李 勇，徐會文，張 杰，金 慧，鄧 韜，賈曉鵬

(1.銅仁學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，貴州銅仁 554300；2.太原重工軌道交通設(shè)備有限公司，山西太原 030001；3.吉林大學(xué)超硬材料國家重點實驗室，吉林長春 130012)

聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN)復(fù)合材料具有較高的硬度和耐磨性、很高的熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的化學(xué)惰性、較高的導(dǎo)熱性、較低的摩擦系數(shù)等優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于冷硬鑄鐵、耐熱合金、淬硬鋼等材料的精密加工領(lǐng)域[1-3]，尤其在鐵族金屬材料的切削加工方面，有著金剛石刀具不可比擬的優(yōu)勢(金剛石刀具在加工鐵族金屬時易形成碳化鐵)。PCBN復(fù)合材料自1975年美國GE公司首次合成以來，便成為最受歡迎的刀具材料之一。近年來，隨著計算機數(shù)控技術(shù)的迅猛發(fā)展和數(shù)控機床的廣泛應(yīng)用，切削加工向高速切削、干式切削、硬態(tài)切削、以車代磨等方向發(fā)展，PCBN刀具作為主要換代刀具取代了部分機械加工中的普通刀具，迎來了更廣闊的應(yīng)用空間。雖然我國對PCBN刀具材料的研究和制造取得了巨大的進步，在國際市場上占有較大的份額，但是一些制造技術(shù)難題還未攻克，與國際先進水平存在一定的差距。此外，國內(nèi)PCBN刀具材料生產(chǎn)商的總體實力不強，產(chǎn)品存在品種單一、片徑偏小、韌性不足、耐熱性差、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，無法滿足汽車工業(yè)等需要高品質(zhì)PCBN刀片材料用戶的需求。因此，研究PCBN的燒結(jié)工藝和燒結(jié)理論有著非常重要的現(xiàn)實意義。

基于不同燒結(jié)機制和燒結(jié)方法制備的PCBN材料，其性能的差異較大。直接轉(zhuǎn)化法是將立方氮化硼(cBN)微粉直接置于碳化鎢(WC)上，采用高溫高壓方法使其直接轉(zhuǎn)變成PCBN，并與WC牢固結(jié)合；該方法所需的溫度和壓力極高，約為1 800 ℃和7.0 GPa。釬焊法是將cBN微粉先在高溫高壓條件下合成cBN聚晶，然后利用焊接法將其與WC牢固結(jié)合；由于該方法分兩步完成，因此可以根據(jù)需要選用不同質(zhì)量的cBN聚晶燒結(jié)體，但是焊接工藝比較復(fù)雜。高溫高壓一次燒結(jié)成型法是將cBN微粉在高溫高壓條件下通過粘結(jié)劑實現(xiàn)與WC的牢固結(jié)合，目前多采用cBN與粘結(jié)劑混合的高壓一次燒結(jié)成型法，其缺點在于粘結(jié)劑與cBN的配比難以達到最優(yōu)化、合成區(qū)間窄、燒結(jié)編織結(jié)構(gòu)不均勻等，導(dǎo)致產(chǎn)品性能下降[4-7]。本研究采用另一種高溫高壓一次燒結(jié)成型法——熔滲法，即在cBN微粉的一端加一薄層片狀粘結(jié)劑，在高溫高壓下通過片狀粘結(jié)劑的熔解、滲透及其與cBN的化學(xué)反應(yīng)形成過渡層，從而實現(xiàn)cBN微粉與WC層的牢固結(jié)合，該方法對燒結(jié)溫度和燒結(jié)壓力的要求相對較低；通過熔滲法，研究合成壓力對PCBN復(fù)合材料的影響，并借助掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)和能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)對PCBN復(fù)合材料的燒結(jié)機制進行分析。

2 實 驗

圖1 PCBN合成實驗組裝圖Fig.1 Cell assembly used in PCBN synthesis experiment

實驗在國產(chǎn)SPD6×1200型六面頂壓機上進行。原材料選用平均粒徑為38 μm的cBN微粉，直徑為8 mm、厚度為2 mm的YG16WC-Co基體，以及高純鋁箔(純度大于99.6%)。實驗時將高純鋁箔置于頂端，YG16基體置于底端，cBN微粉置于二者之間。首先將cBN微粉和硬質(zhì)合金基體放入清潔的專用模具中，在35 MPa的壓力下粉壓預(yù)成型，隨后在真空環(huán)境下于700 ℃熱處理1 h；將預(yù)壓成型的圓坯放入帶有絕緣管的石墨加熱管中封裝；最后將所有部件依次放入葉蠟石復(fù)合塊中，進行高壓合成，如圖1所示。對燒結(jié)后的PCBN復(fù)合片進行SEM和EDS等測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 壓力對PCBN致密度的影響

