氯化鈉對合成聚晶立方氮化硼復(fù)合片質(zhì)量的影響

張 喆，張 俊，王文龍，何緒林，謝志剛，王智慧

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

1 引言

聚晶立方氮化硼(Polycrystalline cubic boron nitride, PcBN)刀具作為最具代表性的高端超硬刀具之一，迎合了我國未來制造業(yè)“提質(zhì)增效、降低成本、綠色環(huán)保、智能制造”的發(fā)展方向，以其優(yōu)異的“三高一專”和綠色加工特性得到越來越多高端零配件制造商的認(rèn)可與青睞，市場占有率逐年提高，因其廣泛適用于加工航天航空、汽車及工程機(jī)械等高端制造業(yè)領(lǐng)域的零配件[1-4]的特性，市場需求極大。

然而，目前國產(chǎn)PcBN刀具市場份額較少，一方面是因?yàn)閲a(chǎn)PcBN刀具售價高昂，無法與市場上中低端刀具性價比抗衡，而刀具的費(fèi)用很大一部分成本來源于作為刀頭材料的PcBN復(fù)合片；另一方面則因?yàn)閲鴥?nèi)PcBN復(fù)合片性能穩(wěn)定性普遍較差，且隨著PcBN復(fù)合片直徑的增大，不同區(qū)域的聚晶層平整度以及性能差異也隨之增大，這使得超硬刀具無法適應(yīng)于連續(xù)高效穩(wěn)定的現(xiàn)代化生產(chǎn)，嚴(yán)重遏制國產(chǎn)PcBN復(fù)合片打入高端市場。

本試驗(yàn)通過改變腔體中氯化鈉用量來改善由博士帽式導(dǎo)電鋼圈帶來的壓力梯度，從而達(dá)到降低PcBN復(fù)合片成本，提高四片裝復(fù)合片聚晶層平整度、顯微硬度和切削性能的目的，從而使性能更加穩(wěn)定，這對提升市場競爭力并部分取代進(jìn)口復(fù)合片有著重要意義。

2 試驗(yàn)方法及過程

選用平均粒度為1μm的TiN粉、平均粒度2μm的Al粉和平均粒度1.5μm的cBN粉末，均勻混合處理后裝料，并對其進(jìn)行真空處理，按圖1的方式進(jìn)行裝塊，最后在Φ560mm六面頂壓機(jī)上進(jìn)行高溫高壓合成。合成條件為：合成溫度1350℃～1400℃、壓力5～5.5GPa、燒結(jié)時間20～25min。試驗(yàn)采用氯化鈉用量作為研究因素，以常規(guī)生產(chǎn)采用的鹽管和鹽片總質(zhì)量作為對比，通過改變鹽管厚度和鹽片厚度來增加腔體中所含氯化鈉的質(zhì)量比(0%、+2%、+3%和4%)，并討論其對PcBN復(fù)合片的平整度及性能所產(chǎn)生的影響。分別將4種PcBN復(fù)合片樣品進(jìn)行平面磨加工，在Sonoscan D9500超聲波掃描儀上檢測聚晶層厚度，設(shè)置掃描厚度范圍在0.80mm～1.2mm、掃描速度為13.5mm/μs，檢測其聚晶層平整度變化；將樣品聚晶層表面進(jìn)行拋光處理，在上海恒一儀器公司生產(chǎn)的VH-5型維氏顯微硬度計(jì)上進(jìn)行硬度檢測，試驗(yàn)條件為負(fù)載20N、保荷時間15s，檢測其硬度值變化；再將樣品采用線切割方式切成直角等腰三角形狀，分別對其進(jìn)行焊刀、磨刀及倒角處理，最后在型號為CAK4085的數(shù)控車床上進(jìn)行切削測試，切削參數(shù)：棒料材質(zhì)為灰鑄鐵(HB220～240)、線速度320m/min、切深0.4mm、進(jìn)給0.2mm/轉(zhuǎn)、切削行程3000m，檢測其切削性能變化。

圖1 樣品組裝圖Fig．1 Sketch of sample assembly1-導(dǎo)電鋼圈；2、11、12-葉蠟石；3-白云石；4-鈦；5-陶瓷片；6、10-石墨；7-氯化鈉；8-硬質(zhì)合金；9-立方氮化硼

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 聚晶層平整度

從圖1結(jié)構(gòu)可知，博士帽式導(dǎo)電鋼圈雖可減少兩端散熱，提高內(nèi)部溫度場均勻性，但由于鋼圈面積較小，而四周又由葉蠟石和白云石等材質(zhì)包圍，這將使得外界施壓易在鋼圈處集中，會產(chǎn)生明顯的壓力梯度，降低外側(cè)PcBN復(fù)合片平整度，如圖2所示。

圖2 常規(guī)組裝方式復(fù)合片聚晶層平整度Fig．2 The planeness of PcBN compacts with the conventional assembly

