本發(fā)明屬于材料加工領(lǐng)域，涉及一種用于精加工的聚晶立方氮化硼刀具材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，淬火鋼在現(xiàn)代制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。淬火鋼具有硬度高、強度高、切削溫度高、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點，幾乎沒有塑性。切削精加工時，由于淬火鋼的脆性大，切屑與刀刃接觸短，切削力和切削熱集中在刀具刃口附近，而且由于其導(dǎo)熱系數(shù)低，切削熱很難通過切屑帶走，切削溫度很高，容易導(dǎo)致刀刃崩碎和磨損現(xiàn)象，因此，淬火鋼屬于難加工材料，如果采用傳統(tǒng)的加工方式磨削加工，效率低、成本高。隨著陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）刀具新材料的發(fā)展，淬火鋼零件的傳統(tǒng)加工方法發(fā)生了改變，“以車代磨”、“以銑代磨”的新的切削加工方式得到了越來越多的應(yīng)用，用于淬火鋼加工的刀具市場空間越來越大。該類刀具材料通常采用低CBN含量的聚晶立方氮化硼（PCBN），由于其CBN含量較低，此類PCBN刀具材料的制備在混料、燒結(jié)工藝等方面的技術(shù)要求遠(yuǎn)高于高含量的PCBN，生產(chǎn)難度較大。
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(jié)構(gòu)類似，屬于穩(wěn)定的立方體結(jié)構(gòu)，化學(xué)穩(wěn)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(xué)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(yīng)，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結(jié)合劑混合后經(jīng)高溫高壓燒結(jié)而成的復(fù)合材料，具有導(dǎo)熱性好、硬度高、耐磨、熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性高、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點，在現(xiàn)代加工過程中應(yīng)用越來越廣泛。
在汽車行業(yè)中，很多軸類零件都采用淬火工藝、如凸輪軸、傳動軸、齒輪軸等，在這些零件的精加工中使用PCBN刀具時，為了保證高的零件加工精度和好的表面光潔度，要求一把刀至少完成一次生產(chǎn)任務(wù)，不得中途停機換刀，這就要求刀具必須達(dá)到一定的質(zhì)量要求。特別是隨著數(shù)控加工技術(shù)的迅猛發(fā)展和數(shù)控機床的普遍應(yīng)用，高效率、高穩(wěn)定性、長壽命的超硬刀具日益受到重視和關(guān)注。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為解決現(xiàn)有市場上的聚晶立方氮化硼刀具在淬火鋼精加工過程中不得中途換刀，對刀具的質(zhì)量要求越來越高的技術(shù)難題，公開了一種用于精加工的聚晶立方氮化硼刀具材料及其制備方法。
為解決上述技術(shù)難題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種用于精加工的聚晶立方氮化硼刀具材料，所述刀具材料是由以下重量百分比的組分制成：立方氮化硼微粉40-60%，余量為結(jié)合劑；所述立方氮化硼微粉由粒徑為0-500nm的納米粉，與粒徑0.5-1μm、1-1.5μm和1-2μm中的一種或多種組成的微粉，按納米粉和微粉的重量比（4-6）:6混合而成，并保證粒徑連續(xù)；所述結(jié)合劑由重量百分比70%的α-Al2O3粉和重量百分比30%的氮碳化鈦粉組成。
