合成壓力對(duì)PcBN復(fù)合片的質(zhì)量影響研究

何緒林，王文龍，夏羅君，張喆，羅文來

(1.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西桂林 541004; 2.桂林特邦新材料有限公司，廣西桂林 541004; 3.廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004)

合成壓力對(duì)PcBN復(fù)合片的質(zhì)量影響研究

何緒林，王文龍，夏羅君，張喆，羅文來

(1.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西桂林 541004; 2.桂林特邦新材料有限公司，廣西桂林 541004; 3.廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004)

PcBN復(fù)合片脫層等問題是合成過程中的常見問題，文章采用C掃描設(shè)備對(duì)復(fù)合片脫層的過程進(jìn)行了研究。雖然影響復(fù)合片質(zhì)量的因素很多，但復(fù)合片脫層會(huì)導(dǎo)致復(fù)合片性能下降，文章主要比較了不同合成壓力對(duì)PcBN復(fù)合片質(zhì)量——特別是內(nèi)部結(jié)合質(zhì)量的影響。對(duì)復(fù)合片脫層的原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為實(shí)質(zhì)上是不同材質(zhì)結(jié)合后存在殘余應(yīng)力，釋放的應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致脫層現(xiàn)象，匹配好工藝壓力利于復(fù)合片質(zhì)量穩(wěn)定，對(duì)復(fù)合片生產(chǎn)有一定指導(dǎo)意義。

PcBN;脫層;壓力;質(zhì)量

立方氮化硼復(fù)合片(PcBN)作為高速切削、高效高精加工的超硬刀具材料，其以車代磨、干式切削的特點(diǎn)，符合節(jié)能環(huán)保的大趨勢(shì)，因此我國(guó)加快發(fā)展PcBN刀具材料意義大，發(fā)達(dá)國(guó)家使用超硬刀具(PCD、PcBN等)的比例高于30%［1］，而我國(guó)卻低于10%。工欲善其事，必先利其器，我國(guó)進(jìn)入工業(yè)4.0，要從工業(yè)大國(guó)變?yōu)楣I(yè)強(qiáng)國(guó)，刀具材料的發(fā)展需要先行，PcBN刀具材料質(zhì)量的影響因素多，原材料、檢測(cè)、設(shè)備、工藝控制等，從腔體壓力來看，國(guó)外兩面頂合成體系腔體內(nèi)壓7～9GPa，國(guó)內(nèi)六面頂合成體系腔體內(nèi)壓5～7GPa，本文重點(diǎn)以壓力差異作為研究的方向?，F(xiàn)將部分工作小結(jié)與同行分享，不足之處望多指正。

1 試驗(yàn)條件

主要設(shè)備包括:Φ560缸徑六面頂壓機(jī)合成設(shè)備、真空處理設(shè)備、數(shù)控車床刀具性能檢測(cè)設(shè)備、C掃描刀具材料評(píng)測(cè)設(shè)備、刀具磨床做刀設(shè)備。主要原材料包括:cBN微粉、硬質(zhì)合金、葉蠟石、堵頭、鈦片、鉬杯、碳鹽罐。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

將cBN及粘結(jié)劑粉料［3］混合均勻，用真空機(jī)組將粉料活化處理，采用金屬鉬杯裝入粉料，再裝入碳鹽管、葉蠟石塊中，復(fù)合片組裝示意見圖1。

圖1 復(fù)合片組裝示意圖Fig.1 compact assembly diagram

合成試驗(yàn)以合成壓力為變量，其它條件控制不變，研究復(fù)合片內(nèi)在結(jié)合質(zhì)量、外觀質(zhì)量。表1為合成壓力實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)，壓力用P表示，功率用W表示，合成時(shí)間用T表示，壓力試驗(yàn)600片，生產(chǎn)驗(yàn)證數(shù)量1000片，結(jié)果介紹在表2中。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 壓力對(duì)復(fù)合片外觀缺陷質(zhì)量的影響

