鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料及其制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種鑄鐵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，金屬粉1?15份，所述立方氮化硼微粉由1?2μm、0.5?1μm和0?0.5μm三種粒徑的微粉中的至少兩種組成。本發明采用0?0.5μm為主的納米級CBN微粉作為主要原料、輔以最大粒徑不大于2μm的細顆粒立方氮化硼微粉和金屬粉，并通過超高壓高溫制備的聚晶立方氮化硼刀具材料因其立方氮化硼含量高、粒度細等特點，具有導熱系數高、抗沖擊性好、耐磨性高、零件加工表面光潔度好等優點，大部分切削熱通過刀具傳遞給切屑并由切屑帶走，非常適合鑄鐵類零件的精密加工。
【專利說明】
鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明涉及鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料的制備技術領域，具體涉及 一種超細粒度聚晶立方氮化硼刀具材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 立方氮化硼是一種硬度僅次于金剛石的超硬材料，其晶型與金剛石結構類似，屬 于穩定的立方體結構，化學穩定性好，抗氧化能力強，具有良好的紅硬性，在高溫下能夠保 持很高的力學性能和硬度，即使在1300攝氏度的高溫下也不與鐵族元素反應，非常適合加 工黑色金屬材料。聚晶立方氮化硼是采用立方氮化硼單晶微粉與粘結劑混合后經高溫高壓 燒結而成的復合材料，具有導熱性好、硬度高、耐磨、熱穩定性和化學惰性高、摩擦系數低等 優點，在現代加工過程中應用越來越廣泛。
[0003] 在汽車行業中，灰鑄鐵、球墨鑄鐵、合金鑄鐵類零件占據主要地位，如發動機的機 體、氣缸蓋、缸套、曲軸、凸輪軸等零件、汽車底盤中的變速箱箱體、剎車盤等零件均是采用 上述材料制造的。隨著汽車行業的快速發展，高速高效切削、綠色切削等先進切削加工理念 不斷深入，特別是隨著數控加工技術的迅猛發展和數控機床的普遍應用以及對零件加工精 度和表面光潔度要求的提高，高效率、高穩定性、長壽命的超硬刀具日益受到重視和關注。 立方氮化硼刀具(PCBN刀具）以其高硬度、高耐磨性、良好的導熱性和低摩擦系數等優點，已 成為現代切削加工中不可缺少的工具，尤其是在汽車工業領域數控自動加工行業中的應 用。
[0004] PCBN刀具的性能與CBN微粉的粒度有關，目前，PCBN刀具所用的CBN微粉的粒度向 粗、細兩極化發展。在同樣含量CBN條件下，CBN微粉粒度越粗，聚晶立方氮化硼刀具抗機械 磨損的能力越強，但工件表面光潔度不好，適合工件的粗加工;CBN微粉粒度越細，聚晶立方 氮化硼刀具的耐磨性越好，抗壓強度越高，工件表面光潔度越好，適合工件的精加工，但粒 度越細，混料與燒結越困難。
[0005] 隨著越來越多的廠家要求"以車代磨、以銑代磨"，以及汽車性能對零部件加工精 度要求的提高，迫切需要研制適合精密加工的超硬刀具。

【發明內容】

[0006] 本發明所要解決的技術問題是針對上述技術背景中所述的市場需求而提供一種 鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料及制備方法。
[0007] 實現本發明的技術方案是：一種鑄鐵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，金屬粉1-15份，所述立方氮 化硼微粉由1-2μηι、0.5-1μηι和0-0.5μηι三種粒徑的微粉中的至少兩種組成。
[0008] 所述金屬粉為Α1粉、Co粉、Ti粉、Cu粉、Ζη粉中的至少兩種，所述金屬粉的粒度不大 于 5μηι〇
[0009] 所述的鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料的制備方法，包括以下步驟： (1) 將立方氮化硼微粉、金屬粉進行物理真空處理，去除原料中的水、氧和其它雜質； (2) 將步驟（1)中處理后的立方氮化硼微粉和金屬粉進行高能球磨，混合均勻，得到聚 晶立方氮化硼刀具材料的原料； (3) 將步驟(2)得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料壓制成塊體，塊體放入石墨模具 內，石墨模具兩端用黏結劑粘結石墨片封裝成內合成體，之后放入300°C的真空爐中干燥 4h； (4) 將步驟(3)中干燥后的內合成體裝入葉臘石塊中，再依次裝入金屬鈦片和導電鋼 圈，裝配成合成塊后放入150 °C的烘箱中干燥，干燥時間2h，再通過超高壓高溫燒結，制成聚 晶立方氮化硼刀具材料。
