一種強化聚晶立方氮化硼復合超硬材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種強化聚晶立方氮化硼復合超硬材料的制備方法，在PCBN材料中添加了如立方碳氮化硼c-BC2N、碳化硼（B4C）和納米孿晶立方氮化硼（nt-CBN）等超硬材料的增強相，是一種高溫高壓燒結合成超硬復合材料的新方法，屬于超硬材料領域。其步驟為將硬度極高的材料切割成增強芯柱體，在粉料中埋入增強芯柱體后放入葉臘石塊在高溫高壓的條件下合成，得到具有增強芯的PCBN材料。本發(fā)明制備的強化PCBN復合超硬材料兼具有PCBN的韌性，和媲美天然金剛石材料的超高硬度，解決了現代機械加工行業(yè)對刀具越來越高的要求以及某些極超硬材料在應用方面的尷尬局面，拓寬了超硬材料的應用領域。
【專利說明】一種強化聚晶立方氮化硼復合超硬材料的制備方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及了一種在高溫高壓下添加了超硬材料增強相的聚晶立方氮化硼復合超硬材料的合成方法，屬于超硬材料領域。
【背景技術】
[0003]聚晶立方氮化硼(PCBN)是一種以微細立方氮化硼為原料并添加一定量的粘接劑在高溫高壓條件下燒結而成的超硬聚結體。
[0004]因為PCBN具有多種優(yōu)異性能，如超高硬度和耐磨性、極高的熱穩(wěn)定性、極強的化學穩(wěn)定性以及良好的導熱性能等，使得其具有長的使用壽命和極高的加工精度而被廣泛應用于機械加工領域，如數控機床、多用途機床、自動線、專用高速機床、柔性生產單元或柔性生產系統(tǒng)等高精系統(tǒng)，或用于切削合金鋼、工具鋼、噴涂材料等難加工材料的加工領域。
[0005]但是隨著現代工業(yè)的發(fā)展，新材料的加工難度越來越大，現有的PCBN刀具已漸漸表現出加工疲態(tài)。
[0006]現有的某些材料其硬度是當前自然界或合成產物中最高的，但因為其極高的脆性而限制了其應用范圍 ，如立方碳氮化硼c-BC2N、碳化硼B(yǎng)4C和納米孿晶立方氮化硼nt-CBN等。
[0007]目前，機械加工行業(yè)對PCBN刀具的要求越來越高，同時某些脆性高的超硬材料在應用上也面臨著一定的尷尬局面。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明需要解決的技術問題就在于克服現有技術的缺陷，提供一種強化聚晶立方氮化硼復合超硬材料的制備方法，本發(fā)明制備的強化PCBN復合超硬材料兼具有PCBN的韌性，和媲美天然金剛石材料的超高硬度，解決了現代機械加工行業(yè)對刀具越來越高的要求以及某些極超硬材料在應用方面的尷尬局面，拓寬了超硬材料的應用領域。
[0009]為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術方案:
本發(fā)明提供了一種強化聚晶立方氮化硼復合超硬材料的制備方法，所述方法包括下列步驟:
a、制備超硬材料增強芯:采用激光切割技術將增強芯超硬材料切割成增強芯柱體；
b、粉料配置:
對立方氮化硼cBN進行純化處理，粘接劑在真空球磨機中進行機械球磨；
按照cBN占總混合粉料質量比為60-90%的比例混勻cBN和粘接劑，混合粉料裝入石墨基體中，放入一個或多個增強芯柱體，真空還原；
C、合成:將石墨組裝體放入葉臘石塊中組裝好，將組裝完成的葉臘石塊放入壓機中，在高壓70-100MPa，加熱電流40-55A的合成條件下合成含有增強相的PCBN復合超硬材料；d、后處理:將獲得的含有增強相的PCBN復合超硬材料進行后處理。[0010]本發(fā)明中，所述增強芯超硬材料為立方碳氮化硼C-BC2N、碳化硼B(yǎng)4C或納米孿晶立方氮化硼nt-CBN中的一種或幾種。
[0011]本發(fā)明中，cBN純化處理步驟為先進行堿處理后進行酸處理；堿處理為將固體NaOH或KOH按照重量比為1:1比例和cBN混勻放入馬弗爐在350°C下保溫I個小時自然冷卻后用熱水反復沖洗至中性；酸處理為將堿處理過后的cBN倒入大容積燒杯中加入高于cBN 2-3cm的硝酸煮沸20分鐘，倒掉硝酸后加入鹽酸煮沸20分鐘，用蒸餾水洗至中性。
[0012]本發(fā)明中，裝入增強芯柱體步驟使得增強芯柱體有70%以上的表面積處于混勻粉體包裹下。
[0013]本發(fā)明中，粘接劑的真空球磨時間要大于24h。
[0014]本發(fā)明中，真空還原的時間要大于24h。
