一种含有立方氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于切削工具技术领域，涉及一种含有立方氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具 材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体，化学组成为43. 6%的硼和56. 4%的 氮，具有四种不同的变体：六方氮化硼（hBN)、菱方氮化硼（rBN)、立方氮化硼（cBN)和纤锌 矿型氮化硼（wBN)。纤锌矿型氮化硼晶粒细小，不能作为切削主体。
[0003] 随着现代技术的发展，超硬材料得到了广泛的应用，比如锯切工具、磨削工具、钻 进工具和切削工具。超硬材料包括两种：金刚石和立方氮化硼（cBN)。金刚石由于在600°C 以上开始碳化，特别是在有铁元素存在的材料中，随着温度的升高，其机械强度迅速下降， 因此限制了金刚石在加工铁系列金属制品时的应用。立方氮化硼正好克服了这一缺陷，立 方氮化硼在氧化气氛条件下，900°C仍能保证其机械强度，因此在高速自动加工机械领域， 得到了广泛的应用。
[0004] 传统上，用作切削工具或耐磨工具的立方氮化硼烧结体中含有烧结剂或粘合剂， 如TiN、TiC和Co。该烧结体是通过在4~5GPa的压力下将立方氮化硼粉末与烧结剂或粘 合剂烧结而得到的。该烧结体中含有约10~40%的粘合剂，粘合剂极大地影响烧结体的强 度、耐热性和热扩散性，在高速切削、尤其在切削黑色金属材料时，在切削刃上容易出现缺 陷和裂纹，这缩短了工具的寿命。
[0005] 为了延长工具寿命，已有不使用粘合剂的cBN烧结体制造方法。在该方法中，将六 方氮化硼和诸如氮硼化鎂之类的催化剂用作原材料，将它们烧结并反应。根据该方法，由于 不使用粘合剂，cBN颗粒之间强烈结合，导热率高达6~7W/cm°C。因此，cBN烧结体用作散 热器材料或卷带自动结合工具中。但是，由于部分催化剂残留在烧结体中，并且当烧结体受 热时，由于cBN和催化剂之间的热膨胀差异，容易产生细裂纹，从而耐热温度低至700°C，这 对于切削工具而言是一个很大问题。此外，由于粒径粗达10 ym左右，这虽然提高了导热 率，但削弱了其强度，使其无法承受大的切削负荷。
[0006] 为了获得只由晶粒细小的立方氮化硼（cBN)烧结得到的烧结体来制作切削刀具， 而不含其他材料如陶瓷、金属，需要超过8GPa和1600°C的很高的压力和温度。对于工业生 产，产生超过6GPa压力过高。在如此高的压力下，高压设备的使用寿命会缩短。制作由cBN 组成的烧结块的有利条件是压力应等于或小于6GPa。在等于或小于6GPa条件下烧结由陶 瓷和金属粘结cBN的方法是众所周知的。然而由陶瓷和金属粘结cBN晶粒制作的刀具寿命 更短，因为陶瓷和金属硬度与cBN相比太低，所以在切削时，陶瓷和金属部分更容易剥落。
【发明内容】
[0007] 为解决上述问题，本发明的目的是提供一种具有高结构耐磨性和耐冲击性的切削 刀具材料，通过添加晶粒尺寸为主切削材料粗立方氮化硼（cBN) -半或更加细小的细立方 氮化硼（cBN)到粘结剂中，能够使得切削刀具材料更具结构耐磨和耐冲击性，添加金属，形 成基质，有助于加强立方氮化硼（cBN)晶粒和陶瓷之间的粘结。
[0008] 本发明的另一目的是提供该切削刀具材料的制备方法。
[0009] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0010] -种含有立方氮化硼、陶瓷和金属的切削刀具材料，由粗立方氮化硼晶粒部分和 粘结剂部分组成。
[0011] 所述粘结剂部分包括了细立方氮化硼晶粒部分、陶瓷和金属。陶瓷是金属碳化物、 氮化物、氧化物、硼化物、硅化物中的任意一种。金属是镁、钛、锆、钒、铌、钽、铬、钼、钨、锰、 铁、钴、镍、铜、铝中的一种或多种的混合。