[0010] 所述步驟(2)中高能球磨的技術參數為:球磨機速度480r/min，正/反轉時間周期5 分鐘，球磨時間8-15h。
[0011] 所述步驟(4)中超高壓高溫燒結的具體條件為利用六面頂壓機設備進行合成，合 成壓力5.5-6.5GPa，合成溫度1450-1650 °C，合成時間6-20min。
[0012] 本發明的有益效果是:本發明采用0-0.5μπι為主的納米級CBN微粉作為主要原料、 輔以最大粒徑不大于2μπι的細顆粒立方氮化硼微粉和金屬粉，并通過超高壓高溫制備的聚 晶立方氮化硼刀具材料因其立方氮化硼含量高、粒度細等特點，具有導熱系數高、抗沖擊性 好、耐磨性高、零件加工表面光潔度好等優點，大部分切削熱通過刀具傳遞給切肩并由切肩 帶走，非常適合鑄鐵類零件的精密加工。
【附圖說明】
[0013]圖1為內合成體示意圖。
[0014] 圖2為合成塊示意圖。
【具體實施方式】
[0015] 下面將用具體的實施例來說明本發明中涉及的用于鑄鐵件精加工用聚晶立方氮 化硼刀具材料及制備方法，但本發明的范圍并不限于這些實施例。
[0016] 實施例1 一種鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料及其制備方法，包括以下步驟： (1) 將立方氮化硼微粉、金屬粉放入真空爐中進行物理真空處理，去除其中的水分、氧 和其它雜質； (2) 將步驟（1)中處理過的立方氮化硼微粉根據需要分別取不同粒度的微粉按重量份 混合制成立方氮化硼混合料，將步驟（1)中處理過的金屬粉根據需要取不同的種類按重量 份混合制成金屬粉混合料，然后將立方氮化硼混合料與金屬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，立方氮化硼和金屬粉具體組分及配比參見表1。
[0017] 表1 PCBN刀具材料的組分配比
(3) 將步驟(2)中處理后的立方氮化硼微粉和金屬粉放入行星式球磨機中進行高能球 磨，混合均勾，得到聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，球磨機速度480r/min，正/反轉時間周 期5分鐘，球磨時間8h; (4) 利用四柱壓機將步驟(3)得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料壓制成不同形狀 的塊體，塊體放入相應形狀的石墨模具內，石墨模具兩端用黏結劑粘結石墨片封裝成內合 成體（內合成體如圖1所示，其中1和3是石墨片，2為石墨模具，4為刀具原料），之后放入300 °(：的真空爐中干燥4h; (5) 將步驟(4)中干燥后的內合成體裝入葉臘石塊中，再依次裝入金屬鈦片和導電鋼 圈，裝配成合成塊后放入150 °C的烘箱中干燥2h(合成塊如圖2所示，其中5和8為導電鋼圈，6 和9為導電鋼圈填充物，7和10為鈦片，11為葉臘石塊，12和13為內合成體），再通過超高壓高 溫燒結，超高壓高溫燒結的工藝參數是:合成壓力5.5GPa，合成溫度1650°C，合成時間6min， 制成聚晶立方氮化硼刀具材料。
[0018] 實施例1制備的聚晶立方氮化硼刀具材料，由于Co和A1的熔點低于合成溫度，在超 高壓高溫燒結過程中熔化并擴散到顆粒間隙中形成致密的燒結體，改善了刀具材料的韌 性，減少對沖擊的敏感性能，而且立方氮化硼微粉的最大粒徑為2ym、Ti粉的粒徑為Ιμπι，經 高能球磨后粒度更細。因此，這種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、耐磨性和抗沖擊韌性好、耐高溫等優點，在選擇合理的切削參數條件下、適合表面 粗糙度要求為Ra 0.8-1.6μπι、切削深度不大于0.2mm的鑄鐵類零件的中度斷續車削精加工 或切削深度不大于0.1mm、鑄鐵類零件的重度斷續車削精加工。
[0019] 實施例2 本實施例的鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料及制備方法如下： (1) 將立方氮化硼微粉、金屬粉放入真空爐中進行物理真空處理，去除其中的水、氧和 其它雜質； (2) 將步驟（1)中處理過的立方氮化硼微粉根據需要分別取不同粒度的微粉按重量份 混合制成立方氮化硼混合料，將步驟（1)中處理過的金屬粉根據需要取不同的種類按重量 份混合制成金屬粉混合料，然后將立方氮化硼混合料與金屬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，立方氮化硼和金屬粉具體組分及配比參見表2; 表2 PCBN刀具材料的組分配比
