粘結(jié)劑中鋁鈦比例對于PcBN性能的影響

鄧福銘，席沛堯，劉瑞平，張 盼

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）超硬刀具材料研究所，北京 100083）

聚晶立方氮化硼（PcBN）是一種超硬材料，具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如良好的耐磨性，抗沖擊強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性[1]。PcBN刀具具有許多卓越的性能，自20世紀(jì)以來，其廣泛應(yīng)用于銑削和切削加工中[2，3]。合成PcBN需要在5.5GPa和1300℃至1500℃的高壓和高溫條件下進(jìn)行[4]。在此溫度下，鋁會融化成液相，填充到cBN粉末的空隙中，對于合成過程中所使用的結(jié)合劑以及原料立方氮化硼（cBN）的研究已經(jīng)很多。謝輝等人研究了不同黏結(jié)劑組分對于PcBN的影響[5]。韓華麗等人研究了結(jié)合劑含量對PcBN力學(xué)性能的影響[6]。本文研究了使用不同鋁鈦比例粘結(jié)劑燒結(jié)的PcBN的性能變化及影響。

1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用粒度為W10，體積分?jǐn)?shù)為75%的cBN。四組粘結(jié)劑的比例為Al%:Ti%=1:4、2:3、3:2、4:1。

實(shí)驗(yàn)在國產(chǎn)500mm缸徑六面頂壓機(jī)上完成，采用旁熱式組裝。合成壓力約為5.6GPa，合成溫度在1500℃以上。燒結(jié)時(shí)間為180秒。

燒結(jié)成的PcBN樣品經(jīng)過平面磨、外圓磨、拋光后采用JS2000型磨耗比儀進(jìn)行磨耗比測試，采用FV-700數(shù)顯式維氏硬度計(jì)進(jìn)行維氏硬度測試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同鋁鈦比例粘結(jié)劑燒結(jié)的PcBN耐磨性測試

實(shí)驗(yàn)測得使用不同鋁鈦比例粘結(jié)劑燒結(jié)的PcBN磨耗比如表1所示。

從圖1中可以看出，隨著鋁的含量的增加，PcBN的耐磨性先增加后降低。當(dāng)鋁和鈦含量比例為2:3時(shí)，PcBN的樣品的磨耗比值最高，達(dá)到8350。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，過低或過高的鋁鈦比例均顯著影響PcBN的耐磨性。

表1 不同粘結(jié)劑中鋁鈦比例粘結(jié)劑燒結(jié)PcBN的耐磨性測試結(jié)果

圖1 粘結(jié)劑中鋁鈦比例對PcBN耐磨性的影響

2.2 不同鋁鈦比例粘結(jié)劑燒結(jié)的PcBN顯微維氏硬度測試結(jié)果

分別對使用不同鋁鈦比例粘結(jié)劑燒結(jié)的PcBN樣品沿徑向取3個(gè)點(diǎn)（邊緣點(diǎn)、1/2半徑處和中心點(diǎn)）進(jìn)行顯微維氏硬度測試，并對三個(gè)點(diǎn)的顯微維氏硬度取平均值，結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，粘結(jié)劑中不同鋁鈦含量比例對燒結(jié)PcBN樣品的顯微維氏硬度的影響較大。其中鋁鈦含量比例為2:3燒結(jié)的PcBN樣品的顯微維氏硬度最大，為4066.30。其次是鋁鈦含量比例為3:2的PcBN樣品，而過低或過高的鋁鈦比例的粘結(jié)劑燒結(jié)的PcBN樣品的顯微維氏硬度值低很多。圖1為PcBN顯微維氏硬度隨鋁鈦含量比例變化情況。從圖中可以明顯的看出，PcBN的顯微硬度從邊緣到中心逐漸減小，且當(dāng)鋁鈦含量比例為2:3時(shí)，PcBN樣品的邊緣到中心的顯微硬度的變化最小。

表2 不同鋁鈦比例粘結(jié)劑燒結(jié)PcBN的顯微硬度測試結(jié)果

圖2 粘結(jié)劑中鋁鈦比例對PcBN顯微硬度的影響

2.3 不同鋁鈦比例粘結(jié)劑對PcBN性能影響的機(jī)理

使用鋁-鈦粘結(jié)劑的PcBN燒結(jié)過程中會發(fā)生鋁和cBN、鈦和cBN的自蔓延反應(yīng)[7]。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1500℃時(shí)，燒結(jié)體系中的鋁和鈦分別和cBN生成AlN和TiN。但若鋁含量過低，雖然鋁與cBN反應(yīng)能發(fā)生如下反應(yīng)：

3Al(s)+2 cBN(s)→ 1AlB2(s)+2 AlN(s)。

生成AlN，但不足量的鋁無法繼續(xù)反應(yīng)生成中間化合物Al3Ti：

4Al(s)+1 TiN(s)→1Al3Ti(s)+1 AlN(s)。

導(dǎo)致Al3Ti與cBN不能發(fā)生以下反應(yīng)形成AlN和TiB2：

1Al3Ti(s)+2 cBN(s)→1TiB(s)+2AlN(s)+1Al(s)。

最終導(dǎo)致燒結(jié)過程不充分，使燒結(jié)PcBN性能低。反之，若鋁含量過高，雖然燒結(jié)體系中的高溫AlN自蔓延反應(yīng)和TiN自蔓延反應(yīng)均可以發(fā)生，自蔓延燒結(jié)放熱過程充分，但燒結(jié)產(chǎn)物中可能殘留Al或反應(yīng)中間化合物Al3Ti，使燒結(jié)PcBN晶界上存在低熔點(diǎn)金屬相和脆性的金屬間化合物，從而使燒結(jié)PcBN性能降低。

圖3為使用鋁鈦含量比例為2:3的粘結(jié)劑時(shí)PcBN樣品的XRD衍射圖，從中我們可以看出，該產(chǎn)物主要成分為cBN，粘結(jié)劑中的鋁和鈦已經(jīng)完全反應(yīng)，同時(shí)沒有中間化合物Al3Ti的存在。所以不會因存留金屬或金屬間化合物而導(dǎo)致PcBN性能降低。燒結(jié)成的PcBN綜合性能較為優(yōu)異。

圖3 PcBN樣品的XRD衍射圖

3 結(jié)語

在使用鋁-鈦粘結(jié)劑燒結(jié)PcBN時(shí)，鋁和鈦的比例不同會導(dǎo)致燒結(jié)時(shí)發(fā)生的自蔓延反應(yīng)不同，從而導(dǎo)致最終燒結(jié)產(chǎn)物不同。在鋁和鈦的體積比為2:3時(shí)，燒結(jié)成的PcBN性能最好。