Co對(duì)PcBN復(fù)合片的燒結(jié)及性能的影響①

王文龍，謝志剛，何緒林，張延軍，李立惟，朱旭

（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林541004；2.桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，廣西桂林541004）

Co對(duì)PcBN復(fù)合片的燒結(jié)及性能的影響①

王文龍1，2，謝志剛1，2，何緒林2，張延軍2，李立惟2，朱旭2

（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林541004；2.桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，廣西桂林541004）

Co是PcBN常用的金屬粘接劑，而PcBN的可燒結(jié)性，抗彎強(qiáng)度和壽命是PcBN很重要的性能，文章通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，Co能降低PcBN的合成功率，提高PcBN的燒結(jié)性能，能提高PcBN的抗彎強(qiáng)度，但也能降低PcBN的抗高溫性和耐磨性。

Co；PcBN；燒結(jié)性；抗彎強(qiáng)度；壽命

1 引言

立方氮化硼硬度僅次于人造金剛石，是世界上第二堅(jiān)硬的材料，它擁有極高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，這是金剛石無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。聚晶立方氮化硼（PcBN）復(fù)合材料由微米尺寸cBN（立方氮化硼）粉末與各種陶瓷或金屬材料共同燒結(jié)而成，它是一種極其堅(jiān)硬和熱穩(wěn)定極高的工具材料。聚晶立方氮化硼復(fù)合材料具有極強(qiáng)的抗變形和高溫耐磨性，通常比最接近的陶瓷材料高出一個(gè)數(shù)量級(jí)［1］［4］［8］。

經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，國(guó)外對(duì)PcBN刀具的研究已基本進(jìn)入成熟階段，產(chǎn)品也向多樣化、系列化方向發(fā)展。我國(guó)也有不少單位和學(xué)者從事PcBN刀具的開發(fā)和研究，但與國(guó)外相比，無(wú)論是在PcBN材料的合成還是刀具切削性能的研究方面都有所滯后。影響PcBN刀具性能的因素很多，其加工的針對(duì)性也很強(qiáng)，不同的加工材料會(huì)使PcBN刀具的磨損機(jī)制不一樣，這些因素導(dǎo)致PcBN刀具的技術(shù)難度很大。但PcBN刀具是21世紀(jì)難加工材料最有力的競(jìng)爭(zhēng)刀具之一，具有廣闊的前景和市場(chǎng)，值得我們繼續(xù)研究，奮起直追［2］［5］［8］。

2 實(shí)驗(yàn)思路及原材料，設(shè)備

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

由于PcBN刀具在加工不同材料時(shí)其磨損機(jī)制不同，不同含量的PcBN復(fù)合片性能側(cè)重點(diǎn)也不一樣，所以PcBN加工的針對(duì)性很強(qiáng)［5］。目前，國(guó)際上大致將PcBN分為高含量PcBN（cBN80wt%～95wt%）和低含量PcBN（40wt%～80wt%）兩種，高含量PcBN主要用于加工鑄鐵，低含量PcBN用于加工淬火鋼。這是因?yàn)殍T鐵硬度低（灰鑄鐵HB120－200，球墨鑄鐵HB130－360），加工時(shí)刀具溫度較低，且鑄鐵合金元素少，加工時(shí)化學(xué)腐蝕弱，其磨損機(jī)理主要是機(jī)械磨損，因此要選擇耐磨性好抗機(jī)械磨損能力強(qiáng)的高含量PcBN進(jìn)行加工。而淬火鋼硬度高（HRC55－65），加工時(shí)刀具溫度高，且合金元素多，加工時(shí)化學(xué)腐蝕嚴(yán)重，所以磨損機(jī)理主要是氧化磨損和化學(xué)磨損，因此加工時(shí)要選擇抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)和抗高溫性好的低含量PcBN［3－5］。Co作為金屬粘接劑能提高PcBN復(fù)合片的導(dǎo)電性、強(qiáng)度和可燒結(jié)性，但也會(huì)降低其抗高溫性和耐磨性。所以本文將從高低含量?jī)煞NPcBN復(fù)合片來客觀全面地論證Co對(duì)PcBN復(fù)合片性能的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)原材料及設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)使用的原材料有：YG8硬質(zhì)合金片，cBN（0－3，3－5，5－7，10－14μm），Al（平均粒度2.0μm），Ti N（平均粒度2.0μm），Co（325目），Φ100＊330的GCr15棒材，Φ150＊330的灰鑄鐵棒材。使用的設(shè)備有鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)，平面磨床，數(shù)控車床，刀具磨床，線切割，無(wú)心外圓磨床，高頻焊機(jī)，萬(wàn)用表，萬(wàn)用壓機(jī)，掃描電子顯微鏡（SEM），能譜儀（EDS），超聲波掃描顯微鏡（C－SAM）。

