一種聚晶立方氮化硼復(fù)合片的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種聚晶立方氮化硼（PcBN）復(fù)合片的制備方法，該方法采用金屬片熔滲法，具體步驟是：在高溫高壓條件下（HPHT，4.8～5.2GPa,1400～1550℃），采用厚度為0.05-0.2mm的金屬片（Ni75Mn16Co9、Ti、Al等）作為燒結(jié)助劑，微米級(jí)立方氮化硼（cBN粒徑≥3μm）粉末與硬質(zhì)合金（WC-Co）作為原材料制備PcBN復(fù)合片。由于本發(fā)明所述的制備PcBN方法是通過金屬片及基體的相互式熔滲技術(shù)，其助劑能夠有效地熔滲到立方氮化硼粉末層及硬質(zhì)合金基體，cBN聚晶層內(nèi)形成氮化硼、合金固溶體、金屬陶瓷等燒結(jié)相，其燒結(jié)體組織結(jié)構(gòu)均勻致密，并與硬質(zhì)合金基體形成高強(qiáng)度的復(fù)合，同時(shí)提高了基體韌性。該方法操作性強(qiáng)，可以消除粉末混料工序引入的污染，合成的PcBN產(chǎn)品穩(wěn)定性高，適用于冷硬鑄鐵、耐熱合金及淬硬鋼等材料的精密加工領(lǐng)域。
【專利說明】一種聚晶立方氮化硼復(fù)合片的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于切削刀具材料制造領(lǐng)域，具體的說是一種立方氮化硼含量可控、穩(wěn)定性高的優(yōu)質(zhì)聚晶立方氮化硼(PcBN)復(fù)合片的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]立方氮化硼(cBN)是繼人造金剛石問世后出現(xiàn)的又一種新型高新技術(shù)超硬材料。它的硬度僅次于金剛石，但熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于金剛石，對(duì)鐵系金屬元素有較大的化學(xué)穩(wěn)定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優(yōu)異，不僅能勝任難磨材料的加工，提高生產(chǎn)率，還能有效地提高工件的磨削質(zhì)量。立方氮化硼的使用是對(duì)金屬加工的一大貢獻(xiàn)，導(dǎo)致磨削發(fā)生革命性變化，是磨削技術(shù)的第二次飛躍。
[0003]現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)正朝著高精度、高效率、柔性化和自動(dòng)化方向飛速發(fā)展，新型技術(shù)設(shè)備和數(shù)控機(jī)床、加工中心以及性能極為優(yōu)良的新材料應(yīng)用日益廣泛，因而對(duì)刀具的要求越來越高。作為立方氮化硼工具的一種重要應(yīng)用材料，聚晶立方氮化硼(PcBN)刀具以其優(yōu)越的性能充分體現(xiàn)了現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)材料的要求。PcBN刀具特別適合各種黑色金屬的硬態(tài)切削，實(shí)現(xiàn)以車代磨。不僅提高拉加工效率，而且大幅度降低了加工成本，主要切削各種淬硬鋼、工具鋼、模具鋼、軸承鋼(HRC45-70 )、冷硬鑄鐵、高鉻鑄鐵、鎳基及鈷基高溫合金、各種難加工灰口鑄鐵、其它難加工黑色材料等。由于立方氮化硼硬度遠(yuǎn)高于陶瓷和硬質(zhì)合金，制備的刀具壽命為陶瓷刀具的3-5倍，硬質(zhì)合金刀具的5-15倍。
