一种聚晶立方氮化硼复合片的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种聚晶立方氮化硼（PcBN）复合片的制备方法，该方法采用金属片熔渗法，具体步骤是：在高温高压条件下（HPHT，4.8～5.2GPa,1400～1550℃），采用厚度为0.05-0.2mm的金属片（Ni75Mn16Co9、Ti、Al等）作为烧结助剂，微米级立方氮化硼（cBN粒径≥3μm）粉末与硬质合金（WC-Co）作为原材料制备PcBN复合片。由于本发明所述的制备PcBN方法是通过金属片及基体的相互式熔渗技术，其助剂能够有效地熔渗到立方氮化硼粉末层及硬质合金基体，cBN聚晶层内形成氮化硼、合金固溶体、金属陶瓷等烧结相，其烧结体组织结构均匀致密，并与硬质合金基体形成高强度的复合，同时提高了基体韧性。该方法操作性强，可以消除粉末混料工序引入的污染，合成的PcBN产品稳定性高，适用于冷硬铸铁、耐热合金及淬硬钢等材料的精密加工领域。
【专利说明】一种聚晶立方氮化硼复合片的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于切削刀具材料制造领域，具体的说是一种立方氮化硼含量可控、稳定性高的优质聚晶立方氮化硼(PcBN)复合片的制备方法。
【背景技术】
[0002]立方氮化硼(cBN)是继人造金刚石问世后出现的又一种新型高新技术超硬材料。它的硬度仅次于金刚石，但热稳定性远高于金刚石，对铁系金属元素有较大的化学稳定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异，不仅能胜任难磨材料的加工，提高生产率，还能有效地提高工件的磨削质量。立方氮化硼的使用是对金属加工的一大贡献，导致磨削发生革命性变化，是磨削技术的第二次飞跃。
[0003]现代机械加工技术正朝着高精度、高效率、柔性化和自动化方向飞速发展，新型技术设备和数控机床、加工中心以及性能极为优良的新材料应用日益广泛，因而对刀具的要求越来越高。作为立方氮化硼工具的一种重要应用材料，聚晶立方氮化硼(PcBN)刀具以其优越的性能充分体现了现代制造业对材料的要求。PcBN刀具特别适合各种黑色金属的硬态切削，实现以车代磨。不仅提高拉加工效率，而且大幅度降低了加工成本，主要切削各种淬硬钢、工具钢、模具钢、轴承钢(HRC45-70 )、冷硬铸铁、高铬铸铁、镍基及钴基高温合金、各种难加工灰口铸铁、其它难加工黑色材料等。由于立方氮化硼硬度远高于陶瓷和硬质合金，制备的刀具寿命为陶瓷刀具的3-5倍，硬质合金刀具的5-15倍。
[0004]PcBN复合片，是在高温高压(4.8?5.2GPa, 1400?1550 V )条件下将独立的立方氮化硼粉末颗粒依靠烧结相粘结，使整个立方氮化硼粉末层烧结成为高强度“混凝土”结构的烧结型cBN聚晶(厚度0.5-2.0mm),并与硬质合金基体烧结复合，形成一体的复合材料。由于PcBN材料因制造方法、复合途径及烧结机理不同，其产品性能也将表现出明显的差异。从目前应用结合以上分析看出，磨耗比不再是主要指标，因为几种体系复合片产品其磨耗比都可满足要求，高温抗磨损、粘结能力和抗冲击韧性这两个指标因此提升到主要位置。从这一角度来看这种金属陶瓷助剂型PcBN复合片具有更大优势。目前，在制备PcBN的方法上，采用的都是立方氮化硼与粘结剂粉末混合的烧结方法，其特征是立方氮化硼与粘结剂的含量配比通常很难达到最优，合成条件区间较窄，同时会带来如烧结组织结构不均匀，“架桥”、“团聚”现象，产品稳定重复性差等问题，严重的影响PcBN工具的性能。
