硬質(zhì)合金高壓熔滲制備聚晶立方氮化硼復(fù)合片①

賈洪聲,鄂元龍,李海波,汪尹強(qiáng),賈曉鵬,馬紅安,鄭友進(jìn),

(1.吉林師范大學(xué)功能材料物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林四平136000; 2.吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長(zhǎng)春130012; 3.牡丹江師范學(xué)院新型炭基功能與超硬材料省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江牡丹江157011)

硬質(zhì)合金高壓熔滲制備聚晶立方氮化硼復(fù)合片①

賈洪聲1,3,鄂元龍1,李海波1,汪尹強(qiáng)1,賈曉鵬2,馬紅安2,鄭友進(jìn)3,

(1.吉林師范大學(xué)功能材料物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林四平136000; 2.吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長(zhǎng)春130012; 3.牡丹江師范學(xué)院新型炭基功能與超硬材料省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江牡丹江157011)

在高溫高壓條件下(HPHT,5.2 GPa,1450℃),通過(guò)硬質(zhì)合金基體的高壓原位熔滲法,制備了質(zhì)地均勻的Φ15×5 mm的聚晶立方氮化硼(PcBN)復(fù)合片。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、能譜儀(EDS)等考察了PcBN復(fù)合片的組織形貌及物相成分,并對(duì)其界面復(fù)合機(jī)理進(jìn)行了探討。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,硬質(zhì)合金(WC-Co)基體中WC及Co通過(guò)熔滲擴(kuò)散到立方氮化硼(cBN)層,通過(guò)WC、MoCoB、Co3W3C等粘結(jié)相,實(shí)現(xiàn)了PcBN復(fù)合片的界面復(fù)合,PcBN層形成致密的“混凝土”結(jié)構(gòu)。

高溫高壓;聚晶立方氮化硼復(fù)合片;熔滲;硬質(zhì)合金

0 引言

作為立方氮化硼(cBN)工具的一種重要應(yīng)用材料,聚晶立方氮化硼(PcBN)復(fù)合片以其優(yōu)越的性能充分體現(xiàn)了現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)材料的要求,廣泛地應(yīng)用于冷硬鑄鐵、耐熱合金及淬硬鋼等材料的精密加工領(lǐng)域[1-5]。

PcBN復(fù)合片是在高溫高壓(4.8～5.2 GPa, 1400℃～1550℃)條件下將立方氮化硼粉末顆粒依靠粘結(jié)相,使整個(gè)立方氮化硼粉末層形成高強(qiáng)度“混凝土”結(jié)構(gòu)的燒結(jié)型cBN聚晶,并與硬質(zhì)合金基體燒結(jié)復(fù)合,形成一體的復(fù)合材料。各種PcBN材料因制造方法、復(fù)合途徑及燒結(jié)機(jī)理不同,其產(chǎn)品性能也表現(xiàn)出明顯的差異。目前,在制備PcBN的方法上,采用的都是立方氮化硼與粘結(jié)劑粉末混合的燒結(jié)方法[6],其特征是立方氮化硼與粘結(jié)劑的含量配比通常很難達(dá)到最優(yōu),合成條件區(qū)間較窄,同時(shí)會(huì)帶來(lái)如燒結(jié)組織結(jié)構(gòu)不均勻(“架橋”、“團(tuán)聚”),產(chǎn)品穩(wěn)定重復(fù)性差等問(wèn)題,嚴(yán)重地影響PcBN工具的性能。因此,深入開(kāi)展PcBN復(fù)合片材料中立方氮化硼聚晶及界面的微觀燒結(jié)機(jī)制的研究,不僅能對(duì)改善PcBN復(fù)合片材料的缺陷問(wèn)題有指導(dǎo)作用,而且還可以通過(guò)材料的微觀形貌及物相成分來(lái)推斷界面復(fù)合過(guò)程及機(jī)理,目前,這方面的研究還較少[7-9]。本文以高壓熔滲燒結(jié)的方法制備PcBN復(fù)合片,同時(shí)結(jié)合采用SEM、XRD、EDS等分析手段考察PcBN復(fù)合片中高壓物理化學(xué)反應(yīng)及硬質(zhì)合金的熔滲擴(kuò)散特征及其機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)是在國(guó)產(chǎn)SPD 6×800型六面頂壓機(jī)上進(jìn)行的。選用粒徑為10～14μm、3～5μm的兩種立方氮化硼粉末(采購(gòu)于河南富耐克,制備的PcBN復(fù)合片樣品分別記為1#和2#),質(zhì)量各為0.65 g、Φ15 ×3 mm的YG8碳化鎢基體作為原材料。首先將立方氮化硼粉末及硬質(zhì)合金基體放入屏蔽器具鉬杯中, 40 MPa預(yù)壓成型,真空700℃熱處理1 h,再將組裝兩種粒徑原料的鉬杯置入帶有鹽管的加熱石墨管套件,組裝圖如圖1所示。然后將所有部件一并放入37.5×37.5×37.5 mm的葉蠟石復(fù)合塊中合成,高溫高壓制備條件為5.2 GPa、1450℃,燒結(jié)保溫時(shí)間為6 min,最后經(jīng)過(guò)慢降溫卸壓后獲得Φ15×5 mm的PcBN復(fù)合片(1#和2#),其具有良好的可加工性(電阻～2Ω),對(duì)兩種粒徑制備的PcBN復(fù)合片樣品進(jìn)行了SEM(日本理學(xué),S-570)、EDS及XRD (Rigaku D/max-2500/PC)的測(cè)試分析,并討論其燒結(jié)機(jī)制。

