Al-TiN粘結劑比例關系對PcBN燒結及性能的影響*

夏羅君, 駱 穎, 羅文來,王文龍,,何緒林,,張 喆

(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)

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Al-TiN粘結劑比例關系對PcBN燒結及性能的影響*

夏羅君1，2, 駱 穎1，2, 羅文來1，2,王文龍,1，2,何緒林,1，2,張 喆1，2

(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)

Al-TiN體系粘結劑被廣泛使用在PcBN的合成過程中，通過大量研究實驗證明發現不同配比的Al-TiN粘結劑體系對PcBN的外觀、內部缺陷的形成以及切削性能等重要方面將會產生突出的影響。通過SEM、超聲波掃描顯微鏡(C掃描)等現代化檢測手段驗證及分析了產生這些影響的原因。

Al-TiN體系粘結劑; PcBN; 切削壽命

1　引言

立方氮化硼(以下簡稱cBN)是目前世界上已知第二硬的材料，其硬度僅次于金剛石。它于1957年問世，經過不斷的發展，在上世紀70年代cBN被用來制作超硬刀具材料，應用于機械加工領域中。立方氮化硼復合片(以下簡稱PcBN)作為超硬刀具的制作原料，因其具有高硬度、高韌性、高熱穩定性和化學惰性大等優點，現今被廣泛用于制作刀具來加工各種淬火鋼、冷硬鑄鐵等材料[1]。經過40多年的發展，如今在刀具應用中，PcBN材料在加工淬硬鋼、冷硬鑄鐵方面的切削性能已經遠遠超過陶瓷材料與硬質合金材料，在高精高效加工以及環保綠色生產的大背景下逐漸發展成為一種重要的刀具制作原材料。

2　實驗思路及原料設備情況

2.1實驗思路

目前，PcBN在合成過程中常用到的粘結劑按其物理化學性質可以分為金屬粘結劑(如Ni、Co、Ti等)、陶瓷粘結劑(如TiN、TiC、Al2O3等)以及金屬陶瓷粘結劑(金屬與陶瓷的混合物)。在PcBN的合成與使用過程中粘結劑的種類和含量都對PcBN刀片的性能有不同的影響。當cBN中添加Al作為粘結劑時，Al能夠與cBN反應生成AlN，形成的AlN具有高硬度、高熱導率以及與cBN相近的熱膨脹系數等優勢[2]。并且Al、AlN和AlB2的混合物可與cBN顆粒及其他粘結劑發生反應，使cBN顆粒粘結得更牢固，因而能提高刀具的耐磨性，并且Al、AlN和AlB2的混合物還是HBN向cBN轉化的有效催化劑，可以防止cBN的逆轉化[3]。陶瓷粘結劑(如TiN)里如果加入少量的Al還可以增強cBN間的粘結，形成連續的陶瓷相，這樣合成的PcBN導電性好，適于采用低成本電火花切割[4]。這些優勢都使得Al作為粘結劑在PcBN的制備過程中越來越受到人們的關注。而另外一種粘結劑TiN具有熔點高、抗沖擊性好、與金屬潤濕小、具有較高的導電性及超導性的優點。并且它是一種相當穩定的化合物，在高溫下不與Fe、Cr、Ca、Mg等金屬反應，TiN在Co與N2氣氛下也不與酸性物質或堿性物質起反應。所以TiN是一種很不錯的高溫結構材料[5]。

在本實驗中，我們主要研究作為采用不同配比的Al-TiN體系對于PcBN整體燒結及性能的影響。通過配制不同比例的Al-TiN配方、采用相同的組裝和合成工藝，在相同的條件下進行試驗，最終通過超聲掃描顯微鏡、SEM等檢測手段分析不同配比情況下對合成出的PcBN燒結效果的影響，并且通過做切削試驗檢測對PcBN使用性能的影響。

2.2實驗原材料及設備

實驗中需要用到的原材料有：cBN微粉(3～5μm)、Al粉(2μm)、TiN粉(0.5μm)、Co粉(5μm)、葉蠟石合成塊、組裝元部件、切削試驗棒(球墨鑄鐵Φ150×325mm)等。需要用到的設備有：鉸鏈式六面頂壓機一臺(桂林冶金機械廠生產、型號CS-Ⅱ6×10000kN)、掃描電子顯微鏡一臺(簡稱SEM)(日本電子工業有限公司生產、型號JSM-IT300)、超聲波掃描顯微鏡(簡稱C-掃描)(美國西朗思科公司生產 型號D9500)、真空氣氛爐一臺、烘箱一臺、光學顯微鏡一臺、數控車床一臺(沈陽第一機床廠生產 型號CAK4085Anj)。

3　實驗步驟及內容

按照Al∶TiN配比分別為5∶1、1∶1、1∶2、1∶5、1∶10的比例以及單獨添加一組含Al量為0wt%的實驗組，共設計成六組，分別編號1組、2組、3組、4組、5組、6組(每組中除了Al∶TiN配比不同之外，其他原料粉料含量均相同)。每輪只進行兩組試驗，每輪實驗均選定其中的第4組即Al∶TiN=1∶5為參照對象組。一共完成了15輪試驗(某些組別不止做過一輪試驗)。

