Co對PcBN復合片的燒結及性能的影響①

王文龍，謝志剛，何緒林，張延軍，李立惟，朱旭

（1.桂林電子科技大學，廣西桂林541004；2.桂林礦產地質研究院，廣西桂林541004）

Co對PcBN復合片的燒結及性能的影響①

王文龍1，2，謝志剛1，2，何緒林2，張延軍2，李立惟2，朱旭2

（1.桂林電子科技大學，廣西桂林541004；2.桂林礦產地質研究院，廣西桂林541004）

Co是PcBN常用的金屬粘接劑，而PcBN的可燒結性，抗彎強度和壽命是PcBN很重要的性能，文章通過實驗研究發現，Co能降低PcBN的合成功率，提高PcBN的燒結性能，能提高PcBN的抗彎強度，但也能降低PcBN的抗高溫性和耐磨性。

Co；PcBN；燒結性；抗彎強度；壽命

1 引言

立方氮化硼硬度僅次于人造金剛石，是世界上第二堅硬的材料，它擁有極高的熱穩定性和化學惰性，這是金剛石無法比擬的優勢。聚晶立方氮化硼（PcBN）復合材料由微米尺寸cBN（立方氮化硼）粉末與各種陶瓷或金屬材料共同燒結而成，它是一種極其堅硬和熱穩定極高的工具材料。聚晶立方氮化硼復合材料具有極強的抗變形和高溫耐磨性，通常比最接近的陶瓷材料高出一個數量級［1］［4］［8］。

經過近半個世紀的發展，國外對PcBN刀具的研究已基本進入成熟階段，產品也向多樣化、系列化方向發展。我國也有不少單位和學者從事PcBN刀具的開發和研究，但與國外相比，無論是在PcBN材料的合成還是刀具切削性能的研究方面都有所滯后。影響PcBN刀具性能的因素很多，其加工的針對性也很強，不同的加工材料會使PcBN刀具的磨損機制不一樣，這些因素導致PcBN刀具的技術難度很大。但PcBN刀具是21世紀難加工材料最有力的競爭刀具之一，具有廣闊的前景和市場，值得我們繼續研究，奮起直追［2］［5］［8］。

2 實驗思路及原材料，設備

2.1 實驗目的

由于PcBN刀具在加工不同材料時其磨損機制不同，不同含量的PcBN復合片性能側重點也不一樣，所以PcBN加工的針對性很強［5］。目前，國際上大致將PcBN分為高含量PcBN（cBN80wt%～95wt%）和低含量PcBN（40wt%～80wt%）兩種，高含量PcBN主要用于加工鑄鐵，低含量PcBN用于加工淬火鋼。這是因為鑄鐵硬度低（灰鑄鐵HB120－200，球墨鑄鐵HB130－360），加工時刀具溫度較低，且鑄鐵合金元素少，加工時化學腐蝕弱，其磨損機理主要是機械磨損，因此要選擇耐磨性好抗機械磨損能力強的高含量PcBN進行加工。而淬火鋼硬度高（HRC55－65），加工時刀具溫度高，且合金元素多，加工時化學腐蝕嚴重，所以磨損機理主要是氧化磨損和化學磨損，因此加工時要選擇抗化學腐蝕性強和抗高溫性好的低含量PcBN［3－5］。Co作為金屬粘接劑能提高PcBN復合片的導電性、強度和可燒結性，但也會降低其抗高溫性和耐磨性。所以本文將從高低含量兩種PcBN復合片來客觀全面地論證Co對PcBN復合片性能的影響。

2.2 實驗原材料及設備

本次實驗使用的原材料有：YG8硬質合金片，cBN（0－3，3－5，5－7，10－14μm），Al（平均粒度2.0μm），Ti N（平均粒度2.0μm），Co（325目），Φ100＊330的GCr15棒材，Φ150＊330的灰鑄鐵棒材。使用的設備有鉸鏈式六面頂壓機，平面磨床，數控車床，刀具磨床，線切割，無心外圓磨床，高頻焊機，萬用表，萬用壓機，掃描電子顯微鏡（SEM），能譜儀（EDS），超聲波掃描顯微鏡（C－SAM）。