[0015]本發(fā)明中，后處理為酸洗或球磨后酸洗。
[0016]本發(fā)明中，所述增強芯柱體的截面為圓形、方形或三角形。
[0017]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明制備的強化PCBN復合超硬材料兼具有PCBN的韌性，和媲美天然金剛石材料的超高硬度，解決了現代機械加工行業(yè)對刀具越來越高的要求以及某些極超硬材料在應用方面的尷尬局面，拓寬了超硬材料的應用領域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是一種外包裹體殼為圓柱形的添加了增強相的PCBN復合超硬材料。
[0019]附圖標記:1為增強芯`方形柱；2為外層包裹體，即PCBN。
【具體實施方式】
[0020]實施例1:
1、利用激光切割機將立方碳氮化硼切割成I X I X4mm小方柱。
[0021]2、粉料配置:
按照粒度為1-2 Pm ,5-10 um ,20-30 Um其質量比重分別為15%、25%、60%的比例對cBN進行配比；對cBN進行純化處理，先進行堿處理后進行酸處理；堿處理為將固體NaOH或KOH按照重量比為1:1比例和cBN混勻放入馬弗爐在350°C下保溫I個小時自然冷卻后用熱水反復沖洗至中性；酸處理為將堿處理過后的cBN倒入大容積燒杯中加入高于cBN 2-3cm的硝酸煮沸20分鐘，倒掉硝酸后加入更多的鹽酸煮沸20分鐘，用蒸餾水洗至中性。
[0022]將Al和Al203、SiC按照重量比為2:1:1比例混合作為粘接劑，粘接劑在真空球磨機中進行機械處理，球磨36h ；
按照cBN對總粉料質量比為80%的比例混勻cBN與粘接劑，混合粉料裝入石墨基體中放入I個超硬材料增強芯，增強芯柱體有70%以上的表面積處于粉體包裹下。真空還原24h
3、把石墨組合體放入葉臘石塊中組裝好，將組裝完成的葉臘石塊放入壓機中，在高壓80MPa，加熱電流45A的合成工藝下合成含有增強芯的PCBN復合超硬材料；
4、將獲得的含立方碳氮化硼增強芯的PCBN超硬材料球磨后酸洗。
[0023]實施例2:
1、利用激光切割機將碳化硼切割成O I X4mm小圓柱。[0024]2、粉料配置:
按照粒度為1-2 Pm ,5-10 um ,20-30 Um其質量比重分別為10%、30%、60%的比例對cBN進行配比；對cBN進行純化處理，先進行堿處理后進行酸處理；堿處理為將固體NaOH或KOH按照重量比為1:1比例和cBN混勻放入馬弗爐在350°C下保溫I個小時自然冷卻后用熱水反復沖洗至中性；酸處理為將堿處理過后的cBN倒入大容積燒杯中加入高于cBN 2-3cm的硝酸煮沸20分鐘，倒掉硝酸后加入更多的鹽酸煮沸20分鐘，用蒸餾水洗至中性。
[0025]將Al和SiC按照1:1比例混合作為粘接劑，粘接劑在真空球磨機中進行機械處理，球磨48h ；
按照cBN對總混合粉料質量比為80%的比例混勻cBN與粘接劑，混合粉料裝入石墨基體中放入I個超硬材料增強芯，增強芯柱體完全處于粉體包裹下。真空還原36h。
[0026]3、把石墨組合體放入葉臘石塊中組裝好，將組裝完成的葉臘石塊放入壓機中，在高壓70MPa，加熱電流40A的合成工藝下合成含有增強芯的PCBN復合超硬材料；
4、將獲得的含碳化硼增強芯的PCBN超硬材料球磨后酸洗。
[0027]實施例3:
1、利用激光切割機將納米孿晶立方氮化硼切割成邊長為1.2mm，高為4mm的三棱柱；
2、粉料配置:
按照粒度為1-2 Pm ,5-10 um ,20-30 Um其質量比重分別為12%、32%、56%的比例對cBN進行配比；對cBN進行純化處理，先進行堿處理后進行酸處理；堿處理為將固體NaOH或KOH按照重量比為1:1比例和cBN混勻放入馬弗爐在350°C下保溫I個小時自然冷卻后用熱水反復沖洗至中性；酸處理為將堿處理過后的cBN倒入大容積燒杯中加入高于cBN 2-3cm的硝酸煮沸20分鐘，倒掉硝酸后加入更多的鹽酸煮沸20分鐘，用蒸餾水洗至中性。
[0028]將Al、Ti和SiC、Al4N3按照重量比1:1:1:1比例混合作為粘接劑，粘接劑在真空球磨機中進行機械處理，球磨36h ；
按照cBN對總粉料質量比為90%的比例混勻cBN與粘接劑，混合粉料裝入石墨基體中放入2個超硬材料增強芯，增強芯柱體完全處于粉體包裹下。真空還原24h ；
3、把石墨組合體放入葉臘石塊中組裝好，將組裝完成的葉臘石塊放入壓機中，在高壓lOOMPa，加熱電流50A的合成工藝下合成含有增強芯的PCBN復合超硬材料；