3 實(shí)驗(yàn)步驟及內(nèi)容

在cBN高含量區(qū)選擇cBN的含量A樣品作為高含量復(fù)合片的代表，在cBN低含量區(qū)選擇cBN的含量B樣品作為低含量復(fù)合片的代表。再將每類復(fù)合片分為Co含量0wt%，2wt%，4wt%，6wt%共八種復(fù)合片在鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)上合成，記錄其正常燒結(jié)時(shí)的合成功率（時(shí)間、壓力恒定）檢測(cè)其燒結(jié)性能。

將合成好的復(fù)合片磨去表面的金屬杯，用萬(wàn)用表測(cè)量其電阻，檢測(cè)其可加工性。

將磨好的，選取表面無(wú)長(zhǎng)斑、長(zhǎng)線、裂紋的完整片拋光，表面用酒精清洗干凈，利用能譜儀（EDS）對(duì)其進(jìn)行成分分析；然后利用超聲波掃描顯微鏡（CSAM）對(duì)其內(nèi)部縱向結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

將PcBN復(fù)合片磨去硬質(zhì)合金襯底，做成Φ10＊4的圓片在萬(wàn)用壓機(jī)上測(cè)量其抗彎強(qiáng)度。

利用線切割將復(fù)合片切成等腰直角三角形刀頭，通過高頻焊機(jī)將刀頭焊接在鋼制基體上，在臺(tái)灣遠(yuǎn)山刀具磨床上磨成刀具。刀具參數(shù)：后角a。＝0o，前角角γo＝0o，刀尖圓弧γε≤0.4，倒棱γo1＝6o，Kr＝75o，Kr1＝15o。

將做好的刀具在數(shù)控車床上做切削實(shí)驗(yàn)，其中高含量切灰鑄鐵，低含量切削GCr15，檢測(cè)其切削里程與后刀面磨損的關(guān)系，并在掃描電鏡下觀察其后刀面磨損情況。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析討論

4.1 燒結(jié)功率及電阻的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

對(duì)每種復(fù)合片的每種性能測(cè)五個(gè)數(shù)據(jù)取平均值，記錄入表，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：燒結(jié)功率反映PcBN復(fù)合片的可燒結(jié)性和生產(chǎn)中的能量損耗，高含量PcBN由于cBN含量高，可燒結(jié)性和導(dǎo)電性較差，燒結(jié)較困難，需要更高的燒結(jié)功率，因此可燒結(jié)性和電阻是兩個(gè)衡量高含量PcBN復(fù)合片性能很重要的指標(biāo)，而低含量PcBN復(fù)合片由于粘接劑含量較高，其可燒結(jié)性和導(dǎo)電性都比較好。Co對(duì)不同種類PcBN復(fù)合片的燒結(jié)功率和電阻的影響結(jié)果如表1表2：

表1 高含量PcBN A的燒結(jié)功率及電阻Table 1 The sintering power and the resistance of high content PcBN（A）

表2 低含量PcBN B的燒結(jié)功率及電阻：Table 2 The sintering power and the resistance of low content PcBN（B）

通過上述兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析我們發(fā)現(xiàn)如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

（1）由表1可知Co可以大大降低高含量PcBN的燒結(jié)功率，因此可以降低電能損耗，同時(shí)Co可以降低高含量復(fù)合片的電阻，使其能用線切割加工，提高其可加工性。

（2）由表2可知Co對(duì)低含量PcBN復(fù)合片的燒結(jié)功率和復(fù)合片電阻影響不大。

其原因是因?yàn)楦吆繌?fù)合片由于cBN含量很高，導(dǎo)致其可燒結(jié)性和導(dǎo)電性較差，而Co作為金屬熔點(diǎn)較低，導(dǎo)電性極好，且能跟其他粘接劑反應(yīng)生成固溶體，因此在高含量復(fù)合片中添加少量Co能有效地提高其燒結(jié)性和可加工性。而低含量復(fù)合片由于cBN含量低，Al、Ti N粘接劑的含量很高，因此其導(dǎo)電性和燒結(jié)性能都較好，所以添加Co對(duì)低含量PcBN復(fù)合片的燒結(jié)性和可加工性影響不大。

4.2 實(shí)驗(yàn)片的成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

物質(zhì)的成分和組織結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性能，因此研究PcBN復(fù)合片的成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是研究PcBN很重要的一種手段，本次實(shí)驗(yàn)利用能譜儀（EDS）對(duì)PcBN復(fù)合片進(jìn)行成分分析；然后利用超聲波掃描顯微鏡（C－SAM）對(duì)其內(nèi)部縱向結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。其檢測(cè)結(jié)果如下。

