燒結(jié)溫度對(duì)整體PcBN材料性能的影響及作用機(jī)理

鄧雯麗,徐智豪,席沛饒,張鵬,楊雪峰,2,鄧福銘,2,馬向東

燒結(jié)溫度對(duì)整體PcBN材料性能的影響及作用機(jī)理

鄧雯麗1,徐智豪1,席沛饒1,張鵬1,楊雪峰1,2,鄧福銘1,2,馬向東1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)超硬刀具材料研究所,北京 100083; 2.焦作天寶桓祥機(jī)械科技有限公司,河南焦作 454003)

實(shí)驗(yàn)采用粒度為W10的cBN微粉在國(guó)產(chǎn)六面頂壓機(jī)上進(jìn)行高壓燒結(jié),通過(guò)對(duì)樣品磨耗比、顯微硬度的測(cè)試與分析,獲得了合成整體PcBN材料較優(yōu)的燒結(jié)工藝參數(shù)：燒結(jié)壓力為5.4GPa,燒結(jié)溫度為1500℃,燒結(jié)時(shí)間為240s,其顯微硬度為HV3897、磨耗比為8750；結(jié)合SEM、TEM、EDS、XRD對(duì)整體PcBN燒結(jié)樣品的微觀形貌、元素分布及物相組成進(jìn)行分析。結(jié)果表明,整體PcBN材料高壓燒結(jié)聚結(jié)機(jī)理為cBN顆粒的高壓破碎及塑性變形,是cBN-cBN直接結(jié)合和cBN顆粒表面與粘結(jié)相的冶金反應(yīng)形成的cBN-M-cBN中介結(jié)合,同時(shí)得出粘結(jié)劑反應(yīng)生成了固結(jié)性能良好的Al N和硬度與韌性較高的AlB2,提高了粘結(jié)相的硬度和韌性。

整體聚晶立方氮化硼燒結(jié)體；耐磨性；聚結(jié)機(jī)理；淬硬鋼；灰鑄鐵

1 引言

聚晶立方氮化硼(PcBN)是一種硬度僅次于金剛石的人工合成超硬聚結(jié)體材料[1]。PcBN具有一系列獨(dú)特的性能,如高的抗氧化性、良好的熱傳導(dǎo)性、以及對(duì)鐵族元素高的化學(xué)惰性,在機(jī)加工中被廣泛用來(lái)加工淬硬鋼、耐磨鑄鐵和抗磨粉末冶金零件等難加工材料[2-5]。劉書(shū)峰等[6]指出,整體PcBN不但能夠滿(mǎn)足大切深的要求,并且可進(jìn)行斷續(xù)加工,在遇到夾砂和白口時(shí)不易崩刃,特別適合半粗加工和精加工,對(duì)吃刀深度沒(méi)有太大的要求,在理論上可以吃滿(mǎn)整個(gè)刀片[7],但我國(guó)整體PcBN刀具的性能還不能完全滿(mǎn)足或達(dá)到以上切削技術(shù)的要求。國(guó)產(chǎn)整體PcBN刀具材料一般都存在硬度高而韌性差的問(wèn)題,尤其是高溫抗沖擊韌性差,易出現(xiàn)崩刃、破損等現(xiàn)象,使得刀具的加工速度與國(guó)外相比相對(duì)較低,嚴(yán)重降低了其加工效率和加工質(zhì)量。此外,我國(guó)整體PcBN刀具在性能上也存在不均勻的問(wèn)題,嚴(yán)重影響了其加工刀具的使用壽命和加工工件的質(zhì)量穩(wěn)定性。燒結(jié)溫度是影響高壓燒結(jié)整體PcBN刀具材料的性能的關(guān)鍵因素,為探索制備高性能整體PcBN材料,推動(dòng)國(guó)產(chǎn)整體PcBN刀具材料性能的提升,本文研究了燒結(jié)溫度對(duì)整體PcBN刀具材料的微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響及其作用機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)程序與測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)材料采用粒度為10μm的純cBN微粉(富耐克公司生產(chǎn)的型號(hào)為M-850型cBN微粉,純度為99.5%),如圖1所示。按一定比例與Al N陶瓷結(jié)合劑微粉配混料,混料均勻后放入石墨杯進(jìn)行高溫真空處理,然后與其它腔體組裝材料組裝到一起,進(jìn)行高壓合成試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)Y-500型鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)。因?yàn)榱骓攭簷C(jī)腔體內(nèi)壓力和溫度并不能直接測(cè)量,實(shí)驗(yàn)利用Bi、Ba、Ti在高壓時(shí)的相變點(diǎn)來(lái)標(biāo)定腔體內(nèi)部的實(shí)際壓力;采用雙鉑銠B型熱電偶進(jìn)行溫度標(biāo)定,根據(jù)標(biāo)定結(jié)果,可知道液壓系統(tǒng)的油壓與腔體內(nèi)部壓力之間的關(guān)系以及加熱功率與腔體溫度之間的關(guān)系。由于本實(shí)驗(yàn)對(duì)壓力要求很高,在考慮了合成腔體的安全性和穩(wěn)定性后,通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)高壓腔體組裝方式,在5.4GPa壓力下進(jìn)行高壓燒結(jié)試驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)采用固定燒結(jié)壓力和時(shí)間,燒結(jié)溫度分別設(shè)計(jì)為1400℃、1450℃、1500℃、1550℃、1600℃,其高壓燒結(jié)條件見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)采用間接加熱方式,依靠腔體內(nèi)部的發(fā)熱體產(chǎn)生熱量加熱傳遞給cBN微粉,并利用腔體增熱和保溫措施保證高壓燒結(jié)腔體中溫度的均勻性和高壓燒結(jié)系統(tǒng)的安全性。

