一種鍍鎳立方氮化硼復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種鍍鎳立方氮化硼復合材料及其制備方法，該鍍鎳立方氮化硼復合材料是將鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑混合后，經放電等離子體燒結制成的；其中，所述鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑的體積比為(30～90):(10～70)。該鍍鎳立方氮化硼復合材料所用鍍鎳立方氮化硼粉體表面金屬化，在放電等離子燒結工藝中，有利于脈沖電流在粉體間的傳導和放電，燒結的鎳金屬涂層將cBN顆粒與結合劑牢固結合起來，同時使cBN顆粒內部的缺陷“微裂紋”微小空洞得到彌補，進而提高磨料的顆粒強度；還可以起到隔氧保護、減輕熱損傷程度等作用；該鍍鎳立方氮化硼復合材料致密度高、強度高，具有良好的耐磨性能和長的使用壽命，適合推廣使用。
【專利說明】
一種鍍鎳立方氮化硼復合材料及其制備方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于超硬復合材料技術領域，具體涉及一種鍍鎳立方氮化硼復合材料，同時還涉及一種鍍鎳立方氮化硼復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]立方氣化棚(cBN)具備許多的優異性能，如尚硬度、尚耐磨性、尚的熱穩定性等，cBN的熱穩定性和對鐵族元素及其合金的化學惰性優于金剛石，因而特別適用于鐵系合金的加工磨削，廣泛用于鋼鐵制品的精密加工、研磨。由于合成大尺寸、高質量的cBN單晶非常困難，所以目前通常是將cBN微粉和結合劑制備成cBN/結合劑復合材料來滿足工業應用。
[0003]立方氮化硼聚晶材料是具有卓越性能表現的一種刀具材料，由于其具有與鐵族元素非常高的化學惰性，因此在高韌性、高耐磨、高強度黑色金屬材料工具的加工中發揮著不可替代的作用。制備立方氮化硼聚晶材料的傳統工藝是采用高溫高壓法，雖然這項技術不斷完善，但依然存在著樣品尺寸小、設備難以維護調整等諸多問題。
[0004]放電等離子體燒結工藝是一種新型的材料制備技術，其具有加熱速率快、樣品尺寸大、設備操作簡單、易于維護等優點，近年來獲得廣泛的應用。現有技術中，趙玉成等在《放電等離子燒結制備立方氮化硼聚晶》(金剛石與磨料磨具工程，2007年8月)一文中，公開了采用放電等離子燒結工藝在氮氣氣氛中制備以Si3N4-AlN-Al2O3-Y2O3-BN系的立方氮化硼聚晶；其實驗方法是采用平均粒徑為20?50μπι的Si3N4、AlN、Al203、Y203以及5μπι和ΙΟμπι的cBN微粉配料后，采用濕式球磨混勻，干燥后，將混合粉料裝填于石墨模具中，按300°C/min的升溫速率升溫，在氮氣氣氛條件下，在1250°C α 350 °C、1450°(:和3010^的壓力下進行燒結，保溫時間為5min，隨爐冷卻;該方法可制備出致密的立方氮化硼聚晶燒結體，氮化硼依然保持立方結構。
[0005]CN103920984B公開了一種雙材料組合式攪拌摩擦焊攪拌頭，解決現有技術存在的攪拌頭耐磨性差等問題;其攪拌針是由以下方法制備的:采用顆粒大小為30-50μπι、純度為99.99%的附、0)、1^、111金屬混合制備成粉狀粘結合金，將其與08~顆粒(80-12(^111)混合均勻，采用放電等離子燒結技術制備cBN超硬耐磨復合材料，制造攪拌針;采用放電等離子燒結技術制備cBN超硬耐磨復合材料的常規工藝參數為:真空度控制在2 X 12Pa以上，燒結溫度700-1000°C，軸向壓力20-30MPa，保溫時間3-10min。所得的cBN超硬耐磨復合材料具有一定的致密性、抗沖擊性和耐磨性。
