专利名称：一种高韧性聚晶立方氮化硼复合片的制备方法
技术领域：
本发明涉及切削和铣削加工使用超硬复合材料刀具的制备技术领域，具体涉及一种高韧性聚晶立方氮化硼复合片的制备方法。
背景技术：
金刚石是世界上已知最硬的材料，立方氮化硼类似金刚石结构，其硬度仅次于金刚石，金刚石和立方氮化硼统称为超硬材料。超硬材料广泛应用于锯切工具、磨削工具、钻进工具和切削刀具，金刚石高温容易氧化，特别是与铁系元素亲和性好，不适合用于铁系元素黑色金属加工。
立方氮化硼热稳定性优于人造金刚石，在高温下仍能保持足够高的力学性能和硬度，具有很好的红硬性；立方氮化硼结构稳定，具有高的抗氧化能力，化学稳定性好，与金刚石相比尤其好在立方氮化硼在高达1 100 1 300 °C的温度下也不与铁族元素起化学反应，因此立方氮化硼特别适合于加工黑色金属材料。聚晶立方氮化硼是由立方氮化硼单晶， 可以加入粘结剂，也可以在不加任何粘结剂的条件下，经超高压高温烧结制得的。聚晶立方氮化硼具有立方氮化硼的大部分性能，克服了立方氮化硼单晶的晶面方向性解理的缺点。
聚晶立方氮化硼还具有以下特殊性能(1)高硬度。( 高耐磨性。C3)高化学惰性。(4)高热稳定性。聚晶立方氮化硼的耐热性可以达到1 400 °C，比金刚石刀具(700 800 V )高得多，经使用证明IIOOoC以上的切削温度仍能维持高锋利的切削性能，适合于干式切削。(5)高导热性。(6)低摩擦系数。(7)高速切削特性和高加工精度。由于聚晶立方氮化硼具有高硬度、高耐磨性、高的传热效率以及优异的高温性能等，可以认为，聚晶立方氮化硼刀具是迄今世界上最能满足这一要求的首选工具。
人们使用聚晶立方氮化硼作为刀具材料，开始重点关注的是聚晶立方氮化硼具有高硬度和高耐磨性，现在在使用该材料作为刀具切削、铣削加工应用中发现，即使刀具材料本身硬度高、很耐磨，但是如果韧性差，使用过程中容易出现“崩刀”现象，不仅破坏被加工工件，甚至出现对设备损害或操作者的伤害事故，必须停止加工过程，更换新的刀片，导致生产成本明显增加。
为了克服这种不足，人们开始改善聚晶立方氮化硼刀具材料的韧性。英国Element Six公司公开的专利1020040400 ，采用各种碳化物和氮化物的混合物形成一种复杂的核分散于基体中，基体中包有超硬材料立方氮化硼和金刚石，以及结合剂，经高压高温合成具有一种蜂窝状结构的聚晶立方氮化硼，具有优良的强度和断裂韧性。中国专利 201010615047. 0公开了一种聚晶立方氮化硼复合片用的粉末状粘结剂，包含有TiN、A1N、 Si3N4、Co和Si02，能增强复合片的抗冲击性能。中国专利CN201010M2237. 4还公开了一种表面镀镍Si3N4晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，采用Si3N4晶须及表面镀覆纳米镍的Si3N4晶须的引入来增加聚晶立方氮化硼复合片的韧性，提高了刀具的耐冲击性能，从而实现其长时间的连续车削，提高刀具的实用寿命和企业的生产效率。
聚晶立方氮化硼主要用于制作刀具材料。聚晶立方氮化硼刀具坯料主要有三种，一种是整体纯聚晶立方氮化硼烧结片；第二种是以聚晶立方氮化硼为聚晶层，以硬质合金为基体经高温高压共同烧结而成的复合片；第三种是先烧结制备聚晶立方氮化硼刀片坯料，再焊接到硬质合金上而制备成。本发明采用的是第二种方法，第二种是以聚晶立方氮化硼为耐磨层，以硬质合金为衬底层经高温高压共同烧结而成的复合片。
由于硬质合金韧性好，通常采用硬质合金作为基体，与聚晶立方氮化硼制备复合片。但是硬质合金基体与聚晶层化学成分差异大，热膨胀系数不同，复合片容易开裂、脱层， 使用时受到极大地限制。为解决上述问题，本发明利用相似相容原理，通过与硬质合金基体接触的聚晶层合成原料微粉中加入与硬质合金基体具有相同化学成分的硬质合金微粉，并通过化学梯度法，沿远离基体方向改变硬质合金微粉的含量，远离基体方向硬质合金微粉的含量不断降低。在超高压高温烧结时，合成腔体内温度具有梯度性，内部温度高，外部温度低，而与此相应的是硬质合金基体中的钴元素向高温区扩散，因此在烧结时把远离基体方向的聚晶层放置在高温区，如此，不仅增强了聚晶层与硬质合金基体的相容性和结合强度，还有利于提高钴元素在聚晶层中的分布均勻性，提高聚晶立方氮化硼复合片的致密性和耐冲击性。
