鄧 華，潘天浩，張志超，王明智*，邢 英，李 彧，武 迪，趙玉成

(1.晶日金剛石工業(yè)有限公司,河北 燕郊 065201;2.燕山大學 亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室,河北 秦皇島 066004)

共價鍵化合物陶瓷結合劑對干切削PcBN刀具復合材料的影響

鄧 華1，潘天浩1，張志超2，王明智2*，邢 英1，李 彧1，武 迪2，趙玉成2

(1.晶日金剛石工業(yè)有限公司,河北 燕郊 065201;2.燕山大學 亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室,河北 秦皇島 066004)

針對傳統(tǒng)PcBN刀具材料由于結合劑的原因，存在整體熱穩(wěn)定性、抗磨損性偏低等問題，文章采用非化學計量比TiN0.3、TiN0.3+AlN及cBN表面鍍鈦等方法，研究了這些方法對結合劑與cBN界面結合的影響，討論了界面形成的物相對PcBN性能的影響；文中采用SEM對樣品的拋光表面和斷口進行觀察，利用EDS分析界面處的元素分布，利用XRD分析了樣品的相組成；采用阿基米德排水法測量樣品的密度，維氏硬度計測量樣品的維氏硬度。利用高精密數(shù)控車床對PcBN刀具的切削性能進行了測試。結果證明：TiN0.3與cBN復合后的界面通過中間相TiB2相結合，AlN的加入促進了TiB2的生成，并改善了TiN0.3與cBN熱膨脹系數(shù)的失配。cBN表面鍍Ti后實現(xiàn)了界面成分的過渡，加入AlN后界面出現(xiàn)了Al元素的聚集。采用TiN0.3作為結合劑主相，在結合相中添加其它強共價鍵類金屬碳化物或氮化物，通過對原料成分與合成條件的控制，燒結后獲得了無低熔點或低硬度相致密的PcBN燒結體。PcBN燒結體具有高硬度，高強度，優(yōu)異的耐高溫性和耐磨損性。通過以TiN0.3作為結合劑主相與cBN的結合，成功制備了系列PcBN刀具材料，均被用來對淬火鋼等硬質鋼進行高速、高精度和高效切削，使以往主要采用磨削加工的難加工材料實現(xiàn)了切削加工。

PcBN;共價鍵化合物;陶瓷結合劑;界面擴散;干切削

1 前言

PcBN切削刀具最主要的應用領域為加工各種高硬度淬火鋼等鐵族金屬材料(工具鋼，模具鋼，軸承鋼，高速鋼，高錳鋼和白口鑄鐵)，以及各種難加工材料(表面硬化合金，球墨鑄鐵)。許多其他應用也被報道在加工科學領域的資料中，比如應用領域較小但是迅速發(fā)展的超合金的切削。PcBN的硬態(tài)切削技術是指對硬度大于HRC45的淬火鋼進行切削加工的工藝。由于cBN具有比金剛石更高的耐熱溫度，因此PcBN可應用于高速干切削硬質鋼材。高速切削過程中刀尖具有較大的切削應力，刀具與工件表面高速摩擦形成的切削熱在刀尖部位積累，使得刀尖的溫度通常能夠達到1000 ℃或更高。刀尖部位的高溫足以軟化金屬，同時cBN的耐高溫性能也可以使PcBN保持足夠的強度來完成切削。

高硬度難切削材料的加工要求PcBN刀具在高速與高溫切削條件下能保持較高的硬度和抗磨損性。通過對TiN1-x與多種難熔金屬碳化物與氮化物復合材料的研究，人們制備了適用于高速干切削的PcBN刀具材料。

近年來，切削工具在機械自動化方面取得了顯著的進步并得到了廣泛的應用，另一方面，切削過程對高效、節(jié)能和降低成本方面有著強烈的需求，引導PcBN刀具向著高速切削方向發(fā)展[1]。常規(guī)以Co、W、Al等做結合劑的PcBN刀具，在普通切削條件下對鋼和鑄鐵的加工表現(xiàn)令人滿意，但是當它用于硬度高于50 HRC的淬火鋼與合金鋼等硬質鋼的連續(xù)或斷續(xù)高速切削時，由于高速摩擦導致切削刃處的熱量積累，形成通常大于1000 ℃的高溫區(qū)，連續(xù)或間歇的機械載荷在切削刃處造成了極高的壓力，PcBN刀具中的結合劑就會在高溫下發(fā)生軟化，因此切削刃處容易形成磨損和變形，切削過程中難以長時間保持加工工件的尺寸精度，刀具在較短的時間內就會達到使用壽命[2-5]。

