一種自潤滑聚晶立方氮化硼(pcbn)刀具及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種刀具及其制備方法，尤其是一種自潤滑聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聚晶立方氮化硼簡稱PCBN，立方氮化硼是一種硬度僅次于金剛石的人工合成超硬材料，聚晶立方氮化硼刀具是以立方氮化硼單晶為原料，在高溫高壓下加入粘結(jié)劑燒結(jié)形成的塊狀聚合體。由于具備極高的硬度和化學穩(wěn)定性，聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具可以用于實現(xiàn)高速干式切削，它為多種難加工金屬材料提供了一種高效的切割方案。影響這種材料性能的主要因素是粘結(jié)劑。有研宄發(fā)現(xiàn)，在同等速度下連續(xù)切削，PCBN刀具切削高韌性鑄鐵如蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵時的壽命只有切削灰鑄鐵時的1/10左右，而首要原因是由于高韌性鑄鐵在PCBN刀具切削刃表面沒有形成MnS自潤滑薄膜，因此嚴重影響了刀具的壽命因此，開發(fā)一種適合切削高性能鑄鐵(球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵)高速干切削的PCBN刀具材料有較重要的應(yīng)用意義。
[0003]中國專利CN101892412A公開了一種立方氮化硼/碳化鈦復合燒結(jié)刀具材料及其制備方法，通過在立方氮化硼微晶中加入高劑量的碳化鈦微晶(質(zhì)量百分比30-50)，微量的碳粉、硅粉和鋁粉，得到了一種硬度高耐磨性好的刀具材料。在線速度300m/min左右的條件下加工淬火齒輪，其效率是傳統(tǒng)刀具的1.5倍以上，使用壽命是傳統(tǒng)刀具的2倍以上。
[0004]中國專利CN 102557647A公開了一種立方氮化硼聚晶復合材料，除了一般的結(jié)合劑以外還添加了增韌劑如SiC晶須、納米金剛石、氧化鋯粉作為輔料制成立方氮化硼聚晶復合材料，提高了立方氮化硼聚晶復合材料的耐磨和耐崩損性。
[0005]中國專利CN101712550A以立方氮化硼為主要原料，并加入高純度(99.5%以上)微晶粉末狀的硼和鋁，以及具有金剛石結(jié)構(gòu)的碳，在超高溫高壓下制備出了一種硬度強，耐磨性和耐熱性強的立方氮化硼超硬刀具。
[0006]中國專利CN103030397A以非化學計量比的氮化鈦(TiNx，0.3彡X彡0.6)作為立方氮化硼聚晶復合材料中結(jié)合劑的基本組份，和氮化鋁和碳化鈦組成結(jié)合劑，再與立方氮化硼單晶在高溫高壓燒結(jié)制備出立方氮化硼聚晶復合材料，得到的材料具有較高的硬度和斷裂韌性。
[0007]上述技術(shù)具有針對立方氮化硼刀具的力學性能改善，如硬度、耐磨性、韌性等方面進行結(jié)合劑成分的改進，但缺少對刀具材料自潤滑性能(即刀具摩擦系數(shù))的改善的研宄，而摩擦系數(shù)的大小對刀具在切削過程中的機械磨損起著重要作用。本發(fā)明創(chuàng)造性地在結(jié)合劑中加入一種具有極低摩擦系數(shù)的材料，AlMgB14，在保證刀具具有高的硬度和耐磨性的同時可以降低在切削過程中，尤其是高速干切削高性能鑄鐵過程中的摩擦系數(shù)，減少了刀具磨損，延長了刀具壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對上述不足，本發(fā)明提供了一種自潤滑聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具及其制備方法，通過在PCBN結(jié)合劑中添加一定量的AlMgB14,來降低摩擦系數(shù)，來制備適宜于高速干切削性鑄鐵的刀具。
[0009]一種自潤滑聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，由立方氮化硼單晶及結(jié)合劑制備而成。所述立方氮化硼單晶為平均粒度為0.5-40 μπι的立方氮化硼單晶，占總質(zhì)量百分比為80%~85%，所述結(jié)合劑占總質(zhì)量百分比為15%~20%。
