高韧性聚晶复合材料和高韧性聚晶刀片及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种高韧性聚晶复合材料，具体包括质量百分比分别为72%～92%的聚晶超硬相、7.5%～25%的结合剂、0.5%～15%的增韧剂，其中所述增韧剂为氧化铝晶须、氮化硅晶须、碳化硅晶须、碳纳米管和石墨烯中的一种或几种的组合。本发明还提供一种利用所述高韧性聚晶复合材料制得的高韧性聚晶刀片及制备方法，所述制备方法包括等静压成型、真空热处理活化、高温高压烧结步骤。所述高韧性聚晶刀片具有较好的韧性和切削性能，且制备工艺简单易行。
【专利说明】
高韧性聚晶复合材料和高韧性聚晶刀片及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及超硬材料领域，具体的说，涉及了一种高韧性聚晶复合材料和高韧性 聚晶刀片及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 超硬材料中的立方氮化硼、金刚石等材料因其耐热性能好、化学惰性强且具有较 高的硬度、较好的导热率，被广泛用于刀具行业，对难加工材料具有独特的加工优势，可满 足高硬度、高耐磨、高耐崩损性、耐高温的要求。随着材料科学的进步，对刀具材料的硬度、 耐磨性、韧性和强度的要求提出了更高的要求，理想的刀具材料应既具有极高的硬度、耐磨 性，有利于提高切削效率，有利于延长刀具耐用度，同时又要具有好的抗冲击韧性，使得其 能够承受大的切削力。如果韧性差，使用过程中容易出现"崩刃"现象，不仅破坏被加工工 件，甚至会对设备有所损害或出现对操作者的伤害事故，必须停止加工过程，更换新的刀 片，导致生产成本明显增加。
[0003] 中国专利CN201010542237.4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Si 3N4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 的使用寿命和企业的生产效率。中国专利201010615047.0还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!^^1151办 4、〇)和5102，能增强复合片的抗冲击性能，在 不降低复合片耐磨性的基础上，提高了材料的抗冲击韧性和稳定性，但上述方法都存在工 艺复杂、产品的韧性还需进一步改善的问题。
[0004] 为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种为了实现上述目的，本发明 所采用的技术方案是:一种高韧性聚晶复合材料，具体包括下述质量百分比的组分:聚晶超 硬相72%~92%、结合剂7.5%~25%，增韧剂0.5%~15%，其中，所述增韧剂为氧化铝晶须、氮化 硅晶须、碳化硅晶须、碳纳米管和石墨烯中的一种或几种的组合，优选地，所述碳纳米管为 多壁型碳纳米管。
[0006] 基于上述，所述聚晶超硬相为立方氮化硼、金刚石、碳化硼和碳化硅中的一种或几 种的组合。
[0007] 其中，所述立方氮化硼的粒度优选为0.05~25μηι、所述金刚石的粒度优选为0.05 ~20μηι、所述碳化硼的粒度优选为0.05~25μηι、所述碳化娃的粒度优选为0.05~20μηι。
[0008] 基于上述，所述结合剂为钴、铝、铜、镍、钨、钛、氮化钛、碳氮化钛、氧化铝、氧化硅、 氮化硅、碳化硅中的一种或几种的组合。
[0009] 本发明还提供一种高韧性聚晶刀片，所述高韧性聚晶刀片是由上述高韧性聚晶复 合材料制备的。
[0010] 本发明还提供一种高韧性聚晶刀片的制备方法，具体包括以下步骤： 将质量百分比分别为72%~92%的聚晶超硬相、7.5%~25%的结合剂，0.5%~15%的增韧 剂在惰性气体保护条件下进行混合，制得高韧性聚晶复合材料； 采用压力为160 MPa等静压成型工艺将所述高韧性聚晶复合材料压制成聚晶刀片生 坯，并采用真空热处理工艺对所述聚晶刀片生坯进行活化处理，其中，控制真空热处理的升 温速率为l〇°C/min、真空热处理温度为60(TC、真空热处理保温时间为20 min; 在烧结压力为3.5 X 109~6 X 109 Pa、烧结温度为1250 °C~1850 °C条件下对活化处理 后的所述高韧性聚晶刀片生坯进行烧结10 min~15 min即得高韧性聚晶刀片。
