一种聚晶立方氮化硼材料合成用粘结剂及其使用方法与流程

2021-01-31 06:01:44|

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本发明涉及超硬复合材料技术，具体涉及一种聚晶立方氮化硼材料合成用粘结剂及其使用方法。

背景技术：

立方氮化硼不仅具有高硬度，而且具有优异的热稳定性和化学稳定性，与铁系金属不会发生高温反应。由于立方氮化硼由高强度的共价键构成，烧结高纯度的立方氮化硼是相当困难的，不适用于工业生产，因此采用在立方氮化硼中加入一定量的结合剂，来制备聚晶立方氮化硼，从而获得良好的切削性能。因此利用其高硬度、热稳定性、化学惰性制备刀具和磨具，广泛应用于加工各种黑色金属材料及合金，以及韧难加工材料。

同时，随着对高温p-n结的研究，立方氮化硼存在的高温半导体特性引起了一定的关注，使得立方氮化硼成为一种潜在的功能材料。因此研究立方氮化硼合成的新方法、新理论、新特性有着重要的现实意义。

立方氮化硼的高强度的共价键使得烧结高纯度的立方氮化硼相当困难，因此采用一定量的粘结剂来制备聚晶立方氮化硼。常用al，ti，aln,sic等作为粘结剂。然而陶瓷粘结剂存在高温导热性差、烧结致密难、抗弯强度和断裂韧性较弱等问题。而使用金属粘结剂在较高温度状态下工作时，由于金属的软化而使刀具耐磨性大幅降低，从而导致红硬性下降。而金属间化合物同时拥有金属和陶瓷的特性，在作为粘结剂上有很大的潜力。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，首次提出以金属间化合物作为聚晶立方氮化硼材料合成用粘结剂；同时还开发出了该粘结剂的优化使用方法。

本发明一种聚晶立方氮化硼材料合成用粘结剂；所述粘结剂为金属间化合物；所述金属间化合物中含有铝、钛和m；所述m选自cr,nb,w,mo,v中的至少一种；且所述金属间化合物中钛、铝的原子比例占金属间化合物的90-95％。

本发明一种聚晶立方氮化硼材料合成用粘结剂；所述粘结剂在使用前为颗粒状，其粒径小于等于75微米。

作为优选方案，本发明一种聚晶立方氮化硼材料合成用粘结剂；所述金属间化合物由ti、al、cr、nb构成，且按摩尔比计；ti：al＝40-50:40-50、al：cr＝40-50:2-5、al：nb＝40-50:2-7。作为进一步的优选方案，本发明一种聚晶立方氮化硼材料合成用粘结剂；所述金属间化合物由ti、al、cr、nb按摩尔比；ti：al：cr：nb＝48-50：48-50：2：2。作为更进一步的优选方案，所述金属间化合物由ti、al、cr、nb按摩尔比；ti：al：cr：nb＝48：48：2：2。

作为优选方案，本发明一种聚晶立方氮化硼材料合成用粘结剂；其松装密度为3.9-4.2g/cm³。

本发明一种聚晶立方氮化硼材料合成用粘结剂的应用，按体积比，粘结剂颗粒：立方氮化硼粉末＝10-30：70-90、优选为20-30:70:80、进一步优选为1:4，配取粘结剂颗粒和立方氮化硼粉末；混合均匀后进行真空处理；真空处理后，在高温、高压的环境下进行烧结，得到聚晶立方氮化硼。

所述立方氮化硼粉末的粒度小于10微米。

作为优选方案，本发明一种聚晶立方氮化硼材料合成用粘结剂的应用，按体积比，粘结剂颗粒：立方氮化硼粉末＝10-30：70-90、优选为20-30:70:80、进一步优选为1:4，配取粘结剂颗粒和立方氮化硼粉末；先对配取的粘结剂颗粒进行冷风球磨处理；球磨处理后，再加入立方氮化硼粉末进行混料；得到混合均匀的混合粉末。所述冷风球磨处理时，控制球磨转速为250-350转/min、优选为280-320转/min；时间10-20小时；球料质量比为10-15：1、优选为10:1；冷风温度-30～-10℃。在本发明中所述冷风球磨处理时，球磨腔内充有保护气体；冷风作为球磨腔的冷却介质。

