CN105908046B - 铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料，所述刀具材料由以下重量份的材料制成：立方氮化硼微粉85‑99份，金属粉1‑15份，所述立方氮化硼微粉由1‑2µm、0.5‑1µm和0‑0.5µm三种粒径的微粉中的至少两种组成。本发明采用0‑0.5µm为主的纳米级CBN微粉作为主要原料、辅以最大粒径不大于2µm的细颗粒立方氮化硼微粉和金属粉，并通过超高压高温制备的聚晶立方氮化硼刀具材料因其立方氮化硼含量高、粒度细等特点，具有导热系数高、抗冲击性好、耐磨性高、零件加工表面光洁度好等优点，大部分切削热通过刀具传递给切屑并由切屑带走，非常适合铸铁类零件的精密加工。
Description
技术领域
本发明涉及铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料的制备技术领域，具体涉及一种超细粒度聚晶立方氮化硼刀具材料及其制备方法。
背景技术
立方氮化硼是一种硬度仅次于金刚石的超硬材料，其晶型与金刚石结构类似，属于稳定的立方体结构，化学稳定性好，抗氧化能力强，具有良好的红硬性，在高温下能够保持很高的力学性能和硬度，即使在1300摄氏度的高温下也不与铁族元素反应，非常适合加工黑色金属材料。聚晶立方氮化硼是采用立方氮化硼单晶微粉与粘结剂混合后经高温高压烧结而成的复合材料，具有导热性好、硬度高、耐磨、热稳定性和化学惰性高、摩擦系数低等优点，在现代加工过程中应用越来越广泛。
在汽车行业中，灰铸铁、球墨铸铁、合金铸铁类零件占据主要地位，如发动机的机体、气缸盖、缸套、曲轴、凸轮轴等零件、汽车底盘中的变速箱箱体、刹车盘等零件均是采用上述材料制造的。随着汽车行业的快速发展，高速高效切削、绿色切削等先进切削加工理念不断深入，特别是随着数控加工技术的迅猛发展和数控机床的普遍应用以及对零件加工精度和表面光洁度要求的提高，高效率、高稳定性、长寿命的超硬刀具日益受到重视和关注。立方氮化硼刀具（PCBN刀具）以其高硬度、高耐磨性、良好的导热性和低摩擦系数等优点，已成为现代切削加工中不可缺少的工具，尤其是在汽车工业领域数控自动加工行业中的应用。
PCBN刀具的性能与CBN微粉的粒度有关，目前，PCBN刀具所用的CBN微粉的粒度向粗、细两极化发展。在同样含量CBN条件下，CBN微粉粒度越粗，聚晶立方氮化硼刀具抗机械磨损的能力越强，但工件表面光洁度不好，适合工件的粗加工；CBN微粉粒度越细，聚晶立方氮化硼刀具的耐磨性越好，抗压强度越高，工件表面光洁度越好，适合工件的精加工，但粒度越细，混料与烧结越困难。
随着越来越多的厂家要求“以车代磨、以铣代磨”，以及汽车性能对零部件加工精度要求的提高，迫切需要研制适合精密加工的超硬刀具。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述技术背景中所述的市场需求而提供一种铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料及制备方法。
实现本发明的技术方案是：一种铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料，所述刀具材料由以下重量份的材料制成：立方氮化硼微粉85-99份，金属粉1-15份，所述立方氮化硼微粉由1-2µm、0.5-1µm和0-0.5µm三种粒径的微粉中的至少两种组成。
所述金属粉为Al粉、Co粉、Ti粉、Cu粉、Zn粉中的至少两种，所述金属粉的粒度不大于5µm。
所述的铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将立方氮化硼微粉、金属粉进行物理真空处理，去除原料中的水、氧和其它杂质；
（2）将步骤（1）中处理后的立方氮化硼微粉和金属粉进行高能球磨，混合均匀，得到聚晶立方氮化硼刀具材料的原料；
（3）将步骤（2）得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料压制成块体，块体放入石墨模具内，石墨模具两端用黏结剂粘结石墨片封装成内合成体，之后放入300℃的真空炉中干燥4h；
