一种立方氮化硼微粉颗粒表面金属化改性的方法与流程

文档序号：12099310阅读：489来源：国知局

本发明涉及一种立方氮化硼微粉颗粒表面金属化改性的方法，属超硬材料应用领域。

背景技术：

金刚石和立方氮化硼是已知的自然界最硬的两种材料，人们将它们归类为超硬材料。立方氮化硼是硬度仅次于金刚石的材料，其减磨耐磨性，热稳定性，对黑色金属的化学惰性等都优于金刚石，因而工业应用越来越广泛。

近年来现代加工制造业的发展对切削刀具提出了更高的要求，尤其是一些难加工材料(如镍基合金、钛合金、淬硬钢，高硅铝合金等)的高效高精度加工已经超出了一般加工刀具的能力范围，所以超硬、高耐磨、耐冲击、抗崩刃、能适应高速高温加工的切削刀具受到使用者的欢迎；将高温高压条件下获得的聚晶立方氮化硼切割、研磨加工、钎焊而成的超硬切削刀具迎合了市场的这一需求，成为高效高精度加工难加工材料的首选工具；聚晶立方氮化硼超硬切削刀具的出现也将高速切削刀具提高到一个更高的标准。然而昂贵的价格和简单的刀具形状使得聚晶立方氮化硼超硬切削刀具难以大量应用，故将超硬立方氮化硼材料作为颗粒添加剂或涂层与传统硬质合金刀具相结合是现代硬质合金的重要发展方向之一。

然而立方氮化硼作为超硬颗粒添加剂与传统硬质合金刀具相结合面临着极大的挑战：陶瓷性的立方氮化硼超硬颗粒不被硬质合金中的Co基金属粘结相润湿，反而易被液态Co金属粘结相熔蚀，破坏其结构和性能；在常规硬质合金的液相烧结温度(≥1400℃)下，立方氮化硼会向低硬度的六方氮化硼发生相转变；直接将立方氮化硼颗粒与硬质合金相结合难以实现硬质合金的改性。因此要想通过添加超硬立方氮化硼颗粒材料使硬质合金的性能得到提高，应先对立方氮化硼颗粒进行表面金属化改性，将立方氮化硼颗粒热稳定温度提高到1400℃。

超硬粉体的表面金属化改性在国内外已有一些研究，然而都是针对较粗粒度的超硬粉体：现有表面金属化改性的立方氮化硼颗粒的粒度一般在10μm以上，主要用于石材加工工具、石油和天然气勘探开采钻具、矿用和建筑工程工具和聚晶立方氮化硼切削刀具等领域，改性方法也仅限于用化学方法进行表面金属化改性；而用于制备立方氮化硼与硬质合金复合切削刀具的立方氮化硼微粉的粒度小于3.0μm，通过物理气相沉积方法(磁控溅射或射频溅射)进行立方氮化硼微粉颗粒表面金属化改性的研究开发与应用未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提出一种使立方氮化硼微粉颗粒表面金属化改性的物理气相沉积方法，利用物理气相沉积方法解决超硬立方氮化硼微粉颗粒表面金属化改性这一难题。

本发明的具体实施方法是通过以下方式实现的：立方氮化硼微粉颗粒表面金属化改性的原料如下：立方氮化硼微粉颗粒，粒度小于或等于3.0μm；碳化钨粉，粒度0.2～0.5μm；钴粉，粒度0.2～3.0μm。

本发明的立方氮化硼(cBN)微粉颗粒表面金属化改性方法，包括：1)物理气相沉积镀膜：采用物理气相沉积(磁控溅射或射频溅射)法在立方氮化硼微粉颗粒表面镀金属膜，镀膜过程主要包括：设定物理气相沉积过程参数，将立方氮化硼微粉装入滚筒式沉积台，然后进行物理气相沉积镀膜，时间依具体情况而定；2)真空热处理：镀膜后将微粉颗粒真空热处理；3)滚动球磨混合：与硬质合金粉体混合球磨。

一种立方氮化硼微粉颗粒表面金属化改性的方法，包括以下步骤：

(1)采用物理气相沉积法在立方氮化硼微粉颗粒表面镀膜，在物理气相沉积设备的镀膜室装入金属或合金阴极靶材，然后将立方氮化硼微粉放入滚筒式沉积台；关闭镀膜室门，设定气相沉积参数，进行物理气相沉积镀膜；

(2)将镀膜后的立方氮化硼微粉在真空热处理炉中进行热处理，即得到表面金属化改性的立方氮化硼颗粒粉体。

本方法在采用物理气相沉积法在立方氮化硼微粉颗粒表面镀膜前，还可包括将立方氮化硼微粉先进行颗粒表面洁净处理的步骤。

本发明方法中，采用的立方氮化硼微粉的费氏粒度≤3.0μm。放入立方氮化硼微粉的重量可为50～1500g。

所述的阴极靶材可为一种或多种金属，优选为金属钨(W)、钼(Mo)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、钴(Co)、镍(Ni)、铝(Al)单质或其合金。阴极靶材均采用圆形平面靶材，直径尺寸为50～150mm。

物理气相沉积法包括磁控溅射法和射频溅射法。其中，阴极靶材为导电磁性金属，如钨、钼、钛等时，选择采用直流电源磁控溅射法；阴极靶材为导电非磁性金属，如镍、铝等时，采用交流电源射频溅射法。

