PCBN材料的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

張 彬， 郭宏毅

（1.河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院, 鄭州 450046）

（2.開封市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心, 河南 開封475000）

CBN是一種與金剛石結(jié)構(gòu)及性能相似的材料，但CBN在高溫下不易與鐵發(fā)生反應(yīng)，所以可用來(lái)加工鐵族金屬和金剛石工具不能切削的其他難加工材料[1-4]。目前，用CBN合成的PCBN制作的刀具已經(jīng)在諸多行業(yè)中部分取代合金刀具，如汽車行業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體加工、空調(diào)行業(yè)的壓縮機(jī)加工、工程機(jī)械中起重機(jī)高強(qiáng)度鋼板的切割加工、煤礦機(jī)械的活塞柱加工以及風(fēng)電行業(yè)的大型齒輪加工等[5-9]。

魏文靜等[10]用PCBN刀具對(duì)Cr12MoV模具鋼進(jìn)行斷續(xù)車削試驗(yàn)，提出了對(duì)工件加工效率和表面質(zhì)量提升的試驗(yàn)方法，同時(shí)還建立了工件表面粗糙度預(yù)測(cè)模型。高妮萍[11]對(duì)CBN刀具高速硬車20CrMnTi的耐用度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：用CBN刀具進(jìn)行加工，工件精度可達(dá)到IT5級(jí)，表面粗糙度在0.6 μm以下。FIORINI等[12-13]分別對(duì)PCBN刀具在高切削速度(vc=750 m/min)下加工GG25灰鑄鐵和車削高鉻白鑄鐵進(jìn)行了研究，并對(duì)刀具磨損和工件加工動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)果表明PCBN刀具具有優(yōu)異的切削性能。

PCBN是使用CBN顆粒和黏合劑在HPHT下燒結(jié)而制備的，黏合劑是合成具有優(yōu)異性能PCBN的關(guān)鍵材料，其類型包括金屬、陶瓷和金屬-陶瓷等[14-15]。TiN因具有高耐熱性、高耐磨性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，常作為陶瓷結(jié)合劑用于PCBN制造中[16-17]。但TiN類陶瓷結(jié)合劑存在高溫導(dǎo)熱性差、燒結(jié)致密難、斷裂韌性較差等問(wèn)題。金屬類結(jié)合劑PCBN韌性好、導(dǎo)熱性好，但因存在金屬相，使其高溫?zé)嵝阅茌^差，在高速切削過(guò)程中容易出現(xiàn)顆粒脫落等現(xiàn)象。

為了克服陶瓷結(jié)合劑和金屬結(jié)合劑的缺點(diǎn)，目前常用的方式是機(jī)械混合陶瓷和金屬結(jié)合劑，產(chǎn)生新的金屬-陶瓷結(jié)合劑。研究表明[15,18-19]：在陶瓷結(jié)合劑中添加金屬Ti可以增強(qiáng)其界面結(jié)合能力，且Ti在高溫下會(huì)與CBN粉末反應(yīng)生成TiN和TiB2等，TiN和TiB2都具有優(yōu)異的物理和力學(xué)性能，以其作為結(jié)合劑黏接CBN，能夠制備出兼具韌性好、熱穩(wěn)定性好、硬度高、導(dǎo)電性好的CBN刀具材料，非常適用于鐵基合金等的切削加工。YUAN等[18]采用SPS法在1 400 °C條件下制備了CBN-Ti-Al復(fù)合材料，其相對(duì)密度、彎曲強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性分別為（98.9±0.1）%、（390.7±4.5）MPa、（14.1±0.5） GPa和（7.6±0.1） （MPa·m1/2）。此外，研究還表明：在1 400 °C下燒結(jié)的復(fù)合材料中發(fā)生了穿晶斷裂，表明TiN、TiB2和AlN形成的基體與CBN顆粒具有良好的界面黏附強(qiáng)度。MO等[19]利用Ti-Si3N4為結(jié)合劑合成了PCBN，結(jié)果表明：Ti在合成過(guò)程中變成了TiN和TiB2，并且當(dāng)燒結(jié)溫度為1 600 ℃時(shí)，可以獲得顯微硬度為32.2 GPa、抗彎強(qiáng)度為1 022.5 MPa的樣品。

