TiN-Al體系結合劑配比對聚晶立方氮化硼復合材料性能的影響

羅 濤，江文清，徐 敏

(九江職業技術學院機械工程學院，九江 332007)

0 引 言

立方氮化硼(cBN)具有硬度高、導熱性好、熱穩定性高等優點，同時對黑色金屬呈化學惰性，且耐高溫，因此廣泛用于切割淬硬鋼、鑄鐵和耐熱合金等[1-8]。但是由于cBN 單晶燒結活性小，難以長大，要想獲得實用的cBN 燒結塊需在2 000 ℃的高溫和7 GPa的超高壓下燒結[9-10]，這增加了生產成本，限制了其在工業中的應用。為解決上述問題，通常將cBN 微粉與結合劑混合后經過高溫超高壓工藝燒結成聚晶立方氮化硼(PcBN)復合材料。

近年來，PcBN復合材料的研究取得了很大的進展。LI等[11]用AlN-Al-Ni為結合劑在5.5 GPa，1 550 ℃的條件下制備了相對密度、抗彎強度、斷裂韌度分別為99.6%、661 MPa、7.19 MPa·m1/2的PcBN復合材料。LI等[12]以聚硅氮烷和鋁為結合劑，在5 GPa，1 450 ℃下制備了相對密度、維氏硬度和抗彎強度分別為99.7%、25.2 GPa、602 MPa的PcBN復合材料。莫培程等[13]以Ti-Al-Si為結合劑,在5 GPa，1 500 ℃條件下原位合成了顯微硬度、抗彎強度、氣孔率、相對密度分別為34.58 GPa、799 MPa、0.21%、98.5%的PcBN復合材料。可見結合劑在合成PcBN的過程中起到降低燒結溫度和壓力的作用。結合劑的選擇對PcBN的性能具有重要的影響。鋁在高溫高壓下燒結時呈熔融的液相與cBN 反應生成 AlN和AlB2，可加速cBN的燒結；但是AlN和AlB2的強度、硬度較低，合成的PcBN存在整體強度、硬度較低的問題。TiN具有硬度高、熔點高、耐磨損和化學穩定性好等特點，能提高PcBN 的強度和耐磨性[3,6,10]。因此，可以利用多種材料的復合優勢互補，制備出性能優良的PcBN復合材料。RONG等[6]研究發現，加入結合劑TiN-Al 燒結得到PcBN刀具的性能比加入結合劑鋁的性能好。陳超等[14]研究了切削淬火鋼時cBN含量對加入TiN-Al系結合劑燒結得到PcBN刀具磨損性能的影響，發現當cBN質量分數從70%增加到80%時，刀具的后刀面磨損寬度變化很小，刀具的磨損主要為黏結磨損和氧化磨損。為獲得高強度、高耐磨性的 PcBN復合材料，作者以TiN-Al體系為結合劑在高溫超高壓下燒結合成PcBN復合材料，研究了結合劑中TiN與鋁的配比對PcBN復合材料組織和性能的影響，以尋找出最適合切削淬火鋼的TiN-Al體系的配比。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料包括cBN粉(粒徑1～3 μm，純度99.9%)、TiN粉(粒徑1～2 μm，純度99.5%)、鋁粉(粒徑1～2 μm，純度99.5%)，按照表1的配方進行配料。在硬質合金球磨罐中以酒精為球磨介質研磨混料6 h，球磨轉速為300 r·min-1，球料質量比為4…1，然后在100 ℃真空干燥箱中干燥8 h；將混合粉料裝入直徑14 mm的圓柱形鉬杯中，然后在冷壓成型機上預壓成塊，放入真空爐中經過800 ℃處理后，裝入葉臘石模具中；經旁熱式組裝后在鉸鏈六面頂壓機上進行高溫超高壓燒結，燒結溫度為1 500 ℃，燒結壓力為5.5 GPa，保溫時間為10 min，試樣尺寸為φ14 mm×5 mm。將燒結后的PcBN試樣在磨床上進行打磨處理，然后在金剛石拋光機上用粒徑0.5～5 μm的金剛石研磨膏進行研磨、拋光處理。

表1 制備PcBN的原料配方

基于阿基米德原理，采用精度為0.000 01 g的YDK01-C型密度天平測氣孔率。采用X′pert PRO型X射線衍射儀(XRD)分析物相組成。將試樣用萬能材料試驗機壓斷后，通過S-4800型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)對顯微組織和斷口形貌進行觀察。采用VH-6型維氏顯微硬度計測顯微硬度，載荷為49 N，保壓時間為15 s。按照JB/T 3235-1999，采用TDHM-2型磨耗比測定儀測定PcBN復合材料的磨耗比，試樣尺寸為φ13 mm×4 mm，主軸電機功率為1.5 kW，SiC砂輪線速度為25 m·s-1，主軸轉速為4 500 r·min-1，加載壓力為0.4 N，加載方式為氣動加載，加載時間為600 s，計算SiC砂輪磨損質量損失與試樣磨損質量損失之間的比率，即磨耗比，每個試樣測3次取平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 物相組成

