姜偉,周衛(wèi)寧,林峰

(1.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林541004;2.廣西超硬材料研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林541004)

cBN-T i-B-A l-SiC系在高溫高壓下的燒結(jié)①

姜偉1,2,周衛(wèi)寧1,2,林峰1,2

(1.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林541004;2.廣西超硬材料研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林541004)

文章通過采用細(xì)cBN顆粒,以T i-B-A l-SiC系粘接劑在高溫高壓下燒結(jié)PcBN復(fù)合片,通過掃描電子顯微鏡、XRD以及微觀顯微硬度分析,并與cBN-TiN-A l系燒結(jié)的PcBN復(fù)合片相對(duì)比。分析發(fā)現(xiàn):T i-B-A l-SiC系粘接劑合成的PcBN復(fù)合片cBN-cBN鍵合多,顯微硬度高于用TiN-A l系粘接劑合成的PcBN復(fù)合片,而且通過XRD分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了新相:TiN、TiB2、A lB2、BCo、T i5Si3,并且沒有發(fā)現(xiàn)原材料SiC的存在,這可能是由于在高溫高壓下SiC被分解。采用細(xì)cBN顆粒,以T i-B-A l-SiC系粘接劑合成的PcBN復(fù)合片顯微硬度高,但相對(duì)比較脆,主要是由于生成過多高硬度的TiB2,同時(shí)添加單質(zhì)硼能夠與T i和A l反應(yīng),抑制了cBN的分解。

立方氮化硼;高溫高壓;維氏顯微硬度;燒結(jié)

0 引言

立方氮化硼(cBN)作為一種超硬材料,具有優(yōu)越的物理化學(xué)性能,如高的紅硬性、對(duì)鐵族元素的化學(xué)惰性,而被廣泛地應(yīng)用于加工黑色金屬(淬火鋼、鑄鐵、合金等)[1-4]。立方氮化硼復(fù)合片(PcBN)由cBN微粉、粘接劑和硬質(zhì)合金基體在高溫高壓下燒結(jié)而成[5]。目前PcBN燒結(jié)的粘接劑主要有:化學(xué)周期表中IVB、VB、V IB族的金屬以及他們的氮化物、碳化物或碳氮化物;鋁、鈷、鎳或它們的合金[6,7]。PcBN復(fù)合片從粘接劑上可分為:陶瓷類、金屬陶瓷類粘接劑復(fù)合片以及金屬類粘接劑復(fù)合片。一般情況下陶瓷類PcBN復(fù)合片耐熱性能好,主要用于切削淬火鋼之類高硬度的黑色金屬,而金屬粘接劑類復(fù)合片具有良好的韌性,主要用于切削鑄鐵類金屬[8]。目前市場(chǎng)上流行的產(chǎn)品主要是以氮基陶瓷做粘接劑合成PcBN復(fù)合片。而本文主要以T i—B—A l—SiC系作為粘接劑在高溫高壓下合成的PcBN復(fù)合片,并分析了其微觀形貌、物相和顯微硬度。

1 試驗(yàn)方法與過程

圖1 樣品組裝圖Fig.1 Drawing of the sample assembly

選用平均粒度2微米的金屬T i粉、平均粒度1微米的鋁粉、平均粒度1微米的硼粉、SiC晶須和平均粒度3微米的cBN粉末作為原始材料,其中cBN含量超過95vo l%。這些粉末均勻混合后裝入金屬杯內(nèi)預(yù)壓成型并經(jīng)氫氣還原處理后按圖1的方式組裝入6×1800噸鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)上,在5～5.5GPa、1300℃～1400℃之間燒結(jié)PcBN復(fù)合片,標(biāo)記樣品1。并將用14微米的cBN與TiN—A l系粘接劑合成的PcBN復(fù)合片標(biāo)記樣品2與之對(duì)比。分別將2種PcBN復(fù)合片樣品拋光后在上海產(chǎn)H v-5維氏顯微硬度計(jì)上進(jìn)行顯微硬度檢測(cè),金剛石壓頭的壓痕如圖2所示;通過掃描電子顯微電鏡(JEOL公司,型號(hào)JSM-5910LV)觀察PcBN的形貌;通過XRD(R igaku D/m ax 2500v/pc)分析其物相。

