PcBN复合片及其制备方法
阅读：1036发布：2020-10-18
专利汇可以提供PcBN复合片及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种PcBN复合片及其制备方法。该PcBN复合片包括cBN材料层以及 覆盖 于cBN材料层上的至少一层耐 热层 ，且形成各层耐热层的材料包括陶瓷材料和/或 金属陶瓷 材料。上述耐热层能够具有较高的耐热性、抗 氧 化性、硬度和强度。将上述PcBN复合片与 合金 基体 焊接 并加工为刀具等产品，可设置刀具的 后刀面 由cBN构成，前刀面主要由耐热层构成。此时，刀具后刀面表现为cBN的高硬度和高 耐磨性 ；前刀面表现为陶瓷材料的耐热性。在不影响cBN使用性能的情况下，提高了耐热性，从而有效提高cBN刀具的使用寿命，提高加工效率，降低生产成本。，下面是PcBN复合片及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种PcBN复合片，其特征在于，包括cBN材料层(10)以及覆盖于所述cBN材料层(10)上的至少一层耐热层(20)，且形成各层所述耐热层(20)的材料包括陶瓷材料和/或金属陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的PcBN复合片，其特征在于，所述陶瓷材料包括TiN、TiC、TiCN、TiAlN、TiSiN、Al2O3、TiCrAlN、Si3N4和ZrO中的任一种或多种。
3.根据权利要求1所述的PcBN复合片，其特征在于，所述金属陶瓷材料包括氧化物基金属陶瓷、碳化物基金属陶瓷、氮化物基金属陶瓷、硼化物基金属陶瓷和硅化物基金属陶瓷中的任一种或多种。
4.根据权利要求1所述的PcBN复合片，其特征在于，单层所述耐热层(20)或多层所述耐热层(20)中与所述cBN材料层(10)接触的一层所述耐热层(20)包括过渡耐热层(210)和耐热材料层(220)，所述过渡耐热层(210)由所述cBN材料层(10)中的cBN与所述耐热层(20)中的陶瓷材料和/或金属陶瓷材料相互渗透并反应形成，所述耐热材料层(220)设置在所述过渡耐热层(210)的远离所述cBN材料层(10)一侧的表面。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的PcBN复合片，其特征在于，形成所述cBN材料层(10)的材料包括cBN粉末和结合剂，优选所述结合剂包括陶瓷结合剂和/或金属结合剂。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的PcBN复合片，其特征在于，所述耐热层(20)的厚度为0.1～0.5mm。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的PcBN复合片，其特征在于，所述PcBN复合片还包括设置于所述cBN材料层(10)的远离所述耐热层(20)一侧的合金层。
8.一种PcBN复合片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将至少一层耐热坯体设置于cBN坯体上并烧结，得到cBN材料层(10)以及至少一层耐热层(20)，各层所述耐热坯体包括陶瓷材料和/或金属陶瓷材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括形成所述cBN坯体的步骤，形成所述cBN坯体的步骤包括以下过程：
将包括cBN粉末和结合剂的第一原料混合并压制，以得到所述cBN坯体，优选所述结合剂包括陶瓷结合剂和/或金属结合剂，优选所述第一原料中所述结合剂的质量百分含量为5～60％。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括形成所述耐热坯体的步骤，形成所述耐热坯体的步骤包括以下过程：
将包括所述陶瓷材料和/或所述金属陶瓷材料的第二原料混合并压制，以得到所述耐热坯体，优选所述陶瓷材料包括TiN、TiC、TiCN、TiAlN、TiSiN、Al2O3、TiCrAlN、Si3N4和ZrO中的任一种或多种，优选所述金属陶瓷材料包括氧化物基金属陶瓷、碳化物基金属陶瓷、氮化物基金属陶瓷、硼化物基金属陶瓷和硅化物基金属陶瓷中的任一种或多种。