每輪的實驗步驟是：依次完成配料、混料、組裝等工序后，再在六面頂壓機上合成好每輪實驗的PcBN樣品，然后對PcBN樣品進行磨平面以及磨外圓的后續處理，最后用萬用電表對PcBN樣品進行導電性檢測并記錄；用C掃描進行內部缺陷檢測并記錄；用SEM進行形貌觀察并記錄。

所有檢測部分完成后，進行切削性能測試。試驗刀片采用的刀具參數：后角a。=0°，前角γo=0°，刀尖圓弧γε≤0.4，倒棱γo1= 6°，Kr=75°，Kr1=15°。在數控車床上，使用球墨鑄鐵棒作為切削工件對PcBN樣片進行切削試驗。試驗后在光學顯微鏡下進行后刀面磨損量觀察。

對比切削試驗的各組PcBN樣片試驗結果，給出各組配方PcBN樣片使用性能結論，對比各組導電性、SEM數據、C掃描數據等結果，給出各組燒結性能結論。

4　實驗結果及數據分析

4.1PcBN合成功率及導電性能結果與分析

通過調整合成功率，使得每組PcBN樣片都能夠在最佳的條件下合成，對比發現在最佳合成功率條件下的每組PcBN樣片導電性能都出現不同程度的變化，詳細情況見表1：

表1　導電性測試結果

通過分析表1數據，我們得出如下結果：

(1)一般采用電火花加工，加工中要求被加工件電阻越小越好，根據我們實驗中采用的電火花切割機加工中要求<3Ω才能正常切割，所以只有第4組PcBN樣片是符合電火花切割要求的，其余組別均不能夠達到要求。如果再考慮低成本加工，那么只有第4組能夠滿足要求，燒結性最好。

(2)第1 組剛開始合成電流猛升，說明這種配比合成情況異常，處于不能正常合成的狀態。可能與此配比中Al含量異常高，導致合成腔內溫度超出合成所能承受的極限范圍有關。除了第1組，另外5組的合成功率相對來說均比較平穩，沒有大的波動。

(3)通過觀察我們發現從第1組到第6組的導電性呈現出先從大到小，再從小到大的變化趨勢。因為Al在PcBN的合成中發生如下反應：Al+BN→AlN+B；當溫度高于1600℃時，發生反應Al+2B→AlB2[1]。由于Al已經在合成過程中轉化成了AlN和AlB ，所以在PCBN復合層中起導電作用的是金屬Co以及導電性良好的TiN。一方面由于Co在復合層中擴散均勻程度直接影響PCBN的導電性，所以從表1可以看出，第4組配方中的Co元素擴散的最好，導電性最強。另一方面隨著從第1到第6組配方中TiN含量的不斷升高，表現出導電性先增強后減弱的趨勢，說明隨著TiN含量的提升增強了PCBN的導電性，到第4組時導電性達到頂峰，但是隨后隨著Al:TiN比例的減小，過低的Al含量又導致PCBN的導電性不斷下降。

4.2PcBN內部缺陷檢測結果及分析

實驗采用超聲波掃描顯微鏡(C掃描)進行內部缺陷探傷檢測，檢測的內容包括金屬線檢測(俗稱“長線”)、復合層與基底脫離檢測(俗稱“脫層”)、復合層夾雜檢測等。檢測結果如圖1所示：

圖1　超聲波掃描顯微鏡內部探傷分析Fig.1　Internal flaw detection analysis by ultrasonic scanning microscope

從對圖1的分析我們可以得出以下結果：

(1)無論含鋁量在什么范圍，所有組別均沒有發生脫層缺陷,說明這些配方在燒結過程中復合層與合金層結合緊密，燒結得比較均勻，不會因為熱膨脹系數的不同而產生脫層[6]。

(2)第3組配方復合片采用多種燒結溫度范圍，但是長線缺陷都在50%左右，均不能避免長線的產生。這說明這種配方能適應的燒結溫度范圍非常窄，多種溫度范圍都無法滿足復合片的燒結， 燒結溫度過高而出現合金中Co元素滲透進復合層而產生聚集，繼而在復合層表面形成金屬線[7]。 除了第3組配方外其余組均沒有出現長線缺陷，說明其余組采用的燒結溫度都沒有過燒現象，在一定溫度范圍內不會存在“長線”的風險。

