TiN-Al體系結(jié)合劑配比對(duì)聚晶立方氮化硼復(fù)合材料性能的影響

羅 濤，江文清，徐 敏

(九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，九江 332007)

0 引 言

立方氮化硼(cBN)具有硬度高、導(dǎo)熱性好、熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)黑色金屬呈化學(xué)惰性，且耐高溫，因此廣泛用于切割淬硬鋼、鑄鐵和耐熱合金等[1-8]。但是由于cBN 單晶燒結(jié)活性小，難以長(zhǎng)大，要想獲得實(shí)用的cBN 燒結(jié)塊需在2 000 ℃的高溫和7 GPa的超高壓下燒結(jié)[9-10]，這增加了生產(chǎn)成本，限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。為解決上述問(wèn)題，通常將cBN 微粉與結(jié)合劑混合后經(jīng)過(guò)高溫超高壓工藝燒結(jié)成聚晶立方氮化硼(PcBN)復(fù)合材料。

近年來(lái)，PcBN復(fù)合材料的研究取得了很大的進(jìn)展。LI等[11]用AlN-Al-Ni為結(jié)合劑在5.5 GPa，1 550 ℃的條件下制備了相對(duì)密度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度分別為99.6%、661 MPa、7.19 MPa·m1/2的PcBN復(fù)合材料。LI等[12]以聚硅氮烷和鋁為結(jié)合劑，在5 GPa，1 450 ℃下制備了相對(duì)密度、維氏硬度和抗彎強(qiáng)度分別為99.7%、25.2 GPa、602 MPa的PcBN復(fù)合材料。莫培程等[13]以Ti-Al-Si為結(jié)合劑,在5 GPa，1 500 ℃條件下原位合成了顯微硬度、抗彎強(qiáng)度、氣孔率、相對(duì)密度分別為34.58 GPa、799 MPa、0.21%、98.5%的PcBN復(fù)合材料?？梢?jiàn)結(jié)合劑在合成PcBN的過(guò)程中起到降低燒結(jié)溫度和壓力的作用。結(jié)合劑的選擇對(duì)PcBN的性能具有重要的影響。鋁在高溫高壓下燒結(jié)時(shí)呈熔融的液相與cBN 反應(yīng)生成 AlN和AlB2，可加速cBN的燒結(jié)；但是AlN和AlB2的強(qiáng)度、硬度較低，合成的PcBN存在整體強(qiáng)度、硬度較低的問(wèn)題。TiN具有硬度高、熔點(diǎn)高、耐磨損和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，能提高PcBN 的強(qiáng)度和耐磨性[3,6,10]。因此，可以利用多種材料的復(fù)合優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，制備出性能優(yōu)良的PcBN復(fù)合材料。RONG等[6]研究發(fā)現(xiàn)，加入結(jié)合劑TiN-Al 燒結(jié)得到PcBN刀具的性能比加入結(jié)合劑鋁的性能好。陳超等[14]研究了切削淬火鋼時(shí)cBN含量對(duì)加入TiN-Al系結(jié)合劑燒結(jié)得到PcBN刀具磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)cBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)從70%增加到80%時(shí)，刀具的后刀面磨損寬度變化很小，刀具的磨損主要為黏結(jié)磨損和氧化磨損。為獲得高強(qiáng)度、高耐磨性的 PcBN復(fù)合材料，作者以TiN-Al體系為結(jié)合劑在高溫超高壓下燒結(jié)合成PcBN復(fù)合材料，研究了結(jié)合劑中TiN與鋁的配比對(duì)PcBN復(fù)合材料組織和性能的影響，以尋找出最適合切削淬火鋼的TiN-Al體系的配比。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料包括cBN粉(粒徑1～3 μm，純度99.9%)、TiN粉(粒徑1～2 μm，純度99.5%)、鋁粉(粒徑1～2 μm，純度99.5%)，按照表1的配方進(jìn)行配料。在硬質(zhì)合金球磨罐中以酒精為球磨介質(zhì)研磨混料6 h，球磨轉(zhuǎn)速為300 r·min-1，球料質(zhì)量比為4…1，然后在100 ℃真空干燥箱中干燥8 h；將混合粉料裝入直徑14 mm的圓柱形鉬杯中，然后在冷壓成型機(jī)上預(yù)壓成塊，放入真空爐中經(jīng)過(guò)800 ℃處理后，裝入葉臘石模具中；經(jīng)旁熱式組裝后在鉸鏈六面頂壓機(jī)上進(jìn)行高溫超高壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1 500 ℃，燒結(jié)壓力為5.5 GPa，保溫時(shí)間為10 min，試樣尺寸為φ14 mm×5 mm。將燒結(jié)后的PcBN試樣在磨床上進(jìn)行打磨處理，然后在金剛石拋光機(jī)上用粒徑0.5～5 μm的金剛石研磨膏進(jìn)行研磨、拋光處理。

