一種聚晶立方氮化硼復合片的制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種聚晶立方氮化硼（PcBN）復合片的制備方法，該方法采用金屬片熔滲法，具體步驟是：在高溫高壓條件下（HPHT，4.8～5.2GPa,1400～1550℃），采用厚度為0.05-0.2mm的金屬片（Ni75Mn16Co9、Ti、Al等）作為燒結助劑，微米級立方氮化硼（cBN粒徑≥3μm）粉末與硬質合金（WC-Co）作為原材料制備PcBN復合片。由于本發明所述的制備PcBN方法是通過金屬片及基體的相互式熔滲技術，其助劑能夠有效地熔滲到立方氮化硼粉末層及硬質合金基體，cBN聚晶層內形成氮化硼、合金固溶體、金屬陶瓷等燒結相，其燒結體組織結構均勻致密，并與硬質合金基體形成高強度的復合，同時提高了基體韌性。該方法操作性強，可以消除粉末混料工序引入的污染，合成的PcBN產品穩定性高，適用于冷硬鑄鐵、耐熱合金及淬硬鋼等材料的精密加工領域。
【專利說明】一種聚晶立方氮化硼復合片的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于切削刀具材料制造領域，具體的說是一種立方氮化硼含量可控、穩定性高的優質聚晶立方氮化硼(PcBN)復合片的制備方法。
【背景技術】
[0002]立方氮化硼(cBN)是繼人造金剛石問世后出現的又一種新型高新技術超硬材料。它的硬度僅次于金剛石，但熱穩定性遠高于金剛石，對鐵系金屬元素有較大的化學穩定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優異，不僅能勝任難磨材料的加工，提高生產率，還能有效地提高工件的磨削質量。立方氮化硼的使用是對金屬加工的一大貢獻，導致磨削發生革命性變化，是磨削技術的第二次飛躍。
[0003]現代機械加工技術正朝著高精度、高效率、柔性化和自動化方向飛速發展，新型技術設備和數控機床、加工中心以及性能極為優良的新材料應用日益廣泛，因而對刀具的要求越來越高。作為立方氮化硼工具的一種重要應用材料，聚晶立方氮化硼(PcBN)刀具以其優越的性能充分體現了現代制造業對材料的要求。PcBN刀具特別適合各種黑色金屬的硬態切削，實現以車代磨。不僅提高拉加工效率，而且大幅度降低了加工成本，主要切削各種淬硬鋼、工具鋼、模具鋼、軸承鋼(HRC45-70 )、冷硬鑄鐵、高鉻鑄鐵、鎳基及鈷基高溫合金、各種難加工灰口鑄鐵、其它難加工黑色材料等。由于立方氮化硼硬度遠高于陶瓷和硬質合金，制備的刀具壽命為陶瓷刀具的3-5倍，硬質合金刀具的5-15倍。
[0004]PcBN復合片，是在高溫高壓(4.8?5.2GPa, 1400?1550 V )條件下將獨立的立方氮化硼粉末顆粒依靠燒結相粘結，使整個立方氮化硼粉末層燒結成為高強度“混凝土”結構的燒結型cBN聚晶(厚度0.5-2.0mm),并與硬質合金基體燒結復合，形成一體的復合材料。由于PcBN材料因制造方法、復合途徑及燒結機理不同，其產品性能也將表現出明顯的差異。從目前應用結合以上分析看出，磨耗比不再是主要指標，因為幾種體系復合片產品其磨耗比都可滿足要求，高溫抗磨損、粘結能力和抗沖擊韌性這兩個指標因此提升到主要位置。從這一角度來看這種金屬陶瓷助劑型PcBN復合片具有更大優勢。目前，在制備PcBN的方法上，采用的都是立方氮化硼與粘結劑粉末混合的燒結方法，其特征是立方氮化硼與粘結劑的含量配比通常很難達到最優，合成條件區間較窄，同時會帶來如燒結組織結構不均勻，“架橋”、“團聚”現象，產品穩定重復性差等問題，嚴重的影響PcBN工具的性能。