[0011] 本发明利用高韧性聚晶复合材料制得的聚晶刀片，充分利用具有纳米结构或高长 径比的晶须类增韧剂独有的特性高韧性及与结合剂较好的相容性，使得裂纹在扩展时发生 择或偏转，吸收能量而达到增韧目的；同时利用纳米粒子、高长径比的晶须与结合剂的良好 相容性，使基体对冲击能量的分散能力和吸收能力提高，导致韧性增大。
[0012] 具体地，本发明中的碳纳米管是一种一维量子材料，其主要由呈六边形排列的碳 原子组成的数层至数十层的同轴圆管构成，层与层之间保持约〇.34nm固定的距离，碳纳米 管的直径一般为2~20nm，在具有与金刚石相当的硬度的同时，还拥有良好的柔韧性;石墨 烯是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，既是最薄的材料，也是最强韧的材料， 断裂强度比最好的钢材还要高200倍；同时它又有很好的弹性，氧化铝晶须、氮化硅晶须、碳 化硅晶须等材料是一种二维片状或一维线性材料，可以使得聚晶复合材料在烧结过程中有 降低密度、并形成晶须交叉排布的显微结构，提高了材料的韧性。另一方面，同时结合剂中 的金属成分或陶瓷成分会滞留于聚晶超硬相晶界之间，形成裂纹传播壁皇，降低了裂纹的 传播能量，从而提高了聚晶刀片的韧性。
[0013] 本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明采 用含有碳纳米管、晶须和石墨烯等材料的增韧剂、含有金属陶瓷结合剂的高韧性聚晶复合 材料来制备聚晶刀片，充分利用碳纳米管、晶须和石墨烯等材料的固有特性与聚晶超硬相 有机结合，使得制备的聚晶刀片具有较高的断裂韧性和较高的抗冲击性能等特点，可以大 大避免"崩刃"现象，延长了使用寿命;且制备所述高韧性聚晶刀片生产工艺简单、原料易 得。
【具体实施方式】
[0014] 下面通过【具体实施方式】，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0015] 实施例1 本实施例提供一种高韧性聚晶复合材料，具体成分包括质量百分比为55%的粒度为3~ 5μπι立方氮化硼、质量百分比为17%的50 nm的金刚石颗粒、质量百分比为15%的碳化硅晶须 和质量百分比为13%粒度为2μπι的铝。
[0016]本实施例还提供一种由上述尚初性聚晶复合材料制备的尚初性聚晶刀片及尚初 性聚晶刀片的制备方法，该方法具体包括以下步骤： 在氮气保护条件下将质量百分比为55%粒度为3~5μπι立方氮化硼、质量百分比为17%的 50 nm的金刚石颗粒、质量百分比为15%碳化硅晶须和质量百分比为13%的粒度为2 μπι的铝 进行混合，制得高韧性聚晶复合材料； 采用压力为160 MPa等静压成型工艺将所述高韧性聚晶复合材料压制成聚晶刀片生 坯，并采用真空热处理工艺对所述聚晶刀片生坯进行活化处理，其中，控制真空热处理的升 温速率为l〇°C/min、真空热处理温度为60(TC、真空热处理保温时间为20 min; 在烧结压力为3.5 X 109 Pa、烧结温度为1850Γ条件下对活化处理后的所述高韧性聚 晶刀片生坯进行烧结12 min制得高韧性聚晶刀片。
[0017] 实施例2 本实施例提供一种高韧性聚晶复合材料，具体成分包括质量百分比为86%的粒度为10 ~20μπι的金刚石颗粒、质量百分比为5%的多壁型碳纳米管和质量百分比为9%的粒度为2 μπι 的钴粉。
[0018]本实施例还提供一种由上述尚初性聚晶复合材料制备的尚初性聚晶刀片及尚初 性聚晶刀片的制备方法，该方法具体步骤与实施例1中的步骤大致相同，不同之处在于采用 烧结压力为5.5 X 109 Pa、烧结温度为1550°C的烧结条件对活化处理后的所述高韧性聚晶刀 片生坯进行烧结12 min制得所述高韧性聚晶刀片。
[0019] 实施例3 本实施例提供一种高韧性聚晶组合物，具体包括质量百分比为55%的粒度为5~ΙΟμπι的 立方氮化硼颗粒、质量百分比为20%的粒度为50 nm的金刚石颗粒、质量百分比为2%的碳纳 米管和质量百分比为1%的石墨烯、质量百分比为10%的粒度为2 μπι的氮化铝、质量百分比为 12%的粒度为3μηι的钛粉。