氧化铝、氧化锆通常用作陶瓷刀具的材料，本发明利用氧化铝、氧化锆、碳化硅和硼纤维的一种或其中两种晶须，用于对聚晶立方氮化硼的辅助增强和增韧。发明内容
本发明的目的在于提供一种具有化学梯度，能提高韧性的聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，通过利用基体材料钨钴类硬质合金的高韧性，在聚晶立方氮化硼的聚晶层化学梯度性改变高韧性钨钴类硬质合金基体的微粉含量，并采用无机非金属晶须增强增韧来提高烧结聚晶立方氮化硼复合片的整体韧性，提供一种与基体相容性好、不易开裂、不易崩刀，制备简单，采用六面顶压机超高压高温技术合成聚晶立方氮化硼与硬质合金复合片的烧结制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下本发明的利用化学梯度设计制备聚晶立方氮化硼复合片方法，该方法包括如下步骤 (1)把制备聚晶立方氮化硼复合片所用的原料有立方氮化硼微粉、硬质合金基体片、 硬质合金基体微粉、无机非金属晶须、粘结剂分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法， 去除原料的杂质，表面钝化物、污染物和氧化物。
(2)把步骤1中处理后的立方氮化硼微粉、硬质合金基体微粉、无机非金属晶须、 粘结剂用于聚晶立方氮化硼聚晶层的合成，分别按照不同的的质量分数进行混合，与基体材料硬质合金基体片，依照一定的铺层顺序，压制成试块。
(3)把步骤2压制成型的试块，辅助使用非用于聚晶成分的盐管、碳片、钛片、钼杯，石墨模具。将压制成型的试块放进有盐管屏蔽层隔离的钼杯中，再将装好的盐管放进石墨模具，最后装入叶腊石腔体，封头，装配成合成块，烘箱中干燥，再通过超高压高温烧结在一起形成聚晶硬质合金复合片。
(4)烧结成的聚晶立方氮化硼硬质合金复合块，自然冷却后取出，经线切割或激光切割加工成不同形状的复合片，复合片经打磨、开刃、检验制得成品刀片，根据用户的要求，刀片外形可以是圆形、三角形、六边形、菱形、正四方形。
所述步骤O)中立方氮化硼微粉、硬质合金基体微粉、无机非金属晶须、粘结剂在聚晶立方氮化硼聚晶层中具有以下不同的质量分数比的原料其中立方氮化硼(cBN)微粉 50% 85%，硬质合金基体微粉13% 30%，无机非金属晶须0. 5% 2%，粘结剂 20%。
所述步骤O)中在制备试块时依据一定化学梯度进行排布，以硬质合金基体为基础，与基体面垂直方向上，按照远离基体的方向顺序逐渐递减硬质合金微粉在聚晶层的化学成分含量，形成一定的化学梯度。具体的说，在石墨模具中，先放入硬质合金基体片，然后铺放三层不同硬质合金基体微粉的混合物，分别经过压实。在紧接着基体铺放第一层高含量硬质合金基体微粉的原料粉混合物，压实；紧接着第一层铺放第二层，硬质合金基体微粉含量少于第一层；紧接着第二层铺放第三层，硬质合金基体微粉含量又少于第二层。第一层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为5% 20%，第二层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为5% 10%，第三层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为m 10%。
所述步骤C3)超高压高温烧结形成聚晶硬质合金复合片，烧结的具体条件是采用六面顶压机设备进行合成，压力为4. 6 7. 0 GPa，温度1300 1600 oC，合成时间6 35 分钟。