[0005]因此，可實現高效率、高穩定性、高精度，長壽命的PcBN超硬材料的制備工藝方法是超硬材料制造行業的一個重要發展方向，PcBN刀具產品的應用將會日益普及，而立方氮化硼工具的需求仍將保持每年10%以上的速度增長。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種可操作性強，產品合格率高的聚晶立方氮化硼(PcBN)復合片的制備方法，使其能夠有效地調節氮化硼與粘結劑的含量配比，改善cBN聚晶燒結組織結構及致密性，同時能夠有效地降低粉末混料工序引入的“團聚”、“架橋”現象等缺陷，制備的PcBN復合片可以根據工具要求，經過激光切割和焊接制作成不同角度牌號的刀具。
[0007]本發明的目的是這樣實現的，該方法包括以下步驟:
①、選取相同片徑的金屬片與硬質合金基體，微米級立方氮化硼粉末作為原材料；
②、將上述①中選取的金屬片、硬質合金基體和凈化后的微米級立方氮化硼粉末放入鑰杯中進行組裝，組裝方式是從下至上依次為金屬片，凈化的微米級立方氮化硼粉末，硬質合金基體；
③、將②組裝的鑰杯經過預壓成型、真空預燒處理、葉臘石復合塊組裝、高壓燒結程序完成聚晶氮化硼復合片的制備。
[0008]所述的金屬片是Ni75Mn16Ccv Ti或Al，厚度0.05_0.2mm ;硬質合金基體型號選YG8-YG13，厚度≥2mm ;微米級立方氮化硼粉末粒徑是≥3 μ m。
[0009]所述的預壓成型后的立方氮化硼粉末層的厚度是1_2mm。
[0010]所述的預壓成型、真空預燒處理、葉臘石復合塊腔體組裝、高壓燒結過程是將②組裝的鑰杯經過40MPa預壓成型，真空700°C熱處理Ih后放入帶有鹽管的石墨加熱管套件中，最后將所有部件一并放入葉臘石復合塊組裝。采用“旁熱式”加熱方式，在六面頂壓機上進行高溫高壓合成，復合片的合成條件為4.8~5.2GPa, 1400~1550 °C，燒結保溫時間為3-10mino
[0011]本發明的有益效果如下:
1、本發明采用金屬片的熔滲方法能夠調節cBN聚晶層中cBN與粘結劑的配比，燒結結構致密均勻，合成重復性好，減少了粉末混料工序，可操作性強。
[0012]2、本發明燒結方法通過金屬片與硬質合金基體的掃越式熔滲燒結，cBN聚晶層與硬質合金基體界面結合強度高。
[0013]3、由于本發明所述的制備PcBN方法是通過金屬片及硬質合金基體的相互式熔滲技術，其助劑能夠有效地熔滲到立方氮化硼粉末層及硬質合金基體，cBN聚晶層內形成立方氮化硼、合金固溶體、金屬陶瓷等燒結相，其燒結體組織結構均勻致密，并與硬質合金基體形成高強度的復合，同時提高了基體韌性。該方法操作性強，可以減少粉末混料工序引入的污染，合成的PcBN產品穩定性高，適用于冷硬鑄鐵、耐熱合金及淬硬鋼等材料的精密加工領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明聚晶立方氮化硼復合片的原材料和鑰杯組裝圖；
圖2是本發明工藝中的葉臘石復合塊腔體組裝截面圖。
【具體實施方式】
[0015]圖1中標號:金屬片1、立方氮化硼粉末2、硬質合金基體3、鑰杯4 ；
圖2中標號:葉臘石復合塊5、鹽管6、加熱石墨管7、原材料和鑰杯組裝件8、導電鋼帽
9、導電金屬片10、保溫石墨片11、鹽片12。
[0016]實施例1
如附圖1、2所示:選取厚0.2mm 直徑14.7mm的Ni75Mn16Co9金屬合金片，粒徑3-5 μ m、質量0.65g的cBN粉末，與金屬片相同片徑、厚度3mm的YG8硬質合金基體作為原材料，按照金屬片1、立方氮化硼粉末2和硬質合金基體3從下至上的順序放入內徑14.8mm的鑰杯4中經過40MPa預壓成型，真空700°C凈化熱處理Ih后放入帶有鹽管6的加熱石墨管7套件中，最后將對頂兩片的原材料和鑰杯組裝件8及部件9-12 —并放入葉臘石復合塊5中，葉臘石復合塊5尺寸為37.5mmX 37.5mmX 37.5mm,合成腔體直徑為23mm,石墨管7內徑為18mm,高26mm。PcBN復合片在六面頂壓機上進行高溫高壓合成，合成條件為5GPa, 1450 V,燒結保溫時間6min后慢降溫到室溫,卸壓后得到Φ 14mmX 5mm的PcBN復合片。
