一种聚晶立方氮化硼磨料及其制备方法.pdf

本发明公开了一种聚晶立方氮化硼磨料及其制备方法，该磨料由以下体积百分比的组分组成：立方氮化硼单晶70％～90％、结合剂10～30％；其中，所述结合剂由以下质量百分比的组分组成：陶瓷结合剂80％～95％、金属结合剂5％～20％。本发明的聚晶立方氮化硼磨料，具有微纳米级原始晶粒组成的细晶结构，具有微破碎性、自锐性和各向同性等优异性能，克服了单晶cBN磨料的钝化、解理和各向异性等缺陷；在磨削力和磨削热的综合作用下主动发生微破碎而形成新的锐利切削刃，降低磨削温度，提高加工质量；该磨料适用于各种高效高精的磨削加工，具有很好的社会价值和经济效益，易于推广应用。

1.  一种聚晶立方氮化硼磨料，其特征在于：由以下体积百分比的组分组成：立方氮 化硼单晶70％～90％、结合剂10～30％；其中，所述结合剂由以下质量百分比的组分组成： 陶瓷结合剂80％～95％、金属结合剂5％～20％。

2.  根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼磨料，其特征在于：所述陶瓷结合剂为碳 化钛、氮化钛、氮化硼中的任意一种或组合。

3.  根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼磨料，其特征在于：所述金属结合剂为Al、 Co中的任意一种或组合。

4.  根据权利要求1所述的聚晶立方氮化硼磨料，其特征在于：所述陶瓷结合剂的粒 度为0.1～10μm；所述金属结合剂的粒度为0.1～10μm。

5.  根据权利要求1-4中任一项所述的聚晶立方氮化硼磨料，其特征在于：所述立方氮 化硼单晶的粒度为0.05～20μm。

6.  根据权利要求5所述的聚晶立方氮化硼磨料，其特征在于：所述立方氮化硼单晶 为一种以上粒度复配；使用一种以上粒度的立方氮化硼单晶复配时，在选定一种粒度后， 其余粒度尺寸差按照颗粒级配在1.5～5倍范围内选择，粒度极值不超过0.05～20μm。

7.  一种如权利要求1所述的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，其特征在于：包括下 列步骤：
1)取立方氮化硼单晶和陶瓷结合剂、金属结合剂进行湿混，后干燥得混合料；
2)将步骤1)所得混合料装入模具中，冷压成型，得成型块；
3)将步骤2)所得成型块装入碳杯中，与传压介质组装成组装块；
4)将步骤3)所得组装块进行高温高压合成处理后，随炉冷却并脱模，粉碎，即得。

8.  根据权利要求7所述的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，其特征在于：步骤1)中， 所述湿混用液体为无水乙醇，湿混形式为研磨，湿混时间为1～3h。

9.  根据权利要求7所述的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，其特征在于：步骤2)中， 所述冷压成型的压力为80～150MPa。

10.  根据权利要求7所述的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，其特征在于：步骤4) 中，所述高温高压合成的压力为4～7GPa，温度为1200～1500℃，保温保压时间为5～ 15min。

