聚晶立方氮化硼、制备方法及其应用、包含该聚晶立方氮化硼的刀具技术

本发明专利技术涉及超硬材料领域，具体而言，提供了一种聚晶立方氮化硼、制备方法及其应用、包含该聚晶立方氮化硼的刀具。所述聚晶立方氮化硼主要由以下体积份数的原料制备而成：立方氮化硼55‑65份、过渡金属的碳化物30‑38份和金属粉5‑7份；所述过渡金属为元素周期表第4、5或6副族中的至少一种；所述金属粉包括Al、Si或Ti中的至少一种。该聚晶立方氮化硼主要以特定体积份数的立方氮化硼、过渡金属的碳化物和金属粉制备而成，经过各原料的科学配合，具有硬度高、耐磨性能好的优点。

Polycrystalline cubic boron nitride, preparation method and application, and cutter containing the polycrystalline cubic boron nitride

The invention relates to the field of super hard material, in particular, a polycrystalline cubic boron nitride, a preparation method and its application, and a tool containing the polycrystalline cubic boron nitride are provided. The polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) is prepared mainly from the following volume fraction of raw materials: cubic boron nitride (cubic boron nitride 55), carbide 30, 38 and metal powder 5, 7; the transition metal is at least one of the element periodic table fourth, fifth or 6 vice family; the metal powder includes at least one of the Al, Si, or Ti. The polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) is made mainly of cubic boron nitride, carbide and metal powder of a specific volume fraction. Through scientific cooperation of various raw materials, it has the advantages of high hardness and good wear resistance.

