合成溫度對PcBN合成質(zhì)量及性能的影響研究

夏羅君,羅文來,王文龍,何緒林,張 喆

(1.桂林特邦新材料有限公司,廣西 桂林 541004;2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西 桂林 541004)

合成溫度對PcBN合成質(zhì)量及性能的影響研究

夏羅君1，2,羅文來1，2,王文龍1，2,何緒林1，2,張 喆1，2

(1.桂林特邦新材料有限公司,廣西 桂林 541004;2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西 桂林 541004)

合成溫度在PcBN的合成過程中是至關(guān)重要的一項工藝參數(shù)，不同的合成溫度對PcBN的質(zhì)量以及切削性能等重要方面將會產(chǎn)生突出的影響。文章通過完成不同溫度下的PcBN合成實驗，并利用現(xiàn)代化檢測手段對各組樣品進行檢測分析，研究了不同溫度對PcBN質(zhì)量及性能的影響，并且分析了產(chǎn)生這些影響的原因。

合成溫度;PcBN;切削壽命

1 引言

立方氮化硼復(fù)合片(以下簡稱PcBN)是將cBN微粉與粘接劑粉末在高溫高壓作用下合成的一種新型超硬材料制品，因其具有高硬度、高耐磨性、高熱穩(wěn)定性及化學(xué)惰性大等優(yōu)點，目前已經(jīng)應(yīng)用于機械加工領(lǐng)域的工具材料上。利用PcBN制作刀具材料加工各種淬火鋼、冷硬鑄鐵等硬度高的工件相比硬質(zhì)合金刀具能夠顯著提高加工效率與質(zhì)量。經(jīng)過40多年的發(fā)展，如今在刀具應(yīng)用中，PcBN刀具在加工難加工工件、超硬工件方面表現(xiàn)出的切削性能與壽命已經(jīng)遠遠超過硬質(zhì)合金與高速鋼材料，逐漸發(fā)展成為一種重要的刀具。

2 實驗思路及原料設(shè)備情況

2.1 實驗思路

合成工藝參數(shù)的設(shè)定在PcBN的合成生產(chǎn)中是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。合成工藝參數(shù)包含了溫度、合成壓力與合成時間三項最重要的參數(shù)設(shè)定，而溫度一般由合成功率來標志[1]。由于合成最佳溫度值與立方氮化硼向六方氮化硼逆轉(zhuǎn)化的溫度值很接近，所以可選擇的合成溫度范圍很窄，一般為1400℃～1600℃[2]。在這一區(qū)間內(nèi)，所合成的PcBN有時會出現(xiàn)脫層及制做成刀片后出現(xiàn)切削使用壽命偏短等主要質(zhì)量與性能問題。為此，在這有限的溫度調(diào)整區(qū)間內(nèi)，將合成溫度值調(diào)整到適合PcBN合成的最佳位置，把合成溫度參數(shù)對PcBN整體質(zhì)量與性能的影響這一關(guān)系搞清楚，避免出現(xiàn)脫層等質(zhì)量缺陷以及切削壽命偏短的性能問題對整個PcBN的合成生產(chǎn)顯得尤為重要。由于合成溫度一般通過調(diào)節(jié)合成功率值來控制，所以本次實驗通過控制變量法設(shè)計從低到高依次有規(guī)律遞增的不同合成功率參數(shù)值來進行PcBN的合成作業(yè)，將對應(yīng)的PcBN樣片進行質(zhì)量檢測與性能測試，通過對數(shù)據(jù)分析研究得出合成溫度對PcBN合成質(zhì)量及性能的影響規(guī)律。

2.2 實驗原材料及設(shè)備

實驗中需要用到的原材料有：cBN微粉及相關(guān)粘接劑微粉、葉蠟石合成塊、組裝部件、切削試驗棒(Cr12Φ(150×325)mm)等。需要用到的設(shè)備有：鉸鏈式六面頂液壓機一臺(型號CS-Ⅱ6×10000kN)、超聲波掃描顯微鏡(簡稱C掃描)(型號D9500)、真空氣氛爐一臺、烘箱一臺、光學(xué)顯微鏡一臺、數(shù)控車床一臺(型號CAK4085Anj)、無心外圓磨床一臺(型號M1040B)、平面磨床一臺(型號M7130)。