圖1 樣品組裝示意圖Fig.1 Sample assembly diagram

2 分析與討論

2.1 PcBN復(fù)合片組織形貌分析

本文通過(guò)高溫高壓下硬質(zhì)合金基體原位熔滲技術(shù),實(shí)現(xiàn)了PcBN復(fù)合片中聚晶立方氮化硼與碳化鎢基體的牢固粘結(jié)復(fù)合。為了更清晰地觀測(cè)PcBN復(fù)合片的微觀組織形貌,對(duì)粒徑10～14μm的cBN粉末制備的1#PcBN復(fù)合片界面層附近斷面進(jìn)行了SEM觀察,圖2所示為整體PcBN復(fù)合片的界面形貌,可以發(fā)現(xiàn),WC-Co基體和cBN層形成粘結(jié),有明顯的分界面,結(jié)合界面兩側(cè)有遠(yuǎn)小于原始晶粒大小被粘結(jié)相包裹的微晶(1～2μm)存在,在WC-Co基體一側(cè)尤為明顯,這是由于高壓下晶粒破碎的結(jié)果。

圖2 PcBN-WC界面的SEM圖Fig.2 SEM picture of PcBN-WC interface

對(duì)結(jié)合界面附近的PcBN層斷面進(jìn)行了SEM掃描,如圖3所示,可以發(fā)現(xiàn)原始的立方氮化硼粉末有高溫下被熔融液相掃越式熔滲的跡象,cBN顆粒被粘結(jié)相包裹,形成了“混凝土”結(jié)構(gòu)。SEM顯微形貌可以推測(cè)在整個(gè)PcBN燒結(jié)的過(guò)程中,cBN顆粒經(jīng)過(guò)高壓破碎、細(xì)化重排、液相燒結(jié)等過(guò)程形成了氮化硼之間成鍵的致密結(jié)構(gòu),整個(gè)PcBN層斷面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)“架橋”等現(xiàn)象。

2.2 PcBN能譜面掃描分析

為了分析碳化鎢基體向cBN方向的熔滲特征及其成分的元素分布,對(duì)PcBN表層進(jìn)行了能譜面掃描分析,該測(cè)試是在掃描電子顯微鏡—能譜儀上進(jìn)行的,圖4所示為10～14μm的cBN粉末制備1# PcBN樣品的EDS圖,其中的B元素該設(shè)備檢測(cè)不到。在PcBN中,有屏蔽材料Mo元素,也有少量Ti、Al、Fe、K、O等元素存在。由于原材料表面通常有一層氧化膜,所以樣品中有O元素的存在。其中Fe、Mo等元素的存在可以增加顆粒間的強(qiáng)度,有較好的潤(rùn)濕性,起流體傳壓介質(zhì)的作用,有利于PcBN均勻無(wú)形變燒結(jié)。

