在高溫高壓條件下，以CBN/Ti/Al為原料合成了PCBN(聚晶立方氮化硼)超硬刀具材料，研究了合成壓力對 PCBN 復合材料抗彎強度、耐磨性及界面組織形貌的影響。測試結果顯示，隨著合成壓力的提高，PCBN復合材料的抗彎強度和耐磨性均有一定程度的提升。采掃描電鏡對硬質合金基體與CBN的結合界面進行了測試分析。測試結果表明：提高合成壓力可以提高PCBN材料的界面結合強度，將二者牢固地結合在一起，減少分層、裂紋的發(fā)生，提高合成產品的成品率。同時，在實驗壓力范圍內(5.5~7 GPa)，PCBN的平整性較好，CBN厚度差較小，產品在切割中的利用率較高。在7 GPa下合成的刀具材料性能與住友BN700在加工齒輪件上，切削性能比較接近，有很好的市場前景。

　　聚晶立方氮化硼(PCBN)復合材料具有較高的硬度和耐磨性、很高的熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的化學惰性、較高的導熱性、較低的摩擦因數(shù)等優(yōu)異特性。目前，常用的PCBN復合材料是PCBN復合片，是在高溫高壓下將含結合劑的 CBN 微粉放在硬質合金基底表面燒結合成的復合片。用PCBN復合片制作的刀具已經(jīng)在諸多行業(yè)中部分取代合金刀具，如汽車行業(yè)的齒輪、發(fā)動機缸體、空調行業(yè)的壓縮機、煤礦機械的活塞柱以及風電行業(yè)的大型齒輪加工等。目前，關于PCBN刀具切削加工淬硬鋼、高合金耐磨鑄鐵以及難加工材料已有許多相關報道，實驗結果均表明 PCBN 刀具具有很好的加工性能，有很好的發(fā)展前景。雖然我國研究與制造PCBN材料時間較早，但基礎關鍵技術研究及原材料制備工藝落后，高性能 PCBN 刀具材料仍然有 80% 左右要從國外公司進口，因此，相關研究在我國有很大的進步空間。

　　近年來，高性能 PCBN 刀具材料的研究取得了很大的進展。例如 Ji Huanli等采用 Si3N4-Al2O3-Al 為結合劑，在HPHT(高溫高壓)下制備了相對密度為 99.38%，彎曲強度為610.5 MPa，硬度為49.2 GPa，氧化溫度為 1 215.9 ℃，最大斷裂韌性為 7.2 MPa.m^1/2 的樣品，結果表明CBN復合材料由于其改進的機械性能和熱性能，在切割加工中具有良好的應用前景。莫培程等以 Ti/Al/Si 為結合劑原位合成了顯微硬度為 34.58 GPa，抗彎強度為 799 MPa，氣孔率 為 0.21%，相對密度為 98.5% 的聚晶立方氮化硼復合材料。Li Mingliang等以聚硅氮烷(PSN)和 Al 為燒結添加劑，制備了相對密度為 99.7%，維氏硬度為 25.2 GPa 和彎曲強度為 602 MPa 的聚晶立方氮化硼復合材料。目前對結合劑種類、結合劑配比或者燒結溫度的研究都較多，但是關于合成工藝中壓力對復合片性能影響的研究還較少。

　　合成壓力是影響PCBN刀具材料性能的關鍵因素。因此，實驗主要研究合成壓力對 PCBN 復合片微結構與性能的影響及其作用機制，以期探索制備出高性能的 PCBN 復合片刀具，推動國產 PCBN 刀具技術發(fā)展。

　　一、實驗

　　實驗原料為 CBN(粒徑 1~3 μm，純度大于 99.99%(質量分數(shù)，下同));Ti粉(粒徑1~2 μm，純度大于 99.9%);Al粉(粒徑 1~3 μm，純度大于 9.9%)。將原料按一定比例進行混料后裝入 300 r/min 的行星球磨機(粉末：球：乙醇比等于 1：3：1.5)中一起磨碎 1.5 h，干燥 6 h，然后在 800 ℃的真空管式爐進行高溫凈化處理，處理時間為2 h。最后將粉料組裝入直徑 35 mm的圓柱形鈮杯中，在六面頂壓機上進行高溫超高壓燒結。

　　實驗為提高合成壓力，對組裝結構進行了改進，在充分考慮高壓合成安全性和穩(wěn)定性的條件下，在原有組裝結構6個面添加增壓塊，并通過調整錘壓的方式提高了合成塊的燒結壓力。實驗時采用間接加熱方式，依靠腔體內部的石墨發(fā)熱體加熱 CBN 粉末，并在腔體內采用氧化鋯保溫材料，以加強高壓燒結系統(tǒng)的安全性和腔體燒結溫度的均勻性。實驗過程中，利用Bi、Ba、Ti金屬絲的高壓相變 點標定腔體內部的實際壓力。高壓腔體壓力分4個梯度，分別為 5.5、6、6.5、7 GPa，不同的實驗條件下只調整最高壓力值，升壓段和降壓段保持一致;保溫時間為 700 s，溫度為 1 500 ℃。圖 1 為樣品組裝方式。燒結塊是由增壓墊、樣品、鹽管、碳片、碳管和葉臘石塊等一起組成的實心塊體。葉臘石是層狀結構，在高壓下有良好的傳壓效果。鹽管的作用是為了使高溫下熔融鹽起到均衡壓力的作用，使原料粉體盡量接近等靜壓的狀態(tài)。增壓墊的作用是為了進一步提升內部壓力。同時利用碳片、碳管等的導電性能對組裝塊進行加熱燒結，最終合成出 PCBN材料。

