合成壓力對PcBN復合片的質量影響研究

何緒林，王文龍，夏羅君，張喆，羅文來

(1.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司，廣西桂林 541004; 2.桂林特邦新材料有限公司，廣西桂林 541004; 3.廣西超硬材料重點實驗室，廣西桂林 541004)

合成壓力對PcBN復合片的質量影響研究

何緒林，王文龍，夏羅君，張喆，羅文來

(1.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司，廣西桂林 541004; 2.桂林特邦新材料有限公司，廣西桂林 541004; 3.廣西超硬材料重點實驗室，廣西桂林 541004)

PcBN復合片脫層等問題是合成過程中的常見問題，文章采用C掃描設備對復合片脫層的過程進行了研究。雖然影響復合片質量的因素很多，但復合片脫層會導致復合片性能下降，文章主要比較了不同合成壓力對PcBN復合片質量——特別是內部結合質量的影響。對復合片脫層的原因進行了分析，認為實質上是不同材質結合后存在殘余應力，釋放的應力過大會導致脫層現象，匹配好工藝壓力利于復合片質量穩定，對復合片生產有一定指導意義。

PcBN;脫層;壓力;質量

立方氮化硼復合片(PcBN)作為高速切削、高效高精加工的超硬刀具材料，其以車代磨、干式切削的特點，符合節能環保的大趨勢，因此我國加快發展PcBN刀具材料意義大，發達國家使用超硬刀具(PCD、PcBN等)的比例高于30%［1］，而我國卻低于10%。工欲善其事，必先利其器，我國進入工業4.0，要從工業大國變為工業強國，刀具材料的發展需要先行，PcBN刀具材料質量的影響因素多，原材料、檢測、設備、工藝控制等，從腔體壓力來看，國外兩面頂合成體系腔體內壓7～9GPa，國內六面頂合成體系腔體內壓5～7GPa，本文重點以壓力差異作為研究的方向。現將部分工作小結與同行分享，不足之處望多指正。

1 試驗條件

主要設備包括:Φ560缸徑六面頂壓機合成設備、真空處理設備、數控車床刀具性能檢測設備、C掃描刀具材料評測設備、刀具磨床做刀設備。主要原材料包括:cBN微粉、硬質合金、葉蠟石、堵頭、鈦片、鉬杯、碳鹽罐。

2 試驗內容

將cBN及粘結劑粉料［3］混合均勻，用真空機組將粉料活化處理，采用金屬鉬杯裝入粉料，再裝入碳鹽管、葉蠟石塊中，復合片組裝示意見圖1。

圖1 復合片組裝示意圖Fig.1 compact assembly diagram

合成試驗以合成壓力為變量，其它條件控制不變，研究復合片內在結合質量、外觀質量。表1為合成壓力實驗的工藝參數，壓力用P表示，功率用W表示，合成時間用T表示，壓力試驗600片，生產驗證數量1000片，結果介紹在表2中。

3 實驗數據及分析

3.1 壓力對復合片外觀缺陷質量的影響

表1壓力范圍內，合成的復合片沒有發現長斑和裂紋等外觀缺陷，壓力、功率及時間在工藝范圍內，合成壓力的變化對復合片外觀長斑、裂紋沒有明顯影響，當壓力在P+7以下時，都沒有長金剛石，而在合成壓力達到P+8～P+9時出現有些復合片長金剛石現象，隨著壓力增加復合片長金剛石幾率增加，合成壓力對復合片長金剛石有明顯影響，合成腔中有鈷、石墨，當進入金剛石生長區，合成腔就會長金剛石，導致復合片變脆進而品質下降，因此需匹配工藝參數避免金剛石生長。

3.2 壓力變化與復合片脫層(內在復合質量)的關系

3.2.1 PcBN復合片脫層現象的產生過程

對不同壓力下合成的復合片進行檢測，采用超聲波C掃描設備，檢測復合片cBN層與合金層的結合界面，發現壓力低的復合片較容易產生界面脫層現象，并且工藝壓力越低，復合片脫層越多，經放置時間越長，脫層的復合片區域及比例越大。研究發現脫層過程在一定時間范圍內脫層區域是會變化的，脫層是從無到有、脫層區域從小到大，直到穩定。復合片脫層是一個漸變的過程，以P+2MPa壓力合成的復合片進行說明，參見圖2。初始狀態該復合片沒有脫層，經不同的放置時間(一周到五周)，該復合片脫層，經過五周趨于穩定。圖2選擇的復合片壓力點相對低，表1、圖2中表明較低壓力合成的復合片隨時間變化產生脫層缺陷的情況:初始狀況7天內均無脫層，見圖2-a，經過14天到圖2-b有明顯的脫層，經過21天到圖2-c脫層增大增多，屬非穩定狀況;經35天到圖2-d脫層增大增多，趨于穩定。圖3對應壓力高(P+9MPa)的復合片經35天均未發現脫層現象，見圖3的e、f、g、h。其它壓力下復合片脫層的過程是相同的不多展示。