圖2為常規(guī)氯化鈉含量組裝方式PcBN復(fù)合片C掃描圖，其中每種顏色即代表一種厚度，相鄰厚度之間相差0.05mm。從圖2可知，內(nèi)側(cè)復(fù)合片厚度差較小，平整度較高。而外側(cè)復(fù)合片厚度幾乎均呈同心圓分布，中間處受力大，聚晶層則薄，邊緣受力較小，聚晶層則厚，形變量大，中心與邊緣區(qū)域聚晶層厚度偏差可達(dá)0.35mm～0.45mm，因此降低了產(chǎn)品品質(zhì)。

隨著在組裝結(jié)構(gòu)中增加鹽管厚度和鹽片厚度，進(jìn)而使體系中氯化鈉總含量升高時，外側(cè)PcBN復(fù)合片形變量便會發(fā)生變化，如圖3所示，而由于內(nèi)側(cè)復(fù)合片受氯化鈉含量影響較小，均與常規(guī)組裝差異不大，在此不再附圖說明。將圖2(b)作為參照樣，對比圖3(a)～(c)時，發(fā)現(xiàn)隨著氯化鈉總含量的升高，外側(cè)PcBN復(fù)合片的平整度隨之提高。當(dāng)氯化鈉總含量增加2%時，平整度提升最為明顯，其表現(xiàn)為中心聚晶層厚度的增厚和厚度梯度的減小。這是由于氯化鈉在高溫高壓下流動性好，易產(chǎn)生靜水壓的壓力[5-7]，增加腔體中氯化鈉的含量，將使其在合成過程中有更多均壓介質(zhì)，提高了壓力的穩(wěn)定性，更減少了作用于復(fù)合片的軸向壓力梯度。當(dāng)氯化鈉含量繼續(xù)增加至3%和4%時，外側(cè)聚晶層平整度有所提高，其增幅減小，并在4%達(dá)到最高點(diǎn)，中心與邊緣區(qū)域聚晶層偏差為0.15～0.25mm，相較于未添加樣，偏差縮小近一倍。但這并不意味著其效果可隨著腔體中氯化鈉的含量可以繼續(xù)增大而增大。這一方面是由于在其他配件規(guī)格不做更改的情況下，鹽管厚度增加有限，鹽管厚度的增加必然伴隨著碳管厚度的減薄，碳管的過度減薄會提高其體系的電阻值(增加20%甚至更大)，增大調(diào)節(jié)和放炮風(fēng)險；另一方面，當(dāng)鹽管厚度無法繼續(xù)增加時，將會通過增加外側(cè)鹽片的方式添加，而鹽片的增加也必然使得腔體中作為影響平整度最主要因素的硬質(zhì)合金平均厚度有所下降，因此，二者作用此消彼長，使得作用效益逐漸減小。而當(dāng)硬質(zhì)合金厚度降至一定值時，外側(cè)PcBN復(fù)合片聚晶層平整度會隨著氯化鈉含量的增加而降低。

圖3 氯化鈉總含量與復(fù)合片聚晶層平整度之間關(guān)系Fig．3 The relationship between the content of Nacl and planeness of PcBN compacts(a)+2%，(b)+3%，(c)+4%

3.2 硬度檢測

采用維氏壓頭對上述四種復(fù)合片進(jìn)行硬度測試，沿直徑從邊緣向中心均分五等分依次打點(diǎn)，測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 氯化鈉含量與打點(diǎn)位置對PcBN復(fù)合片顯微硬度的影響Fig．4 The effect of Nacl content and position on the microhardness of PcBN compacts

由圖4可見，腔體中氯化鈉的用量對PcBN復(fù)合片顯微硬度的影響較小，不如同一復(fù)合片中不同位置所帶來的差異大。這是由于旁熱式組裝以及博士帽式導(dǎo)電鋼圈的結(jié)構(gòu)，使得所合成的PcBN復(fù)合片必然存在邊緣溫度高且壓力小和中間溫度低且壓力大的溫度及壓力梯度，亦可從圖2和圖3中復(fù)合片聚晶層變形量和區(qū)域得到輔證。而顯微硬度受溫度場和壓力場影響，尤其是溫度場。因此，隨著打點(diǎn)部位不斷向中心靠近，顯微硬度總體呈下降趨勢。這可解釋為中間區(qū)域所處溫度較低，再加之該區(qū)域壓力集中偏高，而壓力較大所需合成溫度隨之增高，從而表現(xiàn)為燒結(jié)不夠充分，呈現(xiàn)出較小的顯微硬度。而最高點(diǎn)普遍出現(xiàn)在中間與邊緣區(qū)域中心位置，一方面該區(qū)域溫度已達(dá)合成所需溫度，cBN顆粒之間已成鍵，粘結(jié)劑也充分與cBN反應(yīng)生成新物質(zhì)或者填充在顆粒間隙之間，溫度的繼續(xù)增加已對燒結(jié)影響不大，或隨著溫度的繼續(xù)增加，硬度略有降低[8]；另一方面，該處較邊緣區(qū)域，壓力更大，更有利于促進(jìn)前期顆粒變形或碎化而引起的重排致密化以及中后期擠壓物質(zhì)填滿氣孔而引起的二次致密化，從而使之獲得最高的顯微硬度。此外，從圖中還可發(fā)現(xiàn)，雖氯化鈉用量的添加對PcBN復(fù)合片總體顯微硬度值影響不大，但對其不同區(qū)域的波動減小以及中間部位處硬度的提升有所幫助。這是因?yàn)槁然c的增加有利于均勻壓力場，使得壓力集中區(qū)域向外擴(kuò)展，中間部位壓力降低，所需合成溫度有所降低，由之前欠燒狀態(tài)變?yōu)闊Y(jié)良好，故顯微硬度提高，中心與邊緣偏差由313HV縮小至153HV，硬度穩(wěn)定性提高。