所述α-Al2O3粉的平均粒徑0.5μm、純度99.9%；所述氮碳化鈦粉的平均粒徑25nm、純度99.9%。
用于精加工的聚晶立方氮化硼刀具材料的制備方法，包括以下步驟：
（1）將立方氮化硼微粉用稀鹽酸酸洗4h去除其中的金屬雜質(zhì)，再用稀氫氧化鈉溶液堿處理至中性后進(jìn)行離心分離，然后依次用蒸餾水和無水乙醇分別清洗3-5次之后，放入60℃真空干燥箱中干燥12h，徹底去除其中的水分和乙醇；
（2）將步驟（1）中得到的立方氮化硼微粉與結(jié)合劑按重量百分比混合，完成聚晶立方氮化硼刀具材料的原料的準(zhǔn)備；
（3）采用濕式球磨工藝，利用行星式球磨機將步驟（2）中得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，進(jìn)行高能球磨，混合均勻；
（4）將步驟（3）中得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，放入80℃的真空干燥箱中干燥10h，徹底去除其中的分散介質(zhì)；
（5）將步驟（4）干燥后的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，通過造粒工藝制成顆粒粉末；
（6）將步驟（5）中得到的聚晶立方氮化硼刀具材料原料的顆粒粉末，根據(jù)需要壓制成不同形狀的塊體毛坯，然后放入石墨模具內(nèi)，石墨模具兩端用黏結(jié)劑粘結(jié)石墨片，封裝成內(nèi)合成體，然后放入300℃的干燥箱中干燥4h；
（7）將步驟（6）得到的兩個內(nèi)合成體裝入葉臘石塊中，兩端再依次裝入金屬鈦片和導(dǎo)電鋼圈，裝配成合成塊，然后放入150℃的烘箱中烘烤2h備用；
（8）將步驟（7）得到的合成塊利用六面頂壓機，進(jìn)行高溫高壓燒結(jié)6-10min，完成聚晶立方氮化硼刀具材料的制備。
所述步驟（3）中濕式球磨工藝的技術(shù)參數(shù)為：球磨機速度360r/min，正/反轉(zhuǎn)時間周期5分鐘，球磨時間8-10h，料：球：分散介質(zhì)=1:2:0.8；所述分散介質(zhì)由無水乙醇和重量百分比0.3%的分散劑組成。
所述步驟（8）中高溫指1650-1700℃，高壓指6.5-7Gpa。
本發(fā)明的有益效果在于：
（1）本發(fā)明采用低CBN含量、細(xì)粒度的立方氮化硼微粉和細(xì)粒度、高純度的陶瓷結(jié)合劑作為主要原料，所采用的結(jié)合劑純度達(dá)到99.9%，其中α-Al2O3粉的平均粒徑0.5μm、氮碳化鈦粉的平均粒徑25nm，這幾種細(xì)粒度組分采用濕式球磨工藝經(jīng)行星球磨機高能球磨后，解決了細(xì)粒度組分的團(tuán)聚問題，組分分布更加均勻，通過超高壓高溫制備的聚晶立方氮化硼刀具材料材質(zhì)分布均勻。
（2）本發(fā)明燒結(jié)合成溫度在1650-1700℃，純度99.9%的α-Al2O3粉中即使含有0.1%的其它晶型的Al2O3，在溫度超過1600℃以上時，都會轉(zhuǎn)變成高溫穩(wěn)定的α-Al2O3（剛玉），這個轉(zhuǎn)變是不可逆的，剛玉型α-Al2O3的硬度（莫氏硬度為9）很高，化學(xué)穩(wěn)定性很強，與很多材料的反應(yīng)都很弱，抗氧化性好。
（3）采用本發(fā)明制備的聚晶立方氮化硼材料高溫特性好、耐磨性高，切削加工時，高溫只存在刀尖位置，使金屬工件的切削部位趨于軟化和塑性化，有利于高溫高速切削，非常適合加工精度和表面光潔度要求高的淬火鋼零件的切削精加工，在切削過程中無需使用冷卻液。
具體實施方式
一種用于精加工的聚晶立方氮化硼刀具材料，所述刀具材料是由以下重量百分比的組分制成：立方氮化硼微粉40-60%，余量為結(jié)合劑；所述立方氮化硼微粉由粒徑為0-500nm的納米粉，與粒徑0.5-1μm、1-1.5μm和1-2μm中的一種或多種組成的微粉，按納米粉和微粉的重量比（4-6）:6混合而成，并保證粒徑連續(xù)；所述結(jié)合劑由重量百分比70%的α-Al2O3粉和重量百分比30%的氮碳化鈦粉組成。
所述α-Al2O3粉的平均粒徑0.5μm、純度99.9%；所述氮碳化鈦粉的平均粒徑25nm、純度99.9%。
用于精加工的聚晶立方氮化硼刀具材料的制備方法，包括以下步驟：
