燒結溫度對整體PcBN材料性能的影響及作用機理

鄧雯麗,徐智豪,席沛饒,張鵬,楊雪峰,2,鄧福銘,2,馬向東

燒結溫度對整體PcBN材料性能的影響及作用機理

鄧雯麗1,徐智豪1,席沛饒1,張鵬1,楊雪峰1,2,鄧福銘1,2,馬向東1

(1.中國礦業大學(北京)超硬刀具材料研究所,北京 100083; 2.焦作天寶桓祥機械科技有限公司,河南焦作 454003)

實驗采用粒度為W10的cBN微粉在國產六面頂壓機上進行高壓燒結,通過對樣品磨耗比、顯微硬度的測試與分析,獲得了合成整體PcBN材料較優的燒結工藝參數：燒結壓力為5.4GPa,燒結溫度為1500℃,燒結時間為240s,其顯微硬度為HV3897、磨耗比為8750；結合SEM、TEM、EDS、XRD對整體PcBN燒結樣品的微觀形貌、元素分布及物相組成進行分析。結果表明,整體PcBN材料高壓燒結聚結機理為cBN顆粒的高壓破碎及塑性變形,是cBN-cBN直接結合和cBN顆粒表面與粘結相的冶金反應形成的cBN-M-cBN中介結合,同時得出粘結劑反應生成了固結性能良好的Al N和硬度與韌性較高的AlB2,提高了粘結相的硬度和韌性。

整體聚晶立方氮化硼燒結體；耐磨性；聚結機理；淬硬鋼；灰鑄鐵

1 引言

聚晶立方氮化硼(PcBN)是一種硬度僅次于金剛石的人工合成超硬聚結體材料[1]。PcBN具有一系列獨特的性能,如高的抗氧化性、良好的熱傳導性、以及對鐵族元素高的化學惰性,在機加工中被廣泛用來加工淬硬鋼、耐磨鑄鐵和抗磨粉末冶金零件等難加工材料[2-5]。劉書峰等[6]指出,整體PcBN不但能夠滿足大切深的要求,并且可進行斷續加工,在遇到夾砂和白口時不易崩刃,特別適合半粗加工和精加工,對吃刀深度沒有太大的要求,在理論上可以吃滿整個刀片[7],但我國整體PcBN刀具的性能還不能完全滿足或達到以上切削技術的要求。國產整體PcBN刀具材料一般都存在硬度高而韌性差的問題,尤其是高溫抗沖擊韌性差,易出現崩刃、破損等現象,使得刀具的加工速度與國外相比相對較低,嚴重降低了其加工效率和加工質量。此外,我國整體PcBN刀具在性能上也存在不均勻的問題,嚴重影響了其加工刀具的使用壽命和加工工件的質量穩定性。燒結溫度是影響高壓燒結整體PcBN刀具材料的性能的關鍵因素,為探索制備高性能整體PcBN材料,推動國產整體PcBN刀具材料性能的提升,本文研究了燒結溫度對整體PcBN刀具材料的微結構與力學性能的影響及其作用機理。

2 實驗程序與測試方法

實驗材料采用粒度為10μm的純cBN微粉(富耐克公司生產的型號為M-850型cBN微粉,純度為99.5%),如圖1所示。按一定比例與Al N陶瓷結合劑微粉配混料,混料均勻后放入石墨杯進行高溫真空處理,然后與其它腔體組裝材料組裝到一起,進行高壓合成試驗。實驗采用國產Y-500型鉸鏈式六面頂壓機。因為六面頂壓機腔體內壓力和溫度并不能直接測量,實驗利用Bi、Ba、Ti在高壓時的相變點來標定腔體內部的實際壓力;采用雙鉑銠B型熱電偶進行溫度標定,根據標定結果,可知道液壓系統的油壓與腔體內部壓力之間的關系以及加熱功率與腔體溫度之間的關系。由于本實驗對壓力要求很高,在考慮了合成腔體的安全性和穩定性后,通過改進傳統高壓腔體組裝方式,在5.4GPa壓力下進行高壓燒結試驗。本實驗采用固定燒結壓力和時間,燒結溫度分別設計為1400℃、1450℃、1500℃、1550℃、1600℃,其高壓燒結條件見表1。實驗采用間接加熱方式,依靠腔體內部的發熱體產生熱量加熱傳遞給cBN微粉,并利用腔體增熱和保溫措施保證高壓燒結腔體中溫度的均勻性和高壓燒結系統的安全性。

采用FV-700數顯式維氏硬度計進行維氏硬度測試;采用JS2000型金剛石燒結體磨耗比儀進行燒結樣品磨耗比測定;利用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)分析樣品微結構,所用型號分別為日本日立公司生產S-3400N型電子顯微鏡、日本電子公司生產JEM2010透射電子顯微鏡;采用SEM配套的能譜分析儀(EDS)分析樣品元素組成;利用X射線衍射儀分析燒結樣品中的物相結構,其所用型號為日本理光D/max-r A型X射線衍射儀分析儀。

