一种表面镀镍Si₃N₄晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片及其制备方法

专利名称：一种表面镀镍Si₃N₄晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种适合于硬态材料切削和干式切削的高韧性超硬复合材料刀具，具 体说是涉及一种表面镀镍Si3N4晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片(PCBN)及其制备方法。
背景技术：
立方氮化硼(CBN)是继人造金刚石之后制造成功的一种新型人造超硬材料，立方 氮化硼硬度仅次于金刚石，而热稳定性远高于金刚石，对铁系金属元素有较大的化学惰性。 因此，立方氮化硼加工黑色金属材料有独到之处，为硬而韧的难加工钢材提供了新的加工 工具材料。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具就是以立方氮化硼为磨料加以一定种类和量的结 合剂复合而成的，该刀具非常适合于硬态材料切削、干式切削并能加工金刚石刀具所不能 加工的黑色金属材料特别适合数控设备及自动化生产线的使用。硬态切削是近年来兴起的一种新的切削技术，对经淬火或去应力热处理后具有较 高硬度的淬硬零件进行的切削加工。过去由于没有红硬性的刀具材料而仅能依赖于磨削 加工，如今随着聚晶立方氮化硼刀具的发展及其应用技术的进步，加上数控机床等加工设 备精度的提高，以硬态切削替代磨削来完成淬硬零件的最终加工已成为一个新的精加工途径。随着制造技术的发展，切削加工进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加 工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。刀具技术也向着高硬度、高速度、高精度和干 式加工方向发展。而聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具非常适合于硬态材料的磨削、干式切削 并能加工金刚石刀具所不能加工的黑色金属材料，特别适合数控设备及自动化生产线的使用。聚晶立方氮化硼(PCBN)是以硬质合金为基底，上面铺放一层立方氮化硼(CBN)单 晶细粉(0. 5 1. 6mm厚)加粘结剂经高温(1400 ^O(TC)、高压(7 9Gpa)下压制而成 的聚晶刀具。PCBN刀具的硬度仅次于金刚石，大大高于陶瓷刀具和硬质合金刀具，因而可加 工HRC60以上的淬火钢、灰口铁、白口铁以及硬度高达HRC70以上的YG15、YG20、YG25硬质 合金，其寿命为陶瓷刀具的3 5倍、硬质合金刀具的5 15倍。高耐磨性和长寿命大大 提高了工件的加工精度，减少了换刀和磨刀的次数，提高了工效。例如元素六(Element Six)公司(W02004040029)采用碳化物、氮化物、碳氮化物、 烧结碳化物、烧结氮化物、烧结碳氮化物以及其混合物形成一种复杂的核分散于基体中，基 体中包括超硬材料如金刚石或CBN和结合剂，在高温高压下合成PCD或PCBN，形成如蜂窝 状的结构，具有优良的强度和断裂韧性。美国史密斯(Smith international)公司(U.S. 6063502)制备的复合体系包括两相组成的有序微观结构，其中第一结构相由金属陶瓷材 料、PCD、PCBN 等组成，第二结构相由 Co，Ni, Fe, W, Mo, Cu, Al, Nb, Ti, Ta,金属陶 瓷、和合金等组成，第二结构相至少与一定量的第一相紧密接触，复合体系因此为至少包含 两层的有序结构，用于钻孔及加工切削工具。
近年来，PCBN刀具向着高耐磨性、高韧性方向发展。随着切削技术的不断发展，切 的工艺近于苛刻，对刀具的要求也更加的严格。PCBN刀具增韧的趋势将更加明显。

发明内容