3 實驗步驟及內(nèi)容

以3900W的合成功率值為基礎(chǔ)點(3900W的功率情況下合成塊腔體中溫度值約為1500℃)，80W為一個跨越值，分別向上取2個功率點，向下取3個功率點，共設(shè)計成六個實驗組，即分別選取功率值為3660W、3740W、3820W、3900W、3980W、4060W設(shè)定六組實驗，對應(yīng)編組號分別為1組、2組、3組、4組、5組、6組(每組中除去合成功率值不同外，其余合成塊的結(jié)構(gòu)配方設(shè)計及合成參數(shù)值均相同)。每個實驗組合成一輪，共計進行六輪合成實驗，將每組合成所得試驗樣片做好標記后，再進行樣片質(zhì)量及性能檢測。

每輪的實驗步驟是：依次完成配料、混料、組裝等工序后，再在六面頂壓機上合成實驗樣品，然后對PcBN樣品進行磨平面以及磨外圓的后續(xù)處理，最后用萬用電表對PcBN樣品進行導(dǎo)電性檢測并記錄；用C掃描進行內(nèi)部缺陷檢測并記錄。

所有檢測部分完成后，進行切削性能測試。試驗刀片采用的刀具參數(shù)：后角a。=0°，前角γo=0°，刀尖圓弧γε≤0.4，倒棱γo1= 6°，Kr=75°，Kr1=15°。在數(shù)控車床上，使用Cr12切削試驗棒作為切削工件對PcBN樣片進行切削試驗。試驗后在光學(xué)顯微鏡下進行后刀面磨損量觀察。

對比各組PcBN樣片的切削試驗結(jié)果，給出各組PcBN樣片使用性能結(jié)論，對比各組導(dǎo)電性、C掃描檢測等數(shù)據(jù)，給出各試驗組的燒結(jié)性能及整體質(zhì)量的結(jié)論。

4 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

4.1 PcBN合成功率及導(dǎo)電性能結(jié)果與分析

通過實驗合成得到樣片，對樣片進行導(dǎo)電性檢測后記錄六組樣片的導(dǎo)電性能，詳細情況見表1：

表1 導(dǎo)電性測試結(jié)果Table 1 Electrical conductivity test results

通過分析表1數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)果：

(1)一般采用電火花加工中要求被加工件電阻越小越好，根據(jù)我們實驗中采用的電火花切割機加工中要求<3Ω才能正常切割，所以六組樣片均能夠達到要求。如果再考慮低成本加工，六組實驗全部能夠滿足要求，燒結(jié)性較好。

(2)通過觀察發(fā)現(xiàn)，從第1 到第6組隨著合成功率值的升高，對應(yīng)樣片的導(dǎo)電性能也隨之更好。由于在PcBN復(fù)合層中起導(dǎo)電作用的是金屬成分以及部分導(dǎo)電性良好的金屬陶瓷成分。隨著合成功率值的升高，合成腔內(nèi)的溫度不斷升高，繼而帶來PcBN復(fù)合層中金屬元素在高溫作用下擴散得更加充分均勻，并進一步向合金襯底層滲透，使得PcBN復(fù)合層本身的燒結(jié)致密性進一步提高并且復(fù)合層與合金襯底層結(jié)合得更加緊密[3]。這樣就導(dǎo)致了隨著合成功率的上升導(dǎo)電性逐漸提升。

4.2 PcBN復(fù)合層平整性檢測結(jié)果及分析

實驗采用超聲波掃描顯微鏡(C掃描)進行PcBN復(fù)合層平整性檢測及分析。PcBN刀具在切削加工中，起切削作用的是PcBN復(fù)合層部分，所以復(fù)合層的厚度均勻性(即平整度)關(guān)系整個PcBN的質(zhì)量水平，較高的平整度能發(fā)揮更加穩(wěn)定的切削性能。本次檢測采用超聲波掃描顯微鏡進行，根據(jù)掃描PcBN樣片所投示到顯示屏的顏色種類來判斷樣片的平整性，顏色種類越多，說明樣片平整性越差；反之，越高。本次試驗樣片的的平整性C掃描圖像見圖1，對應(yīng)樣片排布位置見表2：