11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，对所述耐热坯体和所述cBN坯体烧结进行加压烧结，优选所述加压烧结的温度为1200～1700℃，优选所述加压烧结的压力为5～
7GPa。
PcBN复合片及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及材料制备领域，具体而言，涉及一种PcBN复合片及其制备方法。
背景技术
[0002] 聚晶立方氮化硼(PcBN)是上世纪由美国GE公司首先研制成功，是继人造金刚石之后制造成功的一种新型人造超硬材料。立方氮化硼(cBN)与金刚石晶体结构相似，具有高硬度、高导热性、低热膨胀系数等特点，在淬火钢、铸铁、粉末冶金等材料的加工中有着广泛的应用。聚晶立方氮化硼分为整体片和带硬质合金基体的复合片两种形式，其中，PcBN整体片是由cBN颗粒和结合剂在高温高压下烧结而成的；PcBN复合片是由cBN颗粒、结合剂和硬质合金基体在高温高压下烧结而成的。
[0003] cBN由于具有高硬度和高耐磨损性等特点，其在刀具中有着广泛的应用。在切削过程中，刀具后刀面主要受到物理磨损，而前刀面主要受到热磨损的作用。然而，由于cBN耐热性较低，导致在加工过程中cBN材料表面极易受到氧化磨损，从而导致加工刀具等加工产品寿命降低、成本增高。
发明内容
[0004] 本发明的主要目的在于提供一种PcBN复合片及其制备方法，以解决现有技术中cBN材料表面易受到氧化磨损而导致的加工产品寿命降低、成本增高的问题。
[0006] 进一步地，陶瓷材料包括TiN、TiC、TiCN、TiAlN、TiSiN、Al2O3、TiCrAlN、Si3N4和ZrO中的任一种或多种。
[0008] 进一步地，单层耐热层或多层耐热层中与cBN材料层接触的一层耐热层包括过渡耐热层和耐热材料层，过渡耐热层由cBN材料层中的cBN与耐热层中的陶瓷材料和/或金属陶瓷材料相互渗透并反应形成，耐热材料层设置在过渡耐热层的远离cBN材料层一侧的表面。
[0009] 进一步地，形成cBN材料层的材料包括cBN粉末和结合剂，优选结合剂包括陶瓷结合剂和/或金属结合剂。
[0010] 进一步地，耐热层的厚度为0.1～0.5mm。
[0011] 进一步地，PcBN复合片还包括设置于cBN材料层的远离耐热层一侧的合金层。
[0012] 根据本发明的另一方面，提供了一种PcBN复合片的制备方法，包括以下步骤：将至少一层耐热坯体设置于cBN坯体上并烧结，得到cBN材料层以及至少一层耐热层，各层耐热坯体包括陶瓷材料和/或金属陶瓷材料。
[0013] 进一步地，制备方法还包括形成cBN坯体的步骤，形成cBN坯体的步骤包括以下过程：将包括cBN粉末和结合剂的第一原料混合并压制，以得到cBN坯体，优选结合剂包括陶瓷结合剂和/或金属结合剂，优选第一原料中结合剂的质量百分含量为5～60％。
[0014] 进一步地，制备方法还包括形成耐热坯体的步骤，形成耐热坯体的步骤包括以下过程：将包括陶瓷材料和/或金属陶瓷材料的第二原料混合并压制，以得到耐热坯体，优选陶瓷材料包括TiN、TiC、TiCN、TiAlN、TiSiN、Al2O3、TiCrAlN、Si3N4和ZrO中的任一种或多种，优选金属陶瓷材料包括氧化物基金属陶瓷、碳化物基金属陶瓷、氮化物基金属陶瓷、硼化物基金属陶瓷和硅化物基金属陶瓷中的任一种或多种。
[0016] 应用本发明的技术方案，提供了一种PcBN复合片，由于该PcBN复合片包括cBN材料层以及覆盖于cBN材料层上的至少一层耐热层，且形成各层耐热层的材料包括陶瓷材料和/或金属陶瓷材料，从而使上述耐热层能够具有较高的耐热性、抗氧化性、硬度和强度。将上述PcBN复合片与合金基体焊接并加工为刀具等产品，可设置刀具的后刀面由cBN构成，前刀面主要由耐热层构成。此时，刀具后刀面表现为cBN的高硬度和高耐磨性；前刀面表现为陶瓷材料的耐热性。在不影响cBN使用性能的情况下，提高了耐热性，从而有效提高cBN刀具的使用寿命，提高加工效率，降低生产成本。附图说明
[0018] 图1示出了本发明所提供的一种PcBN复合片的结构示意图。
[0019] 其中，上述附图包括以下附图标记：
[0020] 10、cBN材料层；20、耐热层；210、过渡耐热层；220、耐热材料层。
具体实施方式
