一种表面渗氮或渗硼处理的硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片及其制备方法
阅读说明：本技术 一种表面渗氮或渗硼处理的硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片及其制备方法 (Hard alloy matrix polycrystalline cubic boron nitride composite sheet with surface nitriding or boronizing treatment and preparation method thereof ) 是由 秦家千 李拥军 王福龙 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种表面渗氮或者渗硼处理的碳化钨硬质合金替代传统硬质合金作为基体制备一种聚晶立方氮化硼复合片。表面渗氮或者渗硼时钴在硬质合金表面同硼会形成钨-碳-钴-氮或者钨-碳-钴-硼系化合物层,从表层到硬质合金的硬度成梯度变化,逐渐变小。以表面渗氮或者渗硼的硬质合金作为聚晶立方氮化硼基体时,表层碳化物的硬度接近立方氮化硼层硬度,因此界面应力较小,改善聚晶立方氮化硼复合片脱层问题。同时,表面渗氮或者渗硼层在聚晶立方氮化硼复合片高温高压烧结过程中,能有效阻挡硬质合金中粘结相钴向立方氮化硼层扩散,降低立方氮化硼层金属含量,使得表面渗氮硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片提高复合片热稳定性、降低分层几率。(The invention provides a polycrystalline cubic boron nitride composite sheet prepared by taking tungsten carbide hard alloy subjected to surface nitriding or boronizing treatment as a matrix instead of traditional hard alloy. When the surface is nitrided or boronized, cobalt and boron form a tungsten-carbon-cobalt-nitrogen or tungsten-carbon-cobalt-boron compound layer on the surface of the hard alloy, and the hardness of the hard alloy from the surface layer is changed in a gradient manner and gradually becomes smaller. When the hard alloy with nitrided or boronized surface is used as the polycrystalline cubic boron nitride matrix, the hardness of the surface carbide is close to that of the cubic boron nitride layer, so that the interface stress is small, and the delamination problem of the polycrystalline cubic boron nitride composite sheet is improved. Meanwhile, the surface nitriding or boronizing layer can effectively prevent the binder phase cobalt in the hard alloy from diffusing to the cubic boron nitride layer in the high-temperature and high-pressure sintering process of the polycrystalline cubic boron nitride composite sheet, so that the metal content of the cubic boron nitride layer is reduced, the thermal stability of the composite sheet is improved, and the layering probability of the composite sheet is reduced.)
技术领域
本发明涉及切削刀具用的聚晶立方氮化硼复合片的制备技术领域，具体涉及一种表面渗氮或者渗硼硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片。
背景技术