圖1 超聲波掃描顯微鏡平整性檢測圖像Fig.1 Image of smoothness test by Ultrasonic scanning microscope

表2 超聲波掃描顯微鏡平整性檢測樣片排布示意表Table 2 Layout chart of sample wafers for smoothness test by Ultrasonic scanning microscope

結(jié)合表2的樣片位置排布來觀察圖1對應(yīng)的PcBN樣片平整度圖像，可以得出以下結(jié)果：

(1)在六個不同的功率點上合成的樣片平整性除了第5組與第6組樣片有5種顏色外，其余的幾組樣片均只有4種顏色或者更少(根據(jù)C掃描參數(shù)設(shè)置，樣片在4種顏色以下即可滿足平整度要求)。這樣說明第1、2、3、4組樣片平整性均較高，尤其是低功率段合成的樣片。說明采用低功率段3660W～3900W進行PcBN的合成就能夠基本滿足PcBN的復(fù)合層平整性的要求。

(2)此次實驗所采用的PcBN樣片由合金襯底與復(fù)合層共同組成，提高了合成功率則相應(yīng)升高了PcBN合成腔的溫度，在過高溫度的作用下，PcBN的合金襯底會發(fā)生微小的熱應(yīng)力變形，繼而使得整個PcBN樣片產(chǎn)生水平面形變[4]。所以隨著合成溫度的升高PcBN表現(xiàn)出更大的水平變形，平整性會降低。

4.3 PcBN抗熱沖擊性檢測結(jié)果及分析：

實驗首先采用高溫加熱儀對PcBN樣片進行加熱，加熱溫度800℃，保溫15秒，進行抗熱沖擊性實驗。實驗完成后，采用超聲波掃描顯微鏡(C掃描)對PcBN樣片進行內(nèi)部質(zhì)量檢測，觀察PcBN復(fù)合層是否出現(xiàn)脫層、開裂或其他質(zhì)量缺陷。本次實驗樣片的內(nèi)部C掃描圖像見圖2，對應(yīng)樣片排布位置見表3。

圖2 抗熱沖擊性檢測后C掃描圖像Fig.2 C scan images after thermal shock resistance test

表3 抗熱沖擊性檢測后C掃描樣片排布示意表Table 3 Arrangement chart of C scan samples after thermal shock resistance test

結(jié)合表3的樣片位置排布來觀察圖2對應(yīng)的PcBN樣片內(nèi)部圖像，可以得出以下結(jié)果：

(1)經(jīng)過熱沖擊處理后第1～4組樣片均沒有出現(xiàn)脫層、開裂或者其他質(zhì)量缺陷，但是第5、6組樣片出現(xiàn)了零星分布的脫層現(xiàn)象。說明PcBN在合成溫度過高時經(jīng)過熱沖擊后會出現(xiàn)脫層，而在中低溫區(qū)間合成的PcBN則不會出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。

(2)在合成功率較高時，PcBN合成腔內(nèi)的合成溫度亦會較高。在PcBN中由于合金層與復(fù)合層的熱膨脹系數(shù)差異顯著，所以隨著合成溫度的不斷升高，合金層與復(fù)合層膨脹程度差異明顯，造成PcBN內(nèi)部積聚大量的內(nèi)應(yīng)力，當進行熱沖擊性能檢測時，內(nèi)部積聚的大量內(nèi)應(yīng)力就急劇釋放，從而造成了脫層現(xiàn)象。

