一种梯度结构立方氮化硼复合片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种梯度结构立方氮化硼复合片及其制备方法，所述梯度结构立方氮化硼复合片，由下至上，由硬质合金衬底、梯度过渡层、CBN层组成，所述梯度过渡层由N层渐变层组成，所述N为4～18，从下至上依次为第1层渐变层、第2层渐变层，依次类推至第N层渐变层，渐变层中任意一层均由CBN与硬质合金组成，其中第N层中的硬质合金的体积分数比第N

【技术实现步骤摘要】
一种梯度结构立方氮化硼复合片及其制备方法


[0001]本专利技术属于超硬材料制备
，具体涉及一种梯度结构立方氮化硼复合片及其制备方法。

技术介绍

[0002]立方氮化硼复合片具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数以及良好的热稳定性，在加工铁系材料时表现出高化学惰性，被广泛运用在硬质材料与黑色金属材料的加工中。传统立方氮化硼复合片的制作工艺是将CBN粉末与硬质合金衬底在高温高压条件下一次性烧结而成，由于两种材料热膨胀系数的差异，冷却卸压过程中材料界面处热残余应力过大，导致CBN层在使用过程中容易产生裂隙，造成CBN层脱落、开裂、崩刃，逐渐失去切削能力而失效，从而降低了立方氮化硼复合片的使用寿命。

