一种低压烧结的聚晶立方氮化硼刀具及制备方法
技术领域
本发明涉及超硬切削工具技术领域，特别是涉及一种低压烧结的聚晶立方氮化硼刀具及制备方法。
背景技术
聚晶立方氮化硼（PcBN）具有高硬度、高耐磨性、高导热性、高化学稳定性和优良的抗冲击韧性等特性，受到了人们极大关注。作为一种超硬工具材料，PcBN在现代切削加工中得到越来越广泛的应用，能够较好地满足硬态切削、高速切削和干切削时的恶劣加工条件对刀具材料的要求，适用于自动化生产线以及数控加工设备的上应用，显著提高了生产效率。与金刚石刀具不同，立方氮化硼刀具具有更好的耐高温性，并且高温下对铁族金属元素表现出良好的化学稳定性，抗粘结能力强，适用于各种铁基材料（如工具钢、高速钢、轴承钢、粉末冶金钢、粉末冶炼金属、高强度钢等）、钴基和镍基材料的切削加工。
传统聚晶立方氮化硼刀具的制备方法为高温高压法（压力为3-8Gpa，温度为1300-1800℃）并且受到烧结腔体尺寸限制，很难制备出大尺寸的聚晶立方氮化硼。放电等离子烧结（SPS）工艺是近年来发展起来的一种快速烧结制备技术，它具有升温速度快、烧结时间短、冷却迅速、节能环保等特点，在超硬材料制备方面得到广泛应用。例如CN1817434A，以粘结剂和40~90%的cBN为原料，利用放电等离子烧结工艺，在较低压力和相对较低温度下制备聚晶立方氮化硼烧结体，该方法克服了传统方法存在的不足，不需要硬质合金的高压腔体的顶锤或模具，大大降低了工作压力和模具消耗，使产品尺寸和形状得到极大改善。
但是，目前利用放电等离子烧结工艺制备聚晶立方氮化硼刀具的方法还存在烧结温度高、cBN容易转成hBN等问题，导致使用放电等离子烧结工艺制备聚晶立方氮化硼致密度较小，限制了刀具的应用。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述不足，提供一种低压烧结的聚晶立方氮化硼刀具及制备方法，以cBN微粉、hBN微粉和四硼酸锂为原料，利用放电等离子烧结工艺，在较低压力和温度下制备出高致密度、高强度的聚晶立方氮化硼烧结体材料，并使用该烧结体材料加工出相应的刀具。为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种低压烧结的聚晶立方氮化硼刀具的制备方法，所述聚晶立方氮化硼刀具以cBN微粉、hBN微粉、四硼酸锂为原料，采用放电等离子烧结工艺，制备得到聚晶立方氮化硼烧结体；将聚晶立方氮化硼烧结体加工成聚晶立方氮化硼刀具。
优选的，所述聚晶立方氮化硼烧结体的制备方法，包括以下步骤：
(1)混料：将cBN微粉、hBN微粉和四硼酸锂研磨混合均匀后，装填到石墨模具中；
(2)热处理：将装填完毕后的石墨模具置于氮气气氛炉中，750℃热处理2~4h后，转移至150℃烘箱中干燥6~8h；
(3) 放电等离子烧结：干燥好的石墨模具置于放电等离子烧结腔中，抽真空至6Pa以下，以150℃/min的升温速率升至1000~1400℃，在 30~100MPa的压力条件下烧结，并保温5~20min；
(4)冷却：烧结结束后，石墨模具随炉冷却，卸压、脱模后得到高致密高强度的聚晶立方氮化硼烧结体。
优选的，所述cBN微粉、hBN微粉和四硼酸锂的组分如下：cBN微粉体积百分比含量为60~90%、hBN微粉体积百分比含量为10~30%、四硼酸锂体积百分比含量为0~10%。
优选的，所述cBN微粉是粒度为2~10μm的cBN微粉和粒度为30~100μm的cBN微粉的混合物；粒度为2~10μm的cBN微粉和粒度为30~100μm的cBN微粉的体积比为V2~10μm:V30~100μm=1:4。
优选的，所述hBN微粉的粒度为30~50μm。
本发明的作用原理：
本发明通过选用较为合适粒度的BN微粉，按照一定比例混合，可得到较为理想的堆积结构；较为合适的cBN粒度范围和750℃热处理都有助于防止cBN向hBN的转变；hBN良好的润滑性能，有助于烧结过程中cBN颗粒相互接触；这样经过SPS工艺烧结加工后，可得高致密度、高强度的聚晶立方氮化硼刀具，致密度为96~98%，其刀具的显微硬度高达36.5~51.5GPa。
