賈洪聲,鄂元龍,李海波,汪尹強,賈曉鵬,馬紅安,鄭友進,

(1.吉林師范大學功能材料物理與化學教育部重點實驗室,吉林四平136000; 2.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,吉林長春130012; 3.牡丹江師范學院新型炭基功能與超硬材料省重點實驗室,黑龍江牡丹江157011)

硬質合金高壓熔滲制備聚晶立方氮化硼復合片①

賈洪聲1,3,鄂元龍1,李海波1,汪尹強1,賈曉鵬2,馬紅安2,鄭友進3,

(1.吉林師范大學功能材料物理與化學教育部重點實驗室,吉林四平136000; 2.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,吉林長春130012; 3.牡丹江師范學院新型炭基功能與超硬材料省重點實驗室,黑龍江牡丹江157011)

在高溫高壓條件下(HPHT,5.2 GPa,1450℃),通過硬質合金基體的高壓原位熔滲法,制備了質地均勻的Φ15×5 mm的聚晶立方氮化硼(PcBN)復合片。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、能譜儀(EDS)等考察了PcBN復合片的組織形貌及物相成分,并對其界面復合機理進行了探討。實驗結果表明,硬質合金(WC-Co)基體中WC及Co通過熔滲擴散到立方氮化硼(cBN)層,通過WC、MoCoB、Co3W3C等粘結相,實現(xiàn)了PcBN復合片的界面復合,PcBN層形成致密的“混凝土”結構。

高溫高壓;聚晶立方氮化硼復合片;熔滲;硬質合金

0 引言

作為立方氮化硼(cBN)工具的一種重要應用材料,聚晶立方氮化硼(PcBN)復合片以其優(yōu)越的性能充分體現(xiàn)了現(xiàn)代制造業(yè)對材料的要求,廣泛地應用于冷硬鑄鐵、耐熱合金及淬硬鋼等材料的精密加工領域[1-5]。

PcBN復合片是在高溫高壓(4.8～5.2 GPa, 1400℃～1550℃)條件下將立方氮化硼粉末顆粒依靠粘結相,使整個立方氮化硼粉末層形成高強度“混凝土”結構的燒結型cBN聚晶,并與硬質合金基體燒結復合,形成一體的復合材料。各種PcBN材料因制造方法、復合途徑及燒結機理不同,其產品性能也表現(xiàn)出明顯的差異。目前,在制備PcBN的方法上,采用的都是立方氮化硼與粘結劑粉末混合的燒結方法[6],其特征是立方氮化硼與粘結劑的含量配比通常很難達到最優(yōu),合成條件區(qū)間較窄,同時會帶來如燒結組織結構不均勻(“架橋”、“團聚”),產品穩(wěn)定重復性差等問題,嚴重地影響PcBN工具的性能。因此,深入開展PcBN復合片材料中立方氮化硼聚晶及界面的微觀燒結機制的研究,不僅能對改善PcBN復合片材料的缺陷問題有指導作用,而且還可以通過材料的微觀形貌及物相成分來推斷界面復合過程及機理,目前,這方面的研究還較少[7-9]。本文以高壓熔滲燒結的方法制備PcBN復合片,同時結合采用SEM、XRD、EDS等分析手段考察PcBN復合片中高壓物理化學反應及硬質合金的熔滲擴散特征及其機理。

1 實驗方法

實驗是在國產SPD 6×800型六面頂壓機上進行的。選用粒徑為10～14μm、3～5μm的兩種立方氮化硼粉末(采購于河南富耐克,制備的PcBN復合片樣品分別記為1#和2#),質量各為0.65 g、Φ15 ×3 mm的YG8碳化鎢基體作為原材料。首先將立方氮化硼粉末及硬質合金基體放入屏蔽器具鉬杯中, 40 MPa預壓成型,真空700℃熱處理1 h,再將組裝兩種粒徑原料的鉬杯置入帶有鹽管的加熱石墨管套件,組裝圖如圖1所示。然后將所有部件一并放入37.5×37.5×37.5 mm的葉蠟石復合塊中合成,高溫高壓制備條件為5.2 GPa、1450℃,燒結保溫時間為6 min,最后經過慢降溫卸壓后獲得Φ15×5 mm的PcBN復合片(1#和2#),其具有良好的可加工性(電阻～2Ω),對兩種粒徑制備的PcBN復合片樣品進行了SEM(日本理學,S-570)、EDS及XRD (Rigaku D/max-2500/PC)的測試分析,并討論其燒結機制。