[0005]因此，可实现高效率、高稳定性、高精度，长寿命的PcBN超硬材料的制备工艺方法是超硬材料制造行业的一个重要发展方向，PcBN刀具产品的应用将会日益普及，而立方氮化硼工具的需求仍将保持每年10%以上的速度增长。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种可操作性强，产品合格率高的聚晶立方氮化硼(PcBN)复合片的制备方法，使其能够有效地调节氮化硼与粘结剂的含量配比，改善cBN聚晶烧结组织结构及致密性，同时能够有效地降低粉末混料工序引入的“团聚”、“架桥”现象等缺陷，制备的PcBN复合片可以根据工具要求，经过激光切割和焊接制作成不同角度牌号的刀具。
[0007]本发明的目的是这样实现的，该方法包括以下步骤:
①、选取相同片径的金属片与硬质合金基体，微米级立方氮化硼粉末作为原材料；
②、将上述①中选取的金属片、硬质合金基体和净化后的微米级立方氮化硼粉末放入钥杯中进行组装，组装方式是从下至上依次为金属片，净化的微米级立方氮化硼粉末，硬质合金基体；
③、将②组装的钥杯经过预压成型、真空预烧处理、叶腊石复合块组装、高压烧结程序完成聚晶氮化硼复合片的制备。
[0008]所述的金属片是Ni75Mn16Ccv Ti或Al，厚度0.05_0.2mm ;硬质合金基体型号选YG8-YG13，厚度≥2mm ;微米级立方氮化硼粉末粒径是≥3 μ m。
[0009]所述的预压成型后的立方氮化硼粉末层的厚度是1_2mm。
[0010]所述的预压成型、真空预烧处理、叶腊石复合块腔体组装、高压烧结过程是将②组装的钥杯经过40MPa预压成型，真空700°C热处理Ih后放入带有盐管的石墨加热管套件中，最后将所有部件一并放入叶腊石复合块组装。采用“旁热式”加热方式，在六面顶压机上进行高温高压合成，复合片的合成条件为4.8~5.2GPa, 1400~1550 °C，烧结保温时间为3-10mino
[0011]本发明的有益效果如下:
1、本发明采用金属片的熔渗方法能够调节cBN聚晶层中cBN与粘结剂的配比，烧结结构致密均匀，合成重复性好，减少了粉末混料工序，可操作性强。
[0012]2、本发明烧结方法通过金属片与硬质合金基体的扫越式熔渗烧结，cBN聚晶层与硬质合金基体界面结合强度高。
[0013]3、由于本发明所述的制备PcBN方法是通过金属片及硬质合金基体的相互式熔渗技术，其助剂能够有效地熔渗到立方氮化硼粉末层及硬质合金基体，cBN聚晶层内形成立方氮化硼、合金固溶体、金属陶瓷等烧结相，其烧结体组织结构均匀致密，并与硬质合金基体形成高强度的复合，同时提高了基体韧性。该方法操作性强，可以减少粉末混料工序引入的污染，合成的PcBN产品稳定性高，适用于冷硬铸铁、耐热合金及淬硬钢等材料的精密加工领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明聚晶立方氮化硼复合片的原材料和钥杯组装图；
图2是本发明工艺中的叶腊石复合块腔体组装截面图。
【具体实施方式】
[0015]图1中标号:金属片1、立方氮化硼粉末2、硬质合金基体3、钥杯4 ；
图2中标号:叶腊石复合块5、盐管6、加热石墨管7、原材料和钥杯组装件8、导电钢帽
9、导电金属片10、保温石墨片11、盐片12。
[0016]实施例1
如附图1、2所示:选取厚0.2mm 直径14.7mm的Ni75Mn16Co9金属合金片，粒径3-5 μ m、质量0.65g的cBN粉末，与金属片相同片径、厚度3mm的YG8硬质合金基体作为原材料，按照金属片1、立方氮化硼粉末2和硬质合金基体3从下至上的顺序放入内径14.8mm的钥杯4中经过40MPa预压成型，真空700°C净化热处理Ih后放入带有盐管6的加热石墨管7套件中，最后将对顶两片的原材料和钥杯组装件8及部件9-12 —并放入叶腊石复合块5中，叶腊石复合块5尺寸为37.5mmX 37.5mmX 37.5mm,合成腔体直径为23mm,石墨管7内径为18mm,高26mm。PcBN复合片在六面顶压机上进行高温高压合成，合成条件为5GPa, 1450 V,烧结保温时间6min后慢降温到室温,卸压后得到Φ 14mmX 5mm的PcBN复合片。