[0010]所述結(jié)合劑包括TiN、A1N、TiC及AlMgB14,所述TiN、A1N、TiC平均粒度均為0.5-10 μ m，所占結(jié)合劑總質(zhì)量百分比分別為60%~70%，5%~10%，5%~10%。
[0011]所述AlMgB14平均粒度為0.5-10 μ m，占結(jié)合劑總質(zhì)量百分比為15%~30%。
[0012]如上所述的刀具，其制備方法為:1)按照所述比例稱取各組分，裝入球磨罐中，在滾筒球磨機上球磨24小時使其混合均勻，制備混合粉料；2)將步驟I)所得混合粉料裝入模具進行冷壓，真空處理，將壓坯與葉臘石組裝成為組裝體；3)將步驟2)所得組裝體放入壓機中加壓至5-6GPa，溫度1450-1650°C，燒結(jié)20-40分鐘，制備胚料；4)將步驟3)所得坯料，經(jīng)過切割成片狀，經(jīng)磨削、拋光加工，可以制成各種角度的切削刀具。
[0013]通過調(diào)整所述刀具組分的含量，所述刀片適用于普通灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵的高速干切削加工。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明通過在常用的結(jié)合劑(氮化鈦、碳化鈦、氮化鋁)中加入AlMgB14，與立方氮化硼單晶一起燒結(jié)制備出一種適合于高速干式切削高性能鑄鐵材料的自潤滑聚晶立方氮化硼刀具。所述刀具既可以保證硬度、韌性，又降低了刀具與鑄鐵的摩擦系數(shù)，延長了刀具的壽命，是一種自潤型刀具。
【具體實施方式】
[0015]下面通過具體的實施例對本發(fā)明進行詳細說明，但這些例舉性實施方式的用途和目的僅用來例舉本發(fā)明，并非對本發(fā)明的實際保護范圍構(gòu)成任何形式的任何限定，更非將本發(fā)明的保護范圍局限于此。
[0016]實施例1
一種自潤滑聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，由占總質(zhì)量百分比為80%，平均粒度為0.5-40 μ m的立方氮化硼單晶和占總質(zhì)量百分比20%結(jié)合劑制備，所述結(jié)合劑分別為平均粒度為0.5-10 μ m的TiN, AlN、TiC,和平均粒度為0.5-10 μ m的AlMgB14,所述結(jié)合劑各組分其占結(jié)合劑總質(zhì)量百分比分別為70%，10%、5%和15%。
[0017]如上所述的一種自潤滑聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，其制備方法為:1)按照所述比例稱取各組分，裝入球磨罐中，在滾筒球磨機上球磨24小時使其混合均勻，制備混合粉料；2)將步驟I)所得混合粉料裝入模具進行冷壓，真空處理，將壓坯與葉臘石組裝成為組裝體；3)將步驟2)所得組裝體放入壓機中加壓至5-6GPa，溫度1450-1650°C，燒結(jié)20-40分鐘，制備胚料；4)將步驟3)所得坯料，經(jīng)過切割成片狀，經(jīng)磨削、拋光加工，可以制成各種角度的切削刀具。
[0018]如上所述的一種自潤滑聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，其應(yīng)用為普通灰鑄鐵以及球墨鑄鐵的高速干切削加工。
[0019]實施例2
一種自潤滑聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，由占總質(zhì)量百分比為85%，平均粒度為0.5-20 μπι和20-40 μπι的兩種立方氮化硼單晶和占總質(zhì)量百分比15%結(jié)合劑制備，所述平均粒度為0.5-20 μπι立方氮化硼單晶占立方氮化硼單晶總質(zhì)量的60%，所述平均粒度20-40 μ m立方氮化硼單晶占立方氮化硼單晶總質(zhì)量的40%，所述結(jié)合劑分別為平均粒度為0.5-10 μ m的TiN, AlN、TiC,和平均粒度為0.5-10 μ m的AlMgB14,所述結(jié)合劑各組分其占結(jié)合劑總質(zhì)量百分比分別為60%，5%、5%和30%。
[0020]具體制備方法同實施例1。
[0021]如上所述的一種自潤滑聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，其應(yīng)用為蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵的高速干切削加工。