[0020]本实施例还提供一种由上述尚初性聚晶组合物制备的尚初性聚晶刀片及尚初性 聚晶刀片的制备方法，该方法具体步骤与实施例1中的步骤大致相同，不同之处在于采用烧 结压力为4.5 X 109 Pa、烧结温度为1500°C的烧结条件对活化处理后的所述高韧性聚晶刀片 生坯进行烧结12 min制得所述高韧性聚晶刀片。
[0021] 实施例4 本实施例提供一种高韧性聚晶复合材料，具体包括质量百分比为42%的粒度为5~ΙΟμπι 的立方氮化硼颗粒、质量百分比为42%的粒度为1~2μπι的金刚石颗粒、质量百分比为8%的多 壁型碳纳米管、质量百分比为4.5%的粒度为Ιμπι的钨粉、质量百分比为2%的粒度为0.8μπι的 氧化钇粉、质量百分比为1.5%的碳氮化钛。
[0022]本实施例还提供一种由上述尚初性聚晶复合材料制备的尚初性聚晶刀片及尚初 性聚晶刀片的制备方法，该方法具体步骤与实施例1中的步骤大致相同，不同之处在于采用 烧结压力为6X109Pa、烧结温度为1250Γ的烧结条件对活化处理后的所述高韧性聚晶刀片 生坯进行烧结12 min制得所述高韧性聚晶刀片。
[0023] 实施例5 本实施例提供一种高韧性聚晶复合材料，具体成分包括质量百分比为13%的粒度为2~ 4μπι的立方氮化硼颗粒、质量百分比为25%的粒度为8~12μπι的立方氮化硼颗粒、质量百分比 为49%的粒度为20~25μπι的立方氮化硼颗粒、质量百分比为5%的石墨烯、质量百分比为7%的 粒度为lym的铝粉、质量百分比为1%的粒度为Ιμπι的镍粉。
[0024]本实施例还提供一种由上述尚初性聚晶复合材料制备的尚初性聚晶刀片及尚初 性聚晶刀片的制备方法，该方法具体步骤与实施例1中的步骤大致相同，不同之处在于采用 烧结压力为6X109Pa、烧结温度为1650Γ的烧结条件对活化处理后的所述聚晶刀片生坯进 行烧结12 min制得所述聚晶刀片。
[0025] 实施例6 本实施例提供一种高韧性聚晶组合物，具体成分包括质量百分比为10%的粒度为50 nm 的立方氮化硼颗粒、质量百分比为23%的粒度为2~4μπι的立方氮化硼颗粒、质量百分比为 37%的粒度为5~ΙΟμπι的立方氮化硼颗粒、质量百分比为5%的碳化硅晶须、质量百分比为6% 的粒度为lym的碳化钛、质量百分比为7%的粒度为Ιμπι的氮化钛、质量百分比为12%的粒度为 lym的氧化铝。
[0026]本实施例还提供一种由上述尚初性聚晶组合物制备的尚初性聚晶刀片及尚初性 聚晶刀片的制备方法，该方法具体步骤与实施例1中的步骤大致相同，不同之处在于采用烧 结压力为4.5 X 109 Pa、烧结温度为1550°C的烧结条件对活化处理后的所述高韧性聚晶刀片 生坯进行烧结12 min制得所述高韧性聚晶刀片。
[0027] 实施例7 本实施例提供一种高韧性聚晶复合材料，具体成分包括质量百分比为13%的粒度为2~ 4 μπι的立方氮化硼颗粒、质量百分比为25%的粒度为8~12μπι的立方氮化硼颗粒、质量百分 比为51%的粒度为20~25μπι的立方氮化硼颗粒、质量百分比为2%的碳纳米管和质量百分比 为1%石墨烯、质量百分比为7%的粒度为Ιμπι的铝粉、质量百分比为1%的粒度为Ιμπι的镍粉。 [00 28]本实施例还提供一种由上述尚初性聚晶复合材料制备的尚初性聚晶刀片及尚初 性聚晶刀片的制备方法，该方法具体步骤与实施例1中的步骤大致相同，不同之处在于采用 烧结压力为6X10 9Pa、烧结温度为1650Γ的烧结条件对活化处理后的所述聚晶刀片生坯进 行烧结12 min制得所述聚晶刀片。
[0029] 实施例8 本实施例提供一种高韧性聚晶复合材料，具体成分包括质量百分比为13%的粒度为2~ 4μπι的立方氮化硼颗粒、质量百分比为27%的粒度为8~12μπι的立方氮化硼颗粒、质量百分比 为51%的粒度为20~25μπι的立方氮化硼颗粒、质量百分比为1%石墨烯、质量百分比为7%的粒 度为Ιμπι的铝粉、质量百分比为1%的粒度为Ιμπι的镍粉。
[0030] 本实施例还提供一种由上述聚晶复合材料制备的聚晶刀片及其制备方法，该方法 具体步骤与实施例1中的步骤大致相同，不同之处在于采用烧结压力为6X10 9Pa、烧结温度 为1650°C的烧结条件对活化处理后的所述聚晶刀片生坯进行烧结12 min制得所述聚晶刀 片。
