纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片及其制造方法

摘要

纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片，超硬材料技术领域。纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片包括硬质合金层和复合在其上的立方氮化硼层，立方氮化硼层由纳米立方氮化硼和结合剂混合烧结而成，所述的硬质合金为纳米无钴硬质合金。本发明通过采用纳米硬质合金与纳米立方氮化硼制备纳米无钴硬质合金-纳米立方氮化硼聚晶复合片以及相应的增韧增强工艺，可解决立方氮化硼聚晶复合片刀具材料具有高的硬度、耐磨性、韧性与强度。

说明书

技术领域

本发明属于超硬材料技术领域，具体涉及一种纳米无钴硬质合金(nano WC)-立方氮化硼(nano cBN)聚晶复合片及其制造方法。

背景技术

立方氮化硼聚晶复合片不但具备立方氮化硼的优良品质，而且基体的复合片还具有硬质合金的抗冲击韧性，因而具有如：高的硬度、耐磨性和抗冲击韧性，高的热稳定性、化学稳定性，良好的导热性以及摩擦系数低等优点，目前广泛应用于各种高硬度材料(如工具钢、高速钢、轴承钢、粉末冶金刚、粉末冶炼金属、不锈钢、高强度钢、高锰钢、铸铁、钛合金等)的切削加工以及某些高速切削领域。随着材料科学的进步，对刀具材料的硬度、耐磨性、韧性和强度的要求提出了更高的要求，理想的刀具材料应既具有极高的耐磨性，有利于延长刀具耐用度，同时又具有好的断裂韧性，使得其能够承受大的切削力。

立方氮化硼颗粒的尺寸大小对聚晶立方氮化硼的耐磨性和抗冲击性的影响很大。一般说来，立方氮化硼粒度越小，聚晶立方氮化硼耐磨性越好，抗压强度越高。颗粒尺寸越大，聚晶立方氮化硼抗冲击性能越强，而抗磨损能力越弱，用此制作的刀具的刃口锋利性就越差，因此国际上许多生产厂商纷纷在研制细粒度聚晶立方氮化硼，粒度在0.5-2微米之间。采用纳米级立方氮化硼颗粒(5-90纳米)将既能降低烧结条件，又能实现聚晶立方氮化硼具有较好的耐磨性能。

在合成聚晶立方氮化硼复合片的过程中，硬质合金中的钴扫越立方氮化硼层，尽管钴与立方氮化硼不反应，少量的钴还是残留在聚晶中，作为立方氮化硼颗粒的“孔隙”填充剂。而钴的硬度比立方氮化硼颗粒的硬度低得多，导致立方氮化硼层硬度降低。纳米级硬质合金是指合金中的WC的平均粒径尺寸≤0.5纳米的合金，其硬度高达HRA95以上，是普通硬质合金耐磨寿命10-20倍以上.纳米级无钴硬质合金较常规硬质合金具有更高的强度、硬度、耐磨和优异的综合力学性能，无钴硬质合金可以做到粘结金属不用钴，合金保持性能与含钴合金相同，成本大幅降低，重要的是减少了钴在立方氮化硼层的残留，避免硬度的降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高的硬度、耐磨性、韧性与强度的纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片。

本发明目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片，包括硬质合金层和复合在其上的立方氮化硼层，立方氮化硼层由纳米立方氮化硼和结合剂混合烧结而成。所述的硬质合金为纳米无钴硬质合金。

所述的立方氮化硼为纳米立方氮化硼，纳米立方氮化硼占立方氮化硼层总质量的45％～90％。

所述的结合剂选自粒度为5～50纳米的碳化钛或氮化钛或两种物质的混合物，结合剂的用量为立方氮化硼层总质量的5％～40％。

所述的立方氮化硼层中还含有选自铝、镍、锑、锡、镁或铜中的任意一种或一种以上的金属粉末作为粘结合金，粘结合金的用量占立方氮化硼层总质量的1％～5％。

所述的立方氮化硼层中还含有稀土元素，稀土元素占立方氮化硼层总质量的1％～5％。

所述的立方氮化硼层中还含有占立方氮化硼层总质量的1％～5％的碳化硅晶须，碳化硅晶须直径为0.1微米、长径比大于10。

本发明的纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片的立方氮化硼层中还可以添加粒度为5～60纳米的(TiW)C、TiW、(TiTa)等组分，以增加最终立方氮化硼聚晶复合片的耐磨性和抗破损性；另外还可以添加5～50纳米的氧化铝、氮化铝、硼化铝等。

