燒結(jié)時(shí)間對(duì)立方氮化硼刀具組織性能的影響

朱 培,李鵬濤,杜歡龍,陳芳興,趙 靜,趙文龍,朱保全

(豫西集團(tuán)中南鉆石有限公司,河南 南陽(yáng) 473264)

立方氮化硼(cBN)具有比金剛石更優(yōu)異的耐熱性和化學(xué)惰性,在高溫下不易與鐵系元素發(fā)生反應(yīng),常制備成聚晶立方氮化硼(PcBN)刀具用于加工鐵基金屬材料以及金剛石工具不能切削加工的難加工材料[1-3]。PcBN具有高硬度、低摩擦系數(shù)以及熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異等特點(diǎn),在加工領(lǐng)域起著重要作用。制備PcBN復(fù)合刀具是將cBN顆粒和粘合劑混合均勻,在高溫高壓條件下燒結(jié)到一起,形成致密的產(chǎn)品[4-6]。因此燒結(jié)工序是PcBN生產(chǎn)過(guò)程中的非常重要的工序,也是影響產(chǎn)品性能最直接的一道工序。燒結(jié)工藝中最重要的三個(gè)參數(shù)是溫度、壓力與時(shí)間。針對(duì)高溫高壓條件下cBN的生長(zhǎng)問(wèn)題及不適合的燒結(jié)工藝對(duì)產(chǎn)品使用壽命的影響,本文通過(guò)研究不同的燒結(jié)時(shí)間,分析其對(duì)最終產(chǎn)品的顯微組織、致密度及性能的影響規(guī)律,以期更好地優(yōu)化燒結(jié)工藝,提高產(chǎn)品的性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)使用六面頂壓機(jī),將cBN粉、TiN粉、Al粉、WC粉混合均勻的微粉燒結(jié)到Y(jié)G10硬質(zhì)合金基體上。其中cBN粉粒徑在1～4 μm,質(zhì)量占比70%;TiN粉粒徑≤1 μm,質(zhì)量占比15%;Al粉粒徑≤1 μm,質(zhì)量占比10%;WC粉粒徑≤1 μm,質(zhì)量占比5%。幾種微粉在三維混料機(jī)中混合均勻后,將混合均勻的微粉稱取一定重量,放置在在金屬杯里,上面扣入厚度為3.5 mm硬質(zhì)合金基體,將合裝好的原材料放入組裝零部件中,置于六面頂壓機(jī)內(nèi),按照合成壓力5.5 GPa、合成溫度1500℃、保溫時(shí)間10～30 min進(jìn)行燒結(jié)合成。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)燒結(jié)后的PcBN樣品進(jìn)行研磨和減薄處理,得到試驗(yàn)樣品。采用型號(hào)為SONIX的超聲波掃描顯微鏡檢測(cè)試驗(yàn)樣品的平整度與內(nèi)部缺陷;采用JSM-6301F掃描電子顯微鏡表征試驗(yàn)樣品的微觀組織和生長(zhǎng)組織情況;采用阿基米德原理測(cè)量試驗(yàn)樣品的密度;采用HM-200型維氏硬度計(jì)測(cè)量試驗(yàn)樣品的顯微硬度;最后使用激光切割機(jī)在試驗(yàn)樣品上切割相同尺寸的刀齒,通過(guò)高頻焊接、刃磨后做成刀具并進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn),使用3D影像測(cè)量?jī)x測(cè)量切削后的刀尖磨損情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品形貌及生長(zhǎng)情況

