專(zhuān)利名稱(chēng)：制備立方氮化硼復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用立方氮化硼制備超硬、耐磨復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
立方氮化硼(c-BN)的分子結(jié)構(gòu)、物理性能和合成方法與金剛石十分相似，其硬度僅次于金剛石，而它的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于金剛石，在大氣中加熱至1000℃時(shí)不發(fā)生氧化，尤其是不存在著金剛石制品加工黑色鐵基合金發(fā)生反應(yīng)的局限性，成為新一代超硬材料，被國(guó)際材料界作為金剛石的替代材料。近年來(lái)，隨著立方氮化硼生產(chǎn)成本的降低，性能提高，立方氮化硼及其制品的用量與金剛石的用量比較，由1/20-1/30，提高到1/6，廣泛地應(yīng)用在機(jī)械加工、石材加工、建材、航空航天、新材料加工、汽車(chē)等領(lǐng)域。以汽車(chē)零部件加工業(yè)為例，為了提高汽車(chē)零部件的性能、精度和可靠性，加工新型先進(jìn)材料，提高生產(chǎn)效率，降低加工余量，一些傳統(tǒng)加工方法將被淘汰，而新型立方氮化硼制品卻愈來(lái)愈發(fā)揮作用。汽車(chē)凸輪軸和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔的傳統(tǒng)加工技術(shù)是采用硬質(zhì)合金刀具和Al2O3砂輪磨削進(jìn)行生產(chǎn)，很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求和精度。20世紀(jì)90年代初，日本豐田汽車(chē)公司采用復(fù)合立方氮化硼刀具和砂輪進(jìn)行生產(chǎn)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求和精度。
立方氮化硼超硬材料的機(jī)械加工性能差，作為耐磨材料主要通過(guò)CVD、PVD、樹(shù)脂、陶瓷、金屬結(jié)合劑及電鍍等工藝制備各種薄膜、涂層或耐磨部件。采用CVD和PVD的方法制備c-BN薄膜，在c-BN薄膜中存在很大的內(nèi)應(yīng)力，削弱了薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度；另外，低的沉積速率、高的沉積溫度，以及c-BN薄膜中總含有一些難以消除的h-BN或非晶BN成分，限制了c-BN薄膜在工業(yè)上的進(jìn)一步應(yīng)用。采用樹(shù)脂、陶瓷、金屬結(jié)合劑燒結(jié)制備的立方氮化硼涂層或耐磨部件，立方氮化硼被機(jī)械鑲嵌在基體中，與基體間作用力較弱，當(dāng)涂層或耐磨部件在工作期間受到外部較大的沖擊力作用，起耐磨作用的立方氮化硼很容易被敲落下來(lái)，降低涂層或耐磨部件的耐磨性能。電鍍制備立方氮化硼涂層和耐磨部件，使用壽命短，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。隨著釬焊技術(shù)和材料的發(fā)展，釬焊連接立方氮化硼成為關(guān)注熱點(diǎn)。目前，有資料報(bào)道采用銀基釬料釬焊立方氮化硼。銀基釬料熔點(diǎn)低、工藝性能好，但銀基釬料釬焊的立方氮化硼制品的成本高，且工作溫度低(400℃)，很難滿(mǎn)足立方氮化硼自身作為高溫耐磨材料的使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備立方氮化硼復(fù)合材料的方法，以提高立方氮化硼復(fù)合層與鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度和綜合機(jī)械性能，充分發(fā)揮立方氮化硼作為高溫耐磨材料的使用性能。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明制備立方氮化硼復(fù)合材料的方法，是將立方氮化硼顆粒與合金釬料粉末及粘結(jié)劑混合均勻后涂覆在鋼基體表面上，通過(guò)真空釬焊加熱，在鋼基體的表面形成一立方氮化硼耐磨復(fù)合層，其特征在于所述的合金釬料由以下成分按重量百分比組成Ti5-15，Sn6-12，Cu余量。
立方氮化硼材料表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的電子配位，很難被熔化的液態(tài)金屬所潤(rùn)濕，因此，一般焊接材料很難實(shí)現(xiàn)立方氮化硼與其他金屬的連接。要使立方氮化硼顆粒表面被金屬鍵的金屬釬料潤(rùn)濕，在釬料和立方氮化硼之間必須要有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，通過(guò)反應(yīng)立方氮化硼表面分解形成新相，才能形成強(qiáng)的界面結(jié)合。