圖2 壓力P+2MPa復合片內部缺陷脫層變化過程圖Fig.2 change process of the internal defect delamination of compact under pressure of P+2 mpa

圖3 壓力P+9MPa復合片內部質量圖Fig.3 internal quality of compact under pressure of P+9 mpa

3.2.2 PcBN復合片脫層概率與壓力變化、復合片放置時間變化的研究:

對不同工藝壓力合成的復合片分期掃描觀察，起初經C掃描檢測無脫層的復合片，放置一段時間后再進行C掃描，發現有一些復合片出現脫層，放置時間不同，出現脫層的幾率有差異，因此除了壓力變化是脫層現象的主要因素外，放置時間也是一個影響因素，對此展開實驗研究，表1說明了不同壓力下，由于放置時間不同，對應復合片脫層的比例變化，脫層比例指脫層復合片數與總數的比值。

表1 復合片內部缺陷檢測表——復合片脫層情況與壓力變化表Table 1 compact internal defect detection table-compact delamination and pressure change table

總體趨勢是合成壓力相對較高的復合片脫層現象減少，復合片放置時間5周脫層現象的比例趨于穩定。結合圖表說明，從表1和圖2可知，合成后一個星期內檢測各壓力點均未發現脫層，兩個星期后P+1和P+2MPa兩個較低壓力點的復合片開始脫層，三個星期后P+1到P+5五個較低壓力點的復合片均出現脫層，而P+7～P+9一直未出現脫層。統計數據表明，P+4MPa壓力點復合片脫層比例為15%～20%，實驗及后期生產可參見表2，趨勢明顯，即壓力越低脫層比例越高。且由表1可知，脫層比例35天后趨于穩定，分析為其內應力釋放要35天左右，應力計算模型見后文。壓力的增高，cBN層與硬質合金基體的結合強度逐漸增大，當結合強度大于內應力時脫層是不會產生的，應力存在但不會出現脫層的現象。對應合成試驗說明，壓力大于P+5MPa時，復合片結合強度明顯增強，脫層比例大大下降甚至沒有脫層，批量生產復合片的合成壓力優選是在工藝壓力P+7附近，避開復合片長金剛石、脫層等缺陷，即總缺陷率最低，成品率最高。參見圖4。

3.2.3 優選合成壓力批量驗證

圖4 根據工藝試驗優選工藝壓力參數在P+7Fig.4 the optimized pressure parameters according to the process test is P+7

PcBN復合片的穩定性一直是影響國內復合片產品競爭力的重要因素，對復合片質量穩定的影響，材料、設備、工藝都有作用，工藝壓力與材料及配方的匹配很重要。優選復合片合成壓力后，我們進行了批量生產進行驗證，證實了工藝壓力的匹配可較好地控制復合片脫層現象。表2為壓力試驗階段及后期批量生產復合片脫層比例。表中數據顯示，合成壓力在相對較高區域，復合片質量可得到較好控制，但脫層現象仍未能完全消除，還有少量復合片脫層，這與其它因素未能全部控制有關。

表2 較高壓力與較低壓力合成脫層比例表Table 2 ratio of delamination under high pressure and low pressure synthesis

3.2.4 工藝匹配壓力的穩定與復合片質量穩定的關系

物相均質是復合片質量穩定的關鍵。而復合片質量穩定性包括:每片復合片切分成N個切削刀粒之間的穩定性(大直徑復合片每片可切成幾百上千個刀粒)，同一批復合片之間的質量穩定，以及不同批次復合片之間的質量穩定。物相穩定決定復合片質量的穩定性，初始物相相同，工藝控制相同，自然科學的結果會導致相同的物相，相同的性能。因此，最終的物相是否相同是復合片質量穩定的關鍵［5］。復合片合成過程物相相互擴散，主要以硬質合金中的鈷擴散到cBN層為主，其它物相互有擴散量較小，因此鈷擴散鈷含量［6］最大，而鈷的熱膨脹系數與cBN相差最大，鈷是軟質材料，擴散過多不利于刀具切削，因此鈷對復合片質量穩定影響最大。壓力P+7(M)合成的復合片，檢測其物相，每片從圓心到外徑選5個點測量，取平均值，鈷含量見表3，表中鈷含量最大值wt7.77%與最小值wt6.23%，由于復合片電鏡檢測實質上以定性為主，非準確定量的檢測，wt7.77%、wt6.23%的差別在檢測的誤差范圍，即相差很小，可視作相同物相(在同一點檢測也會有6%的誤差)，對應的檢測復合片切削壽命之間相差6.6%，即刀具壽命相對穩定，從而印證物相相同性能相同，性能穩定。取一個有代表性的掃描電鏡圖(圖5)。