圖1為不同燒結(jié)時(shí)間對(duì)應(yīng)的PcBN樣品斷面形貌圖,其中黑色顆粒狀物為cBN,點(diǎn)狀和網(wǎng)狀形態(tài)為結(jié)合劑。圖1a中,燒結(jié)時(shí)間為10 min時(shí),燒結(jié)時(shí)間較短,結(jié)合相未完全溶解,團(tuán)聚在cBN顆粒與cBN顆?？p隙之間,分布較聚集,和cBN顆粒之間未生長(zhǎng)成完全的結(jié)合相。圖1b中,燒結(jié)時(shí)間升至15 min時(shí),結(jié)合劑顆粒已經(jīng)部分熔融并進(jìn)入cBN顆粒之間的縫隙,形成了粘結(jié)相;圖1c中,當(dāng)燒結(jié)時(shí)間升至20 min時(shí),結(jié)合劑顆粒在cBN顆粒周圍已經(jīng)均勻分布,并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),將cBN顆粒較好地粘結(jié)到一起;圖1d中,燒結(jié)時(shí)間增加至25 min時(shí),結(jié)合劑已經(jīng)充分溶解并和cBN顆粒生長(zhǎng)成完整的一體,形成了更加致密的燒結(jié)體;圖1e中,當(dāng)燒結(jié)時(shí)間繼續(xù)增加至30 min,可以看到明顯的晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象,以及結(jié)合劑和cBN顆粒之間碳化析出的跡象,可能因?yàn)樵诟邷亻L(zhǎng)時(shí)間狀態(tài)原子擴(kuò)散系數(shù)過(guò)大,引起晶界的快速運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致晶粒異常長(zhǎng)大及過(guò)燒[7-8]。

圖1 不同時(shí)間下燒結(jié)的PcBN樣品斷面形貌圖

2.2 C掃描的結(jié)果分析

為了保證刀具性能優(yōu)良,要求 PcBN 復(fù)合片中的 cBN 聚晶層厚度變形小,同時(shí)內(nèi)部無(wú)分層、無(wú)裂紋等質(zhì)量缺陷。利用超聲波掃描儀(C掃描)檢測(cè) PcBN 復(fù)合片樣品的聚晶層厚度的來(lái)判斷變形程度,同時(shí)可以準(zhǔn)確判斷聚晶層和硬質(zhì)合金結(jié)合面的缺陷狀態(tài)。圖2為樣品的超聲掃描檢測(cè)結(jié)果,其中彩色圖像顯示的是 cBN 聚晶層的厚度情況,每一個(gè)顏色區(qū)域表示一個(gè)0.05 mm厚度,暗色圖像為 cBN聚晶層與硬質(zhì)合金基體的界面結(jié)合情況。

圖2 不同燒結(jié)時(shí)間下C掃描圖

由圖2可以看出 cBN 聚晶層的厚度偏差、分層內(nèi)部缺陷。圖2a中,cBN 聚晶層的厚度顏色較多,平整度較差,說(shuō)明燒結(jié)時(shí)間不充分,邊緣和中間的受熱程度不均勻,邊緣受熱較大,燒結(jié)后變形增大;圖2b中,cBN 聚晶層厚度主要集中在中間區(qū)域,但樣品邊緣存在多種厚度偏差,樣品整體的平整度優(yōu)于圖2a;隨著燒結(jié)時(shí)間增加至25 min (圖2c)和30 min(圖2d),厚度分布的顏色越來(lái)越少,說(shuō)明樣品的平整度越來(lái)越好,但30 min出現(xiàn)了裂紋現(xiàn)象。由圖2可知,樣品的平整性隨著燒結(jié)時(shí)間的增加而改善。這可能是因?yàn)樵谡麄€(gè)燒結(jié)過(guò)程中,隨著燒結(jié)時(shí)間的增加,從邊緣到中心的溫度差和壓力差減小,腔體內(nèi)部逐漸趨于等溫狀態(tài)[9]。在 PcBN 復(fù)合片中由于合金層與聚晶層的熱膨脹系數(shù)差異顯著,所以隨著燒結(jié)時(shí)間的不斷增加,造成 PcBN 復(fù)合片內(nèi)部積聚大量的內(nèi)應(yīng)力,當(dāng)進(jìn)行熱沖擊性能檢測(cè)時(shí),內(nèi)部積聚的大量?jī)?nèi)應(yīng)力就急劇釋放,從而造成了脫層現(xiàn)象[10],這表明,六面頂壓機(jī)在燒結(jié)過(guò)程中,燒結(jié)時(shí)間的增加會(huì)有效提高產(chǎn)品的平整度,但隨著燒結(jié)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生分層缺陷。