[0004]PcBN復(fù)合片，是在高溫高壓(4.8?5.2GPa, 1400?1550 V )條件下將獨(dú)立的立方氮化硼粉末顆粒依靠燒結(jié)相粘結(jié)，使整個(gè)立方氮化硼粉末層燒結(jié)成為高強(qiáng)度“混凝土”結(jié)構(gòu)的燒結(jié)型cBN聚晶(厚度0.5-2.0mm),并與硬質(zhì)合金基體燒結(jié)復(fù)合，形成一體的復(fù)合材料。由于PcBN材料因制造方法、復(fù)合途徑及燒結(jié)機(jī)理不同，其產(chǎn)品性能也將表現(xiàn)出明顯的差異。從目前應(yīng)用結(jié)合以上分析看出，磨耗比不再是主要指標(biāo)，因?yàn)閹追N體系復(fù)合片產(chǎn)品其磨耗比都可滿足要求，高溫抗磨損、粘結(jié)能力和抗沖擊韌性這兩個(gè)指標(biāo)因此提升到主要位置。從這一角度來看這種金屬陶瓷助劑型PcBN復(fù)合片具有更大優(yōu)勢(shì)。目前，在制備PcBN的方法上，采用的都是立方氮化硼與粘結(jié)劑粉末混合的燒結(jié)方法，其特征是立方氮化硼與粘結(jié)劑的含量配比通常很難達(dá)到最優(yōu)，合成條件區(qū)間較窄，同時(shí)會(huì)帶來如燒結(jié)組織結(jié)構(gòu)不均勻，“架橋”、“團(tuán)聚”現(xiàn)象，產(chǎn)品穩(wěn)定重復(fù)性差等問題，嚴(yán)重的影響PcBN工具的性能。
[0005]因此，可實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、高精度，長(zhǎng)壽命的PcBN超硬材料的制備工藝方法是超硬材料制造行業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向，PcBN刀具產(chǎn)品的應(yīng)用將會(huì)日益普及，而立方氮化硼工具的需求仍將保持每年10%以上的速度增長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種可操作性強(qiáng)，產(chǎn)品合格率高的聚晶立方氮化硼(PcBN)復(fù)合片的制備方法，使其能夠有效地調(diào)節(jié)氮化硼與粘結(jié)劑的含量配比，改善cBN聚晶燒結(jié)組織結(jié)構(gòu)及致密性，同時(shí)能夠有效地降低粉末混料工序引入的“團(tuán)聚”、“架橋”現(xiàn)象等缺陷，制備的PcBN復(fù)合片可以根據(jù)工具要求，經(jīng)過激光切割和焊接制作成不同角度牌號(hào)的刀具。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，該方法包括以下步驟:
①、選取相同片徑的金屬片與硬質(zhì)合金基體，微米級(jí)立方氮化硼粉末作為原材料；
②、將上述①中選取的金屬片、硬質(zhì)合金基體和凈化后的微米級(jí)立方氮化硼粉末放入鑰杯中進(jìn)行組裝，組裝方式是從下至上依次為金屬片，凈化的微米級(jí)立方氮化硼粉末，硬質(zhì)合金基體；
③、將②組裝的鑰杯經(jīng)過預(yù)壓成型、真空預(yù)燒處理、葉臘石復(fù)合塊組裝、高壓燒結(jié)程序完成聚晶氮化硼復(fù)合片的制備。
[0008]所述的金屬片是Ni75Mn16Ccv Ti或Al，厚度0.05_0.2mm ;硬質(zhì)合金基體型號(hào)選YG8-YG13，厚度≥2mm ;微米級(jí)立方氮化硼粉末粒徑是≥3 μ m。
[0009]所述的預(yù)壓成型后的立方氮化硼粉末層的厚度是1_2mm。