本发明工艺简单，设备易得，可以在较低压力和温度下制备具有广泛的用途、高致密的聚晶立方氮化硼烧结体材料，该材料是用以加工聚晶立方氮化硼刀具的刀具材料。本发明制备的刀具材料具有两种BN相的独特性能，优于现有的陶瓷结合剂和金属结合剂的聚晶立方氮化硼刀具材料。hBN粘结剂赋予本发明的聚晶立方氮化硼（PcBN）自润滑性能。与金属结合剂的PcBN刀具材料相比，本发明的低压烧结聚晶立方氮化硼材料避免了磨削或抛光金属器件过程中，污染被加工金属器件，因此具有广泛的用途。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明工艺简单，制作方便，节能环保；采用放电等离子烧结工艺，可以低压制备聚晶立方氮化硼刀具材料；本发明制备的烧结聚晶立方氮化硼材料具有两种BN相的独特性能，优于现有的陶瓷结合剂和金属结合剂聚晶立方氮化硼刀具材料；使用本发明加工得到聚晶立方氮化硼刀具，其致密度为95~98%，其显微硬度为36.5~51.5GPa。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种低压烧结的聚晶立方氮化硼刀具的制备方法，包括以下步骤：
(1)混料：将cBN微粉、hBN微粉和四硼酸锂研磨混合均匀后，装填到石墨模具中；cBN微粉、hBN微粉、四硼酸锂体积百分比含量如下：cBN微粉70%、hBN微粉25%、四硼酸锂5%；cBN微粉为粒度2~4μm的cBN微粉和粒度为30~40μm的cBN微粉的混合物，其体积比为V2~4μm:V30~40μm=1:4；hBN微粉的粒度为40~50μm；
(2)热处理：将装填完毕后的石墨模具置于氮气气氛炉中，750℃热处理3h后，转移至150℃烘箱中干燥7h；
(3) 放电等离子烧结：干燥好的石墨模具置于放电等离子烧结腔中，抽真空至6Pa以下，以150℃/min的升温速率升至1050℃，压力为50MPa，在此条件下保温15min；
(4)冷却：烧结结束后，石墨模具随炉冷却，卸压、脱模后得到高致密高强度的聚晶立方氮化硼烧结体；
(5)加工刀具：将聚晶立方氮化硼烧结体加工，得到聚晶立方氮化硼刀具。
本实施例加工获得的聚晶立方氮化硼刀具经检测，该刀具的致密度达到96%，刀具的显微硬度为40±3.5GPa，抗弯强度为375±23MPa。
实施例2
一种低压烧结的聚晶立方氮化硼刀具的制备方法，包括以下步骤：
(1)混料：将cBN微粉、hBN微粉和四硼酸锂研磨混合均匀后，装填到石墨模具中；cBN微粉、hBN微粉、四硼酸锂体积百分比含量如下：cBN微粉75%、hBN微粉20%、四硼酸锂5%；cBN微粉，为粒度4~8μm的cBN微粉和粒度为40~50μm的cBN微粉的混合物，其体积比为V4~8μm:V40~50μm=1:4；hBN微粉的粒度为30~40μm；
(2)热处理：将装填完毕后的石墨模具置于氮气气氛炉中，750℃热处理3h后，转移至150℃烘箱中干燥7h；
(3) 放电等离子烧结：干燥好的石墨模具置于放电等离子烧结腔中，抽真空至6Pa以下，以150℃/min的升温速率升至1200℃，压力为80MPa，在此条件下保温10min；
(4)冷却：烧结结束后，石墨模具随炉冷却，卸压、脱模后得到高致密高强度的聚晶立方氮化硼烧结体；
(5)加工刀具：将聚晶立方氮化硼烧结体加工，得到聚晶立方氮化硼刀具。
本实施例加工获得的聚晶立方氮化硼刀具经检测，该刀具的致密度达到97%，刀具的显微硬度为43±2.5GPa，抗弯强度为390±18MPa。。
实施例3
一种低压烧结的聚晶立方氮化硼刀具的制备方法，包括以下步骤：
(1)混料：将cBN微粉、hBN微粉和四硼酸锂研磨混合均匀后，装填到石墨模具中；cBN微粉、hBN微粉、四硼酸锂体积百分比含量如下：cBN微粉78%、hBN微粉15%、四硼酸锂7%；cBN微粉为，粒度2~4μm的cBN微粉和粒度为30~40μm的cBN微粉的混合物，其体积比为V2~4μm:V30~40μm=1:4；hBN微粉的粒度为40~50μm；
(2)热处理：将装填完毕后的石墨模具置于氮气气氛炉中，750℃热处理3h后，转移至150℃烘箱中干燥7h；
(3) 放电等离子烧结：干燥好的石墨模具置于放电等离子烧结腔中，抽真空至6Pa以下，以150℃/min的升温速率升至1300℃，压力为100MPa，在此条件下保温10min；
(4)冷却：烧结结束后，石墨模具随炉冷却，卸压、脱模后得到高致密高强度的聚晶立方氮化硼烧结体；
(5)加工刀具：将聚晶立方氮化硼烧结体加工，得到聚晶立方氮化硼刀具。
本实施例加工获得的聚晶立方氮化硼刀具经检测，该刀具的致密度达到98%，刀具的显微硬度为47±4.5GPa，抗弯强度为430±25MPa。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
