聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride, PCBN)是20世纪70年代初发展起来的一种新型超硬复合材料, 由于其具有较高的硬度与耐磨性, 同时具有比金刚石更优的耐热性和化学惰性^[1-4], 因此特别适用于淬硬钢、铸铁及其他高硬度材料的切削加工。目前使用的PCBN刀具材料主要有含黏结剂的金属型^[5-6]、陶瓷型^[7-9]和金属-陶瓷混合型^[10-11]。金属结合剂会降低cBN(Cubic Boron Nitride)的耐热性^[2-3]; 含碳化物、氮化物、碳氮化物等陶瓷结合剂的PCBN适合于基于“金属软化效应”的硬态干切削, 然而, 当陶瓷黏结相含量过高时, 不仅会使PCBN的硬度降低、刀具的使用寿命缩短, 而且其抗热冲击性也变差, 高速切削过程中容易产生崩刃, 难以胜任高速硬态干切削的使用性能要求^[3-4]。上述情况中, 含黏结剂PCBN中的非cBN组分降低了cBN烧结体的硬度和强度, 直接导致了其耐磨性和耐热性降低, 因此纯PCBN烧结体已经成为近年来国内外研究的热点^[12-16]。目前纯PCBN的制备方法主要有两种:一种是首先将hBN高压高温烧结成cBN, 然后将cBN粉末经高温高压烧结成纯PCBN^[14-15]; 另一种是由hBN^[16]或gBN^[17]作为原料, 直接经高温高压合成为纯PCBN。纯PCBN与含黏结剂PCBN材料的高压烧结工艺特点完全不同, 其中纯PCBN材料的高温高压合成条件十分苛刻, 要求更高的烧结压力、烧结温度及cBN颗粒表面洁净度, 因此迫切需要研究烧结压力、烧结温度和时间等因素对纯PCBN烧结体性质的影响。

为了揭示纯cBN的高压烧结行为和工艺规律, 本工作通过研究高压烧结工艺参数对纯PCBN烧结体微结构与性能的影响, 得到较优的高压烧结工艺参数, 以期研制开发出高性能的纯PCBN刀具材料, 为促进我国纯PCBN刀具材料的推广应用奠定理论和技术基础。

1.   实验过程与方法

实验采用由富耐克公司生产的、型号为M-850的纯cBN微粉, 其粒度为10 μm, 纯度为99.5%。因为获得cBN-cBN结合需要cBN表面足够洁净, 所以实验前先对cBN粉末进行高温真空处理。处理后的cBN粉末组装到钼杯里, 然后和其他材料组装到一起进行高压高温烧结实验。

由于本实验要求的压力很高, 因此使用了腔体增压技术, 在充分考虑高压合成安全性和稳定性的条件下, 通过改进传统高压腔体结构和组装方式, 如改变顶锤结构设计和合理优化合成腔体结构, 使高压烧结腔体的最高压力达到10 GPa。为了实验安全起见, 本实验采用的最高压力低于设备的极限压力, 为9 GPa。另外, 本实验中的最高烧结温度达到1 800 ℃, 对烧结腔体加热方式也提出了更高的要求。实验时采用间接加热方式, 依靠腔体内部的发热体加热cBN粉末, 并采用了腔体保温措施, 以加强高压烧结系统的安全性和腔体烧结温度的均匀性。实验过程中, 利用Bi、Ba、Ti金属丝的高压相变点标定腔体内部的实际压力, 采用双铂铑B型热电偶标定腔体内实际温度, 并根据标定结果确定实验表压和加热功率对应的腔体压力与温度。

高压烧结实验完成后, 首先在普通平面磨床上利用金刚石砂轮将各烧结的纯PCBN样品磨平, 然后在BDMT-JP903型镜面抛光机上抛光至镜面光泽, 最后采用丙酮清洗、烘干, 从而获得用于测试分析的样品。采用HITACHI S-3400N型扫描电镜(SEM)对抛光后的样品进行显微形貌观察及EDS能谱分析; 采用日本理光D/max-rA 12 kW型X射线衍射仪分析高压烧结纯PCBN样品中的物相及组成; 采用法国JY公司生产的HR800显微共焦拉曼光谱仪(激发光源为Ar激光器, 波长为514.5 nm, 功率为25 mW)进一步分析确定高压烧结cBN材料中是否存在hBN相; 采用JS2000型金刚石烧结体磨耗比仪, 按照JB/T3235-2013标准, 在砂轮转速为5 000~5 500 r/min, 工作台摆动频率为35~40 min^-1, 进给压力为2~4 N的条件下, 通过烧结样品与标准砂轮对磨进行纯PCBN样品的磨耗比测定, 并参照国家标准测试烧结纯PCBN样品的抗压强度。高压烧结实验设计方案及测试结果见表 1, 其中p为烧结压力, T为烧结温度, t为烧结时间, Q为磨耗比, S为压缩强度。