[0017]实施例2
如附图1、2所示:选取厚0.1mm直径14.7mm的Ti片，粒径3_5 μ m质量0.65g的cBN粉末，与金属片相同片径、厚度3mm的YG8硬质合金基体作为原材料，按照金属片I立方氮化硼粉末2和硬质合金基体3从下至上的顺序放入内径14.8mm的钥杯4中，经过40MPa预压成型，真空700°C净化热处理Ih后放入带有盐管6的加热石墨管7套件中，最后将对顶两片的原材料和钥杯组装件8及部件9-12 —并放入叶腊石复合块5中，叶腊石复合块5尺寸为37.5mmX 37.5mmX 37.5mm,合成腔体直径为23mm,石墨管7内径为18mm,高26mm。PcBN复合片在六面顶压机上进行高温高压合成，合成条件为5GPa，1500 °C，烧结保温时间6min后慢降温到室温，卸压后得到Φ 14mmX 5mm的PcBN复合片。
【权利要求】
1.一种聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，该聚晶立方氮化硼复合片采用金属片，微米级立方氮化硼粉末和硬质合金基体材料在高温高压下烧结制成，其特征在于:该方法包括以下步骤: ①、选取相同片径的金属片与硬质合金基体，微米级立方氮化硼粉末作为原材料； ②、将上述①中选取的金属片、硬质合金基体和立方氮化硼粉末放入钥杯中进行组装，组装方式从下至上依次为金属片，立方氮化硼粉末，硬质合金基体； ③、将②组装的钥杯经过预压成型、真空预烧处理、叶腊石复合块腔体组装、高压烧结程序完成聚晶立方氮化硼复合片的制备。
2.根据权利要求1所述的一种聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在于:所述的金属片根据实际加工对象需要是金属合金或单质，Ni75Mn16Co9、T1、Al其中的一种，厚度为0.05-0.20mm。
3.根据权利要求1所述的一种聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在于:所述的立方氮化硼粉末要求净化处理掉杂质，所选的微米级立方氮化硼粉末平均粒径> 3 μ m,为3-5 μ m、5-10 μ m、10-15 μ m单一粒度或者几种粒度的混合；所述的预压成型后的立方氮化硼粉末层厚度为l_2mm，立方氮化硼粉末所占聚晶立方氮化硼烧结体的质量比例为40-90%ο
4.根据权利要求1所述的一种聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在于:所述的硬质合金基体型号选YG8-YG13，厚度≤2mm。
5.根据权利要求1所述的一种聚晶氮化硼复合片的制备方法，其特征在于:所述钥杯作为屏蔽防污染装置，壁厚为0.08-0.12mm,能够将金属片，立方氮化硼粉末和硬质合金基体材料紧配合密闭封装。
6.根据权利要求1所述的一种聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在于:所述的预压成型、真空预烧处理、叶腊石复合块腔体组装、高压烧结过程是将②组装的钥杯经过40MPa预压成型，真空700°C热处理Ih后放入带有盐管的石墨加热管套件，最后将所有部件一并放入叶腊石复合块中组装；采用“旁热式”加热方式，在六面顶压机上进行高温高压合成，复合片的合成条件为4.8~5.2GPa，1400~1550 °C，烧结保温时间为3-lOmin。
【文档编号】B22F3/14GK103537699SQ201210238713
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年7月11日 优先权日:2012年7月11日
【发明者】贾洪声, 李海波, 鄂元龙 申请人:吉林师范大学