所述的物理气相沉积设备包括真空系统、镀膜室、溅射靶材阴极(数量可为2～4个)、两端开口的滚筒式沉积台、振动系统、供气系统、水冷系统以及控制系统等。

物理气相沉积过程的参数可优选设定为：预抽本底真空至3.0×10^-3Pa以下，通入工作气体Ar气，镀膜过程中溅射气压设定在0.1～10Pa；样品加热温度为100～400℃；靶材功率密度范围为5～30W/cm²；滚筒式沉积台的转速为12～50r/min；振动系统的振动频率为10～50Hz；镀膜时间为0.5～20h，时间可依具体情况而定。

所述的阴极靶材可为一种或多种靶材；当阴极靶材为一种金属或合金靶材时，立方氮化硼微粉颗粒表面的金属膜层为单层镀膜；当阴极靶材为两种以上不同的金属或合金靶材时，两种以上靶材交替沉积，得到的金属膜层为多层，或者两种以上靶材共沉积，得到的金属膜层为合金层。

镀膜后的立方氮化硼微粉热处理是在真空下进行的，真空度可控制在1×10^-5～1×10^-3Pa的范围内。热处理温度依具体的粉体类型而定，一般设定在400～1400℃的范围内，热处理保温时间一般设定为20～120min，随炉冷却，热处理后得到表面金属化改性的立方氮化硼微粉。

上述方法在制备用于成形、烧结超硬合金的混合料中的应用。立方氮化硼微粉经过物理气相沉积镀膜、真空热处理后，得到表面金属化改性的立方氮化硼颗粒粉体；然后将表面金属化改性的立方氮化硼颗粒粉体与硬质合金粉体进行滚动球磨混合，得到用于成形、烧结的混合料。

在制备用于成形、烧结的混合料时，将表面金属化改性的立方氮化硼微粉与WC粉和钴粉进行滚动球磨混合，然后将球磨后的料浆真空干燥。优选的，将表面金属化改性的立方氮化硼微粉与0.2～0.5μm的WC粉、0.2～3.0μm的钴粉以5～60vol％cBN、40～95vol％[WC-(6～14)wt％Co]的配比在酒精中进行滚动球磨混合，磨球为硬质合金球，球料比为2～4：1，滚动球磨转速34～36r/min，球磨时间为2～60h，然后将球磨后的料浆真空干燥，即得可用于成形、烧结的混合料。

本发明解决了立方氮化硼微粉颗粒表面物理气相沉积法(磁控溅射或射频溅射)镀膜的难题，在粒度≤3.0μm的立方氮化硼微粉颗粒表面均匀包覆了单层或多层金属或合金薄膜，提高了立方氮化硼微粉的热稳定性和化学稳定性，有利于超硬立方氮化硼微粉的广泛应用，也为立方氮化硼微粉颗粒强化硬质合金制备高硬度、超耐磨、耐冲击、高效金属切削刀具展现了美好的前景。该方法环境友好、节能、效率高、效果好。

附图说明

图1为未镀膜立方氮化硼微粉颗粒的SEM形貌；

图2为经过真空热处理，表面包覆Mo膜的立方氮化硼微粉颗粒的SEM形貌；

图3为球磨60h球磨混合料中表面包覆Mo膜的立方氮化硼微粉颗粒的SEM形貌。

具体实施方式

本发明的立方氮化硼微粉颗粒表面金属化改性的方法，包括：

1、物理气相沉积镀膜：在靶材室装入靶材，阴极靶材均采用圆形平面靶材，这里的靶材可为多种金属或合金，本发明优选的金属或合金有钨(W)、钼(Mo)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、钴(Co)、镍(Ni)、铝(Al)中的至少一种；然后称取费氏粒度小于等于3.0μm的立方氮化硼微粉50～1500g，将其放入物理气相沉积设备的滚筒式沉积台；关闭镀膜室门，设定气相沉积参数：预抽本底真空至3.0×10^-3Pa以下，通入工作气体Ar气，溅射气压维持在0.1～10Pa；样品加热温度设定在100～400℃的范围内；靶材功率密度设定在5～30W/cm²的范围内；滚筒式沉积台的转速设定在12～50r/min的范围内；振动系统的振动频率设定在10～50Hz的范围；镀膜时间为0.5～20h，具体时间根据实际需要调整。其中，对于导电磁性金属(如钨、钼、钛等)靶材，镀膜选择直流电源磁控溅射，对于导电非磁性金属(如镍、铝等)靶材，镀膜采用交流电源射频溅射。

立方氮化硼微粉颗粒表面金属膜层既可为单层，也可为两种以上靶材交替沉积的多层，还可为两种以上靶材共沉积的合金层。

2、真空热处理：将上一步骤中镀完膜的立方氮化硼微粉颗粒装入舟皿、放入真空热处理炉中进行热处理。根据不同金属化薄膜的热处理要求，热处理温度设定在400～1400℃范围内，保温时间设定20～120min，随炉冷却后取出舟皿，即可得到均匀、致密的表面金属化薄膜与微粉颗粒之间实现冶金结合的立方氮化硼微粉。

3、滚动球磨混合：称取适量上述表面金属化改性的立方氮化硼微粉与超细碳化钨粉和钴粉混合并在滚动球磨机上球磨，得到球磨混合料。具体球磨参数设置为：表面金属化改性立方氮化硼微粉的添加量为5～60vol％，Co的添加量为1～14wt％，余量为WC(0.2～0.5μm)；球磨介质为酒精，球料比为2～4：1，磨球为硬质合金球，球磨时间2～60h；将球磨好的料浆进行真空干燥，过筛，得到可用于成形、烧结的球磨混合料。

原材料为：立方氮化硼微粉、超细WC粉、Co粉、上述所说的各种金属靶材(规格)。下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：