2.3 樣品密度和硬度分析

利用阿基米德排水法計(jì)算 PcBN 的密度,利用硬度儀測(cè)量 PcBN 的硬度,不同燒結(jié)時(shí)間下測(cè)量結(jié)果見圖3。

圖3 測(cè)試不同燒結(jié)時(shí)間下的密度和硬度結(jié)果

由圖3可以看出,10 min時(shí)燒結(jié)過(guò)程沒(méi)有完成,樣品內(nèi)部各晶粒之間的結(jié)合力相對(duì)較弱,氣孔因燒結(jié)時(shí)間過(guò)短未完全排出,所以樣品致密度較差,測(cè)量硬度結(jié)果較低;15～20 min時(shí),樣品密度基本沒(méi)有變化,硬度有所增加,表明燒結(jié)時(shí)間的增加使金屬結(jié)合劑在液相狀態(tài)下充分溶解流動(dòng),一定的壓力下能夠在顆粒間充分完整的進(jìn)行排列組成,同時(shí)加快了氣體的排出,顯著提高產(chǎn)品的致密性和硬度;當(dāng)燒結(jié)時(shí)間增加至30 min,樣品密度降低,硬度降低,因生長(zhǎng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),金屬結(jié)合劑使 cBN 顆粒表面發(fā)生融滲并析出碳,影響產(chǎn)品密度,顆粒的性能也因長(zhǎng)時(shí)間高溫而受到影響,從而使產(chǎn)品的硬度降低。

2.4 樣品磨耗對(duì)比

將不同燒結(jié)時(shí)間得到的樣品進(jìn)行激光切割,形成如圖4所示的刀齒,而后焊接到相應(yīng)的刀桿上進(jìn)行切割灰鑄鐵(HT100)實(shí)驗(yàn),切割速率為400 m/min,進(jìn)給速率為0.05 m/min,進(jìn)給量為0.25 mm,切削里程20 km,而后測(cè)量樣品的磨損量。圖5列出了不同燒結(jié)時(shí)間下 PcBN刀具切割灰鑄鐵(HT100)后刀面的磨損量。

圖4 切割刀齒形狀

圖5 樣品在不同燒結(jié)時(shí)間下的磨損量

由圖5可以看出,燒結(jié)時(shí)間為10 min時(shí),整體磨損量較多,但變化不大,這是由于燒結(jié)時(shí)間過(guò)短,晶粒間的結(jié)合力較弱,同時(shí)致密性差,使得車削過(guò)程中產(chǎn)品易產(chǎn)生崩邊和cBN顆粒脫落的現(xiàn)象,導(dǎo)致磨損很快失效;15～25 min時(shí),整體的磨損量較好,其中燒結(jié)時(shí)間為20 min時(shí)磨損量最小,這是由于生長(zhǎng)過(guò)程中金屬結(jié)合劑和 cBN 形成一些密實(shí)的連接,在20 min時(shí)生長(zhǎng)完全,致密度高,具有最好的抗磨損能力;燒結(jié)時(shí)間為30 min時(shí),在車削20 km時(shí)磨損量較大,這可能是由于較高燒結(jié)時(shí)間使 cBN 顆粒的性能受到很大的影響,在磨損過(guò)程中沒(méi)有較好的把持力。通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比可知,合理的設(shè)計(jì)燒結(jié)時(shí)間,可以使產(chǎn)品獲得最優(yōu)的性能,燒結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生不良的影響。

3 結(jié)論

(1)燒結(jié)時(shí)間為10 min時(shí),生長(zhǎng)未完成;15 min時(shí)金屬結(jié)合劑已經(jīng)開始融滲進(jìn)入 cBN 顆粒中;隨著時(shí)間的增加燒結(jié)過(guò)程更完整,但時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則出現(xiàn)燒結(jié)晶粒過(guò)燒和晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象。

(2)在一定時(shí)間內(nèi),隨著燒結(jié)時(shí)間的增加,燒結(jié)溫度場(chǎng)更加均勻,PcBN 表現(xiàn)出更好的平整性。但隨著時(shí)間的進(jìn)一步增加,硬質(zhì)合金基體和 cBN 聚晶層聚集的熱應(yīng)力也隨之增大,燒結(jié)時(shí)間大致30 min時(shí),樣品脫層現(xiàn)象明顯。

(3)經(jīng)密度、硬度及磨損量測(cè)試,在20～25 min燒結(jié)時(shí),樣品表現(xiàn)出較好的性能;10 min和30 min燒結(jié)時(shí),樣品表現(xiàn)出燒結(jié)未完成和過(guò)燒,進(jìn)而導(dǎo)致性能指標(biāo)降低。