圖2 樣品密度與合成壓力的關(guān)系Fig.2 Sample density vs.synthesis pressure

合成溫度固定為900 ℃，分別在2.5、3.5和5.2 GPa壓力下合成PCBN，分析壓力對cBN聚晶層致密度、cBN顆粒形貌及粒度的影響。為了排除其他因素對實驗結(jié)果的影響，實驗中未添加粘結(jié)劑。實驗結(jié)束后，采用阿基米德法測量經(jīng)高壓處理后的cBN微粉密度，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出：cBN微粉的松裝密度為2.03 g/cm3；當(dāng)壓力為2.5 GPa時，密度增至2.43 g/cm3；隨著壓力的進一步提升，cBN微粉密度逐漸增大；當(dāng)壓力提升至5.2 GPa時，密度達到3.2 g/cm3，接近cBN單晶密度3.48 g/cm3。為了觀察此過程中cBN微粉形貌和粒度的變化，利用SEM對cBN聚晶層進行微觀形貌測試，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看到：當(dāng)壓力為2.5 GPa時，大部分cBN微粉是完整的，只有一小部分開始破碎；當(dāng)壓力升至3.5 GPa時，出現(xiàn)大量不規(guī)則小顆粒，并與大粒度的cBN微粉緊密連接；當(dāng)壓力達到5.2 GPa時，cBN微粉的致密度很高。分析認為：在升壓過程中，cBN微粉首先發(fā)生破碎，進而在壓力的作用下發(fā)生滑移重排(見圖4)，在一定程度上排除了cBN微粉間的氣體，實現(xiàn)微粉間由點接觸向面接觸的過渡，最終導(dǎo)致致密性的提高。因此，適當(dāng)提高燒結(jié)壓力可以提升PCBN復(fù)合材料的致密度。

圖3 當(dāng)合成溫度為900 ℃，合成壓力分別為2.5、3.5和5.2 GPa時PCBN的SEM形貌Fig.3 SEM morphologies of PCBN obtained under 2.5,3.5 and 5.2 GPa at 900 ℃

圖4 cBN微粉破碎及滑移重排示意圖Fig.4 Schematic diagram of cBN powder crushand slip rearrangement

選用相同的cBN微粉原料和WC基體，加入Al箔(Al與cBN微粉的質(zhì)量比為1∶10)作為熔滲的粘結(jié)劑，在溫度為1 300 ℃，燒結(jié)時間為6 min，燒結(jié)壓力分別為4.7、5.1和5.5 GPa的條件下進行燒結(jié)實驗，采用SEM對燒結(jié)樣品的斷面進行微觀形貌觀測，結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)中可以看到，當(dāng)燒結(jié)壓力為4.7 GPa時，在高溫高壓的作用下cBN的尖角發(fā)生了明顯的鈍化(塑性形變)，有向片狀發(fā)展的趨勢，cBN微粉顆粒間有較大的間隙，有些顆粒呈松散狀堆積，粘結(jié)相未滲透到所有的空隙中。隨著燒結(jié)壓力的提高，如圖5(b)所示，較大的cBN顆粒和碎化的小顆粒相互交錯分布，顆粒間的空隙和氣孔逐步減少，粘結(jié)相更加均勻地分布在cBN顆粒周圍。當(dāng)燒結(jié)壓力達到5.5 GPa時，如圖5(c)所示，cBN聚晶層的斷面已經(jīng)非常平整，氣孔基本消失，微觀組織非常致密。此外，粘結(jié)劑Al箔熔化成液相，極大地增強了體系的流動性，使得粘結(jié)劑和碎化的cBN微粉小顆?；频絚BN大顆粒的間隙中，引起cBN微粉的再次重排，體積進一步收縮，并且壓力越高，收縮越大，聚晶層的致密度越高。