技术实现思路

[0003]为克服现有技术的不足，本专利技术的第一个目的在于提供一种梯度结构立方氮化硼复合片。通过设置梯度过渡层能有效降低立方氮化硼复合片的热残余应力，解决立方氮化硼复合片工作时CBN层脱落、开裂、崩刃的问题，延长立方氮化硼复合片的使用寿命。
[0004]本专利技术的第二个目的在于提供一种梯度结构立方氮化硼复合片的制备方法，采用3D打印制造工艺能够优化产品性能，提高生产效率，有效控制生产成本。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]本专利技术一种梯度结构立方氮化硼复合片，由下至上，由硬质合金衬底、梯度过渡层、CBN层组成，所述梯度过渡层由N层渐变层组成，所述N为4～18，从下至上依次为第1层渐变层、第2层渐变层，依次类推至第N层渐变层，渐变层中任意一层均由CBN与硬质合金组成，其中第N层中的硬质合金的体积分数比第N
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1层中的硬质合金的体积分数少5～30％，优选为5～20％；第N层中的CBN的体积分数比第N
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1层中的CBN的体积分数多5～30％，优选为5～20％。
[0007]本专利技术提供的梯度结构立方氮化硼复合片，通过设置4～18层渐变层的梯度过渡层，使过渡层的热膨胀系数介于CBN与硬质合金之间，能够缩小两种材料间热膨胀系数的差异，从而降低复合片内部的残余应力，大幅提升其使用性能。
[0008]当然，过渡层的层数需要控制在本专利技术范围内，若过渡层的层数过少，无法有效实现从硬质合金到金刚石的过渡，也就无法降低两种材料的物理力学性能上的差异并达到缓解残余应力的目的；梯度层数目取得越多，则其组成分布、显微结构及力学性能的分布就越接近理想的连续梯度，但过多的层数会导致过渡层总层厚过大，同时由于目前复合片合成的尺寸有限，这会导致硬质合金衬底和金刚石层的厚度则会相应降低，降低复合片的耐磨性能以及切削效率。
[0009]此外，渐变层中，任意两层之间原料质量分数渐变不合理会影响它们界面处残余应力的大小，进而影响其使用性能。
[0010]优选的方案，所述硬质合金衬底与渐变层中的硬质合金为Co
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WC，其中Co的质量分数为3～30％，WC的质量分数为70～97％。
[0011]优选的方案，所述梯度过渡层的总厚度为0.04～5mm，任意一层渐变层的厚度为0.01～0.5mm，优选为0.05～0.25mm。
[0012]本专利技术一种梯度结构立方氮化硼复合片的制备方法，将CBN粉末与粘结剂混合获得CBN混合料，按各渐变层的设计成份分别配取CBN粉末、Co粉、WC粉与粘结剂混合获得N组渐变层混合料，将所配取的CBN混合料和N组渐变层混合料分别进行混炼、造粒、拉丝，获得N+1组丝状料，将N+1组丝状料通过3D打印机打印得到N+1组生坯，将N+1组生坯与硬质合金衬底组装一体获得复合生坯，复合生坯经脱脂和高温高压合成得到梯度结构立方氮化硼复合片。
[0013]优选的方案，所述CBN粉末的粒径为1～100μm，所述Co粉、WC粉的粒径≤100μm。
[0014]优选的方案，所述CBN混合料中，CBN粉末与粘结剂的质量比为2～20：1。
[0015]优选的方案，任意一组渐变层混合料中，CBN粉末、Co粉、WC粉的总质量与粘结剂的质量比均为2～20：1。
[0016]优选的方案，所述CBN混合料、N组渐变层混合料中的粘结剂，按质量百分比计，组成均如下：乙烯
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醋酸乙烯共聚物20～70％、聚苯乙烯5～35％、聚氨酯5～35％，氢化苯乙烯
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丁二烯嵌段共聚物1～8％、邻苯二甲酸二辛酯1～7％、乙烯基双硬脂酰胺1～6％、硬脂酸1～6％。
[0017]本专利技术中的粘结剂以乙烯
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醋酸乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚氨酯三种同时作为骨架材料，其中乙烯
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醋酸乙烯共聚物在分子链中引入了醋酸乙烯单体，赋予了其较好的柔韧性和填料相溶性，这是保证丝材柔韧性的关键材料；聚苯乙烯则具有较好的流动性，能够促进材料混合时的流动，以保证其均匀性；聚氨酯同时具备了橡胶的高弹性和塑料的刚性，由于丝材不仅要具有较好的柔韧性，还需要具有一定的刚度，这样才能保证丝材能够被3D打印机的齿轮稳定地夹持并送进挤出喷嘴中，三种骨架材料的相辅相成。此外，采用上述三种热塑性高分子同时作为骨架材料在脱脂工艺中按不同粘结剂组元设置梯度脱脂温度，得到脱脂率高，较为完整的生坯，避免单一粘结剂在脱脂时大量分解产生孔隙，坯体支撑力不足造成裂隙、塌陷等脱脂缺陷。
[0018]本专利技术中的粘结剂以乙烯
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醋酸乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚氨酯作为主要成分，它不仅能够保证丝材熔融后具有良好的流动性能，还具有相当不错的固相润湿能力，能够有效包裹粉末颗粒，保证打印丝材成型的质量；邻苯二甲酸二辛酯是一种良好的增塑剂，可以有效提升打印丝材的柔韧性，避免丝材在打印过程中断裂，同时也更有利于打印丝材的缠绕收集；乙烯基双硬脂酰胺作为润滑剂，能提高密炼拉丝时物料的流动性；硬脂酸是良好的分散剂，能够降低粉末颗粒的团聚现象，保证丝材内部材料分布的均匀性。
[0019]专利技术人发现，将粘结剂的组成控制在本专利技术的范围内是至关重要的，只有粘结剂的组成配方在上述范围内，才能够适配N+1组不同原料粉末，从而保证制备出的N+1组打印丝材均具有较好柔韧性、流动性、均匀性，以便打印得到性能均一的生坯。
[0020]进一步的优选，所述CBN混合料、N组渐变层混合料中的粘结剂，按质量百分比计，组成均如下：乙烯
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醋酸乙烯共聚物40～55％、聚苯乙烯20～25％、聚氨酯15～25％，氢化苯乙烯
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丁二烯嵌段共聚物4～5％、邻苯二甲酸二辛酯1～2％、乙烯基双硬脂酰胺2～3％、硬
脂酸1～2％。
[0021]优选的方案，所述混炼的温度均为100～300℃，拉丝的转速均为10rpm～200rpm。
[0022]优选的方案，所述N+1组丝状料的直径均为1.65mm～1.85mm。
[0023]在本专利技术中，通过先制得N+1组丝状料，然而再进行熔融挤出成型，可以充分的保证从喷嘴中挤出材料的均匀性。
[0024]优选的方案，3D打印过程中，打印速度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度结构立方氮化硼复合片，其特征在于：由下至上，由硬质合金衬底、梯度过渡层、CBN层组成，所述梯度过渡层由N层渐变层组成，所述N为4～18，从下至上依次为第1层渐变层、第2层渐变层，依次类推至第N层渐变层，渐变层中任意一层均由CBN与硬质合金组成，其中第N层中的硬质合金的体积分数比第N
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1层中的硬质合金的体积分数少5～30％，第N层中的CBN的体积分数比第N
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1层中的CBN的体积分数多5～30％。2.根据权利要求1所述的一种梯度结构立方氮化硼复合片，其特征在于：所述硬质合金衬底与渐变层中的硬质合金为Co
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WC，其中Co的质量分数为3～30％，WC的质量分数为70～97％。3.根据权利要求1所述的一种梯度结构立方氮化硼复合片，其特征在于：其特征在于：所述梯度过渡层的总厚度为0.04～5mm，任意一层渐变层的厚度为0.01～0.5mm。4.根据权利要求1
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3任意一项所述的一种梯度结构立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在于：将CBN粉末与粘结剂混合获得CBN混合料，按各渐变层的设计成份分别配取CBN粉末、Co粉、WC粉与粘结剂混合获得N组渐变层混合料，将所配取的CBN混合料和N组渐变层混合料分别进行混炼、造粒、拉丝，获得N+1组丝状料，将N+1组丝状料通过3D打印机打印得到N+1组生坯，将N+1组生坯与硬质合金衬底组装一体获得复合生坯，复合生坯经脱脂和高温高压合成得到梯度结构立方氮化硼复合片。5.根据权利要求4所述的一种梯度结构立方氮化硼复合片的制备方法，其特征在于：所述CBN粉末的粒径为1～100μm，所述Co粉、WC粉的粒径≤100μm；所述CBN混合料中，CBN粉末与粘结剂的质量比为2～20：1；任意一组渐变层混合料中，CBN粉末、Co粉、W...

【专利技术属性】
技术研发人员：张绍和，李俞露，孔祥旺，荣令龙，赵东鹏，李锦程，高华，吴冬宇，吴晶晶，刘磊磊，孙平贺，方海江，
申请(专利权)人：河南四方达超硬材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：