专利名称：：一种聚晶立方氮化硼的制备方法
技术领域：
：本发明提供了聚晶立方氮化硼(PcBN)的制备方法，属于切削加工材料的先进刀具领域。
背景技术：
：切削刀具是机械制造中用于切削加工的工具，目前广泛使用的金属切削刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金和陶瓷刀具等，而我国刀具材料结构中高速钢占有绝对优势，约占60%，硬质合金不到40%。由于用于高速切削的刀具需要同时具有韧性好、抗冲击能力强和耐磨性好等性能，并直接影响了切削加工精度，因此传统的刀具材料面临巨大挑战。随着对高速切削的要求越来越高，陶瓷刀具等应运而生。由于CBN的三高性高硬度、高的热稳定性和高的与铁族元素的惰性，在工业发达国家将其作为提高及加工工业中的经济效益(节能、高效、精密、自动化)的重要工具材料加以发展，尤其在军工、宇航、喷涂焊加工工业中更为突出。而单晶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，因此在工业上作切削刀具大多是聚晶的PcBN，PcBN是由无数细小的CBN单晶构成，PcBN因而无方向性，会使劈裂的影响大大减少，而且随着切削过程刀具的磨损，会连续露出新鲜的晶体。CBN单晶表面有一层致密的氧化硼薄膜，这层薄膜阻碍了CBN晶粒间的直接键合，所以难得到CBN与CBN之间的直接键合的高强度的PCBN，因而在聚合过程中加入多种结合剂材料以加强CBN晶粒间的连接。目前国内外PcBN的结合剂基本有两种类型一种是由金属及其合金组成的金属结合剂，这种结合剂对提高PcBN的韧性起到良好的作用，但在高温条件下结合剂软化，对PcBN的耐磨性起到副作用；另一类是目前正在发展的陶瓷与金属或金属合金组成的结合剂，因为纯陶瓷结合剂可以解决高温条件下软化的问题，但这种PcBN抗冲击性能差，寿命短。PcBN(聚晶立方氮化硼)是由无数细小无序排列的cBN单晶组成的，无解理面，宏观上无方向性，这会使劈裂的影响大大减小，而且会随着切削刀具的磨损连续地露出新鲜的晶体。PcBN刀具材料按其成分和制造方法可分为聚晶立方氮化硼烧结体(PcBN烧结体)和复合聚晶立方氮化硼(PcBN复合刀片)。由于PcBN具有良好的抗化学腐蚀性，且在120(TC的高温下表现出很好的热稳定性，因此在刀具尖端的相对高温不会对它产生任何不利的影响，相反它还能在切削硬质铁合金时起到加速切削的作用。目前聚晶立方氮化硼PcBN的制备方法主要采用在高温高压下的热压烧结法制备而成，还有报道称采用等离子放电烧结工艺，现有的制备聚晶立方氮化硼的方法均是成型与烧结同时进行，成型所需压力很大，为7—9GP;烧结温度也较高，为1400—260(TC，另外制备工艺所需要设备复杂，成本高，从而在一定程度上限制了聚晶立方氮化硼的使用。因此，必须大幅度降低PcBN的生产制造成本，使其变为"普通"刀具材料，才有可能使PcBN得到广泛的推广应用。
发明内容本发明的目的在于提供一种聚晶立方氮化硼的制备方法，以大大降低生产成本。为了实现上述目的，本发明的技术方案采用了一种聚晶立方氮化硼的制备方法，包括以下步骤以立方氮化硼及结合剂为原料，将立方氮化硼及结合剂混合后球磨，球磨时球料比为(l一4):1，转速为400—800转/分，球磨时间为4—20小时；将球磨后的混合料干燥，干燥后加入有机粘结剂，混合均匀，过100目筛网；冷压成型，压力范围为0.8GPa—2GPa;将成型后的坯体进行烧结，烧结温度为1000—1300°C，保温时间为4—20小时，烧结后即制得成品。所述的立方氮化硼与结合剂的重量百分含量分别为立方氮化硼70—95%，结合剂5—30%。所述的立方氮化硼的粒径范围为0.1-100lim。所述的立方氮化硼为纯净的氮化硼或是镀Ti、Ni的立方氮化硼。所述的结合剂由单质铝粉、含硅物质、含硼物质、含铝物质及含氮物质组合而成，各组分的重量比为单质铝粉含硅物质含硼物质含铝物质含氮物质=(10—50):(5—25):(2—10):(1—5):(10—20)。所述的含硅物质为二氧化硅；含硼物质为氧化硼或是硼酸中的任意一种或其组合；含铝物质为氧化铝；含氮物质为氮化硅。所述的结合剂由单质硅粉、含钾矿物及含氮物质组合而成，各组分的重量比为单质硅粉含钾矿物质含氮物质=(i~io):(440):(i-io)。所述的含钾矿物为钾长石；含氮物质为氮化硅。所述的有机粘结剂为聚乙烯醇(PVA)。所述的冷压成型过程中坯体的成型采用分步加压法，即先在低压力(200MPa)下压制成坯体，然后逐步加压以达到所需的压力；压力范围0.82GPa，保压时间60200s。