专利名称：一种复合超硬工具、制备方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明是关于由立方氮化硼(CBN)作工作层和碳化硅(SiC)作基体层组成的复合超硬工具、制备方法及应用。属于超硬工具领域。
众所周知，立方氮化硼(CBN)和人造金刚石(Diamond)是迄今为止在超高压高温条件下合成的超硬材料。虽然两者硬度相差不大，但由于物化性能的差异，其用途各有侧重。用金刚石制造的超硬工具主要用于有色金属和非金属材料的加工；用立方氮化硼制造的超硬工具由于其化学稳定性好，所以侧重于磁性材料和高硬度黑色金属的加工，弥补了人造金刚石在此方面的弱点。人们通常用金属结合剂、有机树脂结合剂和陶瓷结合剂制成CBN工具。例如，美国专利(U．S．P．4，652，277)报导的陶瓷结合剂CBN砂轮的组分及成型方法，它克服了过去用环氧树脂将CBN粘结在砂轮外表面，粘结作用差的缺点，而提出新的组分及成型方法，具体的组成是在碳化硅基体上复合CBN外环，其组分包括约10-70的CBN，约5-60％的刚玉和约15-35％的结合剂介质，基体的有效组成包括约10-65％的SiC，约10-60％的刚玉和5-30％的结合剂介质(以上均为重量百分数)。其成型和焙烧是采用工程陶瓷的工艺，并在980-1040℃高温下焙烧，整个焙烧时间65小时，而且结合剂介质组成配比是固定的，因而相对地减少了工作层和基体层的热膨胀系数的调节范围。
本发明的目的在于在U．S．P．4，652，277的基础上，对工作层的组成进行改进，使焙烧最高温度降低，焙烧时间缩短，从而进一步降低生产成本，同时在制备工艺过程更多利用工程陶瓷干压成型，而在制备过程中使用的双向加压技术，使产品均一性和机械强度提高，并可使本发明提供的材料及制备方法，不仅可制成的砂轮，还可做成不同复合结构不同形状的珩磨块、磨头，进一步扩大应用。
为达到本发明的目的，本发明提供的工作层组成为CBN 20-49，Al2O320-45，N料8-10，结合剂20-26及1-2粘结剂，基体层的组成为SiC 20-57，Al2O310-45，N料8-10，结合剂20-26及1-2粘结剂，作为结合剂的组成为SiO254-70，B2O314-36，Al2O34-6，Na2O 7-10(以上均为重量百分数)。
由几种混合相组成的基体层和工作层的热膨胀系数平均值可按通常的加和定理计算，基体层和工作层的膨胀系数应基本相同，以避免复合超硬工具材料制备过程冷却和工作时产生热应力、裂纹或彼此分离现象出现。
本发明提供的工作层和基体层中加入的N料可以是叶蜡石、高岑土或凹凸棒料，其基本组成是硅含量30-40，铝含量60-70的粘土矿物(重量百分数)，本发明推荐的是叶蜡石，N料加入能有效地促进复合超硬工具材料的烧结和提高结合强度。
本发明可根据实际应用调整CBN的粒度和品位，若工作要求高则采用琥珀色CBN，一般要求用黑色CBN；精磨级采用W级CBN，粗磨或粘磨采用80-400目CBN。
本发明提供的复合超硬工具材料具体的制备方法如下所述。
(一)复合超硬工具材料组分的制备(1)结合剂制备按设计和计算的组分称量，其中SiO2400目，B2O3325-400目，Al2O3325-400目，Na2O 200目，用机械或手工方法干料混匀。
Na2O是采用加热分介Na2CO3(化学纯)，在Al2O3或其他陶瓷容器中，置于电炉内，升温至980-1000℃，保温2小时，自然冷却至室温，取出粉碎过200目筛。
(2)工作层(CBN)制备首先按提供的组成范围确定具体配比，用V形混料机(或手工反复)将CBN、Al2O3和N料干料混合均匀；然后，按6份蒸馏水和75份上述混合料比例混合，再逐一加进已混匀的结合剂及粘结剂(通常用糊精)，再次混合成潮湿混合料。
第三、将潮湿混合料造粒，其方法是将混合料放入金属模具内，施加80-120kg／cm2的压力，从钢模中取出，粉碎过60-80目筛。也可将潮湿混合料装入塑料模或橡皮模中用冷静压方法成型，破碎，过60-80目筛。
(3)基体层(SiC)制备按提供组成范围，确定具体配比(使膨胀系数与工作层相近)用V型混料机(或手工多次)将SiC、Al2O3和N料干料混合均匀。
然后以重量计算，按3．7份蒸馏水和74份基体工作层混合料混合均匀，再加入干的已制备好的结合剂和粘结剂，再次混合成潮湿混合料，用与工作层(CBN)制备相同的方法造粒。
