一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、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、纤锌矿型氮化硼、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] 高压相氮化硼有两种类型，立方氮化硼（cBN)和纤锌矿型氮化硼（wBN)。cBN主要 是通过使用金属作为溶剂，在通过超过4GPa的静态高压条件下产生，是一种单晶体，在冲 击作用下，晶粒间容易裂开。而纤锌矿型氮化硼是通过lOGPa以上的爆炸高压产生，无需溶 剂。纤锌矿型氮化硼是多晶结构，不易裂开，可承受强烈的反复冲击。通过烧结方法、用不 到1毫米的立方氮化硼微粒制造切削刀具的主体，需要有6GPa以上的高压和1600°C以上 的高温。对于工业制造，要产生6GPa以上的高压，其生产机器的寿命很短，所以要制造含有 立方氮化硼烧结体的有利条件，其压力应当< 6GPa。在此压力下烧结立方氮化硼，我们知道 通常的方法是用陶瓷和金属材料与立方氮化硼结合。然而，用陶瓷和金属材料与立方氮化 硼结合会使得切削刀具的寿命变短，因为陶瓷和金属材料的硬度与立方氮化硼相比太小， 所以切削时陶瓷和金属材料部分的磨损比立方氮化硼更快，从而导致切削刀具边缘过早磨 损。
【发明内容】
[0007] 为解决上述问题，本发明利用立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼的晶体特性以及各自 不同的功用，对立方氮化硼来说，它适用于切削，而纤锌矿型氮化硼通过添加到陶瓷和金属 基体中，适用于抵抗磨损和冲击。立方氮化硼粒子与陶瓷结合，通过纤锌矿型氮化硼细晶粒 强化并辅以金属材料组合而成，使得烧结更容易、烧结后硬度增强。
[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、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料，由立方氮化 硼晶粒部分和粘合剂部分组成。
[0011] 所述粘合剂部分包括了纤锌矿型氮化硼晶粒部分、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。金属是铝或者钛，还可以包含镁、锆、钒、 铌、钽、铬、钼、钨、锰、铁、钴、镍、铜中的一种或多种的混合。
[0012] 立方氮化硼晶粒部分的晶粒尺寸为1~100微米，粘合剂部分中的纤锌矿型氮化 硼晶粒部分的晶粒尺寸为1~50微米。
[0013] -种制备权利要求1所述的一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的 切削刀具材料的方法，包括以下步骤：
[0014] (1)按照比例称取立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、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] 本发明的有益效果是：
[0025] (1)通过添加纤锌矿型氮化硼，使烧结更容易，可在更低的压力和温度条件下烧 结，提尚了最终广品的硬度；
[0026] (2)烧结时所要求的温度压力相比较同类产品低，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】
[0027] 下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明：
[0028] 实施例1
[0029] 选择占总质量50%且晶粒尺寸分布在10~15微米的立方氮化硼（cBN)作为切 削部分，另外50%的粘合剂部分主要由20% TiC、15% TiN和7%晶粒尺寸在2微米的纤锌 矿型氮化硼（wBN)、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 放入到球磨机的锅中混合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