本发明的目的正是为了提高PCBN刀具的耐冲击性能，实现其长时间的连续车削， 提高刀具的使用寿命和企业的生产效率而提供一种表面镀镍Si3N4晶须增韧聚晶立方氮化 硼复合片(PCBN)及其制备方法。本发明的技术方案包括对氮化硅晶须表面化学镀覆纳米金属镍粒子，经过一系列 的化学处理后在氮化硅晶须表面化学镀覆一层均勻的纳米金属镍粒子，从而有效地改善了 氮化硅晶须表面性能，在聚晶立方氮化硼合成的过程中，这一层镍粒子能更好的与聚晶立 方氮化硼合成的原料发生作用形成较强的界面结合，同时表面的金属镍在高温高压的条件 下很好的保护了氮化硅晶须的完整性，使氮化硅晶须的优异性能更更好的发挥出来。本发明的表面镀镍Si3N4晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片，其特征在于它包括下 述质量份数比的原料其中立方氮化硼(CBN)2(T85%、Si3N4晶须或镀覆纳米镍的Si3N4晶须 中的任意一种或二者混合物5 20%、结合剂1(Γ75%.。本发明所述镀覆纳米金属镍的Si3N4晶须表面上镀覆的金属镍粒子粒径在纳米级 范围内，镀覆增重量为5%-100%，优选镀覆增重量为20% 50%。本发明所述的Si3N4晶须为Si3N4晶须或经过表面镀覆Si3N4晶须中的任意一种或 二者混合物，所述二者混合物中镀覆纳米金属镍的Si3N4晶须占重量百分比10%至90%进行 混合；ο本发明所述镀覆纳米金属镍的Si3N4晶须的制备方法包括下述步骤a、取经超声波分散处理的Si3N4晶须粉末，采用由浓度为30g/L氢氧化钠分析纯制备而 成的碱液处理液对其进行净化除油处理，处理时间为4 6min，真空抽滤水洗至中性；之后 进行亲水化处理，用1 :1的盐酸煮沸9 llmin，真空抽滤后进行敏化处理，敏化液是由体 积比为1 :1的浓度为20g/L氯化亚锡和浓度为40ml/L盐酸制备而成的混合液，敏化时间为 4 6min，磁力搅拌；然后将抽滤清洗后的Si3N4晶须粉末加入到活化液中进行活化处理， 活化液是由体积比为1 :1的浓度为lg/L氯化钯和浓度为200ml/L盐酸的混合液，活化时间 为4 6min，磁力搅拌，真空抽滤清洗后将Si3N4晶须粉末加入到还原液中进行还原处理， 还原液为浓度为30g/L次亚磷酸钠，还原时间为2 ％iin，磁力搅拌，真空抽滤清洗，干燥； 实验处理和清洗液均采用去离子蒸馏水。b、将Si3N4晶须粉末分散在去离子水里，在超声波分散仪上分散20 40min,将分 散好的Si3N4晶须粉末加入到由重量百分比20 40%硫酸镍、20 40%次亚磷酸钠、10 20%柠檬酸钠制备而成的化学镀液中进行化学镀，调整镀液的PH值4 13、温度10°C 60°C 和施镀时间1分钟 30分钟进行分组镀镍，施镀过程中用磁力搅拌器加以搅拌，清洗方式采 用去离子水真空抽滤清洗，干燥称量检测。本发明所述的立方氮化硼(CBN)颗粒的粒径为1 2Mm、2 4Mm、5 ΙΟΜπκΙΟ 15Mm、10 20Mm或20 30Mm中的至少一种；其在复合片组合物中的质量份数比为20% 85%，优选比例为40% 80%。本发明所述的结合剂为金属、碳化物、氮化物、三氧化二铝或碳氮化物中的至少一种；或由碳化物、氮化物、硅化物或硼化物中的任意一种与镍钴形成的固熔体化合物组成的 金属陶瓷组合物，所述镍钴形成的固熔体化合物在组合物中的质量比为5% 80%。优选质 量比为10% 40%ο本发明所述的金属结合剂为Ca、Ti、Al、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、W、Mo、Re或Cr中的至 少一种；优选原料为Al、Co或Ni中的至少一种。本发明所述的氮化物为氮化硅、氮化钛、氮化锆、氮化铪、氮化钒、氮化铌、氮化钽、 氮化铬、氮化钼、氮化钨、氮化铝或氮化硅中的任意一种。本发明所述方法包括下述步骤按下述质量份数比取立方氮化硼(CBN) 2(T85%、Si3N4晶须或镀覆纳米金属镍的Si3N4晶须中的任意一种或二者混合 物5 20%、结合剂1(Γ75%.并加以混合，之后压制成式样块，将成型的样块放入 有盐管屏蔽层隔离的钼杯里面，再将装好的的盐管放入石墨模具，最后装入叶蜡 石腔体中，整个装置分为上下两层，并将装好的叶蜡石块放在六面顶压机上，在 1300°C 1550 °C温度、4. 5Gpa 7. 0 Gpa高压条件下合成，合成时间为3 20min ； 合成PCBN复合块可根据具体的刀具要求，经过激光切割和焊接做成不同角度的刀具；所述 CBN颗粒是经过酸碱处理，去除CBN表面的一些石墨、触媒、以及叶蜡石粉等杂质后的CBN颗 粒。本发明的有益效果如下由于本发明采用Si3N4晶须及表面镀覆纳米镍的Si3N4晶须的引入来增加PCBN复合片 的韧性，提高了 PCBN刀具的耐冲击性能，从而实现其长时间的连续车削，提高刀具的实用 寿命和企业的生产效率。该聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具的加工的范围比较广泛，可以用在 高级数控机床、多用途的全自动机床以及专用的的高速度的自动线机床等，还有用在加工 淬火钢、冷硬铸铁、模具钢以及淬硬锻造钢件等柔性的生产系统。硬度值为HRC45 65的 镍铬冷硬耐磨铸铁件；渗碳氮化或渗碳火焰淬火的淬硬件；硬度值接近HRC60的淬硬冷拔 钢件；在工艺加工的过程中，对合金钢、工具钢、焊接材料以及白口铸铁等这些精度要求较 高的材料进行精加工或者是半精加工。
具体实施例方式本发明以下将结合实施例作进一步详述本发明所述镀覆纳米金属镍的Si3N4晶须的制备方法包括下述步骤 a、取经超声波分散处理的Si3N4晶须粉末，采用由浓度为30g/L氢氧化钠分析纯制备而 成的碱液处理液对其进行净化除油处理，处理时间为5min，真空抽滤水洗至中性；之后进 行亲水化处理，用1 :1的盐酸煮沸lOmin，真空抽滤后进行敏化处理，敏化液是由体积比为 1 1的浓度为20g/L氯化亚锡、和浓度为40ml/L盐酸制备而成的混合液，敏化时间为5min， 磁力搅拌；然后将抽滤清洗后的Si3N4晶须粉末加入到活化液中进行活化处理，活化液是由 体积比为1 :1的浓度为lg/L氯化钯和浓度为200ml/L盐酸的混合液，活化时间为5min，磁 力搅拌，真空抽滤清洗后将Si3N4晶须粉末加入到还原液中进行还原处理，还原液为浓度为 30g/L次亚磷酸钠，还原时间为3min，磁力搅拌，真空抽滤清洗，干燥；实验处理和清洗液均 采用去离子蒸馏水。b、将Si3N4晶须粉末分散在去离子水里，在超声波分散仪上分散30min，将分散好的Si3N4晶须粉末加入到由40%硫酸镍、40%次亚磷酸钠、20%柠檬酸钠制备而成的化学镀液 中进行化学镀，调整镀液的PH值11、温度35°C和施镀时间5分钟进行分组镀镍，施镀过程 中用磁力搅拌器加以搅拌，清洗方式采用去离子水真空抽滤清洗，干燥称量检测。实施例1按CBN粒度10 20Mm、镀覆25%纳米镍的Si3N4晶须、氮化硅、金属Co质量份数分别按 50%、10%、35%.、5%混料。并压制成式样块，将成型的样块放入有盐管屏蔽层隔离的钼杯里 面，再将装好的的盐管放入石墨模具。最后装入叶蜡石腔体中，所用的叶蜡石尺寸为37.5 mm X 37. 5 mm X 37.5 mm，合成腔体直径为23 mm，里面的石墨管内径为18 mm，高为11 mm，整个装置分为上下两层。并将装好的叶蜡石块放在六面顶压机上进行合成试验。具体 的工艺参数是温度1400°C、压力为5Gpa、合成时间为％iin。合成的PCBN的规格为013. 4 mm X 5 mm。上述的得到的PCBN复合片的显微硬度值为HIV6300，冲击韧性为520次，抗弯 强度为21 OMPa。实施例2按CBN粒度10 20Mm、CBN粒度2 4Mm、Si3N4晶须、三氧化二铝、金属Co质量份数 分别按40%、20%、20%、15%.、5%混料。并压制成式样块，将成型的样块放入有盐管屏蔽层隔 离的钼杯里面，再将装好的的盐管放入石墨模具。最后装入叶蜡石腔体中，所用的叶蜡石尺 寸为37. 5 mm X 37. 5 mm X 37.5 mm，合成腔体直径为23 mm，里面的石墨管内径为18 mm，高为11 mm，整个装置分为上下两层。并将装好的叶蜡石块放在六面顶压机上进行合成 试验。具体的工艺参数是温度1400°C、压力为5Gpa、合成时间为％iin。合成的PCBN的规 格为013. 4 mm X 5 mm。上述的得到的PCBN复合片的显微硬度值为HIV7000，冲击韧性为 600次，抗弯强度为450MPa。 实施例3按CBN粒度10 20Mm、CBN粒度2 4Mm、镀覆45%纳米镍的Si3N4晶须、三氧化二铝、 金属Co质量份数分别按40%、20%、20%、15%.、5%混料。并压制成式样块，将成型的样块放入 有盐管屏蔽层隔离的钼杯里面，再将装好的的盐管放入石墨模具。最后装入叶蜡石腔体中， 所用的叶蜡石尺寸为37. 5 mm X 37. 5 mm X 37.5 mm，合成腔体直径为23 mm，里面的石 墨管内径为18 mm，高为11 mm，整个装置分为上下两层。