（1）將立方氮化硼微粉用稀鹽酸酸洗4h去除其中的金屬雜質(zhì)，再用稀氫氧化鈉溶液堿處理至中性后進(jìn)行離心分離，依次用蒸餾水和無水乙醇分別清洗3-5次后，放入60℃真空干燥箱中干燥12h，徹底去除其中的水分和乙醇；
（2）將步驟（1）中得到的立方氮化硼微粉與結(jié)合劑按重量百分比混合，完成聚晶立方氮化硼刀具材料的原料的準(zhǔn)備；
（3）采用濕式球磨工藝，利用行星式球磨機將步驟（2）中得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，進(jìn)行高能球磨，混合均勻；
（4）將步驟（3）中得到的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，放入80℃的真空干燥箱中干燥10h，徹底去除其中的分散介質(zhì)；
（5）將步驟（4）干燥后的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，通過造粒工藝制成顆粒粉末；
（6）將步驟（5）中得到的聚晶立方氮化硼刀具材料原料的顆粒粉末，根據(jù)需要壓制成不同形狀的塊體毛坯，然后放入石墨模具內(nèi)，石墨模具兩端用黏結(jié)劑粘結(jié)石墨片，封裝成內(nèi)合成體，然后放入300℃的干燥箱中干燥4h；
（7）將步驟（6）得到的兩個內(nèi)合成體裝入葉臘石塊中，兩端再依次裝入金屬鈦片和導(dǎo)電鋼圈，裝配成合成塊，然后放入150℃的烘箱中烘烤2h備用；
（8）將步驟（7）得到的合成塊利用六面頂壓機，進(jìn)行高溫高壓燒結(jié)6-10min，完成聚晶立方氮化硼刀具材料的制備。
所述步驟（3）中濕式球磨工藝的技術(shù)參數(shù)為：球磨機速度360r/min，正/反轉(zhuǎn)時間周期5分鐘，球磨時間8-10h，料：球：分散介質(zhì)=1:2:0.8；所述分散介質(zhì)由無水乙醇和重量百分比0.3%的分散劑組成。
所述步驟（8）中高溫指1650-1700℃，高壓指6.5-7Gpa。
下面將用具體的實施例來說明本發(fā)明中涉及的精加工用聚晶立方氮化硼刀具材料及其制備方法，但本發(fā)明的范圍并不限于這些實施例。
實施例1
一種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百分比的材料制成：立方氮化硼微粉40%，余量為結(jié)合劑。
所述立方氮化硼微粉由粒徑為0-500nm的納米粉與粒徑0.5-1μm的微粉按4:6的重量比混合而成；所述結(jié)合劑由重量百分比70%的α-Al2O3粉和重量百分比30%的氮碳化鈦粉組成。所述α-Al2O3粉的平均粒徑0.5μm、純度99.9%；所述氮碳化鈦粉的平均粒徑25nm、純度99.9%。
所述的一種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）將立方氮化硼微粉用稀鹽酸酸洗4h去除其中的金屬雜質(zhì)，再用稀氫氧化鈉溶液堿處理至中性后進(jìn)行離心分離，然后依次用蒸餾水和無水乙醇分別清洗4次后放入60℃真空干燥箱中干燥12h，徹底去除其中的水分和乙醇。
（2）將步驟（1）中處理過的立方氮化硼微粉與結(jié)合劑，按重量百分比混合制成聚晶立方氮化硼刀具材料的原料。
（3）采用濕式球磨工藝，利用行星式球磨機將步驟（2）中制成的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料進(jìn)行高能球磨，混合均勻。
（4）將步驟（3）中濕式球磨后的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，放入80℃的真空干燥箱中干燥10h，徹底去除其中的分散介質(zhì)。
（5）將步驟（4）干燥后的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，通過造粒工藝制成顆粒粉末。
（6）利用四柱壓機將步驟（5）制成的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料顆粒粉末，根據(jù)需要壓制成不同形狀的塊體毛坯，然后放入石墨模具內(nèi)，石墨模具兩端用黏結(jié)劑粘結(jié)石墨片封裝成內(nèi)合成體，然后放入300℃的干燥箱中干燥4h。