[0022]小結(jié)
實施例1中所述刀具與鑄鐵的摩擦系數(shù)為0.12，相比于普通CBN刀具的0.23和硬質(zhì)合金的0.52分別降低了 48%和77%，形成了高速干切削加工高性能鑄鐵過程中的自潤滑效應(yīng)；刀具硬度達到42 GPa,適合于一些較低硬度的球墨鑄鐵和普通灰鑄鐵，在線速度為300m/min的條件下切削這類鑄鐵材料時，刀具壽命比傳統(tǒng)陶瓷刀具提高20-30%，比硬質(zhì)合金刀具提高70-80%。
[0023]實施例2中所述刀具結(jié)合劑中的AlMgB14的含量增加至30%，摩擦系數(shù)低至0.06，硬度達到55GPa，適合切削高強度和高耐磨性的球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵以及可鍛鑄鐵，線速度為300m/min時刀具使用壽命是普通刀具的1.5倍。
[0024]綜上所述本發(fā)明所述的一種自潤滑聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，通過在常用的結(jié)合劑(氮化鈦、碳化鈦、氮化鋁)中加入AlMgB14，與立方氮化硼單晶一起燒結(jié)制備出一種適合于高速干式切削高性能鑄鐵材料的自潤滑聚晶立方氮化硼刀具。所述刀具既可以保證硬度、韌性，又降低了刀具與鑄鐵的摩擦系數(shù)，延長了刀具的壽命，是一種自潤型刀具。
【主權(quán)項】
1.一種自潤滑聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，其特征在于:由立方氮化硼單晶及結(jié)合劑制備而成，其特征在于:所述結(jié)合劑中包括TiN、AlN、TiC及AlMgB14。
2.如權(quán)利要求1所述的一種刀具，其特征在于:所述立方氮化硼單晶為平均粒度為0.5-40 μm的立方氮化硼單晶，占總質(zhì)量百分比為80。/『85%，所述結(jié)合劑占總質(zhì)量百分比為15%~20%。
3.如權(quán)利要求1所述的一種刀具，其特征在于:所述結(jié)合劑中TiN、AlN、TiC所述TiN、A1N、TiC平均粒度均為0.5-10 μ m，所占結(jié)合劑總質(zhì)量百分比分別為60%~70%，5%~10%，5~10%，所述AlMgB14平均粒度為0.5-10 μ m，占結(jié)合劑總質(zhì)量百分比為15%~30%。
4.如權(quán)利要求1-3所述的一種刀具，其制備方法為:I)按照所述比例稱取各組分，裝入球磨罐中，在滾筒球磨機上球磨24小時使其混合均勻，制備混合粉料；2)將步驟I)所得混合粉料裝入模具進行冷壓，真空處理，將壓坯與葉臘石組裝成為組裝體；3)將步驟2)所得組裝體放入壓機中加壓至5-6GPa，溫度1450-1650°C，燒結(jié)20-40分鐘，制備胚料；4)將步驟3)所得坯料，經(jīng)過切割加工成片狀，經(jīng)磨削、拋光加工，可以制成各種角度的切削刀具。
5.如權(quán)利要求1所述的刀具，其應(yīng)用為普通灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵的高速干切削加工。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種自潤滑聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具及其制備方法，以立方氮化硼微粉為主，除了碳化鈦、氮化鋁、氮化鈦等結(jié)合劑之外，還在結(jié)合劑中添加了一定量的鋁鎂硼（AlMgB14）。所述刀具既可以保證硬度、韌性，又降低了刀具與鑄鐵材料的摩擦系數(shù)，延長了刀具的壽命。
【IPC分類】C04B35-622, C04B35-5835, C04B35-5831, C04B35-63
【公開號】CN104591742
【申請?zhí)枴緾N201410843779
【發(fā)明人】張鳳林, 李盼來, 王成勇, 黃惠平, 伍尚華
【申請人】廣東工業(yè)大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2014年12月31日