CN106699190B

CN106699190B - 一种用立方氮化硼单晶原生料作为初始原料制备聚晶烧结体的方法

Info

Publication number: CN106699190B
Application number: CN201710001204.0A
Authority: CN
Inventors: 贾洪声; 罗茜; 叶灏; 鄂元龙; 李海波; 王晓楠; 左斌; 张饶; 王雨涵
Original assignee: Jilin Normal University
Current assignee: Harbin Haiyida Superhard Materials Co ltd
Priority date: 2017-01-03
Filing date: 2017-01-03
Publication date: 2019-07-16
Anticipated expiration: 2037-01-03
Also published as: CN106699190A

Abstract

本发明属于一种合成条件低、耐热性好、韧性高的用立方氮化硼单晶原生料作为初始原料制备聚晶烧结体的方法。该方法的步骤1.立方氮化硼单晶制备，2.立方氮化硼和烧结助剂均匀混合，3.预压成型、真空预烧处理、叶腊石复合块腔体组装、高压烧结程序完成聚晶立方氮化硼的制备。本发明的方法操作性强，合成条件大幅度降低，其对减少锤耗成本具有重要的现实意义。本发明的方法将为超硬材料刀具的制备提供一种有效的途径。

Description

一种用立方氮化硼单晶原生料作为初始原料制备聚晶烧结体的方法

技术领域

本发明属于切削刀具材料制造领域，具体的说是一种合成条件低、耐热性好、韧性高的用立方氮化硼单晶原生料作为初始原料制备聚晶烧结体的方法。

背景技术

现代机械加工技术正朝着高精度、高效率、柔性化和自动化方向飞速发展，数控机床、加工中心等新型技术设备以及性能极为优良的新材料应用日益广泛，进而对刀具的要求越来越高。作为一种绿色环保型高性能结构材料，聚晶立方氮化硼（PcBN）以其超耐磨、耐腐蚀、耐高温等优异性能充分体现了现代制造业对材料的要求。PcBN刀具特别适合各种黑色金属的硬态切削，实现以车代磨。不仅提高拉加工效率，而且大幅度降低了加工成本，主要切削各种淬硬钢、工具钢、模具钢、轴承钢（HRC45-70）、冷硬铸铁、高铬铸铁、镍基及钴基高温合金、各种难加工灰口铸铁、其它难加工黑色材料等。由于立方氮化硼硬度远高于陶瓷和硬质合金，制备的刀具寿命为陶瓷刀具的3-5倍，硬质合金刀具的5-15倍。

目前，难加工材料越来越多，PcBN刀具在工业发达国家工具使用总量中所占比重越来越大。PcBN其作为切削难加工材料的主要刀具材料是切削技术的第二次飞跃。在我国，硬质合金刀具用量占总刀具的60 %，高速钢占30-40 %，PcBN刀具目前所占的比例非常少。在发达国家，采用高效刀具来发挥数字化制造技术的潜力已成共识。每年消费均在机床消费50 %左右。而我国刀具消费仅为机床消费的20-30 %，这说明在我国刀具消费中廉价低效的传统刀具仍占主流，机床功能远未充分发挥。而目前，在高效加工的大背景下，PcBN等高效刀具正广泛的被市场所接受并逐渐的替代传统刀具，因此，国内必将存在对金属切削用PcBN的巨大需求。

PcBN烧结体，是在高温高压条件下将独立的立方氮化硼颗粒依靠烧结相粘结，使整个立方氮化硼层烧结成为高强度cBN聚晶，是一种高性能的结构材料。PcBN材料因制造方法及烧结机理不同，其合成条件及产品性能具有明显的差异，另外，由于Hall-Petch效应等，纳米cBN单晶随着其尺寸的减小，硬度等一些力学性能将提高，同时相比微米级微粉破碎料在耐磨性及抗冲击韧性，高温耐受性等方面具有优势，将大幅度提高纳米PcBN的烧结性能和切削性能。基于目前多采用微米级单晶破碎料合成PcBN，对进一步提高其性能和深入理解PcBN的烧结机制和实际应用具有局限性，因此，应大力开展亚微、纳米级单晶原生料烧结体的开发工作。

