[发明专利]一种钛硅碳结合立方氮化硼超硬复合材料

说明书

技术领域

本发明属于聚晶立方氮化硼技术领域，具体涉及一种钛硅碳结合立方氮化硼超硬复合材料。

背景技术

聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride, 简称PCBN)，是指以许多微细的立方氮化硼微粉和适量的粘结剂为原料，在高压高温条件下，烧结而成的聚结体。聚晶立方氮化硼的晶粒呈无序排列，从而使聚晶立方氮化硼各向同性，不存在解理面，克服了单晶解理面的存在而导致的脆性。

粘结剂在合成聚晶立方氮化硼的过程中起着重要作用，加入适量的粘结剂可以降低烧结温度和压力，并改善烧结体的性能。在选择粘结剂的时候一般要遵从以下3点：1)线膨胀系数尽可能与立方氮化硼接近，以降低温差应力；2)粘结剂与氮或硼元素应有强烈的化学亲和性，从而可以提高粘结强度；3)聚晶立方氮化硼用于加工不同的金属材料（如耐磨铸铁与淬硬钢）时，粘结剂的含量对切削效果影响很大；因此制造粘结剂含量高的聚晶立方氮化硼时，粘结剂应具有较高的硬度与韧性。

PCBN粘结剂大致可以归结为金属粘结剂和陶瓷粘结剂两大类。用金属作粘结剂的PCBN通常强度高，韧性好，导电导热性优于用陶瓷作粘结剂的PCBN，但金属通常在700~800°C的温度下就会软化。高温时金属的软化效应会导致聚晶立方氮化硼的耐磨性下降。金属和立方氮化硼的线膨胀系数相差较大，高温时会导致聚晶立方氮化硼结构的变化，从而使其实用性下降。陶瓷的熔点相对较高，高温时不会产生软化效应，用陶瓷作粘结剂的PCBN具有较高的耐高温磨损和较强的抗化学磨损性能，但陶瓷在高温时导热性差，易使切削温度集中在被加工材料上并使之软化，因此仅适合于淬硬钢的切削加工。

发明内容

本发明提供一种钛硅碳结合立方氮化硼超硬复合材料。

本发明采用以下技术方案：

一种钛硅碳结合立方氮化硼超硬复合材料，采用以下步骤制成：将立方氮化硼微粉与钛硅碳粉按1~4:1的质量比配料，混匀后以200~300MPa的压力冷压成型，在50~80℃下烘干，烘干后加压到4.5~5.5GPa，加压同时升温至1200~1400℃，保压保温15~60min，冷却卸压制得钛硅碳结合立方氮化硼超硬复合材料。

所述钛硅碳粉的粒径为20-80微米。每个钛硅碳粉颗粒通常由若干晶粒组成，每个晶粒的大小为1-3微米，在制备本发明材料的高温高压过程中，颗粒被破坏，颗粒中的每个晶粒长大到3-5微米。

所述立方氮化硼微粉的粒径为5-40微米。每个立方氮化硼微粉颗粒通常由一个晶粒组成，在制备本发明材料的高温高压过程中，立方氮化硼的晶粒尺寸基本不变。

钛硅碳材料综合了金属和陶瓷的诸多优点，像陶瓷一样，有着良好的高温强度和耐腐蚀性，又和金属一样有着良好导电导热性能，同时该材料具有极低的摩擦系数。

本发明利用钛硅碳粉和立方氮化硼微粉作为原料制得的钛硅碳结合立方氮化硼超硬复合材料具有优异的性能：耐热性达1200℃，1000℃以下使结合剂与立方氮化硼都不会氧化，可以预防高温切削时粘结剂软化现象发生；导电导热性良好（导热系数为50~75W/(m·k)，电阻率可以低至0.2 μΩ·m），也可以避免常温使用时的崩角或开裂现象；具有较低的摩擦系数，与切削材料有关，为0.1~0.5，且随着切削速度的提高，摩擦系数会减小。 

附图说明

图1为本发明制得的钛硅碳结合立方氮化硼超硬复合材料的XRD图谱；

图2为本发明制得的钛硅碳结合立方氮化硼超硬复合材料的微观相貌图；

图3为本发明制得的钛硅碳结合立方氮化硼超硬复合材料中钛硅碳与立方氮化硼颗粒的界面结合图；

图4为本发明制得的钛硅碳结合立方氮化硼超硬复合材料磨削后磨痕的扫描电镜图片。

具体实施方式

实施例1：

按Ti₃SiC₂：立方氮化硼 =1：1的质量比配料，称取Ti₃SiC₂粉10g，立方氮化硼微粉10g，混匀，然后在不锈钢模具中经300MPa压力冷压成型，在80℃真空干燥箱内烘干2小时，再置于六面顶压机反应腔中，2min加压到4.5GPa且升温至1200℃，保压保温60min后断电自然冷却，手动卸压，即制得钛硅碳结合立方氮化硼超硬复合材料。经检测，制得的复合材料在1200℃温度下的硬度大约为HV2400，在1000℃时不出现氧化现象，导热系数为55W/(m·k)，电阻率为0.3μΩ·m，当切削铸铁时，摩擦系数为0.21。