林芳芳

（河南省計(jì)量科學(xué)研究院，河南 鄭州 450008）

聚晶立方氮化硼（PCBN）相比陶瓷和硬質(zhì)合金刀具材料，具有強(qiáng)度高、切削壽命高、切削表面光潔度高等特點(diǎn)，同時(shí)其耐磨性、硬度和導(dǎo)熱性也僅次于金剛石，在高溫下很難被黑色金屬（鐵、鈷、鎳等）侵蝕。因此，在航空、模具、汽車、刃具等高速高效精密磨削領(lǐng)域扮演著重要角色［1?9］。結(jié)合劑在合成聚晶立方氮化硼的過(guò)程中起著重要作用，加入適量的結(jié)合劑可以降低燒結(jié)溫度和壓力，并改善燒結(jié)體的性能［10?11］。

PCBN復(fù)合材料從結(jié)合劑類型上可分為陶瓷類、金屬陶瓷類以及金屬類結(jié)合劑復(fù)合材料。通常情況下陶瓷類PCBN復(fù)合材料硬度高、高溫穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較好；而金屬類PCBN復(fù)合材料則有良好的韌性。過(guò)渡金屬硼化物具有高熔點(diǎn)、高硬度、高電導(dǎo)率和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)［12］，本文以WC?B?Al2O3系作為結(jié)合劑在高溫高壓下合成PCBN復(fù)合材料，研究了不同燒結(jié)溫度下原位生成W?B系化合物黏接CBN合成PCBN復(fù)合材料的微觀形貌、物相和力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料主要有：CBN（粒度4～8 μm，純度99.9%），WC（粒度1～3 μm，純度99%），B（粒度1～3 μm，純度99%），Al2O3（粒度1.5 μm，純度99.5%）。按CBN∶WC∶B∶Al2O3＝70∶23∶6∶1（質(zhì)量比）進(jìn)行配料，在瑪瑙研缽中以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，研磨混料3 h，然后在90℃干燥箱下干燥12 h，再將原料裝入直徑35 mm的圓柱形鉬杯中，在冷壓成型機(jī)上預(yù)壓成型，經(jīng)真空干燥12 h后，放入葉臘石磨具中。在六面頂壓機(jī)CS?VII（HD）上進(jìn)行高壓高溫?zé)Y(jié)。燒結(jié)溫度1 200～1 500℃，加熱速率50℃／s，燒結(jié)壓力6 GPa，保溫時(shí)間700 s。

將燒結(jié)后的復(fù)合材料進(jìn)行研磨、拋光處理后，采用X射線衍射儀檢測(cè)物相組成，并且分析復(fù)合材料燒結(jié)過(guò)程中內(nèi)部各組分的反應(yīng)情況；利用掃描電子顯微鏡對(duì)PCBN樣品斷面結(jié)構(gòu)和致密性進(jìn)行表征；利用阿基米德方法測(cè)量復(fù)合材料氣孔率；采用維氏顯微硬度計(jì)（型號(hào)VH?5）測(cè)定PCBN顯微硬度（負(fù)載3 kg，加壓時(shí)間15 s），從樣品邊緣至中心位置依次取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，取平均值；采用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)定抗彎強(qiáng)度，跨距10 mm，加載速度0.5 mm／min；參照聚晶金剛石復(fù)合片磨耗比測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定PCBN復(fù)合材料磨耗比。磨耗比定義為SiC砂輪磨損質(zhì)量損失與樣品磨損損失的比率。測(cè)試過(guò)程中，砂輪線速度25 m／s，工作臺(tái)擺頻40次／min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料物相分析

不同溫度下燒結(jié)所得CBN?WC?B?Al2O3復(fù)合材料XRD圖譜如圖1所示。由圖1可知，不同燒結(jié)溫度下得到的PCBN都由BN、WB2和WB組成，雖然在初始粉料中加入了Al2O3，但燒結(jié)后樣品中都沒有檢測(cè)出Al2O3衍射峰，可能是由于Al2O3加入量太少。同時(shí)，也沒有檢測(cè)到C原子，推測(cè)C原子與O原子結(jié)合，生成了CO2，排出了燒結(jié)體內(nèi)。1 200℃和1 300℃燒結(jié)時(shí)，XRD圖譜中均沒有檢測(cè)出WC，說(shuō)明此時(shí)WC已經(jīng)開始與B反應(yīng)生成WB和WB2，推測(cè)在燒結(jié)體內(nèi)發(fā)生了如下反應(yīng)：