(3) 將步驟(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機中進行高 能球磨，球磨機速度480r/min，正/反轉時間周期5分鐘，球磨時間12h，混合均勾； (4) 利用四柱壓機將步驟(3)混合均勻的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料根據需要壓 制成不同形狀的塊體毛坯，然后放入相應形狀的石墨模具內，石墨模具兩端用黏結劑粘結 石墨片封裝成內合成體，然后放入300 °C的真空爐中干燥4h; (5) 將步驟(4)封裝干燥后的內合成體裝入葉臘石塊中，每個葉臘石塊中裝入兩個內合 成體，再依次裝入金屬鈦片和導電鋼圈，裝配成合成塊，然后放入150°C的烘箱中烘烤2h備 用； (6) 將步驟(5)烘烤后的合成塊利用六面頂壓機進行超高壓高溫燒結，制成聚晶立方氮 化硼刀具材料;合成工藝參數為:合成壓力6GPa，合成溫度1650°C，合成時間8min。
[0020] 實施例2制備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 其平均粒徑，為了改善其燒結性能、提高刀具材料的韌性和強度，采用了細粒度的Co粉和A1 粉作為結合劑，另外，沒有采用導熱系數偏低的Ti粉，因此，這種聚晶立方氮化硼刀具材料 的耐磨性更高，高溫特性好，導熱系數大，在選擇合理的切削參數條件下，適合表面粗糙度 要求Ra 0.4-0.8μπι左右、切削深度不大于0.05mm的鑄鐵類零件的中度斷續車削精加工或切 削深度不大于0.1mm的輕微斷續車削精加工。
[0021] 實施例3 本實施例的鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料及制備方法如下： (1) 將立方氮化硼微粉、金屬粉放入真空爐中進行物理真空處理，去除其中的水分、氧 和其它雜質； (2) 將步驟（1)中處理過的立方氮化硼微粉根據需要分別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，將步驟（1)中處理過的金屬粉根據需要取不同的 種類按重量份混合制成金屬粉混合料，然后將立方氮化硼混合料與金屬粉混合料按重量份 混合制成聚晶立方氮化硼刀具材料的原料;立方氮化硼及金屬粉具體組分及配比參見表3; 表3 PCBN刀具材料的組分配比
(3) 將步驟(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機中進行高 能球磨，球磨機速度480r/min，正/反轉時間周期5分鐘，球磨時間15h，混合均勾； (4) 利用四柱壓機將步驟(3)混合均勻的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料根據需要壓 制成不同形狀的塊體毛坯，然后放入相應形狀的石墨模具內，石墨模具兩端用黏結劑粘結 石墨片封裝成內合成體，然后放入300 °C的真空爐中干燥4h; (5) 將步驟(4)封裝干燥后的內合成體裝入葉臘石塊中，每個葉臘石塊中裝入兩個內合 成體，再依次裝入金屬鈦片和導電鋼圈，裝配成合成塊，然后放入150°C的烘箱中烘烤2h備 用； (6) 將步驟(5)烘烤后的合成塊利用六面頂壓機進行超高壓高溫燒結，制成聚晶立方氮 化硼刀具材料;合成工藝參數為:合成壓力6.5GPa，合成溫度1550°C，合成時間12min。
[0022] 本實施例制備的聚晶立方氮化硼刀具材料，立方氮化硼含量高，且粒度在Ιμπι以 下，存在燒結困難的情況，因此，通過結合劑的篩選實驗，選擇Cu、Zn、Ti金屬粉作為結合劑， 利用銅鋅提高刀具的強度和沖擊韌性;利用鈦鋅細化晶粒、提高刀具材料的抗蠕變性能和 再結晶溫度，防止高溫時晶粒粗大。
[0023] 采用此方法制備的聚晶立方氮化硼刀具材料適用于鑄鐵類零件的輕微斷續精密 加工，采用適當的加工參數、加工表面粗糙度可達到Ra 0.4μπι左右。
[0024] 實施例4 本實施例的鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料及制備方法如下： (1) 將立方氮化硼微粉、金屬粉放入真空爐中進行物理真空處理，去除其中的水分、氧 和其它雜質； (2) 將步驟（1)中處理過的立方氮化硼微粉根據需要分別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，將步驟（1)中處理過的金屬粉根據需要取不同的 種類按重量份混合制成金屬粉混合料，然后將立方氮化硼混合料與金屬粉混合料按重量份 混合制成聚晶立方氮化硼刀具材料的原料;立方氮化硼及金屬粉具體組分及配比參見表4; 表4 PCBN刀具材料的組分配比
