一种结合剂、聚晶立方氮化硼刀具及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于立方氮化硼与硬质合金复合刀具材料领域，具体涉及一种结合剂、聚晶立方氮化硼刀具及其制备方法。
【背景技术】
[0002]钛合金、高温合金是强度、密度远大于其他金属结构材料，热强度高，不仅在室温下而且在高温(300?400°C)下都是目前强度最高的合金，加上它的高抗蚀性，是航空航天、海洋石油、汽车造船、化工、军工等工业领域十分重要的工程材料。聚晶立方氮化硼(PCBN)材料具有高的硬度和耐磨性、很高的热稳定性和高温硬度、优良化学性能。由于较好的稳定性及导热性和较低的摩擦系数，PCBN作为刀具材料的应用越来越广泛。经过30多年的发展，国外对PCBN刀具的研究已基本进入成熟阶段，产品也向多样化、系列化方向发展，因此对钛合金、高温合金等难加工材料用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具进行加工是未来发展趋势。
[0003]PCBN是由立方氮化硼颗粒及适量结合剂混合经高温高压烧结而成，目前使用的结合剂主要分为金属结合剂和陶瓷结合剂。用金属作结合剂的聚晶立方氮化硼通常立方氮化硼含量高，韧性好，导热性优于用陶瓷作结合剂的聚晶立方氮化硼，但金属通常在七八百度的温度下就会软化，高温时金属的软化效应会导致聚晶立方氮化硼的耐磨性下降。陶瓷的熔点相对要高，高温时不会产生软化效应，但由于陶瓷的脆性特点，纯陶瓷结合剂聚晶立方氮化硼的韧性稍差。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种结合剂、聚晶立方氮化硼刀具及其制备方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种结合剂，所述结合剂由下述重量百分含量的原料组成:B4C粉2-10%、活性炭粉5-20%、碳化硅晶须40-60%、余量为Al粉。
[0006]利用所述的结合剂制成的聚晶立方氮化硼刀具，由下述重量百分比的原料组成:立方氮化硼粉末40-85%、结合剂15-60%。
[0007]所述聚晶立方氮化硼刀具的制备方法包括以下步骤:①立方氮化硼粉末处理:将立方氮化硼粉末用10-20mol/L氢氟酸进行酸洗处理2h_4h，将酸洗过的立方氮化硼粉末离心分离，用蒸馏水水洗2-4次，无水乙醇醇洗2-4次，然后放于真空干燥箱内40°C -80°C干燥8h-12h ;②将结合剂与步骤①处理后的立方氮化硼粉末混合均匀复合粉体组装:将步骤②中混好的物料倒入叶腊石模具中，然后在200°C -400°C的条件下真空干燥20-40分钟；④将叶腊石模具放入六面顶压机内，在温度为1200-1700°C、压力为4.5 — 7.5GPa的条件下合成10 — 30min。
[0008]所述步骤②中结合剂与立方氮化硼粉末的混合在三维混料机进行，结合剂与立方氮化硼粉末的总重量与磨球重量比1: 1-1: 1.5，混料时间:4-8h。
[0009]所述磨球的直径为l_3mm。
[0010]本发明产生的有益效果是，本发明的结合剂为金属-陶瓷结合剂，兼具金属结合剂和陶瓷结合剂的优点，将其应用在聚晶立方氮化硼刀具中时，在烧结过程中，铝粉充当金属结合剂的角色，到达高温阶段，Al-B4C-C之间发生反应生成Al3BC3陶瓷相，克服了金属结合剂的缺点；同时，生成Al3BC3陶瓷相形态为板条状或柱状，配合SiC晶须的添加，有很好的增韧效果，解决了陶瓷结合剂韧性差的难题；而且Al-B4C-C间发生反应放热也能促进烧结。本发明制备的聚晶cBN刀具，其弯曲强度可达350-450 MPa，硬度可达45_55GPa。
【附图说明】
[0011 ] 图1为实施例1制得的聚晶立方氮化硼刀具的断面SEM图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。
[0013]实施例1
一种结合剂，所述结合剂由下述重量百分含量的原料组成=B4C粉4%、活性炭粉12%、碳化硅晶须60%、余量为Al粉。利用所述的结合剂制备的聚晶立方氮化硼刀具，由下述重量百分比的原料组成:立方氮化硼粉末65%、结合剂35%。
[0014]所述聚晶立方氮化硼刀具的制备方法包括以下步骤:①立方氮化硼粉末处理:将立方氮化硼粉末(粒径为I?1Mffl)用15mol/L氢氟酸进行酸洗处理3h，将酸洗过的立方氮化硼粉末离心分离，用蒸馏水水洗3次，无水乙醇醇洗3次，然后放于真空干燥箱内60°C下干燥1h ;②将结合剂与步骤①处理后的立方氮化硼粉末加入到三维混料机进行混合，结合剂与立方氮化硼粉末的总重量与磨球(直径为Imm)重量比1: 1.2，混料时间为4h ;③复合粉体组装:将步骤②中混好的物料倒入叶腊石模具中，然后在300°C的条件下真空干燥30分钟；④将叶腊石模具放入六面顶压机内，在温度为1350°C、压力为5.5GPa的条件下合成 25min。