（4）将步骤（3）中干燥后的内合成体装入叶腊石块中，再依次装入金属钛片和导电钢圈，装配成合成块后放入150℃的烘箱中干燥，干燥时间2h，再通过超高压高温烧结，制成聚晶立方氮化硼刀具材料。
所述步骤（2）中高能球磨的技术参数为：球磨机速度480r/min，正/反转时间周期5分钟，球磨时间8-15h。
所述步骤（4）中超高压高温烧结的具体条件为利用六面顶压机设备进行合成，合成压力5.5-6.5GPa，合成温度1450-1650℃，合成时间6-20min。
本发明的有益效果是：本发明采用0-0.5µm为主的纳米级CBN微粉作为主要原料、辅以最大粒径不大于2µm的细颗粒立方氮化硼微粉和金属粉，并通过超高压高温制备的聚晶立方氮化硼刀具材料因其立方氮化硼含量高、粒度细等特点，具有导热系数高、抗冲击性好、耐磨性高、零件加工表面光洁度好等优点，大部分切削热通过刀具传递给切屑并由切屑带走，非常适合铸铁类零件的精密加工。
附图说明
图1为内合成体示意图。
图2为合成块示意图。
具体实施方式
下面将用具体的实施例来说明本发明中涉及的用于铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料及制备方法，但本发明的范围并不限于这些实施例。
实施例1
一种铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料及其制备方法，包括以下步骤：
（1）将立方氮化硼微粉、金属粉放入真空炉中进行物理真空处理，去除其中的水分、氧和其它杂质；
（2）将步骤（1）中处理过的立方氮化硼微粉根据需要分别取不同粒度的微粉按重量份混合制成立方氮化硼混合料，将步骤（1）中处理过的金属粉根据需要取不同的种类按重量份混合制成金属粉混合料，然后将立方氮化硼混合料与金属粉混合料按重量份混合制成聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，立方氮化硼和金属粉具体组分及配比参见表1。
表1 PCBN刀具材料的组分配比
（3）将步骤（2）中处理后的立方氮化硼微粉和金属粉放入行星式球磨机中进行高能球磨，混合均匀，得到聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，球磨机速度480r/min，正/反转时间周期5分钟，球磨时间8h；
（4）利用四柱压机将步骤（3）得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料压制成不同形状的块体，块体放入相应形状的石墨模具内，石墨模具两端用黏结剂粘结石墨片封装成内合成体（内合成体如图1所示，其中1和3是石墨片，2为石墨模具，4为刀具原料），之后放入300℃的真空炉中干燥4h；
（5）将步骤（4）中干燥后的内合成体装入叶腊石块中，再依次装入金属钛片和导电钢圈，装配成合成块后放入150℃的烘箱中干燥2h（合成块如图2所示，其中5和8为导电钢圈，6和9为导电钢圈填充物，7和10为钛片，11为叶腊石块，12和13为内合成体），再通过超高压高温烧结，超高压高温烧结的工艺参数是：合成压力5.5GPa，合成温度1650℃，合成时间6min，制成聚晶立方氮化硼刀具材料。
实施例1制备的聚晶立方氮化硼刀具材料，由于Co和Al的熔点低于合成温度，在超高压高温烧结过程中熔化并扩散到颗粒间隙中形成致密的烧结体，改善了刀具材料的韧性，减少对冲击的敏感性能，而且立方氮化硼微粉的最大粒径为2µm、Ti粉的粒径为1µm，经高能球磨后粒度更细。因此，这种高含量立方氮化硼微粉的聚晶立方氮化硼刀具材料具有硬度高、耐磨性和抗冲击韧性好、耐高温等优点，在选择合理的切削参数条件下、适合表面粗糙度要求为Ra 0.8-1.6µm、切削深度不大于0.2mm的铸铁类零件的中度断续车削精加工或切削深度不大于0.1mm、铸铁类零件的重度断续车削精加工。
实施例2
本实施例的铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料及制备方法如下：
（1）将立方氮化硼微粉、金属粉放入真空炉中进行物理真空处理，去除其中的水、氧和其它杂质；