　　高壓燒結實驗完成后，首先在平面磨床上利用陶瓷砂輪將燒結 PCBN 樣品磨去金屬杯，然后在研磨機上進行研磨，最后采用超聲波清洗機清洗、烘干，從而獲得用于測試分析的樣品。采用D/max-rA 12 kW型X射線衍射儀分析PCBN樣品中的物相及組成;采用 S4800 型掃描電鏡對樣品進行顯微形貌觀察;采用超聲波掃描(C掃描)進行無損檢測，測量樣品內部質量;采用JS2000型金剛石燒結體磨耗比儀，按照 JB/T3235-2013 標準，通過 PCBN 樣品與標準氮化硅砂輪(200 目)對磨進行磨耗比測定;采用三點抗彎強度測試燒結樣品的抗彎強度;最后將樣品做成成品刀具在數(shù)控車床進行車削實驗對比。

　　二、PCBN材料的性能研究

　　PCBN材料物相分析

　　圖 2 為不同合成壓力下 PCBN 材料 XRD 圖，由 XRD 圖譜可知經(jīng)高溫高壓合成后的 PCBN 材料的物相由 TiN,AlN,BN 和 TiB₂構成，原料中加入 Al、Ti 并沒有檢測出來，說明其已經(jīng)完全反應，轉變成了 TiN,AlN和TiB₂的結合相。推測燒結過程中發(fā)生的反應過程如下：

　　反應過程中合成的 TiN，AlN 和 TiB₂具有非常優(yōu)良的力學性能，如高硬度、耐磨損性、高導熱率和較低的熱膨脹系數(shù)等，其與 CBN 的匹配度也很好，非常適合作為PCBN的結合劑。綜上所述實驗合成的 PCBN 材料兼具韌性好，熱穩(wěn)定性高，硬度高，導電性好等優(yōu)勢，具有良好的綜合性能。由XRD圖可知，不同合成壓力下 PCBN 材料的物相無明顯差別，表明當壓力達到 5.5 GPa 時，就能合成 PCBN 材料。隨著合成壓力的提升，位于42.7°左右的TiN和 44.4°左右的TiB2的衍射峰強度均有不同程度升高，表明提高合成壓力可以起到增強復合材料結晶度的作用，有利于材料力學性能的提升。

　　PCBN材料微觀結構分析

　　圖 3為不同合成壓力下 PCBN材料斷面拋光后的SEM照片。

　　由圖 3 可知，PCBN 材料由 CBN 復合層和合金層構成。在樣品合成過程中，結合劑在高溫高壓作用下，均勻的填充在內部孔隙中，新生成的TiN，AlN 和TiB₂的結合相與CBN之間相互連接，形成了致密的組織結構。如圖 3 所示，不僅可以觀察到復合層中CBN顆粒與結合劑的分布狀態(tài)，還能看到復合層與硬質合金基底的連接情況。圖 3 中的 CBN 層組織均勻一致，沒有出現(xiàn)結合劑或者 CBN 團聚現(xiàn)象。在5.5 GPa和6 GPa的合成壓力下，觀察到復合層和硬質合金層粘接在一起，并未發(fā)現(xiàn)結構上的變化。隨著合成壓力的提升，如圖 3(c)所示，合金襯底和 CBN層的結合界面處有顆粒破碎、元素相互滲透的現(xiàn)象;特別是圖 3(d)的結合面，元素相互滲透的現(xiàn)象更為明顯，這使得界面結合處組織更為致密均勻，復合層和合金層的結合強度更高，作為刀具使用不會出現(xiàn)復合層脫落現(xiàn)象。在更高壓力作用下，外部系統(tǒng)提供了更多的能量，使內部各物質的活性增強，從而促進了各元素向低濃度方向更多的擴散。這表明，提高合成壓力可以提高 PCBN 材料的界面結合強度，減少分層、裂紋的發(fā)生，提高合成產品的成品率。

