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CN108165855B - 一种结合剂、聚晶立方氮化硼复合片及其制备方法 - Google Patents

一种结合剂、聚晶立方氮化硼复合片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种结合剂，它包括以下组分：钛粉、铝粉和立方氮化硼粉，且所述钛粉、所述铝粉和所述立方氮化硼粉的摩尔比为1:（1～2）:（3～5）。该结合剂可以有效克服金属粘结剂和陶瓷粘结剂的缺点，应用于聚晶立方氮化硼复合片可有效提高其硬度和抗弯强度。同时，本发明还提供该聚晶立方氮化硼复合片的制备方法。

Description

一种结合剂、聚晶立方氮化硼复合片及其制备方法
技术领域
本发明属于超硬复合材料领域，具体地，涉及一种结合剂、聚晶立方氮化硼复合片及其制备方法。
背景技术
聚晶立方氮化硼具有较高的硬度和耐磨性、良好的化学稳定性和热稳定性等优异性能。聚晶立方氮化硼凭借这些性能上的优势，应用非常广泛，特别是作为刀具材料在切削加工方面发挥了极大的作用，如应用于加工淬火钢、不锈钢、铸铁等材料。结合剂在合成聚晶立方氮化硼的过程中起着重要的作用，加入适量的结合剂可以降低烧结温度和压力，并能改善烧结体的性能。聚晶立方氮化硼结合剂主要有金属结合剂和陶瓷结合剂。
其中，金属结合剂通常在700～800℃就会软化，会导致聚晶立方氮化硼的耐磨性下降。陶瓷结合剂具有较高的耐高温磨损和较强的抗化学磨损优点，但陶瓷在高温时导热性一般比立方氮化硼差，使聚晶立方氮化硼复合片传热不均匀，影响聚晶立方氮化硼复合片的品质。因此，开发一种结合剂克服金属结合剂的软化问题和陶瓷结合剂的导热问题具有重要的现实意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种结合剂、聚晶立方氮化硼复合片及其制备方法，以解决上述问题。
具体地，本发明采取如下技术方案：
一种结合剂，它包括以下组分：钛粉(Ti)、铝粉(Al)和立方氮化硼粉(CBN)，且所述钛粉(Ti)、所述铝粉(Al)和所述立方氮化硼粉(CBN)的摩尔比为(3～5):1:(1～2)。
基于上述，所述钛粉的粒度小于2μm。
基于上述，所述铝粉的粒度小于2μm。
基于上述，所述立方氮化硼粉的粒度小于2μm。
一种聚晶立方氮化硼复合片，它的原料包括上述结合剂和立方氮化硼颗粒。
基于上述聚晶立方氮化硼复合片，它的硬度为3200～4100Hv，抗弯强度为1.05～1.3GPa。
基于上述，所述结合剂和所述立方氮化硼颗粒的质量比为(1～7):(3～19)。
一种上述的聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其包括以下步骤：
将所述结合剂和所述立方氮化硼颗粒混合均匀，得到混合粉体；
先对所述混合粉体进行真空处理，再在压力为4.5～7.5GPa，温度为1400～1800℃的条件下烧结10～60min，得到所述聚晶立方氮化硼复合片。
基于上述，得到所述混合粉体的步骤包括：在转速为200～600r/min的条件下，按照磨球和所述结合剂的质量比为(5～20):1的比例，先将所述结合剂置于球磨机中球磨12～48h；再将球磨后的所述结合剂和所述立方氮化硼颗粒混合均匀。
基于上述，得到所述聚晶立方氮化硼复合片的步骤包括：在真空度≥1×10-2Pa，温度为800～1300℃的条件下，对所述混合粉体进行真空处理1～5h。
与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著进步。具体的说，本发明提供的结合剂是金属-陶瓷结合剂，它包括Ti、Al和CBN，而Ti、Al和CBN在聚晶立方氮化硼烧结过程中形成新型的单一相TixAlNy(3≤x≤5，1≤y≤2)预合金，该预合金兼具金属性和陶瓷性两者优良的性能，避免单一相金属组分在高温下软化和单一相陶瓷组分晶界间的弱结合强度；而且，该结合剂以CBN为陶瓷组分避免在聚晶立方氮化硼复合片中引入新的杂质，使聚晶立方氮化硼复合片传热更加均匀，有效提高聚晶立方氮化硼复合片的质量。同时，本发明还提供的聚晶立方氮化硼复合片的原料包括所述结合剂和立方氮化硼颗粒，经检测，所述聚晶立方氮化硼复合片的硬度为3200～4100Hv，抗弯强度为1.05～1.3GPa。另外，本发明还提供所述聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，该方法先将所述结合剂和立方氮化硼颗粒混合均匀，再进行真空处理，最后进行烧制，其中真空处理可以有效促进所述预合金的形成，提高结合剂的粘结效果；进一步，所述结合剂和立方氮化硼颗粒混合前，先对所述结合剂进行球磨，使所述结合剂的各组分混合更加充分，球磨和真空处理相结合，使Ti、Al和CBN在烧结过程中形成TixAlNy，同时，Ti、Al和CBN反应放热也可以进一步促进烧结。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种结合剂，它包括以下组分：钛粉、铝粉和立方氮化硼粉，且所述钛粉、所述铝粉和所述立方氮化硼粉的摩尔比为3:1:2；其中，所述铝粉的粒度为1μm，所述钛粉的粒度为1μm，所述立方氮化硼粉的粒度为1μm。
本实施例提供一种聚晶立方氮化硼复合片，它的原料包括上述结合剂和立方氮化硼颗粒，所述结合剂和所述立方氮化硼颗粒的质量比为6:4。
本实施例还提供一种上述的聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其包括以下步骤：
在转速为300r/min的条件下，按照磨球和所述结合剂的质量比为20:1的比例，先将所述结合剂置于球磨机中球磨24h；再将球磨后的所述结合剂和所述立方氮化硼颗粒混合均匀，得到混合粉体；
将所述混合粉体置于真空炉中，在真空度≥1×10-2Pa，温度为900℃的条件下，进行真空处理4h，再在压力为5.0GPa，温度为1500℃的条件下烧结30min，得到所述聚晶立方氮化硼复合片。
实施例2
本实施例提供一种结合剂，它包括以下组分：钛粉、铝粉和立方氮化硼粉，且所述钛粉、所述铝粉和所述立方氮化硼粉的摩尔比为4:1:2；其中，所述铝粉的粒度为0.5μm，所述钛粉的粒度为0.5μm，所述立方氮化硼粉的粒度为0.5μm。
本实施例提供一种聚晶立方氮化硼复合片，它的原料包括上述结合剂和立方氮化硼颗粒，所述结合剂和所述立方氮化硼颗粒的质量比为1:19。
本实施例还提供一种上述的聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其包括以下步骤：
在转速为200r/min的条件下，按照磨球和所述结合剂的质量比为20:1的比例，先将所述结合剂置于球磨机中球磨48h；再将球磨后的所述结合剂和所述立方氮化硼颗粒混合均匀，得到混合粉体；
将所述混合粉体置于真空炉中，在真空度≥1×10-2Pa，温度为1000℃的条件下，进行真空处理2h，再在压力为6.0GPa，温度为1700℃的条件下烧结20min，得到所述聚晶立方氮化硼复合片。
实施例3
本实施例提供一种结合剂，它由以下组分构成：钛粉、铝粉和立方氮化硼粉，且所述钛粉、所述铝粉和所述立方氮化硼粉的摩尔比为5:1:1；其中，所述铝粉的粒度为0.2μm，所述钛粉的粒度为0.4μm，所述立方氮化硼粉的粒度为0.3μm。
本实施例提供一种聚晶立方氮化硼复合片，它的原料由上述结合剂和立方氮化硼颗粒组成，所述结合剂和所述立方氮化硼颗粒的质量比为7:3。
本实施例还提供一种上述的聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其包括以下步骤：
在转速为600r/min的条件下，按照磨球和所述结合剂的质量比为10:1的比例，先将所述结合剂置于球磨机中球磨12h；再将球磨后的所述结合剂和所述立方氮化硼颗粒混合均匀，得到混合粉体；
将所述混合粉体置于真空炉中，在真空度≥1×10-2Pa，温度为1300℃的条件下，进行真空处理1h，再在压力为4.5GPa，温度为1400℃的条件下烧结60min，得到所述聚晶立方氮化硼复合片。
实施例4
本实施例提供一种结合剂，它包括以下组分：钛粉、铝粉和立方氮化硼粉，且所述钛粉、所述铝粉和所述立方氮化硼粉的摩尔比为3:1:1；其中，所述铝粉的粒度为1μm，所述钛粉的粒度为1μm，所述立方氮化硼粉的粒度为1μm。
本实施例提供一种聚晶立方氮化硼复合片，它的原料包括上述结合剂和立方氮化硼颗粒，所述结合剂和所述立方氮化硼颗粒的质量比为2:8。
本实施例还提供一种上述的聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其包括以下步骤：
在转速为500r/min的条件下，按照磨球和所述结合剂的质量比为15:1的比例，先将所述结合剂置于球磨机中球磨36h；再将球磨后的所述结合剂和所述立方氮化硼颗粒混合均匀，得到混合粉体；
将所述混合粉体置于真空炉中，在真空度≥1×10-2Pa，温度为1200℃的条件下，先对所述混合粉体进行真空处理3h，再在压力为7.5GPa，温度为1800℃的条件下烧结10min，得到所述聚晶立方氮化硼复合片。
性能表征
对实施例1～4制得聚晶立方氮化硼复合片进行测试，测试结果参见表1。
表1实施例1～4制得聚晶立方氮化硼复合片的性能参数
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
硬度/Hv 3200～3300 4000～4100 3400～3500 3700～3800
抗弯强度/GPa 1.05～1.1 1.2～1.3 1.1～1.15 1.2～1.25
由表1可知，实施例1～4制得聚晶立方氮化硼复合片具有硬度高和抗弯强度大的优点。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (3)