[0010]所述的預(yù)壓成型、真空預(yù)燒處理、葉臘石復(fù)合塊腔體組裝、高壓燒結(jié)過程是將②組裝的鑰杯經(jīng)過40MPa預(yù)壓成型，真空700°C熱處理Ih后放入帶有鹽管的石墨加熱管套件中，最后將所有部件一并放入葉臘石復(fù)合塊組裝。采用“旁熱式”加熱方式，在六面頂壓機(jī)上進(jìn)行高溫高壓合成，復(fù)合片的合成條件為4.8~5.2GPa, 1400~1550 °C，燒結(jié)保溫時(shí)間為3-10mino
[0011]本發(fā)明的有益效果如下:
1、本發(fā)明采用金屬片的熔滲方法能夠調(diào)節(jié)cBN聚晶層中cBN與粘結(jié)劑的配比，燒結(jié)結(jié)構(gòu)致密均勻，合成重復(fù)性好，減少了粉末混料工序，可操作性強(qiáng)。
[0012]2、本發(fā)明燒結(jié)方法通過金屬片與硬質(zhì)合金基體的掃越式熔滲燒結(jié)，cBN聚晶層與硬質(zhì)合金基體界面結(jié)合強(qiáng)度高。
[0013]3、由于本發(fā)明所述的制備PcBN方法是通過金屬片及硬質(zhì)合金基體的相互式熔滲技術(shù)，其助劑能夠有效地熔滲到立方氮化硼粉末層及硬質(zhì)合金基體，cBN聚晶層內(nèi)形成立方氮化硼、合金固溶體、金屬陶瓷等燒結(jié)相，其燒結(jié)體組織結(jié)構(gòu)均勻致密，并與硬質(zhì)合金基體形成高強(qiáng)度的復(fù)合，同時(shí)提高了基體韌性。該方法操作性強(qiáng)，可以減少粉末混料工序引入的污染，合成的PcBN產(chǎn)品穩(wěn)定性高，適用于冷硬鑄鐵、耐熱合金及淬硬鋼等材料的精密加工領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明聚晶立方氮化硼復(fù)合片的原材料和鑰杯組裝圖；
圖2是本發(fā)明工藝中的葉臘石復(fù)合塊腔體組裝截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]圖1中標(biāo)號(hào):金屬片1、立方氮化硼粉末2、硬質(zhì)合金基體3、鑰杯4 ；
圖2中標(biāo)號(hào):葉臘石復(fù)合塊5、鹽管6、加熱石墨管7、原材料和鑰杯組裝件8、導(dǎo)電鋼帽
9、導(dǎo)電金屬片10、保溫石墨片11、鹽片12。
[0016]實(shí)施例1
如附圖1、2所示:選取厚0.2mm 直徑14.7mm的Ni75Mn16Co9金屬合金片，粒徑3-5 μ m、質(zhì)量0.65g的cBN粉末，與金屬片相同片徑、厚度3mm的YG8硬質(zhì)合金基體作為原材料，按照金屬片1、立方氮化硼粉末2和硬質(zhì)合金基體3從下至上的順序放入內(nèi)徑14.8mm的鑰杯4中經(jīng)過40MPa預(yù)壓成型，真空700°C凈化熱處理Ih后放入帶有鹽管6的加熱石墨管7套件中，最后將對(duì)頂兩片的原材料和鑰杯組裝件8及部件9-12 —并放入葉臘石復(fù)合塊5中，葉臘石復(fù)合塊5尺寸為37.5mmX 37.5mmX 37.5mm,合成腔體直徑為23mm,石墨管7內(nèi)徑為18mm,高26mm。PcBN復(fù)合片在六面頂壓機(jī)上進(jìn)行高溫高壓合成，合成條件為5GPa, 1450 V,燒結(jié)保溫時(shí)間6min后慢降溫到室溫,卸壓后得到Φ 14mmX 5mm的PcBN復(fù)合片。
[0017]實(shí)施例2
如附圖1、2所示:選取厚0.1mm直徑14.7mm的Ti片，粒徑3_5 μ m質(zhì)量0.65g的cBN粉末，與金屬片相同片徑、厚度3mm的YG8硬質(zhì)合金基體作為原材料，按照金屬片I立方氮化硼粉末2和硬質(zhì)合金基體3從下至上的順序放入內(nèi)徑14.8mm的鑰杯4中，經(jīng)過40MPa預(yù)壓成型，真空700°C凈化熱處理Ih后放入帶有鹽管6的加熱石墨管7套件中，最后將對(duì)頂兩片的原材料和鑰杯組裝件8及部件9-12 —并放入葉臘石復(fù)合塊5中，葉臘石復(fù)合塊5尺寸為37.5mmX 37.5mmX 37.5mm,合成腔體直徑為23mm,石墨管7內(nèi)徑為18mm,高26mm。PcBN復(fù)合片在六面頂壓機(jī)上進(jìn)行高溫高壓合成，合成條件為5GPa，1500 °C，燒結(jié)保溫時(shí)間6min后慢降溫到室溫，卸壓后得到Φ 14mmX 5mm的PcBN復(fù)合片。