表1壓力范圍內(nèi)，合成的復(fù)合片沒有發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)斑和裂紋等外觀缺陷，壓力、功率及時(shí)間在工藝范圍內(nèi)，合成壓力的變化對(duì)復(fù)合片外觀長(zhǎng)斑、裂紋沒有明顯影響，當(dāng)壓力在P+7以下時(shí)，都沒有長(zhǎng)金剛石，而在合成壓力達(dá)到P+8～P+9時(shí)出現(xiàn)有些復(fù)合片長(zhǎng)金剛石現(xiàn)象，隨著壓力增加復(fù)合片長(zhǎng)金剛石幾率增加，合成壓力對(duì)復(fù)合片長(zhǎng)金剛石有明顯影響，合成腔中有鈷、石墨，當(dāng)進(jìn)入金剛石生長(zhǎng)區(qū)，合成腔就會(huì)長(zhǎng)金剛石，導(dǎo)致復(fù)合片變脆進(jìn)而品質(zhì)下降，因此需匹配工藝參數(shù)避免金剛石生長(zhǎng)。

3.2 壓力變化與復(fù)合片脫層(內(nèi)在復(fù)合質(zhì)量)的關(guān)系

3.2.1 PcBN復(fù)合片脫層現(xiàn)象的產(chǎn)生過程

對(duì)不同壓力下合成的復(fù)合片進(jìn)行檢測(cè)，采用超聲波C掃描設(shè)備，檢測(cè)復(fù)合片cBN層與合金層的結(jié)合界面，發(fā)現(xiàn)壓力低的復(fù)合片較容易產(chǎn)生界面脫層現(xiàn)象，并且工藝壓力越低，復(fù)合片脫層越多，經(jīng)放置時(shí)間越長(zhǎng)，脫層的復(fù)合片區(qū)域及比例越大。研究發(fā)現(xiàn)脫層過程在一定時(shí)間范圍內(nèi)脫層區(qū)域是會(huì)變化的，脫層是從無到有、脫層區(qū)域從小到大，直到穩(wěn)定。復(fù)合片脫層是一個(gè)漸變的過程，以P+2MPa壓力合成的復(fù)合片進(jìn)行說明，參見圖2。初始狀態(tài)該復(fù)合片沒有脫層，經(jīng)不同的放置時(shí)間(一周到五周)，該復(fù)合片脫層，經(jīng)過五周趨于穩(wěn)定。圖2選擇的復(fù)合片壓力點(diǎn)相對(duì)低，表1、圖2中表明較低壓力合成的復(fù)合片隨時(shí)間變化產(chǎn)生脫層缺陷的情況:初始狀況7天內(nèi)均無脫層，見圖2-a，經(jīng)過14天到圖2-b有明顯的脫層，經(jīng)過21天到圖2-c脫層增大增多，屬非穩(wěn)定狀況;經(jīng)35天到圖2-d脫層增大增多，趨于穩(wěn)定。圖3對(duì)應(yīng)壓力高(P+9MPa)的復(fù)合片經(jīng)35天均未發(fā)現(xiàn)脫層現(xiàn)象，見圖3的e、f、g、h。其它壓力下復(fù)合片脫層的過程是相同的不多展示。

圖2 壓力P+2MPa復(fù)合片內(nèi)部缺陷脫層變化過程圖Fig.2 change process of the internal defect delamination of compact under pressure of P+2 mpa

圖3 壓力P+9MPa復(fù)合片內(nèi)部質(zhì)量圖Fig.3 internal quality of compact under pressure of P+9 mpa

3.2.2 PcBN復(fù)合片脫層概率與壓力變化、復(fù)合片放置時(shí)間變化的研究:

對(duì)不同工藝壓力合成的復(fù)合片分期掃描觀察，起初經(jīng)C掃描檢測(cè)無脫層的復(fù)合片，放置一段時(shí)間后再進(jìn)行C掃描，發(fā)現(xiàn)有一些復(fù)合片出現(xiàn)脫層，放置時(shí)間不同，出現(xiàn)脫層的幾率有差異，因此除了壓力變化是脫層現(xiàn)象的主要因素外，放置時(shí)間也是一個(gè)影響因素，對(duì)此展開實(shí)驗(yàn)研究，表1說明了不同壓力下，由于放置時(shí)間不同，對(duì)應(yīng)復(fù)合片脫層的比例變化，脫層比例指脫層復(fù)合片數(shù)與總數(shù)的比值。