圖1 不同溫度下燒結(jié)所得PCBN復(fù)合材料的XRD圖譜

由圖1可知，隨著溫度升高，反應(yīng)式（3）中的WB與B反應(yīng)速率加快，消耗掉了反應(yīng)式（1）中所生成的WB，因此圖譜中WB2衍射峰越來(lái)越尖銳，而WB衍射峰強(qiáng)度逐漸降低并消失。在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，硼粉與碳化鎢粉之間的反應(yīng)為固相反應(yīng)，二者之間的反應(yīng)能力和反應(yīng)擴(kuò)散力隨著溫度升高而增強(qiáng)。因此要想合成純度較高的WB2黏接CBN顆粒，必須提高燒結(jié)溫度。W?B系化合物具有高熔點(diǎn)、高電導(dǎo)率、高硬度以及高抗氧化性等特點(diǎn)，用其作為結(jié)合劑黏接CBN會(huì)取得良好的技術(shù)效果。

2.2 復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)分析

將高溫高壓下燒結(jié)出的PCBN樣品進(jìn)行研磨、拋光，再用萬(wàn)能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測(cè)試，取抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)后的樣品進(jìn)行斷面掃描分析。圖2為不同燒結(jié)溫度下CBN?WC?B?Al2O3體系合成PCBN復(fù)合材料的SEM圖。從圖2可知，試樣中CBN顆粒和結(jié)合劑分布情況相對(duì)理想，并沒有出現(xiàn)結(jié)合劑富集在一起的情況，說(shuō)明混料時(shí)間與混料方式合理。1 200℃和1 300℃燒結(jié)時(shí)，可以看到在CBN顆粒周圍存在著較大的縫隙和孔洞，結(jié)合劑松散分布在CBN顆粒表面，不能很好地起到黏接作用；在此燒結(jié)溫度下，結(jié)合劑沒有完全融化，樣品燒結(jié)性差。隨著溫度升高，體系內(nèi)部顆粒開始逐漸熔融，相互之間化學(xué)反應(yīng)加強(qiáng)，試樣內(nèi)部致密性得到提高；CBN顆粒通過(guò)熔融結(jié)合劑的連接和填充作用，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部致密化，PCBN強(qiáng)度得到提升。

圖2 不同燒結(jié)溫度下PCBN復(fù)合材料SEM圖

2.3 復(fù)合材料致密性分析

圖3為在不同燒結(jié)溫度下復(fù)合材料的氣孔率變化。燒結(jié)溫度從1 200℃升高到1 500℃時(shí)，PCBN氣孔率從2.85%下降到1.05%。燒結(jié)過(guò)程中，液相量對(duì)樣品致密化影響較大。低溫?zé)Y(jié)過(guò)程中結(jié)合劑沒有完全熔融，不利于試樣的致密化。CBN顆粒之間相互接觸的可能性增加，使得CBN顆粒之間形成孔隙，最終導(dǎo)致PCBN試樣致密性較差。同時(shí)，在燒結(jié)初期有氣體產(chǎn)生和排出，也會(huì)導(dǎo)致試樣內(nèi)部有少量氣孔存在，使得樣品氣孔率較高。提高燒結(jié)溫度，樣品內(nèi)部熔融態(tài)液相量開始增加，促進(jìn)了粉體顆粒內(nèi)部流動(dòng)，提高了樣品致密性。復(fù)合材料氣孔率反映了其致密度，是影響復(fù)合材料強(qiáng)度和耐磨性的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