本發(fā)明的三元銅—鈦—錫釬料是以銅(Cu)為基礎(chǔ)成分，添加鈦(Ti)和錫(Sn)。其中，鈦是活性元素，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在立方氮化硼表面產(chǎn)生分解，形成反應(yīng)層，反應(yīng)層主要由金屬與立方氮化硼的復(fù)合物組成，這些產(chǎn)物大部分情況下表現(xiàn)出與金屬相同的結(jié)構(gòu)，因此可以被熔化的液態(tài)釬料潤(rùn)濕。錫可以適當(dāng)調(diào)整釬料熔化溫度范圍，并可改善釬料的流動(dòng)性和提高活性元素的活度。
本發(fā)明根據(jù)各種添加元素的作用機(jī)理，在綜合考慮到釬料的成本、熔點(diǎn)、工藝性能和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，本發(fā)明采用二次回歸組合設(shè)計(jì)方法，對(duì)加入的合金元素進(jìn)行優(yōu)化，使釬料的熔點(diǎn)在930-1000℃之間，由此釬料釬焊制備的立方氮化硼制品的工作溫度可達(dá)到500-600℃，成本與銀基釬料比較大大降低。
本發(fā)明所提供的三元銅—鈦—錫釬料配方，對(duì)其成分的選擇，可根據(jù)釬焊立方氮化硼顆粒制品的具體使用和工作要求進(jìn)行選擇。
本發(fā)明方法的具體做法是將顆粒大小為20-200目的純銅、鈦、錫金屬粉末按上述組成成分的重量百分比均勻混和制備成合金釬料，再將立方氮化硼與所述合金釬料按立方氮化硼30-70，合金釬料70-30的重量百分比混合，其混合料中還另外添加有粘結(jié)劑，粘結(jié)劑的加入量為方氮化硼和合金釬料重量和的1％-5％；將上述的混合料均勻涂覆在鋼基體表面上，通過(guò)真空釬焊加熱，即在鋼基體的表面上形成耐高溫和耐磨的超硬復(fù)合層。
所述的粘結(jié)劑采用聚苯乙烯和三氯乙烯的混合液。在立方氮化硼制品的制備過(guò)程中起到粘結(jié)作用，真空釬焊時(shí)在200℃以下?lián)]發(fā)，不會(huì)影響釬焊質(zhì)量。
真空釬焊時(shí)，真空度、釬焊溫度與保溫時(shí)間都對(duì)三元銅—鈦—錫釬料釬焊立方氮化硼連接質(zhì)量有重要影響?；钚栽貥O易氧化，被氧化后不能與立方氮化硼發(fā)生反應(yīng)，為了防止活性元素氧化，釬焊溫度下真空度值應(yīng)保證小于10-2Pa。釬焊溫度應(yīng)控制在950-1100℃，保溫時(shí)間10-20分鐘，可保證活性元素具有足夠的熱力學(xué)活性。
本發(fā)明的三元銅—鈦—錫釬料釬焊立方氮化硼達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為(1)確保立方氮化硼、釬料、基體(鋼)三者間具有較高的冶金結(jié)合強(qiáng)度≥120Mpa；(2)與CVD、PVD或樹(shù)脂工藝制備的涂層或耐磨部件比較，使用壽命提高30％。
本發(fā)明方法所制備的立方氮化硼復(fù)合層，可承載更高的工作溫度并具有較高的綜合機(jī)械性能，制造成本低廉。與傳統(tǒng)燒結(jié)或電鍍的立方氮化硼砂輪或涂層相比，(1)耐磨性和冶金結(jié)合強(qiáng)度提高30-40％；(2)耐高溫；(3)磨料本身有效利用率高；(4)用釬焊替代電鍍制備立方氮化硼砂輪或涂層，具有重要的環(huán)保意義，符合當(dāng)今關(guān)于綠色清潔制造的要求。
具體實(shí)施例方式
通過(guò)以下給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步具體闡述。
下述所有實(shí)施例均采用碳鋼為基體，按本發(fā)明方法制備立方氮化硼復(fù)合層的真空釬焊工藝條件均相同，即加熱溫度為950-1100℃，真空度值小于10-2Pa，保溫時(shí)間為10-20分鐘。而通過(guò)各實(shí)施例對(duì)不同組分的合金釬料及不同的立方氮化硼與合金釬料混合比所獲得的立方氮化硼復(fù)合層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)行列舉說(shuō)明。
實(shí)施例1將粒度為20-200目的純Cu、Ti、Sn金屬粉末按下述配比混合均勻后作為合金釬料Ti 5Wt％，Sn 6Wt％，Cu 89Wt％；再將70Wt％的立方氮化硼和30Wt％的合金釬料及另加1Wt％(即，立方氮化硼和合金釬料重量和的1％，下述各實(shí)施例均按此簡(jiǎn)述形式表示)的粘結(jié)劑(聚苯乙烯和三氯乙烯的混合液)充分混合均勻后，涂覆在鋼基體的表面上，通過(guò)真空釬焊加熱后，即在基體鋼的表面形成一立方氮化硼耐磨復(fù)合層。該復(fù)合層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度為128Mpa。