这就急需一种制备耐磨性、抗冲击韧性及高温耐受性等方面具有优势的聚晶氮化硼烧结体的方法。

发明内容

本发明的目的是要提供一种可操作性强，产品合格率高的聚晶立方氮化硼（PcBN）的制备方法，能够大幅度降低烧结条件，同时能够提高聚晶立方氮化硼烧结体的耐热性、抗冲击韧性等性能。

本发明的目的是这样实现的，该方法包括以下步骤：

①、以Li₃N-hBN为体系，采用压机合成亚微、纳米立方氮化硼单晶为原生料，其后进行化触净化，分选处理，cBN纯净度达到99.9 wt %，均一性好、晶形完整、边角未损伤、未钝化，且具有高折射率的单晶，所选的亚微、纳米级立方氮化硼平均粒径≥50 nm；

②、将上述①中选取的立方氮化硼单晶和烧结助剂均匀混合后放入钼杯中进行组装，钼杯作为防污染封装装置，壁厚为0.08—0.2 mm，能够将均匀混合材料密闭封装，烧结助剂采用粒径为大等于20纳米的金属、陶瓷或金属陶瓷粉末，所述金属或陶瓷粉末为Co、Ni、Ti、Al、Si、TiN、TiC、B₄C、La₂O₃中的一种或者几种；

③、将②组装的钼杯经过预压成型、真空预烧处理、叶腊石复合块腔体组装、高压烧结程序完成聚晶立方氮化硼的制备。

本发明的有益效果如下：

1、由于本发明所述的制备PcBN方法是通过选用晶形均一性好、纯净度高的亚微、纳米立方氮化硼单晶原生料为原料，以金属或陶瓷材料为烧结助剂体系，其兼有了金属韧性及陶瓷的耐热性等优异性能，耐热性明显提高（大于1300℃）；

2、本发明的方法操作性强，合成条件大幅度降低，其对减少锤耗成本具有重要的现实意义。本发明的方法将为超硬材料刀具的制备提供一种有效的途径。

3、合成的PcBN产品稳定性高，能够适用于冷硬铸铁、耐热合金及淬硬钢等材料的粗加工及精密加工领域。

附图说明

图1是本发明工艺中的叶腊石复合块腔体组装截面图。

带钼杯的混合原料1 、绝缘片2、石墨加热管3、石墨片4、铜片5、导电钢帽6、叶腊石复合块7。

具体实施方式

本发明的聚晶氮化硼烧结体是经过发明人长期研究，并结合长期实验得到的。该方法是采用优质的亚微、纳米级立方氮化硼单晶为原生料，加入烧结助剂，再经过预压成型、真空预烧处理、高压烧结过程，合成聚晶氮化硼烧结体的过程。

下面结合实施例对本合成方法进一步说明：

实施例1：

1)以Li₃N-hBN为体系，采用压机合成亚微米立方氮化硼单晶为原生料，其后进行化触净化、分选处理，通过激光粒度分析仪、显微镜及等离子体发射光谱分析仪等设备，优选cBN纯净度达到99.9 wt %，均一性好、晶形完整、边角未损伤、未钝化，且具有高折射率的单晶，所选的亚微米级立方氮化硼平均粒径为0.5 um。

2)将上述步骤1)选取的立方氮化硼单晶1.3克和烧结助剂TiN0.7克均匀混合后放入14.8 mm钼杯中进行组装，钼杯作为防污染封装装置，壁厚为0.08 mm，能够将均匀混合材料密闭封装，烧结助剂粒径为20纳米。

3)将步骤2）组装的钼杯经过40MPa预压成型，真空500 ℃净化热处理1h后放入加热石墨管3中，最后将部件4-6一并放入叶腊石复合块7中，叶腊石复合块7尺寸为32.5 mm×32.5 mm×32.5 mm，合成腔体直径为18 mm，石墨管3内径为16 mm，高17 mm。叶腊石复合块在六面顶压机上进行高温高压合成，合成条件为4.5 GPa，1400 ℃，烧结保温时间5 min后慢降温到室温，卸压后得到Φ14 mm×5 mm的PcBN烧结体。

实施例2：

1)以Li₃N-hBN为体系，采用压机合成纳米立方氮化硼单晶为原生料，其后进行化触净化、分选处理，通过激光粒度分析仪、显微镜及等离子体发射光谱分析仪等设备，优选cBN纯净度达到99.9 wt %，均一性好、晶形完整、边角未损伤、未钝化，且具有高折射率的单晶，所选的纳米级立方氮化硼平均粒径为250 nm。