（2）将步骤（1）中处理过的立方氮化硼微粉根据需要分别取不同粒度的微粉按重量份混合制成立方氮化硼混合料，将步骤（1）中处理过的金属粉根据需要取不同的种类按重量份混合制成金属粉混合料，然后将立方氮化硼混合料与金属粉混合料按重量份混合制成聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，立方氮化硼和金属粉具体组分及配比参见表2；
表2 PCBN刀具材料的组分配比
（3）将步骤（2）中制成的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料放入行星式球磨机中进行高能球磨，球磨机速度480r/min，正/反转时间周期5分钟，球磨时间12h，混合均匀；
（4）利用四柱压机将步骤（3）混合均匀的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料根据需要压制成不同形状的块体毛坯，然后放入相应形状的石墨模具内，石墨模具两端用黏结剂粘结石墨片封装成内合成体，然后放入300℃的真空炉中干燥4h；
（5）将步骤（4）封装干燥后的内合成体装入叶腊石块中，每个叶腊石块中装入两个内合成体，再依次装入金属钛片和导电钢圈，装配成合成块，然后放入150℃的烘箱中烘烤2h备用；
（6）将步骤（5）烘烤后的合成块利用六面顶压机进行超高压高温烧结，制成聚晶立方氮化硼刀具材料；合成工艺参数为：合成压力6GPa，合成温度1650℃，合成时间8min。
实施例2制备的聚晶立方氮化硼刀具材料，增加了立方氮化硼微粉的含量、降低了其平均粒径，为了改善其烧结性能、提高刀具材料的韧性和强度，采用了细粒度的Co粉和Al粉作为结合剂，另外，没有采用导热系数偏低的Ti粉，因此，这种聚晶立方氮化硼刀具材料的耐磨性更高，高温特性好，导热系数大，在选择合理的切削参数条件下，适合表面粗糙度要求Ra 0.4-0.8µm左右、切削深度不大于0.05mm的铸铁类零件的中度断续车削精加工或切削深度不大于0.1mm的轻微断续车削精加工。
实施例3
本实施例的铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料及制备方法如下：
（1）将立方氮化硼微粉、金属粉放入真空炉中进行物理真空处理，去除其中的水分、氧和其它杂质；
（2）将步骤（1）中处理过的立方氮化硼微粉根据需要分别取不同粒度的立方氮化硼微粉按重量份混合制成立方氮化硼混合料，将步骤（1）中处理过的金属粉根据需要取不同的种类按重量份混合制成金属粉混合料，然后将立方氮化硼混合料与金属粉混合料按重量份混合制成聚晶立方氮化硼刀具材料的原料；立方氮化硼及金属粉具体组分及配比参见表3；
表3 PCBN刀具材料的组分配比
（3）将步骤（2）中制成的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料放入行星式球磨机中进行高能球磨，球磨机速度480r/min，正/反转时间周期5分钟，球磨时间15h，混合均匀；
（4）利用四柱压机将步骤（3）混合均匀的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料根据需要压制成不同形状的块体毛坯，然后放入相应形状的石墨模具内，石墨模具两端用黏结剂粘结石墨片封装成内合成体，然后放入300℃的真空炉中干燥4h；
（5）将步骤（4）封装干燥后的内合成体装入叶腊石块中，每个叶腊石块中装入两个内合成体，再依次装入金属钛片和导电钢圈，装配成合成块，然后放入150℃的烘箱中烘烤2h备用；
（6）将步骤（5）烘烤后的合成块利用六面顶压机进行超高压高温烧结，制成聚晶立方氮化硼刀具材料；合成工艺参数为：合成压力6.5GPa，合成温度1550℃，合成时间12min。
本实施例制备的聚晶立方氮化硼刀具材料，立方氮化硼含量高，且粒度在1µm以下，存在烧结困难的情况，因此，通过结合剂的筛选实验，选择Cu、Zn、Ti金属粉作为结合剂，利用铜锌提高刀具的强度和冲击韧性；利用钛锌细化晶粒、提高刀具材料的抗蠕变性能和再结晶温度，防止高温时晶粒粗大。
采用此方法制备的聚晶立方氮化硼刀具材料适用于铸铁类零件的轻微断续精密加工，采用适当的加工参数、加工表面粗糙度可达到Ra 0.4µm左右。
实施例4
本实施例的铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料及制备方法如下：
