大直徑PcBN復合片的合成及性能表征

盧燦華,張濤,劉俊濤,竇明(中南鉆石有限公司,河南南陽473264)

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大直徑PcBN復合片的合成及性能表征

盧燦華,張濤,劉俊濤,竇明
(中南鉆石有限公司,河南南陽473264)

摘 要:采用納米金屬結合劑PcBN復合片制備技術,在六面頂壓機上合成出直徑為Φ55mm的PcBN復合片。經性能測試,磨耗比5425,維氏硬度5980HV,cBN層抗彎強度516.6MPa,經超聲波微成像分析,樣品無分層、裂紋、夾雜、cBN厚度不均等缺陷,制成刀具后,在切削軸承鋼Gr15時,樣品與國外同類產品性能相當。

關鍵詞:大直徑;PcBN復合片;性能測試;切削試驗

1　引言

PcBN復合片是以立方氮化硼顆粒和按一定比例組成的粘結劑為原料,硬質合金為基體,通過特定的組裝方式在高溫高壓條件下燒結而成的一種超硬復合材料,具有高的硬度、高耐磨性、高紅硬性、高化學穩(wěn)定性等優(yōu)良的特性,主要應用于加工各種淬火鋼、熱噴涂材料、冷硬鑄鐵以及HRC35以上的鈷基和鎳基等難切削材料[1]。

目前,國外PcBN復合片產品的供貨規(guī)格一般在Φ50mm以上,Element six公司可穩(wěn)定提供的PcBN復合片規(guī)格為Φ57mm;DI公司供貨的PcBN復合片規(guī)格為Φ50.8mm和Φ58mm;日本住友供貨的PcBN復合片規(guī)格為Φ64 mm,這種大直徑PcBN復合片不僅提高了產量,而且降低了單位面積生產成本,提高了激光切割的生產效率。而國產PcBN復合片供貨規(guī)格一般在Φ45mm以下,由于產品直徑上的差距,使國內產品價格上的優(yōu)勢難以體現,用途也受到很大限制。近年來,由于合成設備大型化進程的加快,產品直徑得到一定程度的擴大,有的企業(yè)已研制出直徑達Φ50 mm的PcBN復合片,但產品質量并沒有得到明顯提高,與國外產品還存在較大的差距[]。

近期,中南鉆石公司采用納米金屬結合劑PcBN復合片制備技術[3],在六面頂壓機上合成出直徑為Φ55mm的PcBN復合片,制成刀具后,在切削軸承鋼Gr15時,樣品與國外同類產品性能相當。

2　實驗

2.1樣品制備

以納米金屬結合劑和粒度為2μm的立方氮化硼微粉及WC-13%Co硬質合金作原料,以三層耐熱金屬杯倒扣的方式組裝復合體,將復合體組件置于真空設備中,在不大于3×10-4Pa的真空條件下于750℃保溫2小時,按圖1的方式組裝成合成塊,用六面頂壓機在溫度為1480℃和5.6GPa壓力下加熱時間40min。樣品燒結后經外磨、平磨、研磨及拋光加工,最終尺寸為直徑Φ55mm,總厚度3.2mm,聚晶cBN層1mm。

圖1　合成塊組裝結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the assembly structure of the composite block1-導電片 2-絕緣墊片 3-硬質合金 4-cBN層 5-導電鋼圈 6-葉蠟石塊 7-白云石管 8-白鹽管 9-碳管 10-金屬杯 11-鹽片 12-增壓墊

2.2性能測試

在合成PcBN復合片的過程中,由于合成腔體內不可避免地存在壓力梯度和溫度梯度。因此既使是同一片PcBN復合片,不同部位耐磨性、顯微硬度和抗彎強度會有所不同,其性能也會有所差異,某些位置性能較好而其它位置則較差,刃磨成刀具后性能存在一定的不均勻性。

本實驗在PcBN復合片沿徑向方向選取3個測試點或位置分別對耐磨性、顯微硬度和抗彎強度測試,根據3個測試點或位置的測試值的最大差異來判斷樣品性能均勻程度。

2.2.1耐磨性

經外觀檢驗和研、拋合格的PcBN樣品,以樣品半徑的1/2為直徑,沿徑向方向用電火花線切割或激光切割加工2個測試小圓,按圖3所示在測試小圓上標出1點、2點和3點待測位置,據行業(yè)標準JB/ T3235-1999,采用自制的磨耗比試驗機,對測試小圓測試點分別進行耐磨性測試,測試結果如表1所示。