采用FV-700數(shù)顯式維氏硬度計(jì)進(jìn)行維氏硬度測(cè)試;采用JS2000型金剛石燒結(jié)體磨耗比儀進(jìn)行燒結(jié)樣品磨耗比測(cè)定;利用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)分析樣品微結(jié)構(gòu),所用型號(hào)分別為日本日立公司生產(chǎn)S-3400N型電子顯微鏡、日本電子公司生產(chǎn)JEM2010透射電子顯微鏡;采用SEM配套的能譜分析儀(EDS)分析樣品元素組成;利用X射線衍射儀分析燒結(jié)樣品中的物相結(jié)構(gòu),其所用型號(hào)為日本理光D/max-r A型X射線衍射儀分析儀。

圖1 粒度為W10的cBN微粉的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM image of cBN powders of W10 particle size

3 結(jié)果分析與討論

3.1 力學(xué)性能分析

本文整體PcBN材料高壓燒結(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在燒結(jié)壓力為5.4GPa、燒結(jié)時(shí)間240s工藝參數(shù)下,考察不同燒結(jié)溫度對(duì)PcBN材料力學(xué)性能的影響,高壓燒結(jié)實(shí)驗(yàn)樣品的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 整體PcBN高壓燒結(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果Table 1 Experimental design and test results of monolithic PcBN high pressure sintering

由表1可以看出,在固定燒結(jié)壓力為5.4GPa、燒結(jié)時(shí)間240s時(shí),不同燒結(jié)溫度條件下制備的整體PcBN燒結(jié)體,其力學(xué)性能隨著溫度升高,先是升高然后降低,當(dāng)燒結(jié)溫度到1500℃時(shí)樣品性能最佳,之后隨著溫度進(jìn)一步升高,PcBN燒結(jié)體的性能反而下降,如圖2所示。

圖2 不同燒結(jié)溫度下整體PcBN樣品的性能Fig.2 Performance of the monolithic PcBN samples under different temperatures

3.2 微結(jié)構(gòu)觀察與物相分析

圖3為不同溫度燒結(jié)整體PcBN表面的SEM照片,從圖中可以看出,燒結(jié)溫度為1400℃時(shí),cBN顆粒與cBN顆粒之間雖然有直接結(jié)合,但較少,大多數(shù)以孤立存在的結(jié)合劑形式存在,且燒結(jié)體表面還出現(xiàn)大量孔洞,如圖3(a)所示。這表明,cBN顆粒與cBN顆粒之間以及cBN顆粒與結(jié)合劑之間結(jié)合程度較低,燒結(jié)尚未充分進(jìn)行。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1500℃時(shí),可以看出cBN顆粒分布較均勻,cBN-cBN直接結(jié)合較多,少數(shù)未直接結(jié)合的cBN顆粒也均勻地分布在結(jié)合劑的周?chē)?已不存在孤立的cBN顆粒,燒結(jié)體的致密度較高,顆粒緊密排布,空洞很少,如圖3(b)所示。這說(shuō)明燒結(jié)溫度較合適。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1600℃時(shí),發(fā)現(xiàn)部分cBN顆粒長(zhǎng)大,同時(shí)伴隨有小孔洞出現(xiàn),如圖3(c)所示。這說(shuō)明燒結(jié)溫度已過(guò)高。