（1）将立方氮化硼微粉、金属粉放入真空炉中进行物理真空处理，去除其中的水分、氧和其它杂质；
（2）将步骤（1）中处理过的立方氮化硼微粉根据需要分别取不同粒度的立方氮化硼微粉按重量份混合制成立方氮化硼混合料，将步骤（1）中处理过的金属粉根据需要取不同的种类按重量份混合制成金属粉混合料，然后将立方氮化硼混合料与金属粉混合料按重量份混合制成聚晶立方氮化硼刀具材料的原料；立方氮化硼及金属粉具体组分及配比参见表4；
表4 PCBN刀具材料的组分配比
（3）将步骤（2）中制成的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料放入行星式球磨机中进行高能球磨，球磨机速度480r/min，正/反转时间周期5分钟，球磨时间15h，混合均匀；
（4）利用四柱压机将步骤（3）混合均匀的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料根据需要压制成不同形状的块体毛坯，然后放入石墨模具内，石墨模具两端用黏结剂粘结石墨片封装成内合成体，然后放入300℃的真空炉中干燥4h；
（5）将步骤（4）封装干燥后的内合成体装入叶腊石块中，每个叶腊石块中装入两个内合成体，再依次装入金属钛片和导电钢圈，装配成合成块，然后放入150℃的烘箱中烘烤2h备用；
（6）将步骤（5）烘烤后的合成块利用六面顶压机进行超高压高温烧结，制成聚晶立方氮化硼刀具材料。合成工艺参数为：合成压力6.5GPa，合成温度1450℃，合成时间20min。
本实施例制备的聚晶立方氮化硼刀具材料，立方氮化硼粉体含量高达99%，且粒度在1µm以下的纳米级，存在烧结困难的情况，因此，提高合成压力和合成时间，并经过大量结合剂的筛选实验后选择Cu和Zn金属粉作为结合剂，利用铜锌合金实现聚晶立方氮化硼刀具材料的增韧目标。
采用此方法制备的聚晶立方氮化硼刀具材料适用于铸铁类零件的连续精密加工，采用适当的加工参数、加工表面粗糙度可达到Ra 0.4µm以下。
实施例5
一种铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料，它是由以下重量份的组分制成：粒径为1-2µm立方氮化硼微粉9份，粒径为0.5-1µm立方氮化硼微粉27份，粒径为0-0.5µm立方氮化硼微粉54份，Al粉5份，Cu粉5份。
根据上述原料，按照以下方法制备铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料：
（1）将粒径为1-2µm、0.5-1µm、0-0.5µm的立方氮化硼微粉、Al粉、Cu粉进行物理真空处理，去除原料中的水、氧和其它杂质；
（2）将步骤（1）中处理后的立方氮化硼微粉和Al粉、Cu粉进行高能球磨，混合均匀，球磨机速度480 r/min，正/反转时间周期5分钟，球磨时间8h，混合均匀，得到聚晶立方氮化硼刀具材料的原料；
（3）将步骤（2）得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料压制成块体，块体放入石墨模具内，石墨模具两端用黏结剂粘结石墨片封装成内合成体，之后放入300℃的真空炉中干燥4h；
（4）将步骤（3）中干燥后的内合成体装入叶腊石块中，再依次装入金属钛片和导电钢圈，装配成合成块后放入150℃的烘箱中干燥2h，再通过压力5.5GPa、温度为1650℃的六面顶压机合成6min制成聚晶立方氮化硼刀具材料。
实施例6
一种铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料，它是由以下重量份的组分制成：粒径为0.5-1µm立方氮化硼微粉34份，粒径为0-0.5µm立方氮化硼微粉51份，Zn粉5份，Ti粉5份，Cu粉5份。
根据上述原料，按照以下方法制备铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料：
（1）将粒径为0-0.5µm、0.5-1µm的立方氮化硼微粉、Zn粉、Ti粉、Cu粉进行物理真空处理，去除原料中的水、氧和其它杂质；
（2）将步骤（1）中处理后的立方氮化硼微粉和Zn粉、Ti粉、Cu粉进行高能球磨，混合均匀，球磨机速度480r/min，正/反转时间周期5分钟，球磨时间12h，混合均匀，得到聚晶立方氮化硼刀具材料的原料；