PcBN刀具對硬質鋼的高速干切削過程決定了結合劑需要有足夠高的硬度和熱穩(wěn)定性，以及耐磨性來抵抗加工過程中產(chǎn)生的應力沖擊、高溫和磨損。由于TiN具有高硬度、高熔點、耐磨損性和化學穩(wěn)定性，使用TiN做結合劑的PcBN刀具大大提高了材料的硬度、高溫穩(wěn)定性和抗磨損性，但同時降低了材料的可燒結性與韌性，TiN結合劑的PcBN刀具需要提高粉體的燒結活性以及適當?shù)钠胶忭g性和抗磨損性。本研究所制備的PcBN的特點為燒結體內部無低熔點相和低硬度相，因此能夠保證材料較高的硬度和熱穩(wěn)定性；TiN0.3與其它化合物復合并形成了不同的韌化機理，作為結合劑后為燒結體提供了一定的韌性；燒結過程中以TiN0.3為結合劑主體的結合劑內部有較強烈的擴散現(xiàn)象與物質交換，因此可以在較低的溫度與壓力下達到致密化燒結。

2 PcBN的制備過程與分析方法

試驗中所用的TiN0.3粉體由金屬Ti粉(純度99.5 %，粒度40 μm)與尿素(CH4N2O，分析純)經(jīng)MA制得，原料的成分配比列于表1。

表1 MA制備TiN1-x粉體Ti與尿素成分配比Table 1 the composition proportion of Ti and urea when MA is used to prepare TiN1-x powder

TiN0.3由Ti粉與尿素按照6∶1(mol)的比例制備[6]；AlN為市購，純度為98%，余者為Al2O3；cBN為市購，純度99.9%，粒度1～40 μm；首先將TiN0.3、TiN0.3+AlN及cBN等粉體充分混合并冷壓成型。利用六面頂壓機對樣品進行制備。在壓機上先對樣品在常溫下加壓至5 GPa，隨后加熱到指定的溫度，保溫后冷卻并卸壓。

采用SEM對樣品的拋光表面和斷口進行觀察，利用EDS分析界面處的元素分布，利用XRD分析樣品的相組成；采用阿基米德排水法測量樣品的密度，維氏硬度計測量樣品的維氏硬度，載荷1000 g，保載10 s;在高精密數(shù)控車床對PcBN刀具的切削性能進行了測試。

3 試驗結果及分析

3.1 TiN0.3對cBN界面結合的影響

圖1為在1500 ℃、5 GPa、10 min燒結條件下得到的TiN0.3與cBN界面結合區(qū)域的SEM形貌。在此燒結條件下，TiN0.3與cBN界面結合得嚴密無縫隙，并且兩相界面處生成了大約1 μm厚的反應層，TiN0.3與cBN通過此反應層的中間相實現(xiàn)了兩相界面的結合。TiN在高溫下與cBN反應并在界面區(qū)域生成TiB2，此結果在以往的研究中已經(jīng)被證實并在文獻中被廣泛報道[7]。由此推測此反應層內的中間相為TiB2。

圖1 TiN0.3/cBN界面結合區(qū)域SEM圖像Fig.1 SEM image of the TiN0.3/CBN interface

TiB2中間相的生成在界面兩側成分分析中表現(xiàn)為Ti元素含量的起伏，圖2為TiN0.3與cBN界面結合區(qū)域元素分布的EDS線掃描，圖2a為界面反應區(qū)域元素分布數(shù)據(jù)采集所對應的SEM圖像，圖2b、2c和2d分別為Ti、B和N元素在界面兩側的分布。Ti元素的分布在界面處出現(xiàn)了峰值，Ti元素含量的起伏間接反映出TiB2中間相在界面區(qū)域的生成。

圖3為在1500 ℃、5 GPa、10 min條件下TiN0.3與cBN燒結后得到的XRD圖譜。由于此界面區(qū)域反應的程度較小，反應后界面區(qū)域生成的TiB2中間相的量較少，因此樣品燒結后的XRD除了TiN與cBN相外，并未檢測到TiB2中間相。

TiN與cBN的熱膨脹系數(shù)相差較大，圖4為實測得到的TiN0.3在燒結體室溫到1300 ℃下的熱膨脹系數(shù)。TiN0.3與cBN相比，TiN0.3的熱膨脹系數(shù)在1300C時達到了10.8×10-6，而cBN的熱膨脹系數(shù)在1160 ℃時僅為5.8×10-6。