圖2 金剛石壓頭壓痕Fig.2 Indentation of Vicker’s indenter

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論分析

2.1 形貌分析

根據(jù)切削機(jī)理的不同,一般采用高含量PcBN復(fù)合片(≥70vo l%)做成刀具進(jìn)行鑄鐵類的高速切削加工。在切削加工過程中,一般切削溫度(刀頭與工件接觸處)最高能達(dá)900℃,這么高的溫度必將造成PcBN復(fù)合片局部的熱膨脹,由于立方氮化硼復(fù)合片組成的各相熱膨脹系數(shù)的差異性很大以及在各相交界處可能會(huì)存在微裂紋,這將增加PcBN內(nèi)部的熱應(yīng)力,降低PcBN刀具的使用壽命。因此可以通過選用熱膨脹系數(shù)與cBN相近的材料來做粘接劑或是盡量減少PcBN復(fù)合片內(nèi)的粘接劑含量,這樣不僅可以減少各相熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,而且有利于提高刀具的使用壽命。但是減少粘接劑的含量,特別是減少金屬相的含量,就會(huì)增加復(fù)合片的燒結(jié)溫度,使復(fù)合片燒結(jié)困難程度增加。

本文選用了與cBN親近性好的細(xì)顆粒金屬鈦粉、鋁粉來燒結(jié)PcBN復(fù)合片,并通過添加碳化硅晶須(其長(zhǎng)度約為10～20μm,形貌如圖3所示)增韌,在高溫高壓下合成PcBN復(fù)合片,標(biāo)記樣品1。金屬T i非常活潑,容易與BN在比較寬的溫度范圍內(nèi)發(fā)生反應(yīng),因此在該材料中添加了高純硼粉增強(qiáng)與T i的反應(yīng),抑制cBN相的分解,同時(shí)B的添加會(huì)增強(qiáng)導(dǎo)熱性,該樣品的金相圖如圖4所示。從該圖上可以看出cBN(黑色的為cBN)相含量非常高,黑色的cBN相彼此相互接觸、形成網(wǎng)狀的cBN-cBN鍵結(jié)合,而微量白色粘接劑相則被排擠在cBN顆粒交界處的邊緣,形成一個(gè)粘接劑的富集區(qū)。從樣品1的形貌縮小圖(圖4)上能看到白色的斑點(diǎn)星星點(diǎn)點(diǎn)地填充在cBN顆粒間,增加了PcBN復(fù)合片的致密性,而中間大顆粒的白色粘接劑相是由于混合不均勻造成的。對(duì)樣品1的元素面分析如圖6所示,其中包含的元素有:B、N、T i、A l、Si、C、W、Co、O、M g。除了自身添加的之外,樣品1內(nèi)還包括W、Co、M g、O。其中W、Co是由硬質(zhì)合金基體通過濃度差和毛細(xì)管張力滲透到聚晶層表面的;M g是cBN合成的觸媒,被以包裹體的形式夾雜在cBN顆粒內(nèi);O是由于金屬相的氧化而存在的。其中樣品2如圖5所示,采用cBN—TiN—A l系合成,從形貌圖上可以看出與樣品1有本質(zhì)的區(qū)別,黑色的cBN顆粒被白色的粘接劑所包圍,cBN顆粒間基本上沒有很好地形成強(qiáng)強(qiáng)的cBN-cBN共價(jià)鍵。

圖3 碳化硅晶須Fig.3 SiC whisker

圖4 樣品1的掃面電鏡圖Fig.4 SEM image of sample 1

圖5 樣品2的掃面電鏡圖Fig.5 SEM image of sample 2

圖6 樣品1的元素分布圖Fig.6 Element distributing pictures of sample1

圖7 樣品1的X衍射Fig.7 XRD of sample 1

圖8 樣品2的X衍射圖Fig.8 XRD of sample 2

圖9 樣品1壓痕邊角處裂紋Fig.9 Indentation corner crack sample 1

2.2 物相分析

對(duì)樣品1進(jìn)行XRD物相分析,結(jié)果如圖6所示,除了cBN相本身外,新生成的物相有TiN、TiB2、AlB2、BCo、Ti5Si3,其可能發(fā)生的反應(yīng)方程式為:

從樣品1的元素面分析上可以看出主要元素B、N、T i、A l比較均勻地分布在表面,沒有出現(xiàn)聚集的情況,可以看出經(jīng)過高溫高壓燒結(jié)后原子進(jìn)行了充分的擴(kuò)散,彼此交錯(cuò)在一起形成了新的化合物,從而將cBN顆粒粘接在一起。在文獻(xiàn)[9]中認(rèn)為生產(chǎn)的產(chǎn)物TiN、TiB2不是由鈦原子向BN內(nèi)部擴(kuò)散,而是由較小直徑的B、N原子不斷向金屬Ti擴(kuò)散達(dá)到一定濃度時(shí)形成了化合物TiN、TiB2。因此在本實(shí)驗(yàn)添加單質(zhì)硼抑制cBN分解后與T‘i、Al的反應(yīng),同時(shí)也反應(yīng)生成較多的陶瓷硼化物,該類金屬陶瓷硼化物具有高的硬度、高的耐熱性、強(qiáng)的斷裂韌性以及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、小的摩擦系數(shù),他們填充在cBN顆粒間增強(qiáng)了PcBN復(fù)合片的熱穩(wěn)定性、紅硬性以及斷裂韌性,使PcBN復(fù)合片具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能。在該反應(yīng)中未發(fā)現(xiàn)單質(zhì)的鋁、鈦金屬以及硼元素,說明該金屬已經(jīng)完全反應(yīng)充分,而且未發(fā)現(xiàn)SiC相的存在,可能是該項(xiàng)已經(jīng)在高溫高壓下分解并與活潑的單質(zhì)鈦反應(yīng),而分解的碳與氧反應(yīng)生產(chǎn)氣體。

