一种高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片及其制备方法技术

本发明专利技术涉及高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片，包括硬质合金基体以及依次设于硬质合金基体上的Si

【技术实现步骤摘要】
一种高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片及其制备方法
本专利技术属于超硬复合材料
，具体涉及一种高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片及其制备方法。
技术介绍
聚晶立方氮化硼复合片是在高温高压条件下将独立的立方氮化硼粉末颗粒依靠烧结相粘结，使整个立方氮化硼粉末层烧结成为高强度“混凝土”结构的烧结型立方氮化硼聚晶，并与硬质合金基体烧结复合，形成一体的复合材料。由于它具有立方氮化硼硬度高和耐磨性好的特点，同时又兼具有硬质合金抗冲击性能强和可焊性好的特点，因而被广泛应用于铸铁、淬火钢、耐热钢等难加工材料的切削加工领域。现有技术中，传统聚晶立方氮化硼复合片仍然存在一些问题，一是由于导热性较差，使切削加工中短时间内产生的热量不能迅速散失，从而导致高温下聚晶立方氮化硼复合片刀具的硬度、耐磨性等急剧下降而加速刀具磨损，二是由于聚晶立方氮化硼层与硬质合金基体的热膨胀系数及弹性模量等物理性能参数相差较大，导致聚晶立方氮化硼层与硬质合金基体的附着力不强、抗冲击性能差，工作时聚晶立方氮化硼层极易发生崩裂现象，造成刀具失效。
技术实现思路
为克服现有技术不足，本专利技术目的在于提供一种高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片及其制备方法，以提高聚晶立方氮化硼复合片的抗冲击韧性、导热性和耐磨性，进而延长其使用寿命。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片，其包括硬质合金基体以及依次设于硬质合金基体上的Si3N4涂层、粉末过渡层和聚晶立方氮化硼层；所述聚晶立方氮化硼层由下述重量百分含量的原料组成：立方氮化硼微粉90～95%、碳纳米管0.2～0.3%、石墨烯0.2～0.5%、碳纤维0.1～0.2%和结合剂4.5～9.0%。具体的，所述粉末过渡层由下述重量百分含量的原料组成：硬质合金粉30～40%、立方氮化硼微粉59.4～69%、碳纳米管0.1～0.2%、石墨烯0.1～0.2%、碳纤维0.2～0.3%和结合剂0.2～0.3%。具体的，所述Si3N4涂层的厚度为6～8μm；所述粉末过渡层和聚晶立方氮化硼层的质量比为0.2：1～1.5。具体的，所述碳纳米管为单壁碳纳米管，碳纳米管的外径为3～5nm、长度为5～30μm；所述石墨烯为厚度6～8nm、宽5μm的石墨烯纳米片；所述碳纤维的粒度为5nm～50µm。碳纳米管、石墨烯、碳纤维均为可直接购买的普通市售产品，本专利技术购自北京德科岛金科技有限公司。进一步的，所述结合剂由下述重量百分含量的原料组成：钴粉67～75%、钛粉20～25%、铝粉2～3%、镍粉1.5～2%、铬粉0.5～1%、钼粉0.4～0.8%、钽粉0.3～0.5%、铼粉0.2～0.4%和钇粉0.1～0.3%；所述钴粉、钛粉、铝粉、镍粉、铬粉、钼粉、钽粉、铼粉和钇粉的粒径为50～80nm。进一步的，所述立方氮化硼微粉由2～4µm、5～10µm但不包含10µm、10～20µm但不包含20µm、20～30µm四种粒径分布的微粉组成；四种粒径的微粉各自在立方氮化硼微粉中重量百分含量为：2～4µm范围的占5～15%，5～10µm范围但不包含10µm的占12～15%，10～20µm范围但不包含20µm的占27～30%，20～30µm范围的占46～50%。