3 實驗步驟及內容

在cBN高含量區選擇cBN的含量A樣品作為高含量復合片的代表，在cBN低含量區選擇cBN的含量B樣品作為低含量復合片的代表。再將每類復合片分為Co含量0wt%，2wt%，4wt%，6wt%共八種復合片在鉸鏈式六面頂壓機上合成，記錄其正常燒結時的合成功率（時間、壓力恒定）檢測其燒結性能。

將合成好的復合片磨去表面的金屬杯，用萬用表測量其電阻，檢測其可加工性。

將磨好的，選取表面無長斑、長線、裂紋的完整片拋光，表面用酒精清洗干凈，利用能譜儀（EDS）對其進行成分分析；然后利用超聲波掃描顯微鏡（CSAM）對其內部縱向結構進行分析。

將PcBN復合片磨去硬質合金襯底，做成Φ10＊4的圓片在萬用壓機上測量其抗彎強度。

利用線切割將復合片切成等腰直角三角形刀頭，通過高頻焊機將刀頭焊接在鋼制基體上，在臺灣遠山刀具磨床上磨成刀具。刀具參數：后角a。＝0o，前角角γo＝0o，刀尖圓弧γε≤0.4，倒棱γo1＝6o，Kr＝75o，Kr1＝15o。

將做好的刀具在數控車床上做切削實驗，其中高含量切灰鑄鐵，低含量切削GCr15，檢測其切削里程與后刀面磨損的關系，并在掃描電鏡下觀察其后刀面磨損情況。

4 實驗結果及分析討論

4.1 燒結功率及電阻的數據及數據分析

對每種復合片的每種性能測五個數據取平均值，記錄入表，其實驗數據如下：燒結功率反映PcBN復合片的可燒結性和生產中的能量損耗，高含量PcBN由于cBN含量高，可燒結性和導電性較差，燒結較困難，需要更高的燒結功率，因此可燒結性和電阻是兩個衡量高含量PcBN復合片性能很重要的指標，而低含量PcBN復合片由于粘接劑含量較高，其可燒結性和導電性都比較好。Co對不同種類PcBN復合片的燒結功率和電阻的影響結果如表1表2：

表1 高含量PcBN A的燒結功率及電阻Table 1 The sintering power and the resistance of high content PcBN（A）

表2 低含量PcBN B的燒結功率及電阻：Table 2 The sintering power and the resistance of low content PcBN（B）

通過上述兩組實驗對比分析我們發現如下實驗結果：

（1）由表1可知Co可以大大降低高含量PcBN的燒結功率，因此可以降低電能損耗，同時Co可以降低高含量復合片的電阻，使其能用線切割加工，提高其可加工性。

（2）由表2可知Co對低含量PcBN復合片的燒結功率和復合片電阻影響不大。

其原因是因為高含量復合片由于cBN含量很高，導致其可燒結性和導電性較差，而Co作為金屬熔點較低，導電性極好，且能跟其他粘接劑反應生成固溶體，因此在高含量復合片中添加少量Co能有效地提高其燒結性和可加工性。而低含量復合片由于cBN含量低，Al、Ti N粘接劑的含量很高，因此其導電性和燒結性能都較好，所以添加Co對低含量PcBN復合片的燒結性和可加工性影響不大。

4.2 實驗片的成分和內部結構分析

物質的成分和組織結構決定物質的性能，因此研究PcBN復合片的成分和內部結構是研究PcBN很重要的一種手段，本次實驗利用能譜儀（EDS）對PcBN復合片進行成分分析；然后利用超聲波掃描顯微鏡（C－SAM）對其內部縱向結構進行分析。其檢測結果如下。

