分享：TiN-Al体系结合剂配比对聚晶立方氮化硼复合材料性能的影响
罗 涛,江文清,徐 敏(九江职业技术学院机械工程学院,九江332007)
摘 要:以立方氮化硼(cBN)、TiN、铝为原料,在1500℃,5.5GPa条件下烧结合成聚晶立方氮化硼(PcBN)复合材料,研究了TiN-Al体系结合剂中 TiN与铝的质量配比(21∶4,17∶8,13∶12,9∶16)对PcBN复合材料物相组成、微观结构、硬度和耐磨性能的影响。结果表明:PcBN复合材料主要由BN、TiB2、TiN、AlN和Al2O3 相组成;随着结合剂中铝含量的升高,PcBN复合材料结构变得致密,气孔率降低,硬度呈先升高后降低的趋势,磨耗比先增大后减小。当TiN与铝质量配比为17∶8时,复合材料的综合性能最佳,硬度与磨耗比最高,分别为35.8GPa和7500,气孔率较低,为0.83%。
关键词:PcBN;TiN-Al体系结合剂;气孔率;显微硬度;耐磨性能中图分类号:TQ164 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)11-0034-04
0 引 言
立方氮化硼(cBN)具有硬度高、导热性好、热稳定性高等优点,同时对黑色金属呈化学惰性,且耐高温,因此广泛用于切割淬硬钢、铸铁和耐热合金等[1-8]。但是由于cBN 单晶烧结活性小,难以长大,要想获得实用的cBN 烧结块需在2000℃的高温和7GPa的超高压下烧结[9-10],这增加了生产成本,限制了其在工业中的应用。为解决上述问题,通常将cBN 微粉与结合剂混合后经过高温超高压工艺烧结成聚晶立方氮化硼(PcBN)复合材料。近年来,PcBN 复合材料的研究取得了很大的进展。LI等[11]用 AlN-Al-Ni为结合剂在5.5GPa,1550℃的条件下制备了相对密度、抗弯强度、断裂韧度分别为99.6%、661 MPa、7.19 MPa·m1/2 的PcBN复合材料。LI等[12]以聚硅氮烷和铝为结合剂,在5GPa,1450℃下制备了相对密度、维氏硬度和抗弯强度分别为99.7%、25.2GPa、602 MPa的PcBN复合材料。莫培程等[13]以Ti-Al-Si为结合剂,在5GPa,1500℃条件下原位合成了显微硬度、抗弯强度、气孔率、相对密度分别为34.58GPa、799MPa、0.21%、98.5%的PcBN复合材料。可见结合剂在合成PcBN的过程中起到降低烧结温度和压力的作用。结合剂的选择对 PcBN 的性能具有重要的影响。铝在高温高压下烧结时呈熔融的液相与cBN反应生成 AlN 和 AlB2,可加速cBN 的烧结;但是AlN和 AlB2 的强度、硬度较低,合成的PcBN 存在整体强度、硬度较低的问题。TiN具有硬度高、熔点高、耐磨损和化学稳定性好等特点,能提高PcBN 的强度和耐磨性[3,6,10]。因此,可以利用多种材料的复合优势互补,制备出性能优良的 PcBN 复合材料。RONG等[6]研究发现,加入结合剂 TiN-Al烧结得到PcBN刀具的性能比加入结合剂铝的性能好。陈超等[14]研究了切削淬火钢时cBN含量对加入 TiN-Al系结合剂烧结得到PcBN刀具磨损性能的影响,发现当cBN质量分数从70%增加到80%时,刀具的后刀面磨损宽度变化很小,刀具的磨损主要为黏结磨损和氧化磨损。为获得高强度、高耐磨性的 PcBN复合材料,作者以TiN-Al体系为结合剂在高温超高压下烧结合成PcBN复合材料,研究了结合剂中TiN与铝的配比对PcBN复合材料组织和性能的影响,以寻找出最适合切削淬火钢的TiN-Al体系的配比。
1 试样制备与试验方法
试验材料包括cBN 粉(粒径1~3μm,纯度99.9%)、TiN粉(粒径1~2μm,纯度99.5%)、铝粉(粒径1~2μm,纯度99.5%),按照表1的配方进行配料。在硬质合金球磨罐中以酒精为球磨介质研磨混料6h,球磨转速为300r·min-1,球料质量比为4∶1,然后在100℃真空干燥箱中干燥8h;将混合粉料装入直径14mm的圆柱形钼杯中,然后在冷压成型机上预压成块,放入真空炉中经过800℃处理后,装入叶腊石模具中;经旁热式组装后在铰链六面 顶压机上进行高温超高压烧结,烧结温度为1500℃,烧 结 压 力 为 5.5GPa,保 温 时 间 为10min,试样尺寸为?14mm5mm。将烧结后的PcBN试样在磨床上进行打磨处理,然后在金刚石抛光机上用粒径0.5~5μm 的金刚石研磨膏进行研磨、抛光处理。基于阿基米德原理,采用精度为0.00001g的YDK01-C型密度天平测气孔率。采用 X'pertPRO型X射线衍射仪(XRD)分析物相组成。将试样用万能材料试验机压断后,通过S-4800型场发射扫描电子显微镜(SEM)对显微组织和断口形貌进行观察。采用 VH-6型维氏显微硬度计测显微硬度,载荷为49N,保压时间为15s。按照JB/T3235-1999,采用TDHM-2型磨耗比测定仪测定PcBN复合材料的磨耗比,试样尺寸为?13mm×4mm,主轴电机功率为1.5kW,SiC 砂轮线速度为25m·s-1,主轴转速为4500r·min-1,加载压力为0.4N,加载方式为气动加载,加载时间为600s,计算SiC砂轮磨损质量损失与试样磨损质量损失之间的比率,即磨耗比,每个试样测3次取平均值。