圖1 粒度為W10的cBN微粉的SEM照片Fig.1 SEM image of cBN powders of W10 particle size

3 結果分析與討論

3.1 力學性能分析

本文整體PcBN材料高壓燒結實驗設計在燒結壓力為5.4GPa、燒結時間240s工藝參數下,考察不同燒結溫度對PcBN材料力學性能的影響,高壓燒結實驗樣品的力學性能測試結果見表1。

表1 整體PcBN高壓燒結實驗設計與測試結果Table 1 Experimental design and test results of monolithic PcBN high pressure sintering

由表1可以看出,在固定燒結壓力為5.4GPa、燒結時間240s時,不同燒結溫度條件下制備的整體PcBN燒結體,其力學性能隨著溫度升高,先是升高然后降低,當燒結溫度到1500℃時樣品性能最佳,之后隨著溫度進一步升高,PcBN燒結體的性能反而下降,如圖2所示。

圖2 不同燒結溫度下整體PcBN樣品的性能Fig.2 Performance of the monolithic PcBN samples under different temperatures

3.2 微結構觀察與物相分析

圖3為不同溫度燒結整體PcBN表面的SEM照片,從圖中可以看出,燒結溫度為1400℃時,cBN顆粒與cBN顆粒之間雖然有直接結合,但較少,大多數以孤立存在的結合劑形式存在,且燒結體表面還出現大量孔洞,如圖3(a)所示。這表明,cBN顆粒與cBN顆粒之間以及cBN顆粒與結合劑之間結合程度較低,燒結尚未充分進行。當燒結溫度達到1500℃時,可以看出cBN顆粒分布較均勻,cBN-cBN直接結合較多,少數未直接結合的cBN顆粒也均勻地分布在結合劑的周圍,已不存在孤立的cBN顆粒,燒結體的致密度較高,顆粒緊密排布,空洞很少,如圖3(b)所示。這說明燒結溫度較合適。當燒結溫度達到1600℃時,發現部分cBN顆粒長大,同時伴隨有小孔洞出現,如圖3(c)所示。這說明燒結溫度已過高。

以上觀察結果的產生原因主要是,當高壓燒結溫度偏低時,不能使cBN顆粒產生塑性變形,致使晶粒間未能形成直接結合,同時結合劑也沒有充分熔化、其擴散不充分,不僅不能很好地包覆在cBN顆粒周圍,cBN顆粒之間未能發生一定程度的中介結合,而且也未能填滿顆粒間隙,從而形成孔隙或空洞。隨著燒結溫度升高,首先是cBN晶粒塑性形變量增大,顆粒內部的位錯增多,密度增大,在高溫高壓作用下,塑性變形量較大的cBN顆粒發生再結晶和晶粒長大,在原晶粒間形成了無畸變的新晶粒,產生cBN-cBN的結合;其次是結合劑充分填充在cBN顆粒之間,牢固包裹住cBN顆粒,形成cBN顆粒與結合劑之間的冶金結合[8]。當燒結溫度過高時,cBN晶粒不斷長大甚至異常長大,使得聚晶體產生晶粒不均勻和孔洞,最終導致燒結體強度和硬度降低。

由圖3(a)、(b)的EDS圖譜分析結果可以看出, 1400℃和1500℃燒結樣品中的元素只有Al和N,說明此燒結溫度下,樣品中沒有滲入腔體中的其他元素,樣品中無雜質。由圖3(c)EDS圖譜分析結果可以看出,1600℃燒結樣品中除了有結合劑N、Al之外,還存在雜質C、O、Si,說明樣品中有雜質出現,C、O和Si的出現,可能是碳杯和絕緣管中的元素在高溫下不斷地向PcBN樣品內擴散造成的。1600℃燒結樣品中除晶粒長大外,雜質的出現也可能是燒結PcBN材料性能降低的主要原因。

圖3 不同溫度燒結整體PcBN表面的SEM及EDS圖(a)1400℃;(b)1500℃;(c)1600℃Fig.3 SEM and EDSimages of the monolithic PcBN surfaces under different sintering temperatures

在圖3(b)中我們還可以看到部分cBN顆粒的直接結合,其產生的原因可能是在高壓高溫的作用下,導致顆粒內部產生大量的塑性變形。為證實在此溫度壓力條件下cBN顆粒是否發生了塑性變形,我們對1500℃燒結整體PcBN材料樣品進行了高分辨透射電鏡觀察分析(見圖4)。從圖中可以看出,cBN顆粒中存在大量位錯,使得cBN晶體缺陷增大,隨著位錯攀移運動,內部原子活動加劇,變形量增加。當cBN顆粒塑性變形量達到一定程度時,在高溫的作用下,變形的cBN顆粒會發生再結晶現象,在變形的顆粒內部或者變形的顆粒之間從而再結晶形成新的、無畸變的cBN晶粒橋,形成cBN顆粒之間的直接鍵合。從圖中我們可以明顯地看出,左右兩邊為塑性變形較大的原始cBN顆粒,顆粒內分布著大量的位錯,同時能看到位錯之間發生了交割與纏結;圖中在cBN顆粒的中間部位中沒有看到位錯出現,說明此部位是經再結晶形成的新晶粒,新晶粒作為連接原始晶粒的橋梁,結合力遠高于粘結相對原顆粒的把持力,從而增加了燒結整體PcBN材料的聚結強度和耐磨性能。

