WC?B?Al2O3作結合劑的聚晶立方氮化硼復合材料性能研究①

林芳芳

（河南省計量科學研究院，河南 鄭州 450008）

聚晶立方氮化硼（PCBN）相比陶瓷和硬質合金刀具材料，具有強度高、切削壽命高、切削表面光潔度高等特點，同時其耐磨性、硬度和導熱性也僅次于金剛石，在高溫下很難被黑色金屬（鐵、鈷、鎳等）侵蝕。因此，在航空、模具、汽車、刃具等高速高效精密磨削領域扮演著重要角色［1?9］。結合劑在合成聚晶立方氮化硼的過程中起著重要作用，加入適量的結合劑可以降低燒結溫度和壓力，并改善燒結體的性能［10?11］。

PCBN復合材料從結合劑類型上可分為陶瓷類、金屬陶瓷類以及金屬類結合劑復合材料。通常情況下陶瓷類PCBN復合材料硬度高、高溫穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性較好；而金屬類PCBN復合材料則有良好的韌性。過渡金屬硼化物具有高熔點、高硬度、高電導率和耐磨性好等優(yōu)點［12］，本文以WC?B?Al2O3系作為結合劑在高溫高壓下合成PCBN復合材料，研究了不同燒結溫度下原位生成W?B系化合物黏接CBN合成PCBN復合材料的微觀形貌、物相和力學性能。

1 實驗材料與方法

實驗材料主要有：CBN（粒度4～8 μm，純度99.9%），WC（粒度1～3 μm，純度99%），B（粒度1～3 μm，純度99%），Al2O3（粒度1.5 μm，純度99.5%）。按CBN∶WC∶B∶Al2O3＝70∶23∶6∶1（質量比）進行配料，在瑪瑙研缽中以無水乙醇為介質，研磨混料3 h，然后在90℃干燥箱下干燥12 h，再將原料裝入直徑35 mm的圓柱形鉬杯中，在冷壓成型機上預壓成型，經(jīng)真空干燥12 h后，放入葉臘石磨具中。在六面頂壓機CS?VII（HD）上進行高壓高溫燒結。燒結溫度1 200～1 500℃，加熱速率50℃／s，燒結壓力6 GPa，保溫時間700 s。

將燒結后的復合材料進行研磨、拋光處理后，采用X射線衍射儀檢測物相組成，并且分析復合材料燒結過程中內(nèi)部各組分的反應情況；利用掃描電子顯微鏡對PCBN樣品斷面結構和致密性進行表征；利用阿基米德方法測量復合材料氣孔率；采用維氏顯微硬度計（型號VH?5）測定PCBN顯微硬度（負載3 kg，加壓時間15 s），從樣品邊緣至中心位置依次取5個點進行測試，取平均值；采用萬能力學試驗機測定抗彎強度，跨距10 mm，加載速度0.5 mm／min；參照聚晶金剛石復合片磨耗比測定標準測定PCBN復合材料磨耗比。磨耗比定義為SiC砂輪磨損質量損失與樣品磨損損失的比率。測試過程中，砂輪線速度25 m／s，工作臺擺頻40次／min。

2 實驗結果與討論

2.1 復合材料物相分析

不同溫度下燒結所得CBN?WC?B?Al2O3復合材料XRD圖譜如圖1所示。由圖1可知，不同燒結溫度下得到的PCBN都由BN、WB2和WB組成，雖然在初始粉料中加入了Al2O3，但燒結后樣品中都沒有檢測出Al2O3衍射峰，可能是由于Al2O3加入量太少。同時，也沒有檢測到C原子，推測C原子與O原子結合，生成了CO2，排出了燒結體內(nèi)。1 200℃和1 300℃燒結時，XRD圖譜中均沒有檢測出WC，說明此時WC已經(jīng)開始與B反應生成WB和WB2，推測在燒結體內(nèi)發(fā)生了如下反應：

圖1 不同溫度下燒結所得PCBN復合材料的XRD圖譜

由圖1可知，隨著溫度升高，反應式（3）中的WB與B反應速率加快，消耗掉了反應式（1）中所生成的WB，因此圖譜中WB2衍射峰越來越尖銳，而WB衍射峰強度逐漸降低并消失。在實驗溫度范圍內(nèi)，硼粉與碳化鎢粉之間的反應為固相反應，二者之間的反應能力和反應擴散力隨著溫度升高而增強。因此要想合成純度較高的WB2黏接CBN顆粒，必須提高燒結溫度。W?B系化合物具有高熔點、高電導率、高硬度以及高抗氧化性等特點，用其作為結合劑黏接CBN會取得良好的技術效果。

