摘要　研究了PCBN黏結劑中TiN與Al的體積分數比值[V（TiN）：(VAl)]變化對PCBN的燒結行為及相關性能的影響，經期得到較佳的[V（TiN）：(Val)]配制比例方案。選擇CBN（1~4μm）、TiN（2μm）及Al(1~2μm)粉末進行配混料，在1ⅹ10^－3Pa、850℃真空爐內處理3h后，高(gao)(gao)溫高(gao)(gao)壓下(xia)合成PCBN聚(ju)晶燒結(jie)體(ti)。通過對(dui)PCBN聚(ju)晶燒結(jie)體(ti)物相(xiang)、硬度(du)、密(mi)度(du)及(ji)微觀(guan)形(xing)(xing)貌的分析，發現硬度(du)與(yu)實測密(mi)度(du)均隨TiN:1:1~1:2時，燒結(jie)體(ti)微觀(guan)形(xing)(xing)貌均勻一致，相(xiang)對(dui)密(mi)度(du)較大，切削后刀(dao)面磨損量較小(xiao)。

關鍵字　聚晶立方氮化硼；燒結；黏結劑

　　聚晶立方氮化硼（PCBN）的合成需選擇適宜的CBN粒度、濃度及黏結劑的種類^[1，2]。當選擇金屬與陶瓷混合黏結劑時，可得到高韌性、高耐磨性、高強度的PCBN^[3]。Rong Xiao-Zheng^[4-6]等對不同溫度下CBN-TiN-Al及CBN-Al燒(shao)結體的(de)燒(shao)結行(xing)為及硬度等性能的(de)研究表明(ming)，加入黏結劑TiN-Al的(de)刀具(ju)性能較好(hao)。

　　高熔點金屬化合物TiN與CBN之間無新物相生成反應，只是單純的燒結行為，從而提高了PCBN的強度和耐磨性;Al在高溫高壓下燒結時，呈熔融的液相與CBN反應生成Al的化合物。加入金屬Al與TiN陶瓷混合的黏結劑時，要獲得高強度、高耐磨性的PCBN燒結體，必須嚴格控制構成金屬與陶瓷相各成分的含量^[3，7，8]。本研究對CBN-TiN-Al燒結(jie)體(ti)進行了合(he)成試驗及(ji)性能分(fen)析(xi)，通過(guo)改變黏結(jie)劑中兩組分(fen)TiN與Al 的(de)體(ti)積分(fen)數比值，分(fen)析(xi)了PCBN的(de)燒結(jie)行為及(ji)相關性能。

1       實驗過程

1.1      原材料選擇

　　CBN微粉（粒(li)度(du)為1~4μm、純度(du)為99.9%）、TiN粉末(mo)（粒(li)度(du)為2μm、純度(du)＞99%）及Al粉末(mo)（粒(li)度(du)1~2μm、純度(du)＞99.8%）。

1.2   合成工藝過程

　　按表1所設計的配比方案稱量、濕式球磨混料。為保證原材料燒結時的活性，對混合原料進行凈化及真空還原熱處理，處理方法為，將混合料置于1×10^－3Pa、850℃真(zhen)空(kong)爐內，在氮(dan)氣(qi)環境保溫(wen)3h。采用旁(pang)熱式組(zu)裝(zhuang)后(hou)于CS-IVD460六面頂(ding)液壓機上高溫(wen)高壓燒結合(he)成(cheng)，通過(guo)調節加熱電流(liu)與(yu)油壓參(can)數控制(zhi)燒結參(can)數的(de)穩(wen)定(ding)。

　　表1　不同(tong)V（TiN）：(VAl)的PCBN（CBN體(ti)積(ji)分(fen)數：80%~90%）試(shi)樣(yang)

1.3      加工

　　制得的PCBN燒結體經外圓、研磨、平磨處理后，用粒度20μm金剛石砂輪及3~0.5μm金剛石研磨膏進行拋光處理。

1.4   檢測

　　利(li)用HvS-1000硬度計檢測(ce)(ce)樣(yang)品(pin)硬度；根據阿基(ji)米德原(yuan)理測(ce)(ce)量樣(yang)品(pin)密度；采用X射線衍(yan)射儀(yi)（D/max2 200PC型號，荷(he)蘭帕(pa)納科公司，銅靶，40KV，40MA,XRD）

　　掃描(miao)電子(zi)顯微(wei)鏡（SEM）、能譜儀(EDS)（JSM-6700F）型號，日本電子(zi)公(gong)司）進行物相(xiang)、形貌及能譜分析。切削實驗后(hou)采用SEM測(ce)量各刀(dao)片(pian)的后(hou)刀(dao)面磨損量。