表1 制備PcBN的原料配方

基于阿基米德原理，采用精度為0.000 01 g的YDK01-C型密度天平測(cè)氣孔率。采用X′pert PRO型X射線衍射儀(XRD)分析物相組成。將試樣用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)壓斷后，通過(guò)S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)顯微組織和斷口形貌進(jìn)行觀察。采用VH-6型維氏顯微硬度計(jì)測(cè)顯微硬度，載荷為49 N，保壓時(shí)間為15 s。按照J(rèn)B/T 3235-1999，采用TDHM-2型磨耗比測(cè)定儀測(cè)定PcBN復(fù)合材料的磨耗比，試樣尺寸為φ13 mm×4 mm，主軸電機(jī)功率為1.5 kW，SiC砂輪線速度為25 m·s-1，主軸轉(zhuǎn)速為4 500 r·min-1，加載壓力為0.4 N，加載方式為氣動(dòng)加載，加載時(shí)間為600 s，計(jì)算SiC砂輪磨損質(zhì)量損失與試樣磨損質(zhì)量損失之間的比率，即磨耗比，每個(gè)試樣測(cè)3次取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 物相組成

由圖1可知：PcBN復(fù)合材料均由BN、AlN、TiN、TiB2和Al2O3共5種物相組成；隨著結(jié)合劑中鋁含量的增加，AlN、TiB2和Al2O3衍射峰的強(qiáng)度升高，說(shuō)明AlN、TiB2和Al2O3的含量增加，而TiN衍射峰的強(qiáng)度降低，這與結(jié)合劑中TiN含量減少相吻合。在高溫超高壓下燒結(jié)時(shí)，熔融態(tài)鋁有利于顆粒的擴(kuò)散流動(dòng)以及顆粒間的結(jié)合和化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，熔融態(tài)鋁與cBN和TiN發(fā)生反應(yīng)生成AlN和TiB2。研究[6,8,11,15]表明，鋁在較低溫度下便能與cBN反應(yīng)生成AlN和硼離子；在低溫時(shí)硼離子與TiN的化學(xué)反應(yīng)速率較低，隨著鋁含量的增加，硼離子通過(guò)液態(tài)鋁的移動(dòng)，更加均勻地分布在TiN顆粒周?chē)?，生成AlN和TiB2顆粒，同時(shí)反應(yīng)物的表面積越大，化學(xué)反應(yīng)速率越大，因此鋁含量的增加可使生成的TiB2含量增多。

圖1 不同原料配方合成的PcBN復(fù)合材料的XRD譜Fig.1 XRD pattern of PcBN composite synthesized withdifferent raw material formula

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

在高溫超高壓條件下，cBN與均勻分布在其周?chē)慕Y(jié)合劑反應(yīng)，生成新的物相牢固地將cBN黏結(jié)在一起。由圖2可以看出：當(dāng)結(jié)合劑中鋁含量較少時(shí)，燒結(jié)時(shí)體系內(nèi)部液相量較少，TiN為高熔點(diǎn)化合物，熔融性較差，顆粒擴(kuò)散困難，試樣的燒結(jié)性較差，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，氣孔較多，cBN與結(jié)合相之間的結(jié)合力較弱；隨著鋁含量的增加，體系內(nèi)液相含量增多，內(nèi)部顆粒的擴(kuò)散流動(dòng)性加強(qiáng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)中氣孔較少，致密度明顯提高，此時(shí)AlN、TiB2以及TiN構(gòu)成的結(jié)合相分布在cBN顆粒周?chē)?，牢固地將cBN顆粒黏結(jié)在一起，有效提高了復(fù)合材料致密性。