所述的立方氮化硼微粉的粒径有三种分布，一种是1微米到4微米范围，第二种是 7微米到10微米范围，第三种是12微米到15微米范围。三种微粉各自在立方氮化硼微粉中的质量分数比是1微米到4微米范围的占40% 50%，7微米到10微米范围的占30% 50%，第三种是12微米到15微米范围的占5% 40%。比较优选的质量分数配比是1微米到4微米范围的占42% 45%，7微米到10微米范围的占40% 50%，12微米到15微米范围的占5% 20%ο
所述的硬质合金基体是钨钴类硬质合金。硬质合金基体微粉与硬质合金基体属于同一种合金，具有相同的化学成分。
所述的无机非金属晶须是氧化铝、氧化锆、碳化硅和硼纤维的一种或其中两种晶须，晶须长度在100纳米至20微米范围，直径不大于100纳米。优选的是氧化铝和氧化锆晶须中的其中一种。
所述的粘结剂是金属钴粉、金属镍粉、氮化钛、氮化铝、碳化钛、碳化钨中的一中或其中两种，纯度都大于99%，粒径不大于10微米。优选粘结剂是金属钴粉和氮化钛。
本发明的有益效果是本发明充分利用基体材料的韧性特性，采用化学梯度法，制备的聚晶立方氮化硼复合片聚晶层与基体材料相似相容性好，具有断裂韧性好、抗冲击性能高，可以大大避免崩刀现象，减少换刀次数，延长使用寿命，提高刀具的加工效率和加工精度。由聚晶立方氮化硼硬质合金复合片制备的基体化学梯度刀具，被加工型性好，可以采用线切割、激光切割等技术把复合片加工成三角形、六边形等不同的刀具形状，增加刀具的刀刃数。加工成的刀具用于加工以下材料主要加工硬度HRC45以上的工件材料，如，各种灰铸铁、淬硬钢、高温合金、高钴硬质合金、表面喷涂材料、黑色粉末烧结金属、钛合金、纯镍、纯钨等高硬度、耐磨等难以用普通刀具进行加工的工件材料。本发明聚晶立方氮化硼特别适合于高速切削加工，如铣刀切削钛合金速度150 200 m/min,切削高温合金速度80 120 m/min ；每齿进给量0. 1 0. 2 mm/z。车刀切削钛合金速度100 120 m/min，切削高温合金速度60 80 m/min。在实现高速切削加工时，应充分综合考虑切削深度和进给量的参数选择。
具体实施方式
实施例1制备复合片的基体是钨钴硬质合金。选择聚晶立方氮化硼聚晶层原料微粉，立方氮化硼微粉占原料微粉的质量分数比是70%，三种不同粒径变化的立方氮化硼微粉各自在立方氮化硼微粉中的质量分数比是1微米到4微米范围的占42%，7微米到10微米范围的占 45%，12微米到15微米范围的占13%。钨钴硬质合金微粉占原料微粉的质量分数比是16%， 氧化锆晶须占原料微粉的质量分数比是0. 8%，粘结剂金属钴粉和氮化钛分别占原料微粉的质量分数比是7. 和6%。氧化锆晶须直径80纳米，长度5微米。上述原料微粉和基体分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的杂质，表面钝化物、污染物和氧化物。
把上述原料微粉按设定比例进行混合，与基体材料硬质合金基体片，依照一定的铺层顺序，压制成试块。其中在制备试块时依据一定化学梯度进行排布，以硬质合金基体为基础，与基体面垂直方向上，按照远离基体的方向顺序逐渐递减硬质合金微粉在聚晶层的化学成分含量，形成一定的化学梯度。具体的说，在石墨模具中，先放入硬质合金基体片，然后铺放三层不同硬质合金基体微粉的混合物，分别经过压实。在紧接着基体铺放第一层高含量硬质合金基体微粉的原料粉混合物，压实；紧接着第一层铺放第二层，硬质合金基体微粉含量少于第一层；紧接着第二层铺放第三层，硬质合金基体微粉含量又少于第二层。第一层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为8%，第二层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为5%，第三层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为3%。
