[发明专利]一种含有立方氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于切削工具技术领域，涉及一种含有立方氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料及其制备方法。

背景技术

氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体，化学组成为43.6％的硼和56.4％的氮，具有四种不同的变体：六方氮化硼(hBN)、菱方氮化硼(rBN)、立方氮化硼(cBN)和纤锌矿型氮化硼(wBN)。纤锌矿型氮化硼晶粒细小，不能作为切削主体。

随着现代技术的发展，超硬材料得到了广泛的应用，比如锯切工具、磨削工具、钻进工具和切削工具。超硬材料包括两种：金刚石和立方氮化硼(cBN)。金刚石由于在600℃以上开始碳化，特别是在有铁元素存在的材料中，随着温度的升高，其机械强度迅速下降，因此限制了金刚石在加工铁系列金属制品时的应用。立方氮化硼正好克服了这一缺陷，立方氮化硼在氧化气氛条件下，900℃仍能保证其机械强度，因此在高速自动加工机械领域，得到了广泛的应用。

传统上，用作切削工具或耐磨工具的立方氮化硼烧结体中含有烧结剂或粘合剂，如TiN、TiC和Co。该烧结体是通过在4～5GPa的压力下将立方氮化硼粉末与烧结剂或粘合剂烧结而得到的。该烧结体中含有约10～40％的粘合剂，粘合剂极大地影响烧结体的强度、耐热性和热扩散性，在高速切削、尤其在切削黑色金属材料时，在切削刃上容易出现缺陷和裂纹，这缩短了工具的寿命。

为了延长工具寿命，已有不使用粘合剂的cBN烧结体制造方法。在该方法中，将六方氮化硼和诸如氮硼化鎂之类的催化剂用作原材料，将它们烧结并反应。根据该方法，由于不使用粘合剂，cBN颗粒之间强烈结合，导热率高达6～7W/cm℃。因此，cBN烧结体用作散热器材料或卷带自动结合工具中。但是，由于部分催化剂残留在烧结体中，并且当烧结体受热时，由于cBN和催化剂之间的热膨胀差异，容易产生细裂纹，从而耐热温度低至700℃，这对于切削工具而言是一个很大问题。此外，由于粒径粗达10μm左右，这虽然提高了导热率，但削弱了其强度，使其无法承受大的切削负荷。

为了获得只由晶粒细小的立方氮化硼(cBN)烧结得到的烧结体来制作切削刀具，而不含其他材料如陶瓷、金属，需要超过8GPa和1600℃的很高的压力和温度。对于工业生产，产生超过6GPa压力过高。在如此高的压力下，高压设备的使用寿命会缩短。制作由cBN组成的烧结块的有利条件是压力应等于或小于6GPa。在等于或小于6GPa条件下烧结由陶瓷和金属粘结cBN的方法是众所周知的。然而由陶瓷和金属粘结cBN晶粒制作的刀具寿命更短，因为陶瓷和金属硬度与cBN相比太低，所以在切削时，陶瓷和金属部分更容易剥落。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种具有高结构耐磨性和耐冲击性的切削刀具材料，通过添加晶粒尺寸为主切削材料粗立方氮化硼(cBN)一半或更加细小的细立方氮化硼(cBN)到粘结剂中，能够使得切削刀具材料更具结构耐磨和耐冲击性，添加金属，形成基质，有助于加强立方氮化硼(cBN)晶粒和陶瓷之间的粘结。

本发明的另一目的是提供该切削刀具材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种含有立方氮化硼、陶瓷和金属的切削刀具材料，由粗立方氮化硼晶粒部分和粘结剂部分组成。

所述粘结剂部分包括了细立方氮化硼晶粒部分、陶瓷和金属。陶瓷是金属碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、硅化物中的任意一种。金属是镁、钛、锆、钒、铌、钽、铬、钼、钨、锰、铁、钴、镍、铜、铝中的一种或多种的混合。

粗立方氮化硼晶粒部分的晶粒尺寸为8～20微米，粘结剂部分中的细立方氮化硼晶粒部分的晶粒尺寸为1～4微米。

一种制备权利要求1所述的一种含有立方氮化硼、陶瓷和金属的切削刀具材料的方法，包括以下步骤：

(1)按照比例称取粗立方氮化硼、细立方氮化硼、陶瓷、金属原始微粉；

(2)混合步骤(1)中的原始微粉，球磨30分钟，使得几种微粉混合更均匀，得到混合微粉，添加甲苯溶液作为润滑剂；

(3)加热干燥，除去甲苯；

(4)将(2)中得到的混合微粉放在圆柱形的金属容器中真空800℃加热4小时净化，除去吸收的氧气；

(5)将净化后的混合微粉转移到充满氮气的手套箱中，将其中结块的微粉粉碎成细粉；

(6)将混合微粉装入耐高温耐高压容器中；

(7)将(6)中的装满混合微粉的耐高温耐高压容器放入高温高压设备中，升压至3GPa以上，升温至1200℃以上；

(8)保持步骤(7)的压力和温度10～30分钟；