立方氮化硼热稳定性优于人造金刚石，在高温下仍能保持足够高的力学性能和硬度，具有很好的红硬性；立方氮化硼结构稳定，具有高的抗氧化能力，化学稳定性好，与金刚石相比尤其好在立方氮化硼在高达1100〜1300 °C的温度下也不与铁族元素起化学反应，因此立方氮化硼特别适合于加工黑色金属材料。聚晶立方氮化硼是由立方氮化硼单晶，可以加入粘结剂，也可以在不加任何粘结剂的条件下，经超高压高温烧结制得的。聚晶立方氮化硼具有立方氮化硼的大 部分性能，克服了立方氮化硼单晶的晶面方向性解理的缺点。
聚晶立方氮化硼主要用于制作刀具材料。聚晶立方氮化硼刀具坯料主要有三种，一种是整体纯聚晶立方氮化硼烧结片；第二种是以聚晶立方氮化硼为聚晶层，以硬质合金为基体经高温高压共同烧结而成的复合片；第三种是先烧结制备聚晶立方氮化硼刀片坯料，再焊接到硬质合金上而制备成。 由于硬质合金韧性好，通常采用硬质合金作为基体，与聚晶立方氮化硼制备复合片。但是硬质合金基体与聚晶层化学成分差异大，热膨胀系数不同，复合片容易开裂、脱层，使用时受到极大地限制。为解决上述问题，中国专利CN102505090B利用相似相容原理，通过与硬质合金基体接触的聚晶层合成原料微粉中加入与硬质合金基体具有相同化学成分的硬质合金微粉，并通过化学梯度法，沿远离基体方向改变硬质合金微粉的含量，远离基体方向硬质合金微粉的含量不断降低。在超高压高温烧结时，合成腔体内温度具有梯度性，内部温度高，外部温度低，而与此相应的是硬质合金基体中的钴元素向高温区扩散，这样增强了聚晶层与硬质合金基体的相容性和结合强度。但是使用合金基体的主要问题仍然存在，如：1）合金层的金属会大量渗入CBN层内，从而降低复合片热稳定性；2）界面结合力仍然为金属渗透层结合，分层率高；3）基体与CBN层热膨胀系数差别大，产品抗裂性能、抗崩性能差；4）合金基体聚晶立方氮化硼复合片耐热性差，后期刀具制作过程中真空焊接温度提高有限。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有的技术不足，提供一种表面渗氮或者渗硼硬质合金替代传统硬质合金作为基体的聚晶立方氮化硼复合片。
本发明的技术构思为，硬质合金与立方氮化硼层的硬度和热膨胀系数显著不同，如若设计一层梯度层使得界面处性能接近，降低界面应力，降低分层率。硬质合金表面渗氮或者渗硼处理技术已有报道，表面渗氮或者渗硼处理后的硬质合金表面会形成一层W-C-Co-N或者W-C-Co-B系化合物，硬度从表层到硬质合金逐渐降低，并且表层硬度接近立方氮化硼层硬度。表层W-C-Co-N或者W-C-Co-B系化合物不含金属，在高温高压条件下不会有大量金属渗入立方氮化硼层，同时高温高压条件下硬质合金渗氮或者渗硼层W-C-Co-N或者W-C-Co-B系化合物和立方氮化硼层混合初始材料的界面处会发生化学反应形成化学键结合。
本发明的技术方案如下：
一种表面渗氮或者渗硼处理的硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片制备方法，使用表面渗氮或者渗硼处理的硬质合金替代传统碳化钨合金基体，与粘结剂体系的立方氮化硼组成烧结坯体，并在高温高压条件制备得到聚晶立方氮化硼复合片。
所述表面渗氮或者渗硼处理的硬质合金基体适用于陶瓷、金属、及金属陶瓷粘结剂体系。
所述硬质合金的表面渗氮层或者渗硼层为0.005-0.1毫米。
所述高温高压烧结条件为2-8 GPa,温度为1100-1800℃。
一种表面渗氮处理的硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片，包括硬质合金基体和聚晶立方氮化硼层，所述硬质合金基体的表面渗氮处理形成渗氮层，渗氮层与聚晶立方氮化硼层高温高压烧结为一体。
所述硬质合金的表面渗氮层为W-C-Co-N系化合物。
所述硬质合金的表面渗氮层为W-C-Co-N系化合物厚度为0.005-0.1毫米。
所述硬质合金基体的表面渗硼处理形成渗硼层，渗硼层与聚晶立方氮化硼层高温高压烧结为一体。
所述硬质合金的表面渗硼层为W-C-Co-B系化合物。
所述硬质合金的表面渗硼层为W-C-Co-B系化合物厚度为0.005-0.1毫米。
本发明所用的表面渗氮或者渗硼硬质合金表面会形成一层W-C-Co-N或者W-C-Co-B系化合物，硬度从表层到硬质合金逐渐降低，并且表层硬度接近立方氮化硼层硬度。表层W-C-Co-N或者W-C-Co-B系化合物不含金属，在高温高压条件下不会有大量金属渗入立方氮化硼层，同时高温高压条件下硬质合金渗氮或者渗硼层W-C-Co-N或者W-C-Co-B系化合物和立方氮化硼层混合初始材料的界面处会发生化学反应形成化学键结合。因此，表面渗氮或者渗硼硬质合金可以解决合金基体的主要问题：
1.相比传统硬质合金基体，立方氮化硼层内金属含量降低，热稳定性提高；
2.界面结合力由原来的金属渗透层结合转变为化学键结合，降低分层几率；
3.硬质合金渗氮或者渗硼层W-C-Co-N或者W-C-Co-B系化合物和立方氮化硼层热膨胀系数更加接近，降低宏观应力，提高产品抗裂性能、抗崩性能；