圖1 樣品組裝示意圖Fig.1 Sample assembly diagram

2 分析與討論

2.1 PcBN復合片組織形貌分析

本文通過高溫高壓下硬質合金基體原位熔滲技術,實現(xiàn)了PcBN復合片中聚晶立方氮化硼與碳化鎢基體的牢固粘結復合。為了更清晰地觀測PcBN復合片的微觀組織形貌,對粒徑10～14μm的cBN粉末制備的1#PcBN復合片界面層附近斷面進行了SEM觀察,圖2所示為整體PcBN復合片的界面形貌,可以發(fā)現(xiàn),WC-Co基體和cBN層形成粘結,有明顯的分界面,結合界面兩側有遠小于原始晶粒大小被粘結相包裹的微晶(1～2μm)存在,在WC-Co基體一側尤為明顯,這是由于高壓下晶粒破碎的結果。

圖2 PcBN-WC界面的SEM圖Fig.2 SEM picture of PcBN-WC interface

對結合界面附近的PcBN層斷面進行了SEM掃描,如圖3所示,可以發(fā)現(xiàn)原始的立方氮化硼粉末有高溫下被熔融液相掃越式熔滲的跡象,cBN顆粒被粘結相包裹,形成了“混凝土”結構。SEM顯微形貌可以推測在整個PcBN燒結的過程中,cBN顆粒經過高壓破碎、細化重排、液相燒結等過程形成了氮化硼之間成鍵的致密結構,整個PcBN層斷面沒有發(fā)現(xiàn)“架橋”等現(xiàn)象。

2.2 PcBN能譜面掃描分析

為了分析碳化鎢基體向cBN方向的熔滲特征及其成分的元素分布,對PcBN表層進行了能譜面掃描分析,該測試是在掃描電子顯微鏡—能譜儀上進行的,圖4所示為10～14μm的cBN粉末制備1# PcBN樣品的EDS圖,其中的B元素該設備檢測不到。在PcBN中,有屏蔽材料Mo元素,也有少量Ti、Al、Fe、K、O等元素存在。由于原材料表面通常有一層氧化膜,所以樣品中有O元素的存在。其中Fe、Mo等元素的存在可以增加顆粒間的強度,有較好的潤濕性,起流體傳壓介質的作用,有利于PcBN均勻無形變燒結。

圖3 PcBN層SEM顯微圖Fig.3 SEM micrograph of PcBN layer

圖4 1#PcBN元素分布的EDS顯微圖Fig.4 EDS micrographs of 1#PcBN element distribution

制備2#PcBN復合片,從圖5能譜的面掃描照片可以看出,碳化鎢基體的熔滲擴散能力很強,采用粒徑更細的3～5μm的cBN粒徑,也可以熔滲到cBN層,形成有效的燒結。在PcBN中也有屏蔽材料Mo、Fe、K、O等元素存在。在燒結的過程中,由于cBN不溶于金屬粘結劑,所以不會有cBN晶粒的溶解析出和長大的過程。因此推測硬質合金基體中的Co成分是PcBN燒結的主要粘結相,硬質合金中的Co液相金屬填充到cBN晶界中,發(fā)生化合反應,對 cBN燒結有一定的促進作用,使得硬質合金和cBN形成緊密粘結。液相金屬粘結劑的存在,也有利于降低燒結條件,提高PcBN的韌性。

2.3 PcBN物相成分分析

為考察PcBN物相的存在形式,利用XRD對兩種粒徑制備的PcBN復合片樣品表面物相成分進行了表征。測試條件:Cu Kα射線,石墨晶體單色器, 200 m A,40 k V,波長為0.15418 nm,掃描速度為4 deg/min。結果如圖6所示。

