一种聚晶立方氮化硼磨料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超硬材料技术领域，具体涉及一种聚晶立方氮化硼磨料，同时还涉及一种聚晶立方氮化硼磨料的制备方法。
【背景技术】
[0002]立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，而其热稳定性和化学惰性却远远优于金刚石(王光祖.立方氮化硼特性综述.超硬材料工程.2005, 5 (17):41-45)。因此近年来，随着像磨削中心、超高速磨床等磨削系统的开发，立方氮化硼磨料在航空航天、汽车制造业以及轴承行业等领域有着越来越广泛的应用(Yosh1 Ichida, Ryunosuke Sat0.Profile grindingof superalloys with ultrafine-crystalIine cBN wheels.JSME Internat1nalJournal.2006，49(1):94-99)。
[0003]然而传统单晶立方氮化硼磨料的缺点在磨削过程中逐渐暴漏出来，例如单晶立方氮化硼存在易劈裂的解理面，脆性大，容易发生解理破损(M.Fujimoto, Y.1chida.Microfracture behav1r of cutting edges in grinding using single crystal cBN grains.Diamond&Related Materials.2008, 17:1759-1763)。这会导致在磨削过程中，当大多数磨粒因磨耗磨损而出现平台后，磨粒与工件接触界面之间的滑擦作用必然强于耕犁、切削作用，这无疑降低了磨粒的锋利度，导致过大的磨削力与过高的磨削温度，甚至产生磨削颤振或烧伤磨削件，降低加工质量(Wen-Feng Ding, Jiu-Hua Xu.Wear behav1r and mechanismof single-layer brazed CBN abrasive wheels during creep-feed grinding castnickel-based superalloy.1nt J Adv Manuf Technol.2010，51:541 - 550)。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种聚晶立方氮化硼磨料，解决现有单晶cBN磨料因自锐性差、解理和各向异性等缺陷造成的磨削加工质量低的问题。
[0005]本发明的第二个目的是提供一种聚晶立方氮化硼磨料的制备方法。
[0006]为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是:
[0007]一种聚晶立方氮化硼磨料，由以下体积百分比的组分组成:立方氮化硼单晶70 %?90 %、结合剂10?30 %;其中，所述结合剂由以下质量百分比的组分组成:陶瓷结合剂80%?95%、金属结合剂5%?20%。
[0008]所述陶瓷结合剂为碳化物、氮化物中的任意一种或两种。
[0009]所述陶瓷结合剂为碳化钛、氮化钛、氮化硼中的任意一种或组合。
[0010]所述金属结合剂为金属单质及其合金中的任意一种或组合。
[0011]所述金属结合剂为Al、Co中的任意一种或组合。
[0012]所述陶瓷结合剂的粒度为0.1?10 μ m ;所述金属结合剂的粒度为0.1?10 μ m。
[0013]所述立方氮化硼单晶的粒度为0.05?20 μπι。
[0014]所述立方氮化硼单晶为一种以上粒度复配；使用一种以上粒度的立方氮化硼单晶复配时，在选定一种粒度后，其余粒度尺寸差按照颗粒级配在1.5?5倍范围内选择，粒度极值不超过0.05?20 μ m。
[0015]一种上述的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，包括下列步骤:
[0016]I)取立方氮化硼单晶和陶瓷结合剂、金属结合剂进行湿混，后干燥得混合料；
[0017]2)将步骤I)所得混合料装入模具中，冷压成型，得成型块；