4.表面渗氮或者渗硼硬质合金基体聚晶立方氮化硼耐热性更高。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种表面渗氮处理的硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片，包括硬质合金基体1和聚晶立方氮化硼层3，所述硬质合金基体1的表面渗氮处理形成渗氮层2，渗氮层2与聚晶立方氮化硼层3高温高压烧结为一体。
所述硬质合金1的表面渗氮层2为W-C-Co-N系化合物。
所述硬质合金1的表面渗氮层2为W-C-Co-N系化合物厚度为0.005-0.1毫米。
所述硬质合金基体1的表面渗硼处理形成渗硼层2，渗硼层2与聚晶立方氮化硼层高温高压烧结为一体。
所述硬质合金1的表面渗硼层2为W-C-Co-B系化合物。
所述硬质合金1的表面渗硼层2为W-C-Co-B系化合物厚度为0.005-0.1毫米。
实施例1
本实施例提供一种表面渗氮硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片制备方法，它是由表面渗氮处理后的硬质合金作为基体，陶瓷粘结剂和立方氮化硼混合坯体作为立方氮化硼层。
本实施例中所用的表面渗氮硬质合金为宿迁德特材料有限公司生产，厚度4毫米，直径58毫米，表面渗氮层为0.05毫米。
本实施例中立方氮化硼层是由以下质量份的组份构成：平均粒度2微米的立方氮化硼50份和平均粒度2微米的碳化钛50份。
本实施例提供表面渗氮硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其包括以下步骤：
第一步：分别将不同含量立方氮化硼和碳化钛混合均匀，得到一系列不同立方氮化硼含量的初始材料；
第二步：使用表面渗氮硬质合金替代传统硬质合金片作为基体，将第一步所得到的初始材料通过模具压制到表面渗氮硬质合金基体上；
第三步：将第二步压制好的块体装配成高温高压合成块，通过高温高压烧结，压力为5.5 GPa, 温度为1450℃，保温20分钟即制备得到新型聚晶立方氮化硼复合片。
实施例2
本实施例提供一种表面渗氮硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片制备方法，它是由表面渗氮处理后的硬质合金作为基体，陶瓷粘结剂和立方氮化硼混合坯体作为立方氮化硼层。
本实施例中所用的表面渗氮硬质合金为宿迁德特材料有限公司生产，厚度4毫米，直径58毫米，表面渗氮层为0.005毫米。
本实施例中立方氮化硼层是由以下质量份的组份构成：平均粒度0.1微米的立方氮化硼90份和平均粒度1微米的金属铝粉10份。
本实施例提供表面渗氮硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其包括以下步骤：
第一步：分别将不同含量立方氮化硼和碳化钛混合均匀，得到一系列不同立方氮化硼含量的初始材料；
第二步：使用表面渗氮硬质合金替代传统硬质合金片作为基体，将第一步所得到的初始材料通过模具压制到表面渗氮硬质合金基体上；
第三步：将第二步压制好的块体装配成高温高压合成块，通过高温高压烧结，压力为2GPa, 温度为1100℃，保温20分钟即制备得到新型聚晶立方氮化硼复合片。
实施例3
本实施例提供一种表面渗氮硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片制备方法，它是由表面渗氮处理后的硬质合金作为基体，陶瓷粘结剂和立方氮化硼混合坯体作为立方氮化硼层。
本实施例中所用的表面渗氮硬质合金为宿迁德特材料有限公司生产，厚度4毫米，直径58毫米，表面渗氮层为0.1毫米。
本实施例中立方氮化硼层是由以下质量份的组份构成：平均粒度30微米的立方氮化硼10份和平均粒度30微米的碳化钛90份。
本实施例提供表面渗氮硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其包括以下步骤：
第一步：分别将不同含量立方氮化硼和碳化钛混合均匀，得到一系列不同立方氮化硼含量的初始材料；
第二步：使用表面渗氮硬质合金替代传统硬质合金片作为基体，将第一步所得到的初始材料通过模具压制到表面渗氮硬质合金基体上；
第三步：将第二步压制好的块体装配成高温高压合成块，通过高温高压烧结，压力为8GPa, 温度为1800℃，保温20分钟即制备得到新型聚晶立方氮化硼复合片。
实施例4
本实施例提供一种表面渗氮硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片制备方法，它是由表面渗氮处理后的硬质合金作为基体，陶瓷粘结剂和立方氮化硼混合坯体作为立方氮化硼层。
本实施例中所用的表面渗氮硬质合金为宿迁德特材料有限公司生产，厚度4毫米，直径58毫米，表面渗氮层为0.02毫米。
本实施例中立方氮化硼层是由以下质量份的组份构成：平均粒度2微米的立方氮化硼50份、平均粒度2微米金属铝粉10份和平均粒度2微米的碳化钛40份。
本实施例提供表面渗氮硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其包括以下步骤：
