CN102794448A

CN102794448A - 一种纳米金属结合剂及使用该结合剂制成的聚晶cbn复合片

Info

Publication number: CN102794448A
Application number: CN2012102657216A
Authority: CN
Inventors: 卢灿华; 张涛; 刘俊涛; 窦明
Original assignee: Zhongnan Diamond Co Ltd
Current assignee: Zhongnan Diamond Co Ltd
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-07-30
Also published as: CN102794448B

Abstract

本发明涉及一种纳米金属结合剂，该结合剂由下述重量百分含量的原料组成：TiN粉35～40%、TiC粉20～25%、Si₃N₄粉15～20%、Co粉15～20%和Al粉10～20%。本发明还公开了一种使用所述纳米金属结合剂制成的聚晶CBN复合片，其包括CBN聚晶层和硬质合金基片，该CBN聚晶层由下述重量百分含量的原料组成：CBN粉55－95%和纳米金属结合剂5－45%。本发明聚晶CBN复合片通过在聚晶层配方中采用纳米金属结合剂，突破了PCBN复合片高抗冲击韧性和高抗弯强度的技术瓶颈，增加了刀具的抗冲击性能，延长的刀具的使用寿命。

Description

一种纳米金属结合剂及使用该结合剂制成的聚晶CBN复合片

技术领域

本发明属于立方氮硼与硬质合金复合刀具材料领域，具体涉及一种纳米金属结合剂及使用该结合剂制成的聚晶CBN复合片，其可用于铸铁、淬火钢，粉末冶金，耐热钢等难加工的半精车、精车和铣削。

背景技术

聚晶立方氮化硼复合片（PCBN）材料具有高的硬度和耐磨性、很高的热稳定性和高温硬度、优良化学性能。聚晶立方氮化硼复合片于上世纪由美国GE公司首先研制成功。由于较好的稳定性及导热性和较低的摩擦系数,PCBN作为刀具材料的应用越来越广泛。经过30多年的发展，国外对PCBN刀具的研究已基本进入成熟阶段，产品也向多样化、系列化方向发展。

虽然我国对PCBN材料的研究与制造开始也较早，但是由于以前国内制造业习惯采用硬质合金和普通的磨料磨具加工铁系金属，因此限制了对PCBN刀具的应用和开发。目前，国内能够制造PCBN的厂家虽然数量较多，但总体来说国内的PCBN较国外产品无论从质量上、规格上还是品种上都有一定的差距。因此，在汽车工业等重点用户进行难加工材料的切削方面，我国PCBN刀片大部分还是依赖进口。

国产PCBN产品由于配方与工艺的限制，存在的问题有：1）复合片磨耗比为4000～6000（国外为8000～1万左右）。2）复合片热稳定性：国内产品在700℃烧结以后，产品磨耗比下降，抗冲击性能下降，这与各个单位所采用的配方和工艺不同有关，国外复合片的磨耗比和抗冲击韧性烧结前后变化不大。

发明内容

为克服现有技术不足，本发明目的在于提供一种纳米金属结合剂及使用该结合剂制成的聚晶CBN复合片，其具有高的抗冲击韧性和抗弯强度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纳米金属结合剂，该结合剂由下述重量百分含量的原料组成：TiN粉 35～40%、TiC粉 20～25%、Si₃N₄粉15～20%、Co粉15～20%和Al粉10～20%。所述结合剂的各原料以使用分析纯为佳，TiN、TiC和Si₃N₄ 粒径在8～12nm，Co粉和Al粉粒径在22～36nm时效果较好，更利于增强聚晶CBN复合片的抗冲击性能。

一种使用上述纳米金属结合剂制成的聚晶CBN复合片，包括CBN聚晶层和硬质合金基片，其中，CBN聚晶层由下述重量百分含量的原料组成：CBN粉（粒径在1～3μm之间为佳）55－95%和纳米金属结合剂5－45%。

所述硬质合金基片由下述重量百分含量的原料组成：碳化钨（WC）粉87.5～88.5%和钴粉11.5～12.5%。该CBN聚晶层和硬质合金基片利于增加CBN复合片的抗冲击性能，延长使用寿命。WC粉粒径在1.6～2.2μm，钴粉粒径在1.0～1.2μm之间时效果较好。硬质合金基片的制备采用本领域的常规方法即可实现，在本发明中其创新点在于配方。

上述聚晶CBN复合片的制备方法，其包括如下步骤：

1）净化与还原处理：将CBN粉先用30－35%的氢氧化钠水溶液煮沸2－5min，蒸馏水洗涤至中性，然后用王水煮沸2－5min，并用蒸馏水洗涤至中性，备用；将纳米金属结合剂在氢气还原炉中于730－750℃还原处理1.5－2h，备用；

