一种梯度复合立方氮化硼材料及其制备工艺和应用的制作方法

本发明涉及机械切削刀具制造技术领域，特别涉及一种梯度复合立方氮化硼材料及其制备工艺和应用。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着科技的发展，耐磨材料及高硬度难加工的合金被大量的使用，这类材料的加工普通刀具难以胜任。超硬刀具的应用不仅可以实现加工的高效率、高稳定性，还可以大大降低工件的加工成本，超硬刀具成为现代切削加工中不可或缺的工具。聚晶立方氮化硼硬度可达hv3000-5000，仅次于金刚石，并且具有很高的化学惰性和热稳定性，在工业中广泛的应用于淬火钢、高硬铸铁和抗磨合金的加工。但是发明人发现，目前均质立方氮化硼材料的整体性能仍不理想，尤其是材料的力学性能比如抗弯强度、耐磨性和韧性。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于提供一种梯度复合立方氮化硼材料及其制备方法和该材料在刀具制备领域或耐磨零件加工领域中的应用。本发明将梯度结构引入立方氮化硼(cbn，cubicboronnitride)材料，利用梯度结构在表层形成残余压应力，提高材料的硬度、耐磨性和韧性，在保持立方氮化硼刀具原有优点的基础上进一步提高其综合力学性能。

具体地，本发明具有如下所述的技术方案：

在本发明的第一方面，本发明提供了一种材料，其以立方氮化硼、碳化钛、铝和钴为原料，经烧结制成，其具有以中间层为对称的三层梯度结构。

其中，原料中各组分的体积百分比含量为：立方氮化硼70-80vol.％，碳化钛10vol.％，铝5-10vol.％和钴5-10vol.％；其中，立方氮化硼为基体，碳化钛为陶瓷结合剂(作为陶瓷相)，铝和钴为金属结合剂(作为金属相)。

并且，相对于中间层位置对称的对称层(在本发明中也称为表层)的原料组分含量和厚度相同，且厚度对称分布。

在本发明的一些实施方式中，原料中各组分的体积百分比含量为：立方氮化硼在70-80vol.％范围内可选，比如72-80vol.％或74-80vol.％或76-80vol.％70-78vol.％或72-76vol.％或72vol.％、74vol.％、76vol.％或80vol.％，碳化钛10vol.％，铝和钴各自独立地在5-10vol.％范围内可选，比如5-10vol.％、5-9vol.％、5-8vol.％、7-9vol.％或5-7vol.％或5vol.％或7vol.％或8vol.％或9vol.％。

举例而言，在本发明的一些实施方式中，每层的原料中各组分的体积百分比含量均符合：立方氮化硼72-80vol.％，碳化钛10vol.％，铝5-9vol.％和钴5-9vol.％；三层结构中的两表层结构相对于中间层对称，互相对称的两表层的原料组分含量以及厚度相同。尤其是，在该组成下，立方氮化硼材料的力学性能、材料的微观结构和烧结性能改善度较好。

本发明中金属相和陶瓷相的添加可以提高立方氮化硼的力学性能、改善材料的微观结构和烧结性能。al在高温下熔融成液相，有利于cbn颗粒的扩散流动及颗粒间的结合成键，al在烧结过程中与cbn发生反应生成aln，促进烧结的进行。aln能够抑制cbn向h-bn逆转化，对于提高烧结体中立方氮化硼的含量及致密度有重要意义；硬质相tic的加入可以减少cbn之间成键、抑制晶粒长大，有效的提高pcbn(聚晶立方氮化硼，可通过cbn烧结形成)烧结体的耐热性和抗冲击性；co主要对立方氮化硼表面进行脱氧去气的净化作用，活化立方氮化硼微粒，促进立方氮化硼之间直接成键，提高烧结体性能。

此外，本发明还将梯度结构引入本发明所述的复合立方氮化硼材料，使材料的组分、性能和功能呈现梯度变化，热膨胀系数由表及里的增加，保证材料表层在制备过程中形成有利的残余压应力，可以抵消切削过程中形成的拉应力；同时尽量减少残余拉应力的产生，有利于提高材料的韧性和耐磨性；导热系数由表及里的增大，有利于切削热的传出，制备的梯度复合立方氮化硼材料制作刀具时适用于高速切削淬火钢类材料。

在本发明的实施方式中，本发明所述以中间层为对称的对称梯度包括含量梯度。

在本发明的实施方式中，立方氮化硼的体积百分比含量由中间层到表层逐层增加；以及，选自铝和钴中的至少一种组分的体积百分比含量由中间层到表层逐层减少。

在某些实施方式中，中间层与表层间的原料组分梯度在4vol.％-10vol.％的范围内可选。

比如，在一些实施方式中，中间层与表层间的原料组分立方氮化硼的梯度在4vol.％-10vol.％的范围内可选，比如，该梯度为4vol.％-10vol.％、4vol.％-8vol.％或4vol.％-6vol.％；或者该梯度为4vol.％或6vol.％或8vol.％或10vol.％。