第一步：分别将不同含量立方氮化硼和碳化钛混合均匀，得到一系列不同立方氮化硼含量的初始材料；
第二步：使用表面渗氮硬质合金替代传统硬质合金片作为基体，将第一步所得到的初始材料通过模具压制到表面渗氮硬质合金基体上；
第三步：将第二步压制好的块体装配成高温高压合成块，通过高温高压烧结，压力为5GPa, 温度为1400℃，保温20分钟即制备得到新型聚晶立方氮化硼复合片。
实施例5
本实施例提供一种表面渗硼硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片制备方法，它是由表面渗硼处理后的硬质合金作为基体，陶瓷粘结剂和立方氮化硼混合坯体作为立方氮化硼层。
本实施例中所用的表面渗硼硬质合金为宿迁德特材料有限公司生产，厚度4毫米，直径58毫米，表面渗硼层为0.1毫米。
本实施例中立方氮化硼层是由以下质量份的组份构成：平均粒度2微米的立方氮化硼50份和平均粒度2微米的碳化钛50份。
本实施例提供表面渗硼硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其包括以下步骤：
第一步：分别将不同含量立方氮化硼和碳化钛混合均匀，得到一系列不同立方氮化硼含量的初始材料；
第二步：使用表面渗硼硬质合金替代传统硬质合金片作为基体，将第一步所得到的初始材料通过模具压制到表面渗硼硬质合金基体上；
第三步：将第二步压制好的块体装配成高温高压合成块，通过高温高压烧结，压力为5.5 GPa, 温度为1450℃，保温20分钟即制备得到新型聚晶立方氮化硼复合片。
实施例6
本实施例提供一种表面渗硼硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片制备方法，它是由表面渗硼处理后的硬质合金作为基体，陶瓷粘结剂和立方氮化硼混合坯体作为立方氮化硼层。
本实施例中所用的表面渗硼硬质合金为宿迁德特材料有限公司生产，厚度4毫米，直径58毫米，表面渗硼层为0.01毫米。
本实施例中立方氮化硼层是由以下质量份的组份构成：平均粒度0.1微米的立方氮化硼90份和平均粒度1微米的金属铝粉10份。
本实施例提供表面渗硼硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其包括以下步骤：
第一步：分别将不同含量立方氮化硼和碳化钛混合均匀，得到一系列不同立方氮化硼含量的初始材料；
第二步：使用表面渗硼硬质合金替代传统硬质合金片作为基体，将第一步所得到的初始材料通过模具压制到表面渗硼硬质合金基体上；
第三步：将第二步压制好的块体装配成高温高压合成块，通过高温高压烧结，压力为2GPa, 温度为1100℃，保温20分钟即制备得到新型聚晶立方氮化硼复合片。
实施例7
本实施例提供一种表面渗硼硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片制备方法，它是由表面渗硼处理后的硬质合金作为基体，陶瓷粘结剂和立方氮化硼混合坯体作为立方氮化硼层。
本实施例中所用的表面渗硼硬质合金为宿迁德特材料有限公司生产，厚度4毫米，直径58毫米，表面渗硼层为1毫米。
本实施例中立方氮化硼层是由以下质量份的组份构成：平均粒度30微米的立方氮化硼10份和平均粒度30微米的碳化钛90份。
本实施例提供表面渗硼硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其包括以下步骤：
第一步：分别将不同含量立方氮化硼和碳化钛混合均匀，得到一系列不同立方氮化硼含量的初始材料；
第二步：使用表面渗硼硬质合金替代传统硬质合金片作为基体，将第一步所得到的初始材料通过模具压制到表面渗硼硬质合金基体上；
第三步：将第二步压制好的块体装配成高温高压合成块，通过高温高压烧结，压力为8GPa, 温度为1800℃，保温20分钟即制备得到新型聚晶立方氮化硼复合片。
实施例8
本实施例提供一种表面渗硼硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片制备方法，它是由表面渗硼处理后的硬质合金作为基体，陶瓷粘结剂和立方氮化硼混合坯体作为立方氮化硼层。
本实施例中所用的表面渗硼硬质合金为宿迁德特材料有限公司生产，厚度4毫米，直径58毫米，表面渗硼层为0.2毫米。
本实施例中立方氮化硼层是由以下质量份的组份构成：平均粒度2微米的立方氮化硼50份、平均粒度2微米金属铝粉10份和平均粒度2微米的碳化钛40份。
本实施例提供表面渗硼硬质合金基体聚晶立方氮化硼复合片的制备方法，其包括以下步骤：
第一步：分别将不同含量立方氮化硼和碳化钛混合均匀，得到一系列不同立方氮化硼含量的初始材料；
第二步：使用表面渗硼硬质合金替代传统硬质合金片作为基体，将第一步所得到的初始材料通过模具压制到表面渗硼硬质合金基体上；
第三步：将第二步压制好的块体装配成高温高压合成块，通过高温高压烧结，压力为5GPa, 温度为1400℃，保温20分钟即制备得到新型聚晶立方氮化硼复合片。
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