将压制成型的试块放进有盐管屏蔽层隔离的钼杯中，再将装好的盐管放进石墨模具，最后装入叶腊石腔体，封头，装配成合成块，烘箱中干燥，再通过超高压高温烧结在一起形成聚晶硬质合金复合片。烧结的具体条件是采用六面顶压机设备进行合成，压力为5.6 GPa，温度1450°C，合成时间6分钟。
上述方法制备得到的聚晶立方氮化硼复合片显微硬度为HV7100，冲击韧性为645 次，三点弯曲法测试抗弯强度为868 MPa，采用标准JB/T3235-1999测试磨耗比为11600。
实施例2制备复合片的基体是钨钴硬质合金。选择聚晶立方氮化硼聚晶层原料微粉，立方氮化硼微粉占原料微粉的质量分数比是60%，三种不同粒径变化的立方氮化硼微粉各自在立方氮化硼微粉中的质量分数比是1微米到4微米范围的占40%，7微米到10微米范围的占 50%, 12微米到15微米范围的占10%。钨钴硬质合金微粉占原料微粉的质量分数比是18. 5%， 氧化铝晶须占原料微粉的质量分数比是0. 5%，粘结剂金属钴粉的质量分数比是20%。氧化锆晶须直径80纳米，长度5微米。上述原料微粉和基体分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的杂质，表面钝化物、污染物和氧化物。
把上述原料微粉按设定比例进行混合，与基体材料硬质合金基体片，依照一定的铺层顺序，压制成试块。其中在制备试块时依据一定化学梯度进行排布，以硬质合金基体为基础，与基体面垂直方向上，按照远离基体的方向顺序逐渐递减硬质合金微粉在聚晶层的化学成分含量，形成一定的化学梯度。具体的说，在石墨模具中，先放入硬质合金基体片，然后铺放三层不同硬质合金基体微粉的混合物，分别经过压实。在紧接着基体铺放第一层高含量硬质合金基体微粉的原料粉混合物，压实；紧接着第一层铺放第二层，硬质合金基体微粉含量少于第一层；紧接着第二层铺放第三层，硬质合金基体微粉含量又少于第二层。第一层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为10%，第二层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为6%，第三层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为2. 5%。
将压制成型的试块放进有盐管屏蔽层隔离的钼杯中，再将装好的盐管放进石墨模具，最后装入叶腊石腔体，封头，装配成合成块，烘箱中干燥，再通过超高压高温烧结在一起形成聚晶硬质合金复合片。烧结的具体条件是采用六面顶压机设备进行合成，压力为4. 6 GPa，温度1300 °C，合成时间35分钟。
上述方法制备得到的聚晶立方氮化硼复合片显微硬度为HV7200，冲击韧性为714 次，三点弯曲法测试抗弯强度为887 MPa，采用标准JB/T3235-1999测试磨耗比为10100。
实施例3制备复合片的基体是钨钴硬质合金。选择聚晶立方氮化硼聚晶层原料微粉，立方氮化硼微粉占原料微粉的质量分数比是85%，三种不同粒径变化的立方氮化硼微粉各自在立方氮化硼微粉中的质量分数比是1微米到4微米范围的占50%，7微米到10微米范围的占 30%, 12微米到15微米范围的占20%。钨钴硬质合金微粉占原料微粉的质量分数比是13%， 碳化硅晶须占原料微粉的质量分数比是1%，粘结剂金属镍粉和氮化铝分别占原料微粉的质量分数比是3%和1。氧化锆晶须直径80纳米，长度5微米。上述原料微粉和基体分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的杂质，表面钝化物、污染物和氧化物。