（3）将步骤（2）得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料压制成块体，块体放入石墨模具内，石墨模具两端用黏结剂粘结石墨片封装成内合成体，之后放入300℃的真空炉中干燥4h；
（4）将步骤（3）中干燥后的内合成体装入叶腊石块中，再依次装入金属钛片和导电钢圈，装配成合成块后放入150℃的烘箱中干燥2h，再通过压力6GPa、温度为1550℃的六面顶压机合成15min制成聚晶立方氮化硼刀具材料。
实施例7
一种铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料，它是由以下重量份的组分制成：粒径为0.5-1µm立方氮化硼微粉9份，粒径为0-0.5µm立方氮化硼微粉90份，Cu粉0.5份，Zn粉0.5份。
根据上述原料，按照以下方法制备铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料：
（1）将粒径为0-0.5µm、0.5-1µm的立方氮化硼微粉、Cu粉、Zn粉进行物理真空处理，去除原料中的水、氧和其它杂质；
（2）将步骤（1）中处理后的立方氮化硼微粉和Cu粉、Zn粉进行高能球磨，混合均匀，球磨机速度480r/min，正/反转时间周期5分钟，球磨时间15h，混合均匀，得到聚晶立方氮化硼刀具材料的原料；
（3）将步骤（2）得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料压制成块体，块体放入石墨模具内，石墨模具两端用黏结剂粘结石墨片封装成内合成体，之后放入300℃的真空炉中干燥4h；
（4）将步骤（3）中干燥后的内合成体装入叶腊石块中，再依次装入金属钛片和导电钢圈，装配成合成块后放入150℃的烘箱中干燥2h，再通过压力6.5GPa、温度为1650℃的六面顶压机合成20min制成聚晶立方氮化硼刀具材料。
以上实施例的说明，只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在本发明原理的前提下，还可以对本发明进行适当改进，这些适当的改进也应在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (3)
1.一种铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料，其特征在于：所述刀具材料由以下重量份的材料制成：立方氮化硼微粉85-99份，金属粉1-15份，所述立方氮化硼微粉由1-2µm、0.5-1µm和0-0.5µm三种粒径的微粉中的至少两种组成；所述金属粉为Cu粉和Zn粉，所述金属粉的粒度不大于5µm；包括以下步骤：
（1）将立方氮化硼微粉、金属粉进行物理真空处理，去除原料中的水、氧和其它杂质；
（2）将步骤（1）中处理后的立方氮化硼微粉和金属粉进行高能球磨，混合均匀，得到聚晶立方氮化硼刀具材料的原料；
（3）将步骤（2）得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料压制成块体，块体放入石墨模具内，石墨模具两端用黏结剂粘结石墨片封装成内合成体，之后放入300℃的真空炉中干燥4h；
（4）将步骤（3）中干燥后的内合成体装入叶腊石块中，再依次装入金属钛片和导电钢圈，装配成合成块后放入150℃的烘箱中干燥，干燥时间2h，再通过超高压高温烧结，制成聚晶立方氮化硼刀具材料。
2.根据权利要求1所述的铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料，其特征在于：所述步骤（2）中高能球磨的技术参数为：球磨机速度480r/min，正/反转时间周期5分钟，球磨时间8-15h。
3.根据权利要求1所述的铸铁件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料，其特征在于：所述步骤（4）中超高压高温烧结的具体条件为利用六面顶压机设备进行合成，合成压力5.5-6.5GPa，合成温度1450-1650℃，合成时间6-20min。
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