阅读说明：本技术 一种聚晶复合材料 (Polycrystalline composite material ) 是由 孔帅斐 李和鑫 李麟 李翠 于 2020-04-13 设计创作，主要内容包括：本发明属于超硬材料技术领域,具体涉及一种聚晶复合材料。本发明的聚晶复合材料由由超硬材料、金属复合结合剂制成；所述超硬材料为立方氮化硼；所述金属复合结合剂包括金属和钛铝铬氮纳米粉体。本发明的聚晶复合材料中,采用金属以及钛铝铬氮纳米粉体共同作为结合剂,钛铝铬氮纳米粉体能够促进金属的晶粒细化,实现固溶强化和析出强化,从而使得聚晶复合材料的耐磨性得到有效提高。(The invention belongs to the technical field of superhard materials, and particularly relates to a polycrystalline composite material. The polycrystalline composite material is prepared from a superhard material and a metal composite binding agent; the superhard material is cubic boron nitride; the metal composite bonding agent comprises metal and titanium-aluminum-chromium-nitrogen nano powder. In the polycrystalline composite material, the metal and the titanium-aluminum-chromium-nitrogen nano powder are used as a binding agent, and the titanium-aluminum-chromium-nitrogen nano powder can promote grain refinement of the metal and realize solid solution strengthening and precipitation strengthening, so that the wear resistance of the polycrystalline composite material is effectively improved.)

一种聚晶复合材料

技术领域

本发明属于超硬材料技术领域，具体涉及一种聚晶复合材料。

背景技术

聚晶金刚石(PCD)以及聚晶立方氮化硼(PCBN)具有高的硬度和耐磨性、高的稳定性和高温硬度等优良的性能，因此被广泛应用于切削刀具、焊接等技术领域。由于金刚石颗粒和立方氮化硼颗粒具有较难烧结的缺点，因此目前大多数PCD和PCBN是由金刚石、立方氮化硼与结合剂烧结而成的聚晶复合材料。现有技术中常用的结合剂为金属结合剂，但是金属结合剂通常在较高温度下易软化甚至熔化，导致PCD以及PCBN的耐磨性能尤其是高温耐磨性能下降，影响其使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚晶复合材料，该聚晶复合材料具有较好的耐磨性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种聚晶复合材料，由超硬材料、金属复合结合剂制成；所述超硬材料为立方氮化硼；所述金属复合结合剂包括金属和钛铝铬氮纳米粉体。

本发明的聚晶复合材料中，采用金属以及钛铝铬氮纳米粉体共同作为结合剂，钛铝铬氮纳米粉体能够促进金属结合剂中的金属晶粒细化，实现固溶强化和析出强化，从而使得聚晶复合材料的耐磨性得到有效提高。细晶粒金属受到外力作用时，发生塑性变形，可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形均匀，应力集中较少，晶粒细小晶界面积大晶界曲折不利于裂纹扩展。同时，钛铝铬氮纳米粉体粒度细小，在高温状态下时析出CrN、AlN等细小颗粒分散在材料内部，从而起到弥散强化的效果。

优选的，所用钛铝铬氮纳米粉体中钛、铝、铬、氮的原子比为1：(0.2～0.5)：(0.2～0.3)：(0.9～1.2)。钛铝铬氮纳米粉体的结构实质为在氮化钛中引入过量的铝和铬元素，使得氮化钛晶体的晶格点阵增大，铝和铬进入氮化钛晶体的间隙内。

纳米材料(尺寸为1～100nm)的尺寸接近电子的相干长度，颗粒粒径较小，比表面积大，相比于宏观材料来说，纳米材料具有优异的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性。本发明将其钛铝铬氮以纳米粉体的形式与超硬材料形成复合材料，利用其尺寸效应，有效提高了聚合复合材料的性能。

优选的，所述钛铝铬氮纳米粉体由直流电弧等离子法合成，合成时以钛铝铬合金为阳极靶材，以氩气、氢气和氮气为等离子体工作气体。直流电弧等离子法制备的纳米粉体的原理主要是在一定气氛和压力下，阴极持续电弧放电，产生高温，熔融的阳极靶材被迫蒸发，再经一系列物理化学反应过程，生成相应的产物。其优点在于制备出的粉体尺寸均匀、颗粒粒径小的纳米粉体。

通过调整直流电弧等离子体法的具体工艺参数来优化钛铝铬氮纳米粉体的粒径大小，优选的，直流电弧等离子体法合成钛铬铝氮纳米粉体时，所用电流为90～120A。优选的，所述氩气、氢气和氮气的体积比为(10～15)：(1～5)：(8～12)。