2)将上述步骤1)选取的立方氮化硼单晶1.3克和烧结助剂TiN0.6克均匀混合后放入14.8 mm钼杯中进行组装，钼杯作为防污染封装装置，壁厚为0.08 mm，能够将均匀混合材料密闭封装，烧结助剂粒径为20纳米。

3)将步骤2）组装的钼杯经过40 MPa预压成型，真空500 ℃净化热处理1h后放入加热石墨管3中，最后将部件4-6一并放入叶腊石复合块7中，叶腊石复合块7尺寸为32.5 mm×32.5 mm×32.5 mm，合成腔体直径为18 mm，石墨管3内径为16 mm，高17 mm。叶腊石复合块在六面顶压机上进行高温高压合成，合成条件为5 GPa，1400 ℃，烧结保温时间5 min后慢降温到室温，卸压后得到Φ14 mm×5 mm的PcBN烧结体。

实施例3：

1)以Li₃N-hBN为体系，采用压机合成亚微米立方氮化硼单晶为原生料，其后进行化触净化、分选处理，通过激光粒度分析仪、显微镜及等离子体发射光谱分析仪等设备，优选cBN纯净度达到99.9 wt %，均一性好、晶形完整、边角未损伤、未钝化，且具有高折射率的单晶，所选的亚微米级立方氮化硼平均粒径为1μm。

2)将上述步骤1)选取的立方氮化硼单晶1.9克和烧结助剂Al 0.06克，Co 0.02克，B₄C 0.02克均匀混合后放入14.8 mm钼杯中进行组装，钼杯作为防污染封装装置，壁厚为0.08 mm，能够将均匀混合材料密闭封装，烧结助剂平均粒径为1μm。

3)将步骤2）组装的钼杯经过40 MPa预压成型，真空500 ℃净化热处理1h后放入加热石墨管3中，最后将部件4-6一并放入叶腊石复合块7中，叶腊石复合块7尺寸为32.5 mm×32.5 mm×32.5 mm，合成腔体直径为18 mm，石墨管3内径为16 mm，高17 mm。叶腊石复合块在六面顶压机上进行高温高压合成，合成条件为5.5 GPa，1450 ℃，烧结保温时间5 min后慢降温到室温，卸压后得到Φ14 mm×5 mm的PcBN烧结体。

Claims

1.一种用立方氮化硼单晶原生料作为初始原料制备聚晶烧结体的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

①、以Li₃N-hBN为体系，采用压机合成亚微、纳米立方氮化硼单晶为原生料，其后进行化触净化，分选处理，cBN纯净度达到99.9wt％，均一性好、晶形完整、边角未损伤、未钝化，且具有高折射率的单晶，所选的亚微、纳米级立方氮化硼平均粒径≥50nm；

②、将上述①中选取的立方氮化硼单晶和烧结助剂均匀混合后放入钼杯中进行组装，钼杯作为防污染封装装置，壁厚为0.08—0.2mm，能够将均匀混合材料密闭封装，烧结助剂采用粒径为大等于20纳米的金属或陶瓷粉末，所述金属或陶瓷粉为Co、Ni、Ti、Al、Si、TiN、TiC、B₄C、La₂O₃中的一种或者几种；

2.根据权利要求1所述的一种用立方氮化硼单晶原生料作为初始原料制备聚晶烧结体的方法，其特征在于：所述的步骤②中立方氮化硼单晶为40-95重量份，烧结助剂为5-60重量份。

3.根据权利要求1所述的一种用立方氮化硼单晶原生料作为初始原料制备聚晶烧结体的方法，其特征在于：所述的预压成型、真空预烧处理、叶腊石复合块腔体组装、高压烧结过程是将第②步骤组装的钼杯经过10MPa以上预压成型，真空500℃热处理0.5-1h后放入石墨加热管套件，最后将所有部件一并放入叶腊石复合块中，在六面顶压机上进行高温高压合成，合成条件为4-5.5GPa，1300-1450℃，烧结保温时间为3-10min，最后获得性能优异的亚微、纳米PcBN烧结体。