1.一种聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其包括以下步骤：
在转速为200～600 r/min的条件下，按照磨球和结合剂的质量比为（5～20）:1的比例，先将所述结合剂置于球磨机中球磨12～48 h；再将球磨后的所述结合剂和立方氮化硼颗粒混合均匀，得到混合粉体；其中，球磨后的所述结合剂与所述立方氮化硼颗粒的质量比为（1～7）:（3～19）；所述结合剂包括以下组分：粒度小于2 μm的钛粉、粒度小于2 μm的铝粉和粒度小于2 μm的立方氮化硼粉，且所述钛粉、所述铝粉和所述立方氮化硼粉的摩尔比为（3～5）:1:（1～2）；
在真空度≥1×10-2 Pa，温度为800～1300℃的条件下，对所述混合粉体进行真空处理1～5 h，再在压力为4.5～7.5 GPa，温度为1400～1800℃的条件下烧结10～60 min，得到聚晶立方氮化硼复合片。
2.一种聚晶立方氮化硼复合片，其特征在于，它的原料包括权利要求1所述的结合剂和立方氮化硼颗粒。
3. 根据权利要求2所述的聚晶立方氮化硼复合片，其特征在于，它的硬度为3200～4100 Hv，抗弯强度为1.05～1.3 GPa。
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