[0015]本实施例所制得的聚晶立方氮化硼刀具的硬度为47.5GPa、弯曲强度为380MPa ；制得的聚晶立方氮化硼刀具的断面SEM图如图1所示。
[0016]实施例2
一种结合剂，所述结合剂由下述重量百分含量的原料组成=B4C粉2%、活性炭粉20%、碳化硅晶须40%、余量为Al粉。利用所述的结合剂制备的聚晶立方氮化硼刀具，由下述重量百分比的原料组成:立方氮化硼粉末85%、结合剂15%。
[0017]所述聚晶立方氮化硼刀具的制备方法包括以下步骤:①立方氮化硼粉末处理:将立方氮化硼粉末用10mol/L氢氟酸进行酸洗处理4h，将酸洗过的立方氮化硼粉末离心分离，用蒸馏水水洗2次，无水乙醇醇洗4次，然后放于真空干燥箱内40°C干燥12h 将结合剂与步骤①处理后的立方氮化硼粉末加入到三维混料机进行混合，结合剂与立方氮化硼粉末的总重量与磨球(直径为1-3_)重量比1: 1，混料时间为6h 复合粉体组装:将步骤②中混好的物料倒入叶腊石模具中，然后在200°C的条件下真空干燥40分钟；④将叶腊石模具放入六面顶压机内，在温度为1200°C、压力为4.5GPa的条件下合成30min。
[0018]本实施例所制得的聚晶立方氮化硼刀具的硬度为53GPa、弯曲强度为425MPa。
[0019]实施例3 一种结合剂，所述结合剂由下述重量百分含量的原料组成=B4C粉10%、活性炭粉5%、碳化硅晶须50%、余量为Al粉。利用所述的结合剂制备的聚晶立方氮化硼刀具，由下述重量百分比的原料组成:立方氮化硼粉末40%、结合剂60%。
[0020]所述聚晶立方氮化硼刀具的制备方法包括以下步骤:①立方氮化硼粉末处理:将立方氮化硼粉末用20mol/L氢氟酸进行酸洗处理2h，将酸洗过的立方氮化硼粉末离心分离，用蒸馏水水洗4次，无水乙醇醇洗2次，然后放于真空干燥箱内80°C干燥Sh 将结合剂与步骤①处理后的立方氮化硼粉末加入到三维混料机进行混合，结合剂与立方氮化硼粉末的总重量与磨球(直径为1-3_)重量比1: 1.5，混料时间为8h 复合粉体组装:将步骤②中混好的物料倒入叶腊石模具中，然后在400°C的条件下真空干燥20分钟；④将叶腊石模具放入六面顶压机内，在温度为1700°C、压力为7.5GPa的条件下合成lOmin。
[0021]本实施例所制得的聚晶立方氮化硼刀具的硬度为51GPa、弯曲强度为440MPa。
【主权项】
1.一种结合剂，其特征在于，所述结合剂由下述重量百分含量的原料组成:B 4C粉2-10%、活性炭粉5-20%、碳化硅晶须40-60%、余量为Al粉。2.—种使用权利要求1所述的结合剂制成的聚晶立方氮化硼刀具，其特征在于，所述聚晶立方氮化硼刀具由下述重量百分比的原料组成:立方氮化硼粉末40-85%、结合剂I5-60%ο3.—种权利要求2所述聚晶立方氮化硼刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:①立方氮化硼粉末处理:将立方氮化硼粉末用10-20mol/L氢氟酸进行酸洗处理2h_4h，将酸洗过的立方氮化硼粉末离心分离，用蒸馏水水洗2-4次，无水乙醇醇洗2-4次，然后放于真空干燥箱内40°C -80°C干燥8h-12h ;②将结合剂与步骤①处理后的立方氮化硼粉末混合均匀复合粉体组装:将步骤②中混好的物料装入叶腊石模具中，然后在200°C-40(TC的条件下真空干燥20-40分钟；④将叶腊石模具放入六面顶压机内，在温度为 1200-1700°C、压力为 4.5 - 7.5GPa 的条件下合成 10 — 30min。4.如权利要求3所述聚晶立方氮化硼刀具的制备方法，其特征在于，所述步骤②中结合剂与立方氮化硼粉末的混合在三维混料机进行，结合剂与立方氮化硼粉末的总重量与磨球重量比1: 1-1: 1.5，混料时间:4-8h。5.如权利要求4所述聚晶立方氮化硼刀具的制备方法，其特征在于，所述磨球的直径为 1-3mmο
【专利摘要】本发明涉及一种结合剂、聚晶立方氮化硼刀具及其制备方法，本发明的结合剂为金属-陶瓷结合剂，兼具金属结合剂和陶瓷结合剂的优点，将其应用在聚晶立方氮化硼刀具中时，在烧结过程中，铝粉充当金属结合剂的角色，到达高温阶段，Al-B4C-C之间发生反应生成Al3BC3陶瓷相，克服了金属结合剂的缺点；同时，生成Al3BC3陶瓷相形态为板条状或柱状，配合SiC晶须的添加，有很好的增韧效果，解决了陶瓷结合剂韧性差的难题；而且Al-B4C-C间发生反应放热也能促进烧结。本发明制备的聚晶cBN刀具，其弯曲强度可达350-450MPa，硬度可达45-55GPa。
【IPC分类】C04B35/5831, C04B35/81, C04B35/622
【公开号】CN105130447
【申请号】CN201510503103
【发明人】王海龙, 李剑, 马尧, 张锐, 赵笑统, 邵刚, 陈德良, 许红亮, 卢红霞, 范冰冰
【申请人】郑州大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月17日