(3)綜上所述：第3組配方“長線”太嚴重是無法正常燒結的， 1組、2組、4組、5組以及6組配方沒有出現“長線”以及“脫層”，能夠滿足燒結要求。

4.3PcBN掃描電鏡檢測結果及分析

SEM檢測結果如圖2所示：

從對圖2的分析可以得出以下結果：

圖2　SEM顯微結構分析Fig.2　Microstructure analysis by SEM

(1)第1、2、3、5、6組配方的白色顆粒(就是粘結劑)分布很不均勻，沒有擴散開，出現團聚現象。這說明這些組別的Al∶TiN比例不合適，造成PcBN在燒結過程中粘結劑不能充分均勻地擴散。我們知道，PcBN的導電主要靠復合層的粘結劑進行，所以粘結劑擴散不均勻必將導致PcBN的導電性較差，這也正好說明了前面導電性檢測中第1、2、3、5、6組的導電性較差現象產生的原因。

(2)第4組配方的白色顆粒(粘結劑)擴散很均勻，暗黑色顆粒(cBN粉料)分布也很均勻。這一方面證實了第4組配方燒結之后粘結劑與cBN粉料燒結擴散非常均勻，那么就意味著Co的擴散以及TiN在其中分布的也很均勻，從而在另一方面也提供了導電性檢測中為何第4組導電性良好的原由。

(4)綜合說明第4組Al-TiN體系粘結劑是所有實驗組中燒結性能最好的一個。

4.4切削試驗記錄與分析

我們的參照對象1#片的切削對象主要是鑄鐵(其中包含有球鐵與灰鐵)以及高溫合金。表2是我們進行切削試驗的加工參數，圖3是切削壽命情況匯總圖。

表2　切削試驗參數

圖3　切削壽命對比分析Fig.3　Contrastive analysis of service life

從圖3可以分析得出：

(1)通過圖3兩輪測試的后刀面磨損量看出，第1、2、3、4、5、6組比參照對象1#片壽命均要差些，但是第4組壽命最接近我們的參照對象，其他的組別壽命比參照對象要差很多。這說明第4組的切削壽命在所有試驗片中是最長的，也是最接近我們的參照對象1#片的性能的。

(2)PcBN在切削時主要是硬質相cBN在起作用，我們的粘結劑成分Al及TiN在燒結過程中通過一系列復雜反應最后生成一個整體粘結相，這個粘結相能夠很好地將cBN顆粒包裹在一起，使得整個PcBN燒結體發揮高硬度、高耐磨性、耐高溫性等優勢進行切削加工。第4組配方中Al∶TiN=1∶5擁有高含量的TiN，由于TiN能夠和cBN結合成鍵，并且通過一系列復雜反應含TiN比例高的粘結劑體系能夠使PcBN燒結得更致密，能夠提高粘結相對cBN的整體把持力，配合cBN最終形成高硬度、高耐磨性的PcBN燒結體。從而第4組配方的后刀面磨損量較小，而TiN含量低的粘結劑體系后刀面磨損量較大。但是Al-TiN體系中TiN比例過高，將會在提高TiN與cBN結合成鍵能力的同時，降低PcBN的抗破損能力，所以在Al-TiN體系中TiN含量過高或過低都不利于PcBN切削壽命的提高。

5　結論

(1)Al∶TiN的比例不同會導致合成過程中粘結劑的擴散程度不同，通過實驗發現Al∶TiN=1∶5時粘結劑擴散效果最好。Al-TiN粘結劑配方體系中粘結劑的擴散均勻化程度將會影響PcBN的導電性，粘結劑擴散得越均勻導電性越好，導電性好帶來的好處是線切割可加工性的提高。

(2)Al-TiN粘結劑體系復合片合成后的內部缺陷均較少，不過Al∶TiN=1∶2這個體系內部缺陷較多要引起注意，具體原因還有待進一步分析。

(3)Al∶TiN=1∶5時合成的PcBN切削性能最好，此時的復合片最能發揮穩定高效的切削性能。

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Influence of Al-TiN Adhesive Ratio on the Sintering and the Performance of PcBN

XIA Luo-jun, LUO Ying, LUO Wen-lai, WANG Wen-long, HE Xu-lin, ZHANG Zhe

(1.ChinaNonferrousMetal(Guilin)GeologyandMiningCo.，Ltd,Guilin,Guangxi,China541004;2.GuilinTebonSuperhardMaterialCo.，Ltd，Guilin,Guangxi,China541004)

Al-TiN sytem adhesive has been widely used in the synthetic process of PcBN. It is proved by a plenty of research experiments that different ratio of Al-TiN adhesive will have significant influence on main aspects of PcBN such as the appearance, the formation of internal defect and cutting performance. The cause of the influence has been verified and analyzed through modern testing methods such as SEM and ultrasonic scanning microscope.

Al-TiN sytem adhesive; PcBN; service life

2016-05-12

夏羅君(1990-)，男，湖南攸縣人，助理工程師，2013年畢業于南華大學機械設計制造及其自動化專業，獲學士學位，現主要從事超硬材料的合成與研究。

TQ164

A

1673-1433(2016)04-0006-05

引文格式：夏羅君, 駱 穎, 羅文來,等.Al-TiN粘結劑比例關系對PcBN燒結及性能的影響[J].超硬材料工程，2016，28(4)：6-10.