表1 復(fù)合片內(nèi)部缺陷檢測(cè)表——復(fù)合片脫層情況與壓力變化表Table 1 compact internal defect detection table-compact delamination and pressure change table

總體趨勢(shì)是合成壓力相對(duì)較高的復(fù)合片脫層現(xiàn)象減少，復(fù)合片放置時(shí)間5周脫層現(xiàn)象的比例趨于穩(wěn)定。結(jié)合圖表說明，從表1和圖2可知，合成后一個(gè)星期內(nèi)檢測(cè)各壓力點(diǎn)均未發(fā)現(xiàn)脫層，兩個(gè)星期后P+1和P+2MPa兩個(gè)較低壓力點(diǎn)的復(fù)合片開始脫層，三個(gè)星期后P+1到P+5五個(gè)較低壓力點(diǎn)的復(fù)合片均出現(xiàn)脫層，而P+7～P+9一直未出現(xiàn)脫層。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，P+4MPa壓力點(diǎn)復(fù)合片脫層比例為15%～20%，實(shí)驗(yàn)及后期生產(chǎn)可參見表2，趨勢(shì)明顯，即壓力越低脫層比例越高。且由表1可知，脫層比例35天后趨于穩(wěn)定，分析為其內(nèi)應(yīng)力釋放要35天左右，應(yīng)力計(jì)算模型見后文。壓力的增高，cBN層與硬質(zhì)合金基體的結(jié)合強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)結(jié)合強(qiáng)度大于內(nèi)應(yīng)力時(shí)脫層是不會(huì)產(chǎn)生的，應(yīng)力存在但不會(huì)出現(xiàn)脫層的現(xiàn)象。對(duì)應(yīng)合成試驗(yàn)說明，壓力大于P+5MPa時(shí)，復(fù)合片結(jié)合強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，脫層比例大大下降甚至沒有脫層，批量生產(chǎn)復(fù)合片的合成壓力優(yōu)選是在工藝壓力P+7附近，避開復(fù)合片長(zhǎng)金剛石、脫層等缺陷，即總?cè)毕萋首畹停善仿首罡?。參見圖4。

3.2.3 優(yōu)選合成壓力批量驗(yàn)證

圖4 根據(jù)工藝試驗(yàn)優(yōu)選工藝壓力參數(shù)在P+7Fig.4 the optimized pressure parameters according to the process test is P+7

PcBN復(fù)合片的穩(wěn)定性一直是影響國(guó)內(nèi)復(fù)合片產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素，對(duì)復(fù)合片質(zhì)量穩(wěn)定的影響，材料、設(shè)備、工藝都有作用，工藝壓力與材料及配方的匹配很重要。優(yōu)選復(fù)合片合成壓力后，我們進(jìn)行了批量生產(chǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)了工藝壓力的匹配可較好地控制復(fù)合片脫層現(xiàn)象。表2為壓力試驗(yàn)階段及后期批量生產(chǎn)復(fù)合片脫層比例。表中數(shù)據(jù)顯示，合成壓力在相對(duì)較高區(qū)域，復(fù)合片質(zhì)量可得到較好控制，但脫層現(xiàn)象仍未能完全消除，還有少量復(fù)合片脫層，這與其它因素未能全部控制有關(guān)。

表2 較高壓力與較低壓力合成脫層比例表Table 2 ratio of delamination under high pressure and low pressure synthesis