4、將獲得的含納米孿晶立方氮化硼增強芯的PCBN超硬材料球磨后酸洗。
[0029]實施例4:
1、利用激光切割機將納米孿晶立方氮化硼切割成01X5mm小方柱，將立方碳氮化硼切割成O I X 5mm小方柱。
[0030]2、粉料配置:
按照粒度為1-2 Pm ,5-10 um ,20-30 Um其質量比重分別為15%、20%、65%的比例對cBN進行配比；對cBN進行純化處理，先進行堿處理后進行酸處理；堿處理為將固體NaOH或KOH按照重量比為1:1比例和cBN混勻放入馬弗爐在350°C下保溫I個小時自然冷卻后用熱水反復沖洗至中性；酸處理為將堿處理過后的cBN倒入大容積燒杯中加入高于cBN 2-3cm的硝酸煮沸20分鐘，倒掉硝酸后加入更多的鹽酸煮沸20分鐘，用蒸餾水洗至中性。
[0031]將Al、Ti和SiC、A14N3按照重量比1:1:1:1比例混合作為粘接劑，粘接劑在真空球磨機中進行機械處理，球磨40h ；按照cBN對總粉料質量比為90%的比例混勻cBN與粘接劑，混合粉料裝入石墨基體中間隔0.5mm放入I個立方碳氮化硼和I個納米孿晶立方氮化硼小柱，增強芯柱體有70%以上的表面積處于粉體包裹下。真空還原24h ；
3、把石墨組合體放入葉臘石塊中組裝好，將組裝完成的葉臘石塊放入壓機中，在高壓85MPa，加熱電流55A的合成工藝下合成含有增強芯的PCBN復合超硬材料；
4、將獲得的含納米孿晶立方氮化硼和立方碳氮化硼增強芯的PCBN超硬材料球磨后酸洗。
[0032]最后應說明的是:顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍`處于本發(fā)明的保護范圍之中。
【權利要求】
1.一種強化聚晶立方氮化硼復合超硬材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟: a、制備超硬材料增強芯:采用激光切割技術將增強芯超硬材料切割成增強芯柱體； b、粉料配置: 對立方氮化硼cBN進行純化處理，粘接劑在真空球磨機中進行機械球磨； 按照cBN占總混合粉料質量比為60-90%的比例混勻cBN和粘接劑，混合粉料裝入石墨基體中，放入一個或多個增強芯柱體，真空還原； C、合成:將石墨組裝體放入葉臘石塊中組裝好，將組裝完成的葉臘石塊放入壓機中，在高壓70-100MPa，加熱電流40-55A的合成條件下合成含有增強相的PCBN復合超硬材料； d、后處理:將獲得的含有增強相的PCBN復合超硬材料進行后處理。
2.如權利要求1所述的強化聚晶立方氮化硼復合超硬材料的制備方法，其特征在于，所述增強芯超硬材料為立方碳氮化硼c_BC2N、碳化硼B(yǎng)4C或納米孿晶立方氮化硼nt-CBN中的一種或幾種。
3.如權利要求1所述的強化聚晶立方氮化硼復合超硬材料的制備方法，其特征在于，cBN純化處理步驟為先進行堿處理后進行酸處理；堿處理為將固體NaOH或KOH按照重量比為1:1比例和cBN混勻放入馬弗爐在350°C下保溫I個小時自然冷卻后用熱水反復沖洗至中性；酸處理為將堿 處理過后的cBN倒入大容積燒杯中加入高于cBN 2-3cm的硝酸煮沸20分鐘，倒掉硝酸后加入鹽酸煮沸20分鐘，用蒸餾水洗至中性。
4.如權利要求1所述的強化聚晶立方氮化硼復合超硬材料的制備方法，其特征在于，裝入增強芯柱體步驟使得增強芯柱體有70%以上的表面積處于混勻粉體包裹下。
5.如權利要求1所述的強化聚晶立方氮化硼復合超硬材料的制備方法，其特征在于，粘接劑的真空球磨時間要大于24h。
6.如權利要求1所述的強化聚晶立方氮化硼復合超硬材料的制備方法，其特征在于，真空還原的時間要大于24h。
7.如權利要求1所述的強化聚晶立方氮化硼復合超硬材料的制備方法，其特征在于，后處理為酸洗或球磨后酸洗。
8.如權利要求1-7之任一所述的強化聚晶立方氮化硼復合超硬材料的制備方法，其特征在于，所述增強芯柱體的截面為圓形、方形或三角形。
【文檔編號】C04B32/00GK103755317SQ201410025088
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月21日 優(yōu)先權日:2014年1月21日
【發(fā)明者】岳 文, 顏剛, 王成彪, 吳宗毅, 林芳, 孟德忠, 付志強 申請人:中國地質大學（北京）, 北京華油冠昌環(huán)保能源科技發(fā)展有限公司