[發明專利]一種聚晶立方氮化硼的制備方法

有效

• 申請號: 200910064948.2
• 申請日: 2009-05-18
• 公開（公告）號: CN101560624A
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發明（設計）人: 張銳;李和鑫;王海龍;陳德良;任振火;李明亮;關莉;溫合靜
• 申請（專利權）人: 河南富耐克超硬材料有限公司;鄭州大學
• 主分類號: C22C29/16
• 分類號: C22C29/16;C22C1/04
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司
• 代理人: 陳 浩;牛愛周

技術領域

本發明提供了聚晶立方氮化硼(PcBN)的制備方法，屬于切削加工材料的先進刀具領域。

背景技術

切削刀具是機械制造中用于切削加工的工具，目前廣泛使用的金屬切削刀具材料有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質合金和陶瓷刀具等，而我國刀具材料結構中高速鋼占有絕對優勢，約占60％，硬質合金不到40％。由于用于高速切削的刀具需要同時具有韌性好、抗沖擊能力強和耐磨性好等性能，并直接影響了切削加工精度，因此傳統的刀具材料面臨巨大挑戰。隨著對高速切削的要求越來越高，陶瓷刀具等應運而生。

由于CBN的三高性：高硬度、高的熱穩定性和高的與鐵族元素的惰性，在工業發達國家將其作為提高及加工工業中的經濟效益(節能、高效、精密、自動化)的重要工具材料加以發展，尤其在軍工、宇航、噴涂焊加工工業中更為突出。而單晶CBN的粒度小，而且存在有易劈裂的“解理面”，不能直接用于制造切削刀具，因此在工業上作切削刀具大多是聚晶的PcBN，PcBN是由無數細小的CBN單晶構成，PcBN因而無方向性，會使劈裂的影響大大減少，而且隨著切削過程刀具的磨損，會連續露出新鮮的晶體。

CBN單晶表面有一層致密的氧化硼薄膜，這層薄膜阻礙了CBN晶粒間的直接鍵合，所以難得到CBN與CBN之間的直接鍵合的高強度的PCBN，因而在聚合過程中加入多種結合劑材料以加強CBN晶粒間的連接。

目前國內外PcBN的結合劑基本有兩種類型：一種是由金屬及其合金組成的金屬結合劑，這種結合劑對提高PcBN的韌性起到良好的作用，但在高溫條件下結合劑軟化，對PcBN的耐磨性起到副作用；另一類是目前正在發展的陶瓷與金屬或金屬合金組成的結合劑，因為純陶瓷結合劑可以解決高溫條件下軟化的問題，但這種PcBN抗沖擊性能差，壽命短。

PcBN(聚晶立方氮化硼)是由無數細小無序排列的cBN單晶組成的，無解理面，宏觀上無方向性，這會使劈裂的影響大大減小，而且會隨著切削刀具的磨損連續地露出新鮮的晶體。PcBN刀具材料按其成分和制造方法可分為聚晶立方氮化硼燒結體(PcBN燒結體)和復合聚晶立方氮化硼(PcBN復合刀片)。由于PcBN具有良好的抗化學腐蝕性，且在1200℃的高溫下表現出很好的熱穩定性，因此在刀具尖端的相對高溫不會對它產生任何不利的影響，相反它還能在切削硬質鐵合金時起到加速切削的作用。

目前聚晶立方氮化硼PcBN的制備方法主要采用在高溫高壓下的熱壓燒結法制備而成，還有報道稱采用等離子放電燒結工藝，現有的制備聚晶立方氮化硼的方法均是成型與燒結同時進行，成型所需壓力很大，為7-9GP；燒結溫度也較高，為1400-2600℃，另外制備工藝所需要設備復雜，成本高，從而在一定程度上限制了聚晶立方氮化硼的使用。因此，必須大幅度降低PcBN的生產制造成本，使其變為“普通”刀具材料，才有可能使PcBN得到廣泛的推廣應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種聚晶立方氮化硼的制備方法，以大大降低生產成本。

為了實現上述目的，本發明的技術方案采用了一種聚晶立方氮化硼的制備方法，包括以下步驟：以立方氮化硼及結合劑為原料，將立方氮化硼及結合劑混合后球磨，球磨時球料比為(1-4)∶1，轉速為400-800轉/分，球磨時間為4-20小時；將球磨后的混合料干燥，干燥后加入有機粘結劑，混合均勻，過100目篩網；冷壓成型，壓力范圍為0.8GPa-2GPa；將成型后的坯體進行燒結，燒結溫度為1000-1300℃，保溫時間為4-20小時，燒結后即制得成品。

所述的立方氮化硼與結合劑的重量百分含量分別為：立方氮化硼70-95％，結合劑5-30％。

所述的立方氮化硼的粒徑范圍為0.1～100μm。

所述的立方氮化硼為純凈的氮化硼或是鍍Ti、Ni的立方氮化硼。

所述的結合劑由單質鋁粉、含硅物質、含硼物質、含鋁物質及含氮物質組合而成，各組分的重量比為??單質鋁粉∶含硅物質∶含硼物質∶含鋁物質∶含氮物質＝(10-50)∶(5-25)∶(2-10)∶(1-5)∶(10-20)。

所述的含硅物質為二氧化硅；含硼物質為氧化硼或是硼酸中的任意一種或其組合；含鋁物質為氧化鋁；含氮物質為氮化硅。

所述的結合劑由單質硅粉、含鉀礦物及含氮物質組合而成，各組分的重量比為：單質硅粉∶含鉀礦物質∶含氮物質＝(1～10)∶(4～40)∶(1～10)。

所述的含鉀礦物為鉀長石；含氮物質為氮化硅。