2        結果分析與討論

2.1      硬度及密度測試

　　硬(ying)度(du)(du)檢測條件：加載(zai)負荷9.8N，保壓(ya)20s。在樣(yang)品同一(yi)直徑上測量8個不同點(dian)的硬(ying)度(du)(du)并取平均值。對于致密的ＰＣＢＮ燒(shao)結體，當其(qi)中(zhong)含有硬(ying)質相(xiang)較多、黏結相(xiang)較少時(shi)樣(yang)品硬(ying)度(du)(du)便高，反之則小。圖(tu)1所(suo)示為(wei)樣(yang)品硬(ying)度(du)(du)關于TiN:Al的體積比的曲線(xian)，從圖(tu)中(zhong)可以看(kan)出，當TiN:Al體積比為(wei)4：1時(shi)，樣(yang)品硬(ying)度(du)(du)達到HV3960；隨著TiN:Al體積比的減小，PCBN的硬(ying)度(du)(du)逐漸減小。

圖1　不同V（TiN）：(VAl)的PCBN硬(ying)度 

　　PCBN作為刀具材料，應該是愈致密愈好，這就要求燒結得到的PCBN具有較高的致密度^[9]。我們采用(yong)阿基米德法測(ce)試(shi)PCBN的密(mi)(mi)度，將測(ce)得的密(mi)(mi)度除以理(li)論密(mi)(mi)度，即得到PCBN的密(mi)(mi)度。表2所示為(wei)實際測(ce)試(shi)及計算結(jie)果(guo)，其相對致密(mi)(mi)度是相對于初始配料方(fang)案的理(li)論密(mi)(mi)度而(er)言的。

表2　不同V（TiN）：(VAl)的PCBN密度

　　由表2可見，隨著TiN:Al體積比的減小，樣品密度逐漸降低，而其相對密度變化無明顯規律。根據表1的配方，由于TiN的密度（5.44g/cm³）遠大于Al的密度（2.7g/cm³），使得S1的(de)(de)理論密(mi)度較高，隨著TiN:Al體積比減小，樣品(pin)的(de)(de)理論密(mi)度逐(zhu)漸降低。而PCBN的(de)(de)相對致密(mi)度主要(yao)與樣品(pin)物相及燒結致密(mi)度有(you)關。

2.2       顯(xian)微(wei)組(zu)織與物相(xiang)分析

　　高溫(wen)高壓燒結(jie)條件下，CBN與均勻(yun)分(fen)布于其周圍(wei)的黏(nian)結(jie)劑反應，生成物(wu)作為黏(nian)結(jie)相將(jiang)CBN顆粒牢固地黏(nian)結(jie)在一起(qi)，成為致密化(hua)的組織結(jie)構，圖2所示(shi)為不同TiN:Al體積比(bi)(bi)的PCBN樣品拋光面的掃描(miao)電鏡圖。各圖中(zhong)晶界處清晰(xi)可見黑色(se)(se)顆粒周圍(wei)被白色(se)(se)、灰色(se)(se)部(bu)分(fen)均勻(yun)致密地包圍(wei)著，并有部(bu)分(fen)區域黑色(se)(se)顆粒直接結(jie)合在一起(qi)，相互交錯分(fen)布。隨著TiN:Al體積比(bi)(bi)由S1到S5的逐(zhu)(zhu)漸減小，白色(se)(se)聚焦區域逐(zhu)(zhu)漸減少，灰色(se)(se)區域逐(zhu)(zhu)漸增多。

圖2　不(bu)同TiN:Al體積分數(shu)比值(zhi)PCBN的掃(sao)描(miao)電鏡（ＳＥＭ）形貌

　　我們對(dui)樣品(pin)Ｓ3中(zhong)(zhong)(zhong)各(ge)顏色區域(yu)分別作(zuo)了(le)ＥＤＳ分析(xi)，以探(tan)究組織結構形貌中(zhong)(zhong)(zhong)各(ge)顏色區域(yu)具(ju)體元素(su)成分情況。圖(tu)3所(suo)示為Ｓ3形貌圖(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)對(dui)應白色、黑色、灰色三區域(yu)的(de)Ａ、Ｂ、Ｃ三點的(de)ＥＤＳ譜圖(tu)，從中(zhong)(zhong)(zhong)可看出(chu)對(dui)應各(ge)區域(yu)的(de)元素(su)成分。

圖3　ＰＣＢＮ試樣Ｓ3的ＳＥＭ形貌及其(qi)ＥＤＳ譜圖

圖4　不同V（TiN）：(VAl)的(de)PCBN　ＸＲＤ譜圖

　　圖(tu)4所示為(wei)5組ＰＣＢＮ樣品的ＸＲＤ譜(pu)圖(tu)，由圖(tu)看出，不同(tong)TiN:Al體積比的PCBN（Ｓ1、Ｓ2、S3、S4、S5）均含(han)有相同(tong)的物相，高溫高壓下燒結(jie)時，熔融的液相Al有利于顆(ke)(ke)粒的擴散流(liu)動及(ji)顆(ke)(ke)粒間的結(jie)合，其與CBN及(ji)TiN發生反應如下：