一种聚晶立方氮化硼磨料及其制备方法
技术领域
本发明属于超硬材料技术领域，具体涉及一种聚晶立方氮化硼磨料，同时还涉及一种 聚晶立方氮化硼磨料的制备方法。
背景技术
立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，而其热稳定性和化学惰性却远远优于金刚石(王光 祖.立方氮化硼特性综述.超硬材料工程.2005,5(17):41-45)。因此近年来，随着像磨削中 心、超高速磨床等磨削系统的开发，立方氮化硼磨料在航空航天、汽车制造业以及轴承行 业等领域有着越来越广泛的应用(Yoshio Ichida,Ryunosuke Sato.Profile grinding of  superalloys with ultrafine-crystalline cBN wheels.JSME International Journal. 2006,49(1):94-99)。
然而传统单晶立方氮化硼磨料的缺点在磨削过程中逐渐暴漏出来，例如单晶立方氮化 硼存在易劈裂的解理面，脆性大，容易发生解理破损(M.Fujimoto,Y.Ichida.Micro fracture  behavior of cutting edges in grinding using single crystal cBN grains.Diamond&Related  Materials.2008,17:1759-1763)。这会导致在磨削过程中，当大多数磨粒因磨耗磨损而出现 平台后，磨粒与工件接触界面之间的滑擦作用必然强于耕犁、切削作用，这无疑降低了磨 粒的锋利度，导致过大的磨削力与过高的磨削温度，甚至产生磨削颤振或烧伤磨削件，降 低加工质量(Wen-Feng Ding,Jiu-Hua Xu.Wear behavior and mechanism of single-layer brazed  CBN abrasive wheels during creep-feed grinding cast nickel-based superalloy.Int J Adv Manuf  Technol.2010,51:541–550)。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚晶立方氮化硼磨料，解决现有单晶cBN磨料因自锐性差、 解理和各向异性等缺陷造成的磨削加工质量低的问题。
本发明的第二个目的是提供一种聚晶立方氮化硼磨料的制备方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种聚晶立方氮化硼磨料，由以下体积百分比的组分组成：立方氮化硼单晶70％～ 90％、结合剂10～30％；其中，所述结合剂由以下质量百分比的组分组成：陶瓷结合剂80％～ 95％、金属结合剂5％～20％。
所述陶瓷结合剂为碳化物、氮化物中的任意一种或两种。
所述陶瓷结合剂为碳化钛、氮化钛、氮化硼中的任意一种或组合。
所述金属结合剂为金属单质及其合金中的任意一种或组合。
所述金属结合剂为Al、Co中的任意一种或组合。
所述陶瓷结合剂的粒度为0.1～10μm；所述金属结合剂的粒度为0.1～10μm。
所述立方氮化硼单晶的粒度为0.05～20μm。
所述立方氮化硼单晶为一种以上粒度复配；使用一种以上粒度的立方氮化硼单晶复配 时，在选定一种粒度后，其余粒度尺寸差按照颗粒级配在1.5～5倍范围内选择，粒度极值 不超过0.05～20μm。
一种上述的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，包括下列步骤：
1)取立方氮化硼单晶和陶瓷结合剂、金属结合剂进行湿混，后干燥得混合料；
2)将步骤1)所得混合料装入模具中，冷压成型，得成型块；
3)将步骤2)所得成型块装入碳杯中，与传压介质组装成组装块；
4)将步骤3)所得组装块进行高温高压合成处理后，随炉冷却并脱模，粉碎，即得。
步骤1)中，所述湿混用液体为无水乙醇，湿混形式为研磨，湿混时间为1～3h。
所述研磨是先将立方氮化硼单晶与湿混用液体先研磨5～10min后，再加入结合剂进 行湿混。
步骤1)中所述干燥为真空高温干燥或真空冷冻干燥。
所述真空高温干燥的温度为60℃，真空度小于1×10⁴Pa，干燥时间为12h。
步骤2)中，所述冷压成型的压力为80～150MPa。
步骤4)中，所述高温高压合成的压力为4～7GPa，温度为1200～1500℃，保温保压 时间为5～15min。
本发明的聚晶立方氮化硼磨料，以陶瓷结合剂和金属结合剂复配作为结合剂，与立方 氮化硼单晶制成聚晶cBN磨料，该磨料具有微纳米级原始晶粒组成的细晶结构，具有微破 碎性、自锐性和各向同性等优异性能，克服了单晶cBN磨料的钝化、解理和各向异性等缺 陷；在磨削力和磨削热的综合作用下主动发生微破碎而形成新的锐利切削刃，降低磨削温 度，提高加工质量；该磨料具有较高的力学性能，平均断裂载荷为35～80N，平均抗拉强 度为1.5～3GPa；可以作为单晶cBN磨料的替代品，适用于各种高效高精的磨削加工，具 有很好的社会价值和经济效益，易于推广应用。
本发明的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，是将立方氮化硼单晶、陶瓷结合剂和金属 结合剂湿混后，经冷压成型、组装、高温高压合成处理，所得聚晶立方氮化硼磨料具有微 纳米级原始晶粒组成的细晶结构，具有微破碎性、自锐性和各向同性等优异性能，同时具 有较高的载荷和强度，适用范围广；该制备方法工艺简单，操作方便，成本低，易于自动 化控制，适合大规模工业化生产。
附图说明
图1为实施例1所得聚晶立方氮化硼磨料的结构示意图；
图2为实施例2所用立方氮化硼单晶的SEM图；