本发明的方法以立方氮化硼cBN为主耐磨相，添加结合剂后过筛、造粒、冷压分步成型，在空气气氛下烧结后得到PcBN复合体，其中立方氮化硼cBN的粒径范围为(U100um;选料时cBN粒度满足r1:r2:r3=l:0.414:0.225的关系，以实现最紧密堆积；本发明所提供的聚晶立方氮化硼PcBN的制备方法所需要的压力小，烧结温度低，操作条件易达到；所需要设备简单、操作易控制，成本低，该方法适宜PcBN的大规模化生产。本发明的PcBN呈灰色，为致密块体。使用本发明的方法所得的聚晶立方氮化硼PcBN具有硬度高、磨削效率高、抗冲击韧性好、容易修整、磨削质量好等优越性能。图1为本发明采用的原料立方氮化硼cBN粉体的X射线衍射图；图2为实施例1烧结体PcBN的扫描电镜照片;图3为实施例1所制备的烧结体PcBN断面扫描电镜照片；图4为实施例2所制备的烧结体PcBN断面扫描电镜照片；图5为实施例2烧结体PcBN的线扫描图；图6为实施例2烧结体PcBN能谱分析。具体实施方式实施例1本发明的聚晶立方氮化硼PcBN的制备方法如下称量0.6gAl，0.3gSi02，0.15gAl2O3，0.06gH3BO3，0.6gSi3N4，将其混合均匀即为结合剂；然后再称量《2g立方氮化硼cBN(X射线衍射图见图l)，其粒径范围为3040Pm;将结合剂和cBN置于行星球磨机混合，球料比为2:1，球磨介质为水，转速为600转/min，球磨时间为4小时；将球磨后的混合料放入60'C干燥箱烘干；取出放入研钵，加入聚乙烯醇PVA作为有机粘结剂，混合均匀，过100目筛网；称量0.5g混合料，用①8的模具在压机上成型，初始压力为4MPa，保压时间为100秒；卸压后再加载8MPa压力，保压100s;再卸压加载12MPa的压力，保压100s，脱模后即为坯体；将成型后的坯体置于烧结炉中烧结，烧结制度为0~300°C，升温速率3°C/min;300900°C，速率5°C/min;900-1200°C，速率l(TC/min;在120(TC下保温4小时，自然冷却至室温，烧结后即制得成品。制备而得的PcBN烧结体的断面扫描电镜照片如图3所示，从图3中可以看出，cBN颗粒与结合剂之间的界面结合非常好，断口处气孔较少，断口较平整，发生脆性断裂。用阿基米德原理测得制品的气孔率和体积密度，其数值见表1试样A。用HX-1000TM/LCD显微硬度计测试PcBN烧结体的显微硬度，试验力9.807N，试验力保持时间15s，测得的显微硬度值见表2试样A。实施例2本实施例的聚晶立方氮化硼PcBN制备方法如下称量1.2g钾长石，0.42gSi，0.18gSi3N4，将其混合均匀后即得到结合剂；然后再称量4.2g立方氮化硼cBN(X射线衍射图见图1)，其粒径范围为2236um;将制得的结合剂和cBN置于行星球磨机混合，球料比为3:1，球磨介质为水，转速为600转/min，球磨时间为8小时；将球磨后的混合料放入6(TC干燥箱烘干；取出放入研钵，加入PVA作为粘结剂，混合均匀，过100目筛网；称量0.5g混合料，用08的模具在压机成型，初始压力为4MPa，保压时间为100秒；卸压后再加载8MPa压力，保压100s;再卸压加载12MPa的压力，保压100s，脱模后即为坯体。将成型后的坯体置于烧结炉中烧结，烧结制度为0300°C，升温速率3°C/min;300900°C，速率5°C/min;900~1200°C，速率10°C/min。1200°C下保温4小时，自然冷却至室温，烧结后即制得成品。制备的PcBN烧结体的断面扫描电镜照片如图4所示，从图中可以看出，cBN颗粒与结合剂之间的界面结合紧密，试样断口处大气孔少，孔隙比较均匀，气孔圆滑，没有尖锐棱角。而且断口平整，发生脆性断裂。用阿基米德原理测得制品的气孔率和体积密度，其数值见表1试样B。用HX-1000TM/LCD显微硬度计测试PcBN烧结体的显微硬度，试验力9.807N，试验力保持时间15s，测得的显微硬度值见表2试样B。从图5的线扫描图和图6的能谱分析可以看出，cBN颗粒之间的结合剂的元素主要是A1、Si、K，且各种元素的比例与所配的结合剂的质量比相一致。实施例3本实施例的聚晶立方氮化硼PcBN制备方法如下:称量1.2g钾长石，0.42gSi，0.18gSi3N4，将其混合均匀即得结合剂；然后再称量4.2g镀Ti的cBN，其粒径范围为30~40Pm;将结合剂和cBN置于行星球磨机混合，球料比为4:1，球磨介质为水，，转速为600转/min，球磨时间为16小时；将球磨后的混合料放入6(TC干燥箱烘干；取出放入研钵，加入PVA作为粘结剂，混合均匀，过100目筛网；称量0.5g混合料，用0)8的模具在压机成型，初始压力为4MPa，保压时间为100秒；卸压后再加载8MPa压力，保压100s;再卸压加载12MPa的压力，保压100s;再卸压加载14MPa的压力，保压100s;脱模后即为坯体；将成型后的坯体置于烧结炉中烧结，烧结制度为0300°C，升温速率3°C/min;300900°C，速率5。