圖2 TiN0.3/cBN界面EDS線掃描(a)SEM圖像；(b)Ti；(c)B；(d)NFig.2 EDS liner scan of TiN0.3/CBN interface

圖3 TiN0.3/cBN燒結體XRD圖譜Fig.3 XRD pattern of TiN0.3/CBN sintered compact

圖4 TiN0.3熱膨脹系數(shù)Fig.4 Thermal expansion coefficient of TiN0.3

由于熱膨脹系數(shù)存在較大的差別，導致了TiN0.3與cBN燒結體燒結冷卻后由于收縮量的不同，在燒結體內部形成了較大的內應力和裂紋，如圖5a所示。裂紋在TiN0.3內部擴展，大多數(shù)裂紋在遇到cBN顆粒后沿TiN0.3與cBN界面擴展，如圖中A所示。由于TiB2中間相的生成增大了TiN0.3與cBN顆粒的結合強度，少數(shù)裂紋在cBN顆粒處形成了cBN的穿晶斷裂，如圖中B所示。圖5b為燒結體斷口的SEM形貌，cBN顆粒與TiN0.3的結合強度較高，多數(shù)cBN顆粒在樣品的斷口處呈現(xiàn)穿晶斷裂，如圖中A所示，較少cBN顆粒沿著與結合劑的結合界面脫落，如圖中B所示。

3.2 添加AlN對cBN界面結合的影響

為了改善燒結體的脆性開裂，調節(jié)TiN0.3與cBN熱膨脹系數(shù)的失配，在TiN0.3中加入AlN后在1500 ℃、5 GPa、10 min條件下燒結得到TiN0.3/AlN與cBN燒結體。圖6為燒結體的表面SEM形貌，燒結體內部開裂的情況得到了明顯的改善，不僅裂紋的長度和數(shù)量減小，TiN0.3/AlN與cBN顆粒界面由于裂紋導致的破損情況也得到了明顯的改善。

圖5 TiN0.3/cBN燒結體SEM圖像(a)拋光表面；(b)斷口Fig.5 SEM image of TiN0.3/CBN sintered compact

圖6 TiN0.3/AlN/cBN燒結體表面SEM圖像Fig.6 SEM image of the surface of TiN0.3/AlN/CBN sintered compact

圖7為TiN0.3/AlN與cBN界面結合區(qū)域元素分布的EDS線掃描，圖7a為界面反應區(qū)域元素分布數(shù)據(jù)采集所對應的SEM圖像，圖7b、7c和7d分別為Ti、Al和B元素在界面兩側的分布。Ti元素的分布在界面處出現(xiàn)了峰值，相比于TiN0.3與cBN界面，Ti元素含量的起伏明顯增強，間接反映出更多含量的TiB2中間相在界面區(qū)域的生成。Al元素除了在界面的少量聚集之外，更多的Al元素擴散進入到cBN內。Al與cBN在高溫高壓條件下的研究結果表明[8-9]，Al原子擴散進入cBN的表層，置換出其中的B原子，Al原子與N原子結合生成AlN，但是AlN并未沿襲cBN的立方結構，生成亞穩(wěn)態(tài)的面心立方結構的AlN，而是生成了穩(wěn)定六方結構的AlN。

圖7 TiN0.3/AlN與cBN界面EDS線掃描(a)SEM圖像；(b)Ti；(c)Al；(d)BFig.7 EDS liner scan of TiN0.3/AlN and CBN interface

本文在TiN0.3與AlN界面區(qū)域反應的研究中發(fā)現(xiàn)，反應過程中AlN分解并釋放出了大量的自由Al原子。Al原子在TiN0.3內部擴散遷移，聚集在cBN的表層并置換出表層的B原子，Al原子與剩余的N原子結合生成AlN，被置換出的B原子在TiN0.3內部沿N空位進行擴散，由于B原子與Ti原子之間具有很高的結合能力，同時由于TiN0.3內的富Ti結構，金屬陽離子很容易與B結合生成TiB2。因此，Al原子對B原子的置換導致了界面反應區(qū)域更多TiB2的生成，這在EDS線掃描中表現(xiàn)為Ti元素含量起伏的增強。

圖8為TiN0.3/AlN與cBN燒結后得到的XRD圖譜。由于此界面區(qū)域反應的程度依然較小，反應后界面區(qū)域生成的TiB2中間相的量較少，因此樣品燒結后的XRD除了TiN、AlN與cBN相外，并未檢測到TiB2中間相。

