分享：高温高压烧结制备PCBN陶瓷的微观结构与性能

苏 君,冯佩佩 

(河南工业职业技术学院,南阳 473000)

摘 要:以 ZrO2、Al2O3 和铝粉作为结合剂,通过六面顶压机在高温(1300~1600 ℃)高压 (5.5GPa)条件下烧结制备聚晶立方氮化硼(PCBN)陶瓷,研究了烧结温度对陶瓷物相组成、力学 性能以及加工离心铸铁时切削性能的影响。结果表明:不同温度烧结 PCBN 陶瓷的主晶相均为 cBN、m-ZrO2、t-ZrO2、Al2O3、AlN和ZrN,结合相颗粒均匀地分散在cBN 基体上;随着烧结温度的升 高,cBN与结合相的结合更加紧密,陶瓷的相对密度、硬度、抗弯强度和断裂韧度增大;当烧结温度为 1600℃时,陶瓷的综合力学性能最好,硬度、抗弯强度和断裂韧度分别达到32.87GPa,850.3 MPa, 5.1MPa·m 1/2;当烧结温度为1400 ℃和1500 ℃时,PCBN 陶瓷刀具在切削离心铸铁棒总长度为 10km 时,其后刀面磨损量仅分别为171,166μm,切削性能较好。 

关键词:聚晶立方氮化硼(PCBN);结合剂;力学性能;切削性能 中图分类号:TG71 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)09-0029-05

0 引 言

 立方氮化硼(cBN)具有与金刚石相似的结构与 性能,同时在高温下不易与铁系元素发生反应,常制 备成聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具用于加工铁基金 属材料以及金刚石工具不能切削加工的难加工材 料[1-3]。由cBN 烧结制备的 PCBN 陶瓷材料具有硬 度高、摩擦因数低,以及热稳定性、导热性、化学稳定 性优异等特点,作为刀具材料在现代切削加工中发 挥着重要作用。然而,cBN 具有很强的共价键,使用常规烧结方法制备 PCBN 陶瓷时很难实现致密 化,需要将cBN 颗粒和结合剂混合后在高温高压条 件下进行烧结[4-8]。结合剂是保证 PCBN 陶瓷刀具 性能优异的关键材料,主要包括钛、铝、钨、钴等金属 以 及 Al2O3、ZrO2、TiN、TiC 等 陶 瓷 颗 粒[9-17]。 Al2O3 具有良好的耐热性、耐磨性和化学稳定性,是 制备 PCBN 陶瓷常用的结合剂。只添加 Al2O3 颗 粒烧结cBN 时易发生烧结困难,烧结制备的 PCBN 陶瓷材料虽然耐磨性很好,但是韧性较差,在切削加 工时容易发生刃口开裂,最终影响刀具的使用寿命。 ZrO2 是一种理想的增韧材料,已经广泛应用在陶瓷 烧结领域[11-13]。金属铝在高温烧结过程中熔化形 成液体并填充于cBN 颗粒空隙,有助于改善烧结性 能,促进 PCBN 的烧结致密;并且,铝和cBN 在高温 下反应形成的 AlN 可以 抑 制 cBN 向 六 方 氮 化 硼 (hBN)的转化,另外还可与微孔中残留的氧反应生 成 Al2O3 而不会产生其他杂质[15-17]。因此,作者以 ZrO2、Al2O3 和铝粉作为结合剂,通过六面顶压机 在高温高压下烧结制备 PCBN 陶瓷,研究了该陶瓷 的物相组成、微观形貌、力学性能以及加工成刀具切 削离心铸铁的性能。 

1 试样制备与试验方法 

1.1 试样制备 

试验原料包括cBN 粉,纯度大于99.9%,粒径 在1~3μm;铝粉,纯度大于99.9%,粒径在1.0~ 1.5μm;ZrO2 粉,纯度大于99.9%,粒径为100nm; Al2O3 粉,纯度大于99.9%,粒径为100nm。cBN 粉由郑州中南杰特超硬材料有限公司提供,铝粉、 ZrO2 粉和 Al2O3 粉均由秦皇岛-诺高新材料开发有 限公司提供。按照cBN 粉、ZrO2 粉、Al2O3 粉和铝 粉的质量分数分别为65%,18%,14%,3%进行配 料,将粉料放入不锈钢球磨罐中,加入无水乙醇,用 硬质合金球为研磨球在行星球磨机上研磨混料3h, 主轴转速为200r·min -1,粉料、球和无水乙醇的质 量比为1∶2∶1.5。将球磨后的粉料取出,放入烘箱 在120℃干燥6h,然后装入内腔尺寸为?33mm× 4.5mm 的钼制模具,在 HS-1200G-B型真空炉中于 800 ℃真空处理1.5h,真空度为1×10 -2 Pa,以去 除表面残留水分和杂质;最后将粉料、传压叶腊石、 钛导片、钢圈堵头、石墨加热体、盐管等组装成烧结 块后,放入六面顶压机中进行高温高压烧结,压力为 5.5GPa,烧结温度在1300~1600 ℃,保温时间为 700s。