[0012] 粗立方氮化硼晶粒部分的晶粒尺寸为8~20微米，粘结剂部分中的细立方氮化硼 晶粒部分的晶粒尺寸为1~4微米。
[0013] -种制备权利要求1所述的一种含有立方氮化硼、陶瓷和金属的切削刀具材料的 方法，包括以下步骤：
[0014] (1)按照比例称取粗立方氮化硼、细立方氮化硼、陶瓷、金属原始微粉；
[0015] (2)混合步骤（1)中的原始微粉，球磨30分钟，使得几种微粉混合更均匀，得到混 合微粉，添加甲苯溶液作为润滑剂；
[0016] (3)加热干燥，除去甲苯；
[0017] (4)将（2)中得到的混合微粉放在圆柱形的金属容器中真空800°C加热4小时净 化，除去吸收的氧气；
[0018] (5)将净化后的混合微粉转移到充满氮气的手套箱中，将其中结块的微粉粉碎成 细粉；
[0019] (6)将混合微粉装入耐高温耐高压容器中；
[0020] (7)将（6)中的装满混合微粉的耐高温耐高压容器放入高温高压设备中，升压至 3GPa以上，升温至1200°C以上；
[0021] (8)保持步骤（7)的压力和温度10~30分钟；
[0022] (9)降低压力、停止加热，使设备温度达到0~25°C，压力达到标准大气压；
[0023] (10)从高温高压设备中取出耐高温耐高压容器，去除烧结体表面包裹的容器，得 到含有立方氮化硼、陶瓷和金属的切削刀具材料。
[0024] 金属可用来帮助粘结陶瓷和细立方氮化硼（cBN)形成基质。其中原始微粉中，粗 立方氮化硼（cBN)质量占比为40~80 %，粘结剂（陶瓷+金属+细立方氮化硼）的质量占 比为20~60%。
[0025] 本发明的有益效果是：
[0026] (1)提尚了刀具材料的耐磨性；
[0027] (2)提高了刀具材料的耐冲击性；
[0028](3)烧结时所要求的温度压力相比较同类产品低，按照一般工艺，需要超过8GPa 的压力和1600°C的温度，使用此方法延长了设备使用寿命，节省了能量，节约了成本。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明：
[0030] 实施例1
[0031] 选择占总质量50%且晶粒尺寸分布在10~15微米的粗立方氮化硼（cBN)作为切 削部分，另外50%的粘结剂部分主要由20% TiC、15% TiN和7%晶粒尺寸在2微米的细立 方氮化硼（cBN)、8%的金属铝，球磨90分钟混合得到。TiC和TiN的平均晶粒尺寸为5微 米，铝的晶粒尺寸为10微米，甲苯作为混合润滑剂。将混合后的粘结剂部分与切削部分cBN 放入到球磨机的罐中混合30分钟。混合完成后，将混合微粉取出放入到玻璃烧杯中，静置 5小时使微粉沉淀到烧杯底部。在保证全部沉淀后，倾倒掉甲苯。混合微粉通过在干燥箱 中加热去除剩余的甲苯。在去除甲苯后，混合微粉装入金属容器中，放入到真空炉中800°C 加热4小时，去除吸收的氧气。当炉内温度低于100°C，3小时后，炉中充满氮气，混合微粉 转移到充满氮气的手套箱中。在手套箱中，通过碳化钨锅和杵，结块的微粉变为细粉。装入 C>14*4mm、厚0. 5mm的错杯中。用60kg/c m2的小型液压机压。错杯内微粉厚为1. 5mm。放 入烧结后的? 13*2. 5mm的WC片在微粉上。然后装满混合微粉和碳化钨片的耐温容器放入 到高压设备中，5. lGPa、1480°C条件下合成15分钟。
[0032] 通过以上过程，混合微粉烧结为为〇 11. 7*1. 1mm的致密圆柱体。烧结体表面由金 刚石砂轮和金刚石研磨膏抛光。通过光学显微镜观察，cBN晶粒由粘结剂粘结，且粘结剂中 细cBN是分散的。通过X射线衍射，可观察到cBN、A1N、TiB2、TiAl等。在烧结过程中它们 进行化合，粗cBN晶粒和包含细cBN晶粒的基质通过这些化合反应粘结。
[0033] 将柱状烧结体切割成