2）混料：按比例称取处理过的CBN粉和纳米金属结合剂，然后用行星式球磨机进行混料，具体参数如下：料与硬质合金球（φ5）重量比1∶2.5－3；从球磨罐端部接口处充入液氮，液氮与料和球的体积比为 1∶1－1.5；行星式球磨机参数：公转：50±5 r/min，自转：100±5 r/min，球磨时间：20±5小时；

3）复合体组装与真空处理：将混合好的CBN粉和纳米金属结合剂倒入圆柱形金属杯内，然后放入硬质合金基片并扣上金属杯盖；将复合体组件置于真空设备中，在不大于3×10^-4Pa的真空条件下于700－750℃保温1.5－2.5小时；

4）高温高压烧结：将真空处理过的复合体组件置于合成组装块内，用六面顶压机在温度为1450±20℃、压力为5.5－6GPa的条件下合成15－25min。本方法中所用六面顶压机合成设备：采用六缸不等压方式（上下缸压力高于水平缸压力5％），并通过上下顶锤加热实现复合片高温高压烧结。

本发明研究了该聚晶CBN复合片的微观结构，发现纳米金属结合剂与立方氮化硼（CBN）之间具有良好的结合性能，说明纳米材料结合剂在高温高压下具有较好的烧结促进作用，其主要特征表现为：在高温高压下，由于纳米材料扩散到立方氮化硼表层或渗透到晶格缺陷中，在某种程度上软化了立方氮化硼颗粒，以致这些颗粒在高温高压下能挤的更紧、接触面积更大，增强自身的结合能力，减少孔隙存在，有助于烧结而提高PCBN内立方氮化硼的体积比，有利于形成强韧的烧结体，增加了刀具的抗冲击性能，延长的刀具的使用寿命。

通过调整CBN聚晶层配方和选择硬质合金牌号，解决聚晶层与硬质合金衬底之间由于热膨胀系数及弹性模量差异而导致的分层和裂纹等现象，强化了CBN聚晶层与硬质合金基片之间的结合。其主要特征表现为：CBN聚晶层配方中加入具有烧结促进作用的纳米金属结合剂，有利于钴在接合处的扩散，防止在界面上汇集，减少了由于CBN聚晶与硬质合金在热膨胀系数和弹性模量方面差异而造成的负面影响，削减接合处残余应力。

本发明聚晶CBN复合片在制备过程中，为解决纳米材料混料均匀性问题，在行星式球磨机上利用液氮球磨技术进行混料，混料过程中球磨罐内粉料始终处于惰性液态流动状态，使所磨的材料更加均匀，并能解决部分材料的沉底和粘罐问题。混料机理：行星式球磨是在一大盘上装有四个硬质合金球磨罐，球磨介质采用硬质合金球，当大盘转动（公转）时，磨罐在其公转轨道上作自转运动（公转：自转速比1：2），大盘和球磨罐在做行星运动的同时，又可在一立体空间范围内做360°翻斗式翻转，粉料在球磨罐内始终处于惰性液态流动状态。

此外，利用真空高温脱气的方式，将复合体粉末料中的挥发性杂质完全除去，彻底消除其对CBN复合片烧结产生的不利影响。

本发明聚晶CBN复合片通过在聚晶层配方中采用纳米金属结合剂，利用纳米技术合理安排与选择配方，突破了PCBN 复合片高抗冲击韧性和高抗弯强度的技术瓶颈。与现有的聚晶CBN复合片相比：磨耗比由4000～6000万提高到8000～9000万；热稳定性：在700℃烧结以后，产品磨耗比下降，抗冲击性能下降，但产品的磨耗比和抗冲击韧性烧结前后变化不大。说明纳米材料结合剂在高温高压下具有较好的烧结促进作用，有助于烧结而提高PCBN内立方氮化硼的体积比，有利于形成强韧的烧结体，增加了刀具的抗冲击性能，延长的刀具的使用寿命。

具体实施方式

以下以通过优选实施例对本发明工艺作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1

一种使用纳米金属结合剂制成的聚晶CBN复合片，包括CBN聚晶层和硬质合金基片，其中，CBN聚晶层由下述重量百分含量的原料组成：CBN粉（1～3μm）55%和纳米金属结合剂45%，硬质合金基片由下述重量百分含量的原料组成：WC粉（1.6-2.2μm）87.5～88.5%和分析纯钴粉（1-1.2μm）11.5%～12.5%；所述纳米金属结合剂由下述重量百分含量的原料组成：分析纯TiN粉（8～12nm）40%、分析纯TiC粉（8～12nm）20%、分析纯Si₃N₄粉（8～12nm）15%、分析纯Co粉（22～36nm）15%和分析纯Al粉（22～36nm）10%。

上述聚晶CBN复合片的制备方法，其包括如下步骤：

1）净化与还原处理：将CBN粉先用质量浓度30%的氢氧化钠水溶液煮沸3min，蒸馏水洗涤至中性，然后用王水煮沸3min，并用蒸馏水洗涤至中性，备用；将纳米金属结合剂在氢气还原炉中于730℃还原处理1.5h，备用；