[0006]但是，上述方法中所用的超硬粉體均為cBN粉體，cBN粉體與金屬原子鍵結構有著本質的不同，具有特殊的物理化學性能，表現出非常穩定的電子配位，很難被熔化的金屬所潤濕。由于cBN粉體與大部分金屬、陶瓷甚至樹脂等結合劑之間無界面結合力，僅靠結合劑對cBN顆粒的機械鑲嵌作用制備刀具或磨具，故在使用過程中易脫落、流失，從而使刀具或磨具的加工效率和使用壽命大大降低。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種鍍鎳立方氮化硼復合材料，解決現有cBN粉體與結合劑之間無界面結合力，僅靠結合劑對cBN顆粒的機械鑲嵌作用制備復合材料所造成的加工效率低、使用壽命短的問題。
[0008]本發明的第二個目的是提供一種上述鍍鎳立方氮化硼復合材料的制備方法。
[0009]為了實現以上目的，本發明所采用的技術方案是:
[0010]—種鍍鎳立方氮化硼復合材料，是將鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑混合后，經放電等離子體燒結制成的；其中，所述鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑的體積比為(30?90):(10 ?70)。
[0011]所述放電等離子體燒結的燒結壓力為30?I 1MPa，燒結溫度為800?1450°C，保溫時間為10?60min。
[0012]所述結合劑為金屬粉體與陶瓷粉體混合制成的金屬陶瓷結合劑;所述金屬粉體為八1、11中的任意一種或組合，所述陶瓷粉體為1^1^^1203^113丨3他、￥203中的任意一種或組合。優選的，所述金屬陶瓷結合劑中，金屬粉體的質量百分含量為5%?30%。
[0013]所述鍍鎳立方氮化硼粉體是由包括以下步驟的方法制備的:
[0014]I)取立方氮化硼微粉，依次進行酸化處理和表面活化處理，得活化粉體；
[0015]2)將步驟I)所得活化粉體置于化學鍍液中，在超聲條件下進行化學鍍鎳，后分離，得鍍鎳立方氮化硼粉體。
[0016]所用立方氮化硼微粉為微米級。優選的，所述立方氮化硼微粉的粒徑為10?40μπι。
[0017]步驟I)中，酸化處理所用的酸為鹽酸。所述鹽酸的質量濃度為36.5%。酸化處理后，將立方氮化硼微粉用無水乙醇洗至中性。酸化處理的作用是增加立方氮化硼微粉的表面粗糙度，活化立方氮化硼表面，有利于鍍覆過程中鎳的沉積，同時提高后續鍍覆時鍍層與微粉的結合力。
[0018]步驟I)中，所述表面活化處理是指將立方氮化硼微粉浸在氯化鈀溶液中，使其表面敏化、活化。表面敏化、活化有利于鍍覆過程中鎳沉積在立方氮化硼微粉表面。優選的，所述氯化鈀溶液的濃度為3?7g/L;浸泡時間為5?15min。
[0019]步驟I)中，所述還原處理是指將立方氮化硼微粉浸入聯氨溶液中進行浸泡還原。優選的，所述聯氨溶液的濃度為3?7g/L;浸泡時間為5?15min。經過還原處理的立方氮化硼微粉不經水洗直接加入化學鍍液中進行化學鍍。
[0020]步驟2)中，所述化學鍍液的主要成分為硫酸鎳、聯氨、檸檬酸鈉和硫脲。優選的，所述化學鍍液含有以下濃度的成分:硫酸鎳30g/L、聯氨20?90g/L、檸檬酸鈉20?90g/L、硫脲10?20mg/L。所述聯氨在配制化學鍍液時，采用質量濃度為80%的水合聯氨進行配制。所述化學鍍液的用量為:每2?6g活化粉體使用IL化學鍍液。