把上述原料微粉按设定比例进行混合，与基体材料硬质合金基体片，依照一定的铺层顺序，压制成试块。其中在制备试块时依据一定化学梯度进行排布，以硬质合金基体为基础，与基体面垂直方向上，按照远离基体的方向顺序逐渐递减硬质合金微粉在聚晶层的化学成分含量，形成一定的化学梯度。具体的说，在石墨模具中，先放入硬质合金基体片，然后铺放三层不同硬质合金基体微粉的混合物，分别经过压实。在紧接着基体铺放第一层高含量硬质合金基体微粉的原料粉混合物，压实；紧接着第一层铺放第二层，硬质合金基体微粉含量少于第一层；紧接着第二层铺放第三层，硬质合金基体微粉含量又少于第二层。第一层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为6%，第二层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为5%，第三层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为1。
将压制成型的试块放进有盐管屏蔽层隔离的钼杯中，再将装好的盐管放进石墨模具，最后装入叶腊石腔体，封头，装配成合成块，烘箱中干燥，再通过超高压高温烧结在一起形成聚晶硬质合金复合片。烧结的具体条件是采用六面顶压机设备进行合成，压力为7 GPa，温度1600°C，合成时间6分钟。
上述方法制备得到的聚晶立方氮化硼复合片显微硬度为HV7030，冲击韧性为914 次，三点弯曲法测试抗弯强度为819 MPa，采用标准JB/T3235-1999测试磨耗比为9900。
实施例4制备复合片的基体是钨钴硬质合金。选择聚晶立方氮化硼聚晶层原料微粉，立方氮化硼微粉占原料微粉的质量分数比是50%，三种不同粒径变化的立方氮化硼微粉各自在立方氮化硼微粉中的质量分数比是1微米到4微米范围的占50%，7微米到10微米范围的占 45%，12微米到15微米范围的占5%。钨钴硬质合金微粉占原料微粉的质量分数比是30%，硼纤维晶须占原料微粉的质量分数比是2%，粘结剂金属钴粉和碳化钨分别占原料微粉的质量分数比是10%和8%。氧化锆晶须直径80纳米，长度5微米。上述原料微粉和基体分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的杂质，表面钝化物、污染物和氧化物。
把上述原料微粉按设定比例进行混合，与基体材料硬质合金基体片，依照一定的铺层顺序，压制成试块。其中在制备试块时依据一定化学梯度进行排布，以硬质合金基体为基础，与基体面垂直方向上，与基体面垂直方向上，按照远离基体的方向顺序逐渐递减硬质合金微粉在聚晶层的化学成分含量，形成一定的化学梯度。具体的说，在石墨模具中，先放入硬质合金基体片，然后铺放三层不同硬质合金基体微粉的混合物，分别经过压实。在紧接着基体铺放第一层高含量硬质合金基体微粉的原料粉混合物，压实；紧接着第一层铺放第二层，硬质合金基体微粉含量少于第一层；紧接着第二层铺放第三层，硬质合金基体微粉含量又少于第二层。第一层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为20%，第二层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为8%，第三层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为1。
将压制成型的试块放进有盐管屏蔽层隔离的钼杯中，再将装好的盐管放进石墨模具，最后装入叶腊石腔体，封头，装配成合成块，烘箱中干燥，再通过超高压高温烧结在一起形成聚晶硬质合金复合片。烧结的具体条件是采用六面顶压机设备进行合成，压力为5. 3 GPa，温度1500°C，合成时间8分钟。
上述方法制备得到的聚晶立方氮化硼复合片显微硬度为HV7330，冲击韧性为889 次，三点弯曲法测试抗弯强度为792 MPa，采用标准JB/T3235-1999测试磨耗比为11900。