表3 A中W，Co含量Table 3 The content of W and Co in A

表4 B中W，Co含量Table 4 The content of W and Co in B

圖1 C-SAM檢測A的剖面圖Fig.1 A cross-sectional view of C-SAM detection

圖2 C-SAM檢測低含量PcBN剖面圖Fig.2 B cross-sectional view of C-SAM detection

通過表3和表4可以發現測量的Co含量比添加值高，且檢測出了配方中沒有添加的W。這是因為硬質合金中的W、Co滲透到cBN層的緣故，導致cBN層W、Co含量增加。PcBN在高溫高壓作用下燒結時，硬質合金片和cBN界面處的硬質合金熔化，熔融的WC－Co共晶體由于表面張力的作用而滲入cBN層［12］。從表3和表4可以發現，確實有一定量的W、Co從硬質合金基體滲入cBN層中cBN晶粒形成的孔隙中，但由表4發現當W滲透一定量時，Co卻還未開始滲透，所以本文實驗中的Co并不是以WC－Co共晶體的形式滲透，可能是合成工藝不同導致其W、Co的滲透方式不同。對比表3表4可發現：高含量復合片中硬質合金滲透的W、Co量大于低含量復合片。這是因為合成高含量復合片的功率比低含量復合片高出400～800W，溫度越高，粒子擴散越劇烈，因此高含量復合片硬質合金層的W、Co滲透到cBN層的量大于低含量復合片。

分析圖1、圖2可發現，PcBN并不是簡單地由cBN層和硬質合金層兩層粘接到一起，而是兩者之間互相滲透形成一個過渡層，通過過渡層將cBN層和硬質合金連接為一個整體。而且觀察高含量復合片中心的剖面可發現，如果溫度足夠高，整個cBN都將變成滲透層。顯然這種過渡層連接為一個整體的強度要高于普通地粘接到一起。該剖面圖也很好地證明了硬質合金中的W、Co是如何滲透到cBN層的，與能譜儀分析結果相吻合。

4.3 抗彎強度測試數據及數據分析

抗彎強度測試通常采用三點彎曲法，按下式進行計算：

其中D為樣品抗彎強度；P為樣品斷裂時的負荷；L為抗彎專用卡具的跨度；R為樣品的半徑；S為樣品的厚度。習慣上適合上式的待測物應是平面矩形，但由于多晶立方氮化硼生產尺寸的限制，難以做成傳統測試所需要的彎曲柱形或者矩形長條。為此，根據Robert s證實了的采用圓片狀待測物取代方形具有可行性的原理。對本次試驗制成的樣品在室溫下，跨度L＝7mm、壓輥直徑為5 1.5mm、施力速度V＝0.5mm／min的情況下在萬能實驗機上對5種樣品進行TRS測試［9］，按公式（1）計算出TRS，結果如表5所示。

表5 不同Co添加量PcBN復合片的抗彎強度值Table 5 The bending strength of PcBN composite with different Co content

綜合表3、4、5可知，Co作為金屬粘接劑能促進PcBN的燒結，與cBN顆粒和其他粘接劑形成固溶體，提高其燒結強度［5］［6］［7］，在一定的范圍內，PcBN復合片的抗彎強度隨著Co含量的增加而提高，所以，同一配方體系中，由于高含量PcBN復合片中Co的滲透量大于低含量PcBN復合片，其抗彎強度比低含量PcBN復合片高。當Co的量達到一定值時PcBN的強度不再增加，甚至出現下降的情況，這是因為當Co的量達到一定值得時候，其促進燒結的作用已達到峰值，而隨著Co含量的增加PcBN中cBN－cBN強鍵的比例會隨之下降，當超過一定值時，燒結強度不再提高，而cBN－cBN鍵比例的下降導致PcBN強度下降。