3.3 cBN表面鍍鈦對界面結合的影響

為了實現(xiàn)TiN0.3與cBN之間更好的結合，將cBN顆粒表面進行了鍍Ti處理。鍍覆過后cBN顆粒的表面形成了cBN-TiB2-TiN-Ti的過渡結構[10]，此結構的形成對TiN0.3與cBN之間的結合具有促進作用。圖9為TiN0.3與鍍Ti后cBN界面結合區(qū)域元素分布的EDS線掃描，圖9a為界面反應區(qū)域元素分布數(shù)據(jù)采集所對應的SEM圖像，圖9b、9c和9d分別為Ti、B和N元素在界面兩側的分布。Ti元素的分布在界面處出現(xiàn)了較寬范圍的過渡，并形成了均勻變化的Ti元素的濃度梯度分布，Ti元素過渡層的厚度大約為2μm。過渡層的變厚說明了界面處的元素交換程度增強，更好地實現(xiàn)了界面處成分的過渡，這種變化不僅能增強界面的結合強度，還緩和了界面處由于熱膨脹系數(shù)的失配導致的內應力集中和界面的開裂。

圖8 TiN0.3/AlN/cBN燒結體XRD圖譜Fig.8 XRD pattern of TiN0.3/AlN/CBN sintered compact

圖9 TiN0.3/鍍TicBN界面EDS線掃描(a)SEM圖像；(b)Ti；(c)B；(d)NFig.9 EDS liner scan of TiN0.3/Ti coated CBN interface

圖10 TiN0.3/AlN與鍍TicBN界面EDS線掃描(a)SEM圖像；(b)Ti；(c)Al；(d)BFig.10 EDS liner scan of TiN0.3/AlN and Ti coated cBN interface

圖10為TiN0.3/AlN與鍍Ti后cBN界面結合區(qū)域元素分布的EDS線掃描，圖10a為界面反應區(qū)域元素分布數(shù)據(jù)采集所對應的SEM圖像，圖10b、10c和10d分別為Ti、Al和B元素在界面兩側的分布。除了Ti元素的分布在界面處出現(xiàn)了較寬范圍的過渡外，Al元素在TiN0.3/AlN與cBN的界面形成了聚集區(qū)域。這種界面特點形成的原因為：Al原子擴散到cBN表層與B原子進行置換時受到了鍍層的阻礙，TiB2過渡層形成了Al原子擴散進入cBN內的屏障。因此，cBN的表層出現(xiàn)了Al元素聚集區(qū)域。Al元素在cBN表層的聚集會對界面結合強度產(chǎn)生影響。

3.4 TiN0.3對PcBN致密化燒結的影響

固相燒結與液相燒結過程相比，由于固態(tài)物質在高溫下的擴散傳質能力遠低于液相，因此材料的固相燒結較難實現(xiàn)快速致密化并達到較高的致密度。對于過渡金屬碳化物與氮化物強共價鍵材料，由于此類材料具有高熔點和低自擴散系數(shù)，固相燒結較難達到較高的致密度。因此，研究PcBN燒結體致密化過程對于高性能PcBN的制備具有重要的指導意義。

圖11為使用10μm單一粒度的cBN顆粒，cBN含量為70～95 vol.%時，1500 ℃、5 GPa、10 min燒結條件下的PcBN燒結體的維氏硬度隨cBN含量的變化。PcBN燒結體采用了TiN0.3與TiN0.3/AlN兩種結合劑，圖中顯示出兩種燒結體在cBN含量為80 vol.%以下時維氏硬度隨cBN含量增加而升高，并在cBN含量為80 vol.%時分別達到了最大值38.6 GPa和42.6 GPa，但當cBN含量高于80 vol.%時，兩種燒結體的維氏硬度隨cBN含量增加而降低。

圖11 PcBN維氏硬度隨cBN含量變化曲線(cBN粒度10μm)Fig.11 the changing curve of PcBN Vickers hardness with different cBN contents (cBN particle size: 10μm)

維氏硬度隨cBN含量增加而升高的原因可解釋為：在燒結體具有較高的致密度前提下，燒結體的硬度隨硬質相含量的增加而升高。維氏硬度隨cBN含量增加而降低的原因可解釋為：當cBN含量高于80 vol.%時，單一粒度的cBN顆粒容易在燒結體內部形成孔洞，使得燒結體的內部結構變得疏松，這種情況在更高cBN含量時表現(xiàn)得尤為嚴重，因此導致了燒結體硬度的下降。

