[发明专利]一种高韧性聚晶立方氮化硼复合片的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及切削和铣削加工使用超硬复合材料刀具的制备技术领域，具体涉及一种高韧性聚晶立方氮化硼复合片的制备方法。

背景技术

金刚石是世界上已知最硬的材料，立方氮化硼类似金刚石结构，其硬度仅次于金刚石，金刚石和立方氮化硼统称为超硬材料。超硬材料广泛应用于锯切工具、磨削工具、钻进工具和切削刀具，金刚石高温容易氧化，特别是与铁系元素亲和性好，不适合用于铁系元素黑色金属加工。

立方氮化硼热稳定性优于人造金刚石，在高温下仍能保持足够高的力学性能和硬度，具有很好的红硬性；立方氮化硼结构稳定，具有高的抗氧化能力，化学稳定性好，与金刚石相比尤其好在立方氮化硼在高达1 100～1 300 ℃的温度下也不与铁族元素起化学反应，因此立方氮化硼特别适合于加工黑色金属材料。聚晶立方氮化硼是由立方氮化硼单晶，可以加入粘结剂，也可以在不加任何粘结剂的条件下，经超高压高温烧结制得的。聚晶立方氮化硼具有立方氮化硼的大部分性能，克服了立方氮化硼单晶的晶面方向性解理的缺点。

聚晶立方氮化硼还具有以下特殊性能：(1) 高硬度。(2) 高耐磨性。(3) 高化学惰性。(4) 高热稳定性。聚晶立方氮化硼的耐热性可以达到1 400 ℃，比金刚石刀具(700～800 ℃)高得多，经使用证明1100oC以上的切削温度仍能维持高锋利的切削性能，适合于干式切削。(5) 高导热性。(6) 低摩擦系数。(7) 高速切削特性和高加工精度。由于聚晶立方氮化硼具有高硬度、高耐磨性、高的传热效率以及优异的高温性能等，可以认为，聚晶立方氮化硼刀具是迄今世界上最能满足这一要求的首选工具。

人们使用聚晶立方氮化硼作为刀具材料，开始重点关注的是聚晶立方氮化硼具有高硬度和高耐磨性，现在在使用该材料作为刀具切削、铣削加工应用中发现，即使刀具材料本身硬度高、很耐磨，但是如果韧性差，使用过程中容易出现“崩刀”现象，不仅破坏被加工工件，甚至出现对设备损害或操作者的伤害事故，必须停止加工过程，更换新的刀片，导致生产成本明显增加。

为了克服这种不足，人们开始改善聚晶立方氮化硼刀具材料的韧性。英国Element Six公司公开的专利WO2004040029，采用各种碳化物和氮化物的混合物形成一种复杂的核分散于基体中，基体中包有超硬材料立方氮化硼和金刚石，以及结合剂，经高压高温合成具有一种蜂窝状结构的聚晶立方氮化硼，具有优良的强度和断裂韧性。中国专利201010615047.0公开了一种聚晶立方氮化硼复合片用的粉末状粘结剂，包含有TiN、AlN、Si3N4、Co和SiO2，能增强复合片的抗冲击性能。中国专利CN201010542237.4还公开了一种表面镀镍Si3N4晶须增韧聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，采用Si3N4晶须及表面镀覆纳米镍的Si3N4晶须的引入来增加聚晶立方氮化硼复合片的韧性，提高了刀具的耐冲击性能，从而实现其长时间的连续车削，提高刀具的实用寿命和企业的生产效率。

聚晶立方氮化硼主要用于制作刀具材料。聚晶立方氮化硼刀具坯料主要有三种，一种是整体纯聚晶立方氮化硼烧结片；第二种是以聚晶立方氮化硼为聚晶层，以硬质合金为基体经高温高压共同烧结而成的复合片；第三种是先烧结制备聚晶立方氮化硼刀片坯料，再焊接到硬质合金上而制备成。本发明采用的是第二种方法，第二种是以聚晶立方氮化硼为耐磨层，以硬质合金为衬底层经高温高压共同烧结而成的复合片。

由于硬质合金韧性好，通常采用硬质合金作为基体，与聚晶立方氮化硼制备复合片。但是硬质合金基体与聚晶层化学成分差异大，热膨胀系数不同，复合片容易开裂、脱层，使用时受到极大地限制。为解决上述问题，本发明利用相似相容原理，通过与硬质合金基体接触的聚晶层合成原料微粉中加入与硬质合金基体具有相同化学成分的硬质合金微粉，并通过化学梯度法，沿远离基体方向改变硬质合金微粉的含量，远离基体方向硬质合金微粉的含量不断降低。在超高压高温烧结时，合成腔体内温度具有梯度性，内部温度高，外部温度低，而与此相应的是硬质合金基体中的钴元素向高温区扩散，因此在烧结时把远离基体方向的聚晶层放置在高温区，如此，不仅增强了聚晶层与硬质合金基体的相容性和结合强度，还有利于提高钴元素在聚晶层中的分布均匀性，提高聚晶立方氮化硼复合片的致密性和耐冲击性。

氧化铝、氧化锆通常用作陶瓷刀具的材料，本发明利用氧化铝、氧化锆、碳化硅和硼纤维的一种或其中两种晶须，用于对聚晶立方氮化硼的辅助增强和增韧。

发明内容