2）混料：按比例称取处理过的CBN粉和纳米金属结合剂，然后用行星式球磨机进行混料，具体参数如下：料与硬质合金球（φ5）重量比1∶3；从球磨罐端部接口处充入液氮，液氮与料和球的体积比为 1∶1；行星式球磨机参数：公转：50 r/min，自转：100 r/min，球磨时间：20小时；

3）复合体组装与真空处理：将混合好的CBN粉和纳米金属结合剂倒入圆柱形金属杯内，然后放入硬质合金基片并扣上金属杯盖；将复合体组件置于真空设备中，在等于3×10^-4Pa的真空条件下于700℃保温2小时；

4）高温高压烧结：将真空处理过的复合体组件置于合成组装块内，用六面顶压机在温度为1450℃、压力为6GPa的条件下合成20min。本方法中所用六面顶压机合成设备：采用六缸不等压方式（上下缸压力高于水平缸压力5％），并通过上下顶锤加热实现复合片高温高压烧结。

所制得的聚晶CBN复合片的主要性能指标：1）复合片磨耗比为8000万；2）复合片热稳定性：产品在700℃烧结以后，复合片的磨耗比7950万，抗冲击韧性：烧前80焦耳，烧后79.9焦耳。

实施例2

一种使用纳米金属结合剂制成的聚晶CBN复合片，包括CBN聚晶层和硬质合金基片，其中，CBN聚晶层由下述重量百分含量的原料组成：CBN粉（1～3μm）95%和纳米金属结合剂5%，硬质合金基片由下述重量百分含量的原料组成：WC粉（1.6-2.2μm）87.5%～88.5%和分析纯钴粉（1-1.2μm）11.5%～12.5%；所述纳米金属结合剂由下述重量百分含量的原料组成：分析纯TiN粉（8～12nm）35%、分析纯TiC粉（8～12nm）20%、分析纯Si₃N₄粉（8～12nm）15%、分析纯Co粉（22～36nm）15%和分析纯Al粉（22～36nm）15%。

所述聚晶CBN复合片的制备方法同实施例1；其主要性能指标：1）复合片磨耗比为9100万。2）复合片热稳定性：产品在700℃烧结以后，复合片的磨耗比9080万；抗冲击韧性：烧前76.5焦耳，烧后76.2焦耳。

实施例3

一种使用纳米金属结合剂制成的聚晶CBN复合片，包括CBN聚晶层和硬质合金基片，其中，CBN聚晶层由下述重量百分含量的原料组成：CBN粉（1～3μm）60%和纳米金属结合剂40%，硬质合金基片由下述重量百分含量的原料组成：WC粉（1.6-2.2μm）87.5～88.5%和分析纯钴粉（1-1.2μm）11.5～12.5%；所述纳米金属结合剂由下述重量百分含量的原料组成：分析纯TiN粉（8～12nm）37%、分析纯TiC粉（8～12nm）23%、分析纯Si₃N₄粉（8～12nm）15%、分析纯Co粉（22～36nm）15%和分析纯Al粉（22～36nm）10%。

所述聚晶CBN复合片的制备方法同实施例1；其主要性能指标：1）复合片磨耗比为8600万。2）复合片热稳定性：产品在700℃烧结以后，复合片的磨耗比8550万，抗冲击韧性：烧前78.8焦耳，烧后78.5焦耳。

Claims

1.一种纳米金属结合剂，其特征在于，该结合剂由下述重量百分含量的原料组成：TiN 粉35～40%、TiC粉 20～25%、Si₃N₄粉15～20%、Co粉15～20%和Al粉10～20%。

2.一种使用权利要求1所述纳米金属结合剂制成的聚晶CBN复合片，包括CBN聚晶层和硬质合金基片，其特征在于，CBN聚晶层由下述重量百分含量的原料组成：CBN粉55－95%和纳米金属结合剂5－45%。

3.如权利要求2所述的聚晶CBN复合片，其特征在于，所述硬质合金基片由下述重量百分含量的原料组成：碳化钨粉87.5～88.5%和钴粉11.5～12.5%。

4.权利要求2或3所述的聚晶CBN复合片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2）混料：按比例称取处理过的CBN粉和纳米金属结合剂，然后用行星式球磨机进行混料，具体参数如下：料与硬质合金球重量比1∶2.5－3；从球磨罐端部接口处充入液氮，液氮与料和球的体积比为1∶1－1.5；行星式球磨机参数：公转：50±5 r/min，自转：100±5 r/min，球磨时间：20±5小时；

4）高温高压烧结：将真空处理过的复合体组件置于合成组装块内，用六面顶压机在温度为1450±20℃、压力为5.5－6GPa的条件下合成15－25min。