PCBN材料的組織結構與力學性能

張 彬， 郭宏毅

（1.河南省特種設備安全檢測研究院, 鄭州 450046）

（2.開封市質量技術監督檢驗測試中心, 河南 開封475000）

CBN是一種與金剛石結構及性能相似的材料，但CBN在高溫下不易與鐵發生反應，所以可用來加工鐵族金屬和金剛石工具不能切削的其他難加工材料[1-4]。目前，用CBN合成的PCBN制作的刀具已經在諸多行業中部分取代合金刀具，如汽車行業的發動機缸體加工、空調行業的壓縮機加工、工程機械中起重機高強度鋼板的切割加工、煤礦機械的活塞柱加工以及風電行業的大型齒輪加工等[5-9]。

魏文靜等[10]用PCBN刀具對Cr12MoV模具鋼進行斷續車削試驗，提出了對工件加工效率和表面質量提升的試驗方法，同時還建立了工件表面粗糙度預測模型。高妮萍[11]對CBN刀具高速硬車20CrMnTi的耐用度進行了研究，結果表明：用CBN刀具進行加工，工件精度可達到IT5級，表面粗糙度在0.6 μm以下。FIORINI等[12-13]分別對PCBN刀具在高切削速度(vc=750 m/min)下加工GG25灰鑄鐵和車削高鉻白鑄鐵進行了研究，并對刀具磨損和工件加工動力學進行了相關分析，結果表明PCBN刀具具有優異的切削性能。

PCBN是使用CBN顆粒和黏合劑在HPHT下燒結而制備的，黏合劑是合成具有優異性能PCBN的關鍵材料，其類型包括金屬、陶瓷和金屬-陶瓷等[14-15]。TiN因具有高耐熱性、高耐磨性和良好的化學穩定性，常作為陶瓷結合劑用于PCBN制造中[16-17]。但TiN類陶瓷結合劑存在高溫導熱性差、燒結致密難、斷裂韌性較差等問題。金屬類結合劑PCBN韌性好、導熱性好，但因存在金屬相，使其高溫熱性能較差，在高速切削過程中容易出現顆粒脫落等現象。

為了克服陶瓷結合劑和金屬結合劑的缺點，目前常用的方式是機械混合陶瓷和金屬結合劑，產生新的金屬-陶瓷結合劑。研究表明[15,18-19]：在陶瓷結合劑中添加金屬Ti可以增強其界面結合能力，且Ti在高溫下會與CBN粉末反應生成TiN和TiB2等，TiN和TiB2都具有優異的物理和力學性能，以其作為結合劑黏接CBN，能夠制備出兼具韌性好、熱穩定性好、硬度高、導電性好的CBN刀具材料，非常適用于鐵基合金等的切削加工。YUAN等[18]采用SPS法在1 400 °C條件下制備了CBN-Ti-Al復合材料，其相對密度、彎曲強度、硬度和斷裂韌性分別為（98.9±0.1）%、（390.7±4.5）MPa、（14.1±0.5） GPa和（7.6±0.1） （MPa·m1/2）。此外，研究還表明：在1 400 °C下燒結的復合材料中發生了穿晶斷裂，表明TiN、TiB2和AlN形成的基體與CBN顆粒具有良好的界面黏附強度。MO等[19]利用Ti-Si3N4為結合劑合成了PCBN，結果表明：Ti在合成過程中變成了TiN和TiB2，并且當燒結溫度為1 600 ℃時，可以獲得顯微硬度為32.2 GPa、抗彎強度為1 022.5 MPa的樣品。

此外，Al2O3由于其高耐熱性、耐磨性和良好的化學穩定性，也常用在PCBN切削工具材料的陶瓷結合劑中。HOTTA等[20-21]對Al2O3添加劑進行了相關研究，結果表明添加Al2O3的樣品表現出良好的耐磨性和斷裂韌性。

因此，選擇TiN、Al2O3和Ti為CBN材料的結合劑，在高溫高壓下合成成分為CBN-TiN-Ti-Al2O3的PCBN刀具材料，研究保溫時間對PCBN結構、力學性能等的影響；并用不同保溫時間下合成的PCBN制作刀具，研究其切削模具鋼時的性能。