表  1  纯PCBN高压烧结实验设计方案与测试结果

Table  1.  Design of the sintering experiment and measurement results of sintered pure PCBN samples

No.	p/GPa	T/℃	t/s	Q	S/GPa
1	9	1 500	240	4 560	1.46
2	9	1 600	240	5 390	1.68
3	9	1 800	240	8 370	2.41
4	9	1 700	180	5 050	1.55
5	9	1 700	210	6 390	1.68
6	9	1 700	270	9 620	2.46
7	6	1 700	240	1 030	0.95
8	7	1 700	240	4 760	1.78
9	8	1 700	240	7 570	2.36
10	9	1 700	240	10 200	2.52

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.   实验结果与讨论

2.1   烧结温度对纯PCBN烧结体微结构与性能的影响

表 1为cBN粒度为10 μm时, 在不同烧结条件下制备的纯PCBN烧结体性能测试结果。由表 1可知, 在烧结压力为9 GPa、烧结时间为240 s、不同烧结温度条件下, 纯PCBN烧结体的性能随着温度的升高先升高后降低(见图 1)。当烧结温度为1 700 ℃时, 10号烧结样品的性能最佳, 其磨耗比为10 200, 抗压强度为2.52 GPa。温度进一步升高, PCBN烧结体的性能反而下降。当温度为1 500 ℃时, 1号样品的性能最低, 其磨耗比和抗压强度分别为4 560和1.46 GPa, 与10号样品相比, 其磨耗比和抗压强度分别降低了55.3%和42.1%。这是因为当烧结温度过低时, cBN晶粒塑性变形不充分, cBN晶粒间不易产生粘连, 导致烧结体中原始颗粒形貌依然可见, 从而使烧结体性能变差, 如图 2(a)所示。当达到适当的烧结温度时, 在压力作用下cBN晶粒碎化和塑性变形充分, 使碎化的新鲜晶面之间cBN-cBN直接结合变得容易, 由于晶粒变得更细小, cBN晶粒得以形成广泛的空间骨架结构, 如图 2(b)所示, 即可能形成了cBN-cBN的直接键合, 烧结纯PCBN样品的性能得以提高。当烧结温度过高时, 可能导致烧结体中的晶粒再结晶长大, 烧结样品的性能变差。

图  1  不同烧结温度下所得纯PCBN烧结体的磨耗比和抗压强度

Figure  1.  Wear ratio and compressive strength of sintered pure PCBN samples at different sintering temperatures

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  2  不同烧结温度下纯PCBN烧结体的SEM形貌照片:(a) 1 500 ℃, (b) 1 700 ℃

Figure  2.  SEM images of the pure PCBN sintered bodies at different temperatures:(a) 1 500 ℃, (b) 1 700 ℃

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   烧结时间对纯PCBN烧结体微结构与性能的影响

图 3给出了烧结压力为9 GPa、烧结温度为1 700 ℃、不同烧结时间条件下烧结纯PCBN样品的耐磨性和抗压强度的变化。从图 3可以看出:随着烧结时间从180 s增加到240 s, 纯PCBN烧结体的磨耗比由5 050增加到10 200, 提高约102.0%;抗压强度从1.55 GPa增至2.52 GPa, 提高了约62.6%。之后随着烧结时间的延长, 纯PCBN烧结体的性能反而下降。其原因是随着烧结时间的延长, cBN晶粒塑性流动充分, cBN晶粒间的直接结合增多, 使PCBN烧结体的耐磨性和抗压强度增加, 如图 4(a)和图 4(b)所示; 但烧结时间过长时, cBN晶粒通过回复再结晶长大使PCBN烧结体的性能下降。