2BN(s)+TiN(s)+3Al(l)→TiB₂(s)+3AlN(s)(1)               

　　式中，s—固相；l—液相。

　　AlN、TiB2與TiN構成黏相呈網狀填充于CBN晶界，牢固地將CBn顆粒黏結在一起[10],有效提高了燒結體的結合強度，形成具有較高的耐沖擊性與韌性的牢固燒結體。XRD圖中未發現金屬Al相的衍射峰，說明Al在燒結過程中均已消耗盡。對比圖3與圖4可知，白色Ａ區域主要物相為tiN、TiB²，黑色Ｂ區域主要物相為BN，灰色Ｃ區域主要物相為AlN。隨著TiN:Al體積比的減小，位于CBN周圍并將CBN顆粒牢固黏結在一起的黏結相成分發生改變，TiN及TiB²相的衍射峰強度減弱甚至消失，而AlN相逐漸增強，BN相基本無變化，各物相的衍射峰強度的增減對應形貌圖中各顏色區域的變化。這也同樣引起了PCBN硬度隨著TiN:Al體積比的減小而降低的變化。分析TiN、TiB²的衍射峰強度變化可知，當TiN:Al比值較大時，液相的Al分布于CBN周圍與之反應，生成AlN及硼離子B⁺生成，從XRD圖上可以看出AlN的衍射峰強度增大，在繼續的燒結中，無多余的Ti與B⁺反應生成TiB₂。由于AlN （密度3.26g/cm³）與TiB₂（密度4.52g/cm³）等(deng)新物相的生成及變(bian)(bian)化，再(zai)加(jia)上部分(fen)燒結(jie)孔隙的存在，從而(er)引起樣(yang)品相對密度的變(bian)(bian)化。

2.3   切削實驗分析

　　PCBN最大的用途在于作為刀具材料使用，實際切削實驗可以較直觀地檢驗PCBN的實際應用價值。首先將研磨拋光后的各PCBN片進行切割、倒棱及刃磨（－15°×0.2mm）處理，在CA6140車床上進行HRC58淬硬鋼材料的外圓車削實驗。在相同條件下切削一定行程（5000m）后，比較各刀片后刀面磨損量，切削實驗結果如圖7所示。其中，刀片規格：RNMN0703；切削速度 ；進給量 mm/r；切削深度 mm。

圖5　車削5000m時后刀面磨損(sun)量隨TiN:Al比值的(de)變化

 　　隨著TiN:Al體(ti)(ti)積比(bi)的(de)(de)(de)減小(xiao)，刀片(pian)(pian)后刀面磨(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)先增大后減小(xiao)再增大。當TiN:Al體(ti)(ti)積比(bi)為(wei)4：1時，因為(wei)結(jie)合(he)劑中(zhong)較(jiao)多的(de)(de)(de)TiN與CBN之(zhi)間結(jie)合(he)成鍵，從而有(you)(you)效提高刀片(pian)(pian)的(de)(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)性能(neng)，使(shi)得后刀面磨(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)較(jiao)小(xiao)，而這有(you)(you)可(ke)能(neng)會降低其抗破性能(neng)。當TiN:Al體(ti)(ti)積比(bi)為(wei)1：1~1：2時，刀片(pian)(pian)的(de)(de)(de)硬度(du)與韌性均較(jiao)好(hao)(hao)，后刀面的(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)較(jiao)小(xiao)，當TiN:Al為(wei)1：2時后刀面磨(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)最小(xiao)，Al及TiN與CBN之(zhi)間發生一系列的(de)(de)(de)反應(ying)從而在(zai)(zai)CBN周(zhou)圍形成黏結(jie)相。切削時主要是高硬度(du)的(de)(de)(de)CBN在(zai)(zai)起作用，由(you)于黏結(jie)相對CBN提供了較(jiao)好(hao)(hao)的(de)(de)(de)把持力(li)，增強了刀片(pian)(pian)的(de)(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)性而使(shi)后刀面磨(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)比(bi)較(jiao)小(xiao)。要獲(huo)得較(jiao)好(hao)(hao)的(de)(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)性，CBN-TiN-Al燒結(jie)體(ti)(ti)中(zhong)的(de)(de)(de)兩(liang)組分的(de)(de)(de)配比(bi)[V（TiN）：(VAl)]宜選取在(zai)(zai)1：1~1：2。