1 試驗配方及燒結工藝

采用高溫高壓燒結工藝制備成分為CBN-TiN-Ti-Al2O3的PCBN刀具材料。制備用原材料條件如下：CBN 型號為 M990，其基本顆粒尺寸為 1.0～3.0 μm；Ti粉純度>99.5%，其基本顆粒尺寸為 1.5 μm；α-Al2O3粉純度>99.5%，其基本顆粒尺寸為500 nm；TiN粉純度>99.9%，其基本顆粒尺寸為1.5 μm。PCBN刀具材料的配方組成及其不同的合成工藝參數列于表1中，其中TiN、Ti、Al2O3的質量比為 66∶30∶4。

表1 試驗配方及合成工藝參數Tab.1 Experimental formula and synthetic process parameters

按表1配方稱量原材料粉末質量，用其合成PCBN刀具材料的過程為：（1）將適量的濃硝酸（分析純）倒入裝有CBN粉末的燒杯中，濃硝酸要完全覆蓋CBN粉末，將混合物在50 ℃的水浴中處理5 min，用蒸餾水洗滌并干燥后得到處理好的CBN粉末；（2）將處理好的CBN粉末和TiN-Ti-Al2O3分散在無水乙醇中得到漿料，所用的分散劑是聚乙二醇（分析純），在超聲波條件下分散60 min；（3）將不銹鋼球和分散好的漿料放入不銹鋼球磨罐中，球料質量比為10∶1，在球磨機上研磨6 h；（4）球磨后，在110 ℃的真空干燥箱中干燥12 h，然后通過200目篩（篩網網孔尺寸為0.074 mm）得到分散的粉末；（5）將所得粉末在合成塊中組裝，放入六面頂壓機中，按表1工藝參數合成樣品，T4樣品的燒結工藝曲線如圖1所示。圖1中：合成壓力為5.5 GPa，合成溫度為1 500 ℃。合成壓力在0.80 min內從0升高到5.5 GPa，并保壓15.25 min，最后在0.25 min內降到0。合成溫度在0.80 min內從室溫升高到1 000 ℃，并保溫3.20 min，然后在0.25 min內升溫到1 500 ℃，并保溫12.00 min，最后在0.25 min內降至80 ℃，隨后自然冷卻至室溫。T1，T2，T3 樣品的燒結工藝曲線與T4的圖1類似，只是在1 500 ℃時的保溫時間分別減少為3.00，6.00和 9.00 min。

圖1 T4 的燒結工藝曲線Fig.1 Sintering process curves of T4

將合成的樣品進行平磨和拋光處理，然后用激光切割機切成3 mm×4 mm×30 mm的標準樣品（簡稱“樣品”）。采用三點彎曲法在AGS-X5KN電子萬能試驗機上測定樣品的抗彎強度；用HVS-50硬度計壓痕法測量樣品硬度，測量時載荷為96 N，保壓時間為15 s；相對密度采用quarzau-200 me高精度金屬密度儀測量；材料物相用D8-ADVANCE X射線衍射儀檢測；樣品的斷裂形貌和物相分布用S-4800掃描電鏡進行觀察及分析；樣品磨耗比用TDHM-2型磨耗比測定儀參照《JB/T3 235-1999人造金剛石燒結體磨耗比測定方法》進行測定。

2 結果分析與討論

2.1 保溫時間對物相的影響

圖2為不同保溫時間下燒結體樣品的XRD圖譜。從圖2中可以看出：不同保溫時間下的樣品主相均為CBN和增強相TiN、TiB2和Al2O3，各物相的衍射峰清晰明銳，結晶度高，無其他雜峰存在，說明樣品純度較好，各物質已反應完全。在每塊燒結體中均含有少量的Al2O3物相，這也與原料中加入的少量Al2O3相對應。同時，在保溫時間為3.00 min時，體系內部各物質間就已經充分反應；隨著保溫時間的延長，樣品物相沒有太大變化。這說明在高溫高壓條件下，內部的金屬原子擴散迅速，結合劑與CBN在短時間內就充分發生反應，從而生成了相應產物。從XRD衍射圖中還可以看出：隨著保溫時間的延長，TiN和TiB2的衍射峰稍微增強，推測延長保溫時間有助于提高TiN和TiB2的結晶度。