比如，在又一些实施方式中，中间层与表层间的选自铝和钴中的至少一种原料组分的梯度在2vol.％-5vol.％的范围内可选，比如该梯度为2vol.％-5vol.％、2vol.％-4vol.％、2vol.％-3vol.％、3vol.％-4vol.％或2vol.％、3vol.％或4vol.％。

尤其是，材料的组分、性能和功能间的梯度变化，热膨胀系数由表及里的增加，能够更好的保证材料表层有利的残余压应力的形成及对切削过程中形成的拉应力的抵消；更有利于提高材料的韧性和耐磨性；导热系数由表及里的增大，有利于切削热的传出。

在本发明的实施方式中，中间层厚度大于等于表层厚度；比如，在本发明的一些实施方式中，中间层厚度大于对称层厚度，且表层与中间层的层厚比在0.2-0.6的范围内可选，在本发明的一些实施方式中，该层厚比优选为0.3时，材料作为整体在性能的发挥上效果很好。

在本发明的实施方式中，所述原料中各组分为粉末，其中，立方氮化硼、碳化钛、铝和钴的粉末粒径分别为5-10μm、1-5μm、3-5μm和0.5-1μm。

在本发明的第二方面，本发明提供了制备上述第一方面中所述材料的方法，包括：将原料分别进行球磨，球磨后干燥过筛；按组成配制3组原料并混合；将3组原料分层铺填，预压后真空处理、烧结。

在某些实施方式中，所述球磨以无水乙醇为介质，球磨过程中，研磨球与原料的质量比为10-25：1，球磨时间为24-50h；在本发明的实施方式中，当研磨球与原料的质量比为20：1、球磨时间为48h时能够获得更好的球磨效果，实现原料粉末的均匀分散。

在某些实施方式中，所述预压后真空处理包括：预压压力为10-20mpa，真空处理条件为450-600℃真空处理10-15h。在本发明的实施方式中，预压压力为15mpa、且真空处理条件为500℃真空处理12h时，预压效果更好，预压后紧致度适宜、各层间分散良好。

在某些实施方式中，所述烧结包括：在1350℃-1500℃温度烧结并保温，保温时间为5-20min，烧结压力为5.5gpa-6gpa。尤其地，当烧结温度在1350℃-1500℃范围内特别是1500℃、烧结压力在5.5gpa-6gpa范围内特别是5.8gpa时，保温处理10min，烧结效果优异。在该烧结条件下，更有利于金属相和陶瓷相功能的发挥，促进立方氮化硼力学性能、微观结构和烧结性能的改善。

具体地，在该烧结条件下，al熔融成液相，特别有利于cbn颗粒的扩散流动及颗粒间的结合成键，产生更多的aln，促进烧结的进行并抑制cbn向h-bn逆转化，烧结体中立方氮化硼的含量更高、致密度更优良；以及，该条件下，tic可以更好的减少cbn之间之间成键、抑制晶粒长大，有效的提高pcbn烧结体的耐热性和抗冲击性；以及，该条件下，co对立方氮化硼微粒的活化作用较好，能够更好的促进立方氮化硼之间直接成键，提高烧结体性能。

本发明制备得到的材料具有优异的力学性能，在本发明的一些实施方式中，本发明制备得到的材料硬度hv可达2800-4000，抗弯强度可达500-1000mpa，具有更长的使用寿命。在本发明较优的一些实施方式中，制备得到的材料硬度hv高达4000，抗弯强度高达1000mpa。

在本发明的第三方面，本发明还提供了上述第一方面中所述的材料在刀具制备领域或耐磨零件加工领域中的应用；优选地，所述刀具为机械切削刀具，尤其适用于高速切削淬火钢类材料。

本发明通过合理的优化层厚比、层间组分梯度、烧结温度、烧结压力和保温时间等工艺参数，并且合理的调配热膨胀系数使材料表层存在参与压应力，提高表层材料的硬度、韧性和耐磨性。与均质立方氮化硼刀具相比，本发明制备的材料具有更高的韧性和耐磨性，使刀具更好的适应高速切削及耐磨零件的加工，具有更广泛的应用前景。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1是本发明实施方式中所述的3层梯度立方氮化硼材料层厚比定义(e＝d1/d2＝d3/d2)示意图，图中，d1、d2、d3从上至下依次为第1层、第2层、第3层的厚度。

图2是实施例1中3层梯度立方氮化硼材料结构示意图，图中，自上至下依次为表层c1、中间层c2、表层c1，2个c1层相对于中间层c2对称。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