本发明的纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片的制造方法的工艺流程如下：

(1)选取粒度为5～100纳米的立方氮化硼进行级配组合，进行真空加热离子净化；

(2)取纳米立方氮化硼占总质量的45％～90％，纳米陶瓷结合剂占总质量的5％～40％，粘结合金占总质量的1％-5％，稀土元素占立方氮化硼层总质量的1％～5％，碳化硅晶须占立方氮化硼层总质量的1％～5％，放入多维高能球磨机中在氩气环境下进行混配料30～45分钟，以混制分散均匀，然后再次进行真空加热离子净化；

(3)将混制成型料机压成型后与纳米无钴硬质合金，按照说明书附图的组装方式组装。首先放入盐管，外套MgO管后，将正方形石墨片与钢片按图上标示，上下面交替放置，然后放入模具内，填充叶腊石与导电钢碗，再次机压紧密待合成。合成尺寸：料层为1～2.5毫米，复合片尺寸为15～70毫米。

(4)在压力为5.5～7GPa、温度为1200～1700℃的条件下，压制3～8分钟，即得纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明采用的纳米立方氮化硼以及纳米陶瓷结合剂使最终立方氮化硼聚晶复合片具有较高的硬度、耐磨性。

(2)采用稀土元素及其化合物，在烧结时能渗入立方氮化硼晶粒间和陶瓷结合剂当中，促使聚晶烧结致密。

(3)采用纳米无钴硬质合金，其本身具有更高的硬度、耐磨性能，与纳米立方氮化硼聚晶层结合强度高，并且减少了钴在立方氮化硼层的残留，避免立方氮化硼聚晶层硬度的降低。

(4)经多维高能球磨混制工艺，使混料均匀，提高了立方氮化硼聚晶的致密性，使刀具材料的刃口锋利。

(5)采用添加碳化硅晶须，明显提高了立方氮化硼聚晶的断裂韧性。

附图说明

附图是本发明的制备方法的合成组装图。

图中：1-钢碗，2-叶腊石，3-石墨片，4-MgO管，5-纳米无钴硬脂合金，6-立方氮化硼层，7-盐管，8-钢片。

具体实施方式，

实施例1

本发明的纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片的制造方法的工艺流程如下：

(1)选取普通立方氮化硼进行级配组合，进行真空加热离子净化；

(2)取纳米立方氮化硼占总质量的90％，纳米陶瓷结合剂碳化钛占总质量的10％，放入多维高能球磨机中在氩气环境下进行混配料30分钟，以混制分散均匀，然后再次进行真空加热离子净化；

(3)将混制成型料机压成型后与纳米无钴硬质合金，按照说明书附图的组装方式组装。首先放入盐管7，外套MgO管4后，将正方形石墨片3与钢片按图上标示，上下面交替放置，然后放入模具内，填充叶腊石2与导电钢碗1，再次机压紧密待合成。合成尺寸：料层为1～2.5毫米，复合片尺寸为15～70毫米。

(4)在压力为5.5GPa、温度为1200℃的条件下，压制8分钟，即得纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片。

纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片的knoop硬度为37.5GPa。

实施例2

本发明的纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片的制造方法的工艺流程如下：

(1)选取5～100纳米的立方氮化硼进行级配组合，进行真空加热离子净化；

(2)取纳米立方氮化硼占总质量的80％，纳米陶瓷结合剂氮化钛占总质量的15％，粘结合金铝占总质量的5％放入多维高能球磨机中在氩气环境下进行混配料35分钟，以混制分散均匀，然后再次进行真空加热离子净化；

(3)将混制成型料机压成型后与纳米无钴硬质合金，按照说明书附图的组装方式组装。首先放入盐管7，外套MgO管4后，将正方形石墨片3与钢片按图上标示，上下面交替放置，然后放入模具内，填充叶腊石2与导电钢碗1，再次机压紧密待合成。合成尺寸：料层为1～2.5毫米，复合片尺寸为15～70毫米。

(4)在压力为6.0GPa、温度为1300℃的条件下，压制7分钟，即得纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片。

纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片的knoop硬度为37.3GPa。

实施例3

本发明的纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片的制造方法的工艺流程如下：

(1)选取粒度为5～100纳米的立方氮化硼进行级配组合，进行真空加热离子净化；

(2)取纳米立方氮化硼占总质量的70％，纳米陶瓷结合剂碳化钛占总质量的20％，粘结合金铝、镍、锑、锡、镁的混合粉占总质量的1％，稀土元素铈、钕、钆的混合粉占立方氮化硼层总质量的4％，放入多维高能球磨机中在氩气环境下进行混配料40分钟，以混制分散均匀，然后再次进行真空加热离子净化；

