶復(fù) 合片具有較高的硬度、耐磨性。 (2)采用稀土元素及其化合物，在燒結(jié)時能滲入立方氮化硼晶粒間和陶瓷結(jié)合劑 當(dāng)中，促使聚晶燒結(jié)致密。 (3)采用納米無鈷硬質(zhì)合金，其本身具有更高的硬度、耐磨性能，與納米立方氮化 硼聚晶層結(jié)合強(qiáng)度高，并且減少了鈷在立方氮化硼層的殘留，避免立方氮化硼聚晶層硬度 的降低。 (4)經(jīng)多維高能球磨混制工藝，使混料均勻，提高了立方氮化硼聚晶的致密性，使 刀具材料的刃口鋒利。
(5)采用添加碳化硅晶須，明顯提高了立方氮化硼聚晶的斷裂韌性。


附圖是本發(fā)明的制備方法的合成組裝圖。
圖中1-鋼碗，2-葉臘石，3-石墨片，4-MgO管，5_納米無鈷硬脂合金，6_立方氮化 硼層，7_鹽管，8-鋼片。
具體實(shí)施方式
，
實(shí)施例1 本發(fā)明的納米無鈷硬質(zhì)合金-立方氮化硼聚晶復(fù)合片的制造方法的工藝流程如 下 (1)選取普通立方氮化硼進(jìn)行級配組合，進(jìn)行真空加熱離子凈化； (2)取納米立方氮化硼占總質(zhì)量的90%，納米陶瓷結(jié)合劑碳化鈦占總質(zhì)量的
10%，放入多維高能球磨機(jī)中在氬氣環(huán)境下進(jìn)行混配料30分鐘，以混制分散均勻，然后再
次進(jìn)行真空加熱離子凈化； (3)將混制成型料機(jī)壓成型后與納米無鈷硬質(zhì)合金，按照說明書附圖的組裝方式 組裝。首先放入鹽管7，外套Mg0管4后，將正方形石墨片3與鋼片按圖上標(biāo)示，上下面交替 放置，然后放入模具內(nèi)，填充葉臘石2與導(dǎo)電鋼碗1，再次機(jī)壓緊密待合成。合成尺寸料層 為1 2. 5毫米，復(fù)合片尺寸為15 70毫米。 (4)在壓力為5. 5GPa、溫度為1200°C的條件下，壓制8分鐘，即得納米無鈷硬質(zhì)合 金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片。 納米無鈷硬質(zhì)合金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片的knoop硬度為37. 5GPa。
實(shí)施例2 本發(fā)明的納米無鈷硬質(zhì)合金-立方氮化硼聚晶復(fù)合片的制造方法的工藝流程如 下 (1)選取5 100納米的立方氮化硼進(jìn)行級配組合，進(jìn)行真空加熱離子凈化；
(2)取納米立方氮化硼占總質(zhì)量的80%，納米陶瓷結(jié)合劑氮化鈦占總質(zhì)量的 15%，粘結(jié)合金鋁占總質(zhì)量的5%放入多維高能球磨機(jī)中在氬氣環(huán)境下進(jìn)行混配料35分 鐘，以混制分散均勻，然后再次進(jìn)行真空加熱離子凈化； (3)將混制成型料機(jī)壓成型后與納米無鈷硬質(zhì)合金，按照說明書附圖的組裝方式 組裝。首先放入鹽管7，外套Mg0管4后，將正方形石墨片3與鋼片按圖上標(biāo)示，上下面交替 放置，然后放入模具內(nèi)，填充葉臘石2與導(dǎo)電鋼碗l，再次機(jī)壓緊密待合成。合成尺寸料層 為1 2. 5毫米，復(fù)合片尺寸為15 70毫米。 (4)在壓力為6. 0GPa、溫度為1300°C的條件下，壓制7分鐘，即得納米無鈷硬質(zhì)合 金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片。 納米無鈷硬質(zhì)合金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片的knoop硬度為37. 3GPa。
實(shí)施例3 本發(fā)明的納米無鈷硬質(zhì)合金-立方氮化硼聚晶復(fù)合片的制造方法的工藝流程如 下 (1)選取粒度為5 100納米的立方氮化硼進(jìn)行級配組合，進(jìn)行真空加熱離子凈 化； (2)取納米立方氮化硼占總質(zhì)量的70%，納米陶瓷結(jié)合劑碳化鈦占總質(zhì)量的 20%，粘結(jié)合金鋁、鎳、銻、錫、鎂的混合粉占總質(zhì)量的1%，稀土元素鈰、釹、禮的混合粉占立 方氮化硼層總質(zhì)量的4%，放入多維高能球磨機(jī)中在氬氣環(huán)境下進(jìn)行混配料40分鐘，以混進(jìn)行真空加熱離子凈化； (3)將混制成型料機(jī)壓成型后與納米無鈷硬質(zhì)合金，按照說明書附圖的組裝方式 組裝。首先放入鹽管7，外套MgO管4后，將正方形石墨片3與鋼片按圖上標(biāo)示，上下面交替 放置，然后放入模具內(nèi)，填充葉臘石2與導(dǎo)電鋼碗1，再次機(jī)壓緊密待合成。合成尺寸料層 為1 2. 5毫米，復(fù)合片尺寸為15 70毫米。 (4)在壓力為7GPa、溫度為1700°C的條件下，壓制3分鐘，即得納米無鈷硬質(zhì)合 金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片。 納米無鈷硬質(zhì)合金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片的knoop硬度為37. 3GPa。