【權(quán)利要求】
1.一種聚晶立方氮化硼復(fù)合片的制備方法，該聚晶立方氮化硼復(fù)合片采用金屬片，微米級(jí)立方氮化硼粉末和硬質(zhì)合金基體材料在高溫高壓下燒結(jié)制成，其特征在于:該方法包括以下步驟: ①、選取相同片徑的金屬片與硬質(zhì)合金基體，微米級(jí)立方氮化硼粉末作為原材料； ②、將上述①中選取的金屬片、硬質(zhì)合金基體和立方氮化硼粉末放入鑰杯中進(jìn)行組裝，組裝方式從下至上依次為金屬片，立方氮化硼粉末，硬質(zhì)合金基體； ③、將②組裝的鑰杯經(jīng)過預(yù)壓成型、真空預(yù)燒處理、葉臘石復(fù)合塊腔體組裝、高壓燒結(jié)程序完成聚晶立方氮化硼復(fù)合片的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚晶立方氮化硼復(fù)合片的制備方法，其特征在于:所述的金屬片根據(jù)實(shí)際加工對(duì)象需要是金屬合金或單質(zhì)，Ni75Mn16Co9、T1、Al其中的一種，厚度為0.05-0.20mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚晶立方氮化硼復(fù)合片的制備方法，其特征在于:所述的立方氮化硼粉末要求凈化處理掉雜質(zhì)，所選的微米級(jí)立方氮化硼粉末平均粒徑> 3 μ m,為3-5 μ m、5-10 μ m、10-15 μ m單一粒度或者幾種粒度的混合；所述的預(yù)壓成型后的立方氮化硼粉末層厚度為l_2mm，立方氮化硼粉末所占聚晶立方氮化硼燒結(jié)體的質(zhì)量比例為40-90%ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚晶立方氮化硼復(fù)合片的制備方法，其特征在于:所述的硬質(zhì)合金基體型號(hào)選YG8-YG13，厚度≤2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚晶氮化硼復(fù)合片的制備方法，其特征在于:所述鑰杯作為屏蔽防污染裝置，壁厚為0.08-0.12mm,能夠?qū)⒔饘倨?，立方氮化硼粉末和硬質(zhì)合金基體材料緊配合密閉封裝。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚晶立方氮化硼復(fù)合片的制備方法，其特征在于:所述的預(yù)壓成型、真空預(yù)燒處理、葉臘石復(fù)合塊腔體組裝、高壓燒結(jié)過程是將②組裝的鑰杯經(jīng)過40MPa預(yù)壓成型，真空700°C熱處理Ih后放入帶有鹽管的石墨加熱管套件，最后將所有部件一并放入葉臘石復(fù)合塊中組裝；采用“旁熱式”加熱方式，在六面頂壓機(jī)上進(jìn)行高溫高壓合成，復(fù)合片的合成條件為4.8~5.2GPa，1400~1550 °C，燒結(jié)保溫時(shí)間為3-lOmin。
【文檔編號(hào)】B22F3/14GK103537699SQ201210238713
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月11日
【發(fā)明者】賈洪聲, 李海波, 鄂元龍 申請(qǐng)人:吉林師范大學(xué)