[0021]步驟2)中，所述超聲條件的超聲功率為40?60W。超聲波有效引起化學鍍鍵的共振，顆粒分散更加均勻，還可以加速物質之間的轉化與轉動，提高鍍液中粒子的分散性，從而提尚鏈銀質量。
[0022]步驟2)中，化學鍍鎳的鍍覆時間為30?60min。
[0023]上述所得的鍍鎳立方氮化硼，是依次對立方氮化硼(cBN)進行酸化、表面活化、還原的表面處理后，再超聲輔助通過化學鍍鎳的方法制備的；該鍍鎳立方氮化硼中，鍍鎳層對立方氮化硼微粉的包覆均勻，鍍鎳層與立方氮化硼的結合緊密，結合強度高，結合效果好；鍍鎳層改善了原料立方氮化硼微粉表面棱角分明的情況，增加了表面粗糙度。cBN顆粒表面金屬化后，采用該鍍鎳立方氮化硼制備鍍鎳立方氮化硼復合材料，鍍鎳層提高了結合劑對cBN粉體的粘結性能，能夠改善結合劑與cBN顆粒之間的結合狀態，從而提高復合材料的強度、耐磨性及使用壽命。
[0024]本發明的鍍鎳立方氮化硼復合材料，是將鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑混合后，經放電等離子體燒結制成;所用鍍鎳立方氮化硼粉體表面金屬化，在放電等離子燒結工藝中，有利于脈沖電流在粉體間的傳導和放電，燒結的鎳金屬涂層將cBN顆粒與結合劑牢固結合起來，同時使cBN顆粒內部的缺陷“微裂紋”微小空洞得到彌補，進而提高磨料的顆粒強度;還可以起到隔氧保護、減輕熱損傷程度等作用；該鍍鎳立方氮化硼復合材料致密度高、強度高，具有良好的耐磨性能和長的使用壽命，適合推廣使用。
[0025]—種上述的鍍鎳立方氮化硼復合材料的制備方法，包括將鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑混合后，經放電等離子體燒結，即得;其中，所述鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑的體積比為(30?90): (10?70) ο
[0026]本發明的鍍鎳立方氮化硼復合材料的制備方法中，鍍鎳立方氮化硼粉體良好的導電性有利于放電等離子燒結工藝的進行，傳統的放電等離子燒結立方氮化硼復合材料是通過添加一定量的金屬結合劑來提高粉體的導電性，本發明采用包覆工藝(鍍鎳立方氮化硼)和放電等離子燒結的工藝相結合的方法，包覆后的立方氮化硼粉體有利于脈沖電流在粉體間的傳導和放電，產生等離子體，生產效率高，所得產品質量好。此外，包覆的鍍鎳層一方面避免了粉末內放電產生的瞬間高溫對立方氮化硼表面的破壞，另一方面增強了 cBN粉體與結合劑的潤濕性，提高立方氮化硼聚晶材料的燒結性能，使燒結體內孔隙減小，界面結合力增強。
[0027]本發明的鍍鎳立方氮化硼復合材料的制備方法，工藝簡單，操作方便，生產效率高，且易于進行自動化控制，適合大規模工業化生產。
【附圖說明】
[0028]圖1為實施例1所用的原料立方氮化硼微粉的掃描電子顯微圖；
[0029]圖2為實施例1所得鍍鎳立方氮化硼粉體的掃描電子顯微圖；
[0030]圖3為實施例1所得鍍鎳立方氮化硼粉體的XRD圖譜；
[0031 ]圖4為實施例1所得鍍鎳立方氮化硼復合材料的掃描電子顯微圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合【具體實施方式】對本發明作進一步的說明。
[0033]實施例1
[0034]本實施例所用的鍍鎳立方氮化硼，是由以下方法制備的:
[0035]I)取粒度為20?40μπι的立方氮化硼微粉，用質量濃度為36.5%的鹽酸對立方氮化硼微粉進行酸化處理，后用無水乙醇洗至中性，浸在濃度為5g/L的氯化鈀溶液中1min使其表面敏化、活化，取出后再浸入濃度為5g/L的聯氨溶液中1min進行浸泡還原處理，后分離得活化粉體；