本发明的梯度立方氮化硼刀具材料以3层对称梯度结构(如图2所示)为例示意说明，本发明提供了一些实施方式，各组分原料的体积百分比为：cbn70-80vol.％，tic10vol.％，al5-10vol.％和co5-10vol.％。层厚比选择为0.2-0.6，层间组分梯度为2vol.％-10vol.％，比如，立方氮化硼的梯度为4vol.％-10vol.％，铝和钴的梯度为2vol.％-5vol.％。粉末采用分层铺填的方式装入钼杯中，利用高温高压合成立方氮化硼刀具材料。具体制备方法包括：

将tic、al和co分别装入球磨罐中，以以硬质合金球为磨球、无水乙醇为介质，研磨球和粉末的质量比为20：1，球磨时间为48h；将球磨后的悬浮液在真空干燥箱中110℃下进行干燥，干燥后过200目筛子，封装备用；将所有粉末按照体积比混合好，通过质量控制层厚，将称量好的粉末逐层放入钼杯中，按照c1/c2/c1的顺序装填，每添加一层粉末需要将其压实铺平，直至全部粉末装填完毕；将装填好的粉末采用15mpa预压，然后将其在500℃真空处理12h；将真空处理好的粉末放入叶腊石模具中，开始压制烧结。烧结温度在1350℃-1500℃，保温时间为10min，烧结压力为5.5gpa-6gpa。

实施例1

制备层厚比为0.3，层数为3，层间cbn组分梯度为6vol.％，al和co组分梯度为3vol.％的梯度立方氮化硼刀具，配料如表1所示，给出了c1(表层)和c2(中间层)两组混合粉料的组分体积百分含量(vol.％)。

表1

将tic、al和co分别装入球磨罐中，以以硬质合金球为磨球、无水乙醇为介质，研磨球和粉末的质量比为20：1，球磨时间为48h；将球磨后的悬浮液在真空干燥箱中110℃下进行干燥，干燥后过200目筛子，封装备用；将所有粉末按照体积比混合好，通过质量控制层厚，将称量好的粉末逐层放入钼杯中，按照c1/c2/c1的顺序装填，每添加一层粉末需要将其压实铺平，直至全部粉末装填完毕；将装填好的粉末采用15mpa预压，然后将其在500℃真空处理12h；将真空处理好的粉末放入叶腊石模具中，开始压制烧结。烧结温度在1450℃，保温时间为10min，烧结压力为5.5gpa。材料经过研磨抛光后制成样条，测得抗弯强度为500mpa，硬度为hv2800。

实施例2

制备层厚比为0.3，层数为3，层间cbn组分梯度为4vol.％，al和co组分梯度为2vol.％的梯度立方氮化硼刀具，配料如表2所示，给出了c1(表层)和c3(中间层)三组混合粉料的组分体积百分含量(vol.％)

表2

将tic、al和co分别装入球磨罐中，以以硬质合金球为磨球、无水乙醇为介质，研磨球和粉末的质量比为20：1，球磨时间为48h；将球磨后的悬浮液在真空干燥箱中110℃下进行干燥，干燥后过200目筛子，封装备用；将所有粉末按照体积比混合好，通过质量控制层厚，将称量好的粉末逐层放入钼杯中，按照c1/c3/c1的顺序装填，每添加一层粉末需要将其压实铺平，直至全部粉末装填完毕；将装填好的粉末采用15mpa预压，然后将其在500℃真空处理12h；将真空处理好的粉末放入叶腊石模具中，开始压制烧结。烧结温度在1500℃，保温时间为10min，烧结压力为5.8gpa。材料经过研磨抛光后制成样条，测得抗弯强度为780mpa，硬度为hv3600。

实施例3

制备层厚比为0.3，层数为3，层间cbn组分梯度为8vol.％，al和co组分梯度为4vol.％的梯度立方氮化硼刀具，配料如表3所示，给出了c1(表层)和c4(中间层)三组混合粉料的组分体积百分含量(vol.％)

表3

将tic、al和co分别装入球磨罐中，以以硬质合金球为磨球、无水乙醇为介质，研磨球和粉末的质量比为20：1，球磨时间为48h；将球磨后的悬浮液在真空干燥箱中110℃下进行干燥，干燥后过200目筛子，封装备用；将所有粉末按照体积比混合好，通过质量控制层厚，将称量好的粉末逐层放入钼杯中，按照c1/c4/c1的顺序装填，每添加一层粉末需要将其压实铺平，直至全部粉末装填完毕；将装填好的粉末采用15mpa预压，然后将其在500℃真空处理12h；将真空处理好的粉末放入叶腊石模具中，开始压制烧结。烧结温度在1350℃，保温时间为10min，烧结压力为5.8gpa。测得抗弯强度为525mpa，硬度为hv3200。

将实施例1-3中烧结好的梯度立方氮化硼材料经过切割、磨削、研磨和抛光后制成3×4×20mm的式样，采用三点弯曲法测量抗弯强度，维式硬度计测量表层硬度，压痕法测量断裂韧性。实施例1-3制备的梯度立方氮化硼刀具材料力学性能：硬度hv2800-4000，抗弯强度500-1000mpa。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。