[0021] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0022] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0023] 需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0024] 正如背景技术中所介绍的，现有技术中由于cBN耐热性较低，导致在加工过程中cBN材料表面极易受到氧化磨损，从而导致加工刀具等加工产品寿命降低、成本增高。本申请的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种PcBN复合片，如图1所示，包括cBN材料层10以及覆盖于cBN材料层10上的至少一层耐热层20，且形成各层耐热层20的材料包括陶瓷材料和/或金属陶瓷材料。
[0025] 在本发明的上述PcBN复合片中由于形成各层耐热层的材料包括陶瓷材料和/或金属陶瓷材料，从而使上述耐热层能够具有较高的耐热性、抗氧化性、硬度和强度。将上述PcBN复合片与合金基体焊接并加工为刀具等产品，可设置刀具的后刀面由cBN构成，前刀面主要由耐热层构成。此时，刀具后刀面表现为cBN的高硬度和高耐磨性；前刀面表现为陶瓷材料的耐热性。在不影响cBN使用性能的情况下，提高了耐热性，从而有效提高cBN刀具的使用寿命，提高加工效率，降低生产成本。
[0026] 在本发明的上述PcBN复合片中，为了提高耐热层20的耐热性，优选地，上述陶瓷材料包括TiN、TiC、TiCN、TiAlN、TiSiN、Al2O3、TiCrAlN、Si3N4和ZrO中的任一种或多种，但不局限于上述优选的种类，本领域技术人员可以根据现有技术对上述陶瓷材料的种类进行合理选取；并且，优选地，上述金属陶瓷材料包括氧化物基金属陶瓷、碳化物基金属陶瓷、氮化物基金属陶瓷、硼化物基金属陶瓷和硅化物基金属陶瓷中的任一种或多种。上述耐热层20可以为覆盖于cBN材料层10一侧的多层结构，此时，各层耐热层20可以选择不同的陶瓷材料和/或金属陶瓷材料。
[0027] 在本发明的上述PcBN复合片中，形成cBN材料层10的材料可以包括cBN粉末和结合剂，具体地，通过将cBN粉末和结合剂等原料混合并压制形成上述cBN材料层10。优选地，上述结合剂包括陶瓷结合剂和/或金属结合剂。本领域技术人员可以根据实际需求选择陶瓷结合剂与金属结合剂中的任一种或两种结合剂结合使用，当选择单一结合剂时，由于金属结合剂韧性好强度高，从而使加工过程中不容易出现崩刀现象；而采用陶瓷结合剂则能够解决金属结合剂高温下软化和耐磨性变差的缺点；当同时选择两种结合剂时，通过两种结合剂互补，不仅能够提高抗冲击性、韧性及强度，避免出现崩刀现象，还能够避免高温软化，具有优异的耐磨性。更为优选地，cBN含量较高(80％以上)时会采用金属结合剂，而cBN含量较低时采用陶瓷结合剂。本领域技术人员可以根据陶瓷材料和/或金属陶瓷材料的具体种类对上述陶瓷结合剂和/或金属结合剂的种类进行合理选取。
[0028] 在本发明的上述PcBN复合片中，优选地，上述单层的耐热层20或多层耐热层20中与cBN材料层10接触的那一层耐热层20包括过渡耐热层210和耐热材料层220，且该过渡耐热层210由上述cBN材料层10中的cBN与上述耐热层20中的陶瓷材料和/或金属陶瓷材料相互渗透并反应形成，耐热材料层220设置在该过渡耐热层210的远离cBN材料层10一侧的表面，如图1所示。上述过渡耐热层210是通过将耐热坯体与cBN坯体加压烧结，在加压烧结过程中耐热坯体中靠近cBN坯体的部分材料(主要为陶瓷材料和/或金属陶瓷材料)与cBN坯体中靠近耐热坯体的部分材料(主要为cBN，还可以包括结合剂)反应扩散，从而形成的即具有陶瓷材料和/或金属陶瓷材料，又具有cBN材料的复合层，通过形成上述过渡耐热层210能够使cBN材料层10与耐热层20之间的结合更为牢固。
[0029] 在本发明的上述PcBN复合片中，优选地，耐热层20的厚度为0.1～0.5mm。通过将耐热层20的厚度限定在上述优选的参数范围内不仅能够保证PcBN复合片具有优异的耐热性，还能够保证由PcBN复合片加工得到的刀具等产品操作轻便。
[0030] 在本发明的上述PcBN复合片中，PcBN复合片还可以包括设置于cBN材料层10的远离耐热层20一侧的合金层。在cBN材料层上面加至少一层耐热层的同时，在cBN材料层下面再加一层合金层，以构成合金-cBN-陶瓷结构复合片，进一步提高了PcBN复合片的强度。
[0031] 根据本发明的另一方面，还提供了一种PcBN复合片的制备方法，包括以下步骤：将至少一层耐热坯体设置于cBN坯体上并烧结，得到cBN材料层10以及至少一层耐热层20，各层耐热坯体包括陶瓷材料和/或金属陶瓷材料。上述得到的PcBN复合片如图1所示。