實(shí)施例4 本發(fā)明的納米無鈷硬質(zhì)合金-立方氮化硼聚晶復(fù)合片的制造方法的工藝流程如 下 (1)選取粒度為5 100納米的立方氮化硼進(jìn)行級配組合，進(jìn)行真空加熱離子凈 化； (2)取納米立方氮化硼占總質(zhì)量的60%，納米陶瓷結(jié)合劑氮化鈦占總質(zhì)量的 30%，粘結(jié)合金錫、鎂和銅的混合粉占立方氮化硼層總質(zhì)量的2%，稀土元素占立方氮化硼 層總質(zhì)量的3%，碳化硅晶須占立方氮化硼層總質(zhì)量的5%，放入多維高能球磨機(jī)中在氬氣 環(huán)境下進(jìn)行混配料45分鐘，以混制分散均勻，然后再次進(jìn)行真空加熱離子凈化；
(3)將混制成型料機(jī)壓成型后與納米無鈷硬質(zhì)合金，按照說明書附圖的組裝方式 組裝。首先放入鹽管7，外套Mg0管4后，將正方形石墨片3與鋼片按圖上標(biāo)示，上下面交替 放置，然后放入模具內(nèi)，填充葉臘石2與導(dǎo)電鋼碗1，再次機(jī)壓緊密待合成。合成尺寸料層 為1 2. 5毫米，復(fù)合片尺寸為15 70毫米。 (4)在壓力為6. 5GPa、溫度為1500°C的條件下，壓制4分鐘，即得納米無鈷硬質(zhì)合 金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片。 納米無鈷硬質(zhì)合金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片的knoop硬度為36. 9GPa。
實(shí)施例5 本發(fā)明的納米無鈷硬質(zhì)合金-立方氮化硼聚晶復(fù)合片的制造方法的工藝流程如 下 (1)選取粒度為5 100納米的立方氮化硼進(jìn)行級配組合，進(jìn)行真空加熱離子凈 化； (2)取納米立方氮化硼占總質(zhì)量的45%，納米陶瓷結(jié)合劑碳化鈦和氮化鈦的混合 粉占總質(zhì)量的40%，粘結(jié)合金鋁、鎳、銻、錫、鎂和銅的混合粉占總質(zhì)量的5%，稀土元素鈰、 釹、禮和镥的混合粉占立方氮化硼層總質(zhì)量的5%，碳化硅晶須占立方氮化硼層總質(zhì)量的 5%，放入多維高能球磨機(jī)中在氬氣環(huán)境下進(jìn)行混配料45分鐘，以混制分散均勻，然后再次 進(jìn)行真空加熱離子凈化； (3)將混制成型料機(jī)壓成型后與納米無鈷硬質(zhì)合金，按照說明書附圖的組裝方式 組裝。首先放入鹽管7，外套Mg0管4后，將正方形石墨片3與鋼片按圖上標(biāo)示，上下面交替 放置，然后放入模具內(nèi)，填充葉臘石2與導(dǎo)電鋼碗1，再次機(jī)壓緊密待合成。合成尺寸料層 為1 2. 5毫米，復(fù)合片尺寸為15 70毫米。 (4)在壓力為6. 0GPa、溫度為1500°C的條件下，壓制6分鐘，即得納米無鈷硬質(zhì)合
6金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片。 納米無鈷硬質(zhì)合金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片的knoop硬度為36. 7GPa。
實(shí)施例6 本發(fā)明的納米無鈷硬質(zhì)合金-立方氮化硼聚晶復(fù)合片的制造方法的工藝流程如 下 (1)選取粒度為5 100納米的立方氮化硼進(jìn)行級配組合，進(jìn)行真空加熱離子凈 化； (2)取納米立方氮化硼占總質(zhì)量的50%，納米陶瓷結(jié)合劑占總質(zhì)量的35%，粘結(jié) 合金占總質(zhì)量的2%，稀土元素占立方氮化硼層總質(zhì)量的3%，碳化硅晶須占立方氮化硼層 總質(zhì)量的5%，另外添加占立方氮化硼層總質(zhì)量3%的氧化鋁、氮化鋁和硼化鋁的混合粉和 占立方氮化硼層總質(zhì)量2%的(TiW)C、 TiW和TiTa混合粉，放入多維高能球磨機(jī)中在氬氣 環(huán)境下進(jìn)行混配料45分鐘，以混制分散均勻，然后再次進(jìn)行真空加熱離子凈化；