圖5 2#PcBN的SEM-EDS圖Fig.5 SEM-EDS micrographs of 2#PcBN

圖6 PCBN的X-ray衍射圖Fig.6 X-ray diffraction pattern of PCBN

XRD分析結果表明,兩種粒徑制備的PcBN樣品物相成分基本相同,有金屬合金的硼合物MoCoB生成。這也說明:PCBN復合材料的結合強度高低取決于cBN層與硬質合金間的化合作用,在HPHT的條件下,PcBN內部會發(fā)生強烈的化學化合作用。發(fā)生的反應如下:

通過硬質合金基體中Co的擴散與cBN表面發(fā)生界面反應,生成了穩(wěn)定的MoCoB等,如公式(1)。CoxWxC的存在,說明基體中WC與Co通過熔滲擴散形成了固熔體,如公式(2)。因為WC和Co的共晶溫度為1320℃,同時,在1340℃時,Co對WC的浸潤角為0[10],所以在燒結的過程中形成了Co3W3C。同時,WC等耐高溫晶界相的存在,有利于減小結晶應力,在cBN與粘結金屬之間引入陶瓷金屬相,有利于PcBN保持高耐磨性,進一步提高cBN與硬質合金基體間的附著力。hBN相及EDS能譜檢測的少量雜質元素形成的物相XRD沒有體現(xiàn)。

3 結論

通過硬質合金高溫高壓條件下的熔滲擴散,制備了兩種粒徑(10～14μm,3～5μm)的PcBN復合片。SEM、EDS掃描結果表明,cBN顆粒被粘結相包裹而形成了“混凝土”結構。WC-Co基體部分合金化合物熔滲擴散到cBN層中,保持了PcBN的高耐磨性,少量的金屬成分如Mo和Fe等形成的物相提高了粘結劑對cBN的潤濕性,同時更有效地提高了PcBN韌性。XRD結果表明PcBN層形成了cBN,金屬強碳化物WC、固溶體Co3W3C、MoCoB等,沒有發(fā)現(xiàn)hBN相,這些化合物的存在是cBN-WC粘結復合形成PcBN復合片的主要機制。

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Preparation of Polycrystalline Cubic Boron Nitride Compact by Cemented Carbide High-Pressure Infiltration

JIA Hong-sheng1,3,E Yuan-long1,LI Hai-bo1*,WANG Yin-qiang1, JIA Xiao-peng2,MA Hong-an2,ZHENG You-jin3
(1.Key Laboratory of Functional Materials Physics and Chemistry of the Ministry of Education,Jilin Normal University,Siping 136000,China; 2.State Key Laboratory of Superhard Materials,Jilin University,Changchun 130012,China; 3.Key laboratory of New Carbon-base Functional and Superhard Materia, Mudanjiang Normal College,Mudanjiang 157011,China)

Under high temperature and high pressure conditions(HPHT,5.2GPa, 1450℃),homogeneous Polycrystalline Cubic Boron Nitride(PcBN)compact ofΦ15×5 mm has been synthesized through the cemented carbide high pressure in situ melting infiltration method.The structure morphology and phase composition of PcBN compact has been investigated through scanning electron microscope(SEM),X-radial Diffractometer (XRD)and Energy Disperse Spectroscopy(EDS).It's mechanism of composite interface has also been discussed.The experiment result shows that the WC and Co in the cemented carbide(WC-Co)substrate spread into Cubic Boron Nitride layer through melting infiltration.And the binding phase of WC,MoCoB and Co3W3C facilitate the interface recombination of the PcBN compact,hence a compact"concrete"structure has been formed on the PcBN layer.

HPHT,PcBN Compact,melting infiltrating,cemented carbide

TQ163;O521.3

A

1673-1433(2014)02-0026-05

2014-07-12

賈洪聲(1982-),男,吉林雙遼人,講師,博士,主要從事超硬材料制品的研究,E-mail:iop84041@163.com

四平市科技發(fā)展計劃項目(2012037);吉林大學開放課題(201201);牡丹江師范學院開放課題(201301)(50572032)

李海波(1962-),男,吉林雙遼人,教授,博導,主要從事功能材料研究,E-mail:lihaibo@jlnu.edu.cn。