[发明专利]一种使用纳米金属助剂制成的CBN多晶烧结体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于立方氮化硼刀具材料领域，具体涉及一种使用纳米金属助剂制成的CBN多晶烧结体及其制备方法，它可作为整体CBN聚晶切削刀具，可用于铸铁、淬硬钢，耐热钢合金等难加工的半精车、精车和铣削。

背景技术

CBN多晶烧结体由立方氮化硼颗粒和按一定比例组成的粘结剂在高温高压下烧结而成，CBN刀具作为最主要的超硬材料之一，具有很高的硬度、耐磨性、化学稳定性，适于高速切削、硬态切削、干式切削等机械加工要求，在切削铸铁、淬硬钢、耐热钢合金以及硬质合金、表面喷涂等铁系金属方面有着无可比拟的优越性。

目前，整体CBN聚晶切削刀具在西方发达国家的应用非常普遍，CBN刀具的制造和应用技术相当成熟，产品也向着多样化、系列化发展。国外可提供CBN刀具材料的生产厂家主要有：美国D.I公司、英国的E6公司、韩国的ILJIN公司、日本的住友电工。他们的CBN产品已经开发出来30年以上，并已形成适合加工各种不同材质的系列化产品，由于产品针对性强，质量稳定可靠，因此垄断全球绝大多数高端市场。

我国对整体CBN聚晶切削刀具及其应用研究相对西方发达国家有着较大差距，具体主要表现在刀具性能、刀具寿命等方面。国内生产制造多晶立方氮化硼刀具产品种类较少，质量较差，整体实力依然薄弱。国产整体CBN刀具产品由于配方与工艺的限制，存在的问题有：1）磨耗比为3500～5000（国外为5000～8000左右）；2）工作层显微硬度HV为2000～5000（国外为4000～7000左右）；3）抗弯强度为300～600 MPa（国外为500～1000 MPa左右）；这与各个单位所采用的配方和工艺不同有关。

发明内容

为克服现有技术不足，本发明目的在于提供一种使用纳米金属助剂制成的CBN多晶烧结体及其制备方法，它作为整体CBN聚晶切削刀具，具有高速高韧性特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纳米金属助剂，该助剂由下述重量百分含量的原料组成：TiN 粉25～45%、TaC粉20～25%、AlB₂粉10～15%、Co粉15～20%和Al粉10～15%。所述助剂的各原料以使用分析纯为佳，TiN、TaC和AlB₂ 粒径在10～30nm，Co粉和Al粉粒径在20～40nm时效果较好，更利于增强CBN多晶烧结体的韧性。

一种使用上述纳米助剂制成的CBN多晶烧结体， CBN多晶烧结体由下述重量百分含量的原料组成：CBN粉（粒径在2～6μm之间为佳）60～93%和纳米金属助剂7～40%。

上述使用纳米金属助剂制成的CBN多晶烧结体的制备方法，其包括如下步骤：

1）净化与还原处理：将CBN粉先用25～35wt%的氢氧化钠水溶液煮沸3～7min，去离子水洗涤至中性，用混酸（浓硫酸和浓硝酸体积比例为1︰1）煮沸5～10min，并用去离子水洗涤至中性，然后再用王水（浓盐酸与浓硝酸体积比例为3:1）煮沸3～7min，并再用去离子水洗涤至中性，备用；将纳米金属助剂在氢气还原炉中于680～720℃还原处理2～3h，备用；

2）混料：按比例称取处理过的CBN粉和纳米金属助剂，放入三维混料机内进行预混，三维混料机为转速：95±10 r/min，三维时间：10±5小时；然后将三维混好的料，再行星式球磨机进行混料，具体参数如下：料与硬质合金球（φ6）重量比1∶3～3.5；从球磨罐端部接口处充入液氮，液氮与料和球的体积比为 1∶1～2；行星式球磨机参数：公转：40±5 r/min，自转：90±5 r/min，球磨时间：15±5小时；

3）多晶烧结体组装与真空处理：将混合好的CBN粉倒入石墨模具内，然后盖上石墨片并扣上金属钼杯盖；将多晶烧结体组件置于真空设备中，真空状态下通入适量的氢气，在不大于3×10^-5Pa的真空条件下于680～780℃保温3～4小时；

4）高温高压烧结：将真空处理过的多晶烧结体组件置于合成组装块内，用六面顶压机在温度为1470±20℃、压力为5.5～6GPa的条件下合成20～30min。

除非另有说明，本发明中的浓硫酸均指密度为1.84g·cm^-3的硫酸，浓硝酸均指密度为1. 4 g·cm^-3的硝酸，浓盐酸均指密度为1.179 g·cm^-3的盐酸。