具体的，所述硬质合金基体或硬质合金粉由下述重量百分含量的原料组成：碳化钨粉86～90%、钴粉8.9～12%、钼粉0.5～1%、铼粉0.2～0.4%、碳化钽粉0.2～0.3%和碳化铌粉0.2～0.3%；所述碳化钨粉的粒径为1.2～1.4µm；所述钴粉、钼粉、铼粉、碳化钽粉和碳化铌粉的粒径均为0.8～1.0µm。本专利技术提供了上述高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其包括如下步骤：1）沉积过渡涂层：将硬质合金基体置于磁控溅射装置中，以硅为靶材、氮气为反应气体，控制氮气的流量20～100sccm，射频功率30～60W，沉积气压0.3～2Pa,在洁净的硬质合金基体表面上沉积Si3N4涂层，得到含有Si3N4涂层的硬质合金基体；2）清洗：将立方氮化硼微粉用氢氟酸溶液清洗、干燥后获得干净的立方氮化硼微粉；具体可以是：按每克立方氮化硼加入10毫升去离子水和20毫升浓度为45～50%氢氟酸溶液的比例，将立方氮化硼置入塑料容器中，再依次加入去离子水和氢氟酸溶液，进行超声波清洗50～60min，随后静置25～30h，对混合液进行高速离心，分离立方氮化硼微粉，并用去离子水对微粉多次清洗，直至清洗液呈中性，干燥后即得到干净的立方氮化硼微粉；3）粉末过渡层混料：按比例称取碳纳米管、石墨烯和碳纤维，分别加入去离子水中，超声波震荡分散20～30min，得到碳纳米管、石墨烯和碳纤维分散液；之后先对碳纳米管分散液进行磁力搅拌，并加入石墨烯分散液，25～30min后，再加入碳纤维分散液，35～40min后，进行真空干燥，得到碳纳米管、石墨烯和碳纤维混合粉末；然后再按比例称取立方氮化硼微粉、硬质合金粉和结合剂，再将立方氮化硼微粉、硬质合金粉和结合剂与碳纳米管、石墨烯和碳纤维混合粉末进行球磨，球料质量比4～8∶1，球磨介质为无水乙醇，球磨研体为硬质合金球，球磨罐为硬质合金罐，采用顺时针逆时针交替运转的方式，顺时针运转时转速为35～45r/min，逆时针时转速为45～55r/min，顺时针运转时间为25～30min，逆时针运转时间为25～30min，顺、逆时针交替运行时中间间隔待机时间为2～5min，球磨时间25～30h，真空干燥后得到粉末过渡层混合粉末；4）聚晶立方氮化硼层混料：按比例称取碳纳米管、石墨烯和碳纤维，分别加入去离子水中，超声波震荡分散20～30min，得到碳纳米管、石墨烯和碳纤维分散液；之后先对碳纳米管分散液进行磁力搅拌，并依次加入石墨烯分散液和碳纤维分散液，50～60min后，进行真空干燥，得到碳纳米管、石墨烯和碳纤维混合粉末；然后再按比例称取立方氮化硼微粉和结合剂，再将立方氮化硼微粉和结合剂与分散碳纳米管、石墨烯和碳纤维混合粉末进行球磨，球料质量比4～10∶1，球磨介质为无水乙醇，球磨研体为氧化铝球，球磨罐为氧化铝罐，采用顺时针逆时针交替运转的方式，顺时针运转时转速为40～50r/min，逆时针时转速为50～60r/min，顺时针运转时间为25～30min，逆时针运转时间为25～30min，顺、逆时针交替运行时中间间隔待机时间为2～5min，球磨时间30～35h，真空干燥后得到聚晶立方氮化硼层混合粉末；5）复合体组装：在金属杯中，先铺放聚晶立方氮化硼层混合粉末，刮平；紧接着聚晶立方氮化硼层铺放粉末过渡层混合粉末，刮平；然后将含Si3N4涂层的硬质合金基体以涂层面朝下平放于所述粉末过渡层混合粉末上，并置于预压模内，使用液压机在11Mpa压力下预压4～8min成型，得到复合体组件；6）净化处理：将步骤5）的复合体组件置于真空烧结炉内烧结，得到净化复合体组件；7）高温高压烧结：将步骤6）净化复合体组件置于合成组装块内，用六面顶压机进行高温高压烧结；8）时效处理：将步骤7）烧结后得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片，其特征在于，包括硬质合金基体以及依次设于硬质合金基体上的Si