2.2 復合材料顯微結構分析

將高溫高壓下燒結出的PCBN樣品進行研磨、拋光，再用萬能材料力學試驗機進行抗彎強度測試，取抗彎強度試驗后的樣品進行斷面掃描分析。圖2為不同燒結溫度下CBN?WC?B?Al2O3體系合成PCBN復合材料的SEM圖。從圖2可知，試樣中CBN顆粒和結合劑分布情況相對理想，并沒有出現(xiàn)結合劑富集在一起的情況，說明混料時間與混料方式合理。1 200℃和1 300℃燒結時，可以看到在CBN顆粒周圍存在著較大的縫隙和孔洞，結合劑松散分布在CBN顆粒表面，不能很好地起到黏接作用；在此燒結溫度下，結合劑沒有完全融化，樣品燒結性差。隨著溫度升高，體系內(nèi)部顆粒開始逐漸熔融，相互之間化學反應加強，試樣內(nèi)部致密性得到提高；CBN顆粒通過熔融結合劑的連接和填充作用，實現(xiàn)了內(nèi)部致密化，PCBN強度得到提升。

圖2 不同燒結溫度下PCBN復合材料SEM圖

2.3 復合材料致密性分析

圖3為在不同燒結溫度下復合材料的氣孔率變化。燒結溫度從1 200℃升高到1 500℃時，PCBN氣孔率從2.85%下降到1.05%。燒結過程中，液相量對樣品致密化影響較大。低溫燒結過程中結合劑沒有完全熔融，不利于試樣的致密化。CBN顆粒之間相互接觸的可能性增加，使得CBN顆粒之間形成孔隙，最終導致PCBN試樣致密性較差。同時，在燒結初期有氣體產(chǎn)生和排出，也會導致試樣內(nèi)部有少量氣孔存在，使得樣品氣孔率較高。提高燒結溫度，樣品內(nèi)部熔融態(tài)液相量開始增加，促進了粉體顆粒內(nèi)部流動，提高了樣品致密性。復合材料氣孔率反映了其致密度，是影響復合材料強度和耐磨性的關鍵指標之一。

圖3 不同燒結溫度下復合材料氣孔率變化

2.4 復合材料抗彎強度和硬度分析

圖4為不同燒結溫度下PCBN試樣的抗彎強度和顯微硬度。隨著溫度從1 200℃升高到1 500℃，樣品硬度從27.5 GPa增加到36.5 GPa，增幅超過了30%，燒結溫度對顯微硬度的影響十分明顯。根據(jù)相關文獻報道［13］，過渡金屬硼化物WB2硬度可達40 GPa，是一種僅次于金剛石和CBN的超硬材料。從XRD分析可知，WB2的量隨著燒結溫度升高逐漸增多，從而使樣品硬度隨著燒結溫度升高而增大。隨著燒結溫度從1 200℃升高到1 500℃，樣品抗彎強度從463.3 MPa增加到789 MPa。從圖4可知，1 500℃燒結的PCBN樣品綜合力學性能較好。

圖4 不同燒結溫度下復合材料強度與硬度性能

圖5為1 200℃和1 500℃下CBN?WC?B?Al2O3體系合成的PCBN試樣的斷口形貌圖。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，1 200℃時CBN顆粒形狀明顯，棱角分明，表明結合劑與CBN顆粒之間沒有發(fā)生反應，只是起到連接作用。1 500℃時樣品中CBN顆粒和結合劑結合界面非常緊密，說明試樣有很好的致密性。2個分圖中均可觀察到明顯的晶界和光滑的晶面，說明各樣品均存在沿晶斷裂。1 500℃燒結樣品在斷裂過程中還觀察到了明顯的鋸齒狀晶粒（圖（b）中橢圓處），說明CBN與結合劑的界面結合力較強，在樣品中同時伴隨有穿晶斷裂現(xiàn)象發(fā)生，PCBN抗彎強度得到顯著提高。

圖5 PCBN復合材料斷面形貌圖

2.5 復合材料磨耗比分析

圖6為不同燒結溫度下CBN?WC?B?Al2O3體系合成PCBN復合材料的磨耗比。磨耗比能直接判斷PCBN復合材料作為刀具材料的可行性。從圖6可知，隨著燒結溫度從1 200℃升高到1 500℃，復合材料磨耗比從2 922增加到9 810。磨耗比的變化趨勢與力學性能變化趨勢一致。推測這種現(xiàn)象與燒結樣品中存在的氣孔和縫隙有關。低于1 300℃燒結時，磨耗比很低，結合劑對CBN顆粒結合較弱，在磨耗比測試過程中，CBN晶粒極易掉落，導致燒結樣品耐磨性急劇下降。燒結溫度升高到1 400℃和1 500℃時，結合劑對CBN顆粒把持力增強，CBN顆粒在磨削過程中不易脫落，樣品磨耗比增加。

圖6 不同燒結溫度下PCBN復合材料磨耗比

3 結 論

1）以CBN、WC、B、Al2O3等高純度粉末為原料，高溫高壓下合成了PCBN復合材料，物相分析結果表明，復合材料組織主要由BN、WB2和WB相組成。

2）1 200～1 300℃燒結時，樣品燒結性差，內(nèi)部有明顯的孔洞和縫隙；隨著燒結溫度升高，內(nèi)部孔洞和縫隙逐漸減少，樣品致密性提高。

3）燒結溫度1 500℃、燒結壓力6 GPa、保溫時間700 s下得到的PCBN復合材料綜合力學性能較好，抗彎強度789 MPa、顯微硬度36.5 GPa、氣孔率1.05%、磨耗比9 810。