[0036]2)將步驟I)所得活化粉體置于化學鍍液中，在超聲條件(超聲功率50W)下進行化學鍍鎳，鍍覆時間為30min;鍍覆結束后，經沉淀分離、洗滌烘干，得鍍鎳立方氮化硼粉體。其中，所用的化學鍍液包含以下組分:硫酸鎳30g/L、聯氨60g/L、檸檬酸鈉50g/L、硫脲20mg/L;所述化學鍍液的用量為:每4g活化粉體使用IL化學鍍液。
[0037]本實施例的鍍鎳立方氮化硼復合材料，是采用上述所得鍍鎳立方氮化硼粉體制備的；制備方法為:
[0038]將鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑按照體積比為65:35的比例混合均勻后，采用放電等離子體燒結技術進行燒結，即得鍍鎳立方氮化硼復合材料;其中，放電等離子體燒結技術的燒結壓力為30MPa，燒結溫度為1100°C，保溫時間為30min。所用結合劑為金屬陶瓷結合劑，由以下質量百分比的組分組成:Al 10%、Ti 12.5%、TiN 35%、TiC 35% ^Al2O3 7.5%0
[0039]分別對本實施例所用原料立方氮化硼微粉、所得鍍鎳立方氮化硼粉體和所得鍍鎳立方氮化硼復合材料進行檢測，結果如圖1-4所示。圖1為所用的原料立方氮化硼微粉的掃描電子顯微圖，從圖1可以看出，原料立方氮化硼微粉顆粒表面光滑，棱角均勻。圖2和圖3分別為所得鍍鎳立方氮化硼粉體的掃描電子顯微圖和XRD圖譜，從圖2、3可以看出，鎳成功包覆于立方氮化硼粉體表面，且取得了較好的包覆效果。圖4為所得鍍鎳立方氮化硼復合材料的掃描電子顯微圖，從圖4可以看出，所得試樣內部結構比較致密，鎳包覆后的cBN顆粒與結合劑有很好的界面結合效果。
[0040]經檢測，本實施例所得鍍鎳立方氮化硼復合材料的致密度為97.23%，硬度為46.2GPa。
[0041 ] 實施例2
[0042]本實施例所用的鍍鎳立方氮化硼，是由以下方法制備的:
[0043]I)取粒度為10?20μπι的立方氮化硼微粉，用質量濃度為36.5%的鹽酸對立方氮化硼微粉進行酸化處理，后用無水乙醇洗至中性，浸在濃度為5g/L的氯化鈀溶液中1min使其表面敏化、活化，取出后再浸入濃度為5g/L的聯氨溶液中1min進行浸泡還原處理，后分離得活化粉體；
[0044]2)將步驟I)所得活化粉體置于化學鍍液中，在超聲條件(超聲功率50W)下進行化學鍍鎳，鍍覆時間為45min;鍍覆結束后，經沉淀分離、洗滌烘干，得鍍鎳立方氮化硼粉體。其中，所用的化學鍍液包含以下組分:硫酸鎳30g/L、聯氨60g/L、檸檬酸鈉50g/L、硫脲20mg/L;所述化學鍍液的用量為:每4g活化粉體使用IL化學鍍液。
[0045]本實施例的鍍鎳立方氮化硼復合材料，是采用上述所得鍍鎳立方氮化硼粉體制備的；制備方法為:
[0046]將鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑按照體積比為45:55的比例混合均勻后，采用放電等離子體燒結技術進行燒結，即得鍍鎳立方氮化硼復合材料;其中，放電等離子體燒結技術的燒結壓力為70MPa，燒結溫度為1250°C，保溫時間為60min。所用結合劑為金屬陶瓷結合劑，由以下質量百分比的組分組成:Ti 10%、TiN 25%、TiC 35%、A1N 20% ^Al2O3 10%。
[0047]經檢測，本實施例所得鍍鎳立方氮化硼復合材料的致密度為98.90%，硬度為48.3GPa。
[0048]實施例3
[0049]本實施例所用的鍍鎳立方氮化硼，是由以下方法制備的:
[0050]I)取粒度為20?30μπι的立方氮化硼微粉，用質量濃度為36.5%的鹽酸對立方氮化硼微粉進行酸化處理，后用無水乙醇洗至中性，浸在濃度為5g/L的氯化鈀溶液中1min使其表面敏化、活化，取出后再浸入濃度為5g/L的聯氨溶液中1min進行浸泡還原處理，后分離得活化粉體；
[0051]2)將步驟I)所得活化粉體置于化學鍍液中，在超聲條件(超聲功率50W)下進行化學鍍鎳，鍍覆時間為60min;鍍覆結束后，經沉淀分離、洗滌烘干，得鍍鎳立方氮化硼粉體。其中，所用的化學鍍液包含以下組分:硫酸鎳30g/L、聯氨60g/L、檸檬酸鈉50g/L、硫脲20mg/L;所述化學鍍液的用量為:每4g活化粉體使用IL化學鍍液。
[0052]本實施例的鍍鎳立方氮化硼復合材料，是采用上述所得鍍鎳立方氮化硼粉體制備的；制備方法為:
[0053]將鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑按照體積比為70:30的比例混合均勻后，采用放電等離子體燒結技術進行燒結，即得鍍鎳立方氮化硼復合材料;其中，放電等離子體燒結技術的燒結壓力為I 1MPa，燒結溫度為1300 V，保溫時間為20min。所用結合劑為金屬陶瓷結合劑，由以下質量百分比的組分組成:Al 5%,Ti 10%,TiN 43%,AlN 35%,Al2O3 7%0
[0054]經檢測，本實施例所得鍍鎳立方氮化硼復合材料的致密度為97.15%，硬度為47.5GPa。
[0055]實施例4
[0056]本實施例所用的鍍鎳立方氮化硼，是由以下方法制備的:
[0057]I)取粒度為10?40μπι的立方氮化硼微粉，用質量濃度為36.5%的鹽酸對立方氮化硼微粉進行酸化處理，后用無水乙醇洗至中性，浸在濃度為3g/L的氯化鈀溶液中15min使其表面敏化、活化，取出后再浸入濃度為3g/L的聯氨溶液中15min進行浸泡還原處理，后分離得活化粉體；
[0058]2)將步驟I)所得活化粉體置于化學鍍液中，在超聲條件(超聲功率40W)下進行化學鍍鎳，鍍覆時間為50min;鍍覆結束后，經沉淀分離、洗滌烘干，得鍍鎳立方氮化硼粉體。其中，所用的化學鍍液包含以下組分:硫酸鎳30g/L、聯氨90g/L、檸檬酸鈉90g/L、硫脲15mg/L;所述化學鍍液的用量為:每6g活化粉體使用IL化學鍍液。
[0059]本實施例的鍍鎳立方氮化硼復合材料，是采用上述所得鍍鎳立方氮化硼粉體制備的；制備方法為:
[0060]將鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑按照體積比為30:70的比例混合均勻后，采用放電等離子體燒結技術進行燒結，即得鍍鎳立方氮化硼復合材料;其中，放電等離子體燒結技術的燒結壓力為90MPa，燒結溫度為800 V，保溫時間為50min。所用結合劑為金屬陶瓷結合劑，由以下質量百分比的組分組成:Al 8%,Ti 10%,TiN 35%,AlN 30%,Al2O3 7%,Y2O310%。
[0061]經檢測，本實施例所得鍍鎳立方氮化硼復合材料的致密度為98.82%，硬度為48.6GPa0
[0062]實施例5
[0063]本實施例所用的鍍鎳立方氮化硼，是由以下方法制備的:
[0064]I)取粒度為10?40μπι的立方氮化硼微粉，用質量濃度為36.5%的鹽酸對立方氮化硼微粉進行酸化處理，后用無水乙醇洗至中性，浸在濃度為7g/L的氯化鈀溶液中5min使其表面敏化、活化，取出后再浸入濃度為7g/L的聯氨溶液中5min進行浸泡還原處理，后分離得活化粉體；