3.2.4 工藝匹配壓力的穩(wěn)定與復(fù)合片質(zhì)量穩(wěn)定的關(guān)系

物相均質(zhì)是復(fù)合片質(zhì)量穩(wěn)定的關(guān)鍵。而復(fù)合片質(zhì)量穩(wěn)定性包括:每片復(fù)合片切分成N個(gè)切削刀粒之間的穩(wěn)定性(大直徑復(fù)合片每片可切成幾百上千個(gè)刀粒)，同一批復(fù)合片之間的質(zhì)量穩(wěn)定，以及不同批次復(fù)合片之間的質(zhì)量穩(wěn)定。物相穩(wěn)定決定復(fù)合片質(zhì)量的穩(wěn)定性，初始物相相同，工藝控制相同，自然科學(xué)的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致相同的物相，相同的性能。因此，最終的物相是否相同是復(fù)合片質(zhì)量穩(wěn)定的關(guān)鍵［5］。復(fù)合片合成過程物相相互擴(kuò)散，主要以硬質(zhì)合金中的鈷擴(kuò)散到cBN層為主，其它物相互有擴(kuò)散量較小，因此鈷擴(kuò)散鈷含量［6］最大，而鈷的熱膨脹系數(shù)與cBN相差最大，鈷是軟質(zhì)材料，擴(kuò)散過多不利于刀具切削，因此鈷對(duì)復(fù)合片質(zhì)量穩(wěn)定影響最大。壓力P+7(M)合成的復(fù)合片，檢測(cè)其物相，每片從圓心到外徑選5個(gè)點(diǎn)測(cè)量，取平均值，鈷含量見表3，表中鈷含量最大值wt7.77%與最小值wt6.23%，由于復(fù)合片電鏡檢測(cè)實(shí)質(zhì)上以定性為主，非準(zhǔn)確定量的檢測(cè)，wt7.77%、wt6.23%的差別在檢測(cè)的誤差范圍，即相差很小，可視作相同物相(在同一點(diǎn)檢測(cè)也會(huì)有6%的誤差)，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)復(fù)合片切削壽命之間相差6.6%，即刀具壽命相對(duì)穩(wěn)定，從而印證物相相同性能相同，性能穩(wěn)定。取一個(gè)有代表性的掃描電鏡圖(圖5)。

表3 壓力P+7合成復(fù)合片各點(diǎn)鈷含量Table 3 cobalt content of of different spots of compact synthesized under pressure of P+7

工藝參數(shù)不同時(shí)，或材料、配方變化，檢驗(yàn)的物相會(huì)有較大的差異，檢測(cè)出的物相也會(huì)有很大的差別，產(chǎn)品加工性能相差較多，會(huì)造成復(fù)合片質(zhì)量的不穩(wěn)定，這是國(guó)產(chǎn)復(fù)合片要重視的地方。

圖5 壓力P+7合成復(fù)合片圖譜線、原子百分比Fig.5 the atlas and atomic percentage of compact synthesized under pressure of P+7

4 復(fù)合片脫層的原因分析:

復(fù)合片結(jié)合界面及機(jī)理［7］，簡(jiǎn)言之是物質(zhì)相互擴(kuò)散達(dá)到材料復(fù)合，界面脫層主要與復(fù)合片合成后殘余熱應(yīng)力有關(guān)，cBN與硬質(zhì)合金的復(fù)合在高溫高壓條件下，設(shè)合成溫度為T0，在該溫度下陶瓷層(即cBN層，由于還有其它組分稱為陶瓷層)與硬質(zhì)合金處于自由應(yīng)力狀態(tài)，合成后復(fù)合片處于常溫常壓，合成后的溫度為T1——復(fù)合前后存在的狀態(tài)不同，溫度由T0下降到T1，變化量ΔT=T1－T0，cBN與硬質(zhì)合金兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，因此這兩種不同狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。cBN等材料合成過程是粉料變成密實(shí)的cBN層的過程，產(chǎn)生收縮，合成的過程cBN層會(huì)對(duì)合金產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，合成后復(fù)合片應(yīng)力釋放的方向，是硬質(zhì)合金回復(fù)原形的方向，是導(dǎo)致復(fù)合片脫層的應(yīng)力。其中應(yīng)力與物相配方等有關(guān)。見圖6復(fù)合片應(yīng)力分析。圖6中，陶瓷和硬質(zhì)合金的厚度及彈性模量分別為t1、t2和E1、E2，線熱膨脹系數(shù)分別為T1、T2。陶瓷層受到的最大總拉力為F1［8］

圖6 復(fù)合片殘余熱應(yīng)力分析圖Fig.6 analysis diagram of residual thermal stress of the compact