由圖1可知：PcBN復合材料均由BN、AlN、TiN、TiB2和Al2O3共5種物相組成；隨著結合劑中鋁含量的增加，AlN、TiB2和Al2O3衍射峰的強度升高，說明AlN、TiB2和Al2O3的含量增加，而TiN衍射峰的強度降低，這與結合劑中TiN含量減少相吻合。在高溫超高壓下燒結時，熔融態鋁有利于顆粒的擴散流動以及顆粒間的結合和化學反應的發生，熔融態鋁與cBN和TiN發生反應生成AlN和TiB2。研究[6,8,11,15]表明，鋁在較低溫度下便能與cBN反應生成AlN和硼離子；在低溫時硼離子與TiN的化學反應速率較低，隨著鋁含量的增加，硼離子通過液態鋁的移動，更加均勻地分布在TiN顆粒周圍，生成AlN和TiB2顆粒，同時反應物的表面積越大，化學反應速率越大，因此鋁含量的增加可使生成的TiB2含量增多。

圖1 不同原料配方合成的PcBN復合材料的XRD譜Fig.1 XRD pattern of PcBN composite synthesized withdifferent raw material formula

2.2 微觀結構

在高溫超高壓條件下，cBN與均勻分布在其周圍的結合劑反應，生成新的物相牢固地將cBN黏結在一起。由圖2可以看出：當結合劑中鋁含量較少時，燒結時體系內部液相量較少，TiN為高熔點化合物，熔融性較差，顆粒擴散困難，試樣的燒結性較差，內部結構相對疏松，氣孔較多，cBN與結合相之間的結合力較弱；隨著鋁含量的增加，體系內液相含量增多，內部顆粒的擴散流動性加強，內部結構中氣孔較少，致密度明顯提高，此時AlN、TiB2以及TiN構成的結合相分布在cBN顆粒周圍，牢固地將cBN顆粒黏結在一起，有效提高了復合材料致密性。

圖2 不同原料配方合成PcBN復合材料的斷口SEM形貌Fig.2 Fracture SEM morphology of PcBN composite synthesized with different raw material formula

采用M1、M2、M3、M4配方合成PcBN復合材料的氣孔率分別為1.04%，0.83%，0.40%和0.38%。隨著結合劑中鋁含量的增加，PcBN復合材料的氣孔率先降低后基本不變，致密程度提高。鋁為低熔點金屬，當燒結溫度高于鋁的熔點時，固態鋁熔融變成液相在體系內部發生流動傳質現象，并使TiN在試樣內部的孔隙中流動并填充在cBN顆粒之間，同時鋁還能與cBN發生化學反應生成AlN和AlB2，從而牢固地將cBN 顆粒黏結在一起，進而提高了試樣的致密性。

2.3 硬度與耐磨性能

采用M1、M2、M3、M4配方合成PcBN復合材料的硬度分別為33.46，35.80，32.45,31.64 GPa。可見，隨著鋁含量的增加，PcBN復合材料的硬度呈先升高后降低的趨勢，當結合劑中鋁質量分數為8%時，復合材料的硬度最高，為35.8 GPa。結合劑中鋁含量的增加對應著TiN含量的降低，在cBN含量相同的條件下，高硬度的TiN含量成為影響復合材料硬度的關鍵因素。在cBN-TiN-Al體系中，鋁與cBN發生化學反應生成新的物相AlN和AlB2，這些物相雖然可提高PcBN燒結體的抗沖擊性能和導熱性，但其硬度比TiN的低，從而導致燒結體的整體硬度隨著鋁含量的增加而降低。當鋁質量分數為4%時，燒結體內部結構疏松，氣孔率較大，因此硬度較低。

采用M1、M2、M3、M4配方合成PcBN復合材料的磨耗比分別為4 700，7 500，7 143，5 875。隨著鋁含量的增加，PcBN復合材料的磨耗比先增大后降低。當結合劑中鋁質量分數為8%時，PcBN復合材料的磨耗比最大，耐磨性最好，這是由于結合劑中的鋁在cBN顆粒表面發生化學反應，生成新的陶瓷結合相將cBN顆粒聯結在一起，復合材料具有較好的致密性，同時此時PcBN復合材料的硬度最高，因此其耐磨性最好。

3 結 論

(1) 結合劑中TiN與鋁在不同配比下合成的PcBN復合材料主要由BN、TiB2、TiN、AlN和Al2O3相組成，隨著結合劑中鋁含量的增加，AlN、TiB2和Al2O3的含量增加，TiN含量減少。當TiN與鋁質量配比為21…4時，復合材料內部結構疏松，隨著結合劑中鋁含量的升高，結構變得致密，氣孔率降低。

(2) 隨著結合劑中鋁含量的增加，PcBN復合材料的硬度呈先升高后降低的變化趨勢，當TiN與鋁質量配比為17…8時，復合材料的硬度最高，為35.8 GPa；隨著鋁含量的增加，PcBN復合材料的磨耗比先增大后減小，當TiN與鋁質量配比為17…8時，磨耗比最大，為7 500，耐磨性能最好；當結合劑中TiN與鋁質量配比為17…8時，PcBN復合材料的綜合性能最佳。