[0032] 在上述制备方法中，由于采用包括陶瓷材料和/或金属陶瓷材料的原料形成耐热层，从而使上述耐热层能够具有较高的耐热性、抗氧化性、硬度和强度。将上述PcBN复合片与合金基体焊接并加工为刀具等产品，可设置刀具的后刀面由cBN构成，前刀面主要由耐热层构成。此时，刀具后刀面表现为cBN的高硬度和高耐磨性；前刀面表现为陶瓷材料的耐热性。在不影响cBN使用性能的情况下，提高了耐热性，从而有效提高cBN刀具的使用寿命，提高加工效率，降低生产成本。
[0033] 上述制备方法还可以包括形成cBN坯体的步骤，此时，在一种优选的实施方式中。形成上述cBN坯体的步骤包括以下过程：将包括cBN粉末和结合剂的第一原料混合并压制，以得到cBN坯体。本领域技术人员可以根据现有技术对上述压制形成cBN坯体的工艺条件进行合理设定，在此不再赘述。
[0034] 在上述优选的实施方式中，优选地，上述结合剂包括陶瓷结合剂和/或金属结合剂。本领域技术人员可以根据实际需求选择陶瓷结合剂与金属结合剂中的任一种或两种结合剂结合使用，当选择单一结合剂时，由于金属结合剂韧性好强度高，从而使加工过程中不容易出现崩刀现象；而采用陶瓷结合剂则能够解决金属结合剂高温下软化和耐磨性变差的缺点；当同时选择两种结合剂时，通过两种结合剂互补，不仅能够提高抗冲击性、韧性及强度，避免出现崩刀现象，还能够避免高温软化，具有优异的耐磨性。更为优选地，上述第一原料中结合剂的质量百分含量为5～60％。本领域技术人员可以根据陶瓷材料和/或金属陶瓷材料的具体种类对上述陶瓷结合剂和/或金属结合剂的种类进行合理选取。
[0035] 上述制备方法还可以包括形成耐热坯体的步骤，此时，在一种优选的实施方式中，形成上述耐热坯体的步骤包括以下过程：将包括陶瓷材料和/或金属陶瓷材料的第二原料混合并压制，以得到耐热坯体。本领域技术人员可以根据现有技术对上述压制形成耐热坯体的工艺条件进行合理设定，在此不再赘述。
[0036] 在上述优选的实施方式中，为了提高耐热层20的耐热性，优选地，上述陶瓷材料包括TiN、TiC、TiCN、TiAlN、TiSiN、Al2O3、TiCrAlN、Si3N4和ZrO中的任一种或多种，但不局限于上述优选的种类，本领域技术人员可以根据现有技术对上述陶瓷材料的种类进行合理选取；并且，优选地，上述金属陶瓷材料包括氧化物基金属陶瓷、碳化物基金属陶瓷、氮化物基金属陶瓷、硼化物基金属陶瓷和硅化物基金属陶瓷中的任一种或多种。
[0037] 在一种优选的实施方式中，对耐热坯体和cBN坯体烧结进行加压烧结，以形成包括过渡耐热层210和耐热材料层220的耐热层20，如图1所示，此时上述过渡耐热层210还包括cBN材料。通过将耐热坯体与cBN坯体加压烧结，在加压烧结过程中耐热坯体中靠近cBN坯体的部分材料(主要为陶瓷材料和/或金属陶瓷材料)与cBN坯体中靠近耐热坯体的部分材料(主要为cBN，还可以包括结合剂)反应扩散，从而形成的即具有陶瓷材料和/或金属陶瓷材料，又具有cBN材料的过渡耐热层210，通过形成上述过渡耐热层210能够使cBN材料层10与耐热层20之间的结合更为牢固。
[0038] 在上述优选的实施方式中，为了进一步提高cBN材料层10与耐热层20之间的结合力，优选加压烧结的温度为1200～1700℃；并且，优选加压烧结的压力为5～7GPa。
[0039] 下面将结合实施例及对比例进一步说明本发明提供的PcBN复合片及其制备方法。
[0040] 实施例1
[0041] 本实施例提供的PcBN复合片的制备方法包括：
[0042] 将包括单一粒度的cBN粉末和Co基结合剂的第一原料混合并压制，第一原料中结合剂的质量百分含量为5％，以得到cBN坯体；
[0043] 将包括TiN陶瓷的第二原料混合并压制，以得到耐热坯体；
[0044] 将一层耐热坯体设置于cBN坯体上并加压烧结，以得到cBN材料层以及耐热层。
[0045] 实施例2
[0046] 本实施例与实施例1的区别在于：
[0047] 将包括cBN粉末和Co基金属结合剂的第一原料混合并压制，第一原料中结合剂的质量百分含量为10％，以得到cBN坯体。
[0048] 实施例3
[0049] 本实施例与实施例1的区别在于：
[0050] 将包括单一粒度的cBN粉末和Co基金属结合剂的第一原料混合并压制，第一原料中结合剂的质量百分含量为15％，以得到cBN坯体。