(3)将混制成型料机压成型后与纳米无钴硬质合金，按照说明书附图的组装方式组装。首先放入盐管7，外套MgO管4后，将正方形石墨片3与钢片按图上标示，上下面交替放置，然后放入模具内，填充叶腊石2与导电钢碗1，再次机压紧密待合成。合成尺寸：料层为1～2.5毫米，复合片尺寸为15～70毫米。

(4)在压力为7GPa、温度为1700℃的条件下，压制3分钟，即得纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片。

纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片的knoop硬度为37.3GPa。

实施例4

本发明的纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片的制造方法的工艺流程如下：

(1)选取粒度为5～100纳米的立方氮化硼进行级配组合，进行真空加热离子净化；

(2)取纳米立方氮化硼占总质量的60％，纳米陶瓷结合剂氮化钛占总质量的30％，粘结合金锡、镁和铜的混合粉占立方氮化硼层总质量的2％，稀土元素占立方氮化硼层总质量的3％，碳化硅晶须占立方氮化硼层总质量的5％，放入多维高能球磨机中在氩气环境下进行混配料45分钟，以混制分散均匀，然后再次进行真空加热离子净化；

(3)将混制成型料机压成型后与纳米无钴硬质合金，按照说明书附图的组装方式组装。首先放入盐管7，外套MgO管4后，将正方形石墨片3与钢片按图上标示，上下面交替放置，然后放入模具内，填充叶腊石2与导电钢碗1，再次机压紧密待合成。合成尺寸：料层为1～2.5毫米，复合片尺寸为15～70毫米。

(4)在压力为6.5GPa、温度为1500℃的条件下，压制4分钟，即得纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片。

纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片的knoop硬度为36.9GPa。

实施例5

本发明的纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片的制造方法的工艺流程如下：

(1)选取粒度为5～100纳米的立方氮化硼进行级配组合，进行真空加热离子净化；

(2)取纳米立方氮化硼占总质量的45％，纳米陶瓷结合剂碳化钛和氮化钛的混合粉占总质量的40％，粘结合金铝、镍、锑、锡、镁和铜的混合粉占总质量的5％，稀土元素铈、钕、钆和镥的混合粉占立方氮化硼层总质量的5％，碳化硅晶须占立方氮化硼层总质量的5％，放入多维高能球磨机中在氩气环境下进行混配料45分钟，以混制分散均匀，然后再次进行真空加热离子净化；

(3)将混制成型料机压成型后与纳米无钴硬质合金，按照说明书附图的组装方式组装。首先放入盐管7，外套MgO管4后，将正方形石墨片3与钢片按图上标示，上下面交替放置，然后放入模具内，填充叶腊石2与导电钢碗1，再次机压紧密待合成。合成尺寸：料层为1～2.5毫米，复合片尺寸为15～70毫米。

(4)在压力为6.0GPa、温度为1500℃的条件下，压制6分钟，即得纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片。

纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片的knoop硬度为36.7GPa。

实施例6

本发明的纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片的制造方法的工艺流程如下：

(1)选取粒度为5～100纳米的立方氮化硼进行级配组合，进行真空加热离子净化；

(2)取纳米立方氮化硼占总质量的50％，纳米陶瓷结合剂占总质量的35％，粘结合金占总质量的2％，稀土元素占立方氮化硼层总质量的3％，碳化硅晶须占立方氮化硼层总质量的5％，另外添加占立方氮化硼层总质量3％的氧化铝、氮化铝和硼化铝的混合粉和占立方氮化硼层总质量2％的(TiW)C、TiW和TiTa混合粉，放入多维高能球磨机中在氩气环境下进行混配料45分钟，以混制分散均匀，然后再次进行真空加热离子净化；

(3)将混制成型料机压成型后与纳米无钴硬质合金，按照说明书附图的组装方式组装。首先放入盐管7，外套MgO管4后，将正方形石墨片3与钢片按图上标示，上下面交替放置，然后放入模具内，填充叶腊石2与导电钢碗1，再次机压紧密待合成。合成尺寸：料层为1～2.5毫米，复合片尺寸为15～70毫米。

(4)在压力为6.0GPa、温度为1500℃的条件下，压制6分钟，即得纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片。

纳米无钴硬质合金-立方氮化硼聚晶复合片的knoop硬度为36.7GPa。