3         結論

　　通過對不同TiN:Al體(ti)(ti)積比(bi)(bi)值的(de)(de)(de)(de)(de)各CBN-TiN-Al燒(shao)(shao)(shao)結(jie)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)顯微(wei)硬度(du)、密(mi)度(du)、相(xiang)對密(mi)度(du)、物(wu)(wu)相(xiang)組成及(ji)顯微(wei)組結(jie)構以及(ji)切削性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究，得出以下結(jie)論(lun)：燒(shao)(shao)(shao)結(jie)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)硬度(du)及(ji)密(mi)度(du)均與燒(shao)(shao)(shao)結(jie)反應新物(wu)(wu)相(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)生成有關(guan)，隨TiN:Al體(ti)(ti)積比(bi)(bi)的(de)(de)(de)(de)(de)減小而降低；燒(shao)(shao)(shao)結(jie)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)對密(mi)度(du)主要與其(qi)致(zhi)密(mi)度(du)有關(guan)，并(bing)(bing)受新物(wu)(wu)相(xiang)生成的(de)(de)(de)(de)(de)影響，與TiN:Al比(bi)(bi)值并(bing)(bing)無(wu)直接關(guan)系；切削實驗后(hou)各刀(dao)片(pian)后(hou)刀(dao)面(mian)磨(mo)(mo)損量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)測量(liang)表明，當TiN:Al體(ti)(ti)積比(bi)(bi)為1：2時，刀(dao)片(pian)后(hou)刀(dao)面(mian)磨(mo)(mo)損量(liang)最小，耐磨(mo)(mo)損性(xing)能(neng)最高；隨著TiN:Al比(bi)(bi)值的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化，PCBN刀(dao)片(pian)的(de)(de)(de)(de)(de)耐磨(mo)(mo)性(xing)與其(qi)材料硬度(du)并(bing)(bing)無(wu)直接關(guan)系。為滿足作為刀(dao)具的(de)(de)(de)(de)(de)實際使(shi)用性(xing)能(neng)，對CBN-TiN-Al燒(shao)(shao)(shao)結(jie)體(ti)(ti)，其(qi)黏結(jie)劑兩組分(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)體(ti)(ti)積比(bi)(bi)宜選擇為1：1~1：2.

參考文獻：

[1]　朱俊芳，董企銘，彭進，等.碳氮化鈦對PCBN復合片性能的影響[J].金剛石與磨料磨具工程，2011（2）：66－69.

[2]　范文捷，劉芳，董艷麗.合成聚晶(jing)立方氮化硼復合片(PCBN)工藝研究[J].稀有(you)金屬材料(liao)與工程.2008，37（增刊1）：142－144.

[3]　謝輝(hui)，谷(gu)盟森，馬姍姍，等.不同(tong)黏結劑組分整體(ti)PCBN燒結及性能研究[J].金剛(gang)石與磨料(liao)磨具工程，2010（4）：13－20.

[4]　RONG X Z ,TSURUMI T,FUKUNAGA O,et al.High-pressure sin-tering of CBN-TiN-Al composite for cutting tool application [J].Dia-mond and Related Materials 2002(11):280-286.

[5]  RONG X Z,FUKUNAGA O.Sintering of cubic boron nitrde with added aluminum at high pressure and high temperatures [J].Trans.Mater.Res.Soc.Jpn.1994,14B:1455-1458.

[6] RONG X Z,YANO T.TEM investigation of high-pressure reaction-sinteres CBN-Al composites[J].Journal of Materials Science,2004,39:4705-4710.

[7] 李擁軍(jun)，陳金蘭，秦家千(qian)，等(deng).初始材料中(zhong)Al含量(liang)對CBN復合片燒(shao)結(jie)行為的影響[Ｊ].金剛石(shi)與磨料磨具工程，2009（1）：71－74.

[8]　李(li)延波，張書霞.CBN-WC復合片燒結(jie)的(de)研究[Ｊ].工具技術，2008（7）：26－27.

[9]　劉進，姜(jiang)偉，李丹，等.AlN基(ji)CBN整體(ti)燒結體(ti)的(de)研究[Ｊ].金剛石與(yu)磨(mo)料(liao)磨(mo)具工(gong)程，2006（5）：57－65.

[10]　亓(qi)曾篤.多晶(jing)立方氮化(hua)硼(peng)復合材(cai)料研(yan)究進展(zhan)[Ｊ].金剛石與磨(mo)料磨(mo)具(ju)工程(cheng)，2009（4）：15－17.

作者簡介

謝輝，男，1983年(nian)生，工學碩士。主要從事聚(ju)晶立方(fang)(fang)氮(dan)化硼及聚(ju)晶金(jin)剛石(shi)復(fu)合(he)片等超硬材料制品的開(kai)發、檢(jian)測與應用等方(fang)(fang)面(mian)的研(yan)究工作。