但根據EDS定性不定量的原則，無法確定該點的準確值。

4.3 切削壽命的數據及數據分析

切削壽命最能客觀直接地反應PcBN刀具的壽命，本次實驗的加工對象和參數及實驗結果如圖3－圖6所示：

由圖3可知，在切削同樣里程的灰鑄鐵時隨著Co含量的增加，高含量PcBN復合片后刀面磨損量會有少量增加，但其變化并不明顯，這是因為高含量PcBN加工鑄鐵主要是機械磨損；Co作為金屬粘接劑雖然會降低PcBN的耐磨性增加其機械磨損量，但也能增加其燒結強度減少非正常磨損（如剝落和崩刃）和微解裂磨損，因此在高含量PcBN復合片加工鑄鐵時，Co對其壽命的影響不是很顯著。

由圖4可知，隨著Co含量的增加，切削GCr15（HRC60－63）同樣的里程，低含量PcBN刀具后刀面的磨損量逐漸增大，由圖6可知磨損面隨著Co含量增加粗糙度也增大，這是因為低含量PcBN復合片刀具加工的淬火鋼硬度很高（HRC60－63），該加工條件下刀具溫度可到680oC以上［11］，因此其抗高溫性顯得尤為重要，而Co作為金屬粘接劑不僅會降低PcBN的耐磨性增大其機械磨損量，還會大大降低PcBN的抗高溫性能，大大增加其化學磨損和氧化磨損，所以隨著Co含量的增加，低含量PcBN刀具的壽命會顯著降低，其磨損面粗糙度也會增加。

圖3 高含量PcBN刀具切削灰鑄鐵（HB120－140）后刀面磨損：Fig.3 Flank wear of high content PcBN tool after cutting gray cast iron（HB120-140）

圖4 低含量PcBN刀具切削GCr15（HRC60－62）后刀面磨損Fig.4 Flank wear of low content PcBN tool after cutting GCr15（HRC60-62）

圖5 不同Co含量PcBN復合片（A）切削灰鑄鐵的后刀面磨損Fig.5 Flank wear of PcBN compacts with different Co content after cutting gray cast iron（a：Co0%，b：2%，c：4%，d：6%）

圖6 不同Co含量PcBN復合片切削B GCr15的后刀面磨損Fig.6 Flank wear of PcBN compacts with different Co content after cutting GCr15（a：Co0%，b：2%，c：4%，d：6%）

5 結論

（1）YG8硬質合金中的W、Co會滲透到cBN層中，導致PcBN中的W、Co含量會大大高于添加量；且W滲透的臨界溫度低，Co滲透的臨界溫度高，其滲透量隨燒結功率的增大而增大。但硬質合金中的W、Co以何種形式滲透還有待研究。

（2）PcBN復合片中添加和滲透的Co能增加其可燒結性，導電性和強度，但會大大降低PcBN復合片的耐磨性和抗高溫性，進而增加其機械磨損量、化學磨損量和氧化磨損量，需嚴格控制Co的滲透。

（3）高含量PcBN復合片中可添加少量Co以提高其燒結性，導電性和強度，低含量PcBN復合片為保證其抗高溫性不宜添加Co。

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Influences of the cobalt on sintering and properties of PcBN composite

WANG Wen-long1，2，XIE Zhi-gang1，2，HE Xu-lin2，ZHANG Yan-jun2，LI Li-wei2，ZHU Xu2
（1.Guilin University of Electronic Technology，Guilin541004，China；2.China Nonferrous Metal（Guilin）Geology and Mining Co.，Ltd.，Guilin541004，China）

The cobalt is commonly used as metal bond of PcBN，while the sintering ability，bending strength and lifetime are very important performances of the PcBN.This paper studies the impact of different Co content on the performances of high and low content PcBN composite.

Co；polycrystalline cubic boron nitride compacts；sintering ability；bending strength；lifetime.

TQ164

A

1673－1433（2013）02－0016－06

2013－03－25

王文龍（1987－）男，在讀碩士研究生。主要從事高性能PcBN復合片的研究和開發。E-mail：290349290＠qq.com。