立方氮化硼陶瓷复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及立方氮化硼陶瓷复合材料及其制备方法。更具体地，本发明专利技术涉及由立方氮化硼(cBN)和各种陶瓷氧化物、氮化物的基质成分和基质材料的固态溶液以及晶须增强体构成的复合材料。还公开和要求保护所述复合材料的制造方法和它们在铁类金属的高性能加工中的用途。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】 本申请是申请日为2009年9月17日、申请号为200980136583. 8的中国国家专利 申请的分案申请。
由立方氮化硼（cBN)与各种陶瓷氧化物、氮化物的基质成分和/或它们的基质材 料的固态溶液以及碳化物晶须构成的复合材料及其制造方法。
技术介绍
具有大部分立方氮化硼（CBN)相（如大于50体积％ )和各种陶瓷添加剂（例如 氧化物、氮化物和碳化物）的切削工具组合物已经被商业化，以用于加工铸铁、硬化钢和其 它金属。然而，由于加工过程中摩擦生热产生的高温，使得某些铸铁合金的加工较为困难， 例如，球墨铸铁或懦墨铸铁（composite graphite iron)。人们相信在某些此类铸铁加工 应用中，切削点产生的高温会导致铸铁和cBN之间发生化学反应，这种反应被称为"化学磨 损"。这种化学磨损转而常常导致切削工具过早失效。 已经利用切削工具使用的各种组合物尝试解决这种问题。例如，由于氧化铝表现 出高的化学稳定性，因此氧化铝基切削工具有可能解决化学磨损问题。然而，氧化铝易于发 生脆性断裂，由氮化硅基陶瓷构成的切削工具也已经用于加工铁类金属和合金，其中该陶 瓷包括氮化娃、氧化错和氮化错的固态溶液，例如赛隆（silicon aluminum oxynitrides) 相。虽然其在高温下的稳定性是有益的，但此类材料不具有含cBN切削工具所表现出的硬 度和耐磨性。 另外，纤维或晶须增强是一种已经用来赋予陶瓷材料更大断裂韧度的方法。由于 增加的断裂韧度与设计用于加工钢铁的切削工具有关，因而是一种期望的属性。例如，已经 发现，对于氧化铝（Al 2O3)来说，添加碳化硅（SiC)晶须可以显著增加断裂韧度，并且在某 些应用中产生更好的性能。已经将SiC晶须加入Si 3N4，或者已经将AlN基质SiC晶须加入 Al2O3、莫来石或B4C(美国专利No. 4, 543, 345)。已经报道了其它晶须增强方法和其它晶须 材料，例如，钛、锆和其它过渡金属的碳化物、硼化物和氮化物。 已经描述了用SiC晶须和其它晶须材料增强的陶瓷切削工具，其中其它晶须材料 例如为过渡金属（如4族和5族的过渡金属）的氮化物、硼化物和碳化物。通过烧结向cBN 陶瓷内加入晶须增强物的方法还没有被描述。具体地讲，还没有将晶须加入也包括cBN的 陶瓷基中。也没有描述过包括cBN的此类陶瓷基和将SiC晶须均匀分散到该基质内或在烧 结cBN所需高压下保持晶须完整性的方法。 此处所公开的内容描述了在解决上述一个或多个问题方面的尝试。因此，需要提 供一种材料，该材料提供期望的硬度、改善的耐磨性、高温稳定性和对化学磨损的抵抗力， 并且可用于制造允许更高切削速度的切削工具。
技术实现思路
在一个实施方式中，一种复合材料可由立方氮化硼（cBN)与各种陶瓷氧化物、氮 化物和基质材料的固态溶液的基质成分构成。一种陶瓷基复合材料可包括立方氮化硼、氧 化铝、氮化硅。该陶瓷基复合材料还可包括氮化铝和/或氮化硅、氧化铝和氮化铝的固态溶 液。该复合材料还可包括添加元素，例如镧系元素、钇或钪中的至少一种。在一个实施方式 中，该添加元素以氧化物形式添加。 -种制备陶瓷基复合材料的方法可包括：提供粉末；将立方氮化硼、氧化铝和氮 化硅在该粉末中混合，以形成混合物；以及在至少约1200°C的温度和至少约40kBar的压力 下烧结该混合物，以形成烧结产物。该方法还可包括将烧结产物制成切削工具的步骤。该 粉末也可包括氮化铝和/或氧化物形式的添加元素。所述添加元素可以是镧系元素、铱或 钪。该方法还可包括向粉末内加入碳化硅晶须和/或氮化硅晶须的步骤。 