圖2 不同保溫時間下樣品的 XRD 圖譜Fig.2 XRD patterns of samples at different holding times

2.2 保溫時間對微觀結構的影響

圖3給出了保溫時間為3.00，6.00，9.00和12.00 min 時樣品的斷面形貌。圖3中有明顯顆粒狀的CBN，且熔融態部分為結合劑。在保溫時間為3.00 min時，T1樣品中可看到結合劑明顯的聚集現象(圖3a中的黃虛線橢圓區域)。這是因為，雖然結合劑與CBN在短時間內發生了化學反應生成了新物相，但由于保溫時間過短，部分結合劑來不及完全分散到樣品內部，從而產生了聚集現象。同時，在圖3a中還觀察到較多細小的未被結合劑填充的孔洞（紅虛線圈內）。而在圖3b和圖3c的樣品斷面圖中，結合劑的聚集得到了明顯的改善。結合劑顆粒與CBN相互填充并分布均勻，說明適當延長保溫時間會得到組織更均勻的燒結體；同時結合劑與CBN的結合狀態更緊密，所觀察范圍內致密的區域面積更大，孔洞尺寸更小（紅虛線圈內）。其中，保溫6.00 min時的T2樣品基本形貌與保溫時間為9.00 min時的T3樣品基本形貌相似，致密度都非常好。因此，可根據圖3a、圖3b和圖3c中樣品斷面形貌的差異得出，樣品孔隙中氣體的排出以及結合劑的均勻分布都需要一定的反應時間，適當增加保溫時間對實現樣品最終的均勻化和致密化有較大作用。但過度增加保溫時間對燒結體形貌是不利的，如圖3d所示。圖3d中：當保溫時間為12.00 min時，T4樣品斷面結構中的孔隙尺寸突增（紅虛線圈內），出現了明顯的結構疏松現象；同時，由于保溫時間過長樣品脆性增加，樣品在斷裂時產生了許多碎屑(圖3d中的黃虛線長方形區域)。

圖3 不同保溫時間下樣品的 SEM 形貌Fig.3 SEM morphologies of samples under different holding times

2.3 保溫時間對相對密度的影響

不同保溫時間下樣品的相對密度如圖4所示。由圖4可知：在 1 500 ℃、5.5 GPa的燒結工藝下，保溫時間為3.00～12.00 min 時的樣品相對密度分別為 97.9%、98.7%、99.1%和 98.4%，燒結樣品的相對密度隨著保溫時間的延長先增大后減小，相對密度最大和最小值相差1.2%。結合圖3的SEM形貌可知：在保溫時間為3 min時，存在結合劑聚集和細小可見的孔隙現象，樣品的相對密度較?。浑S著保溫時間的延長，結合劑中的反應越來越徹底，結合劑的熔融填隙作用發揮得更加充分，而且結合劑分布更均勻，都將使燒結體朝著更為致密的方向發展，樣品的相對密度增大。此外，圖2中的XRD圖譜也顯示，在3.00～12.00 min的保溫時間下，各樣品的物相衍射峰強度基本變化不大，說明在反應完全后物相含量基本穩定；而樣品相對密度增加，其致密度增大，有可能是隨著保溫時間延長，樣品結合劑中的揮發物揮發使其結構致密所致。但當保溫時間為12.00 min時，樣品斷面結構的孔隙尺寸突增，出現了明顯的結構疏松，樣品內部孔洞明顯增多（圖3d），使樣品相對密度下降。原因是在過長的燒結反應時間下，燒結助劑在燒結過程中進一步揮發，使樣品的脆性增加，在斷裂時產生了許多碎屑，反而破壞了樣品結構的致密性。

圖4 不同保溫時間下樣品的相對密度Fig.4 Relative densities of samples under different holding times

2.4 保溫時間對力學性能的影響

不同保溫時間下樣品的力學性能如圖5所示。由圖5可知：在3.00～12.00 min的保溫時間下，復合材料的硬度隨保溫時間的延長而增大。原因是溫度不變，反應時間延長，一方面物質的黏性增加，樣品更加致密；另一方面化學反應更充分，生成的增強相結晶度好，樣品硬度更高。但是，在保溫時間達到9.00 min后，樣品硬度變化幅度減緩，從33.5 GPa 增加到33.9 GPa，僅僅增加了0.4 GPa。結合圖3的樣品形貌圖可知：當保溫時間為12.00 min時，樣品斷面結構中的孔隙尺寸突增，出現了明顯的結構疏松現象，會抵消部分由增強相結晶度升高引起的硬度變化，從而使樣品硬度的變化不明顯。