并将装好的叶蜡石块放在六面顶压 机上进行合成试验。具体的工艺参数是温度1400°C、压力为5Gpa、合成时间为％iin。合成 的PCBN的规格为013. 4 mm X 5 mm。上述的得到的PCBN复合片的显微硬度值为HIV7000， 冲击韧性为800次，抗弯强度为560MPa。实施例4按CBN粒度10 20Mm、镀覆78%纳米镍的Si3N4晶须、纳米氮化硅、金属Co质量份数 分别按80%、5%、10%.、5%混料。并压制成式样块，将成型的样块放入有盐管屏蔽层隔离的钼 杯里面，再将装好的的盐管放入石墨模具。最后装入叶蜡石腔体中，所用的叶蜡石尺寸为 37. 5 mm X 37. 5 mm X 37.5 mm，合成腔体直径为23 mm，里面的石墨管内径为18 mm，高 为11 mm，整个装置分为上下两层。并将装好的叶蜡石块放在六面顶压机上进行合成试验。 具体的工艺参数是温度1400°C、压力为5Gpa、合成时间为％iin。合成的PCBN的规格为 013.4 mm X 5 mm。上述的得到的PCBN复合片的显微硬度值为HIV5000，冲击韧性为400次，抗弯强度为^OMPa。
实施例5按CBN粒度10 20Mm、镀覆45%纳米金属镍的Si3N4晶须、Si3N4晶须、氮化硅、金属Co 质量份数分别按50%、5%、5%、35%.、5%混料。并压制成式样块，将成型的样块放入有盐管屏 蔽层隔离的钼杯里面，再将装好的的盐管放入石墨模具。最后装入叶蜡石腔体中，所用的叶 蜡石尺寸为37. 5 mm X 37. 5 mm X 37.5 mm，合成腔体直径为23 mm，里面的石墨管内径 为18 mm，高为11 mm，整个装置分为上下两层。并将装好的叶蜡石块放在六面顶压机上进行 合成试验。具体的工艺参数是温度1400°C、压力为5Gpa、合成时间为％iin。合成的PCBN 的规格为013. 4 mm X 5 mm。上述的得到的PCBN复合片的显微硬度值为HIV7200，冲击韧 性为850次，抗弯强度为400Mpa。
权利要求
1.一种表面镀镍Si3N4晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片，其特征在于它包括下述质量 份数比的原料其中立方氮化硼CBN2(T85%、Si3N4晶须或镀覆纳米金属镍的Si3N4晶须中的 任意一种或二者混合物5 20%、结合剂1(Γ75%.。
2.根据权利要求1所述的表面镀镍Si3N4晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片，其特征在 于所述镀覆纳米金属镍的Si3N4晶须表面上镀覆的金属镍粒子粒径在纳米级范围内，镀覆 增重量为5%-100% ；优选镀覆增重量为20% 50%。
3.根据权利要求2所述的表面镀镍Si3N4晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片，其特征在 于所述的Si3N4晶须为Si3N4晶须或经过表面镀覆Si3N4晶须中的任意一种或二者混合物， 所述二者混合物中镀覆纳米镍的Si3N4晶须占重量百分比10%至90%进行混合。
4.根据权利要求2所述的表面镀镍Si3N4晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片，其特征在 于所述镀覆纳米金属镍的Si3N4晶须的制备方法包括下述步骤a、取经超声波分散处理的Si3N4晶须粉末，采用由浓度为30g/L氢氧化钠分析纯制备 而成的碱液处理液对其进行净化除油处理，处理时间为remin，真空抽滤水洗至中性；之 后进行亲水化处理，用1 :1的盐酸煮沸iTllmin，真空抽滤后进行敏化处理，敏化液是由体 积比为1 :1的浓度为20g/L氯化亚锡和浓度为40ml/L盐酸制备而成的混合液，敏化时间 为remin，磁力搅拌；然后将抽滤清洗后的Si3N4晶须粉末加入到活化液中进行活化处理， 活化液是由体积比为1 :1的浓度为lg/L氯化钯和浓度为200ml/L盐酸的混合液，活化时间 为remin，磁力搅拌，真空抽滤清洗后将Si3N4晶须粉末加入到还原液中进行还原处理，还 原液为浓度为30g/L次亚磷酸钠，还原时间为2 4min，磁力搅拌，真空抽滤清洗，干燥；实 验处理和清洗液均采用去离子蒸馏水；b、将Si3N4晶须粉末分散于去离子水里，在超声波分散仪上分散20 40min，将分散好 的Si3N4晶须粉末加入到由重量百分比2(Γ40%硫酸镍、2(Γ40%次亚磷酸钠、10 20%柠檬酸 钠制备而成的化学镀液中进行化学镀，调整镀液的PH值圹13、温度10°C 60°C和施镀时间 1分钟 30分钟进行分组镀镍，施镀过程中用磁力搅拌器加以搅拌，清洗方式采用去离子水 真空抽滤清洗，干燥称量检测。