 1.2 试验方法 

采用 X'pertPRO 型 X射线粉末衍射仪(XRD) 检测烧结陶瓷的物相组成,采用铜靶,扫描范围为 0.5°~130°。将烧结陶瓷打断,使用s-4800型场发 射扫描电子显微镜(SEM)观察断口微观形貌,用附 带的能量色散 X射线光谱仪(EDX)测试微区成分。 根据 GB/T6569-1986,采用PS-281型万能材料试 验机进行三点弯曲 试 验,试 样 尺 寸 为 13.8 mm× 4.0mm×3.0mm,跨 距 为 10 mm,下 压 速 度 为 0.5mm·min -1。根据阿基米德排水法测定相对密 度,采用 YDK01-C 型密度天平称量试样质量。采 用 HMAS-D1000SZ型维氏硬度计进行维氏硬度测 试,试样表面经抛光处理,测试载荷为98.07N,保 载时间为10s。维氏硬度测试结束后,试样表面出 现菱形压痕,裂纹沿着菱形对角线方向向外延伸。 测量裂纹 横 向 扩 展 的 尖 端 跨 距 长 度,代 入 经 验 公 式[18]即可计算得到断裂韧度。 烧结 陶 瓷 经 切 割、焊 接、刃 磨 等 工 艺 后 制 成 SNGN120408刀具,刀具圆角半径为0.3mm,刀具 后角为-20°。在 CAK4085Anj型车床上使用刀具 进行干式连续切削,切削速度为600m·min -1,切削 深度为0.2mm,进给量为0.2mm·r -1。工件材料为 离心铸铁圆棒,直径120mm,长度350mm。当切削 长度达5km 和10km 时,采用 KEYENCEVHX-200 型超景深体视显微镜测量刀具后刀面磨损量。 2 试验结果与讨论 2.1 物相组成与微观形貌 图1 不同温度烧结 PCBN陶瓷的 XRD谱 Fig.1 XRDpatternsofPCBNceramicssinteredat differenttemperatures 由图1可知,不同温度烧结PCBN 陶瓷试样的 主晶 相 均 包 括 cBN、m-ZrO2、t-ZrO2、Al2O3、AlN 和 ZrN。AlN 和 ZrN 是在高温高压过程中由铝粉和cBN、m-ZrO2 分别 反 应 形 成 的 新 相。t-ZrO2 是 由 m-ZrO2 相变产生的,其衍射峰强度随烧结温度 的升高而增强,说明t-ZrO2 含量增加,提高烧结温 度有利于 m-ZrO2 相向t-ZrO2 相转变。随着烧结 温度 的 升 高,AlN(200)晶 面、ZrN(111)晶 面 的 衍 射峰强 度 不 断 增 大,说 明 AlN 和 ZrN 含 量 增 加; cBN(111)晶面和 m-ZrO2(-111)晶面衍射峰强度逐 渐减小,说明cBN 和 m-ZrO2 含量在降低。随烧结 温度升高,m-ZrO2(-111)晶 面、Al2O3(122)晶 面 和 ZrN(111)晶面的衍射峰半高宽不断减小。半高宽 越小,峰越尖锐,表明晶粒结晶越好。 图2中黑色部分为cBN 基体,白色区域为结 合 相 颗 粒,包 括 m-ZrO2、t-ZrO2、Al2O3、AlN 和 ZrN。由图2可见,在烧结温度为1300,1400 ℃ 时,烧结陶瓷中结合相颗粒均匀地分散在cBN 基 体上,其形态比较松散,有部分结合相附着在cBN 颗粒表面。由 于 烧 结 温 度 较 低,部 分 结 合 剂 未 能 完全熔融而 分 散 在 烧 结 体 内 部,导 致 结 合 相 颗 粒 松散分布 的 现 象,cBN 与 结 合 相 的 结 合 状 态 不 紧 密。当烧结温度升至1500,1600 ℃时,结合剂颗 粒熔融进入了cBN 颗粒之间的缝隙,形成了 组 织 更为均匀致密的烧结体,cBN 与结合相紧密结合。 不同烧结温 度 下 陶 瓷 的 人 工 断 口 形 貌 相 似,断 裂 方式均为沿晶断裂。在1300~1600 ℃范围内烧 结 温 度 对 cBN 与 ZrO2、Al2O3 晶 粒 尺 寸 的 影 响 很小由图3可以看出,1600 ℃烧结的陶瓷中,锆和 铝元素分布在cBN 晶粒周围,并且有部分重叠现 象,这是由于烧结过程中 ZrO2 和 Al2O3 之间发生 元素互扩散引起的。结合 XRD 分析可知,铝元素 以 AlN 和 Al2O3 的 形 式 包 裹 住 cBN 颗 粒,表 明 AlN 和 Al2O3 在结合cBN 中起着重要作用。锆元 素主要以 m-ZrO2 的形式包裹住cBN 颗粒,但是分 散不像铝化合物那样均匀,这与 m-ZrO2 在烧结温 度下为固相,原子扩散速率较低有关。结合相颗粒 的均匀分 散 有 利 于 提 高 PCBN 陶 瓷 的 力 学 性 能。 1300~1500℃烧结的陶瓷中,元素分布与1600 ℃ 下类似。 