圖12為兩種燒結體的密度隨cBN含量的變化曲線。當cBN含量低于80 vol.%時，燒結體的實測密度與理論密度值相差較小并且具有較高程度的吻合。當cBN含量高于80 vol.%時，燒結體的實測密度低于理論密度值，并且cBN含量越高實測密度與理論密度值相差越大。對于TiN0.3/AlN結合劑PcBN燒結體的密度需要做出說明的是，燒結后PcBN燒結體內部有不同程度的相變，如圖13所示，XRD圖譜顯示除了初始成分TiN0.3、AlN和cBN外，由反應產(chǎn)生的新相TiB2和Al2O3也同時存在，這些新相的生成偏離了原始材料的成分配比，因此導致燒結體實測密度高于理論密度。

圖12 PcBN密度隨cBN含量變化曲線(cBN粒度10μm)Fig.12 the changing curve of PcBN density with different cBN contents (cBN particle size: 10μm)

圖13 TiN0.3/AlN結合劑PcBN XRD圖譜Fig.13 the XRD spectrum of TiN0.3/AlN binding agent-PcBN

圖14為使用10μm與1μm混合粒度的cBN顆粒、cBN含量為40～95 vol.%時，1500 ℃、5 GPa、10 min燒結條件下的PcBN燒結體的維氏硬度隨cBN含量的變化。PcBN燒結體采用TiN0.3/AlN作為結合劑，圖中顯示出燒結體在cBN含量為90 vol.%以下時維氏硬度隨cBN含量增加而升高，在cBN含量為90 vol.%時維氏硬度達到了最大值44.6 GPa，在cBN含量為95 vol.%時維氏硬度略有降低。維氏硬度隨cBN含量增加而升高的原因可解釋為：由于燒結體cBN粒度配比的變化，較小cBN顆粒的填充使得燒結體在更高cBN含量時達到了較高的致密度，因此燒結體的硬度隨硬質相含量的增加而升高。但是粒度配比對提高致密度的作用有限，當cBN含量大于90 vol.%時，致密度的下降導致了維氏硬度略有降低。

圖14 PcBN維氏硬度隨cBN含量變化曲線(cBN粒度1～10μm)Fig.14 the changing curve of PcBN Vickers hardness with different cBN contents (cBN particle size: 1-10μm)

燒結體密度的變化證實了這一結論，圖15為燒結體的密度隨cBN含量變化的曲線。在此燒結條件下，燒結體在較寬的cBN含量范圍內，實測密度與理論密度值具有較高程度的吻合并且達到了較高的致密度。

圖15 PcBN密度隨cBN含量變化曲線(cBN粒度1-10μm)Fig.15 the changing curve of PcBN density with different cBN contents (cBN particle size: 1-10μm)

圖16為采用TiN0.3/AlN作為結合劑，單一粒度與混合粒度的PcBN在1500 ℃、5 GPa、10 min條件下燒結后燒結體斷口的SEM形貌。圖16a與圖16b分別采用了cBN含量為80 vol.%和90 vol.%單一粒度的cBN顆粒。當cBN含量為80 vol.%時，燒結體較為致密，并且cBN顆粒之間的搭接現(xiàn)象不明顯，cBN顆粒與結合劑之間結合得較為牢固，樣品斷口處多數(shù)cBN顆粒表現(xiàn)為穿晶斷裂模式。當cBN含量為90 vol.%時，較大cBN顆粒之間搭接處形成了孔洞與疏松，燒結體的致密性下降，如圖16b中的橢圓框選區(qū)域所示，并且由于結合劑在燒結體中相對含量的降低，cBN顆粒與結合劑之間的結合性變差，樣品斷裂后形成穿晶斷裂模式的cBN顆粒數(shù)量減少，多數(shù)沿著cBN顆粒與結合劑的結合界面斷裂因而形成了沿晶斷裂模式。圖16c與圖16d分別采用了cBN含量為80 vol.%和90 vol.%混合粒度的cBN顆粒。由于較大cBN顆粒之間的部分被結合劑與較小的cBN顆粒共同填充，基本消除了較大cBN顆粒之間搭接，無論在cBN含量為80 vol.%和90 vol.%時均未發(fā)現(xiàn)cBN顆粒搭接形成的孔洞與疏松，并且cBN顆粒與結合劑之間結合得較為牢固，樣品斷裂后多數(shù)較大cBN顆粒表現(xiàn)為穿晶斷裂模式。采用混合粒度的PcBN有利于實現(xiàn)在更高cBN含量時cBN顆粒與結合劑之間的結合并提高燒結體的致密化程度。

圖16 單一粒度與混合粒度PcBN斷口SEM圖像：單一粒度(a)80 vol.%；(b)90 vol.%，混合粒度(c)80 vol.%；(d)90 vol.%Fig.16 SEM image of single particle size and mixed size PcBN fracture Single particle size