3.2 壓力對PCBN耐磨性的影響

圖6 樣品耐磨性與合成壓力的關(guān)系Fig.6 Sample abrasion resistance vs.synthesis pressure

耐磨性是PCBN復(fù)合材料的一個重要指標(biāo)。為了考察PCBN復(fù)合材料的耐磨性，將PCBN燒結(jié)樣品(燒結(jié)溫度為1 300 ℃，燒結(jié)壓力分別為5.0、5.2、5.3和5.5 GPa)與標(biāo)準(zhǔn)磨耗比測試砂輪對磨，測量對磨前、后各自的質(zhì)量損失。經(jīng)多次測量，當(dāng)砂輪的質(zhì)量損失為25 g時，燒結(jié)壓力分別為5.0、5.2、5.3和5.5 GPa的燒結(jié)樣品的平均質(zhì)量損失分別為8.4、5.1、2.3和1.8 mg。用PCBN燒結(jié)樣品的質(zhì)量損失與砂輪質(zhì)量損失的比值衡量PCBN樣品的耐磨性，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出：燒結(jié)壓力對PCBN復(fù)合材料的耐磨性有明顯的影響，適當(dāng)?shù)靥岣邏毫?，可以在一定程度上提升樣品的耐磨性。致密度是影響耐磨性的重要因素之一。PCBN的致密化過程可分為燒結(jié)前和燒結(jié)時。燒結(jié)前的致密化過程是指在壓力的作用下cBN粉末顆粒部分破碎密排及顆粒間空隙收縮的過程。在此過程中，壓力越大，空隙收縮越大，材料越致密，粉末呈密集堆積狀態(tài)，當(dāng)達到一定的致密度后，體積收縮不明顯。燒結(jié)時的致密化過程是指當(dāng)體系溫度達到金屬熔融溫度后，金屬合金片熔滲到PCBN中，使PCBN層的體積收縮，同時伴隨著相變。液相的出現(xiàn)，使粘結(jié)相和小顆粒cBN發(fā)生滑移進入大顆粒間的孔隙，引起cBN微粉顆粒的重排，PCBN層進一步收縮，并且壓力越高，收縮越大，PCBN越致密。因此，適當(dāng)?shù)靥岣吆铣蓧毫?，可使PCBN燒結(jié)得更徹底，致密度和耐磨性得以提高。采用努普壓頭測試5.5 GPa壓力下燒結(jié)得到的PCBN樣品，測得其維氏硬度為3.87 GPa。

3.3 PCBN材料的復(fù)合機制

圖7 cBN-WC界面的SEM形貌Fig.7 SEM morphology of the cBN-WC interface

圖8 cBN-WC界面的元素分布Fig.8 Elements distribution of PCBN-WC interface

圖9 cBN-WC界面的能量色散譜Fig.9 Energy-dispersive spectrum of the cBN-WC interface

為了深入研究PCBN復(fù)合材料的界面復(fù)合機理，對高溫高壓下制備的PCBN樣品斷面進行了能譜掃描，結(jié)果如圖8和圖9所示，其中xAl、xW和xCo分別為Al、W和Co的相對含量。從圖8中可以看出：粘結(jié)劑Al的擴散能力非常強，從cBN層的一端擴散到了另一端，比較均勻地分布在整個cBN層中，部分Al元素甚至溶滲進入硬質(zhì)合金層中；與此同時，硬質(zhì)合金層中的Co和W也有少量滲透到cBN層中。分析認為：在高溫高壓作用下，硬質(zhì)合金-cBN聚晶層界面處的硬質(zhì)合金發(fā)生熔化，熔融的W-Co共晶體在表面張力的作用下滲透到cBN聚晶層中；此外，cBN聚晶層與WC硬質(zhì)合金層中各元素彼此擴散、滲透，在結(jié)合界面處發(fā)生反應(yīng)形成穩(wěn)定的金屬過渡層，將二者牢固地結(jié)合在一起。從圖8和圖9中可以非常直觀地得到cBN與WC結(jié)合界面處各種元素的相對含量。

4 結(jié) 論

在高壓作用下，cBN微粉顆粒發(fā)生破碎、重排，實現(xiàn)了顆粒間由點接觸向面接觸的過渡。隨著壓力的提升，PCBN復(fù)合材料的致密度、耐磨性均有一定程度的增強。添加Al粘結(jié)劑時，cBN聚晶層與WC硬質(zhì)合金在高溫高壓作用下發(fā)生適度的界面反應(yīng)，形成過渡層，實現(xiàn)二者的牢固結(jié)合。

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