一种使用纳米金属助剂制成的cbn多晶烧结体及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于立方氮化硼刀具材料领域，具体涉及一种使用纳米金属助剂制成的CBN多晶烧结体及其制备方法，它可作为整体CBN聚晶切削刀具，可用于铸铁、淬硬钢，耐热钢合金等难加工的半精车、精车和铣削。
【背景技术】
[0002]CBN多晶烧结体由立方氮化硼颗粒和按一定比例组成的粘结剂在高温高压下烧结而成，CBN刀具作为最主要的超硬材料之一，具有很高的硬度、耐磨性、化学稳定性，适于高速切削、硬态切削、干式切削等机械加工要求，在切削铸铁、淬硬钢、耐热钢合金以及硬质合金、表面喷涂等铁系金属方面有着无可比拟的优越性。
[0003]目前，整体CBN聚晶切削刀具在西方发达国家的应用非常普遍，CBN刀具的制造和应用技术相当成熟，产品也向着多样化、系列化发展。国外可提供CBN刀具材料的生产厂家主要有：美国D. I公司、英国的E6公司、韩国的ILJIN公司、日本的住友电工。他们的CBN产品已经开发出来30年以上，并已形成适合加工各种不同材质的系列化产品，由于产品针对性强，质量稳定可靠，因此垄断全球绝大多数高端市场。
[0004]我国对整体CBN聚晶切削刀具及其应用研宄相对西方发达国家有着较大差距，具体主要表现在刀具性能、刀具寿命等方面。国内生产制造多晶立方氮化硼刀具产品种类较少，质量较差，整体实力依然薄弱。国产整体CBN刀具产品由于配方与工艺的限制，存在的问题有：1)磨耗比为3500?5000 (国外为5000?8000左右）；2)工作层显微硬度HV为2000?5000 (国外为4000?7000左右）；3)抗弯强度为300?600 MPa (国外为500?1000 MPa左右）；这与各个单位所采用的配方和工艺不同有关。
【发明内容】
[0005]为克服现有技术不足，本发明目的在于提供一种使用纳米金属助剂制成的CBN多晶烧结体及其制备方法，它作为整体CBN聚晶切削刀具，具有高速高韧性特点。
[0006]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种纳米金属助剂，该助剂由下述重量百分含量的原料组成：TiN粉25?45%、TaC粉20?25%、八182粉10?15%、Co粉15?20%和Al粉10?15%。所述助剂的各原料以使用分析纯为佳，TiN、TaC和AlB2粒径在10?30nm，Co粉和Al粉粒径在20?40nm时效果较好，更利于增强CBN多晶烧结体的韧性。
[0007]一种使用上述纳米助剂制成的CBN多晶烧结体，CBN多晶烧结体由下述重量百分含量的原料组成：CBN粉(粒径在2?6Mm之间为佳）60?93%和纳米金属助剂7?40%。
[0008]上述使用纳米金属助剂制成的CBN多晶烧结体的制备方法，其包括如下步骤：
I)净化与还原处理：将CBN粉先用25?35wt%的氢氧化钠水溶液煮沸3?7min，去离子水洗涤至中性，用混酸(浓硫酸和浓硝酸体积比例为I : I)煮沸5?lOmin，并用去离子水洗涤至中性，然后再用王水(浓盐酸与浓硝酸体积比例为3:1)煮沸3?7min，并再用去离子水洗涤至中性，备用；将纳米金属助剂在氢气还原炉中于680?720°C还原处理2?3h，备用;
2 )混料：按比例称取处理过的CBN粉和纳米金属助剂，放入三维混料机内进行预混，三维混料机为转速：95±10 r/min，三维时间：10±5小时；然后将三维混好的料，再行星式球磨机进行混料，具体参数如下：料与硬质合金球（Φ 6)重量比I : 3?3. 5 ;从球磨罐端部接口处充入液氮，液氮与料和球的体积比为I : I?2 ;行星式球磨机参数：公转：40±5 r/min,自转:90±5 r/min，球磨时间:15±5小时；
3)多晶烧结体组装与真空处理：将混合好的CBN粉倒入石墨模具内，然后盖上石墨片并扣上金属钼杯盖；将多晶烧结体组件置于真空设备中，真空状态下通入适量的氢气，在不大于3 X ICT5Pa的真空条件下于680?780°C保温3?4小时；