實(shí)施例2合金釬料的成分組成為T(mén)i 5Wt％，Sn 6Wt％，Cu 89Wt％；立方氮化硼和合金釬料的混合比為立方氮化硼30Wt％、合金釬料70Wt％，另加1Wt％粘結(jié)劑；按實(shí)施例1同樣做法所獲得的立方氮化硼復(fù)合層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度為147Mpa。
實(shí)施例3合金釬料的成分組成為T(mén)i 5Wt％，Sn 6Wt％，Cu 89Wt％；立方氮化硼和合金釬料的混合比為立方氮化硼50Wt％、合金釬料50Wt％，另加5Wt％粘結(jié)劑；按實(shí)施例1同樣做法所獲得的立方氮化硼復(fù)合層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度為131Mpa。
實(shí)施例4合金釬料的成分組成為T(mén)i 5Wt％，Sn 12Wt％，Cu 83Wt％；立方氮化硼和合金釬料的混合比為立方氮化硼70Wt％、合金釬料30Wt％，另加1Wt％粘結(jié)劑；按實(shí)施例1同樣做法所獲得的立方氮化硼復(fù)合層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度為125Mpa。
實(shí)施例5合金釬料的成分組成為T(mén)i 5Wt％，Sn 12Wt％，Cu 83Wt％；立方氮化硼和合金釬料的混合比為立方氮化硼30Wt％、合金釬料70Wt％，另加1Wt％粘結(jié)劑；按實(shí)施例1同樣做法所獲得的立方氮化硼復(fù)合層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度為133Mpa。
實(shí)施例6合金釬料的成分組成為T(mén)i 5Wt％，Sn 12Wt％，Cu 83Wt％；立方氮化硼和合金釬料的混合比為立方氮化硼50Wt％、合金釬料50Wt％，另加2Wt％粘結(jié)劑；按實(shí)施例1同樣做法所獲得的立方氮化硼復(fù)合層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度為136Mpa。
實(shí)施例7
合金釬料的成分組成為T(mén)i 15Wt％，Sn 6Wt％，Cu 79Wt％；立方氮化硼和合金釬料的混合比為立方氮化硼70Wt％、合金釬料30Wt％，另加1Wt％粘結(jié)劑；按實(shí)施例1同樣做法所獲得的立方氮化硼復(fù)合層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度為140Mpa。
實(shí)施例8合金釬料的成分組成為T(mén)i 15Wt％，Sn 6Wt％，Cu 79Wt％；立方氮化硼和合金釬料的混合比為立方氮化硼30Wt％、合金釬料70Wt％，另加2Wt％粘結(jié)劑；按實(shí)施例1同樣做法所獲得的立方氮化硼復(fù)合層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度為148Mpa。
實(shí)施例9合金釬料的成分組成為T(mén)i 15Wt％，Sn 6Wt％，Cu 79Wt％；立方氮化硼和合金釬料的混合比為立方氮化硼55Wt％、合金釬料45Wt％，另加5Wt％粘結(jié)劑；按實(shí)施例1同樣做法所獲得的立方氮化硼復(fù)合層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度為140Mpa。
實(shí)施例10合金釬料的成分組成為T(mén)i 10Wt％，Sn 9Wt％，Cu 81Wt％；立方氮化硼和合金釬料的混合比為立方氮化硼70Wt％、合金釬料30Wt％，另加1Wt％粘結(jié)劑；按實(shí)施例1同樣做法所獲得的立方氮化硼復(fù)合層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度為132Mpa。
實(shí)施例11合金釬料的成分組成為T(mén)i 10Wt％，Sn 9Wt％，Cu 81Wt％；立方氮化硼和合金釬料的混合比為立方氮化硼30Wt％、合金釬料70Wt％，另加3Wt％粘結(jié)劑；按實(shí)施例1同樣做法所獲得的立方氮化硼復(fù)合層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度為142Mpa。