实施例5制备复合片的基体是钨钴硬质合金。选择聚晶立方氮化硼聚晶层原料微粉，立方氮化硼微粉占原料微粉的质量分数比是80%，三种不同粒径变化的立方氮化硼微粉各自在立方氮化硼微粉中的质量分数比是1微米到4微米范围的占42%，7微米到10微米范围的占 45%，12微米到15微米范围的占13%。钨钴硬质合金微粉占原料微粉的质量分数比是15%， 铱稳定化的氧化锆(该化合物是否是现有产品？如果不是最好不用)晶须占原料微粉的质量分数比是1. 5%，粘结剂金属钴粉和氮化钛分别占原料微粉的质量分数比是洲和1. 5%。氧化锆晶须直径80纳米，长度5微米。上述原料微粉和基体分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的杂质，表面钝化物、污染物和氧化物。
把上述原料微粉按设定比例进行混合，与基体材料硬质合金基体片，依照一定的铺层顺序，压制成试块。其中在制备试块时依据一定化学梯度进行排布，以硬质合金基体为基础，与基体面垂直方向上，按照远离基体的方向顺序逐渐递减硬质合金微粉在聚晶层的化学成分含量，形成一定的化学梯度。具体的说，在石墨模具中，先放入硬质合金基体片，然后铺放三层不同硬质合金基体微粉的混合物，分别经过压实。在紧接着基体铺放第一层高含量硬质合金基体微粉的原料粉混合物，压实；紧接着第一层铺放第二层，硬质合金基体微粉含量少于第一层；紧接着第二层铺放第三层，硬质合金基体微粉含量又少于第二层。第一层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为10%，第二层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为3%，第三层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为1。
将压制成型的试块放进有盐管屏蔽层隔离的钼杯中，再将装好的盐管放进石墨模具，最后装入叶腊石腔体，封头，装配成合成块，烘箱中干燥，再通过超高压高温烧结在一起形成聚晶硬质合金复合片。烧结的具体条件是采用六面顶压机设备进行合成，压力为5.6GPa，温度1450°C，合成时间15分钟。
上述方法制备得到的聚晶立方氮化硼复合片显微硬度为HV7560，冲击韧性为898 次，三点弯曲法测试抗弯强度为912 MPa，采用标准JB/T3235-1999测试磨耗比为12200。
实施例6制备复合片的基体是钨钴硬质合金。选择聚晶立方氮化硼聚晶层原料微粉，立方氮化硼微粉占原料微粉的质量分数比是60%，三种不同粒径变化的立方氮化硼微粉各自在立方氮化硼微粉中的质量分数比是1微米到4微米范围的占42%，7微米到10微米范围的占 45%，12微米到15微米范围的占13%。钨钴硬质合金微粉占原料微粉的质量分数比是26%， 铱稳定化的氧化锆晶须占原料微粉的质量分数比是1. 5%，粘结剂金属钴粉和碳化钛分别占原料微粉的质量分数比是7. 和6%。氧化锆晶须直径80纳米，长度5微米。上述原料微粉和基体分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的杂质，表面钝化物、污染物和氧化物。
把上述原料微粉按设定比例进行混合，制备试块时硬质合金基体微粉在与基体面垂直方向上没有方向上的化学梯度变化，与基体材料硬质合金基体片，压制成试块。
将压制成型的试块放进有盐管屏蔽层隔离的钼杯中，再将装好的盐管放进石墨模具，最后装入叶腊石腔体，封头，装配成合成块，烘箱中干燥，再通过超高压高温烧结在一起形成聚晶硬质合金复合片。烧结的具体条件是采用六面顶压机设备进行合成，压力为6GPa， 温度1450°C，合成时间20分钟。
上述方法制备得到的聚晶立方氮化硼复合片显微硬度为HV7260，冲击韧性为598 次，三点弯曲法测试抗弯强度为792 MPa，采用标准JB/T3235-1999测试磨耗比为10500。