图  3  不同烧结时间下所得纯PCBN烧结体的磨耗比和抗压强度

Figure  3.  Wear ratio and compressive strength of sintered pure PCBN samples at different sintering times

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  4  不同烧结时间下纯PCBN烧结体的SEM形貌照片:(a) 240 s, (b) 270 s

Figure  4.  SEM images of the pure PCBN sintered bodies at different sintering times:(a) 240 s, (b) 270 s

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3   烧结压力对纯PCBN烧结体微结构与性能的影响

图 5给出了烧结温度为1 700 ℃、烧结时间为240 s、不同烧结压力条件下纯PCBN烧结体磨耗比和抗压强度的变化曲线。由图 5可知, 纯PCBN烧结样品的磨耗比和抗压强度均随着烧结压力的增加而增加。当烧结压力为6 GPa时, 7号样品的磨耗比和抗压强度均很低, 分别为1 030和0.95 GPa, 说明在此烧结压力下, cBN晶粒难以塑性流动形成cBN-cBN直接结合; 从6 GPa升压到8 GPa, 烧结样品的磨耗比和抗压强度随着压力增加而增加的速率加快; 之后再继续升压, 烧结样品的磨耗比和抗压强度随压力增加而增加的速率也并不降低。当烧结压力升至本实验设计的最高压力9 GPa时, 烧结样品的磨耗比和抗压强度均达到最大值, 分别为10 200和2.52 GPa, 相比于6 GPa压力下烧结样品的磨耗比和抗压强度分别提高了890.3%和165.3%。这表明烧结压力是影响烧结纯PCBN性能的主要因素, 其作用机制主要是通过cBN晶粒在高压下的逆转化和高压塑性流变进行。

图  5  不同烧结压力下所得纯PCBN烧结体的磨耗比和抗压强度

Figure  5.  Wear ratio and compressive strength of sintered pure PCBN samples at different sintering pressures

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图 6为不同烧结压力条件下烧结纯PCBN样品的XRD图谱。由图 6可知:当压力为7 GPa时, 烧结cBN样品中出现了hBN相, 说明在此压力下cBN晶粒发生了逆转化; 当压力为9 GPa时, 烧结样品中未出现hBN相, 说明cBN晶粒并未发生cBN逆转化。烧结纯PCBN样品中hBN相的出现将大大降低其力学性能。压力通过塑性流变影响烧结纯PCBN烧结体性能的作用可能更大, 尤其是在比本实验更高压力的情况下。文献[18]采用亚微米的cBN合成了具有纳米结构性能的亚微米纯cBN聚晶, 并指出在超过cBN本身屈服强度的超高压高温条件下, cBN晶粒将发生强烈的塑性变形, 产生大量的位错、滑移带、层错及孪晶等晶体缺陷, 起到类似于纳米晶界的作用, 提高材料的强度和硬度; 另一方面, 超高压高温条件可以提供实现材料致密化和键合所需的塑性变形。综上可知, 纯PCBN高压烧结过程中, 最关键的影响因素是压力, 其次是烧结温度, 最后是烧结时间。

图  6  不同烧结压力下纯PCBN烧结体的XRD图谱

Figure  6.  XRD spectra of the pure PCBN sintered bodies at different sintering pressures

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   结论

(1) 随着烧结压力、温度、时间增加, 纯PCBN烧结体的耐磨性和抗压强度均有所提高, 但以烧结压力影响最显著, 其次是烧结温度, 最后为烧结时间。

(2) 烧结压力是通过高压下cBN逆转化、晶粒碎化及塑性流动起作用的。压力越高, 晶粒碎化越严重, 小颗粒充填大颗粒间隙, 压力均衡作用越强, cBN逆转化可能性越小; 同时晶粒碎化和塑性变形越严重, cBN-cBN直接键合的可能性越大。

(3) 烧结压力过低时, cBN处于亚稳态, 导致cBN发生逆转化; 只有当压力足够高、cBN处于稳态时, 烧结温度和烧结时间才能通过回复再结晶影响烧结体性能。

(4) 本实验条件下较优工艺参数为烧结压力9 GPa、烧结温度1 700 ℃、烧结时间240 s, 在此条件下10 μm cBN烧结的纯PCBN样品性能最优, 其磨耗比为10 200, 抗压强度为2.52 GPa。