實(shí)施例12合金釬料的成分組成為T(mén)i 10Wt％，Sn 9Wt％，Cu 81Wt％；立方氮化硼和合金釬料的混合比為立方氮化硼50Wt％、合金釬料50Wt％，另加3Wt％粘結(jié)劑；按實(shí)施例1同樣做法所獲得的立方氮化硼復(fù)合層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度為134Mpa。
實(shí)施例13合金釬料的成分組成為T(mén)i 15Wt％，Sn 12Wt％，Cu 73Wt％；立方氮化硼和合金釬料的混合比為立方氮化硼70Wt％、合金釬料30Wt％，另加3Wt％粘結(jié)劑；按實(shí)施例1同樣做法所獲得的立方氮化硼復(fù)合層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度為127Mpa。
實(shí)施例14合金釬料的成分組成為T(mén)i 15Wt％，Sn 12Wt％，Cu 73Wt％；立方氮化硼和合金釬料的混合比為立方氮化硼30Wt％、合金釬料70Wt％，另加2Wt％粘結(jié)劑；按實(shí)施例1同樣做法所獲得的立方氮化硼復(fù)合層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度為147Mpa。
實(shí)施例15合金釬料的成分組成為T(mén)i 15Wt％，Sn 12Wt％，Cu 73Wt％；立方氮化硼和合金釬料的混合比為立方氮化硼52Wt％、合金釬料48Wt％，另加2Wt％粘結(jié)劑；按實(shí)施例1同樣做法所獲得的立方氮化硼復(fù)合層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度為136Mpa。
權(quán)利要求
1.一種制備立方氮化硼復(fù)合材料的方法，是將立方氮化硼顆粒與合金釬料粉末及粘結(jié)劑混合均勻后涂覆在鋼基體表面上，通過(guò)真空釬焊加熱，在鋼基體的表面形成一立方氮化硼耐磨復(fù)合層，其特征在于所述的合金釬料由以下成分按重量百分比組成Ti 5-15，Sn 6-12，Cu余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備立方氮化硼復(fù)合材料的方法，其特征在于，立方氮化硼與所述合金釬料按下述重量百分比混合立方氮化硼30-70，合金釬料70-30。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備立方氮化硼復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的合金釬料是以粒度為20-200目的銅、鈦、錫金屬粉末混合而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備立方氮化硼復(fù)合材料的方法，其特征在于釬焊加熱溫度為950-1100℃，真空度值小于10-2Pa，保溫時(shí)間10-20分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備立方氮化硼復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的粘結(jié)劑采用聚苯乙烯和三氯乙烯的混合液。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備立方氮化硼復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的粘結(jié)劑的加入量為方氮化硼和合金釬料重量和的1％-5％。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備立方氮化硼復(fù)合材料的方法，是將立方氮化硼顆粒與合金釬料粉末及粘結(jié)劑混合均勻后涂覆在鋼基體表面上，通過(guò)真空釬焊加熱，在鋼基體的表面形成一立方氮化硼耐磨復(fù)合層，所述的合金釬料由以下成分按重量百分比組成Ti 5－15，Sn 6－12，Cu余量。本發(fā)明方法所制備的立方氮化硼復(fù)合層，與鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度較高，可承載更高的工作溫度并具有較高的綜合機(jī)械性能，制造成本低廉。
文檔編號(hào)C23C30/00GK1884615SQ20061001698
公開(kāi)日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2006年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月3日
發(fā)明者任露泉, 盧廣林, 邱小明, 王毅, 李世權(quán), 汪春花, 劉杰, 王宏占, 王志杰, 張桂蘭 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)