5.根据权利要求1所述的表面镀镍Si3N4晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片，其特征在 于所述的立方氮化硼CBN颗粒的粒径为1 2Mm、2 4Mm、5 ΙΟΜπκΙΟ 15Mm、10 20Mm 或20 30Mm中的至少一种；其在复合片组合物中的质量份数比例为40% 80%。
6.根据权利要求1所述的表面镀镍Si3N4晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片，其特征在 于所述的结合剂为金属、碳化物、氮化物、三氧化二铝或碳氮化物中的至少一种；或由碳 化物、氮化物、硅化物或硼化物中的任意一种与镍钴形成的固熔体化合物组成的金属陶瓷 组合物，所述镍钴形成的固熔体化合物在组合物中的质量比为5% 80%;优选质量比为 10% 40% O
7.根据权利要求6所述的表面镀镍Si3N4晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片，其特征在 于所述的金属结合剂为Ca、Ti、Al、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、W、Mo、Re或Cr中的至少一种；优选 原料为Al、Co或Ni中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的表面镀镍Si3N4晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片，其特征在 于所述的氮化物为氮化硅、氮化钛、氮化锆、氮化铪、氮化钒、氮化铌、氮化钽、氮化铬、氮化 钼、氮化钨、氮化铝或氮化硅中的任意一种。
9. 一种用于权利要求1所述的表面镀镍Si3N4晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片的制备 方法，其特征在于所述方法包括下述步骤按下述质量份数比取立方氮化硼CBN2(T85%、 Si3N4晶须或镀覆纳米金属镍的Si3N4晶须中的任意一种或二者混合物5 20%、结合剂 10^75%.并加以混合，之后压制成样块，将成型的样块放入有盐管屏蔽层隔离的钼杯里面， 再将装好的的盐管放入石墨模具，最后装入叶蜡石腔体中，整个装置分为上下两层，并将装 好的叶蜡石块放在六面顶压机上，在1300°C 1550°C温度、4. 5Gpa 7. 0 Gpa高压条件下 合成，合成时间为3 20min。
全文摘要
一种表面镀镍Si3N4晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片，其特征在于它包括下述质量份数比的原料其中立方氮化硼(CBN)20~85%、Si3N4晶须或镀覆纳米金属镍的Si3N4晶须中的任意一种或二者混合物5~20%、结合剂10~75%。在高温高压下整体式压制成型或镶嵌在硬质合金底座上。由于本发明采用Si3N4晶须及表面镀覆纳米镍的Si3N4晶须的引入来增加PCBN复合片的韧性，提高了PCBN刀具的耐冲击性能，从而实现其长时间的连续车削，提高刀具的实用寿命和企业的生产效率。该聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具的加工的范围比较广泛，可以用在高级数控机床、多用途的全自动机床以及专用的高速度的自动线机床等，还有用在加工淬火钢、冷硬铸铁、模具钢以及淬硬锻造钢件等柔性的生产系统。
文档编号C04B35/622GK102050633SQ20101054223
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月14日 优先权日2010年11月14日
发明者侯永改, 张琳琪, 彭进, 董企铭, 邹文俊, 郝德辉 申请人:河南工业大学