[0018]3)将步骤2)所得成型块装入碳杯中，与传压介质组装成组装块；
[0019]4)将步骤3)所得组装块进行高温高压合成处理后，随炉冷却并脱模，粉碎，即得。
[0020]步骤I)中，所述湿混用液体为无水乙醇，湿混形式为研磨，湿混时间为I?3h。
[0021]所述研磨是先将立方氮化硼单晶与湿混用液体先研磨5?1min后，再加入结合剂进行湿混。
[0022]步骤I)中所述干燥为真空高温干燥或真空冷冻干燥。
[0023]所述真空高温干燥的温度为60°C，真空度小于I X 14Pa,干燥时间为12h。
[0024]步骤2)中，所述冷压成型的压力为80?150MPa。
[0025]步骤4)中，所述高温高压合成的压力为4?7GPa，温度为1200?1500°C，保温保压时间为5?15min。
[0026]本发明的聚晶立方氮化硼磨料，以陶瓷结合剂和金属结合剂复配作为结合剂，与立方氮化硼单晶制成聚晶cBN磨料，该磨料具有微纳米级原始晶粒组成的细晶结构，具有微破碎性、自锐性和各向同性等优异性能，克服了单晶cBN磨料的钝化、解理和各向异性等缺陷；在磨削力和磨削热的综合作用下主动发生微破碎而形成新的锐利切削刃，降低磨削温度，提高加工质量；该磨料具有较高的力学性能，平均断裂载荷为35?80N，平均抗拉强度为1.5?3GPa ;可以作为单晶cBN磨料的替代品，适用于各种高效高精的磨削加工，具有很好的社会价值和经济效益，易于推广应用。
[0027]本发明的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，是将立方氮化硼单晶、陶瓷结合剂和金属结合剂湿混后，经冷压成型、组装、高温高压合成处理，所得聚晶立方氮化硼磨料具有微纳米级原始晶粒组成的细晶结构，具有微破碎性、自锐性和各向同性等优异性能，同时具有较高的载荷和强度，适用范围广；该制备方法工艺简单，操作方便，成本低，易于自动化控制，适合大规模工业化生产。
【附图说明】
[0028]图1为实施例1所得聚晶立方氮化硼磨料的结构示意图；
[0029]图2为实施例2所用立方氮化硼单晶的SEM图；
[0030]图3为与图2相对应的EDS能谱图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的说明。
[0032]实施例1
[0033]本实施例的聚晶立方氮化硼磨料，由以下体积百分比的组分组成:立方氮化硼单晶75%、结合剂25% ;其中，所述结合剂由以下质量百分比的组分组成:氮化钛80%、金属Al粉20%。所述立方氮化硼单晶的粒度为7?10 μ m。所述氮化钛的粒度为I?5 μ m ;所述金属Al粉的粒度为0.5?3 μ m。
[0034]本实施例的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，包括下列步骤:
[0035]I)取立方氮化硼单晶、无水乙醇在玛瑙研钵中研磨5min后，再加入氮化钛和金属Al粉，继续研磨2h完成湿混后，置于真空干燥箱中，在真空度小于I X 104Pa、温度为60°C条件下干燥12h，得混合料；
[0036]2)将步骤I)所得混合料装入模具中，在液压机上冷压成型，冷压成型的压力为90MPa，得成型块；
[0037]3)将步骤2)所得成型块装入碳杯中，并与传压介质组装成组装块；
[0038]4)将步骤3)所得组装块放入六面顶压机中，开动压机，给组装块施加4GPa的压力，然后加热到1200°C，并保温保压5min进行烧结；烧结完成后卸除压力，随炉冷却并脱模，将合成制品粉碎并分级，即得所述聚晶立方氮化硼磨料。
[0039]本实施例所得聚晶立方氮化硼磨料的结构如图1所示，磨料具有微纳米级原始晶粒组成的细晶结构。
[0040]本实施例所得聚晶立方氮化硼磨料的平均断裂载荷为35N，平均抗拉强度为
1.78GPa，其标准偏差为0.96。
[0041]实施例2
[0042]本实施例的聚晶立方氮化硼磨料，由以下体积百分比的组分组成:立方氮化硼单晶95%、结合剂5%;其中，所述结合剂由以下质量百分比的组分组成:氮化钛90%、金属Al粉10%。所述立方氮化硼单晶的粒度为I?3 μπι。所述氮化钛的