通过调整钛铝铬氮纳米粉体的质量来优化聚晶复合材料的性能，优选的，所述钛铝铬氮纳米粉体的质量为超硬材料和金属复合结合剂中金属的总质量的5～10％。

优选的，所述超硬材料与金属复合结合剂中金属的质量比为(7～9)：(3～1)。优选的，所用超硬材料的中值粒径为50μm，金属的中值粒径为0.5μm。

金属复合结合剂所用金属为现有技术中常用的金属类结合剂，优选的，所述金属为钛、铝、钴、铬、铌中的至少两种。

本发明的聚晶复合材料可以根据实际情况，制成所需要的形式如与硬质合金基体复合形成聚晶复合片等。优选的，所述聚晶复合材料为搅拌摩擦焊用搅拌头、聚晶立方氮化硼复合片。

本发明的聚晶复合材料由超硬材料、金属复合结合剂制成具体为：超硬材料、金属结合剂、钛铝铬氮纳米粉体混合后压制成型后烧结制成。其中压制成型为冷压成型，所用压力为450～500MPa。烧结时的压力为4.5～7GPa、温度为1300～1800℃。

附图说明

图1为本发明的实施例1的搅拌摩擦焊用搅拌头的正视图；

图2为本发明的实施例1的搅拌摩擦焊用搅拌头的俯视图；

附图标记：1-搅拌针，2-搅拌头。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一作说明。

实施例1

本实施例的聚晶复合材料为搅拌摩擦焊用搅拌头，其结构与现有技术中的搅拌头相同，具体如图1所示和图2所示。由以下方法制得：

将中值粒径为50μm的立方氮化硼和中值粒径为0.5μm的金属(金属为钛、铝、钴、铬的混合物)分别按照85％和15％的质量百分比混合均匀，得混合料；然后将钛铝铬氮纳米粉体(其质量为混合料质量的5％)加入到混合料中混合均匀，然后在450～500MPa的压力下冷压成型，得圆柱形的坯体；将坯体放入叶蜡石块的圆柱形腔室内，在4.5GPa、1350℃条件烧结20min，得聚晶立方氮化硼坯体。然后对所得聚晶立方氮化硼坯体通过无心磨加工至所需的直径尺寸，随后采用激光加工中心加工出所需的搅拌头端部尺寸，即得搅拌摩擦焊用搅拌头。

其中所用钛铝铬氮纳米粉体由以下方法制成：

(1)根据钛、铬和铝三种过渡金属元素的相对原子质量计算其达到1:1:1比例所需的相应的金属的质量，称取的三种金属块体作为熔炼前驱体，置于真空反应炉(电弧炉)中，以钨针作为阴极，关闭反应腔体，随后打开水冷系统，通过真空系统对反应腔室进行真空处理，抽至5×10^-3Pa之后，充入氩气40kPa(氩气用于起弧以及后续弧光的稳定性)，然后接通电源调整电流大小为100A，待金属充分熔炼之后，停弧，冷却，待到室温，取出熔炼好的TiAlCr合金；

(2)直流电弧等离子法合成钛铝铬氮纳米粉体：以钨针作为阴极，步骤(1)中的TiAlCr合金靶材置于阳极托盘上，调整阴极钨针与合金靶材的距离，随后关闭腔体，进行真空处理，同时打开水冷系统，待机械泵抽至1～5Pa，对所需气体管路进行清洗，除去其他气体杂质，继续抽真空，抽至真空度至5×10^-3Pa，关闭真空系统；通入氩气、氢气和氮气的混合气体，其中氩气为15kPa，氢气为3kPa，氮气为10kPa；接通电弧控制电源，调整电流大小90A，开始起弧，电弧温度可高达约3000K，在此高温下分子状态的氮和氢等离子体解离为原子，解离生成的原子比分子状更具有反应性，成为活性状原子。它溶解于熔融状态金属内部的量远大于分子状态的溶入量，被熔解的原子通过熔融金属的对流作用而移动，一旦与非电弧气相接触，就成为原子溶解度过饱和状态，在金属表面溢出结合成分子时放热，熔融金属被迫蒸发，在此过程中Ti、Al、Cr、N发生物理化学反应，键合结合生成TiAlCrN复合物，并沉积在腔体器壁上。钝化12h后收取粉体，即得到钛铝铬氮纳米粉体(其中钛、铝、铬、氮的原子比为1：(0.2～0.3)：(0.2～0.3)：(0.8～1.2))。

本发明的其他实施例中，聚晶复合材料为聚晶立方氮化硼复合片。

本发明的其他实施例中，聚晶复合材料在制备过程中所用钛铝铬氮纳米粉体的用量为混合料质量的10％。

本发明的其他实施例中，聚晶复合材料中所用钛铝铬氮纳米粉体的的制备过程中，所用氩气、氢气和氮气的量可进行调整，但三者的体积比均在(10～15)：(1～5)：(8～12)范围内。

对比例

本对比例的搅拌头的制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于未加入钛铝铬氮纳米粉体。

试验例1

本试验例对实施例1和的对比例的搅拌头进行焊接性能测试，具体测试条件为：搅拌摩擦焊搅拌头的转速为1000rpm，前进速率为30mm/min。测试结果为对比例的搅拌头在线性焊长度超过10m即发生明显磨损和裂纹；实施例1中的搅拌头在线性焊长度为15m时才发生明显的磨损和裂纹。测试结果表明，添加钛铝铬氮纳米粉体的搅拌头具有较好的耐磨性能。