此外，Al2O3由于其高耐熱性、耐磨性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，也常用在PCBN切削工具材料的陶瓷結(jié)合劑中。HOTTA等[20-21]對(duì)Al2O3添加劑進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明添加Al2O3的樣品表現(xiàn)出良好的耐磨性和斷裂韌性。

因此，選擇TiN、Al2O3和Ti為CBN材料的結(jié)合劑，在高溫高壓下合成成分為CBN-TiN-Ti-Al2O3的PCBN刀具材料，研究保溫時(shí)間對(duì)PCBN結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等的影響；并用不同保溫時(shí)間下合成的PCBN制作刀具，研究其切削模具鋼時(shí)的性能。

1 試驗(yàn)配方及燒結(jié)工藝

采用高溫高壓燒結(jié)工藝制備成分為CBN-TiN-Ti-Al2O3的PCBN刀具材料。制備用原材料條件如下：CBN 型號(hào)為 M990，其基本顆粒尺寸為 1.0～3.0 μm；Ti粉純度>99.5%，其基本顆粒尺寸為 1.5 μm；α-Al2O3粉純度>99.5%，其基本顆粒尺寸為500 nm；TiN粉純度>99.9%，其基本顆粒尺寸為1.5 μm。PCBN刀具材料的配方組成及其不同的合成工藝參數(shù)列于表1中，其中TiN、Ti、Al2O3的質(zhì)量比為 66∶30∶4。

表1 試驗(yàn)配方及合成工藝參數(shù)Tab.1 Experimental formula and synthetic process parameters

按表1配方稱量原材料粉末質(zhì)量，用其合成PCBN刀具材料的過(guò)程為：（1）將適量的濃硝酸（分析純）倒入裝有CBN粉末的燒杯中，濃硝酸要完全覆蓋CBN粉末，將混合物在50 ℃的水浴中處理5 min，用蒸餾水洗滌并干燥后得到處理好的CBN粉末；（2）將處理好的CBN粉末和TiN-Ti-Al2O3分散在無(wú)水乙醇中得到漿料，所用的分散劑是聚乙二醇（分析純），在超聲波條件下分散60 min；（3）將不銹鋼球和分散好的漿料放入不銹鋼球磨罐中，球料質(zhì)量比為10∶1，在球磨機(jī)上研磨6 h；（4）球磨后，在110 ℃的真空干燥箱中干燥12 h，然后通過(guò)200目篩（篩網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸為0.074 mm）得到分散的粉末；（5）將所得粉末在合成塊中組裝，放入六面頂壓機(jī)中，按表1工藝參數(shù)合成樣品，T4樣品的燒結(jié)工藝曲線如圖1所示。圖1中：合成壓力為5.5 GPa，合成溫度為1 500 ℃。合成壓力在0.80 min內(nèi)從0升高到5.5 GPa，并保壓15.25 min，最后在0.25 min內(nèi)降到0。合成溫度在0.80 min內(nèi)從室溫升高到1 000 ℃，并保溫3.20 min，然后在0.25 min內(nèi)升溫到1 500 ℃，并保溫12.00 min，最后在0.25 min內(nèi)降至80 ℃，隨后自然冷卻至室溫。T1，T2，T3 樣品的燒結(jié)工藝曲線與T4的圖1類似，只是在1 500 ℃時(shí)的保溫時(shí)間分別減少為3.00，6.00和 9.00 min。

圖1 T4 的燒結(jié)工藝曲線Fig.1 Sintering process curves of T4

將合成的樣品進(jìn)行平磨和拋光處理，然后用激光切割機(jī)切成3 mm×4 mm×30 mm的標(biāo)準(zhǔn)樣品（簡(jiǎn)稱“樣品”）。采用三點(diǎn)彎曲法在AGS-X5KN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定樣品的抗彎強(qiáng)度；用HVS-50硬度計(jì)壓痕法測(cè)量樣品硬度，測(cè)量時(shí)載荷為96 N，保壓時(shí)間為15 s；相對(duì)密度采用quarzau-200 me高精度金屬密度儀測(cè)量；材料物相用D8-ADVANCE X射線衍射儀檢測(cè)；樣品的斷裂形貌和物相分布用S-4800掃描電鏡進(jìn)行觀察及分析；樣品磨耗比用TDHM-2型磨耗比測(cè)定儀參照《JB/T3 235-1999人造金剛石燒結(jié)體磨耗比測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 保溫時(shí)間對(duì)物相的影響