(二)压制成型由于超硬工具材料形状简单而尺寸不大，通常用钢模成型，采用工程陶瓷领域干压成型的双向加压法。用叉型或U型金属件将钢模的阴模垫起，第一次加压(压力仅为150-250kg／cm2)，卸压完成后抽去叉形或U型的热起件，使钢模的阴模悬空，然后实施第二次加压(通常为2500-3000kg／cm2)，保压30秒钟，卸压，取出成形件。
在压制前将上述准备好的基体层料和工作层料，按产品需要依次放入钢模具，每放入一种物料，稍加压力，再放入第二种料，依次类推。(具体方法详见实施例)(三)焙烧温度和升降温速率总的升降温速率和焙烧温度时间应视制品的尺寸大小、物件堆积密度而定。本发明推荐的制度为室温至480℃7小时，480℃至1000℃为4小时(保温4小时)，然后4小时缓慢冷却至750℃，由750℃冷却至600℃，约为8小时，最后冷却到室温约需8小时，总的焙烧时间为51小时，最高温度为1000℃，与文献介绍相比，最高温度降低而是总的焙烧时间也缩短，有利于节能。
本发明提供的复合超硬材料具有的优点是(1)由于工作层和基体层调节热膨胀系数范围较宽，而且N料和结合剂中组分能在最终烧成后生成少量的硼化物、铝化物，这种岛状物起类似纤维或晶须增强作用，提高产品的强度，提高抗热冲击和机械冲击能力。
(2)采取工程陶瓷的双向加压，使产品结构均匀致密、机械强度高。
(3)产品的自身耐磨性好，且焙烧温度低，焙烧时间短，成本也可进一步降低。
图1为几种超硬工具结构示意图。
其中1-1为磨块的结构示意图，1为工作层，2为基体层1-2为珩磨头的结构示意图，1为工作层，2为基体层1-3为砂轮结构示意图，1为工作层，2为基体层为进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步，用实例加以说明。
实施例1复合磨块(1)工作层组成(wt％)CBN(170-400目，黑色)39Al2O3(325-400目) 28N料(叶蜡石，过200目)8结合剂 23．1粘结剂(糊精) 1．9(2)基体层组成(wt％)SiC(270-325目) 40Al2O3(270-325目) 26N料(叶蜡石，过200目)10
结合剂 22粘结剂(糊精) 2(3)结合剂组成(wt％)SiO2(400目)70B2O3(325-400目) 14Al2O3(325-400目) 6Na2O(200目)10(4)先将结合剂混匀，其中Na2O是由Na2CO3于980℃加热分介，过200目筛而制得的，其余Al2O3、SiO2和B2O3均为市售化学纯或工业纯，工作层中CBN、Al2O3和叶蜡石在V型混料机中混和后，按6份蒸馏水和75份工作层料混合成潮湿的粉料，在100kg／cm2压力下于钢模中预压粉碎过40目筛的造粒料。
(5)成型方法按双向加压方法，先在钢模中放入造粒后基体料，其重量按所需的基体层厚度，计算后称量，用软刷等轻轻将料面弄平，稍加压力然后倒入称量好的工作层料，弄平后进行双向加压第一次加压压力为200kg／cm2，卸压后取出叉形或U形垫起件，再进行第二次加压，压力为3000kg／cm2，保压30秒钟，卸压取出。
基体层中SiC、Al2O3和叶蜡石按组份比在V型混料机中混和后，按3．7份蒸馏水和74份基体层粉料混成潮湿粒料，然后加入结合剂和粘结剂。
(6)焙烧温度为1000℃，室温升至480℃ 7小时，480℃至1000℃为4小时，保温4小时，然后在4小时内冷却至750℃，再在8小时内冷却至600℃，最后冷却至室温为8小时，整个加热和冷却可用通常的程序控制，对各温度均为匀速加热或冷却。
用本实施例制成的用于磨削内圆孔的砂轮，对磨削材质轴承钢，HRC63的内圆磨削试验，其磨耗比为105，即轴承钢(HRC63)磨削量∶砂轮磨削量=105∶1
砂轮尺寸φ16／φ6×5m／m 工件尺寸内径35m／m砂轮转速10000转／分冷却液市售水液性油实施例2 锥形状珩磨头(1)工作层组成(wt％)CBN(100-120目，琥珀色) 35Al2O3(170-200目) 27N料(凹凸棒状) 10结合剂 26粘结剂(糊精) 2(2)基体层组成(wt％)SiC(120-200目，琥珀色) 40Al2O3(200目) 28N料(凹凸棒状) 8结合剂 21．5粘结剂(糊精) 1．5(3)结合剂组成(wt％)SiO2(400目)62B2O3(325-400目) 25Al2O3(325-400目) 5Na2O(200目)8成型过程，因其三层结构(如图1-2所示)，先在钢模中放置一定量基体混和造粒料，弄平后略加压力，然后倒入造粒过的工作层料，然后用双向加压方法，压制成二层夹心式的珩磨头，本实施例中，其他工艺条件如实施例1所示。