表3 A中W，Co含量Table 3 The content of W and Co in A

表4 B中W，Co含量Table 4 The content of W and Co in B

圖1 C-SAM檢測(cè)A的剖面圖Fig.1 A cross-sectional view of C-SAM detection

圖2 C-SAM檢測(cè)低含量PcBN剖面圖Fig.2 B cross-sectional view of C-SAM detection

通過表3和表4可以發(fā)現(xiàn)測(cè)量的Co含量比添加值高，且檢測(cè)出了配方中沒有添加的W。這是因?yàn)橛操|(zhì)合金中的W、Co滲透到cBN層的緣故，導(dǎo)致cBN層W、Co含量增加。PcBN在高溫高壓作用下燒結(jié)時(shí)，硬質(zhì)合金片和cBN界面處的硬質(zhì)合金熔化，熔融的WC－Co共晶體由于表面張力的作用而滲入cBN層［12］。從表3和表4可以發(fā)現(xiàn)，確實(shí)有一定量的W、Co從硬質(zhì)合金基體滲入cBN層中cBN晶粒形成的孔隙中，但由表4發(fā)現(xiàn)當(dāng)W滲透一定量時(shí)，Co卻還未開始滲透，所以本文實(shí)驗(yàn)中的Co并不是以WC－Co共晶體的形式滲透，可能是合成工藝不同導(dǎo)致其W、Co的滲透方式不同。對(duì)比表3表4可發(fā)現(xiàn)：高含量復(fù)合片中硬質(zhì)合金滲透的W、Co量大于低含量復(fù)合片。這是因?yàn)楹铣筛吆繌?fù)合片的功率比低含量復(fù)合片高出400～800W，溫度越高，粒子擴(kuò)散越劇烈，因此高含量復(fù)合片硬質(zhì)合金層的W、Co滲透到cBN層的量大于低含量復(fù)合片。

分析圖1、圖2可發(fā)現(xiàn)，PcBN并不是簡(jiǎn)單地由cBN層和硬質(zhì)合金層兩層粘接到一起，而是兩者之間互相滲透形成一個(gè)過渡層，通過過渡層將cBN層和硬質(zhì)合金連接為一個(gè)整體。而且觀察高含量復(fù)合片中心的剖面可發(fā)現(xiàn)，如果溫度足夠高，整個(gè)cBN都將變成滲透層。顯然這種過渡層連接為一個(gè)整體的強(qiáng)度要高于普通地粘接到一起。該剖面圖也很好地證明了硬質(zhì)合金中的W、Co是如何滲透到cBN層的，與能譜儀分析結(jié)果相吻合。

4.3 抗彎強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

抗彎強(qiáng)度測(cè)試通常采用三點(diǎn)彎曲法，按下式進(jìn)行計(jì)算：

其中D為樣品抗彎強(qiáng)度；P為樣品斷裂時(shí)的負(fù)荷；L為抗彎專用卡具的跨度；R為樣品的半徑；S為樣品的厚度。習(xí)慣上適合上式的待測(cè)物應(yīng)是平面矩形，但由于多晶立方氮化硼生產(chǎn)尺寸的限制，難以做成傳統(tǒng)測(cè)試所需要的彎曲柱形或者矩形長(zhǎng)條。為此，根據(jù)Robert s證實(shí)了的采用圓片狀待測(cè)物取代方形具有可行性的原理。對(duì)本次試驗(yàn)制成的樣品在室溫下，跨度L＝7mm、壓輥直徑為5 1.5mm、施力速度V＝0.5mm／min的情況下在萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上對(duì)5種樣品進(jìn)行TRS測(cè)試［9］，按公式（1）計(jì)算出TRS，結(jié)果如表5所示。

表5 不同Co添加量PcBN復(fù)合片的抗彎強(qiáng)度值Table 5 The bending strength of PcBN composite with different Co content

綜合表3、4、5可知，Co作為金屬粘接劑能促進(jìn)PcBN的燒結(jié)，與cBN顆粒和其他粘接劑形成固溶體，提高其燒結(jié)強(qiáng)度［5］［6］［7］，在一定的范圍內(nèi)，PcBN復(fù)合片的抗彎強(qiáng)度隨著Co含量的增加而提高，所以，同一配方體系中，由于高含量PcBN復(fù)合片中Co的滲透量大于低含量PcBN復(fù)合片，其抗彎強(qiáng)度比低含量PcBN復(fù)合片高。當(dāng)Co的量達(dá)到一定值時(shí)PcBN的強(qiáng)度不再增加，甚至出現(xiàn)下降的情況，這是因?yàn)楫?dāng)Co的量達(dá)到一定值得時(shí)候，其促進(jìn)燒結(jié)的作用已達(dá)到峰值，而隨著Co含量的增加PcBN中cBN－cBN強(qiáng)鍵的比例會(huì)隨之下降，當(dāng)超過一定值時(shí)，燒結(jié)強(qiáng)度不再提高，而cBN－cBN鍵比例的下降導(dǎo)致PcBN強(qiáng)度下降。