3.3 切削性能檢測

對不同氯化鈉用量合成的PcBN復(fù)合片進(jìn)行切削性能檢測，采用線切割從外側(cè)復(fù)合片上從邊緣向中心連續(xù)取3個樣，其中每片為邊長6mm的直角等腰三角形，位置分別標(biāo)為1、2和3。將刀頭用高頻焊焊接在刀桿上，用磨床進(jìn)行加工，最后在數(shù)控車床上進(jìn)行切削，用帶有刻度的顯微鏡觀察其刃口并測量其后刀面磨損量，結(jié)果如表1所示。

表1 不同氯化鈉含量及其部位的切削磨損量

從表中數(shù)據(jù)可知，復(fù)合片中心位置其切削磨損量最大，半徑中間位置磨損量最小，該結(jié)果與硬度變化規(guī)律出現(xiàn)一致性[9]。分析其原因?yàn)閺?fù)合片中心區(qū)域的溫度低、壓力高，燒結(jié)不夠充分，所制的刀具切削時刀刃較鈍，切削屑顏色呈黃褐色，切削棒表面粗糙度較高。隨著腔體中氯化鈉含量的增高，其中心壓力場梯度減小，中心區(qū)域壓力集中問題得到改善，使得合成所需溫度有所下降，促進(jìn)燒結(jié)，提高致密度，在2%時下降最大，4%時達(dá)到最小，磨損量由0.41mm下降至0.37mm，降低9.75%，這表明該處燒結(jié)狀態(tài)已從欠燒逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊Y(jié)良好，使其切削性能提高。而在半徑中間和邊緣位置時，亦表現(xiàn)出相似規(guī)律，只是變化波動較小。這表明，此時該處處于溫度適中或略高狀態(tài)，聚晶層已燒結(jié)良好、致密度高，在切削時金屬屑顏色泛藍(lán)，且切削棒表面較為光滑。而相比之下，半徑中間區(qū)域的壓力更高，聚晶層經(jīng)二次致密化后，其切削性能有所提升，磨損量也愈小。雖復(fù)合片相同部位的切削性能隨氯化鈉含量的增加呈先下降趨勢，但隨著氯化鈉含量的繼續(xù)增加，其影響削弱，呈恒定狀態(tài)，此時溫度和壓力場處于最佳，并在一定含量內(nèi)保持不變。當(dāng)氯化鈉含量超過一定值時，壓力場平衡打破，梯度又將繼續(xù)增大，這也必將影響磨損量的反向變化。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)通過鹽管和鹽片改變腔體中氯化鈉的用量，觀察其對外側(cè)復(fù)合片的形變量、顯微硬度和切削性能的影響作用。隨著氯化鈉含量的增加，博士帽式導(dǎo)電鋼圈所帶來的中心壓力梯度過大問題得到改善，外側(cè)復(fù)合片中心由原來的形變量大且厚度梯度多的狀態(tài)，向形變小且梯度少方向過渡，中心與邊緣區(qū)域聚晶層厚度偏差從之前的0.35mm～0.45mm減小至0.15～0.25mm，偏差縮小近一倍。此外，氯化鈉的添加還可對性能的提升有所改善，尤其是不同位置處的性能穩(wěn)定性上，且顯微硬度和切削性能表現(xiàn)出相同規(guī)律。隨著氯化鈉的增加，由于壓力場得到均勻化，中心壓力集中情況有所改善，顯微硬度和切削性能隨之改善，特別是中心區(qū)域處，從欠燒狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊Y(jié)良好，不同區(qū)域性能穩(wěn)定性有了明顯提升。顯微硬度偏差量由之前的313HV下降至153HV，后刀面磨損量偏差也從0.04mm下降至0.02mm，當(dāng)氯化鈉含量增加至常規(guī)含量的4%時，其制成的復(fù)合片其聚晶層平整度、顯微硬度、切削性能及其穩(wěn)定性達(dá)到最佳，從而獲得優(yōu)異的綜合性能和產(chǎn)品品質(zhì)。