作为优选方案，本发明一种聚晶立方氮化硼材料合成用粘结剂的应用，球磨所用磨球的材质为不锈钢或者玛瑙球。所述冷风为空气。

混合均匀的粉末先在1000pa以下进行真空处理至少8小时；真空处理后，在高温、高压的环境下进行烧结，得到聚晶立方氮化硼。所述高温为大于等于1150℃，当然包括1150℃-1195℃以及1195℃的以上温度。当然现有技术中的温度也能用于本发明。本发明所涉及的粘接剂首次实现了在低于1200摄氏度(如1150℃-1195℃)制备出了高性能聚晶立方氮化硼。本发明所述高压为现有技术中的高压。

本发明所设计的粘结剂经优化后，结合应用工艺，其所得产品的硬度可为37-43gpa，断裂韧性可为5.6-6.7mpa·m^1/2。远远高于现有市面的上的同类产品。

原理和优势

目前广泛应用的金属粘结剂在高温下熔融，填充cbn的间隙，同时能够与cbn反应生成相应的硼化物与氮化物，通过这些产物形成的金属元素-b/n的键合来使得cbn结合，改善了烧结条件，但是会降低pcbn的硬度以及高温性能，而陶瓷粘结剂熔点高，基本不与cbn发生固相反应，故得到的pcbn硬度，热稳定性，耐磨性较好，但是缺少了填充间隙，使得韧性和致密性不如使用金属粘结剂的pcbn。

本发明所用金属间化合物中原子间的化学键既有离子键又有共价键的性质，使得其同时拥有金属和陶瓷的特性，在室温和高温下存在一定的强度和韧性。在本发明的研发过程中，发现在一定温度和压强下，特殊组分的金属间化合物与cbn反应，以tial为例，发生的反应如下：

tial+bn→tib2+aln

生成对应的金属元素-b/n的键合的陶瓷相，可降低烧结温度，增加烧结度，并提高烧结性能，基于此，提出了本发明，本发首次提出以金属间化合物作为聚晶立方氮化硼材料合成用粘结剂；同时还开发出了该粘结剂的优化使用方法。所开发的粘结剂还可以避免烧结过程留下的金属残留，这就在一定程度上避免产品的高温软化，进而达到延长使用寿命的目的。

本发明所开发的粘结剂为低温制备高性能聚晶立方氮化硼提供了必要条件。本发明首次实现了在低于1200摄氏度(如1150℃-1195℃)制备出了高性能聚晶立方氮化硼。

本发明所开发的粘结剂作为聚晶立方氮化硼材料合成用粘结剂，当按体积比金属间化合物粉末：立方氮化硼粉末＝20:80配取立方氮化硼粉末和金属间化合物粉末时，其所得产品的硬度为40-42gpa，断裂韧性为6.3-6.5mpa·m^1/2，抗弯强度623-627mpa，磨耗比4378-4437。远远高于市面上的同类产品。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的立方氮化硼超硬材料实物图

图2是本发明实施例1制备的立方氮化硼超硬材料的物相组成图

图3是本发明实施例1制备的立方氮化硼超硬材料的扫描电镜图：(a)2.5k倍；(b)5k倍；(c)10k倍。

图4是本发明实施例1制备的立方氮化硼超硬材料所制得的刀具磨削后的图片：(a)200倍；(b)500倍；(c)1000倍。

具体实施方式

实施例1

取摩尔比；ti：al：cr：nb＝48：48：2：2，配取金属间化合物粉末。

按球磨质量比10:1配取磨球和金属间化合物；按体积比金属间化合物粉末：立方氮化硼粉末＝20:80配取立方氮化硼粉末；所述磨球的材质为不锈钢；

将磨球和金属间化合物加入球磨机中进行冷风球磨；冷风球磨的转速为300转/min、时间为20小时、冷风的温度为-30℃；然后加入配取的立方氮化硼粉末；在250转/min球磨8小时，得到混合均匀的粉末。

混合均匀的粉末先在1000pa以下进行真空处理8小时；真空处理后，在高温、高压的环境下进行烧结，得到聚晶立方氮化硼，所述高温为1190℃，高压为5.0gpa。

所得产品的硬度为42gpa，断裂韧性为6.5mpa·m^1/2，抗弯强度627mpa，磨耗比4437。