立方氮化硼陶瓷復(fù)合材料及其制備方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年9月17日、申請(qǐng)?zhí)枮?00980136583. 8的中國(guó)國(guó)家專利 申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 由立方氮化硼（cBN)與各種陶瓷氧化物、氮化物的基質(zhì)成分和/或它們的基質(zhì)材 料的固態(tài)溶液以及碳化物晶須構(gòu)成的復(fù)合材料及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 具有大部分立方氮化硼（CBN)相（如大于50體積％ )和各種陶瓷添加劑（例如 氧化物、氮化物和碳化物）的切削工具組合物已經(jīng)被商業(yè)化，以用于加工鑄鐵、硬化鋼和其 它金屬。然而，由于加工過(guò)程中摩擦生熱產(chǎn)生的高溫，使得某些鑄鐵合金的加工較為困難， 例如，球墨鑄鐵或懦墨鑄鐵（composite graphite iron)。人們相信在某些此類(lèi)鑄鐵加工 應(yīng)用中，切削點(diǎn)產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致鑄鐵和cBN之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)被稱為"化學(xué)磨 損"。這種化學(xué)磨損轉(zhuǎn)而常常導(dǎo)致切削工具過(guò)早失效。
[0004] 已經(jīng)利用切削工具使用的各種組合物嘗試解決這種問(wèn)題。例如，由于氧化鋁表現(xiàn) 出高的化學(xué)穩(wěn)定性，因此氧化鋁基切削工具有可能解決化學(xué)磨損問(wèn)題。然而，氧化鋁易于發(fā) 生脆性斷裂，由氮化硅基陶瓷構(gòu)成的切削工具也已經(jīng)用于加工鐵類(lèi)金屬和合金，其中該陶 瓷包括氮化娃、氧化錯(cuò)和氮化錯(cuò)的固態(tài)溶液，例如賽隆（silicon aluminum oxynitrides) 相。雖然其在高溫下的穩(wěn)定性是有益的，但此類(lèi)材料不具有含cBN切削工具所表現(xiàn)出的硬 度和耐磨性。
[0005] 另外，纖維或晶須增強(qiáng)是一種已經(jīng)用來(lái)賦予陶瓷材料更大斷裂韌度的方法。由于 增加的斷裂韌度與設(shè)計(jì)用于加工鋼鐵的切削工具有關(guān)，因而是一種期望的屬性。例如，已經(jīng) 發(fā)現(xiàn)，對(duì)于氧化鋁（Al 2O3)來(lái)說(shuō)，添加碳化硅（SiC)晶須可以顯著增加斷裂韌度，并且在某 些應(yīng)用中產(chǎn)生更好的性能。已經(jīng)將SiC晶須加入Si 3N4，或者已經(jīng)將AlN基質(zhì)SiC晶須加入 Al2O3、莫來(lái)石或B4C(美國(guó)專利No. 4, 543, 345)。已經(jīng)報(bào)道了其它晶須增強(qiáng)方法和其它晶須 材料，例如，鈦、鋯和其它過(guò)渡金屬的碳化物、硼化物和氮化物。
[0006] 已經(jīng)描述了用SiC晶須和其它晶須材料增強(qiáng)的陶瓷切削工具，其中其它晶須材料 例如為過(guò)渡金屬（如4族和5族的過(guò)渡金屬）的氮化物、硼化物和碳化物。通過(guò)燒結(jié)向cBN 陶瓷內(nèi)加入晶須增強(qiáng)物的方法還沒(méi)有被描述。具體地講，還沒(méi)有將晶須加入也包括cBN的 陶瓷基中。也沒(méi)有描述過(guò)包括cBN的此類(lèi)陶瓷基和將SiC晶須均勻分散到該基質(zhì)內(nèi)或在燒 結(jié)cBN所需高壓下保持晶須完整性的方法。
[0007] 此處所公開(kāi)的內(nèi)容描述了在解決上述一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題方面的嘗試。因此，需要提 供一種材料，該材料提供期望的硬度、改善的耐磨性、高溫穩(wěn)定性和對(duì)化學(xué)磨損的抵抗力， 并且可用于制造允許更高切削速度的切削工具。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 在一個(gè)實(shí)施方式中，一種復(fù)合材料可由立方氮化硼（cBN)與各種陶瓷氧化物、氮 化物和基質(zhì)材料的固態(tài)溶液的基質(zhì)成分構(gòu)成。一種陶瓷基復(fù)合材料可包括立方氮化硼、氧 化鋁、氮化硅。該陶瓷基復(fù)合材料還可包括氮化鋁和/或氮化硅、氧化鋁和氮化鋁的固態(tài)溶 液。該復(fù)合材料還可包括添加元素，例如鑭系元素、釔或鈧中的至少一種。在一個(gè)實(shí)施方式 中，該添加元素以氧化物形式添加。