[0065]2)將步驟I)所得活化粉體置于化學鍍液中，在超聲條件(超聲功率60W)下進行化學鍍鎳，鍍覆時間為40min;鍍覆結束后，經沉淀分離、洗滌烘干，得鍍鎳立方氮化硼粉體。其中，所用的化學鍍液包含以下組分:硫酸鎳30g/L、聯氨20g/L、檸檬酸鈉20g/L、硫脲10mg/L;所述化學鍍液的用量為:每2g活化粉體使用IL化學鍍液。
[0066]本實施例的鍍鎳立方氮化硼復合材料，是采用上述所得鍍鎳立方氮化硼粉體制備的；制備方法為:
[0067]將鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑按照體積比為90:10的比例混合均勻后，采用放電等離子體燒結技術進行燒結，即得鍍鎳立方氮化硼復合材料;其中，放電等離子體燒結技術的燒結壓力為50MPa，燒結溫度為1450 V，保溫時間為1min。所用結合劑為金屬陶瓷結合劑，由以下質量百分比的組分組成:Al 6%,Ti 9%,TiN 35%,AlN 35%,Si3N4 8%,Al2O37%。
[0068]經檢測，本實施例所得鍍鎳立方氮化硼復合材料的致密度為98.52%，硬度為47.8GPa0
【主權項】
1.一種鍍鎳立方氮化硼復合材料，其特征在于:是將鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑混合后，經放電等離子體燒結制成的；其中，所述鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑的體積比為(30?90):(10?70)。2.根據權利要求1所述的鍍鎳立方氮化硼復合材料，其特征在于:所述放電等離子體燒結的燒結壓力為30?llOMPa，燒結溫度為800?1450°C，保溫時間為10?30min。3.根據權利要求1所述的鍍鎳立方氮化硼復合材料，其特征在于:所述結合劑為金屬粉體與陶瓷粉體混合制成的金屬陶瓷結合劑;所述金屬粉體為Al、Ti中的任意一種或組合，所述陶瓷粉體為TiN、TiC、Al203、AlN、Si3N4、Y203中的任意一種或組合。4.根據權利要求1所述的鍍鎳立方氮化硼復合材料，其特征在于:所述鍍鎳立方氮化硼粉體是由包括以下步驟的方法制備的: 1)取立方氮化硼微粉，依次進行酸化處理、表面活化處理和還原處理，得活化粉體； 2)將步驟I)所得活化粉體置于化學鍍液中，在超聲條件下進行化學鍍鎳，后分離，得鍍鎳立方氮化硼粉體。5.根據權利要求4所述的鍍鎳立方氮化硼復合材料，其特征在于:步驟I)中，酸化處理所用的酸為鹽酸。6.根據權利要求4所述的鍍鎳立方氮化硼復合材料，其特征在于:步驟I)中，所述表面活化處理是指將立方氮化硼微粉浸在氯化鈀溶液中，使其表面敏化、活化。7.根據權利要求4所述的鍍鎳立方氮化硼復合材料，其特征在于:步驟I)中，所述還原處理是指將立方氮化硼微粉浸入聯氨溶液中進行浸泡還原。8.根據權利要求4所述的鍍鎳立方氮化硼復合材料，其特征在于:步驟2)中，所述化學鍍液的主要成分為硫酸鎳、聯氨、檸檬酸鈉和硫脲。9.根據權利要求4所述的鍍鎳立方氮化硼復合材料，其特征在于:步驟2)中，所述超聲條件的超聲功率為40?60W。10.一種如權利要求1所述的鍍鎳立方氮化硼復合材料的制備方法，其特征在于:包括將鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑混合后，經放電等離子體燒結，即得;其中，所述鍍鎳立方氮化硼粉體與結合劑的體積比為(30?90): (10?70)。
【文檔編號】C22C29/16GK105950940SQ201610249169
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月14日
【發明人】雷君
【申請人】富耐克超硬材料股份有限公司