4)高温高压烧结：将真空处理过的多晶烧结体组件置于合成组装块内，用六面顶压机在温度为1470±20°C、压力为5. 5?6GPa的条件下合成20?30min。
[0009]除非另有说明，本发明中的浓硫酸均指密度为I. 84g · cm_3的硫酸，浓硝酸均指密度为I. 4 g · cm_3的硝酸，浓盐酸均指密度为I. 179 g · cm_3的盐酸。
[0010]本发明纳米金属助剂CBN多晶烧结体通过在配方中采用了 TiN、TaC、Al和Co等纳米材料，其主要机理为：TiN和TaC具有高硬度、高熔点以及高的热传导性，而铝在烧结过程中可以与立方氮化硼反应生成A1N，促进烧结的进行。同时，AlN能够抑制CBN向HBN的逆转化，对于提高复合片的聚晶立方氮化硼含量和致密度有着重要作用，钴主要起对立方氮化硼表面进行“脱氧去气”的净化作用，活化立方氮化硼微颗粒，促进立方氮化硼颗粒之间直接成键，提高CBN聚晶复合片的性能。
[0011]本制备方法中，依据立方氮化硼的粒度分布特点，确定了最佳真空处理工艺范围，使立方氮化硼颗粒表面得到了充分“净化、活化”，大量吸附的氧等杂质被解吸而泵出立方氮化硼层外；依据金属结合剂材料还原特性，在真空状态下通入了适量的氢气，由于氢气的还原作用使结合剂表面活性增加，很容易使它们发生化学作用而提高立方氮化硼颗粒间结合强度。
[0012]本制备方法中，所用合成组装块结构采用了叶蜡石环与白云石衬管作为外传压保温介质；碳管、盐管和盐片作为内传压介质，为了使合成腔的温度压力分布均匀，保证合成多晶烧结体所处高压高温场更加稳定：（1)导电钢圈采用大直径薄壁结构，心部充填白云石芯和外围套叶蜡石环，以实现两端保温并避免烧锤。（2)异型导电体采用电阻率较高的材料，通过改变其形状和调整尺寸，减小合成腔体温度梯度。（3)在碳管内加盐管、盐片作为内传压介质，因为盐在高温高压下它既具有流动性又具有膨胀的特点，能有效的传递压力，减少大腔体的压力梯度。（4)烧结体采用二个耐高温钼杯封闭立方氮化硼粉末，能很好的起到屏蔽作用，使立方氮化硼烧结时不会受到外部杂质的污染。
[0013]本发明使用纳米金属助剂制成的CBN多晶烧结体在配方中，利用纳米技术合理安排与选择配方，突破了 CBN多晶烧结体高韧性和高耐磨性的技术瓶颈。与现有的CBN多晶烧结体相比：磨耗比由3500?5000提高到6000?7000 ;工作层显微硬度HV由2000?5000提高到5000?7000，抗弯强度由300?600 MPa提高到750~850MPa。说明纳米材料结合剂在高温高压下具有较好的烧结促进作用，有助于烧结而提高CBN聚晶的体积比，有利于形成强韧的烧结体，增加了 CBN多晶烧结体的韧性，延长使用寿命。
【具体实施方式】
[0014]以下通过优选实施例对本发明工艺作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
[0015]实施例I
一种使用纳米金属助剂制成的CBN多晶烧结体，由下述重量百分含量的原料组成：CBN粉（2?6Mm)60%和纳米金属助剂40%，所述纳米金属助剂由下述重量百分含量的原料组成：分析纯TiN粉（8?12nm)45%、分析纯TaC粉（8?12nm) 20%、分析纯A1B$V (8?12nm)10%、分析纯Co粉（22?36nm) 15%和分析纯Al粉（22?36nm) 10%。
[0016]上述CBN多晶烧结体的制备方法，其包括如下步骤：
I)净化与还原处理：将CBN粉先用35wt%的氢氧化钠水溶液煮沸7min，去离子水洗涤至中性，用混酸(浓硫酸和浓硝酸体积比例为I : I)煮沸lOmin，并用去离子水洗涤至中性，然后再用王水(浓盐酸与浓硝酸体积比例为3 ： I)煮沸7min，并再用去离子水洗涤至中性，备用；将纳米金属助剂在氢气还原炉中于720°C还原处理3h，备用；
2 )混料：按比例称取处理过的CBN粉和纳米金属助剂，放入三维混料机内进行预混，三维混料机转速为：105 r/min，三维时间：15小时；然后将三维混好的料，再行星式球磨机进行混