(3) 將步驟(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機中進行高 能球磨，球磨機速度480r/min，正/反轉時間周期5分鐘，球磨時間15h，混合均勾； (4) 利用四柱壓機將步驟(3)混合均勻的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料根據需要壓 制成不同形狀的塊體毛坯，然后放入石墨模具內，石墨模具兩端用黏結劑粘結石墨片封裝 成內合成體，然后放入300 °C的真空爐中干燥4h; (5) 將步驟(4)封裝干燥后的內合成體裝入葉臘石塊中，每個葉臘石塊中裝入兩個內合 成體，再依次裝入金屬鈦片和導電鋼圈，裝配成合成塊，然后放入150°C的烘箱中烘烤2h備 用； (6) 將步驟(5)烘烤后的合成塊利用六面頂壓機進行超高壓高溫燒結，制成聚晶立方氮 化硼刀具材料。合成工藝參數為:合成壓力6.5GPa，合成溫度1450°C，合成時間20min。
[0025] 本實施例制備的聚晶立方氮化硼刀具材料，立方氮化硼粉體含量高達99%，且粒度 在lym以下的納米級，存在燒結困難的情況，因此，提高合成壓力和合成時間，并經過大量結 合劑的篩選實驗后選擇Cu和Zn金屬粉作為結合劑，利用銅鋅合金實現聚晶立方氮化硼刀具 材料的增韌目標。
[0026] 采用此方法制備的聚晶立方氮化硼刀具材料適用于鑄鐵類零件的連續精密加工， 采用適當的加工參數、加工表面粗糙度可達到Ra 0.4μπι以下。
[0027] 實施例5 一種鑄鐵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組分制成:粒徑 為1-2μπι立方氮化硼微粉9份，粒徑為0.5-1μπι立方氮化硼微粉27份，粒徑為0-0.5μπι立方氮 化硼微粉54份，Α1粉5份，Cu粉5份。
[0028] 根據上述原料，按照以下方法制備鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料： (1) 將粒徑為1-2μηι、0.5-ΙμπκΟ-0.5μηι的立方氮化硼微粉、A1粉、Cu粉進行物理真空處 理，去除原料中的水、氧和其它雜質； (2) 將步驟(1)中處理后的立方氮化硼微粉和A1粉、Cu粉進行高能球磨，混合均勻，球磨 機速度480 r/min，正/反轉時間周期5分鐘，球磨時間8h，混合均勻，得到聚晶立方氮化硼刀 具材料的原料； (3) 將步驟(2)得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料壓制成塊體，塊體放入石墨模具 內，石墨模具兩端用黏結劑粘結石墨片封裝成內合成體，之后放入300°C的真空爐中干燥 4h； (4) 將步驟(3)中干燥后的內合成體裝入葉臘石塊中，再依次裝入金屬鈦片和導電鋼 圈，裝配成合成塊后放入150°C的烘箱中干燥2h，再通過壓力5.5GPa、溫度為1650°C的六面 頂壓機合成6min制成聚晶立方氮化硼刀具材料。
[0029] 實施例6 一種鑄鐵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組分制成:粒徑 為0.5-1μπι立方氮化硼微粉34份，粒徑為0-0.5μπι立方氮化硼微粉51份，Zn粉5份，Ti粉5份， Cu粉5份。
[0030] 根據上述原料，按照以下方法制備鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料： (1) 將粒徑為0-0.5μηι、0.5-1μηι的立方氮化硼微粉、Zn粉、Ti粉、Cu粉進行物理真空處 理，去除原料中的水、氧和其它雜質； (2) 將步驟（1)中處理后的立方氮化硼微粉和Zn粉、Ti粉、Cu粉進行高能球磨，混合均 勻，球磨機速度480r/min，正/反轉時間周期5分鐘，球磨時間12h，混合均勻，得到聚晶立方 氮化硼刀具材料的原料； (3) 將步驟(2)得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料壓制成塊體，塊體放入石墨模具 內，石墨模具兩端用黏結劑粘結石墨片封裝成內合成體，之后放入300°C的真空爐中干燥 4h； (4) 將步驟(3)中干燥后的內合成體裝入葉臘石塊中，再依次裝入金屬鈦片和導電鋼 圈，裝配成合成塊后放入150 °C的烘箱中干燥2h，再通過壓力6GPa、溫度為1550 °C的六面頂 壓機合成15min制成聚晶立方氮化硼刀具材料。