2.2 相对密度

 由图4可见,PCBN 陶瓷的相对密度随烧结温 度升高而增大并最终趋于稳定。这是因为提高烧结 温度增加了颗粒的扩散动力及颗粒在压力下的塑性 流动和塑性变形,有利于质点和空位的扩散,能加快 气体的排出和颗粒之间的重新排列,从而促进陶瓷 的烧结致密[6,12-13]。但是,烧结温度过高时的传质 原子扩散系数过大,会引起晶界的快速运动,导致晶 粒的异常长大。

 2.3 力学性能 

由图5可以看出:随着烧结温度的升高,PCBN 陶瓷的硬度、断裂韧度和抗弯强度增大;当烧结温度

为1600 ℃时,硬度、抗弯强度和断裂韧度分别达到 32.87GPa,850.3 MPa,5.1 MPa·m 1/2,陶瓷的综合 力学性能良好。 陶瓷的硬度与致密性能和晶粒尺寸有关,抗弯 强度和断裂韧度除了与致密性能和晶粒尺寸有关 外,还受物相组成的影响。由前文可知,在试验所用 烧结温度范围内,cBN、ZrO2 和 Al2O3 晶粒的尺寸 变化不大,故力学性能的变化主要受陶瓷致密性能 和物相组成的影响。相对密度随烧结温度的升高呈 线性增大,使得陶瓷硬度增大,在断裂过程中所需的 断裂能增大,抗弯强度和断裂韧度随之增大。此外, PCBN 陶瓷中反应生成的 AlN 和 ZrN 以及相变生 成的t-ZrO2 都具有高强度、高模量的特性,且 ZrO2 存在相变增韧作用;当裂纹在扩展过程中遇到这些 颗粒时,裂纹会在颗粒表面发生偏转,增加断裂功的 消耗,从而提高陶瓷的抗弯强度和断裂韧度。随着 烧结温度的升高,陶瓷中 AlN、ZrN 含量增加,ZrO2 相变量增大,因此抗弯强度和断裂韧度提高。 

2.4 PCBN陶瓷刀具的切削性能

 表1列出了不同温度烧结 PCBN 陶瓷刀具以 及日本住友公司生产的 PCBN 陶瓷刀具切削离心 铸铁后的后刀面磨损量。由表1可知:1300℃烧结 陶瓷刀具在切削长度达5km 时的后刀面磨损量远 高于其他温度烧结陶瓷刀具,且切削长度达8.2km 时就发生失效,切削性能最差;1400,1500 ℃烧结 陶瓷刀具在切削长度达5km 时的后刀面磨损量较 小,切削长度达10km 时分别达到181,166μm,切 削性能良好,与日本住友PCBN陶瓷刀具相比后刀面磨损量略高,切削性能略差;1600℃烧结陶瓷刀具在 切削长度达5km 时的后刀面磨损量略有增大,在切 削10km 时产生崩刀现象,这可能是由于较高烧结温 度下陶瓷内部晶粒长大或过烧[19-20]而造成的。

3 结 论

 (1)以cBN 为原料,ZrO2、Al2O3 和铝粉作为 结合剂,通过高温高压烧结工艺制备 PCBN 陶瓷, 该陶瓷主要物相包括cBN、m-ZrO2、t-ZrO2、Al2O3、 AlN和ZrN,结合相颗粒均匀分散在cBN 基体上,并 且随烧结温度升高,t-ZrO2、AlN和ZrN含量增加。 (2)随着烧结温度的升高,cBN 与结合相的结 合更加紧密,陶瓷相对密度、硬度、抗弯强度和断裂 韧度增大;当烧结温度为1600 ℃时,陶瓷的综合性 能最好,相对密度为98.72%,硬度、抗弯强度和断裂 韧度分别达到32.87GPa,850.3MPa,5.1MPa·m 1/2。 (3)当 烧 结 温 度 为 1400 ℃ 和 1500 ℃ 时, PCBN 陶瓷刀具在切削离心铸铁棒总长度为10km 时,其后刀面磨损量仅分别为171,166μm,表现出 较好的切削性能

来源：材料与测试网