但根據(jù)EDS定性不定量的原則，無(wú)法確定該點(diǎn)的準(zhǔn)確值。

4.3 切削壽命的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

切削壽命最能客觀直接地反應(yīng)PcBN刀具的壽命，本次實(shí)驗(yàn)的加工對(duì)象和參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3－圖6所示：

由圖3可知，在切削同樣里程的灰鑄鐵時(shí)隨著Co含量的增加，高含量PcBN復(fù)合片后刀面磨損量會(huì)有少量增加，但其變化并不明顯，這是因?yàn)楦吆縋cBN加工鑄鐵主要是機(jī)械磨損；Co作為金屬粘接劑雖然會(huì)降低PcBN的耐磨性增加其機(jī)械磨損量，但也能增加其燒結(jié)強(qiáng)度減少非正常磨損（如剝落和崩刃）和微解裂磨損，因此在高含量PcBN復(fù)合片加工鑄鐵時(shí)，Co對(duì)其壽命的影響不是很顯著。

由圖4可知，隨著Co含量的增加，切削GCr15（HRC60－63）同樣的里程，低含量PcBN刀具后刀面的磨損量逐漸增大，由圖6可知磨損面隨著Co含量增加粗糙度也增大，這是因?yàn)榈秃縋cBN復(fù)合片刀具加工的淬火鋼硬度很高（HRC60－63），該加工條件下刀具溫度可到680oC以上［11］，因此其抗高溫性顯得尤為重要，而Co作為金屬粘接劑不僅會(huì)降低PcBN的耐磨性增大其機(jī)械磨損量，還會(huì)大大降低PcBN的抗高溫性能，大大增加其化學(xué)磨損和氧化磨損，所以隨著Co含量的增加，低含量PcBN刀具的壽命會(huì)顯著降低，其磨損面粗糙度也會(huì)增加。

圖3 高含量PcBN刀具切削灰鑄鐵（HB120－140）后刀面磨損：Fig.3 Flank wear of high content PcBN tool after cutting gray cast iron（HB120-140）

圖4 低含量PcBN刀具切削GCr15（HRC60－62）后刀面磨損Fig.4 Flank wear of low content PcBN tool after cutting GCr15（HRC60-62）

圖5 不同Co含量PcBN復(fù)合片（A）切削灰鑄鐵的后刀面磨損Fig.5 Flank wear of PcBN compacts with different Co content after cutting gray cast iron（a：Co0%，b：2%，c：4%，d：6%）

圖6 不同Co含量PcBN復(fù)合片切削B GCr15的后刀面磨損Fig.6 Flank wear of PcBN compacts with different Co content after cutting GCr15（a：Co0%，b：2%，c：4%，d：6%）

5 結(jié)論

（1）YG8硬質(zhì)合金中的W、Co會(huì)滲透到cBN層中，導(dǎo)致PcBN中的W、Co含量會(huì)大大高于添加量；且W滲透的臨界溫度低，Co滲透的臨界溫度高，其滲透量隨燒結(jié)功率的增大而增大。但硬質(zhì)合金中的W、Co以何種形式滲透還有待研究。

（2）PcBN復(fù)合片中添加和滲透的Co能增加其可燒結(jié)性，導(dǎo)電性和強(qiáng)度，但會(huì)大大降低PcBN復(fù)合片的耐磨性和抗高溫性，進(jìn)而增加其機(jī)械磨損量、化學(xué)磨損量和氧化磨損量，需嚴(yán)格控制Co的滲透。

（3）高含量PcBN復(fù)合片中可添加少量Co以提高其燒結(jié)性，導(dǎo)電性和強(qiáng)度，低含量PcBN復(fù)合片為保證其抗高溫性不宜添加Co。

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Influences of the cobalt on sintering and properties of PcBN composite

WANG Wen-long1，2，XIE Zhi-gang1，2，HE Xu-lin2，ZHANG Yan-jun2，LI Li-wei2，ZHU Xu2
（1.Guilin University of Electronic Technology，Guilin541004，China；2.China Nonferrous Metal（Guilin）Geology and Mining Co.，Ltd.，Guilin541004，China）

The cobalt is commonly used as metal bond of PcBN，while the sintering ability，bending strength and lifetime are very important performances of the PcBN.This paper studies the impact of different Co content on the performances of high and low content PcBN composite.

Co；polycrystalline cubic boron nitride compacts；sintering ability；bending strength；lifetime.

TQ164

A

1673－1433（2013）02－0016－06

2013－03－25

王文龍（1987－）男，在讀碩士研究生。主要從事高性能PcBN復(fù)合片的研究和開發(fā)。E-mail：290349290＠qq.com。