表3 壓力P+7合成復合片各點鈷含量Table 3 cobalt content of of different spots of compact synthesized under pressure of P+7

工藝參數不同時，或材料、配方變化，檢驗的物相會有較大的差異，檢測出的物相也會有很大的差別，產品加工性能相差較多，會造成復合片質量的不穩定，這是國產復合片要重視的地方。

圖5 壓力P+7合成復合片圖譜線、原子百分比Fig.5 the atlas and atomic percentage of compact synthesized under pressure of P+7

4 復合片脫層的原因分析:

復合片結合界面及機理［7］，簡言之是物質相互擴散達到材料復合，界面脫層主要與復合片合成后殘余熱應力有關，cBN與硬質合金的復合在高溫高壓條件下，設合成溫度為T0，在該溫度下陶瓷層(即cBN層，由于還有其它組分稱為陶瓷層)與硬質合金處于自由應力狀態，合成后復合片處于常溫常壓，合成后的溫度為T1——復合前后存在的狀態不同，溫度由T0下降到T1，變化量ΔT=T1－T0，cBN與硬質合金兩種材料的熱膨脹系數不同，因此這兩種不同狀態會導致復合材料產生內應力。cBN等材料合成過程是粉料變成密實的cBN層的過程，產生收縮，合成的過程cBN層會對合金產生較大的拉應力，合成后復合片應力釋放的方向，是硬質合金回復原形的方向，是導致復合片脫層的應力。其中應力與物相配方等有關。見圖6復合片應力分析。圖6中，陶瓷和硬質合金的厚度及彈性模量分別為t1、t2和E1、E2，線熱膨脹系數分別為T1、T2。陶瓷層受到的最大總拉力為F1［8］

圖6 復合片殘余熱應力分析圖Fig.6 analysis diagram of residual thermal stress of the compact

最大拉應力公式:

以上公式看出，對殘余應力影響最大的是應力松弛溫度與常溫的差值及兩種材料熱膨脹系數差值，二者均與殘余應力成正比，陶瓷層和硬質合金層的厚度對殘余應力也有一定影響。由于各種陶瓷和硬質合金的應力松弛溫度基本相同，對殘余應力起決定因素的是二者的熱膨脹系數差值。二者的熱膨脹系數差較小時，殘余應力小，復合片結合強度高，不會出現脫層現象，最大拉應力超過復合片的結合力時，復合片出現脫層現象，脫層現象持續到復合片的結合力與殘余拉應力力平衡后穩定。而合成壓力不同對復合片質量(脫層)的影響，有兩方面的因素:一是壓力影響復合片的物相擴散濃度、物相分布，復合片各區域物相分布不同的結果就造成復合片局部熱膨脹系數差異，這個差異就導致殘余應力。二是壓力影響復合片的結合強度，結合強度高，復合片殘余應力小于結合力，復合片就不會出現脫層，而復合片殘余應力的產生有時效的特點，通過試驗、工藝控制是復合片質量穩定的有效手段。

5 結 論

(1)在合成范圍內，合成壓力較低時，復合片因內應力釋放產生脫層，壓力越低脫層比例越大。

(2)復合片應力釋放有一定時效性，時效周期內時間越長脫層越多，應力平衡后趨于穩定。

(3)復合片在較高壓力合成時，合成腔體內元素擴散較均勻，物相均質，利于復合片質量控制。

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Study of the Influence of Synthetic Pressure on the Quality of PcBN Compact

HE Xu-lin，WANG Wen-long，XIA Luo-jun，ZHANG Zhe，LUO Wen-lai
(1.China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.，Ltd，Guilin，China 541004; 2.Guilin Tebon Superhard Material Co.，Ltd.，Guilin，Guangxi，China 541004; 3.Guangxi Key Laboratory of Superhard Materials，Guilin，China 541004)

Delamination is one of the common problems in the process of synthesis for PcBN compact.The process of delamination of PcBN compact has been studied through C scan equipment.While many factors can affect the quality of the compact，delamination may lead to a decline in the performance of the compact.The influence of different synthetic pressure on the quality of PcBN compact，especially the internal bond quality，has been studied in this article.Based on the analysis of the cause of the delamination，it is believed that the real cause of it is the residual stress generated after the bond of different type of materials，the release of the stress leads to the delamination.Application of appropriate process pressure will help to stablize the quality and has a certain instructive significance to the production of the PcBN compact.

PcBN;delamination;pressure;quality

TQ164

A

1673－1433(2016)06－0024－06

2016－08－20

桂工信投資［2016］258號

何緒林(1971－)，1993畢業于中南大學，一直從事超硬材料合成、設備腔體大型化的研究。E-mail:52314535@qq.com。

何緒林，王文龍，夏羅君，等.合成壓力對復合片的質量影響研究［J］.超硬材料工程，2016，28(6):24-29.