(3)將混制成型料機(jī)壓成型后與納米無鈷硬質(zhì)合金，按照說明書附圖的組裝方式 組裝。首先放入鹽管7，外套Mg0管4后，將正方形石墨片3與鋼片按圖上標(biāo)示，上下面交替 放置，然后放入模具內(nèi)，填充葉臘石2與導(dǎo)電鋼碗l，再次機(jī)壓緊密待合成。合成尺寸料層 為1 2. 5毫米，復(fù)合片尺寸為15 70毫米。 (4)在壓力為6. 0GPa、溫度為1500°C的條件下，壓制6分鐘，即得納米無鈷硬質(zhì)合 金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片。 納米無鈷硬質(zhì)合金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片的knoop硬度為36. 7GPa。
權(quán)利要求
一種納米無鈷硬質(zhì)合金-立方氮化硼聚晶復(fù)合片，包括硬質(zhì)合金層和復(fù)合在其上的立方氮化硼層，立方氮化硼層由立方氮化硼和結(jié)合劑混合燒結(jié)而成，其特征在于所述的硬質(zhì)合金為納米無鈷硬質(zhì)合金。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米無鈷硬質(zhì)合金-立方氮化硼聚晶復(fù)合片，其特征在于 所述的立方氮化硼為納米立方氮化硼，納米立方氮化硼占立方氮化硼層總質(zhì)量的45% 90%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米無鈷硬質(zhì)合金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片，其特征在 于所述的結(jié)合劑選自粒度為5 50納米的碳化鈦或氮化鈦或兩種物質(zhì)的混合物，結(jié)合劑 的用量為立方氮化硼層總質(zhì)量的5% 40%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米無鈷硬質(zhì)合金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片，其特征在 于所述的立方氮化硼層中還含有選自鋁、鎳、銻、錫、鎂或銅中的任意一種或一種以上的金 屬粉末作為粘結(jié)合金，粘結(jié)合金的用量占立方氮化硼層總質(zhì)量的1% 5%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的納米無鈷硬質(zhì)合金-立方氮化硼聚晶復(fù)合片，其特征 在于所述的立方氮化硼層中還含有稀土元素，稀土元素占立方氮化硼層總質(zhì)量的1% 5%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米無鈷硬質(zhì)合金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片，其特征在 于所述的立方氮化硼層中還含有占立方氮化硼層總質(zhì)量的1% 5%的碳化硅晶須。
7. 權(quán)利要求1所述的納米無鈷硬質(zhì)合金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片的制造方法，其特征在于該方法的工藝流程如下(1) 選取粒度為5 100納米的立方氮化硼進(jìn)行級配組合，進(jìn)行真空加熱離子凈化；(2) 取納米立方氮化硼占總質(zhì)量的10 % 90 % ，納米陶瓷結(jié)合劑占總質(zhì)量的5 % 80%，粘結(jié)合金占總質(zhì)量的1% -5%，稀土元素占立方氮化硼層總質(zhì)量的1% 5%，碳化硅 晶須占立方氮化硼層總質(zhì)量的1% 5%，放入多維高能球磨機(jī)中在氬氣環(huán)境下進(jìn)行混配 料30 45分鐘，以混制分散均勻，然后再次進(jìn)行真空加熱離子凈化；(3) 將混制成型料機(jī)壓成型后與納米無鈷硬質(zhì)合金進(jìn)行組裝；(4) 在壓力為5. 5 7GPa、溫度為1200 1700°C的條件下，壓制3 8分鐘，即得納米 無鈷硬質(zhì)合金_立方氮化硼聚晶復(fù)合片。
全文摘要
納米無鈷硬質(zhì)合金-立方氮化硼聚晶復(fù)合片，超硬材料技術(shù)領(lǐng)域。納米無鈷硬質(zhì)合金-立方氮化硼聚晶復(fù)合片包括硬質(zhì)合金層和復(fù)合在其上的立方氮化硼層，立方氮化硼層由納米立方氮化硼和結(jié)合劑混合燒結(jié)而成，所述的硬質(zhì)合金為納米無鈷硬質(zhì)合金。本發(fā)明通過采用納米硬質(zhì)合金與納米立方氮化硼制備納米無鈷硬質(zhì)合金-納米立方氮化硼聚晶復(fù)合片以及相應(yīng)的增韌增強(qiáng)工藝，可解決立方氮化硼聚晶復(fù)合片刀具材料具有高的硬度、耐磨性、韌性與強(qiáng)度。
文檔編號C04B35/622GK101767477SQ20081023157
公開日2010年7月7日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者李劍, 李和鑫 申請人:河南富耐克超硬材料有限公司