C/min;900~1200°C，速率10°C/min。1200。C下保温4小时，自然冷却至室温，烧结后即制得成品。用阿基米德原理测得制品的气孔率和体积密度，其数值见表1试样C。用HX-1000TM/LCD显微硬度计测试PcBN烧结体的显微硬度，试验力9.807N,试验力保持时间15s，测得的显微硬度值见表2试样C。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>最后所应说明的是，以上实例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。权利要求1.一种聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于包括以下步骤以立方氮化硼及结合剂为原料，将立方氮化硼及结合剂混合后球磨，球磨时球料比为(1-4)∶1，转速为400-800转/分，球磨时间为4-20小时；将球磨后的混合料干燥，干燥后加入有机粘结剂，混合均匀，过100目筛网；冷压成型，压力范围为0.8GPa-2GPa；将成型后的坯体进行烧结，烧结温度为1000-1300℃，保温时间为4-20小时，烧结后即制得成品。2.根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于所述的立方氮化硼与结合剂的重量百分含量分别为立方氮化硼70—95%，结合剂5—30%。3.根据权利要求2所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于所述的立方氮化硼的粒径范围为0.1~100um。4.根据权利要求3所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于所述的立方氮化硼为纯净的氮化硼或是镀Ti、Ni的立方氮化硼。5.根据权利要求1-4中任一条所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于所述的结合剂由单质铝粉、含硅物质、含硼物质、含铝物质及含氮物质组合而成，各组分的重量比为单质铝粉含硅物质含硼物质含铝物质含氮物质=(10—50):(5—25):(2—10):(1—5):(10—20)。6.根据权利要求5所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于所述的含硅物质为二氧化硅；含硼物质为氧化硼或是硼酸中的任意一种或其组合；含铝物质为氧化铝；含氮物质为氮化硅。7.根据权利要求1-4中任一条所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于所述的结合剂由单质硅粉、含钾矿物及含氮物质组合而成，各组分的重量比为单质硅粉含钾矿物质含氮物质=(1~10):(440):(iio)。8.根据权利要求7所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于所述的含钾矿物为钾长石；含氮物质为氮化硅。9.根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于所述的有机粘结剂为聚乙烯醇(PVA)。10.根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼的制备方法，其特征在于所述的冷压成型过程中坯体的成型采用分步加压法，即先在低压力下压制成坯体，然后逐步加压以达到所需的成型压力；最终成型压力范围0.82GPa，保压时间6Q200s。全文摘要本发明公开了一种聚晶立方氮化硼的制备方法，包括以下步骤以立方氮化硼及结合剂为原料，将立方氮化硼及结合剂混合后球磨，球磨时球料比为(1-4)∶1，转速为400-800转/分，球磨时间为4-20小时；将球磨后的混合料干燥，干燥后加入有机粘结剂，混合均匀，过100目筛网；冷压成型，压力范围为0.8GPa-2GPa；将成型后的坯体进行烧结，烧结温度为1000-1300℃，保温时间为4-20小时，烧结后即制得成品。本发明方法所制备的聚晶立方氮化硼PcBN呈灰色，为致密块体，具有硬度高、磨削效率高、抗冲击韧性好、容易修整、磨削质量好等优越性能。本发明的方法所需设备简单、操作易控制，成本低，易于大规模化生产，具有很好的社会价值和经济价值，易于推广应用。文档编号C22C29/16GK101560624SQ200910064948公开日2009年10月21日申请日期2009年5月18日优先权日2009年5月18日发明者任振火,莉关,锐张,李和鑫,李明亮,温合静,王海龙,陈德良申请人:河南富耐克超硬材料有限公司;郑州大学