圖2為不同保溫時(shí)間下燒結(jié)體樣品的XRD圖譜。從圖2中可以看出：不同保溫時(shí)間下的樣品主相均為CBN和增強(qiáng)相TiN、TiB2和Al2O3，各物相的衍射峰清晰明銳，結(jié)晶度高，無(wú)其他雜峰存在，說(shuō)明樣品純度較好，各物質(zhì)已反應(yīng)完全。在每塊燒結(jié)體中均含有少量的Al2O3物相，這也與原料中加入的少量Al2O3相對(duì)應(yīng)。同時(shí)，在保溫時(shí)間為3.00 min時(shí)，體系內(nèi)部各物質(zhì)間就已經(jīng)充分反應(yīng)；隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品物相沒(méi)有太大變化。這說(shuō)明在高溫高壓條件下，內(nèi)部的金屬原子擴(kuò)散迅速，結(jié)合劑與CBN在短時(shí)間內(nèi)就充分發(fā)生反應(yīng)，從而生成了相應(yīng)產(chǎn)物。從XRD衍射圖中還可以看出：隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，TiN和TiB2的衍射峰稍微增強(qiáng)，推測(cè)延長(zhǎng)保溫時(shí)間有助于提高TiN和TiB2的結(jié)晶度。

圖2 不同保溫時(shí)間下樣品的 XRD 圖譜Fig.2 XRD patterns of samples at different holding times

2.2 保溫時(shí)間對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖3給出了保溫時(shí)間為3.00，6.00，9.00和12.00 min 時(shí)樣品的斷面形貌。圖3中有明顯顆粒狀的CBN，且熔融態(tài)部分為結(jié)合劑。在保溫時(shí)間為3.00 min時(shí)，T1樣品中可看到結(jié)合劑明顯的聚集現(xiàn)象(圖3a中的黃虛線橢圓區(qū)域)。這是因?yàn)?，雖然結(jié)合劑與CBN在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)生成了新物相，但由于保溫時(shí)間過(guò)短，部分結(jié)合劑來(lái)不及完全分散到樣品內(nèi)部，從而產(chǎn)生了聚集現(xiàn)象。同時(shí)，在圖3a中還觀察到較多細(xì)小的未被結(jié)合劑填充的孔洞（紅虛線圈內(nèi)）。而在圖3b和圖3c的樣品斷面圖中，結(jié)合劑的聚集得到了明顯的改善。結(jié)合劑顆粒與CBN相互填充并分布均勻，說(shuō)明適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間會(huì)得到組織更均勻的燒結(jié)體；同時(shí)結(jié)合劑與CBN的結(jié)合狀態(tài)更緊密，所觀察范圍內(nèi)致密的區(qū)域面積更大，孔洞尺寸更?。t虛線圈內(nèi)）。其中，保溫6.00 min時(shí)的T2樣品基本形貌與保溫時(shí)間為9.00 min時(shí)的T3樣品基本形貌相似，致密度都非常好。因此，可根據(jù)圖3a、圖3b和圖3c中樣品斷面形貌的差異得出，樣品孔隙中氣體的排出以及結(jié)合劑的均勻分布都需要一定的反應(yīng)時(shí)間，適當(dāng)增加保溫時(shí)間對(duì)實(shí)現(xiàn)樣品最終的均勻化和致密化有較大作用。但過(guò)度增加保溫時(shí)間對(duì)燒結(jié)體形貌是不利的，如圖3d所示。圖3d中：當(dāng)保溫時(shí)間為12.00 min時(shí)，T4樣品斷面結(jié)構(gòu)中的孔隙尺寸突增（紅虛線圈內(nèi)），出現(xiàn)了明顯的結(jié)構(gòu)疏松現(xiàn)象；同時(shí)，由于保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)樣品脆性增加，樣品在斷裂時(shí)產(chǎn)生了許多碎屑(圖3d中的黃虛線長(zhǎng)方形區(qū)域)。