[0009] -種制備陶瓷基復(fù)合材料的方法可包括：提供粉末；將立方氮化硼、氧化鋁和氮 化硅在該粉末中混合，以形成混合物；以及在至少約1200°C的溫度和至少約40kBar的壓力 下燒結(jié)該混合物，以形成燒結(jié)產(chǎn)物。該方法還可包括將燒結(jié)產(chǎn)物制成切削工具的步驟。該 粉末也可包括氮化鋁和/或氧化物形式的添加元素。所述添加元素可以是鑭系元素、銥或 鈧。該方法還可包括向粉末內(nèi)加入碳化硅晶須和/或氮化硅晶須的步驟。
[0010] 另一個(gè)實(shí)施方式包括具有立方氮化硼（cBN)和碳化硅晶須的陶瓷基復(fù)合材料。該 復(fù)合材料還可包括氮化硅晶須和添加元素。所述添加元素可以是鑭系元素、釔或鈧或它們 的氧化物中的至少一種。碳化硅晶須可以具有約1至約2 μπιΧ約17至約20 μπι的尺寸， 在一個(gè)替代實(shí)施方式中，具有約1. 5 μ mX約18 μ m的尺寸。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式制備的三種復(fù)合材料的工具壽命。
[0012] 圖2示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的具有碳化硅晶須的陶瓷的圖像。
[0013] 圖3描述了具有不同cBN粒度的陶瓷基復(fù)合材料的兩個(gè)實(shí)施方式的硬度。
[0014] 圖4描述了具有不同氧化鋁含量的陶瓷基復(fù)合材料的兩個(gè)實(shí)施方式的硬度。
[0015] 圖5描述了具有不同氧化鋁含量的陶瓷基復(fù)合材料的兩個(gè)實(shí)施方式的β相氮化 硅的濃度。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 在描述本本發(fā)明方法、系統(tǒng)和材料之前，應(yīng)當(dāng)理解，本公開(kāi)并不限于所描述的特定 方法、系統(tǒng)和材料，因?yàn)樗鼈兛梢宰兓?。還應(yīng)當(dāng)理解，本說(shuō)明中使用的術(shù)語(yǔ)僅僅是為了描述 特定的形式或?qū)嵤┓绞?，并不旨在限制范圍。例如，如此處和所附?quán)利要求中所使用的，除 非上下文明確表示不是這樣，單數(shù)形式的"一個(gè)"、"一種"和"該"包括復(fù)數(shù)涵義。此外，如 此處所用，術(shù)語(yǔ)"包括"旨在表示"包括但不限于"。除非規(guī)定不是這樣，此處所用所有科學(xué) 和技術(shù)術(shù)語(yǔ)與本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的具有相同含義。
[0017] 本公開(kāi)主要涉及一種陶瓷復(fù)合材料，該復(fù)合材料在工藝裝備應(yīng)用中表現(xiàn)出改善的 化學(xué)耐磨性和熱穩(wěn)定性。具體地講，本公開(kāi)涉及具有立方氮化硼（cBN)、氧化鋁和氮化硅的 陶瓷復(fù)合材料。另一個(gè)實(shí)施方式包括具有cBN、氧化鋁、氮化鋁和氮化硅的陶瓷復(fù)合材料。 在另一個(gè)實(shí)施方式中，陶瓷復(fù)合材料可包括cBN和氮化硅、氧化鋁與氮化鋁的固態(tài)溶液。
[0018] 燒結(jié)態(tài)的陶瓷復(fù)合材料包括約10至約30重量％ (wt. % )的cBN，在一個(gè)實(shí)施方 式中，包括約10至約20重量％的〇81 cBN的粒徑可以為約0.5至約10 μ m，在一個(gè)實(shí)施方 式中，小于約5 μπι。該復(fù)合材料還可包括約40至約80重量％氧化錯(cuò)、約10至約50重量％ 氮化硅、和約0至約50重量％氮化鋁，這些陶瓷的總含量為約70至約90重量％。替代實(shí) 施方式可包括最多約15重量％碳化娃晶須或最多約15重量％陶瓷晶須。
[0019] 向陶瓷復(fù)合材料中添加氮化硅具有優(yōu)點(diǎn)和驚人的最終性質(zhì)。當(dāng)制備僅包含立方氮 化硼和氧化鋁的復(fù)合材料時(shí)，高溫高壓（HPHT)燒結(jié)形成的材料表現(xiàn)出cBN和氧化鋁相之間 較弱的結(jié)合力。在用金剛石介質(zhì)打磨之后，可以從材料表面清晰分辨這一點(diǎn)。由于打磨過(guò) 程中cBN顆粒被拔出，因此表面顯得較為粗糙，并且具有許多凹坑區(qū)域。微觀檢驗(yàn)證明，許 多cBN顆粒離開(kāi)打磨過(guò)的表面，并在表面上留下小的凹坑。這表明cBN和氧化鋁之間結(jié)合 力較弱，因此可以料到會(huì)形成劣質(zhì)的切削工具材料。當(dāng)組合物包含至少約5體積％的氮化 硅時(shí)，cBN和氧化鋁之間的結(jié)合力大大增加，這可以從燒結(jié)材料打磨之后獲得的光滑無(wú)凹坑 表面得到證明。對(duì)該打磨表面的微觀檢驗(yàn)表明，cBN顆粒仍然結(jié)合在氧化鋁基質(zhì)內(nèi)。