[0051] 实施例4
[0052] 本实施例与实施例1的区别在于：
[0053] 将粒度为1um、2um、4um的CBN颗粒和Co基金属结合剂的第一原料混合均匀并压制，第一原料中结合剂的质量百分含量为5％，以得到cBN坯体。
[0054] 实施例5
[0055] 本实施例提供的PcBN复合片的制备方法包括：
[0056] 将包括cBN粉末和TiN基结合剂的第一原料混合并压制，第一原料中结合剂的质量百分含量为40％，以得到cBN坯体。
[0057] 将包括TiAlN基金属陶瓷的第二原料混合并压制，以得到耐热坯体；
[0058] 将一层耐热坯体设置于cBN坯体上并加压烧结，以得到cBN材料层以及耐热层。
[0059] 实施例6
[0060] 本实施例与实施例5的区别在于：
[0061] 将包括cBN粉末和TiN基结合剂的第一原料混合并压制，第一原料中结合剂的质量百分含量为50％，以得到cBN坯体。
[0062] 实施例7
[0063] 本实施例与实施例5的区别在于：
[0064] 将包括cBN粉末和TiN基结合剂的第一原料混合并压制，第一原料中结合剂的质量百分含量为60％，以得到cBN坯体。
[0065] 实施例8
[0066] 本实施例与实施例5的区别在于：
[0067] 将粒度为1um、2um、4um的CBN颗粒和TiN基结合剂的第一原料混合均匀并压制，第一原料中结合剂的质量百分含量为40％，以得到cBN坯体。
[0068] 实施例9
[0069] 本实施例提供的PcBN复合片的制备方法包括：
[0070] 将粒度为1um、2um、4um的CBN颗粒和Co基结合剂的第一原料混合均匀并压制，第一原料中结合剂的质量百分含量为5％，以得到cBN坯体；
[0071] 将包括Al2O3的原料压制，以得到第一耐热坯体；
[0072] 将包括TiC基金属陶瓷的原料压制，以得到第二耐热坯体；
[0073] 将第一耐热坯体设置于cBN坯体上，将第二耐热坯体设置于第一耐热坯体上，并进行加压烧结，以得到cBN材料层以及耐热层。
[0074] 对比例1
[0075] 本对比例提供的PcBN整体片的制备方法包括：
[0076] 将包括cBN粉末和TiN结合剂的第一原料混合并压制，第一原料中结合剂的质量百分含量为40％，以得到PcBN整体片。
[0077] 对上述实施例1至9中PcBN复合片以及对比例1中PcBN整体片的硬度和耐热性进行测试，测试结果如下表所示。
[0078] 硬度HV 耐热性℃
实施例1 3.7-3.9 700
实施例2 3.7-3.9 700
实施例3 3.5-3.7 700
实施例4 4.1-4.3 700
实施例5 2.7-2.9 850
实施例6 2.6-2.8 850
实施例7 2.5-2.7 850
实施例8 2.7-3.0 850
实施例9 4.1-4.3 1100
对比例1 2.7-3.0 650
实施例1 3.7-3.9 700
实施例2 3.7-3.9 700
实施例3 3.5-3.7 700
实施例4 4.1-4.3 700
实施例5 2.7-2.9 850
实施例6 2.6-2.8 850
实施例7 2.5-2.7 850
实施例8 2.7-3.0 850
实施例9 4.1-4.3 1100
对比例1 2.7-3.0 650
[0079] 从上述测试结果可以看出，相比于对比例1中制备得到的PcBN整体片，本申请实施例1至7中的制备得到的PcBN复合片不仅能够具有优异的耐磨性，还能够具有优异的耐热性。
[0080] 从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
[0081] 由于该PcBN复合片包括cBN材料层以及覆盖于cBN材料层上的至少一层耐热层，且形成各层耐热层的材料包括陶瓷材料和/或金属陶瓷材料，从而使上述耐热层能够具有较高的耐热性、抗氧化性、硬度和强度。将上述PcBN复合片与合金基体焊接并加工为刀具等产品，可设置刀具的后刀面由cBN构成，前刀面主要由耐热层构成。此时，刀具后刀面表现为cBN的高硬度和高耐磨性；前刀面表现为陶瓷材料的耐热性。在不影响cBN使用性能的情况下，提高了耐热性，从而有效提高cBN刀具的使用寿命，提高加工效率，降低生产成本。
[0082] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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