[发明专利]一种碳化钨-立方氮化硼复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料工程领域，特别涉及一种高致密度、高性能的高速切削刀具材料以及其粉体的表面处理和制备方法。

背景技术

在机械加工中，切削或磨削加工目前仍是零件最终形成的主要工艺手段。切削加工的主要发展方向之一是高速切削（包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给量切削等）。经历了理论探索、应用探索、初步应用和较成熟应用等四个阶段，高速切削技术已在生产中得到了一定的推广，加工钢件时切削速度最高已达到2000m·min^-1，加工铸铁时达到3000m·min^-1，加工铝合金则达到7000m·min^-1，为普通切削速度的5～10倍。高速切削之所以得到工业界越来越广泛的关注，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，如加工时间短（效率高、成本低）、工件表面质量好（表面精度高）、不需要冷却液（绿色加工、不污染环境）并且可以加工淬硬钢等传统加工手段难以处理的特殊材料。

作为高速切削刀具用材料，应具有良好的机械性能和热稳定性，即具有高硬度、抗冲击、耐磨损、抗热疲劳等特性。目前工业界采用的高速切削刀具材料主要有硬质合金、复合氮化硅陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。WC和cBN形成的复合材料，将兼具两种材料的优点。超硬cBN相的引入不仅会显著提高WC硬质合金的硬度和耐磨损，其本身在复合材料中作为超硬粒子，引发裂纹偏转从而可以进一步提高材料的韧性，由于具有优异的硬度、耐磨损和韧性的性能组合，WC-cBN复合材料被看作是切割刀具领域最有发展潜力的新一代材料，引起了世界范围内的广泛关注。2007年，西班牙纳瓦拉国立大学的Martínez等人采用热等静压的方法，制备出了不同cBN含量的WC/Co-cBN复合材料。当cBN含量为30vol%时，复合材料硬度达到25Gpa；而当cBN提高到50vol%时，由于所需Co烧结助剂含量的增加导致了cBN向六方氮化硼（hBN）软相的相变，复合材料的硬度反而降低了4GPa（Journal of the American Ceramic Society, 2007, 90, p415-424）。2009年，土耳其Eskisehir Osmangazi大学的Yaman等人采用放电等离子体烧结方法制备了cBN体积含量为25%的WC/6wt%Co-cBN复合材料，虽然韧性最大值达到了12MPam^1/2，最大硬度只有21GPa左右（Materials Letters, 2009, 63, p1041-1043），低于Martínez等人的报道值。2012年，波兰华沙工业大学的Rosinski 等人采用脉冲等离子体烧结方法制备了WC/Co-cBN复合材料，立方氮化硼的体积含量为30%，最大硬度为23GPa左右（Journal of Materials Science, 2012, 47, p7064-7071）。2007年，国内武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室的史晓亮等人用化学气相沉积法对cBN进行了表面镀金属钛（Ti）膜预处理后，采用热压烧结方法在温度烧结压力30MPa、1380℃保温60 min的条件下制备了cBN体积分数为30％的WC-10Co-cBN复合材料，材料的相对致密度为94.2%，强度为750MPa（机械工程材料, 2007, 31, p71-73）。除科研院所外，瑞典三特威克公司（全球领先刀具生产商）也在2012年公开了一篇关于WC-cBN复合材料的专利（Method for producing a sintered composite body, Patent WO2012038529A2, Sandvik Intellectual Property Ab.），以钴作为烧结助剂，采用无压烧结方法在1350 °C下制备了WC/Co-cBN复合材料，但得到的复合材料的最大硬度为13GPa。

总结国内外的研究现状可以看出，虽然国内外对WC-cBN复合材料进行了研究并取得了初步成果，但仍然存在复合材料致密化困难、硬度和耐磨损性能不足等问题。WC和cBN都属于难烧结材料，其复合材料通常以Co、Ni等为烧结助剂（重量含量通常为6-15wt%左右或更高）在高温下长时间无压或加压烧结才能获得。但Co、Ni等金属本身硬度低，会导致复合材料的硬度特别是红硬性的降低。另外一方面，高含量的金属烧结助剂还会加速cBN向六方氮化硼（hBN）的相变。而hBN是类石墨软相，硬度与石墨相当，因此cBN向hBN的相变也将导致复合材料硬度的降低，另外相变所带来的体积变化同时会导致材料气孔率的增加，也会引发刀具材料硬度和耐磨损性能的降低，从而导致其使用寿命进一步缩短。