[发明专利]一种具有表面包覆结构的立方氮化硼聚晶复合材料及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于切削加工材料技术领域，特别涉及一种具有表面包覆结构的立方氮化硼聚晶复合材料及其制备方法。

背景技术

利用结合剂可将立方氮化硼（cBN）微小的单晶颗粒在高温高压下粘结制备成为块体的PcBN（聚晶立方氮化硼），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优点，因此，聚晶立方氮化硼刀具可用来制作淬硬钢、冷硬铸铁、超高强度铁族合金、钛合金等难加工金属的刀具材料。

为提高刀具的耐用度及加工效率，采用聚晶立方氮化硼刀具替代硬质合金刀具和陶瓷刀具是超硬切削工具发展的趋势。随着材料科学的进步，对刀具材料的硬度、耐磨性、韧性和强度的要求提出了更高的要求，理想的刀具材料应既具有极高的硬度、耐磨性，有利于提高切削效率，延长刀具耐用度，同时又具有好的抗冲击韧性，使得其能够承受大的切削力。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，甚至出现对设备的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CN201010542237.4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，提高刀具的使用寿命和企业的生产效率。中国专利201010615047.0还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201110325539.0通过利用基体材料钨钴类硬质合金的高韧性，在聚晶立方氮化硼的聚晶层化学梯度性改变高韧性钨钴类硬质合金基体的微粉含量，并采用无机非金属晶须增强增韧来提高烧结聚晶立方氮化硼复合片的整体韧性。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的思路，通过对立方氮化硼进行包覆，从而提供一种高韧性的聚晶立方氮化硼复合材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种具有表面包覆结构的立方氮化硼聚晶复合材料，通过下法得到：先制备莫来石前驱体溶胶，溶胶陈化浓缩后加入立方氮化硼粉体中进行原位溶胶化和凝胶化，干燥后获得具有表面包覆的立方氮化硼；将其与粘结剂混合后压制试块，再与传压介质装配成合成块，之后烧结得到具有表面包覆结构的立方氮化硼聚晶复合材料。

制备莫来石前驱体溶胶的方法如下：将含铝化合物、含硅化合物以及催化剂和水混合并进行聚合反应，即得所述莫来石前驱体溶胶。

含铝化合物和含硅化合物按照莫来石化学成分3Al₂O₃·2SiO₂化学计量式设定所加入的配比，水加入的物质的量为含铝化合物、含硅化合物两者物质的量总和的5-16倍，催化剂加入的量以调整pH值为2~3即可。

含铝化合物选自铝粉、异丙醇铝、氯化铝与硝酸铝中的一种或一种以上的混合物；所述的含硅化合物为正硅酸乙酯；所述催化剂优选盐酸或醋酸。

其中，含铝化合物为铝源，含硅化合物为硅源。聚合反应的条件如下：时间2-72h，反应温度30～60℃。

莫来石前驱体溶胶在50～60^oC进行10～24小时的陈化浓缩，加入立方氮化硼粉体中时立方氮化硼粉体与溶胶中固体物质的质量比例为40～60：60-40。

溶胶陈化浓缩时温度可以有上下1℃的浮动。

原位溶胶化过程温度为60～65℃,时间控制在2～8小时；凝胶化温度为65～120℃,时间控制在4～12小时。溶胶化和凝胶化温度可以有上下1-2℃的浮动。

所述立方氮化硼粉体由以下质量百分比的粒径分布的立方氮化硼微粉组成：1-4μm占42～45%，7-10μm占35～50%，12-15μm占5～20%。