圖3 不同保溫時(shí)間下樣品的 SEM 形貌Fig.3 SEM morphologies of samples under different holding times

2.3 保溫時(shí)間對(duì)相對(duì)密度的影響

不同保溫時(shí)間下樣品的相對(duì)密度如圖4所示。由圖4可知：在 1 500 ℃、5.5 GPa的燒結(jié)工藝下，保溫時(shí)間為3.00～12.00 min 時(shí)的樣品相對(duì)密度分別為 97.9%、98.7%、99.1%和 98.4%，燒結(jié)樣品的相對(duì)密度隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小，相對(duì)密度最大和最小值相差1.2%。結(jié)合圖3的SEM形貌可知：在保溫時(shí)間為3 min時(shí)，存在結(jié)合劑聚集和細(xì)小可見(jiàn)的孔隙現(xiàn)象，樣品的相對(duì)密度較小；隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)合劑中的反應(yīng)越來(lái)越徹底，結(jié)合劑的熔融填隙作用發(fā)揮得更加充分，而且結(jié)合劑分布更均勻，都將使燒結(jié)體朝著更為致密的方向發(fā)展，樣品的相對(duì)密度增大。此外，圖2中的XRD圖譜也顯示，在3.00～12.00 min的保溫時(shí)間下，各樣品的物相衍射峰強(qiáng)度基本變化不大，說(shuō)明在反應(yīng)完全后物相含量基本穩(wěn)定；而樣品相對(duì)密度增加，其致密度增大，有可能是隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，樣品結(jié)合劑中的揮發(fā)物揮發(fā)使其結(jié)構(gòu)致密所致。但當(dāng)保溫時(shí)間為12.00 min時(shí)，樣品斷面結(jié)構(gòu)的孔隙尺寸突增，出現(xiàn)了明顯的結(jié)構(gòu)疏松，樣品內(nèi)部孔洞明顯增多（圖3d），使樣品相對(duì)密度下降。原因是在過(guò)長(zhǎng)的燒結(jié)反應(yīng)時(shí)間下，燒結(jié)助劑在燒結(jié)過(guò)程中進(jìn)一步揮發(fā)，使樣品的脆性增加，在斷裂時(shí)產(chǎn)生了許多碎屑，反而破壞了樣品結(jié)構(gòu)的致密性。

圖4 不同保溫時(shí)間下樣品的相對(duì)密度Fig.4 Relative densities of samples under different holding times

2.4 保溫時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響

不同保溫時(shí)間下樣品的力學(xué)性能如圖5所示。由圖5可知：在3.00～12.00 min的保溫時(shí)間下，復(fù)合材料的硬度隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。原因是溫度不變，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，一方面物質(zhì)的黏性增加，樣品更加致密；另一方面化學(xué)反應(yīng)更充分，生成的增強(qiáng)相結(jié)晶度好，樣品硬度更高。但是，在保溫時(shí)間達(dá)到9.00 min后，樣品硬度變化幅度減緩，從33.5 GPa 增加到33.9 GPa，僅僅增加了0.4 GPa。結(jié)合圖3的樣品形貌圖可知：當(dāng)保溫時(shí)間為12.00 min時(shí)，樣品斷面結(jié)構(gòu)中的孔隙尺寸突增，出現(xiàn)了明顯的結(jié)構(gòu)疏松現(xiàn)象，會(huì)抵消部分由增強(qiáng)相結(jié)晶度升高引起的硬度變化，從而使樣品硬度的變化不明顯。

圖5 不同保溫時(shí)間下樣品的力學(xué)性能Fig.5 Mechanical properties of samples under different holding times