以上觀察結(jié)果的產(chǎn)生原因主要是,當(dāng)高壓燒結(jié)溫度偏低時(shí),不能使cBN顆粒產(chǎn)生塑性變形,致使晶粒間未能形成直接結(jié)合,同時(shí)結(jié)合劑也沒(méi)有充分熔化、其擴(kuò)散不充分,不僅不能很好地包覆在cBN顆粒周?chē)?cBN顆粒之間未能發(fā)生一定程度的中介結(jié)合,而且也未能填滿(mǎn)顆粒間隙,從而形成孔隙或空洞。隨著燒結(jié)溫度升高,首先是cBN晶粒塑性形變量增大,顆粒內(nèi)部的位錯(cuò)增多,密度增大,在高溫高壓作用下,塑性變形量較大的cBN顆粒發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大,在原晶粒間形成了無(wú)畸變的新晶粒,產(chǎn)生cBN-cBN的結(jié)合;其次是結(jié)合劑充分填充在cBN顆粒之間,牢固包裹住cBN顆粒,形成cBN顆粒與結(jié)合劑之間的冶金結(jié)合[8]。當(dāng)燒結(jié)溫度過(guò)高時(shí),cBN晶粒不斷長(zhǎng)大甚至異常長(zhǎng)大,使得聚晶體產(chǎn)生晶粒不均勻和孔洞,最終導(dǎo)致燒結(jié)體強(qiáng)度和硬度降低。

由圖3(a)、(b)的EDS圖譜分析結(jié)果可以看出, 1400℃和1500℃燒結(jié)樣品中的元素只有Al和N,說(shuō)明此燒結(jié)溫度下,樣品中沒(méi)有滲入腔體中的其他元素,樣品中無(wú)雜質(zhì)。由圖3(c)EDS圖譜分析結(jié)果可以看出,1600℃燒結(jié)樣品中除了有結(jié)合劑N、Al之外,還存在雜質(zhì)C、O、Si,說(shuō)明樣品中有雜質(zhì)出現(xiàn),C、O和Si的出現(xiàn),可能是碳杯和絕緣管中的元素在高溫下不斷地向PcBN樣品內(nèi)擴(kuò)散造成的。1600℃燒結(jié)樣品中除晶粒長(zhǎng)大外,雜質(zhì)的出現(xiàn)也可能是燒結(jié)PcBN材料性能降低的主要原因。

圖3 不同溫度燒結(jié)整體PcBN表面的SEM及EDS圖(a)1400℃;(b)1500℃;(c)1600℃Fig.3 SEM and EDSimages of the monolithic PcBN surfaces under different sintering temperatures

在圖3(b)中我們還可以看到部分cBN顆粒的直接結(jié)合,其產(chǎn)生的原因可能是在高壓高溫的作用下,導(dǎo)致顆粒內(nèi)部產(chǎn)生大量的塑性變形。為證實(shí)在此溫度壓力條件下cBN顆粒是否發(fā)生了塑性變形,我們對(duì)1500℃燒結(jié)整體PcBN材料樣品進(jìn)行了高分辨透射電鏡觀察分析(見(jiàn)圖4)。從圖中可以看出,cBN顆粒中存在大量位錯(cuò),使得cBN晶體缺陷增大,隨著位錯(cuò)攀移運(yùn)動(dòng),內(nèi)部原子活動(dòng)加劇,變形量增加。當(dāng)cBN顆粒塑性變形量達(dá)到一定程度時(shí),在高溫的作用下,變形的cBN顆粒會(huì)發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象,在變形的顆粒內(nèi)部或者變形的顆粒之間從而再結(jié)晶形成新的、無(wú)畸變的cBN晶粒橋,形成cBN顆粒之間的直接鍵合。從圖中我們可以明顯地看出,左右兩邊為塑性變形較大的原始cBN顆粒,顆粒內(nèi)分布著大量的位錯(cuò),同時(shí)能看到位錯(cuò)之間發(fā)生了交割與纏結(jié);圖中在cBN顆粒的中間部位中沒(méi)有看到位錯(cuò)出現(xiàn),說(shuō)明此部位是經(jīng)再結(jié)晶形成的新晶粒,新晶粒作為連接原始晶粒的橋梁,結(jié)合力遠(yuǎn)高于粘結(jié)相對(duì)原顆粒的把持力,從而增加了燒結(jié)整體PcBN材料的聚結(jié)強(qiáng)度和耐磨性能。

圖4 1500℃燒結(jié)整體PcBN中cBN顆粒之間的直接結(jié)合的TEM照片F(xiàn)ig.4 TEM image of the direct bonding between cBN particles of monolithic PcBN under sintering temperature of 1500℃

為證實(shí)在此溫度壓力條件下,cBN顆粒是否與結(jié)合劑發(fā)生了化學(xué)冶金結(jié)合,我們對(duì)1500℃燒結(jié)整體PcBN材料樣品進(jìn)一步進(jìn)行了XRD測(cè)試分析(見(jiàn)圖5),從圖中可以看出,其粘結(jié)相主要為Al N、AlB2,未見(jiàn)h BN及其它氧化物相。這一方面說(shuō)明樣品中的cBN顆粒表面原子與粘結(jié)劑通過(guò)高壓反應(yīng)生成了Al N、AlB2等物相,從而形成了cBN-M-cBN中介結(jié)合;另一方面,說(shuō)明該燒結(jié)樣品中的cBN顆粒沒(méi)有發(fā)生六方化,同時(shí)說(shuō)明此燒結(jié)條件下樣品不含有雜質(zhì),燒結(jié)工藝較佳。由于Al N、AlB2相本身具有較高的硬度、耐熱性和耐磨性,且Al N能夠抑制cBN顆粒的六方化,從而避免了高壓燒結(jié)中hBN的出現(xiàn),提高了燒結(jié)樣品的整體性能。