2 试验结果与讨论
2.1 物相组成
由图1可知:PcBN 复合材料均由 BN、AlN、TiN、TiB2 和 Al2O3 共5种物相组成;随着结合剂中铝含量的增加,AlN、TiB2 和 Al2O3 衍射峰的强度升高,说明 AlN、TiB2 和 Al2O3 的含量增加,而TiN衍射峰的强度降低,这与结合剂中 TiN含量减少相吻合。在高温超高压下烧结时,熔融态铝有利于颗粒的扩散流动以及颗粒间的结合和化学反应的发生,熔融态铝与cBN 和 TiN 发生反应生成 AlN和TiB2。研究[6,8,11,15]表明,铝在较低温度下便能与cBN反应生成 AlN 和硼离子;在低温时硼离子与TiN的化学反应速率较低,随着铝含量的增加,硼离子通过液态铝的移动,更加均匀地分布在 TiN颗粒周围,生成 AlN和TiB2 颗粒,同时反应物的表面积越大,化学反应速率越大,因此铝含量的增加可使生成的TiB2 含量增多。
2.2 微观结构
在高温超高压条件下,cBN 与均匀分布在其周围的结合剂反应,生成新的物相牢固地将cBN黏结在一起。由图2可以看出:当结合剂中铝含量较少时,烧结时体系内部液相量较少,TiN为高熔点化合物,熔融性较差,颗粒扩散困难,试样的烧结性较差,内部结构相对疏松,气孔较多,cBN与结合相之间的结合力较弱;随着铝含量的增加,体系内液相含量增多,内部颗粒的扩散流动性加强,内部结构中气孔较少,致密度明显提高,此时AlN、TiB2 以及 TiN 构成的结合相分布在cBN 颗粒周围,牢固地将cBN颗粒黏结在一起,有效提高了复合材料致密性。采用 M1、M2、M3、M4配方合成PcBN复合材料的气孔率分别为1.04%,0.83%,0.40%和0.38%。随着结合剂中铝含量的增加,PcBN 复合材料的气孔率先降低后基本不变,致密程度提高。铝为低熔点金属,当烧结温度高于铝的熔点时,固态铝熔融变成液相在体系内部发生流动传质现象,并使 TiN在试样内部的孔隙中流动并填充在cBN颗粒之间,同时铝还能与cBN 发生化学反应生成 AlN 和 AlB2,从而牢固地将cBN 颗粒黏结在一起,进而提高了试样的致密性。
2.3 硬度与耐磨性能
采用 M1、M2、M3、M4配方合成PcBN 复合材料的硬度分别为33.46,35.80,32.45,31.64GPa。可见,随着铝含量的增加,PcBN 复合材料的硬度呈先升高后降低的趋势,当结合剂中铝质量分数为8%时,复合材料的硬度最高,为35.8GPa。结合剂中铝含量的增加对应着TiN含量的降低,在cBN含量相同的条件下,高硬度的 TiN含量成为影响复合材料硬度的关键因素。在cBN-TiN-Al体系中,铝与cBN发生化学反应生成新的物相 AlN 和 AlB2,这些物相虽然可提高PcBN烧结体的抗冲击性能和导热性,但其硬度比 TiN 的低,从而导致烧结体的整体硬度随着铝含量的增加而降低。当铝质量分数为4%时,烧结体内部结构疏松,气孔率较大,因此硬度较低。采用 M1、M2、M3、M4配方合成PcBN 复合材料的磨耗比分别为4700,7500,7143,5875。随着铝含量的增加,PcBN 复合材料的磨耗比先增大后降低。当结合剂中铝质量分数为8%时,PcBN复合材料的磨耗比最大,耐磨性最好,这是由于结合剂中的铝在cBN颗粒表面发生化学反应,生成新的陶瓷结合相将cBN颗粒联结在一起,复合材料具有较好的致密性,同时此时PcBN复合材料的硬度最高,因此其耐磨性最好。
3 结 论
(1)结合剂中 TiN 与铝在不同配比下合成的PcBN复合材料主要由BN、TiB2、TiN、AlN和 Al2O3相组成,随着结合剂中铝含量的增加,AlN、TiB2 和Al2O3 的含量增加,TiN 含量减少。当 TiN 与铝质量配比为21∶4时,复合材料内部结构疏松,随着结合剂中铝含量的升高,结构变得致密,气孔率降低。(2)随着结合剂中铝含量的增加,PcBN复合材料的硬度呈先升高后降低的变化趋势,当 TiN与铝质量配比为 17∶8时,复合 材 料 的 硬 度 最 高,为35.8GPa;随着铝含量的增加,PcBN 复合材料的磨耗比先增大后减小,当 TiN 与铝质量配比为17∶8时,磨耗比最大,为7500,耐磨性能最好;当结合剂中TiN与铝质量配比为17∶8时,PcBN 复合材料的综合性能最佳。
来源：材料与测试网