[0031] 實施例7 一種鑄鐵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組分制成:粒徑 為0.5-1μπι立方氮化硼微粉9份，粒徑為0-0.5μπι立方氮化硼微粉90份，Cu粉0.5份，Zn粉0.5 份。
[0032] 根據上述原料，按照以下方法制備鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料： (1) 將粒徑為0-0.5μηι、0.5-1μηι的立方氮化硼微粉、Cu粉、Zn粉進行物理真空處理，去除 原料中的水、氧和其它雜質； (2) 將步驟(1)中處理后的立方氮化硼微粉和Cu粉、Zn粉進行高能球磨，混合均勻，球磨 機速度480r/min，正/反轉時間周期5分鐘，球磨時間15h，混合均勻，得到聚晶立方氮化硼刀 具材料的原料； (3) 將步驟(2)得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料壓制成塊體，塊體放入石墨模具 內，石墨模具兩端用黏結劑粘結石墨片封裝成內合成體，之后放入300°C的真空爐中干燥 4h； (4) 將步驟(3)中干燥后的內合成體裝入葉臘石塊中，再依次裝入金屬鈦片和導電鋼 圈，裝配成合成塊后放入150°C的烘箱中干燥2h，再通過壓力6.5GPa、溫度為1650°C的六面 頂壓機合成20min制成聚晶立方氮化硼刀具材料。
[0033]以上實施例的說明，只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對 于本領域的普通技術人員而言，在本發明原理的前提下，還可以對本發明進行適當改進，這 些適當的改進也應在本發明權利要求的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種鑄鐵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，金屬粉1-15份，所述立方氮化硼微粉由1-2μ m、0.5-1μηι和〇-〇. 5μηι三種粒徑的微粉中的至少兩種組成。2. 根據權利要求1所述的鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料，其特征在于:所述 金屬粉為Al粉、Co粉、Ti粉、Cu粉、Zn粉中的至少兩種，所述金屬粉的粒度不大于5μπι。3. 如權利要求1所述的鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料的制備方法，其特征 在于，包括以下步驟： (1) 將立方氮化硼微粉、金屬粉進行物理真空處理，去除原料中的水、氧和其它雜質； (2) 將步驟（1)中處理后的立方氮化硼微粉和金屬粉進行高能球磨，混合均勻，得到聚 晶立方氮化硼刀具材料的原料； (3) 將步驟(2)得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料壓制成塊體，塊體放入石墨模具 內，石墨模具兩端用黏結劑粘結石墨片封裝成內合成體，之后放入300°C的真空爐中干燥 4h； (4) 將步驟（3)中干燥后的內合成體裝入葉臘石塊中，再依次裝入金屬鈦片和導電鋼 圈，裝配成合成塊后放入150 °C的烘箱中干燥，干燥時間2h，再通過超高壓高溫燒結，制成聚 晶立方氮化硼刀具材料。4. 根據權利要求3所述的鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料的制備方法，其特 征在于:所述步驟(2)中高能球磨的技術參數為:球磨機速度480r/min，正/反轉時間周期5 分鐘，球磨時間8-15h。5. 根據權利要求3所述的鑄鐵件精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料的制備方法，其特 征在于:所述步驟(4)中超高壓高溫燒結的具體條件為利用六面頂壓機設備進行合成，合成 壓力 5.5-6.56?&，合成溫度1450-1650°(：，合成時間6-201^11。
【文檔編號】C22C1/05GK105908046SQ201610477105
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月27日
【發明人】聶建軍, 李輝, 陳厚民, 鄢鴻楨, 姜春英, 吳笑偉
【申請人】中原工學院