另一个实施方式包括具有立方氮化硼（cBN)和碳化硅晶须的陶瓷基复合材料。该 复合材料还可包括氮化硅晶须和添加元素。所述添加元素可以是镧系元素、钇或钪或它们 的氧化物中的至少一种。碳化硅晶须可以具有约1至约2 μπιΧ约17至约20 μπι的尺寸， 在一个替代实施方式中，具有约1. 5 μ mX约18 μ m的尺寸。【附图说明】 图1示出了根据一个实施方式制备的三种复合材料的工具寿命。 图2示出了根据一个实施方式的具有碳化硅晶须的陶瓷的图像。 图3描述了具有不同cBN粒度的陶瓷基复合材料的两个实施方式的硬度。 图4描述了具有不同氧化铝含量的陶瓷基复合材料的两个实施方式的硬度。 图5描述了具有不同氧化铝含量的陶瓷基复合材料的两个实施方式的β相氮化 硅的浓度。【具体实施方式】 在描述本本专利技术方法、系统和材料之前，应当理解，本公开并不限于所描述的特定 方法、系统和材料，因为它们可以变化。还应当理解，本说明中使用的术语仅仅是为了描述 特定的形式或实施方式，并不旨在限制范围。例如，如此处和所附权利要求中所使用的，除 非上下文明确表示不是这样，单数形式的"一个"、"一种"和"该"包括复数涵义。此外，如 此处所用，术语"包括"旨在表示"包括但不限于"。除非规定不是这样，此处所用所有科学 和技术术语与本领域的普通技术人员通常理解的具有相同含义。 本公开主要涉及一种陶瓷复合材料，该复合材料在工艺装备应用中表现出改善的 化学耐磨性和热稳定性。具体地讲，本公开涉及具有立方氮化硼（cBN)、氧化铝和氮化硅的 陶瓷复合材料。另一个实施方式包括具有cBN、氧化铝、氮化铝和氮化硅的陶瓷复合材料。 在另一个实施方式中，陶瓷复合材料可包括cBN和氮化硅、氧化铝与氮化铝的固态溶液。 烧结态的陶瓷复合材料包括约10至约30重量％ (wt. % )的cBN，在一个实施方 式中，包括约10至约20重量％的〇81 cBN的粒径可以为约0.5至约10 μ m，在一个实施方 式中，小于约5 μπι。该复合材料还可包括约40至约80重量％氧化错、约10至约50重量％ 氮化硅、和约0至约50重量％氮化铝，这些陶瓷的总含量为约70至约90重量％。替代实 施方式可包括最多约15重量％碳化娃晶须或最多约15重量％陶瓷晶须。 向陶瓷复合材料中添加氮化硅具有优点和惊人的最终性质。当制备仅包含立方氮 化硼和氧化铝的复合材料时，高温高压（HPHT)烧结形成的材料表现出cBN和氧化铝相之间 较弱的结合力。在用金刚石介质打磨之后，可以从材料表面清晰分辨这一点。由于打磨过 程中cBN颗粒被拔出，因此表面显得较为粗糙，并且具有许多凹坑区域。微观检验证明，许 多cBN颗粒离开打磨过的表面，并在表面上留下小的凹坑。这表明cBN和氧化铝之间结合 力较弱，因此可以料到会形成劣质的切削工具材料。当组合物包含至少约5体积％的氮化 硅时，cBN和氧化铝之间的结合力大大增加，这可以从烧结材料打磨之后获得的光滑无凹坑 表面得到证明。对该打磨表面的微观检验表明，cBN颗粒仍然结合在氧化铝基质内。 在实施方式中，陶瓷基复合材料还可包括添加元素。所述添加元素可以是镧系元 素、钇或钪中的至少一种。添加元素可以是氧化物形式的。在一个实施方式中，复合材料可 包括0至约20重量％的氧化钇（Y 2O3),在一个实施方式中，小于约5重量％。氧化钇通常用 作氮化硅的烧结助剂，在这种情况下，氧化钇形成硅酸盐，并在用来烧结氮化硅的约1900°C 的高温下会形成液相。然而，在包含氧化铝、氮化硅和cBN的陶瓷组合物中加入氧化钇会产 生充分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种烧结态的陶瓷基复合材料，其包括：约10重量％至约20重量％的立方氮化硼(cBN)；约40重量％至约80重量％的氧化铝；和约10重量％至约50重量％的氮化硅。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：阿布斯萨米·马利克，斯蒂芬·多莱，
申请(专利权)人：戴蒙得创新股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US