最大拉應(yīng)力公式:

以上公式看出，對(duì)殘余應(yīng)力影響最大的是應(yīng)力松弛溫度與常溫的差值及兩種材料熱膨脹系數(shù)差值，二者均與殘余應(yīng)力成正比，陶瓷層和硬質(zhì)合金層的厚度對(duì)殘余應(yīng)力也有一定影響。由于各種陶瓷和硬質(zhì)合金的應(yīng)力松弛溫度基本相同，對(duì)殘余應(yīng)力起決定因素的是二者的熱膨脹系數(shù)差值。二者的熱膨脹系數(shù)差較小時(shí)，殘余應(yīng)力小，復(fù)合片結(jié)合強(qiáng)度高，不會(huì)出現(xiàn)脫層現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力超過復(fù)合片的結(jié)合力時(shí)，復(fù)合片出現(xiàn)脫層現(xiàn)象，脫層現(xiàn)象持續(xù)到復(fù)合片的結(jié)合力與殘余拉應(yīng)力力平衡后穩(wěn)定。而合成壓力不同對(duì)復(fù)合片質(zhì)量(脫層)的影響，有兩方面的因素:一是壓力影響復(fù)合片的物相擴(kuò)散濃度、物相分布，復(fù)合片各區(qū)域物相分布不同的結(jié)果就造成復(fù)合片局部熱膨脹系數(shù)差異，這個(gè)差異就導(dǎo)致殘余應(yīng)力。二是壓力影響復(fù)合片的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)合強(qiáng)度高，復(fù)合片殘余應(yīng)力小于結(jié)合力，復(fù)合片就不會(huì)出現(xiàn)脫層，而復(fù)合片殘余應(yīng)力的產(chǎn)生有時(shí)效的特點(diǎn)，通過試驗(yàn)、工藝控制是復(fù)合片質(zhì)量穩(wěn)定的有效手段。

5 結(jié) 論

(1)在合成范圍內(nèi)，合成壓力較低時(shí)，復(fù)合片因內(nèi)應(yīng)力釋放產(chǎn)生脫層，壓力越低脫層比例越大。

(2)復(fù)合片應(yīng)力釋放有一定時(shí)效性，時(shí)效周期內(nèi)時(shí)間越長(zhǎng)脫層越多，應(yīng)力平衡后趨于穩(wěn)定。

(3)復(fù)合片在較高壓力合成時(shí)，合成腔體內(nèi)元素?cái)U(kuò)散較均勻，物相均質(zhì)，利于復(fù)合片質(zhì)量控制。

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Study of the Influence of Synthetic Pressure on the Quality of PcBN Compact

HE Xu-lin，WANG Wen-long，XIA Luo-jun，ZHANG Zhe，LUO Wen-lai
(1.China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.，Ltd，Guilin，China 541004; 2.Guilin Tebon Superhard Material Co.，Ltd.，Guilin，Guangxi，China 541004; 3.Guangxi Key Laboratory of Superhard Materials，Guilin，China 541004)

Delamination is one of the common problems in the process of synthesis for PcBN compact.The process of delamination of PcBN compact has been studied through C scan equipment.While many factors can affect the quality of the compact，delamination may lead to a decline in the performance of the compact.The influence of different synthetic pressure on the quality of PcBN compact，especially the internal bond quality，has been studied in this article.Based on the analysis of the cause of the delamination，it is believed that the real cause of it is the residual stress generated after the bond of different type of materials，the release of the stress leads to the delamination.Application of appropriate process pressure will help to stablize the quality and has a certain instructive significance to the production of the PcBN compact.

PcBN;delamination;pressure;quality

TQ164

A

1673－1433(2016)06－0024－06

2016－08－20

桂工信投資［2016］258號(hào)

何緒林(1971－)，1993畢業(yè)于中南大學(xué)，一直從事超硬材料合成、設(shè)備腔體大型化的研究。E-mail:52314535@qq.com。

何緒林，王文龍，夏羅君，等.合成壓力對(duì)復(fù)合片的質(zhì)量影響研究［J］.超硬材料工程，2016，28(6):24-29.