圖2　徑向測試點Fig.2 radial test points

表1　不同位置的磨耗比Table 1 Abrasive ratio at different locations

由表1可以看出:磨耗比沿徑向從邊緣點到中心點逐漸降低,中心點相對邊緣點磨耗比降幅為8.2%,這是由于沿徑向溫度和壓力的不均勻所至,說明樣品耐磨性能基本均勻一致。

2.2.2顯微硬度

將PcBN樣品拋光后,按圖3所示沿徑向方向選取3個顯微硬度測試點,標出1點、2點和3點待測位置,然后放在HBRVU-187.5型布洛維光學硬度計上,根據標準ASTME384-2010,選用金剛石維氏壓頭,采用29.6N(F)的力分別對3個點進行顯微硬度檢測,表2為試樣不同位置的硬度值。該維氏硬度計是通過光學放大測出在一定實驗壓力下的相對面夾角為136°的正棱錐體金剛石壓入被測物所殘留的壓痕的兩條對角線長度d1和d2,取算術平均d,按公式HV=0.1891×F/d2求出被測物的硬度。

圖3　徑向測試位置Fig.3 radial test position

表2　不同位置的硬度值Table 2 Hardness values of different positions

由表2可以看出:樣品從邊緣到中心的方向的顯微硬度呈逐漸減少的趨勢,中心點相對邊緣點顯微硬度幅度為6.6%,說明樣品顯微硬度值基本均勻一致。

2.2.3抗彎強度

按圖4所示位置沿徑向用電火花線切割或激光依次切割3條35mm×4mm的矩形長條,再用電火花線切割除掉硬質合金基體,經平面磨床制成35×4 ×1的樣品(圖5),并將cBN層的兩面拋光制成鏡面后按圖6的方式進行抗彎強度試驗,根據行業(yè)標準GB/T6569-2006,測定PcBN復合片不同位置的抗彎強度。結果如表3所示。

圖4　徑向測試樣品Fig.4 radial test samples

圖5　測試樣品尺寸圖Fig.5 size of test sample

圖6　三點彎曲法示意圖Fig.6 Schematic diagram of three point bending method

表3　不同位置的抗彎強度Table 3 Bending strength of different positions

由表3可以看出:樣品從中心位置到邊緣位置沿徑向方向的抗彎強度數值逐漸降低,其中心相對邊緣抗彎強度降幅為9.25%,說明樣品抗彎性能基本均勻一致。

2.3超聲波微成像分析

2.3.1超聲波無損檢測

在PcBN復合片高壓高溫合成過程中,避免不了在cBN層或cBN層與硬質合金界面結合處產生裂紋、夾雜、氣孔和分層等缺陷,針對cBN層內部或cBN與硬質合金結合處的內部缺陷,采用美國SONIX超聲波掃描顯微鏡對PcBN內部質量進行超聲波掃描逐片檢查,沒有批量出現如圖7所示的裂紋、分層和夾雜等缺陷。

2.3.2cBN層均勻性檢查

由于國內人造金剛石壓機和保溫傳壓介質的特性,決定了合成腔體內不可避免存在著溫度梯度和壓力梯度,合成產品的直徑越大,溫度差和壓力差也越大[4]。當PcBN在燒結后冷卻及解壓時,由于cBN層與硬質合金的線膨脹系數和彈性模量存在著差異,會引起PcBN變形,造成cBN層的不均勻性。cBN厚度的均勻性可以超聲波掃描并以顏色的頒布來顯示。

圖7　PcBN典型的內部缺陷Fig.7 Typical internal defects of PCBN

圖8是利用SONIX超聲波掃描顯微鏡得出的cBN層厚度分布圖,從圖中左側圓形圖片顏色分布上可以看出只有藍、綠兩種顏色,心部藍色區(qū)域對應色條的厚度范圍在0.9～0.95mm之間,邊緣綠色區(qū)域對應色條的厚度范圍在0.95～1mm之間。從圖中左側圓形圖片上的顏色分布可以看出,心部藍色區(qū)域占絕大部分,說明了CBN層厚度的均勻性較好。