圖3 PcBN層SEM顯微圖Fig.3 SEM micrograph of PcBN layer

圖4 1#PcBN元素分布的EDS顯微圖Fig.4 EDS micrographs of 1#PcBN element distribution

制備2#PcBN復(fù)合片,從圖5能譜的面掃描照片可以看出,碳化鎢基體的熔滲擴(kuò)散能力很強(qiáng),采用粒徑更細(xì)的3～5μm的cBN粒徑,也可以熔滲到cBN層,形成有效的燒結(jié)。在PcBN中也有屏蔽材料Mo、Fe、K、O等元素存在。在燒結(jié)的過(guò)程中,由于cBN不溶于金屬粘結(jié)劑,所以不會(huì)有cBN晶粒的溶解析出和長(zhǎng)大的過(guò)程。因此推測(cè)硬質(zhì)合金基體中的Co成分是PcBN燒結(jié)的主要粘結(jié)相,硬質(zhì)合金中的Co液相金屬填充到cBN晶界中,發(fā)生化合反應(yīng),對(duì) cBN燒結(jié)有一定的促進(jìn)作用,使得硬質(zhì)合金和cBN形成緊密粘結(jié)。液相金屬粘結(jié)劑的存在,也有利于降低燒結(jié)條件,提高PcBN的韌性。

2.3 PcBN物相成分分析

為考察PcBN物相的存在形式,利用XRD對(duì)兩種粒徑制備的PcBN復(fù)合片樣品表面物相成分進(jìn)行了表征。測(cè)試條件:Cu Kα射線,石墨晶體單色器, 200 m A,40 k V,波長(zhǎng)為0.15418 nm,掃描速度為4 deg/min。結(jié)果如圖6所示。

圖5 2#PcBN的SEM-EDS圖Fig.5 SEM-EDS micrographs of 2#PcBN

圖6 PCBN的X-ray衍射圖Fig.6 X-ray diffraction pattern of PCBN

XRD分析結(jié)果表明,兩種粒徑制備的PcBN樣品物相成分基本相同,有金屬合金的硼合物MoCoB生成。這也說(shuō)明:PCBN復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度高低取決于cBN層與硬質(zhì)合金間的化合作用,在HPHT的條件下,PcBN內(nèi)部會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)化合作用。發(fā)生的反應(yīng)如下:

通過(guò)硬質(zhì)合金基體中Co的擴(kuò)散與cBN表面發(fā)生界面反應(yīng),生成了穩(wěn)定的MoCoB等,如公式(1)。CoxWxC的存在,說(shuō)明基體中WC與Co通過(guò)熔滲擴(kuò)散形成了固熔體,如公式(2)。因?yàn)閃C和Co的共晶溫度為1320℃,同時(shí),在1340℃時(shí),Co對(duì)WC的浸潤(rùn)角為0[10],所以在燒結(jié)的過(guò)程中形成了Co3W3C。同時(shí),WC等耐高溫晶界相的存在,有利于減小結(jié)晶應(yīng)力,在cBN與粘結(jié)金屬之間引入陶瓷金屬相,有利于PcBN保持高耐磨性,進(jìn)一步提高cBN與硬質(zhì)合金基體間的附著力。hBN相及EDS能譜檢測(cè)的少量雜質(zhì)元素形成的物相XRD沒(méi)有體現(xiàn)。

3 結(jié)論

通過(guò)硬質(zhì)合金高溫高壓條件下的熔滲擴(kuò)散,制備了兩種粒徑(10～14μm,3～5μm)的PcBN復(fù)合片。SEM、EDS掃描結(jié)果表明,cBN顆粒被粘結(jié)相包裹而形成了“混凝土”結(jié)構(gòu)。WC-Co基體部分合金化合物熔滲擴(kuò)散到cBN層中,保持了PcBN的高耐磨性,少量的金屬成分如Mo和Fe等形成的物相提高了粘結(jié)劑對(duì)cBN的潤(rùn)濕性,同時(shí)更有效地提高了PcBN韌性。XRD結(jié)果表明PcBN層形成了cBN,金屬?gòu)?qiáng)碳化物WC、固溶體Co3W3C、MoCoB等,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)hBN相,這些化合物的存在是cBN-WC粘結(jié)復(fù)合形成PcBN復(fù)合片的主要機(jī)制。

[1] Cook M W,Bossom P K.Trends and recent developments in the material manufacture and cutting tool application of polycrystalline diamond and polycrystalline cubic boron nitride.Int. J.Refract.Met.Hard Mater,2000,18:147-152.