【技术实现步骤摘要】
聚晶立方氮化硼、制备方法及其应用、包含该聚晶立方氮化硼的刀具
本专利技术涉及超硬材料领域，具体而言，涉及一种聚晶立方氮化硼、制备方法及其应用、包含该聚晶立方氮化硼的刀具。
技术介绍
立方氮化硼(cBN)是仅次于金刚石的超硬材料，它不但具有金刚石的许多优良特性，而且有更高的热稳定性和对铁族金属及其合金的化学惰性，作为工程材料已经广泛应用于黑色金属及其合金材料的加工工业中。同时，立方氮化硼又以其优异的热学、电学、光学和声学等性能，在一系列高科技领域得到应用，成为一种极具发展前景的功能材料。聚晶立方氮化硼(PcBN)是立方氮化硼的多晶体，因具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定等优点被广泛应用于铸铁、淬硬钢、粉末冶金等材料的加工领域。目前，聚晶立方氮化硼的制备主要分为以下两类：(1)以六方氮化硼(hBN)为原料，无需添加任何催化剂，在高温高压下hBN向cBN转化，并通过cBN-cBN自身直接成键形成PcBN；(2)向立方氮化硼中添加粘结剂，使其在高温高压条件下与cBN反应并在颗粒间形成粘结层，将cBN粘结成PcBN。由于第一类方法对烧结条件及合成设备要求十分严苛，很难适用于工业生产，因此添加粘结剂法仍为目前广泛应用的制备聚晶立方氮化硼的方法。目前的粘结剂主要为金属粘结剂或陶瓷粘结剂，然而单独采用金属粘结剂或陶瓷粘结剂存在粘结效果差或烧结温度高的缺点，得到的聚晶立方氮化硼的致密性不高、硬度较低、耐磨性较差。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种聚晶立方氮化硼，该聚晶立方氮化硼具有硬度高、耐磨性能好的优点。本专利技术的第二目的在于提供一种聚晶立方氮化硼的制备方法，该制备方法简单、易操作，制备得到的聚晶立方氮化硼具有硬度高的优点。本专利技术的第三目的在于提供一种包含上述聚晶立方氮化硼的刀具，该刀具具有较高的硬度和耐磨性，切削性能好。本专利技术的第四目的在于提供一种聚晶立方氮化硼在刀具或金属加工中的应用，能够使刀具具有较高的切削性能，使金属的加工效率和加工质量得以提高。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种聚晶立方氮化硼，主要由以下体积份数的原料制备而成：立方氮化硼55-65份、过渡金属的碳化物30-38份和金属粉5-7份；所述过渡金属为元素周期表第4、5或6副族中的至少一种；所述金属粉包括Al、Si或Ti中的至少一种。作为进一步优选地技术方案，主要由以下体积份数的原料制备而成：立方氮化硼57-63份、过渡金属的碳化物31-37份和金属粉5.5-7份；优选地，主要由以下体积份数的原料制备而成：立方氮化硼58-62份、过渡金属的碳化物32-36份和金属粉5.5-6.5份。作为进一步优选地技术方案，所述过渡金属为钛、钒或铬中的至少一种；优选地，所述过渡金属为钒和/或铬。作为进一步优选地技术方案，所述立方氮化硼的粒径为1-5μm；优选地，所述立方氮化硼的粒径为3μm。作为进一步优选地技术方案，所述过渡金属的碳化物的粒径为0.5-2μm；优选地，所述过渡金属的碳化物的粒径为1μm。作为进一步优选地技术方案，所述金属粉包括Al和/或Si；优选地，金属粉的粒径小于等于10μm，进一步优选为5μm。第二方面，本专利技术提供了一种上述聚晶立方氮化硼的制备方法，将配方量的各原料混合均匀，然后依次经成型、热处理和烧结即可得到所述聚晶立方氮化硼。作为进一步优选地技术方案，混合时间为2-3h；优选地，成型压力为8-12MPa；优选地，热处理为真空热处理；优选地，真空热处理的工艺包括：将成型后的坯体在真空度为1×10-3～1×10-1Pa中以3-7℃/s的升温速率升温至550-650℃，保温1.5-2.5h，然后以0.1-0.5℃/s的降温速率降温至60℃以下；优选地，烧结压力为7-8GPa，烧结温度为1800-2400℃，烧结时间为8-15min。第三方面，本专利技术提供了一种包含上述聚晶立方氮化硼的刀具。第四方面，本专利技术提供了一种上述聚晶立方氮化硼在刀具或金属加工中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的聚晶立方氮化硼主要由特定体积份数的立方氮化硼、过渡金属的碳化物和金属粉制备而成，其中过渡金属的碳化物为元素周期表第4、5或6副族中的至少一种，金属粉包括Al、Si或Ti中的至少一种。上述过渡金属的碳化物主要作为陶瓷粘结剂加入立方氮化硼中，将立方氮化硼粘结到一起，且立方氮化硼与上述碳化物之间的粘结力较强，因此能够减少cBN和上述氮化物粒子的脱落以及同时抑制上述氮化物粒子的磨损，提高聚晶立方氮化硼的强度和耐磨损性能。铝的熔点低，在较低的温度下容易与立方氮化硼中的氮元素发生化学反应，BN+Al→AlN+AlB12，生成陶瓷相的氮化铝，因此能够保证所得聚晶立方氮化硼的高硬度；同时AlN不仅具有高熔点、高硬度、高热传导性、耐磨性好的特性，而且是hBN→cBN转化的触媒，它在升温升压时可抑制cBN向hBN的逆转化。此外，铝在高温下具有良好的塑性，可以有效改善陶瓷结合剂烧结过程中产生的裂纹，同时提高聚晶立方氮化硼的延展性和断裂韧性。Si作为结合剂在烧结过程中也有着重要的作用，具体表现在：首先，Si基本上不与cBN发生反应；其二，Si能与粘结剂中的许多组分反应形成一系列金属间化合物或合金；其三，Si能在结合剂中对那些难熔硬质金属材料和陶瓷材料与cBN之间起润湿和粘结的作用；其四是液态Si比固态Si密度大，高压下Si的熔点能大大降低，从而使Si在较低温度下呈现熔融态并具有较高活性。Ti具有熔点高、耐腐蚀、无磁性、高温时化学活性高等特点，在聚晶立方氮化硼合成中能够有效降低合成能耗，同时可提高聚晶立方氮化硼的合成品质及质量。本专利技术提供的聚晶立方氮化硼的制备方法简单、易操作，制备得到的聚晶立方氮化硼具有硬度高的优点。包含上述聚晶立方氮化硼的刀具具有较高的硬度和耐磨性，切削性能好。将上述聚晶立方氮化硼应用于刀具或金属加工中，能够使刀具具有较高的切削性能，使金属的加工效率和加工质量得以提高。附图说明图1为实施例14-17的硬度测试曲线；图2为实施例14-17的断裂韧性测试曲线；图3为实施例14的聚晶立方氮化硼抛光后的表面SEM图；图4为实施例15的聚晶立方氮化硼抛光后的表面SEM图；图5为实施例16的聚晶立方氮化硼抛光后的表面SEM图；图6为实施例17的聚晶立方氮化硼抛光后的表面SEM图。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。第一方面，本专利技术提供了一种聚晶立方氮化硼，主要由以下体积份数的原料制备而成：立方氮化硼55-65份、过渡金属的碳化物30-38份和金属粉5-7份；所述过渡金属为元素周期表第4、5或6副族中的至少一种；所述金属粉包括Al、Si或Ti中的至少一种。本专利技术中，按体积份数计，立方氮化硼典型但非限制性的含量为：55份、56份、57份、58份、59份、60份、61份、62份、63份、64份或65份。本专利技术中，按体积份数计，过渡金属的碳化物典型但非限制性的含量为：30份、31份、32份、33份、34份、35份、36份、37份或38本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚晶立方氮化硼，其特征在于，主要由以下体积份数的原料制备而成：立方氮化硼55‑65份、过渡金属的碳化物30‑38份和金属粉5‑7份；所述过渡金属为元素周期表第4、5或6副族中的至少一种；所述金属粉包括Al、Si或Ti中的至少一种。

【技术特征摘要】
1.一种聚晶立方氮化硼，其特征在于，主要由以下体积份数的原料制备而成：立方氮化硼55-65份、过渡金属的碳化物30-38份和金属粉5-7份；所述过渡金属为元素周期表第4、5或6副族中的至少一种；所述金属粉包括Al、Si或Ti中的至少一种。2.根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼，其特征在于，主要由以下体积份数的原料制备而成：立方氮化硼57-63份、过渡金属的碳化物31-37份和金属粉5.5-7份；优选地，主要由以下体积份数的原料制备而成：立方氮化硼58-62份、过渡金属的碳化物32-36份和金属粉5.5-6.5份。3.根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼，其特征在于，所述过渡金属为钛、钒或铬中的至少一种；优选地，所述过渡金属为钒和/或铬。4.根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼，其特征在于，所述立方氮化硼的粒径为1-5μm；优选地，所述立方氮化硼的粒径为3μm。5.根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼，其特征在于，所述过渡金属的碳化物的粒径为0.5-2μm；优选地，所述过渡金属的碳化...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丙文，马宁，王彬彬，解亚军，陈培，
申请(专利权)人：富耐克超硬材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41