实施例7制备复合片的基体是钨钴硬质合金。选择聚晶立方氮化硼聚晶层原料微粉，立方氮化硼微粉占原料微粉的质量分数比是65%，三种不同粒径变化的立方氮化硼微粉各自在立方氮化硼微粉中的质量分数比是1微米到4微米范围的占42%，7微米到10微米范围的占 45%，12微米到15微米范围的占13%。钨钴硬质合金微粉占原料微粉的质量分数比是21%， 氧化铝晶须占原料微粉的质量分数比是0. 8%，粘结剂金属镍占原料微粉的质量分数比是 7.洲和6%。氧化铝晶须直径100纳米，长度10微米。上述原料微粉和基体分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的杂质，表面钝化物、污染物和氧化物。
把上述原料微粉按设定比例进行混合，与基体材料硬质合金基体片，依照一定的铺层顺序，压制成试块。其中在制备试块时依据一定化学梯度进行排布，以硬质合金基体为基础，与基体面垂直方向上，按照远离基体的方向顺序逐渐递减硬质合金微粉在聚晶层的化学成分含量，形成一定的化学梯度。具体的说，在石墨模具中，先放入硬质合金基体片，然后铺放三层不同硬质合金基体微粉的混合物，分别经过压实。在紧接着基体铺放第一层高含量硬质合金基体微粉的原料粉混合物，压实；紧接着第一层铺放第二层，硬质合金基体微粉含量少于第一层；紧接着第二层铺放第三层，硬质合金基体微粉含量又少于第二层。第一层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为16%，第二层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为6%，第三层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为4%。
将压制成型的试块放进有盐管屏蔽层隔离的钼杯中，再将装好的盐管放进石墨模具，最后装入叶腊石腔体，封头，装配成合成块，烘箱中干燥，再通过超高压高温烧结在一起形成聚晶硬质合金复合片。烧结的具体条件是采用六面顶压机设备进行合成，压力为5.6 GPa，温度1450 oC，合成时间10分钟。
上述方法制备得到的聚晶立方氮化硼复合片显微硬度为HV6500，冲击韧性为648 次，三点弯曲法测试抗弯强度为781 MPa，采用标准JB/T3235-1999测试磨耗比为9230。
权利要求
1.一种高韧性聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤(1)把制备聚晶立方氮化硼复合片所用的原料立方氮化硼微粉、硬质合金基体片、硬质合金基体微粉、无机非金属晶须、粘结剂分别经过化学酸碱处理、物理真空处理方法，去除原料的杂质，表面钝化物、污染物和氧化物；(2)把步骤(1)中处理后的立方氮化硼微粉、硬质合金基体微粉、无机非金属晶须、粘结剂用于聚晶立方氮化硼聚晶层的合成，分别按照不同的的质量分数进行混合，与基体材料硬质合金基体片，依照一定的铺层顺序，压制成试块；(3)把步骤(2)压制成型的试块，辅助使用非用于聚晶成分的盐管、碳片、钛片、钼杯， 石墨模具；将压制成型的试块放进有盐管屏蔽层隔离的钼杯中，再将装好的盐管放进石墨模具，最后装入叶腊石腔体，封头，装配成合成块，烘箱中干燥，再通过超高压高温烧结在一起形成聚晶硬质合金复合片；(4)烧结成的聚晶立方氮化硼硬质合金复合块，自然冷却后取出，经线切割或激光切割加工成不同形状的复合片。
2.根据权利要求1所述的高韧性聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在于所述步骤O)中立方氮化硼微粉、硬质合金基体微粉、无机非金属晶须、粘结剂在聚晶立方氮化硼聚晶层中的质量百分比为立方氮化硼(cBN)微粉50% 85%，硬质合金基体微粉 13% 30%，无机非金属晶须0. 5% 2%，粘结剂 20%。
3.根据权利要求1所述的高韧性聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在于所述步骤O)中在制备试块时依据一定化学梯度进行排布，以硬质合金基体为基础，与基体面垂直方向上，按照远离基体的方向顺序逐渐递减硬质合金微粉在聚晶层的化学成分含量，形成一定的化学梯度。