权利要求
1．一种复合超硬工具，由工作层(1)和基体层(2)组成，工作层(1)是由立方氮化硼为主组成，基体层(2)由碳化硅为主组成，其特征在于(1)工作层组成(wt％)CBN20-49Al2O320-45N料8-10结合剂 20-26粘结剂 1-2(2)基体层组成(wt％)SiC 20-57Al2O310-45N料 8-10结合剂 20-26粘结剂 1-2(3)结合剂组成(wt％)SiO254-70B2O314-36Al2O34-6Na2O7-10(4)N料为硅含量30-40wt％，铝含量60-70wt％的粘土矿物，如叶蜡石、高岭土或凹凸棒料。(5)粘结剂为糊精
2．按权利要求1所述的超硬工具的制备方法，包括粉料的混和，造粒，压制和焙烧，其特征在于(1)结合剂制备按SiO2400目，B2O3325-400目，Al2O3325-400目，Na2O 200目，组成比混和均匀，SiO2、B2O3和Al2O3可市售的化学纯式工业纯，Na2O是由Na2CO3经980℃高温分介和冷却过筛；(2)工作层粉料制备按组成配比将CBN+Al2O3+N料，用V形混料机干料混合均匀，然后按6份蒸馏水和75份此混合料混成潮湿粉料，再逐渐加进已混匀的结合剂及粘结剂(糊精)，再次混成潮湿混合料，在金属模中施加80-120kg／cm2压力，从钢模中取出或将混合料装入塑料模具或橡胶模具中用冷静压成形、破碎，过60-80目筛造粒；(3)基体层粉料制备按组成配比将SiC+Al2O3+N料，用V形混料机干料混合均匀，然后按3．7份蒸馏水和74份此混合料混成潮湿粉料，再逐渐加进已混匀的结合剂和粘结剂，造粒，具体与工作层粉料制备相同；(4)采用工程陶瓷双向加压方法成形，用叉形或U形金属件将钢模的阴模垫起，第一次以150-250kg／cm2压力加压，卸压后，抽去叉形或U形的垫起件，使钢模的阴模悬空，然后第二次加压，压力为2500-3000kg／cm2，保压30秒，再卸压；(5)焙烧温度和升降温速率，焙烧最高温度为1000℃，保温4小时，总的焙烧时间为51小时。
3．按权利要求1所述的复合超硬工具，其特征在于(1)工作层组成(wt％)CBN(170-400目，黑色) 39Al2O3(325-400目) 28N料(叶蜡石，过200目)8结合剂 23．1粘结剂(糊精) 1．9(2)基体层组成(wt％)Sic(120-200目) 40Al2O3(200目) 26N料(叶蜡石) 10结合剂 22粘结剂(糊精) 2(3)结合剂组成(wt％)SiO2(400目)70B2O3(325-400目) 14Al2O3(325-400目) 6Na2O(200目)10
4．按权利要求1所述的复合超硬工具，其特征在于(1)工作层组成(wt％)CBN(100-120目，琥珀色) 35Al2O3(170-200目) 27N料(凹凸棒料) 10结合剂 26粘结剂(糊精) 2(2)基体层组成(wt％)SiC(120-200目) 40Al2O3(200目) 28N料(凹凸棒料)8结合剂 21．5粘结剂(糊精) 1．5(3)结合剂组成(wt％)SiO2(400目)62B2O3(325-400目) 25Al2O3(325-400目) 5Na2O(200目)8
5．按权利要求3、4所述的复合超硬工具的制备方法，其特征在于(1)先将结合剂、工作层料、基体层料按权利2方法制备。(2)成型方法采用双向加压。(3)焙烧温度为1000℃，焙烧时间为51小时，均匀加热和冷却。
6．按权利要求1、2、3、4制成的超硬工具，可制成珩磨头、磨块、砂轮，适合于粗磨、半精磨和研磨。
全文摘要
一种复合超硬工具、制备及应用,属于超硬工具领域,其特点是由立方氮化硼(CBN)的工作层1和碳化硅(SiC)的基体层2组成。工作层的组成为:CBN20—49,Al
文档编号B24D3/00GK1205262SQ9811097
公开日1999年1月20日 申请日期1998年7月24日 优先权日1998年7月24日
发明者周军学, 曹振骏, 陈文 , 陈光耀 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所