图3为与图2相对应的EDS能谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例的聚晶立方氮化硼磨料，由以下体积百分比的组分组成：立方氮化硼单晶 75％、结合剂25％；其中，所述结合剂由以下质量百分比的组分组成：氮化钛80％、金属 Al粉20％。所述立方氮化硼单晶的粒度为7～10μm。所述氮化钛的粒度为1～5μm；所述 金属Al粉的粒度为0.5～3μm。
本实施例的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，包括下列步骤：
1)取立方氮化硼单晶、无水乙醇在玛瑙研钵中研磨5min后，再加入氮化钛和金属 Al粉，继续研磨2h完成湿混后，置于真空干燥箱中，在真空度小于1×10⁴Pa、温度为60℃ 条件下干燥12h，得混合料；
2)将步骤1)所得混合料装入模具中，在液压机上冷压成型，冷压成型的压力为90MPa， 得成型块；
3)将步骤2)所得成型块装入碳杯中，并与传压介质组装成组装块；
4)将步骤3)所得组装块放入六面顶压机中，开动压机，给组装块施加4GPa的压力， 然后加热到1200℃，并保温保压5min进行烧结；烧结完成后卸除压力，随炉冷却并脱模， 将合成制品粉碎并分级，即得所述聚晶立方氮化硼磨料。
本实施例所得聚晶立方氮化硼磨料的结构如图1所示，磨料具有微纳米级原始晶粒组 成的细晶结构。
本实施例所得聚晶立方氮化硼磨料的平均断裂载荷为35N，平均抗拉强度为1.78GPa， 其标准偏差为0.96。
实施例2
本实施例的聚晶立方氮化硼磨料，由以下体积百分比的组分组成：立方氮化硼单晶 95％、结合剂5％；其中，所述结合剂由以下质量百分比的组分组成：氮化钛90％、金属 Al粉10％。所述立方氮化硼单晶的粒度为1～3μm。所述氮化钛的粒度为0.1～1μm；所述 金属Al粉的粒度为0.1～1μm。
本实施例所用立方氮化硼单晶的SEM图如图2所示，其相应的EDS能谱图如图3所 示。从图2可以看出所使用的立方氮化硼粉体表面光洁、尺寸均一，而且结晶度良好。从 图3的EDS能谱图中可以看出除了氮元素和硼元素能谱峰外，没有其他元素的能谱峰，这 说明立方氮化硼的纯度极高，没有杂质。
本实施例的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，包括下列步骤：
1)取立方氮化硼单晶、无水乙醇在玛瑙研钵中研磨5min后，再加入氮化硼和金属 Al粉，继续研磨1h完成湿混后，置于真空干燥箱中，在真空度小于1×10⁴Pa、温度为60℃ 条件下干燥12h，得混合料；
2)将步骤1)所得混合料装入模具中，在液压机上冷压成型，冷压成型的压力为 110MPa，得成型块；
3)将步骤2)所得成型块装入碳杯中，并与传压介质组装成组装块；
4)将步骤3)所得组装块放入六面顶压机中，开动压机，给组装块施加5GPa的压力， 然后加热到1300℃，并保温保压10min进行烧结；烧结完成后卸除压力，随炉冷却并脱模， 将合成制品粉碎并分级，即得所述聚晶立方氮化硼磨料。
本实施例所得聚晶立方氮化硼磨料的结构同实施例1。
本实施例所得聚晶立方氮化硼磨料的平均断裂载荷为46N，平均抗拉强度为2.34GPa， 其标准偏差为1.56。
实施例3
本实施例的聚晶立方氮化硼磨料，由以下体积百分比的组分组成：立方氮化硼单晶 90％、结合剂10％；其中，所述结合剂由以下质量百分比的组分组成：氮化钛40％、碳化 钛50％、金属Co粉10％。所述立方氮化硼单晶为两种粒度复配，其中一种粒度为0.2～5μm， 另一种为1.3～1.7μm，两种的体积比为7:2。所述氮化钛、碳化钛的粒度为0.5～2μm；所 述金属Co粉的粒度为0.1～1μm。
本实施例的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，包括下列步骤：
1)取立方氮化硼单晶、无水乙醇在玛瑙研钵中研磨5min后，再加入氮化钛、碳化钛 和金属Co粉，继续研磨2h完成湿混后，置于真空干燥箱中，在真空度小于1×10⁴Pa、温 度为60℃条件下干燥12h，得混合料；
2)将步骤1)所得混合料装入模具中，在液压机上冷压成型，冷压成型的压力为 140MPa，得成型块；
3)将步骤2)所得成型块装入碳杯中，并与传压介质组装成组装块；
4)将步骤3)所得组装块放入六面顶压机中，开动压机，给组装块施加6GPa的压力， 然后加热到1300℃，并保温保压5min进行烧结；烧结完成后卸除压力，随炉冷却并脱模， 将合成制品粉碎并分级，即得所述聚晶立方氮化硼磨料。
本实施例所得聚晶立方氮化硼磨料的结构同实施例1。
本实施例所得聚晶立方氮化硼磨料的平均断裂载荷为54N，平均抗拉强度为2.748GPa， 其标准偏差为1.68。
实施例4
本实施例的聚晶立方氮化硼磨料，由以下体积百分比的组分组成：立方氮化硼单晶 70％、结合剂30％；其中，所述结合剂由以下质量百分比的组分组成：碳化钛95％、金属 Co粉3％、金属Al粉2％。所述立方氮化硼单晶为两种粒度复配，其中一种粒度为1～4μm， 另一种为5～15μm，两种的体积比为5:2。所述氮化钛、碳化钛的粒度为5～10μm；所述 金属Co粉的粒度为5～10μm。
本实施例的聚晶立方氮化硼磨料的制备方法，包括下列步骤：
1)取立方氮化硼单晶、无水乙醇在玛瑙研钵中研磨10min后，再加入碳化钛和金属 Co粉、金属Al粉，继续研磨3h完成湿混后，置于真空干燥箱中，在真空度小于1×10⁴Pa、 温度为60℃条件下干燥12h，得混合料；
2)将步骤1)所得混合料装入模具中，在液压机上冷压成型，冷压成型的压力为80MPa， 得成型块；
3)将步骤2)所得成型块装入碳杯中，并与传压介质组装成组装块；
4)将步骤3)所得组装块放入六面顶压机中，开动压机，给组装块施加6GPa的压力， 然后加热到1500℃，并保温保压10min进行烧结；烧结完成后卸除压力，随炉冷却并脱模， 将合成制品粉碎并分级，即得所述聚晶立方氮化硼磨料。
本实施例所得聚晶立方氮化硼磨料的结构同实施例1。
本实施例所得聚晶立方氮化硼磨料的平均断裂载荷为38N，平均抗拉强度为1.98GPa， 其标准偏差为1.16。