烧结的聚晶立方氮化硼材料制造技术

提供了一种聚晶立方氮化硼PCBN材料。该材料包含30至90重量％的立方氮化硼(cBN)和基质材料，cBN颗粒分散在所述基质材料中。所述基质材料包含铝化合物的颗粒；其中当使用线性截距技术测量时，所述基质材料颗粒具有不大于100nm的d50。

Sintered polycrystalline cubic boron nitride material

A polycrystalline cubic boron nitride PCBN material is provided. The material comprises 30 to 90 wt% cubic boron nitride (CBN) and a matrix material in which CBN particles are dispersed. The matrix material comprises particles of aluminum compounds, wherein when measured using a linear intercept technique, the matrix material particles have D50 of not more than 100 nm.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】烧结的聚晶立方氮化硼材料
本专利技术涉及烧结的聚晶立方氮化硼材料领域，以及制造此类材料的方法。
技术介绍
聚晶超硬材料，如聚晶金刚石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)，可用于各种工具，用于切削、机加工、钻孔或降解硬质材料或磨蚀性材料，如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料。磨料压块广泛用于切削、铣削、磨削、钻孔和其它研磨操作。它们通常含有分散在第二相基质中的超硬磨料颗粒。基质可以是金属或陶瓷或金属陶瓷。超硬磨料颗粒可以是金刚石、立方氮化硼(cBN)、碳化硅或氮化硅等。在通常使用的高压和高温压块制造工艺期间这些颗粒可以彼此结合，从而形成聚晶物质，或者可以通过第二相材料的基质结合从而形成烧结聚晶物体。此类物体通常称为PCD或PCBN，其中它们分别含有金刚石或cBN作为超硬磨料。美国专利US4,334,928教导了一种用于工具的烧结压块，该工具基本上由20至80体积％的立方氮化硼组成；且余量是至少一种基质化合物材料的基质，所述基质化合物材料选自周期表的IVa或Va过渡金属的碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物和硅化物，它们的混合物和它们的固溶体化合物。该基质在烧结体中形成连续的结合结构，高压氮化硼散布在连续基质中。该专利中概述的方法都涉及使用机械磨制/混合技术如球磨、砂浆等将期望的材料组合。对用于基质相的前体粉末进行磨制以减小它们的颗粒尺寸，以便更紧密地混合并改善它们之间的结合，因为较小的颗粒更具反应性。然而，PCBN的典型烧结工艺使用至少1100℃的温度和至少3.5GPa的压力来形成PCBN材料。在这些条件下，可以发生晶粒生长并且一些基质颗粒的颗粒尺寸能够大大增加，从而具有典型高达1μm的尺寸。这对所得PCBN的性质具有不利影响。专利技术概述目的是提供一种烧结的PCBN材料，其具有更均匀的基质晶粒尺寸以提供改善的工具性能。根据第一方面，提供了一种制造PCBN材料的方法。将基质前体颗粒混合，前体粉末包括平均颗粒尺寸不大于100nm的颗粒，该基质前体颗粒包含铝化合物，具有30至90重量％的立方氮化硼cBN颗粒，该立方氮化硼cBN颗粒具有至少0.2μm的平均颗粒尺寸。在不低于1000℃且不高于2200℃的温度以及至少6GPa的压力下烧结混合颗粒，以形成包含分散在基质材料中的cBN颗粒的PCBN材料，其中当使用等效圆直径技术测量时，基质材料颗粒具有不超过100nm的d50。作为选择，基质材料还包含碳和氮中的任何的钛化合物。作为选择，基质材料包含碳氮化钛、碳化钛、氮化钛、二硼化钛、氮化铝和氧化铝中的任何。该方法任选地还包括在选自下列任一个的温度下烧结：不超过1700℃、不超过1600℃、不超过1500℃、不超过1400℃以及不超过1300℃。将基质粉末和cBN粉末混合的步骤任选地包括湿法声学混合、干法声学混合和碾磨中的任何。作为选择，提供平均尺寸在0.2和15μm之间的cBN颗粒。作为另一选择，提供具有选自大于1μm和大于4μm中任何的平均尺寸的cBN颗粒。作为选择，提供具有多模态平均尺寸分布的cBN颗粒。该方法任选地还包括在不低于1000℃且不高于2200℃的温度以及至少6GPa的压力下烧结混合颗粒，以形成包含分散在基质材料中的cBN颗粒的PCBN材料，其中当使用等效圆直径技术测量时，基质材料颗粒具有不大于100nm的d90。作为选择，该方法还包括，在烧结混合颗粒之前，使用手动压机、六面顶压机和冷等静压中的任一种压实混合颗粒以形成生坯。根据第二方面，提供了一种聚晶立方氮化硼PCBN材料，该材料包含30至90重量％的立方氮化硼cBN，cBN颗粒分散于其中的基质材料，该基质材料包含铝化合物的颗粒，并且其中当使用线性截距技术测量时，基质材料颗粒具有不大于100nm的d50。作为选择，当使用线性截距技术测量时，基质材料颗粒具有不大于100nm的d75。作为选择，当使用线性截距技术测量时，基质材料颗粒具有不大于100nm的d90。该基质材料任选地还包括含碳和氮中的任何的钛化合物的颗粒。作为选择，该基质材料包括碳氮化钛、碳化钛、氮化钛、二硼化钛、氮化铝和氧化铝中的任何。作为选择，cBN颗粒的平均尺寸在0.2和15μm之间。作为另一种选择，cBN颗粒的平均尺寸选自大于1μm和大于4μm中的任何。