（7）將步驟（6）封裝干燥后的2個內(nèi)合成體裝入葉臘石塊中，兩端再依次裝入金屬鈦片和導(dǎo)電鋼圈，裝配成合成塊，然后放入150℃的烘箱中烘烤2h備用。
（8）將步驟（7）烘烤后的合成塊利用六面頂壓機進(jìn)行超高壓高溫?zé)Y(jié)，制成聚晶立方氮化硼刀具材料。
所述步驟（3）中行星式球磨機高能球磨的濕式球磨工藝技術(shù)參數(shù)為：球磨機速度360r/min，正/反轉(zhuǎn)時間周期5分鐘，球磨時間10h，料：球：分散介質(zhì)=1:2:0.8。所述分散介質(zhì)由無水乙醇和重量百分比0.3%的分散劑組成。
所述步驟（8）中利用六面頂壓機超高壓高溫?zé)Y(jié)合成聚晶立方氮化硼刀具材料的工藝為：合成壓力7GPa，合成溫度1700℃，合成時間10min。
實施例1制備的聚晶立方氮化硼刀具材料，由于CBN微粉含量較少、粒度細(xì)，韌性好，但耐磨性稍差，維氏硬度HV2726-2808之間，適合加工精度和表面光潔度要求高、切削深度不大于0.5mm的淬火鋼類零件的連續(xù)-重度斷續(xù)切削精加工，在切削過程中無需使用冷卻液。
實施例2
一種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百分比的材料制成：立方氮化硼微粉50%，余量為結(jié)合劑。
所述立方氮化硼微粉由粒徑為0-500nm的納米粉與粒徑0.5-1μm、1-1.5μm的微粉按5:4:2的重量比混合而成；所述結(jié)合劑由重量百分比70%的α-Al2O3粉和重量百分比30%的氮碳化鈦粉組成。所述α-Al2O3粉的平均粒徑0.5μm、純度99.9%；所述氮碳化鈦粉的平均粒徑25nm、純度99.9%。
所述的一種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）將立方氮化硼微粉用稀鹽酸酸洗4h去除其中的金屬雜質(zhì)，再用稀氫氧化鈉溶液堿處理至中性后進(jìn)行離心分離，然后依次用蒸餾水和無水乙醇分別清洗3次后放入60℃真空干燥箱中干燥12h，徹底去除其中的水分和乙醇。
（2）將步驟（1）中處理過的立方氮化硼微粉與結(jié)合劑，按重量百分比混合制成聚晶立方氮化硼刀具材料的原料。
（3）采用濕式球磨工藝，利用行星式球磨機將步驟（2）中制成的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料進(jìn)行高能球磨，混合均勻。
（4）將步驟（3）中濕式球磨后的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，放入80℃的真空干燥箱中干燥10h，徹底去除其中的分散介質(zhì)。
（5）將步驟（4）干燥后的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，通過造粒工藝制成顆粒粉末。
（6）利用四柱壓機將步驟（5）制成的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料顆粒粉末，根據(jù)需要壓制成不同形狀的塊體毛坯，然后放入石墨模具內(nèi)，石墨模具兩端用黏結(jié)劑粘結(jié)石墨片封裝成內(nèi)合成體，然后放入300℃的干燥箱中干燥4h。
（7）將步驟（6）封裝干燥后的2個內(nèi)合成體裝入葉臘石塊中，兩端再依次裝入金屬鈦片和導(dǎo)電鋼圈，裝配成合成塊，然后放入150℃的烘箱中烘烤2h備用。
（8）將步驟（7）烘烤后的合成塊利用六面頂壓機進(jìn)行超高壓高溫?zé)Y(jié)，制成聚晶立方氮化硼刀具材料。
所述步驟（3）中行星式球磨機高能球磨的濕式球磨工藝技術(shù)參數(shù)為：球磨機速度360r/min，正/反轉(zhuǎn)時間周期5分鐘，球磨時間9h，料：球：分散介質(zhì)=1:2:0.8。所述分散介質(zhì)由無水乙醇和重量百分比0.3%的分散劑組成。