圖5 不同保溫時間下樣品的力學性能Fig.5 Mechanical properties of samples under different holding times

由圖5還可知：樣品的抗彎強度隨著燒結保溫時間的延長先增加后減小。分析可能有以下幾個原因：首先，PCBN的抗彎強度隨相對密度的增大而增加，當燒結保溫時間從3.00 min提高到9.00 min時，最大抗彎強度值為910.9 MPa；隨著保溫時間的進一步延長，陶瓷結合劑中孔洞增加，使樣品抗彎強度下降。但總的來說，在保溫時間為3.00～12.00 min時，樣品的抗彎強度差距較小、變化趨勢不明顯，整體上抗彎曲度都較高。這可能是由于Ti原料活性較高，在燒結過程中與CBN發生化學反應生成了新的結合相，使得體系內顆粒間結合強度高，樣品抵抗變形的能力強。

陶瓷燒結體的磨耗比與其致密度及內部組織密切相關，樣品的磨耗比隨溫度的變化與致密度隨溫度的變化基本一致。隨著反應時間的延長，樣品的致密度越好，結合劑與CBN的結合更緊密，彼此間不僅存在機械物理嚙合，而且其化學鍵合作用也在逐步增強，使樣品在磨耗時的耐磨性也增大，磨耗比升高。圖5中樣品的磨耗比與抗彎強度變化趨勢及圖4中樣品的相對密度變化趨勢一致，其在9 min時的磨耗比最大為7 120。

2.5 刀具切削性能研究

將合成的PCBN分別制成TNGA160408型刀具，刀具后角為-20°，刀尖半徑為0.8 mm，切刃長為2.0 mm；用其在CAK4085 Anj型機床上進行切削試驗，加工Cr12MoV模具鋼零件，加工方式為干式切削；切削參數為：切削速度，120 m/min；切削深度，0.1 mm；進給量，0.15 mm/r。刀具和零件實物圖如圖6和圖7所示。零件直徑為15 mm，長度為41 mm，平均硬度為52 HRC。用刀具后刀面磨損寬度達到0.3 μm時加工零件的個數來表征刀具的切削性能。

圖6 TNGA160408 型刀具實物圖Fig.6 Physical map of TNGA160408 tool

圖7 模具鋼零件實物圖及尺寸圖Fig.7 Physical drawing and dimension drawing of die steel part

4種刀具的切削試驗結果如表2所示。在3.00 min保溫時間下合成的T1材料，其力學性能較差，因此做成的T1刀具的耐磨性也較差，加工零件個數最少，僅有104個；隨著保溫時間的延長，刀具加工的零件個數增加。在保溫時間為9.00 min時，合成出的T3樣品有較好的耐磨損性能，此時的刀具加工零件個數最多，達到了365個。但是當保溫時間為12.00 min時，T4刀具加工零件個數下降，加工個數僅為228個，可能是由于保溫時間過長，樣品內部晶粒長大或過燒，從而造成刀具磨損較大。

表2 4 種刀具的切削試驗結果Tab.2 Cutting test results of 4 kinds of tools

3 結論

（1）在1 500 ℃的燒結溫度和5.5 GPa壓力下，增加保溫時間，樣品物相基本保持一致。且材料內部的TiN和TiB2的衍射峰稍微增強，延長保溫時間有助于提高TiN和TiB2的結晶度。

（2）適當延長保溫時間有利于提高燒結體最終的均勻化和致密化。

（3）在1 500 ℃的燒結溫度和5.5 GPa壓力下，當保溫時間為9.00 min時，能獲得綜合性能最佳的PCBN材料，其相對密度為99.1%，抗彎強度為910.9 MPa，磨耗比為7 120，顯微硬度為33.5 GPa。用其做成刀具后加工的Cr12MoV模具鋼零件最多，為365個。因此，試驗最佳保溫時間為9.00 min。