在對(duì)由cBN—TiN—Al合成的PcBN復(fù)合片中除了上述生產(chǎn)的物質(zhì)外還有AlN、Al2O3、T iO2、CoO,其反應(yīng)方程式可能是:

通過兩個(gè)樣品的物相對(duì)比可知,樣品2中存在大量的氧化物,而樣品1通過XRD未發(fā)現(xiàn)氧化物,但是在該樣品的元素分析中發(fā)現(xiàn)了氧元素的存在,這說明樣品1中氧含量非常低,這是由于對(duì)樣品1的原始粉末進(jìn)行了氫氣還原處理的結(jié)果。

在對(duì)兩樣品的維氏顯微硬度分析(壓痕如圖2)發(fā)現(xiàn),樣品1的平均顯微硬度HV=3700,樣品2平均顯微硬度HV=3100?？梢姴捎眉?xì)顆粒3微米cBN合成的樣品的顯微硬度明顯高于采用粗顆粒14微米cBN合成的樣品2。這主要是由于樣品1cBN含量高,cBN-cBN鍵多,而且添加了單質(zhì)硼,能夠生成更多高硬度的TiB2,這比TiN的維氏硬度高很多(TiN H v=2000～2400,TiB2=3400左右)。但是由于樣品1的高硬度也相對(duì)增加了它的脆性,導(dǎo)致樣品1在壓痕邊角產(chǎn)生裂痕(壓痕裂紋如圖8所示),而樣品2未發(fā)現(xiàn)裂紋。

3 結(jié)論

采用cBN-T i-A l-B-SiC體系在高溫高壓下成功合成PcBN復(fù)合片。該類復(fù)合片與傳統(tǒng)TiN-A l系相比,cBN之間的鍵合多。單質(zhì)硼的添加能夠抑制cBN顆粒在高溫高壓下過多的分解,而且硼與鈦以及鋁生成具有良好物理機(jī)械性能的金屬陶瓷化合物,如TiB2,A lB2,其中二硼化鈦比氮化鈦具有更優(yōu)越的物理性能。但是韌性不夠高,SiC晶須的添加沒有起到增韌的效果,反而可能被分解了。

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Sintering cBN-T i-B-A l-SiC under high-temperature and high-pressure

JIANGWei1,2,ZHOU Wei-ning1,2,LIN Feng1,2
(1.National Special mineral Materials Engineering Research Center,Guilin,Guangxi 541004;2.Guangxi Key Laboratory of Super hard Material Research and Development,Guilin,Guangxi 541004)

Polycrystalline cubic boron nitride com pact(PcBN)was sintered by fine cBN and Ti-B-Al-SiC bond under high-pressure and high-temperature in this paper.This PcBN is named sample one.Mean while another PcBN was also sintered by cBN-TiN-Al,which is named sample two.Then the two samples were analyzed and com pared by some assistant apparatus,such as SEM,XRD and Vicker micro-hardness.It is found that more cBN-cBN bond exisTiN sample one.The micro-hardness value of sample one is 3700,how ever the sample two is 3100.Bu t the toughness of sample two is higher than sample one.The reason may be that more TiB2exisTiN sample one,resulting its higher hardness.There are some new phases in sample one,such as TiN,TiB2,AlB2,BCo,T i5 Si3.Bu t SiC whisker was not found,and it has been decomposed under high-pressure and high-temperature.A nd B in raw powder can react with Ti and Al during sintering.So it can restrain decom pounding of cBN,mean while more cBN exists in sample one.

cubic boron nitride;high pressure and high temperature;Vicker micro hardness;sintering

TQ 164

A

1673-1433(2010)04-0024-06

2010-08-15

姜偉(1978-),主要從事PCD以及PcBN的研究與開發(fā)。Em ail:jw-1117@163.com

科技攻關(guān)與新產(chǎn)品試制(桂科0996005 09321064),廣西自然基金(桂科自0832004Z)