[发明专利]一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料，包括立方氮化硼晶粒部分和粘合剂部分，粘合剂部分包括了纤锌矿型氮化硼晶粒部分、陶瓷和金属。还公布了立方氮化硼晶粒部分的晶粒尺寸和粘合剂部分中纤锌矿型氮化硼晶粒的晶粒尺寸。本发明还公开了该切削刀具材料的制备方法。所制得的切削材料可以在更低的压力和温度条件下烧结，提高了最终产品的硬度。

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、纤锌矿型氮化硼、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。

高压相氮化硼有两种类型，立方氮化硼(cBN)和纤锌矿型氮化硼(wBN)。cBN主要是通过使用金属作为溶剂，在通过超过4GPa的静态高压条件下产生，是一种单晶体，在冲击作用下，晶粒间容易裂开。而纤锌矿型氮化硼是通过10GPa以上的爆炸高压产生，无需溶剂。纤锌矿型氮化硼是多晶结构，不易裂开，可承受强烈的反复冲击。通过烧结方法、用不到1毫米的立方氮化硼微粒制造切削刀具的主体，需要有6GPa以上的高压和1600℃以上的高温。对于工业制造，要产生6GPa以上的高压，其生产机器的寿命很短，所以要制造含有立方氮化硼烧结体的有利条件，其压力应当≤6GPa。在此压力下烧结立方氮化硼，我们知道通常的方法是用陶瓷和金属材料与立方氮化硼结合。然而，用陶瓷和金属材料与立方氮化硼结合会使得切削刀具的寿命变短，因为陶瓷和金属材料的硬度与立方氮化硼相比太小，所以切削时陶瓷和金属材料部分的磨损比立方氮化硼更快，从而导致切削刀具边缘过早磨损。

发明内容

为解决上述问题，本发明利用立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼的晶体特性以及各自不同的功用，对立方氮化硼来说，它适用于切削，而纤锌矿型氮化硼通过添加到陶瓷和金属基体中，适用于抵抗磨损和冲击。立方氮化硼粒子与陶瓷结合，通过纤锌矿型氮化硼细晶粒强化并辅以金属材料组合而成，使得烧结更容易、烧结后硬度增强。

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、纤锌矿型氮化硼、陶瓷、金属的切削刀具材料，由立方氮化硼晶粒部分和粘合剂部分组成。