圖2 不同原料配方合成PcBN復(fù)合材料的斷口SEM形貌Fig.2 Fracture SEM morphology of PcBN composite synthesized with different raw material formula

采用M1、M2、M3、M4配方合成PcBN復(fù)合材料的氣孔率分別為1.04%，0.83%，0.40%和0.38%。隨著結(jié)合劑中鋁含量的增加，PcBN復(fù)合材料的氣孔率先降低后基本不變，致密程度提高。鋁為低熔點(diǎn)金屬，當(dāng)燒結(jié)溫度高于鋁的熔點(diǎn)時(shí)，固態(tài)鋁熔融變成液相在體系內(nèi)部發(fā)生流動(dòng)傳質(zhì)現(xiàn)象，并使TiN在試樣內(nèi)部的孔隙中流動(dòng)并填充在cBN顆粒之間，同時(shí)鋁還能與cBN發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成AlN和AlB2，從而牢固地將cBN 顆粒黏結(jié)在一起，進(jìn)而提高了試樣的致密性。

2.3 硬度與耐磨性能

采用M1、M2、M3、M4配方合成PcBN復(fù)合材料的硬度分別為33.46，35.80，32.45,31.64 GPa。可見(jiàn)，隨著鋁含量的增加，PcBN復(fù)合材料的硬度呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)結(jié)合劑中鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，復(fù)合材料的硬度最高，為35.8 GPa。結(jié)合劑中鋁含量的增加對(duì)應(yīng)著TiN含量的降低，在cBN含量相同的條件下，高硬度的TiN含量成為影響復(fù)合材料硬度的關(guān)鍵因素。在cBN-TiN-Al體系中，鋁與cBN發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的物相AlN和AlB2，這些物相雖然可提高PcBN燒結(jié)體的抗沖擊性能和導(dǎo)熱性，但其硬度比TiN的低，從而導(dǎo)致燒結(jié)體的整體硬度隨著鋁含量的增加而降低。當(dāng)鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，燒結(jié)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，氣孔率較大，因此硬度較低。

采用M1、M2、M3、M4配方合成PcBN復(fù)合材料的磨耗比分別為4 700，7 500，7 143，5 875。隨著鋁含量的增加，PcBN復(fù)合材料的磨耗比先增大后降低。當(dāng)結(jié)合劑中鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，PcBN復(fù)合材料的磨耗比最大，耐磨性最好，這是由于結(jié)合劑中的鋁在cBN顆粒表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的陶瓷結(jié)合相將cBN顆粒聯(lián)結(jié)在一起，復(fù)合材料具有較好的致密性，同時(shí)此時(shí)PcBN復(fù)合材料的硬度最高，因此其耐磨性最好。

3 結(jié) 論

(1) 結(jié)合劑中TiN與鋁在不同配比下合成的PcBN復(fù)合材料主要由BN、TiB2、TiN、AlN和Al2O3相組成，隨著結(jié)合劑中鋁含量的增加，AlN、TiB2和Al2O3的含量增加，TiN含量減少。當(dāng)TiN與鋁質(zhì)量配比為21…4時(shí)，復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，隨著結(jié)合劑中鋁含量的升高，結(jié)構(gòu)變得致密，氣孔率降低。

(2) 隨著結(jié)合劑中鋁含量的增加，PcBN復(fù)合材料的硬度呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，當(dāng)TiN與鋁質(zhì)量配比為17…8時(shí)，復(fù)合材料的硬度最高，為35.8 GPa；隨著鋁含量的增加，PcBN復(fù)合材料的磨耗比先增大后減小，當(dāng)TiN與鋁質(zhì)量配比為17…8時(shí)，磨耗比最大，為7 500，耐磨性能最好；當(dāng)結(jié)合劑中TiN與鋁質(zhì)量配比為17…8時(shí)，PcBN復(fù)合材料的綜合性能最佳。