圖5 1500℃燒結(jié)整體PcBN材料的XRD分析結(jié)果Fig.5 The XRD pattern of the monolithic PcBN material sintered at 1500℃

4 結(jié)論

(1)在本實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)合成壓力為5.4GPa、燒結(jié)時(shí)間240s的條件下,高壓燒結(jié)整體PcBN的最佳燒結(jié)溫度為1500℃,在此燒結(jié)工藝條件下下,整體PcBN材料有較好的組織結(jié)構(gòu)、均勻性和力學(xué)性能。

(2)通過(guò)對(duì)整體PcBN樣品微觀結(jié)構(gòu)觀察分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)燒結(jié)溫度偏低時(shí),cBN晶粒之間塑性變形不充分,粘結(jié)劑擴(kuò)散也不充分,導(dǎo)致其顆粒之間結(jié)合強(qiáng)度降低;而燒結(jié)溫度過(guò)高時(shí),又可能導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大或發(fā)生cBN六方化以及腔體元素?cái)U(kuò)散污染,所以,實(shí)驗(yàn)時(shí)要嚴(yán)格控制燒結(jié)溫度。

(3)高溫高壓燒結(jié)整體PcBN樣品中的cBN晶粒之間存在兩種結(jié)合方式:cBN顆粒高壓破碎及塑性變形形成的cBN-cBN直接結(jié)合和cBN顆粒表面與粘結(jié)相的冶金反應(yīng)形成的cBN-M-cBN中介結(jié)合。

(4)高壓燒結(jié)形成的Al N、AlB2相具有良好的固結(jié)效果和較高的硬度和耐磨性,同時(shí)Al N能夠抑制cBN顆粒表面的六方化,從而避免了高壓燒結(jié)中h BN的出現(xiàn),提高了燒結(jié)PcBN樣品的整體性能。

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Influence of Sintering Temperature on Performance of Monolithic PcBN Material and Their Interaction Mechanism

DENG Wen-li1,XU Zhi-hao1,XI Pei-rao1,ZHANG Peng1,YANG Xue-feng1,2, DENG Fu-ming1,2,MA Xiang-dong1
(1.Institute of Super-hard Cutting Tool Materials,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing,China 100083; 2.Jiaozuo Tianbao Huan Xiang Machinery Technology Limited Company,Jiaozuo,Henan,Chian 454003)

In the experiment,cBN powder of W10 particle size is used for high pressure sintering by domestic cubic press.Optimized sintering process parameter for monolithic PcBN material synthesis has been obtained through test and analysis of wear ratio and microhardness of the samples：when sintering pressure is 5.4GPa,sintering temperature is 1500℃and sintering time is 240s,its microhardness and wear ratio are HV3897 and 8750 respectively;the micro morphology,element distribution and phase composition of the monolithic PcBN sintered samples have been analyzed by SEM,TEM,EDS and XRD. Result shows that the high pressure sintering coalescence mechanism of monolithic PcBN materials is high pressure crushing and plastic deformation of cBN particles,and cBN-M-cBN intermediary combination has been formed through cBN-cBN direct bonding and through metallurgical reaction of the surface and bonding phase of cBN particles.Mean-while,bond reaction generates Al N with good consolidation properties and AlB2 with higher hardness and toughness,which promotes the hardness and toughness of the binding phase.

monolithic PcBN sintered body;abrasion resistance;coalescence mechanism; hardened steel;gray cast iron

TQ164

A

1673-1433(2017)04-0014-05

2017-06-03

北京市自然科學(xué)聯(lián)合基金(NO.15L00025);中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源安全產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院共建研發(fā)中心項(xiàng)目(NO.2017-03);北京市教委大學(xué)本科生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃(No.8004530104)資助

鄧雯麗(1990-),女,博士研究生。目前從事超硬刀具材料及應(yīng)用研究。E-mail:393454753@qq.com

鄧福銘(1963-),男,教授/博士生導(dǎo)師。主要從事金剛石、立方氮化硼等超硬材料及其應(yīng)用研究。E-mail:dfm@cumtb.edu.cn

鄧雯麗,徐智豪,席沛饒,等.燒結(jié)溫度對(duì)整體PcBN材料性能的影響及作用機(jī)理[J].超硬材料工程,2017,29(4):14-18.