【技术特征摘要】
1.一种高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片，其特征在于，包括硬质合金基体以及依次设于硬质合金基体上的Si3N4涂层、粉末过渡层和聚晶立方氮化硼层；所述聚晶立方氮化硼层由下述重量百分含量的原料组成：立方氮化硼微粉90～95%、碳纳米管0.2～0.3%、石墨烯0.2～0.5%、碳纤维0.1～0.2%和结合剂4.5～9.0%。


2.根据权利要求1所述的高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片，其特征在于，所述粉末过渡层由下述重量百分含量的原料组成：硬质合金粉30～40%、立方氮化硼微粉59.4～69%、碳纳米管0.1～0.2%、石墨烯0.1～0.2%、碳纤维0.2～0.3%和结合剂0.2～0.3%。


3.根据权利要求1所述的高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片，其特征在于，所述Si3N4涂层的厚度为6～8μm；所述粉末过渡层和聚晶立方氮化硼层的质量比为0.2：1～1.5。


4.根据权利要求1或2所述的高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管，碳纳米管的外径为3～5nm、长度为5～30μm；所述石墨烯为厚度6～8nm、宽5μm的石墨烯纳米片；所述碳纤维的粒度为5nm～50µm。


5.根据权利要求1或2所述的高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片，其特征在于，所述结合剂由下述重量百分含量的原料组成：钴粉67～75%、钛粉20～25%、铝粉2～3%、镍粉1.5～2%、铬粉0.5～1%、钼粉0.4～0.8%、钽粉0.3～0.5%、铼粉0.2～0.4%和钇粉0.1～0.3%；所述钴粉、钛粉、铝粉、镍粉、铬粉、钼粉、钽粉、铼粉和钇粉的粒径为50～80nm。


6.根据权利要求1所述的高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片，其特征在于，所述立方氮化硼微粉由2～4µm、5～10µm但不包含10µm、10～20µm但不包含20µm、20～30µm四种粒径分布的微粉组成；四种粒径的微粉各自在立方氮化硼微粉中重量百分含量为：2～4µm范围的占5～15%，5～10µm范围但不包含10µm的占12～15%，10～20µm范围但不包含20µm的占27～30%，20～30µm范围的占46～50%。


7.根据权利要求1或2所述的高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片，其特征在于，所述硬质合金基体或硬质合金粉由下述重量百分含量的原料组成：碳化钨粉86～90%、钴粉8.9～12%、钼粉0.5～1%、铼粉0.2～0.4%、碳化钽粉0.2～0.3%和碳化铌粉0.2～0.3%；所述碳化钨粉的粒径为1.2～1.4µm；所述钴粉、钼粉、铼粉、碳化钽粉和碳化铌粉的粒径均为0.8～1.0µm。


8.权利要求1至7任一所述高韧性导热型聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在
于，包括如下步骤：
1）沉积过渡涂层：将硬质合金基体置于磁控溅射装置中，以硅为靶材、氮气为反应气体，控制氮气的流量20～100sccm，射频功率30～60W，沉积气压0.3～2Pa,在洁净的硬质合金基体表面上沉积Si3N4涂层，得到含有Si3N4涂层的硬质合金基体；
2）清洗：将立方氮化硼微粉用氢氟酸溶液清洗、干燥后获得干净的立方氮化硼微粉；
3）粉末过渡层混料：按比例称取碳纳米管、石墨烯和碳纤维，分别加入去离子水中，超声波震荡分散20～30min，得到碳纳米管、石墨烯和碳纤维分散液；之后先对碳纳米管分散液进行磁力搅拌，并加入石墨烯分散液，25～30min后，再加入碳纤维分散液，35～40min后，进行真空干燥，得到碳纳米管、石墨烯和碳纤维混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢灿华，张涛，朱培，宋子衡，王卫康，
申请(专利权)人：中南钻石有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41