圖3 不同燒結(jié)溫度下復(fù)合材料氣孔率變化

2.4 復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度和硬度分析

圖4為不同燒結(jié)溫度下PCBN試樣的抗彎強(qiáng)度和顯微硬度。隨著溫度從1 200℃升高到1 500℃，樣品硬度從27.5 GPa增加到36.5 GPa，增幅超過(guò)了30%，燒結(jié)溫度對(duì)顯微硬度的影響十分明顯。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道［13］，過(guò)渡金屬硼化物WB2硬度可達(dá)40 GPa，是一種僅次于金剛石和CBN的超硬材料。從XRD分析可知，WB2的量隨著燒結(jié)溫度升高逐漸增多，從而使樣品硬度隨著燒結(jié)溫度升高而增大。隨著燒結(jié)溫度從1 200℃升高到1 500℃，樣品抗彎強(qiáng)度從463.3 MPa增加到789 MPa。從圖4可知，1 500℃燒結(jié)的PCBN樣品綜合力學(xué)性能較好。

圖4 不同燒結(jié)溫度下復(fù)合材料強(qiáng)度與硬度性能

圖5為1 200℃和1 500℃下CBN?WC?B?Al2O3體系合成的PCBN試樣的斷口形貌圖。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，1 200℃時(shí)CBN顆粒形狀明顯，棱角分明，表明結(jié)合劑與CBN顆粒之間沒有發(fā)生反應(yīng)，只是起到連接作用。1 500℃時(shí)樣品中CBN顆粒和結(jié)合劑結(jié)合界面非常緊密，說(shuō)明試樣有很好的致密性。2個(gè)分圖中均可觀察到明顯的晶界和光滑的晶面，說(shuō)明各樣品均存在沿晶斷裂。1 500℃燒結(jié)樣品在斷裂過(guò)程中還觀察到了明顯的鋸齒狀晶粒（圖（b）中橢圓處），說(shuō)明CBN與結(jié)合劑的界面結(jié)合力較強(qiáng)，在樣品中同時(shí)伴隨有穿晶斷裂現(xiàn)象發(fā)生，PCBN抗彎強(qiáng)度得到顯著提高。

圖5 PCBN復(fù)合材料斷面形貌圖

2.5 復(fù)合材料磨耗比分析

圖6為不同燒結(jié)溫度下CBN?WC?B?Al2O3體系合成PCBN復(fù)合材料的磨耗比。磨耗比能直接判斷PCBN復(fù)合材料作為刀具材料的可行性。從圖6可知，隨著燒結(jié)溫度從1 200℃升高到1 500℃，復(fù)合材料磨耗比從2 922增加到9 810。磨耗比的變化趨勢(shì)與力學(xué)性能變化趨勢(shì)一致。推測(cè)這種現(xiàn)象與燒結(jié)樣品中存在的氣孔和縫隙有關(guān)。低于1 300℃燒結(jié)時(shí)，磨耗比很低，結(jié)合劑對(duì)CBN顆粒結(jié)合較弱，在磨耗比測(cè)試過(guò)程中，CBN晶粒極易掉落，導(dǎo)致燒結(jié)樣品耐磨性急劇下降。燒結(jié)溫度升高到1 400℃和1 500℃時(shí)，結(jié)合劑對(duì)CBN顆粒把持力增強(qiáng)，CBN顆粒在磨削過(guò)程中不易脫落，樣品磨耗比增加。

圖6 不同燒結(jié)溫度下PCBN復(fù)合材料磨耗比

3 結(jié) 論

1）以CBN、WC、B、Al2O3等高純度粉末為原料，高溫高壓下合成了PCBN復(fù)合材料，物相分析結(jié)果表明，復(fù)合材料組織主要由BN、WB2和WB相組成。

2）1 200～1 300℃燒結(jié)時(shí)，樣品燒結(jié)性差，內(nèi)部有明顯的孔洞和縫隙；隨著燒結(jié)溫度升高，內(nèi)部孔洞和縫隙逐漸減少，樣品致密性提高。

3）燒結(jié)溫度1 500℃、燒結(jié)壓力6 GPa、保溫時(shí)間700 s下得到的PCBN復(fù)合材料綜合力學(xué)性能較好，抗彎強(qiáng)度789 MPa、顯微硬度36.5 GPa、氣孔率1.05%、磨耗比9 810。