圖4 1500℃燒結整體PcBN中cBN顆粒之間的直接結合的TEM照片Fig.4 TEM image of the direct bonding between cBN particles of monolithic PcBN under sintering temperature of 1500℃

為證實在此溫度壓力條件下,cBN顆粒是否與結合劑發生了化學冶金結合,我們對1500℃燒結整體PcBN材料樣品進一步進行了XRD測試分析(見圖5),從圖中可以看出,其粘結相主要為Al N、AlB2,未見h BN及其它氧化物相。這一方面說明樣品中的cBN顆粒表面原子與粘結劑通過高壓反應生成了Al N、AlB2等物相,從而形成了cBN-M-cBN中介結合;另一方面,說明該燒結樣品中的cBN顆粒沒有發生六方化,同時說明此燒結條件下樣品不含有雜質,燒結工藝較佳。由于Al N、AlB2相本身具有較高的硬度、耐熱性和耐磨性,且Al N能夠抑制cBN顆粒的六方化,從而避免了高壓燒結中hBN的出現,提高了燒結樣品的整體性能。

圖5 1500℃燒結整體PcBN材料的XRD分析結果Fig.5 The XRD pattern of the monolithic PcBN material sintered at 1500℃

4 結論

(1)在本實驗中,當合成壓力為5.4GPa、燒結時間240s的條件下,高壓燒結整體PcBN的最佳燒結溫度為1500℃,在此燒結工藝條件下下,整體PcBN材料有較好的組織結構、均勻性和力學性能。

(2)通過對整體PcBN樣品微觀結構觀察分析,發現當燒結溫度偏低時,cBN晶粒之間塑性變形不充分,粘結劑擴散也不充分,導致其顆粒之間結合強度降低;而燒結溫度過高時,又可能導致晶粒長大或發生cBN六方化以及腔體元素擴散污染,所以,實驗時要嚴格控制燒結溫度。

(3)高溫高壓燒結整體PcBN樣品中的cBN晶粒之間存在兩種結合方式:cBN顆粒高壓破碎及塑性變形形成的cBN-cBN直接結合和cBN顆粒表面與粘結相的冶金反應形成的cBN-M-cBN中介結合。

(4)高壓燒結形成的Al N、AlB2相具有良好的固結效果和較高的硬度和耐磨性,同時Al N能夠抑制cBN顆粒表面的六方化,從而避免了高壓燒結中h BN的出現,提高了燒結PcBN樣品的整體性能。

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Influence of Sintering Temperature on Performance of Monolithic PcBN Material and Their Interaction Mechanism

DENG Wen-li1,XU Zhi-hao1,XI Pei-rao1,ZHANG Peng1,YANG Xue-feng1,2, DENG Fu-ming1,2,MA Xiang-dong1
(1.Institute of Super-hard Cutting Tool Materials,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing,China 100083; 2.Jiaozuo Tianbao Huan Xiang Machinery Technology Limited Company,Jiaozuo,Henan,Chian 454003)

In the experiment,cBN powder of W10 particle size is used for high pressure sintering by domestic cubic press.Optimized sintering process parameter for monolithic PcBN material synthesis has been obtained through test and analysis of wear ratio and microhardness of the samples：when sintering pressure is 5.4GPa,sintering temperature is 1500℃and sintering time is 240s,its microhardness and wear ratio are HV3897 and 8750 respectively;the micro morphology,element distribution and phase composition of the monolithic PcBN sintered samples have been analyzed by SEM,TEM,EDS and XRD. Result shows that the high pressure sintering coalescence mechanism of monolithic PcBN materials is high pressure crushing and plastic deformation of cBN particles,and cBN-M-cBN intermediary combination has been formed through cBN-cBN direct bonding and through metallurgical reaction of the surface and bonding phase of cBN particles.Mean-while,bond reaction generates Al N with good consolidation properties and AlB2 with higher hardness and toughness,which promotes the hardness and toughness of the binding phase.

monolithic PcBN sintered body;abrasion resistance;coalescence mechanism; hardened steel;gray cast iron

TQ164

A

1673-1433(2017)04-0014-05

2017-06-03

北京市自然科學聯合基金(NO.15L00025);中國礦業大學(北京)能源安全產業技術研究院共建研發中心項目(NO.2017-03);北京市教委大學本科生創業計劃(No.8004530104)資助

鄧雯麗(1990-),女,博士研究生。目前從事超硬刀具材料及應用研究。E-mail:393454753@qq.com

鄧福銘(1963-),男,教授/博士生導師。主要從事金剛石、立方氮化硼等超硬材料及其應用研究。E-mail:dfm@cumtb.edu.cn

鄧雯麗,徐智豪,席沛饒,等.燒結溫度對整體PcBN材料性能的影響及作用機理[J].超硬材料工程,2017,29(4):14-18.