4.4 切削試驗記錄與分析：

本次試驗的PcBN樣片切削對象主要是淬火鋼，此處選取了Cr12進行加工。表4是我們進行切削試驗的加工參數(shù)，圖3是切削壽命情況匯總圖。

表4 切削試驗參數(shù)Table 4 Cutting test parameters

圖3 切削壽命對比分析Fig.3 Contrastive analysis of the service life

從圖3可以分析得出：

(1)從第1組到第6組試驗樣片切削壽命不斷提高，說明在一定區(qū)間內(nèi)隨著合成功率的增加，PcBN的切削性能得到提高。

(2)PcBN在切削時主要是硬質(zhì)相cBN在起作用，我們的粘結(jié)劑成分在燒結(jié)過程中通過一系列復(fù)雜的反應(yīng)最后生成一個整體粘結(jié)相，這個粘結(jié)相能夠很好地將cBN顆粒包裹在一起，使得整個PcBN燒結(jié)體發(fā)揮高硬度、高耐磨性、耐高溫性等優(yōu)勢進行切削加工。PcBN合成過程中隨著合成功率的提升，帶來合成腔溫度的升高，由于粘接劑能夠和cBN結(jié)合成鍵，并且通過一系列復(fù)雜反應(yīng)合成溫度高的合成塊能夠使PcBN燒結(jié)得更致密，繼而提高粘結(jié)相對cBN的整體把持力，配合cBN最終形成高硬度、高耐磨性的PcBN燒結(jié)體。相反，合成功率低的合成塊，由于合成腔內(nèi)的溫度不夠高，導(dǎo)致粘接劑與cBN的燒結(jié)致密化程度不夠高，繼而最終形成的PcBN燒結(jié)體不具備足夠高的硬度與耐磨性[5]。從而體現(xiàn)出隨著合成功率的升高，對應(yīng)的PcBN樣片制作的刀片切削試驗后刀面磨損量不斷減小，說明與之對應(yīng)的壽命不斷提高。這說明，在一定區(qū)間內(nèi)，合成功率的提高能夠提高PcBN的切削性能，延長PcBN的切削壽命。

5 結(jié)論

(1)在一定區(qū)間內(nèi)合成溫度的變化對PcBN的合成質(zhì)量以及性能影響較大。利用較高溫度合成的PcBN表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性以及較高的切削壽命；但其復(fù)合層平整性較差，抗熱沖擊性不強。而利用較低溫度合成的PcBN復(fù)合層平整性較好以及具備較強的抗熱沖擊性；但其導(dǎo)電性以及切削壽命不如高溫區(qū)段合成的PcBN；

(2)當合成功率保持在3900～3980W區(qū)間內(nèi)時，即合成溫度控制在1500℃左右能合成出質(zhì)量最好的PcBN，不會出現(xiàn)脫層等質(zhì)量缺陷，并且所合成的PcBN能發(fā)揮出最佳的使用性能，做成刀片后切削性能能夠保持在較高水平。

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Study of the Influence of Synthesis Temperature on the Synthetic Quality and Performance of PcBN

XIA Luo-jun , LUO Wen-lai , WANG Wen-long , HE Xu-lin , ZHANG Zhe

(1.GuilinTebonSuperhardMaterialCo.,Ltd.,Guilin,Guangxi541004;2.ChinaNonferrousMetal(Guilin)GeologyandMiningCo,Ltd,Guilin,Guangxi541004)

The synthesis temperature is a crucial process parameter in the synthetic process of PcBN, and the different synthesis temperature will have a prominent influence on the quality of PcBN and its cutting performance. The influence of of different temperature on the quality and performance of PcBN has been studied by PcBN synthesis experiments under different temperatures, and all samples have been tested and analyzed through modern testing methods, and the reasons for these influences have been discussed.

the synthesis temperature; PcBN; service life

2017-03-19

夏羅君(1990-)，男，湖南攸縣人，2013年畢業(yè)于南華大學(xué)，獲學(xué)士學(xué)位，助理工程師，現(xiàn)主要從事高壓下超硬材料的合成與應(yīng)用研究。

夏羅君,羅文來,王文龍,等.合成溫度對PcBN合成質(zhì)量及性能的影響研究[J].超硬材料工程，2017，29(3)：24-27.

TQ164

A

1673-1433(2017)03-0024-04