cBN颗粒任选地具有多模态平均尺寸分布。作为选择，该PCBN材料包含不超过40重量％的cBN。根据第三方面，提供了一种工具，该工具包括如上面在第二方面中所述的烧结聚晶材料，该工具用于切削、铣削、磨削、钻孔或其它研磨应用中的任何。附图简述现在将通过示例并参考附图来描述非限制性的实施方案，其中：图1是在H15条件下以5.5GPa和6.8GPa烧结的PCBN工具的工具寿命的坐标图；图2是在H10条件下以5.5GPa和6.8GPa烧结的PCBN工具的工具寿命的坐标图；图3是在6.8GPa和1300℃下烧结的PCBN样品的扫描电子显微图；图4是在5.5GPa和1300℃下烧结的PCBN样品的扫描电子显微图；图5是说明预压实步骤的流程图；图6示出在不同温度下烧结的低cBN样品的XRD线图；图7示出在不同温度下烧结的高cBN样品的XRD线图；图8示出在不同温度下烧结的高cBN样品的重度间断工具寿命；图9示出通过放电等离子体烧结制备的示例性PCBN材料的XRD光谱；图10示出通过放电等离子体烧结制备的其它示例性PCBN材料的XRD光谱；图11示出实施例35至43的维氏硬度数据；图12示出实施例44至53的维氏硬度数据；图13示出实施例35至43的密度数据；图14示出实施例44至53的密度数据；图15示出使用SPS在80MPa下烧结的实施例53至58和63至68的硬度数据；图16示出使用SPS在1GPa下烧结的实施例59至62和69至72的硬度数据；图17示出各种样品的拉曼光谱；和图18是通过在1GPa下的放电等离子体烧结制备的扫描电子显微图。详细描述已经发现，当使用细粒基质前体粉末时，d90小于100nm(当使用线性截距技术测量时)，在烧结期间使用极高压力限制了烧结过程期间的晶粒生长。使用线性截距法，通过显微图绘制随机直线，并计数与该线相交的晶界数目。通过将交点数除以实际线长度得到平均晶粒尺寸。使用多于一个随机线对结果进行平均提高结果的准确性。平均晶粒尺寸由下式给出：为了该分析的目的，对于每个图像分析五条水平线和5条垂直线以获得线性截距平均晶粒尺寸。类似地，还发现在某些条件下的放电等离子体烧结(SPS)限制晶粒生长。限制晶粒生长是有利的，因为基质相中较小的晶粒改善由PCBN制成的工具的性能。这些性能包括增加的工具和减少的月牙洼磨损。首先考虑使用高压高温(HPHT)技术制造的PCBN，已发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造聚晶立方氮化硼PCBN材料的方法，所述方法包括：/n混合基质前体颗粒与30至90重量％的立方氮化硼cBN颗粒，所述基质前体颗粒包括平均颗粒尺寸不大于100nm的颗粒，所述基质前体颗粒包含铝化合物，所述立方氮化硼cBN颗粒具有至少0.2μm的平均颗粒尺寸；/n在不低于1000℃且不高于2200℃的温度以及至少6GPa的压力下烧结混合颗粒，以形成包含分散在基质材料中的cBN颗粒的PCBN材料，其中当使用等效圆直径技术测量时，所述基质材料颗粒具有不超过100nm的d75。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170315 GB 1704133.61.一种制造聚晶立方氮化硼PCBN材料的方法，所述方法包括：
混合基质前体颗粒与30至90重量％的立方氮化硼cBN颗粒，所述基质前体颗粒包括平均颗粒尺寸不大于100nm的颗粒，所述基质前体颗粒包含铝化合物，所述立方氮化硼cBN颗粒具有至少0.2μm的平均颗粒尺寸；
在不低于1000℃且不高于2200℃的温度以及至少6GPa的压力下烧结混合颗粒，以形成包含分散在基质材料中的cBN颗粒的PCBN材料，其中当使用等效圆直径技术测量时，所述基质材料颗粒具有不超过100nm的d75。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述基质材料还包含碳和氮中任何的钛化合物。


3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述基质材料包括碳氮化钛、碳化钛、氮化钛、二硼化钛、氮化铝和氧化铝中的任何。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括在选自如下任一个的温度进行烧结：不超过1700℃、不超过1600℃、不超过1500℃、不超过1400℃和不超过1300℃。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中将所述基质粉末和所述cBN粉末紧密混合的步骤包括湿法声学混合、干法声学混合和碾磨中的任何。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，包括提供平均尺寸在0.2和15μm之间的cBN颗粒。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，包括提供具有选自以下任何的平均尺寸的cBN颗粒：大于1μm和大于4μm。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，包括提供具有多模态平均尺寸分布的cBN颗粒。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，还包括：
在不低于1000℃且不高于2200℃的温度以及至少6GPa的压力下烧结混合颗粒，以形成包含分散在基质材料中的cBN颗粒的PCBN...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·坎，A·M·M·莫特切拉霍，
申请(专利权)人：六号元素英国有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB