[发明专利]一种高熵合金结合的立方氮化硼聚晶复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，特别涉及一种立方氮化硼聚晶的制备方法。

背景技术

由结合剂将立方氮化硼(cBN)微小的单晶颗粒在高温高压(1350～1650℃，4～6.5GPa)下粘结制备成为块体的PcBN(聚晶立方氮化硼，Polycrystalline Cubic Boron Nitride下称PcBN)，是用来制作加工淬硬钢、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。起粘结作用的结合剂占质量比的5～60％，会严重影响PcBN的整体性能。刀具材料最为重要的指标是硬度和韧性，理想的PcBN是没有结合剂或结合剂的硬度尽量接近cBN，并且具有合适的韧性。

基于以上考虑，国内外同行长期集中在金属-陶瓷结合剂方面研究。由于在制造过程中金属-陶瓷结合剂具有金属和陶瓷双重性能，可以形成高硬度、高耐热性化合物，同时还可以与cBN形成一定的反应而结合，并具有合理的韧性，是目前研究PcBN结合剂的热点，例如公开号为CN102557647A的中国专利公开了一种立方氮化硼聚晶复合材料，为了提高韧性，采用了很细的结合剂粉料，除立方氮化硼单晶外，结合剂分别由耐磨结合剂、促烧结合剂和增强结合剂组成，其中促烧结合剂为单质元素。但是，明显的缺陷是单元素金属或合金物质残留会降低PcBN的高强度、硬度及耐热性，而残留又是不易避免的。公开号为CN102011040A的中国专利公开了一种立方氮化硼复合片用的粉末状粘结剂，也是如此，Co的加入虽提高了韧性，但残留物却降低了烧结体的硬度及耐热性；公开号为CN101627139A的中国专利公开了一种立方氮化硼压块，为了提高韧性而采用金属为主的结合剂，尽管采用的金属耐热性较好，但金属易氧化，且使用温度也满足不了需要；公开号为CN101077645A的中国专利公开了一种由表面涂覆的立方氮化硼基超高压烧结制成的切削工具，通过立方氮化硼表面涂覆获得表面多层结构而提高了烧结能力，但过程麻烦，并残留单质元素，同样将使用温度降低。公开号为CN1022116007A的中国专利公开了一种立方氮化硼陶瓷复合材料及其制备方法，采用的是氮化铝、氮化硅及碳化物等，对于难烧结问题则添加镧系氧化物、甚至铝等，为增加韧性还添加了晶须(氮化硅、碳化硅晶须)，在一定程度上增加了混料均匀性的困难，存在一定问题。公开号为CN103030397A的中国专利公开了一种立方氮化硼聚晶(PcBN)复合材料的制备方法，采用了全部为共价键化合物TiN_X、AlN及TiC等为结合剂，制备了特殊的PcBN，很好的满足了高温干切削刀具材料的要求，但在断续切削方面存在脆性相对较大的问题。

高熵合金，作为一种全新的金属材料合金体系的选择，提供了金属材料性能提高的新途径。高熵合金(HEA)即多种主元的合金，每种主要元素皆具有较高的原子百分比，主要元素数目n≥5，但其原子百分比皆不超过35％的合金。1995年台湾学者突破材料设计的传统理念，首先提出了新的合金设计理念，定义为高熵合金^[1]。高熵合金的高熵效应，使其不形成金属间化合物，而形成简单的固溶体结构，并带来了一系列的优异性能，如高的高温硬度、高耐磨性、高耐腐蚀等^[2]。将高熵合金替代传统合金而得到应用大量出现。鉴于高熵合金所具有的优异性能，把高熵合金作PcBN的粘结相，有利于克服金属结合剂、陶瓷结合剂及金属-陶瓷复合结合剂的缺点，获得具有高温硬度、高耐磨性、高切削速度和精度同时具有高韧性等优异性能的新型PcBN复合材料。

综上所述，传统的PcBN结合剂包括金属结合剂，陶瓷结合剂及金属-陶瓷复合结合剂，其中金属结合剂易氧化，质软，耐热性差(如CN101627139A)；陶瓷结合剂烧结温度高，韧性低(如CN103030397A)；而金属-陶瓷复合结合剂单元素金属或合金物质残留会降低PcBN的高强度、硬度及耐热性，而残留又是不易避免的(如CN102557647A)。而高熵合金的优良性能^[2-5]则可弥补以上不同种类结合剂的缺点。

参考文献

[1]Tong C-J,Chen M-R,Yeh J-W,et al.Mechanical performance of the Al x CoCrCuFeNi high-entropy alloy system with multiprincipal elements[J].Metallurgical and Materials Transactions A,2005,36(5):1263-1271.