由圖5還可知：樣品的抗彎強(qiáng)度隨著燒結(jié)保溫時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后減小。分析可能有以下幾個(gè)原因：首先，PCBN的抗彎強(qiáng)度隨相對(duì)密度的增大而增加，當(dāng)燒結(jié)保溫時(shí)間從3.00 min提高到9.00 min時(shí)，最大抗彎強(qiáng)度值為910.9 MPa；隨著保溫時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，陶瓷結(jié)合劑中孔洞增加，使樣品抗彎強(qiáng)度下降。但總的來(lái)說(shuō)，在保溫時(shí)間為3.00～12.00 min時(shí)，樣品的抗彎強(qiáng)度差距較小、變化趨勢(shì)不明顯，整體上抗彎曲度都較高。這可能是由于Ti原料活性較高，在燒結(jié)過(guò)程中與CBN發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成了新的結(jié)合相，使得體系內(nèi)顆粒間結(jié)合強(qiáng)度高，樣品抵抗變形的能力強(qiáng)。

陶瓷燒結(jié)體的磨耗比與其致密度及內(nèi)部組織密切相關(guān)，樣品的磨耗比隨溫度的變化與致密度隨溫度的變化基本一致。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品的致密度越好，結(jié)合劑與CBN的結(jié)合更緊密，彼此間不僅存在機(jī)械物理嚙合，而且其化學(xué)鍵合作用也在逐步增強(qiáng)，使樣品在磨耗時(shí)的耐磨性也增大，磨耗比升高。圖5中樣品的磨耗比與抗彎強(qiáng)度變化趨勢(shì)及圖4中樣品的相對(duì)密度變化趨勢(shì)一致，其在9 min時(shí)的磨耗比最大為7 120。

2.5 刀具切削性能研究

將合成的PCBN分別制成TNGA160408型刀具，刀具后角為-20°，刀尖半徑為0.8 mm，切刃長(zhǎng)為2.0 mm；用其在CAK4085 Anj型機(jī)床上進(jìn)行切削試驗(yàn)，加工Cr12MoV模具鋼零件，加工方式為干式切削；切削參數(shù)為：切削速度，120 m/min；切削深度，0.1 mm；進(jìn)給量，0.15 mm/r。刀具和零件實(shí)物圖如圖6和圖7所示。零件直徑為15 mm，長(zhǎng)度為41 mm，平均硬度為52 HRC。用刀具后刀面磨損寬度達(dá)到0.3 μm時(shí)加工零件的個(gè)數(shù)來(lái)表征刀具的切削性能。

圖6 TNGA160408 型刀具實(shí)物圖Fig.6 Physical map of TNGA160408 tool

圖7 模具鋼零件實(shí)物圖及尺寸圖Fig.7 Physical drawing and dimension drawing of die steel part

4種刀具的切削試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。在3.00 min保溫時(shí)間下合成的T1材料，其力學(xué)性能較差，因此做成的T1刀具的耐磨性也較差，加工零件個(gè)數(shù)最少，僅有104個(gè)；隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，刀具加工的零件個(gè)數(shù)增加。在保溫時(shí)間為9.00 min時(shí)，合成出的T3樣品有較好的耐磨損性能，此時(shí)的刀具加工零件個(gè)數(shù)最多，達(dá)到了365個(gè)。但是當(dāng)保溫時(shí)間為12.00 min時(shí)，T4刀具加工零件個(gè)數(shù)下降，加工個(gè)數(shù)僅為228個(gè)，可能是由于保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，樣品內(nèi)部晶粒長(zhǎng)大或過(guò)燒，從而造成刀具磨損較大。

表2 4 種刀具的切削試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Cutting test results of 4 kinds of tools

3 結(jié)論

（1）在1 500 ℃的燒結(jié)溫度和5.5 GPa壓力下，增加保溫時(shí)間，樣品物相基本保持一致。且材料內(nèi)部的TiN和TiB2的衍射峰稍微增強(qiáng)，延長(zhǎng)保溫時(shí)間有助于提高TiN和TiB2的結(jié)晶度。

（2）適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間有利于提高燒結(jié)體最終的均勻化和致密化。

（3）在1 500 ℃的燒結(jié)溫度和5.5 GPa壓力下，當(dāng)保溫時(shí)間為9.00 min時(shí)，能獲得綜合性能最佳的PCBN材料，其相對(duì)密度為99.1%，抗彎強(qiáng)度為910.9 MPa，磨耗比為7 120，顯微硬度為33.5 GPa。用其做成刀具后加工的Cr12MoV模具鋼零件最多，為365個(gè)。因此，試驗(yàn)最佳保溫時(shí)間為9.00 min。