3.5 TiN0.3對PcBN綜合性能的影響

3.5.1 對硬度的影響

硬度作為衡量PcBN刀具材料性能的其中一個重要指標，體現(xiàn)了PcBN在加工過程中抵抗外力的變形能力。

圖17為元素六公司幾種PcBN刀具測試得到的硬度。cBN含量在90 vol.%以下的PcBN大多采用TiN、TiC或TiCN作為結合劑主相，cBN含量在80～90 vol.%時，硬度值大多分布在30～40 GPa，cBN含量在70～80 vol.%時，硬度值大多分布在25～35 GPa。cBN含量在90 vol.%以上的PcBN大多采用Co、W或Al作為結合劑主相，硬度值大多分布在40～45 GPa。

圖18為本文研究中部分樣品測試得到的硬度。由于刀具所涉及的主要應用領域為硬質鋼的精加工，因此PcBN主要集中在中低cBN含量的刀具上。PcBN全部采用TiN0.3作為結合劑的主體并添加部分其它過渡金屬氮化物或碳化物。cBN含量在40～50 vol.%的PcBN硬度值大多分布在20～30 GPa，cBN含量在50～70 vol.%的PcBN硬度值大多分布在30～35 GPa，cBN含量在70～90 vol.%的PcBN硬度值大多分布在40～45 GPa。PcBN的硬度值隨cBN含量的增加而升高，較低cBN含量PcBN的硬度足以抵抗加工過程中外力所帶來的變形，較高cBN含量的PcBN具有更高的強度，因此可以抵抗更強烈的連續(xù)或斷續(xù)加工過程中外力的沖擊。

圖17 元素六公司幾種PcBN刀具硬度分布圖Fig.17 the hardness distribution diagrams of some kinds of PcBN cutting tools from Element Six

圖18 本文研究中所制備PcBN硬度分布圖Fig.18 the hardness distribution diagrams of PcBN prepared in the study of this article

3.5.2 PcBN對高溫穩(wěn)定性的影響

高溫穩(wěn)定性也是衡量PcBN刀具材料性能的其中一個重要指標，體現(xiàn)了PcBN在加工時從室溫到高溫的熱循環(huán)過程中，材料抵抗熱應力所帶來的刀具破損開裂和高溫所帶來的表層氧化的性能。

耐高溫性實驗采用在空氣環(huán)境下，900 ℃的馬弗爐中將樣品加熱10 min直至紅熱狀態(tài)后取出空冷，循環(huán)次數(shù)28次，測試樣品代號分別為TA8010、TAT8010、TA805、TA605、TA601和TA451。結果顯示所有樣品在高溫冷卻熱循環(huán)作用下并未出現(xiàn)熱應力所導致的破損和開裂，高溫導致了樣品表層不同程度的輕微氧化，抗氧化能力按樣品序號順序依次增強。

3.5.3 PcBN對抗磨損性的影響

耐磨性是衡量PcBN刀具材料使用壽命的一個重要指標，體現(xiàn)了PcBN在加工過程中抵抗機械或化學作用下導致的破損變形能力。

磨耗比測試是衡量PcBN耐磨性方法其中之一，磨削對象為粒度為180μm的SiC砂輪。測試過程中砂輪的轉速為5000 r/min，砂輪垂直向下進給，單次進給量0.01 mm，樣品沿著砂輪軸向擺動。磨耗比的測試分別采用了樣品代號為TA605與TA8010的PcBN為測試對象，結果顯示TA605的磨耗比平均值達到了2000，TA8010的磨耗比平均值達到了4000。由于測試過程中PcBN的磨損主要由較大的SiC硬質顆粒對樣品的剛性沖擊所引起，TA8010表現(xiàn)出了比TA605更高的強度與抗硬質顆粒的沖擊性，因此TA8010更適合加工帶有鑄造砂眼或碳化物硬質顆粒析出的鑄鐵。

3.5.4 PcBN干切削淬火鋼

將用于切削測試的PcBN樣品經(jīng)過切割、磨平、拋光、倒角，再焊接到硬質合金基座上后制作成ISO型號的刀具，將刀具用于淬火鋼與合金鋼的連續(xù)和弱斷續(xù)干式切削，做斷續(xù)切削時工件具有軸向V形凹槽，以檢驗在達到刀具破損或使用壽命之前刀具的強度、熱穩(wěn)定性、抗磨損性，以及被加工工件的尺寸精度和表面粗糙度。

圖19是代號為TA8010和TAT8010的兩種刀具在連續(xù)與斷續(xù)切削淬火鋼之后前刀面與后刀面的磨損情況。試驗中所用的被切削材料為硬度大于60 HRC的GCr15淬火鋼。

TA8010與TAT8010在切削過程中均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐崩損性，切削火花正常，切屑為紫色線形片狀。切削時的高速摩擦使得切屑的溫度通常能夠達到1000 ℃以上，并且高溫切屑主要作用在刀尖部位，因此刀具的前刀面出現(xiàn)了由于高溫切屑導致的弧坑磨損，同時刀具的后刀面出現(xiàn)了以機械磨損為主的不同程度的磨損。TA8010刀具的斷續(xù)切削相比于連續(xù)切削采用了較低的切削速度，由于斷續(xù)切削伴隨著工件對刀具的沖擊和切削刃處的冷熱循環(huán)，因此TA8010刀具的斷續(xù)切削相比于連續(xù)切削前刀面出現(xiàn)了更大的弧坑磨損，但后刀面的磨損量相同，在前刀面的弧坑磨損不至于導致崩刃，或后刀面不出現(xiàn)較大磨損的前提下，才能夠保證刀具的壽命和工件的尺寸精度。做斷續(xù)切削時TAT8010刀具的前刀面與后刀面較TA8010刀具均呈現(xiàn)出了更小的磨損。切削之后工件的表面粗糙度小于Ra0.8，達到了工件的尺寸精度和精加工對表面粗糙度的要求。

圖19 TA8010和TAT8010刀具在連續(xù)與斷續(xù)切削淬火鋼前刀面與后刀面磨損情況Fig.19 the wear patterns for the rack faces and flank faces of TA8010 and TAT8010 cutting tools used for continuous and interrupted cutting of hardened steel

圖20是代號為TA805、TAA805和TA601的三種刀具在連續(xù)切削合金鋼之后前刀面與后刀面的磨損情況。試驗中所用的被切削材料是硬度為58～62 HRC的20CrMnTi合金鋼，切削過程保持了較高的切削速度。

圖20 TA805，TAA805，和TA601刀具在連續(xù)切削合金鋼前刀面與后刀面磨損情況Fig.20 the wear patterns for the rack faces and flank faces of TA805, TAA805 and TA601 cutting tools used for continuous and interrupted cutting of alloy steel

TA805、TAA805和TA601刀具在整個切削過程中均未出現(xiàn)崩損，切削火花正常，切屑為紫色線形片狀，刀具的前刀面均出現(xiàn)了由于高溫切屑導致的弧坑磨損，同時，后刀面也出現(xiàn)了不同程度的磨損。TAA805刀具的前刀面弧坑磨損寬度略小于TA805和TA601刀具，刀具前刀面弧坑磨損深度從TA805、TAA805到TA601依次減小。TA805刀具后刀面磨損量最大，磨損形式以機械磨損為主并有cBN顆粒脫落現(xiàn)象。TAA805刀具的后刀面磨損量較小，可清晰地觀察到機械磨損形式特征的磨損帶。TA601刀具后刀面磨損量最小并且磨損處平滑，后刀面的磨損尚未對切削刃造成較大影響。TA601刀具表現(xiàn)出比TA805和TAA805刀具更優(yōu)異的耐磨損性能。工件加工后均達到了尺寸精度和表面粗糙度的要求，工件表面粗糙度小于Ra0.8。

PcBN干切削原理是利用PcBN的高溫硬度，以及高速切削產(chǎn)生的切削熱形成被加工材料表層的軟化，從而實現(xiàn)對硬質鋼的切削。目前主流的PcBN干切削刀具是以TiN、TiC或Ti(C,N)做結合劑，并添加少量的Co、W、Al等金屬元素作為促燒結劑，低熔點金屬元素的存在造成了PcBN高溫硬度的降低，因此此類PcBN干切削時的線速度通常保持在200 m/min以下，更高的切削速度將導致PcBN刀尖部位的軟化。本研究中采用了純陶瓷相作為PcBN結合劑，PcBN內無低熔點或低硬度相的存在，因此能夠在更高的溫度與切削速度下保持較高的硬度。較低的切削速度和PcBN的高導熱性使刀尖不能積累足夠的切削熱來軟化硬質鋼，加劇了硬質鋼對具有一定脆性的PcBN的沖擊與磨損。因此，更高的切削速度下才能體現(xiàn)此類PcBN的性能。

