共價(jià)鍵化合物陶瓷結(jié)合劑對(duì)干切削PcBN刀具復(fù)合材料的影響

鄧 華，潘天浩，張志超，王明智*，邢 英，李 彧，武 迪，趙玉成

(1.晶日金剛石工業(yè)有限公司,河北 燕郊 065201;2.燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 秦皇島 066004)

共價(jià)鍵化合物陶瓷結(jié)合劑對(duì)干切削PcBN刀具復(fù)合材料的影響

鄧 華1，潘天浩1，張志超2，王明智2*，邢 英1，李 彧1，武 迪2，趙玉成2

(1.晶日金剛石工業(yè)有限公司,河北 燕郊 065201;2.燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 秦皇島 066004)

針對(duì)傳統(tǒng)PcBN刀具材料由于結(jié)合劑的原因，存在整體熱穩(wěn)定性、抗磨損性偏低等問題，文章采用非化學(xué)計(jì)量比TiN0.3、TiN0.3+AlN及cBN表面鍍鈦等方法，研究了這些方法對(duì)結(jié)合劑與cBN界面結(jié)合的影響，討論了界面形成的物相對(duì)PcBN性能的影響；文中采用SEM對(duì)樣品的拋光表面和斷口進(jìn)行觀察，利用EDS分析界面處的元素分布，利用XRD分析了樣品的相組成；采用阿基米德排水法測(cè)量樣品的密度，維氏硬度計(jì)測(cè)量樣品的維氏硬度。利用高精密數(shù)控車床對(duì)PcBN刀具的切削性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果證明：TiN0.3與cBN復(fù)合后的界面通過中間相TiB2相結(jié)合，AlN的加入促進(jìn)了TiB2的生成，并改善了TiN0.3與cBN熱膨脹系數(shù)的失配。cBN表面鍍Ti后實(shí)現(xiàn)了界面成分的過渡，加入AlN后界面出現(xiàn)了Al元素的聚集。采用TiN0.3作為結(jié)合劑主相，在結(jié)合相中添加其它強(qiáng)共價(jià)鍵類金屬碳化物或氮化物，通過對(duì)原料成分與合成條件的控制，燒結(jié)后獲得了無低熔點(diǎn)或低硬度相致密的PcBN燒結(jié)體。PcBN燒結(jié)體具有高硬度，高強(qiáng)度，優(yōu)異的耐高溫性和耐磨損性。通過以TiN0.3作為結(jié)合劑主相與cBN的結(jié)合，成功制備了系列PcBN刀具材料，均被用來對(duì)淬火鋼等硬質(zhì)鋼進(jìn)行高速、高精度和高效切削，使以往主要采用磨削加工的難加工材料實(shí)現(xiàn)了切削加工。

PcBN;共價(jià)鍵化合物;陶瓷結(jié)合劑;界面擴(kuò)散;干切削

1 前言

PcBN切削刀具最主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榧庸じ鞣N高硬度淬火鋼等鐵族金屬材料(工具鋼，模具鋼，軸承鋼，高速鋼，高錳鋼和白口鑄鐵)，以及各種難加工材料(表面硬化合金，球墨鑄鐵)。許多其他應(yīng)用也被報(bào)道在加工科學(xué)領(lǐng)域的資料中，比如應(yīng)用領(lǐng)域較小但是迅速發(fā)展的超合金的切削。PcBN的硬態(tài)切削技術(shù)是指對(duì)硬度大于HRC45的淬火鋼進(jìn)行切削加工的工藝。由于cBN具有比金剛石更高的耐熱溫度，因此PcBN可應(yīng)用于高速干切削硬質(zhì)鋼材。高速切削過程中刀尖具有較大的切削應(yīng)力，刀具與工件表面高速摩擦形成的切削熱在刀尖部位積累，使得刀尖的溫度通常能夠達(dá)到1000 ℃或更高。刀尖部位的高溫足以軟化金屬，同時(shí)cBN的耐高溫性能也可以使PcBN保持足夠的強(qiáng)度來完成切削。

高硬度難切削材料的加工要求PcBN刀具在高速與高溫切削條件下能保持較高的硬度和抗磨損性。通過對(duì)TiN1-x與多種難熔金屬碳化物與氮化物復(fù)合材料的研究，人們制備了適用于高速干切削的PcBN刀具材料。