圖8　cBN層厚度分布圖Fig.8 thickness distribution of cBN Layer

2.4切削試驗

為了檢測PcBN復合片的使用效果,將粒度為2μm中南PcBN刀坯和國外某著名廠商的PcBN刀坯,各取2粒制成標準的切削刀片形狀,刀尖圓弧0.4,把刀片裝夾在MSSNL2525M12W刀桿上之后,根據GB/T16461-1996標準,在NEXUS200-ⅡL數控車床上進行切削試驗,刀具壽命判定為后刀面磨損vb=0.3mm。本試驗考慮以刀具磨損為主的切削條件,所用切削試棒材料為軸承鋼GCr15,硬度為HRC61,試驗時切削速度100m/min,切削深度0.1mm,進給量0.1mm/r,干切。每種刀片切三刀后觀察后刀面的磨損情況,并記錄切削深度,共記9次,根據切削結果得到的每把刀的切削里程與后刀面的磨損情況,刀具磨損曲線如圖9所示。根據磨損試驗所得工件測得的表面粗糙度R a值,繪制兩種PcBN刀具切削工件表面粗糙度在切削初期(500mm)和切削結束時的對比圖,如圖10所示。

圖9　刀具磨損曲線圖Fig.9 Tool wear graph

圖10　工件表面粗糙度比對Fig.10 workpiece surface roughness comparison

圖9是中南刀具和國外刀具在切削試驗中的磨損曲線,從圖中可以看出中南刀具能走刀4800米左右,國外刀具也能走刀5000米左右,中南刀具切削

里程與國外刀具持平,使用壽命與國外產品相當。

從圖10可以看出:中南刀具、國外刀具初期磨損階段和達到磨鈍標準時工件的表面粗糙度Ra值都在0.4μm～0.7μm之間,均在同一質量等級。

3　結論

(1)樣品經性能測試,磨耗比5425,維氏硬度5980 HV,cBN層抗彎強度516.6MPa,磨耗比、維氏硬度、抗彎強度中心相對邊緣降幅分別為8.2%、6.6%、9.25%,說明樣品性能比較均勻。

(2)樣品經超聲波微成像分析,無批量出現裂紋、夾雜、氣孔、分層、cBN厚度明顯不均勻等缺陷。

(3)樣品制成刀具后,在切削軸承鋼Gr15時,切削里程與國外刀具持平,使用壽命與國外產品相當。

參考文獻:

[1]劉獻禮國.聚晶立方氮化硼刀具及其應用[M].哈爾濱:黑龍江科技出版社,1999:23-24.

[2]呂智,林峰,謝志剛,王進寶,劉燕.近年來PcBN的技術進步及國內遇到的瓶頸問題[J].超硬材料工程,2012(6):36-37.

[3]中南鉆石有限公司.一種納米金屬結合劑及使用該結合劑制成的聚晶cBN復合片,2012 1 0265721.6(P).

[4]胡漢平.準穩(wěn)態(tài)溫度場存在的充分條件[J].應用科學報,2004, 22(1):91.

Synthesis and Property Characterization of Large Diameter PcBN Compact

LU Can-hua,ZHANG Tao,LIU Jun-tao,DOU Ming
(ZHONGNAN DIAMOND CO.,LTD,NANYANG,HENAN 473264)

Abstract:PcBN compact of a diameter ofΦ55mm has been synthesized on cube press through nano-metal bond preparation technique.The performance test gives an abrasive ratio of 5425,Vickers hardness of 5980HV,bending strength of cBN layer 516.6MPa.The sample has no defects such as delamination,flaw,inclusion or uneven cBN thickness through ultrasonic imaging analysis.The cutter made of this compact has similar performance as that of the foreign product when cutting bearing steel Gr15.

Keywords:large diameter,PcBN compact,performance test,cutting test

基金項目:本項目為河南省2011年扶持企業(yè)自主創(chuàng)新資金項目(合同編號:ZNZSKY201101-1)

作者簡介:盧燦華(1964-),教授級高級工程師,主要從事超硬材料及制品的研究開發(fā)和應用。E-mail:lucanhua01@163.com;張濤(1963-),高級工程師,主要從事超硬材料及制品的研究開發(fā)和應用。E-mail:13837750891@126.com。

收稿日期:2015-11-30

中圖分類號:TQ164

文獻標識碼:A

文章編號:1673-1433(2016)02-0001-05

引文格式:盧燦華,張濤,劉俊濤,等.大直徑PcBN復合片的合成及性能表征[J].超硬材料工程,2016,28(2):1-4.