4 結 論

(1)TiN0.3與cBN復合后的界面通過中間相TiB2相結合，AlN的加入促進了的TiB2生成，并改善了TiN0.3與cBN熱膨脹系數(shù)的失配。cBN表面鍍Ti后實現(xiàn)了界面成分的過渡，加入AlN后界面出現(xiàn)了Al元素的聚集。采用混合粒度的cBN可提高PcBN的致密化程度，實現(xiàn)更高cBN含量下PcBN的致密化燒結。

(2)采用TiN0.3作為結合劑主相，在結合相中添加其它強共價鍵類金屬碳化物或氮化物，通過對原料成分與合成條件的控制，燒結后獲得了無低熔點或低硬度相致密的PcBN燒結體。PcBN燒結體具有高硬度、高強度、優(yōu)異的耐高溫性和耐磨損性。

(3)通過以TiN0.3作為結合劑主相與cBN的結合，成功制備了系列PcBN材料刀具，每個種類的PcBN材料都被用來設計制備成刀具以滿足特殊要求的金屬切削過程，能對淬火鋼等硬質鋼進行高速、高精度和高效切削，使以往主要采用磨削加工的難加工材料實現(xiàn)了切削化加工。

致 謝：本項目的研究得到河北省政府多部門項目資助，E2016203425、E2017203223、15041108Z、ZD2017074、ZD2017026，及河北省首批青年拔尖人才支持計劃，微米金剛石對碳納米蔥燒結行為的影響規(guī)律及機理研究，及QN20131092、ZX01-20140100-01、JX2014-3、E2015203232、2015T80895等項目的支持，在此一并表示感謝！

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The Influence of Covalent Compound Ceramic Bond on Composite Materials of PcBN Cutting Tools for Dry Cutting

DENG Hua1, PAN Tian-hao1, ZHANG Zhi-chao2, WANG Ming-zhi2*, XING Ying1, LI Yu1, WU Di2, ZHAO Yu-cheng2

(1.JingriDiamondIndustrialCo.Ltd.,Yanjiao,Hebei065201,China; 2.StateKeyLaboratotryforPreparationTechnologyandScienceofMetastableMaterials,YanshanUniversity,Qinghuangdao,Hebei066004,China)

As a result of the bonding agent, the raditional PcBN tool material has defects such as low overall thermal stability and low abrasion resistance. In view of these problems, the influence of some methods such as nonstoichiometry TiN0.3, TiN0.3+AlN and cBN surface titanizing on the bonding between bonding agent and cBN interface has been studied, and the influence of the phase formed on the interface on PcBN performance has been discussed; In this paper, the polished surface and fracture surface of the samples were observed by SEM, the element distribution at the interface was analyzed by EDS, and the phase composition of the sample was analyzed by XRD; the density of samples was measured by Archimedes drainage method, and the Vickers hardness was measured by Vickers hardness tester. The cutting performance of PcBN cutter was tested by high precision digital controlled lathe. Result shows that the interface of TiN0.3and cBN is combined by intermediate phase TiB2, and AlN promotes the generation of TiB2and improves the mismatch of thermal expansion coefficient between TiN0.3and cBN. Transition of interfacial components has been realized after cBN surface titanizing, and aggregation of Al elements on interface can be found when AlN has been introduced in. PcBN sintered compact without low melting point or low hardness has been prepared after sintering, using TiN0.3as the principal phase of the binding agent. Duing the process, strong covalent bond metal carbides or nitride were added into the binding phase and the raw material composition and synthesis conditions were strictly controled. PcBN sintered compact has the characteristics of high hardness, high strength, excellent high temperature resistance and wear resistance. Series of PcBN cutting tool materials have been successfully prepared through the combination with cBN, using TiN0.3as the principal phase of the binding agent. These materials are all used for the high speed, high precision and high efficiency cutting of hard steel such as chilled steel. Cutting of difficult-to-machine material which used to be machined through grinding method has been realized.

covalent compound; ceramic bond; interface diffusion; dry cutting

2017-03-28

河北省政府基金項目資助(E2016203425、E2017203223、15041108Z、ZD2017074、ZD2017026)；河北省首批青年拔尖人才支持計劃基金項目資持(QN20131092、ZX01-20140100-01、JX2014-3、E2015203232、2015T80895)

鄧華(1968-)，女，高級工程師，主要研究方向：超硬材料及其復合材料。E-mail：838242463@qq.com

王明智，男，1952年出生。教授，博導，研究員。主要研究方向：無機非金屬材料。 E-mail：wmzw@ysu.edu.cn

鄧華，潘天浩，張志超，等.共價鍵化合物陶瓷結合劑對干切削PcBN刀具復合材料的影響[J].超硬材料工程，2017，29(3)：1-12.

TQ164

A

1673-1433(2017)03-0001-12