所述步驟（8）中利用六面頂壓機超高壓高溫?zé)Y(jié)合成聚晶立方氮化硼刀具材料的工藝為：合成壓力7GPa，合成溫度1650℃，合成時間8min。
實施例2制備的聚晶立方氮化硼刀具材料，CBN含量比實施例1有所增加，同時增大了微粉的平均粒徑，雖然韌性有所降低，但提高了耐磨性，維氏硬度在HV2816-2972之間，刀片的使用壽命最長，適合淬火鋼零件加工精度和表面光潔度要求高、切削深度不大于0.3mm的重度斷續(xù)和切削深度不大于0.5的連續(xù)-中度斷續(xù)切削精加工，在切削過程中無需使用冷卻液。
實施例3
一種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百分比的材料制成：立方氮化硼微粉60%，余量為結(jié)合劑。
所述立方氮化硼微粉由粒徑為0-500nm的納米粉分別與粒徑0.5-1μm、1-2μm的微粉按6:5:1的重量比混合而成；所述結(jié)合劑由重量百分比70%的α-Al2O3粉和重量百分比30%的氮碳化鈦粉組成。所述α-Al2O3粉的平均粒徑0.5μm、純度99.9%；所述氮碳化鈦粉的平均粒徑25nm、純度99.9%。
所述的一種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）將立方氮化硼微粉用稀鹽酸酸洗4h去除其中的金屬雜質(zhì)，再用稀氫氧化鈉溶液堿處理至中性后進(jìn)行離心分離，然后依次用蒸餾水和無水乙醇分別清洗5次后放入60℃真空干燥箱中干燥12h，徹底去除其中的水分和乙醇。
（2）將步驟（1）中處理過的立方氮化硼微粉與結(jié)合劑，按重量百分比混合制成聚晶立方氮化硼刀具材料的原料。
（3）采用濕式球磨工藝，利用行星式球磨機將步驟（2）中制成的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，進(jìn)行高能球磨，混合均勻。
（4）將步驟（3）中濕式球磨后的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料，放入80℃的真空干燥箱中干燥10h，徹底去除其中的分散介質(zhì)。
（5）將步驟（4）干燥后的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料通過造粒工藝制成顆粒粉末。
（6）利用四柱壓機將步驟（5）制成的聚晶立方氮化硼刀具材料的原料顆粒粉末，根據(jù)需要壓制成不同形狀的塊體毛坯，然后放入石墨模具內(nèi)，石墨模具兩端用黏結(jié)劑粘結(jié)石墨片封裝成內(nèi)合成體，然后放入300℃的干燥箱中干燥4h。
（7）將步驟（6）封裝干燥后的2個內(nèi)合成體裝入葉臘石塊中，兩端再依次裝入金屬鈦片和導(dǎo)電鋼圈，裝配成合成塊，然后放入150℃的烘箱中烘烤2h備用。
（8）將步驟（7）烘烤后的合成塊利用六面頂壓機進(jìn)行超高壓高溫?zé)Y(jié)，制成聚晶立方氮化硼刀具材料。
所述步驟（3）中行星式球磨機高能球磨的濕式球磨工藝技術(shù)參數(shù)為：球磨機速度360r/min，正/反轉(zhuǎn)時間周期5分鐘，球磨時間8h，料：球：分散介質(zhì)=1:2:0.8。所述分散介質(zhì)由無水乙醇和重量百分比0.3%的分散劑組成。
所述步驟（8）中利用六面頂壓機，超高壓高溫?zé)Y(jié)合成聚晶立方氮化硼刀具材料的工藝為：合成壓力6.5GPa，合成溫度1700℃，合成時間6min。
實施例3制備的聚晶立方氮化硼刀具材料，增加了CBN微粉的含量和粒度平均直徑，維氏硬度在HV3008-3097之間，比較適合淬火鋼零件加工精度和表面光潔度要求高、切削深度不大于0.3mm的中度斷續(xù)和切削深度不大于0.5的連續(xù)-輕微斷續(xù)切削精加工，在切削過程中無需使用冷卻液。
以上實施例的說明，只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，這些適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)也應(yīng)在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。