[0031] 对照组 本对照组提供一种聚晶复合材料，具体成分包括质量百分比为13%的粒度为2~4μπι的 立方氮化硼颗粒、质量百分比为28%的粒度为8~12μπι的立方氮化硼颗粒、质量百分比为51% 的粒度为20~25μπι的立方氮化硼颗粒、质量百分比为7%的粒度为Ιμπι的铝粉、质量百分比为 1%的粒度为Ιμπι的镍粉;未包含增韧剂成分。
[0032] 本实施例还提供一种由上述聚晶复合材料制备的聚晶刀片及其制备方法，该方法 具体步骤与实施例1中的步骤大致相同，不同之处在于采用烧结压力为6X10 9Pa、烧结温度 为1650°C的烧结条件对活化处理后的所述聚晶刀片生坯进行烧结12 min制得所述聚晶刀 片。
[0033] 切削、落锤验证 采用实施例1~8及对照实验组提供的高韧性聚晶刀片对HT250型灰铸铁刹车片材料进 行断续切削，记录各刀片切削崩刃时的累积切削时间。其中切削条件为：车削设备 CAK5085gi数控车床、车削速度V=200r/min、进给量f=0.6 mm/min、车削深度ap=2 mm;同时 采用CJ-50型冲击强度试验机对实施例1~8及对照实验组提供的高韧性聚晶刀片进行落锤 冲击试验，获得材料的抗冲击性能。
[0034]切削实验结果和抗冲击实验结果如表1所示，从表中可以看出，未含有增韧剂成分 的对照实验组中的聚晶刀片的累计切削时间和抗冲击试验数值最低，具体数值分别为290 s和5 J落锤1次，而同时含有增韧剂和金属陶瓷结合剂成分的聚晶刀片的切削累积时间为 350 s~476 s，落锤冲击试验数值最低为10 J落锤6次，最高为15 J落锤6次。由此可见，采 用含有碳纳米管、晶须和石墨烯等材料的增韧剂、含有金属陶瓷结合剂的高韧性聚晶复合 材料来制备聚晶刀片，能使得聚晶刀片具有较高的断裂韧性和较高的抗冲击性能等特点， 可以大大避免崩刃现象。
[0035]表1实施例1~8及对照实验组中聚晶刀片的添加剂成分及试验数值
最后应当说明的是：以上买施例1 乂用以说明本友明的扠木万案m非对其I很制；尽営参 照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以 对本发明的【具体实施方式】进行修改或者对部分技术特征进行等同替换;而不脱离本发明技 术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
【主权项】
1. 一种高韧性聚晶复合材料，其特征在于，它包括下述质量百分比的组分:聚晶超硬相 72%~92%、结合剂7.5%~25%、增韧剂0.5%~15%，其中，所述增韧剂为氧化铝晶须、氮化硅晶 须、碳化硅晶须、碳纳米管和石墨烯中的一种或几种的组合。2. 根据权利要求1所述的高韧性聚晶复合材料，其特征在于，所述聚晶超硬相为立方氮 化硼、金刚石、碳化硅和碳化硼中的一种或几种的组合。3. 根据权利要求2所述的高韧性聚晶复合材料，其特征在于，所述立方氮化硼的粒度为 0.05 ~25μπι。4. 根据权利要求2所述的高韧性聚晶复合材料，其特征在于，所述金刚石的粒度为0.05 ~20μπι。5. 根据权利要求2所述的高韧性聚晶复合材料，其特征在于，所述碳化硼的粒度为0.05 ~25μπι〇6. 根据权利要求2所述的高韧性聚晶复合材料，其特征在于，所述碳化硅的粒度为0.05 ~20μπι。7. 根据权利要求1~6任一项所述的高韧性聚晶复合材料，其特征在于，所述结合剂为 钴、铝、铜、镍、妈、钛、氮化钛、碳氮化钛、氧化铝、氧化娃、氮化娃、碳化娃中的一种或几种的 组合。8. -种高韧性聚晶刀片，其特征在于，所述高韧性聚晶刀片是由权利要求1~7任一项 所述的尚初性聚晶复合材料制备的。9. 一种高韧性聚晶刀片的制备方法，具体包括以下步骤： 将质量百分比分别为72%~92%的聚晶超硬相、7.5%~25%的结合剂，0.5%~15%的增韧 剂在惰性气体保护条件下进行混合，制得高韧性聚晶复合材料； 采用等静压成型工艺将所述高韧性聚晶复合材料压制成聚晶刀片生坯，并采用真空热 处理工艺对所述聚晶刀片生坯进行活化处理； 在烧结压力为3.5Χ109~6Χ109 Pa、烧结温度为1250°C~1850°C的条件下，烧结经过 活化处理的所述高韧性聚晶刀片生坯10 min~15 min，即得高韧性聚晶刀片。
【文档编号】C22C49/14GK105908041SQ201610267745
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】韩倩菲, 张颂
【申请人】富耐克超硬材料股份有限公司