　　PCBN材料超聲波掃描分析

　　超聲波掃描(C掃描)是一種以超聲波為傳播媒介的無損檢測方法，其工作原理為采用反射掃描方式來檢查材料內部是否存在分層、空洞、裂縫等缺陷。PCBN 復合片在作為刀具材料使用時，首先要求PCBN復合片中的CBN聚晶層厚度偏差小，同時內部無分層、表面無裂紋和斑點等，這樣才能保證刀具材料性能優(yōu)良。因此，實驗采用超聲波掃描(C 掃描)來檢測 PCBN 復合片樣品的厚度偏差和是否存在內部缺陷。圖 4(a)、(b)的 CBN 層都出現(xiàn)了至少 4 個顏色區(qū)域，厚度在 0.71~0.96 mm，顏色區(qū)域越多，表明樣品的平整度較差。圖4(c)的CBN層都只出現(xiàn) 3 個顏色區(qū)域 ，厚度在 0.82~0.87mm，顏色區(qū)域越少，表明樣品的平整度較好。圖 4(d)有 3個樣品的 CBN 層都只出現(xiàn) 2 個顏色區(qū)域，厚度在 0.84~0.87 mm，顏色區(qū)域最少，厚度分布均勻，平整度最好。

　　由圖4可知，隨著壓力的增加，樣品中的顏色偏差越來越少，厚度分布逐漸變得均勻，平整度越變越好。這可能是在較高的合成壓力下整個高壓腔體內部趨于等壓狀態(tài)，從四周到中心的壓力梯度減小所致。這表明，提高合成壓力有助于提高 PCBN 材料中CBN層的平整度。

　　PCBN材料抗彎強度與磨耗比分析

　　圖 5為不同合成壓力下 PCBN材料的抗彎強度與磨耗比的變化曲線。由圖 5 可知，隨著合成壓力的增加，試樣的抗彎強度與磨耗比也增加。在 5.5 GPa 的較低合成壓力下，試樣的抗彎強度與磨耗比相對較低，分別為 772.4 MPa和 4 830。當壓力增加到 7 GPa 的最高壓力時，試樣的抗彎強度與磨耗比均達到最大值，分別為1 214.1 MPa和9 200 MPa，與 5.5 GPa下合成的樣品相比，抗壓強度和磨耗比分別提高了 90% 和 57%。材料致密度是影響耐磨性和抗彎強度的重要因素之一。在試樣合成過程中，增加壓力可以使試樣內部空隙收縮變大，粉末呈密集堆積狀態(tài)，結合劑顆粒能夠逐步進入到 CBN 顆粒間，從而使得復合層中形成的孔隙逐漸變小，試樣燒結前的致密化過程進行得越徹底，樣品中的CBN 層也就更致密。同時，在燒結過程中當合成溫度達到金屬結合劑熔融溫度后，結合劑顆粒變成熔融態(tài)在體系內部發(fā)生流動現(xiàn)象，使CBN復合層發(fā)生體積收縮，同時伴隨著新結合相的生成。小顆粒CBN在熔融相的作用下，發(fā)生滑移進入大顆粒CBN間的孔隙中，使得 CBN 復合層得到進一步的收縮，并且壓力越高，收縮越大，PCBN 材料越致密。因此，適當?shù)靥岣吆铣蓧毫?，可使PCBN材料燒結得更徹底，從而使得致密度、耐磨性以及抗彎強度得到提高。

　　三、PCBN 刀具切削 20CrMnTi 齒輪件實驗

　　實驗選取國際一線品牌日本住友電工的 BN700 作對比，將實驗合成的 PCBN 材料制成 TNGA160408外圓車刀進行車削實驗。工件材料為 20CrMnTi齒輪件，工件硬度為58~62 HRC。以在相同的加工參數(shù)下加工的零件個數(shù)作為刀具切削性能的考量標準。不同刀具的切削實驗結果如表 1 所示，其中 A1、A2、A3、A4 分別表示 5.5、6.0、6.5、7 GPa 下合成的刀具材料，BN7000 表示日本住友電工的刀具材料。在 5.5 GPa 下合成的 A1 材料，由于合成壓力較低，因此其力學性能較差，做成的 A1 刀具的耐磨性也較差，加工零件個數(shù)最少，僅有 270個;隨著合成壓力的提升，刀具加工的零件個數(shù)在增加。在合成壓力為 6.5 GPa時，合成出的 A3樣品有較好的耐磨損性能，此時的刀具加工零件個數(shù)較多，達到了398個。當合成壓力為7 GPa時，A4刀具加工零件個數(shù)最多，達到 432 個。刀具材料的切削性能與其力學性能相關，力學性能優(yōu)異的材料其相應的刀具切削性能也優(yōu)異。BN7000刀具加工齒輪件個數(shù)最多，達到 445個，實驗在 7 GPa下合成的刀具材料性能與住友 BN700 在加工齒輪件上性能比較接近，有很好的市場前景。

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　　四、結論

　　(1)在 7 GPa壓力下，合成的 PCBN樣品的抗彎強度和磨耗比最佳，分別為1 214.1 MPa和9 200。

　　(2)在 7 GPa 壓力下合成的 PCBN 樣品的切削性能與住友BN700的相當，有很好的市場前景。

　　(3)隨著合成壓力的提高，PCBN復合材料中的 CBN 復合層厚度分布逐漸變得均勻，平整度越來越好，產品在切割中的利用率較高。

　　參考文獻略.