[0017]實施例2
如附圖1、2所示:選取厚0.1mm直徑14.7mm的Ti片，粒徑3_5 μ m質量0.65g的cBN粉末，與金屬片相同片徑、厚度3mm的YG8硬質合金基體作為原材料，按照金屬片I立方氮化硼粉末2和硬質合金基體3從下至上的順序放入內徑14.8mm的鑰杯4中，經過40MPa預壓成型，真空700°C凈化熱處理Ih后放入帶有鹽管6的加熱石墨管7套件中，最后將對頂兩片的原材料和鑰杯組裝件8及部件9-12 —并放入葉臘石復合塊5中，葉臘石復合塊5尺寸為37.5mmX 37.5mmX 37.5mm,合成腔體直徑為23mm,石墨管7內徑為18mm,高26mm。PcBN復合片在六面頂壓機上進行高溫高壓合成，合成條件為5GPa，1500 °C，燒結保溫時間6min后慢降溫到室溫，卸壓后得到Φ 14mmX 5mm的PcBN復合片。
【權利要求】
1.一種聚晶立方氮化硼復合片的制備方法，該聚晶立方氮化硼復合片采用金屬片，微米級立方氮化硼粉末和硬質合金基體材料在高溫高壓下燒結制成，其特征在于:該方法包括以下步驟: ①、選取相同片徑的金屬片與硬質合金基體，微米級立方氮化硼粉末作為原材料； ②、將上述①中選取的金屬片、硬質合金基體和立方氮化硼粉末放入鑰杯中進行組裝，組裝方式從下至上依次為金屬片，立方氮化硼粉末，硬質合金基體； ③、將②組裝的鑰杯經過預壓成型、真空預燒處理、葉臘石復合塊腔體組裝、高壓燒結程序完成聚晶立方氮化硼復合片的制備。
2.根據權利要求1所述的一種聚晶立方氮化硼復合片的制備方法，其特征在于:所述的金屬片根據實際加工對象需要是金屬合金或單質，Ni75Mn16Co9、T1、Al其中的一種，厚度為0.05-0.20mm。
3.根據權利要求1所述的一種聚晶立方氮化硼復合片的制備方法，其特征在于:所述的立方氮化硼粉末要求凈化處理掉雜質，所選的微米級立方氮化硼粉末平均粒徑> 3 μ m,為3-5 μ m、5-10 μ m、10-15 μ m單一粒度或者幾種粒度的混合；所述的預壓成型后的立方氮化硼粉末層厚度為l_2mm，立方氮化硼粉末所占聚晶立方氮化硼燒結體的質量比例為40-90%ο
4.根據權利要求1所述的一種聚晶立方氮化硼復合片的制備方法，其特征在于:所述的硬質合金基體型號選YG8-YG13，厚度≤2mm。
5.根據權利要求1所述的一種聚晶氮化硼復合片的制備方法，其特征在于:所述鑰杯作為屏蔽防污染裝置，壁厚為0.08-0.12mm,能夠將金屬片，立方氮化硼粉末和硬質合金基體材料緊配合密閉封裝。
6.根據權利要求1所述的一種聚晶立方氮化硼復合片的制備方法，其特征在于:所述的預壓成型、真空預燒處理、葉臘石復合塊腔體組裝、高壓燒結過程是將②組裝的鑰杯經過40MPa預壓成型，真空700°C熱處理Ih后放入帶有鹽管的石墨加熱管套件，最后將所有部件一并放入葉臘石復合塊中組裝；采用“旁熱式”加熱方式，在六面頂壓機上進行高溫高壓合成，復合片的合成條件為4.8~5.2GPa，1400~1550 °C，燒結保溫時間為3-lOmin。
【文檔編號】B22F3/14GK103537699SQ201210238713
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月11日 優先權日:2012年7月11日
【發明者】賈洪聲, 李海波, 鄂元龍 申請人:吉林師范大學