一种梯度复合立方氮化硼材料及其制备工艺和应用制造技术

本发明专利技术提供一种梯度复合立方氮化硼材料及其制备工艺和应用，该材料以立方氮化硼、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3层对称梯度结构；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，铝和钴为金属结合剂；并且，相对于中间层位置对称的对称层的原料组分含量相同，且厚度对称分布。该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。

A gradient composite cubic boron nitride material and its preparation process and Application

The invention provides a gradient composite cubic boron nitride material and its preparation process and application. The material is made of cubic boron nitride, titanium carbide, aluminum and cobalt by sintering, and has a three-layer symmetrical gradient structure with the middle layer as the symmetry; wherein, the volume percentage content of each component in the raw material is: cubic boron nitride 70 \u2011 80 vol.%, titanium carbide 10 vol.%, aluminum 5 \u2011 10 vol.% And cobalt 5 \u2011 10vol.%, wherein, cubic boron nitride is the matrix, titanium carbide is the ceramic bond, and aluminum and cobalt are the metal bond; and the raw material content of the symmetrical layer symmetrical to the position of the middle layer is the same, and the thickness is symmetrical distribution. The material has higher toughness and wear resistance, which makes the cutter better adapt to high-speed cutting and wear-resistant parts processing, and has a broader application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种梯度复合立方氮化硼材料及其制备工艺和应用
本专利技术涉及机械切削刀具制造
，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。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，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。但是专利技术人发现，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。
技术实现思路
因此，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术具有如下所述的技术方案：在本专利技术的第一方面，本专利技术提供了一种材料，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(在本专利技术中也称为表层)的原料组分含量和厚度相同，且厚度对称分布。在本专利技术的一些实施方式中，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，在本专利技术的一些实施方式中，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。本专利技术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，本专利技术还将梯度结构引入本专利技术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。在本专利技术的实施方式中，本专利技术所述以中间层为对称的对称梯度包括含量梯度。在本专利技术的实施方式中，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。在本专利技术的实施方式中，中间层厚度大于等于表层厚度；比如，在本专利技术的一些实施方式中，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，在本专利技术的一些实施方式中，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。在本专利技术的实施方式中，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。在本专利技术的第二方面，本专利技术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；在本专利技术的实施方式中，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。在本专利技术的实施方式中，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5.8本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种梯度复合立方氮化硼材料，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3层对称梯度结构；/n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，铝和钴为金属结合剂；/n并且，相对于中间层位置对称的对称层的原料组分含量相同，且厚度对称分布。/n

【技术特征摘要】
1.一种梯度复合立方氮化硼材料，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3层对称梯度结构；
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，铝和钴为金属结合剂；
并且，相对于中间层位置对称的对称层的原料组分含量相同，且厚度对称分布。


2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，立方氮化硼的体积百分比含量由中间层到对称层逐层增加，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对称层逐层减少。


3.根据权利要求1或2所述的材料，其特征在于，中间层与对称层间的原料组分梯度为2vol.％-10vol.％；
优选地，中间层与对称层间的原料组分立方氮化硼的梯度为4vol.％-10vol.％；
优选地，中间层与对称层间的选自铝和钴中的至少一种原料组分的梯度为2vol.％-5vol.％。


4.根据权利要求1或2所述的材料，其特征在于，中间层厚度不小于对称层厚度；
优选地，中间层厚度大于对称层厚度，对称层与中间层的层厚比...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹斌，云昊，邢宏宇，王鹏，丁守岭，王军，黄传真，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37