[0020] 在實(shí)施方式中，陶瓷基復(fù)合材料還可包括添加元素。所述添加元素可以是鑭系元 素、釔或鈧中的至少一種。添加元素可以是氧化物形式的。在一個(gè)實(shí)施方式中，復(fù)合材料可 包括0至約20重量％的氧化釔（Y 2O3),在一個(gè)實(shí)施方式中，小于約5重量％。氧化釔通常用 作氮化硅的燒結(jié)助劑，在這種情況下，氧化釔形成硅酸鹽，并在用來(lái)燒結(jié)氮化硅的約1900°C 的高溫下會(huì)形成液相。然而，在包含氧化鋁、氮化硅和cBN的陶瓷組合物中加入氧化釔會(huì)產(chǎn) 生充分燒結(jié)的材料，即使燒結(jié)溫度可以低于約1900°C。在一個(gè)實(shí)施方式中，添加元素在組合 物中的含量小于陶瓷總含量的約5重量％或氮化硅含量的約10重量％。另外，添加元素還 會(huì)形成有益的液相。
[0021] 在此處的實(shí)施方式中，陶瓷復(fù)合材料可以按照下文所述方式制備?？梢詫BN混 合到含有氮化硅、氮化鋁、氧化鋁和氧化釔的粉末混合物中。然后，可以將共混物裝入合適 的容器，并在約1200°C或更高的溫度下和約40kBars或更高的壓力下燒結(jié)。然后，可以將所 得燒結(jié)材料進(jìn)一步加工成適于高速加工鑄鐵和鋼的切削工具。
[0022] 另一個(gè)實(shí)施方式主要涉及一種具有cBN顆粒和碳化硅晶須的陶瓷復(fù)合材料基質(zhì)。 該碳化硅晶須提供期望的斷裂增韌性質(zhì)。該陶瓷基復(fù)合材料還可包括氮化硅晶須和/或可 選地包括氮化鉿或氮化鋯和/或碳化物晶須。該陶瓷復(fù)合材料基質(zhì)可具有約1至約20體 積％ (vol. % )的碳化娃晶須，在一個(gè)實(shí)施方式中，約5至約15體積％。碳化娃晶須可以 具有約1至約2 μπι的直徑和約17至約20 μπι的長(zhǎng)度，在一個(gè)實(shí)施方式中，具有約1. 5 μπι 的直徑和約18 μm的長(zhǎng)度，并且均勻分散。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，燒結(jié)之后，通過(guò)例如 在光學(xué)或電子顯微鏡下觀察打磨的樣品，可以確定材料的均勻性。單位面積的顆粒數(shù)可通 過(guò)本領(lǐng)域采用的任何方法計(jì)算，包括例如人工或圖像分析。cBN基質(zhì)中顆粒的縱橫比為約 2:1-20:1，在一個(gè)實(shí)施方式中，約2:1-12:1，在另一個(gè)實(shí)施方式中，約2:1-10:1。在替代實(shí) 施方式中，氮化硅或碳化硅晶須可以替換成氮化鈦或碳化鈦晶須。
[0023] 可以將添加元素）加入陶瓷復(fù)合材料以有助于上述燒結(jié)過(guò)程，其中所述添加元素 例如為鑭系元素、釔和鈧，例如釔或鐿的氧化物。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，可以將氧化釔加 入包含碳化硅晶須的cBN-氧化鋁-氮化硅組合物，以燒結(jié)氮化硅。除了有助于組合物的燒 結(jié)過(guò)程之外，添加元素也可在高溫下形成液相。另一個(gè)實(shí)施方式可包括氮化硅晶須。在一 個(gè)實(shí)施方式中，可以包括約5重量％的添加元素。
[0024] 另一個(gè)實(shí)施方式包括一種制備陶瓷基復(fù)合材料的方法。該方法包括提供cBN-氧 化鋁-氮化硅粉末混合物，并加入碳化硅晶須，以形成混合物。也可以將諸如氧化釔之類(lèi)添 加元素加入混合物。也可以將氮化鋁加入混合物。只要該工藝能夠?qū)⒕ы毐Ａ粼赾BN基質(zhì) 中，在該方法中可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何研磨工藝。然后，將混合物在高于約 40kbar，例如約40-80kbar的壓力下和高于約1200°C，例如約1200-2000°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn) 行燒結(jié)?？蛇x地，可以將氮化硅晶須加入或混合到混合物中。
[0025] 例如，通過(guò)在行星式球磨機(jī)內(nèi)用碳化鎢研磨介質(zhì)研磨，可以將SiC晶須分散在異 丙醇內(nèi)，形成漿液。隨后，可以將Si 3N4、cBN和氧化鋁粉末加入該混合物，并進(jìn)一步