[2] Badzian A,Badzian T.Recent developments in hard materials. Int.J.Refract.Met.Hard Mater,1997,15(1-3):3-12.

[3] Kurt A,Seker U.The effect of chamfer angle of polycrystalline cubic boron nitride cutting tool on the cutting forces and the tool stresses in finishing hard turning of AISI 52100 steel.Mater. Des,2005,26:351-356.

[4] Arsecularatne J A,Zhang L C,Montross C,Mathew P.On machining of hardened AISI D2 steel with PCBN tools.J.Mater.Process.Technol,2006,171(2):244-252.

[5] Aslan E.Experimental investigation of cutting tool performance in high speed cutting of hardened X210 Cr12 cold-work tool steel (62 HRC).Mater.Des,2005,26(1):21-27.

[6] Rong X Z,Yano T.TEM investigation of high-pressure reaction-sintered cBN-Al composites.J.Mater.Sci.,2004,39: 4705-4710.

[7] 呂智,林峰,謝志剛,王進(jìn)保,劉燕.近年來(lái)PcBN的技術(shù)進(jìn)步及國(guó)內(nèi)遇到的瓶頸問(wèn)題[J].超硬材料工程,2012,24(6):34-39.

[8] Zhao Y C,Wang M Z Preparation of polycrystalline cBN containing nanodiamond,J.Mater Process.Technol,2008,198:134-138.

[9] Lv R,Liu J,Li Y J,Li SC,Kou Z L,He D W.High pressure sintering of cubic boron nitride compacts with Al and Al N,Diamond&Related Materials,2008,17:2062-2066.

[10] 孫毓超,劉一波,王秦生.金剛石工具與金屬學(xué)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,1999.

Preparation of Polycrystalline Cubic Boron Nitride Compact by Cemented Carbide High-Pressure Infiltration

JIA Hong-sheng1,3,E Yuan-long1,LI Hai-bo1*,WANG Yin-qiang1, JIA Xiao-peng2,MA Hong-an2,ZHENG You-jin3
(1.Key Laboratory of Functional Materials Physics and Chemistry of the Ministry of Education,Jilin Normal University,Siping 136000,China; 2.State Key Laboratory of Superhard Materials,Jilin University,Changchun 130012,China; 3.Key laboratory of New Carbon-base Functional and Superhard Materia, Mudanjiang Normal College,Mudanjiang 157011,China)

Under high temperature and high pressure conditions(HPHT,5.2GPa, 1450℃),homogeneous Polycrystalline Cubic Boron Nitride(PcBN)compact ofΦ15×5 mm has been synthesized through the cemented carbide high pressure in situ melting infiltration method.The structure morphology and phase composition of PcBN compact has been investigated through scanning electron microscope(SEM),X-radial Diffractometer (XRD)and Energy Disperse Spectroscopy(EDS).It's mechanism of composite interface has also been discussed.The experiment result shows that the WC and Co in the cemented carbide(WC-Co)substrate spread into Cubic Boron Nitride layer through melting infiltration.And the binding phase of WC,MoCoB and Co3W3C facilitate the interface recombination of the PcBN compact,hence a compact"concrete"structure has been formed on the PcBN layer.

HPHT,PcBN Compact,melting infiltrating,cemented carbide

TQ163;O521.3

A

1673-1433(2014)02-0026-05

2014-07-12

賈洪聲(1982-),男,吉林雙遼人,講師,博士,主要從事超硬材料制品的研究,E-mail:iop84041@163.com

四平市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012037);吉林大學(xué)開(kāi)放課題(201201);牡丹江師范學(xué)院開(kāi)放課題(201301)(50572032)

李海波(1962-),男,吉林雙遼人,教授,博導(dǎo),主要從事功能材料研究,E-mail:lihaibo@jlnu.edu.cn。