4.根据权利要求3所述的高韧性聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在于所述步骤O)中在石墨模具中，先放入硬质合金基体片，然后铺放三层不同硬质合金基体微粉的混合物，分别经过压实；在紧接着基体铺放第一层高含量硬质合金基体微粉的原料粉混合物，压实；紧接着第一层铺放第二层，硬质合金基体微粉含量少于第一层；紧接着第二层铺放第三层，硬质合金基体微粉含量又少于第二层；第一层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为5% 20%，第二层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为5% 10%，第三层硬质合金基体微粉在原料微粉中的质量分数为洲 10%。
5.根据权利要求1所述的高韧性聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在于所述步骤C3)超高压高温烧结形成聚晶硬质合金复合片，烧结的具体条件是采用六面顶压机设备进行合成，压力为4. 6 7. 0 GPa，温度1300 1600 oC，合成时间6 35分钟。
6.根据权利要求1所述的高韧性聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在于所述的立方氮化硼微粉的粒径有三种分布，一种是1微米到4微米范围，第二种是7微米到10 微米范围，第三种是12微米到15微米范围。
7.三种微粉各自在立方氮化硼微粉中的质量分数比是1微米到4微米范围的占 40% 50%，7微米到10微米范围的占30% 50%，第三种是12微米到15微米范围的占5% 40%。
8.根据权利要求1所述的高韧性聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在于所述的无机非金属晶须是氧化铝、氧化锆、碳化硅和硼纤维的一种或其中两种晶须，晶须长度在100纳米至20微米范围，直径不大于100纳米。
9.根据权利要求1所述的高韧性聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在于所述的粘结剂是金属钴粉、金属镍粉、氮化钛、氮化铝、碳化钛、碳化钨中的一中或其中两种， 纯度都大于99%，粒径不大于10微米。
10.根据权利要求1所述的高韧性聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在于竹炭经过光催化剂二氧化钛改性，改性后竹炭纳米改性微粉粒径在20纳米到不大于1微米。
全文摘要
一种高韧性聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，主要包括如下步骤把各种原料分别经过化学酸碱处理、物理真空处理；把处理后的原料微粉分别按照不同的质量分数比进行混合，混合料与基体材料硬质合金基体片，依照一定的铺层顺序，压制成试块。将压制成型的试块放进有盐管屏蔽层隔离的钼杯中，再将装好的盐管放进石墨模具，最后装入叶腊石腔体，封头，装配成合成块；通过超高压高温烧结在一起形成聚晶硬质合金复合片。本发明充分利用基体材料的韧性特性，制备的聚晶立方氮化硼复合片聚晶层与基体材料相似相容性好，具有断裂韧性好、抗冲击性能高，可以大大避免崩刀现象，减少换刀次数，延长使用寿命，提高刀具的加工效率和加工精度。
文档编号B22F3/14GK102505090SQ201110325539
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月21日 优先权日2011年10月21日
发明者刘磊, 张旺玺, 王艳芝, 蔡森 申请人:中原工学院