近年來，切削工具在機(jī)械自動(dòng)化方面取得了顯著的進(jìn)步并得到了廣泛的應(yīng)用，另一方面，切削過程對(duì)高效、節(jié)能和降低成本方面有著強(qiáng)烈的需求，引導(dǎo)PcBN刀具向著高速切削方向發(fā)展[1]。常規(guī)以Co、W、Al等做結(jié)合劑的PcBN刀具，在普通切削條件下對(duì)鋼和鑄鐵的加工表現(xiàn)令人滿意，但是當(dāng)它用于硬度高于50 HRC的淬火鋼與合金鋼等硬質(zhì)鋼的連續(xù)或斷續(xù)高速切削時(shí)，由于高速摩擦導(dǎo)致切削刃處的熱量積累，形成通常大于1000 ℃的高溫區(qū)，連續(xù)或間歇的機(jī)械載荷在切削刃處造成了極高的壓力，PcBN刀具中的結(jié)合劑就會(huì)在高溫下發(fā)生軟化，因此切削刃處容易形成磨損和變形，切削過程中難以長時(shí)間保持加工工件的尺寸精度，刀具在較短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)達(dá)到使用壽命[2-5]。

PcBN刀具對(duì)硬質(zhì)鋼的高速干切削過程決定了結(jié)合劑需要有足夠高的硬度和熱穩(wěn)定性，以及耐磨性來抵抗加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力沖擊、高溫和磨損。由于TiN具有高硬度、高熔點(diǎn)、耐磨損性和化學(xué)穩(wěn)定性，使用TiN做結(jié)合劑的PcBN刀具大大提高了材料的硬度、高溫穩(wěn)定性和抗磨損性，但同時(shí)降低了材料的可燒結(jié)性與韌性，TiN結(jié)合劑的PcBN刀具需要提高粉體的燒結(jié)活性以及適當(dāng)?shù)钠胶忭g性和抗磨損性。本研究所制備的PcBN的特點(diǎn)為燒結(jié)體內(nèi)部無低熔點(diǎn)相和低硬度相，因此能夠保證材料較高的硬度和熱穩(wěn)定性；TiN0.3與其它化合物復(fù)合并形成了不同的韌化機(jī)理，作為結(jié)合劑后為燒結(jié)體提供了一定的韌性；燒結(jié)過程中以TiN0.3為結(jié)合劑主體的結(jié)合劑內(nèi)部有較強(qiáng)烈的擴(kuò)散現(xiàn)象與物質(zhì)交換，因此可以在較低的溫度與壓力下達(dá)到致密化燒結(jié)。

2 PcBN的制備過程與分析方法

試驗(yàn)中所用的TiN0.3粉體由金屬Ti粉(純度99.5 %，粒度40 μm)與尿素(CH4N2O，分析純)經(jīng)MA制得，原料的成分配比列于表1。

表1 MA制備TiN1-x粉體Ti與尿素成分配比Table 1 the composition proportion of Ti and urea when MA is used to prepare TiN1-x powder

TiN0.3由Ti粉與尿素按照6∶1(mol)的比例制備[6]；AlN為市購，純度為98%，余者為Al2O3；cBN為市購，純度99.9%，粒度1～40 μm；首先將TiN0.3、TiN0.3+AlN及cBN等粉體充分混合并冷壓成型。利用六面頂壓機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行制備。在壓機(jī)上先對(duì)樣品在常溫下加壓至5 GPa，隨后加熱到指定的溫度，保溫后冷卻并卸壓。

采用SEM對(duì)樣品的拋光表面和斷口進(jìn)行觀察，利用EDS分析界面處的元素分布，利用XRD分析樣品的相組成；采用阿基米德排水法測(cè)量樣品的密度，維氏硬度計(jì)測(cè)量樣品的維氏硬度，載荷1000 g，保載10 s;在高精密數(shù)控車床對(duì)PcBN刀具的切削性能進(jìn)行了測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 TiN0.3對(duì)cBN界面結(jié)合的影響

圖1為在1500 ℃、5 GPa、10 min燒結(jié)條件下得到的TiN0.3與cBN界面結(jié)合區(qū)域的SEM形貌。在此燒結(jié)條件下，TiN0.3與cBN界面結(jié)合得嚴(yán)密無縫隙，并且兩相界面處生成了大約1 μm厚的反應(yīng)層，TiN0.3與cBN通過此反應(yīng)層的中間相實(shí)現(xiàn)了兩相界面的結(jié)合。TiN在高溫下與cBN反應(yīng)并在界面區(qū)域生成TiB2，此結(jié)果在以往的研究中已經(jīng)被證實(shí)并在文獻(xiàn)中被廣泛報(bào)道[7]。由此推測(cè)此反應(yīng)層內(nèi)的中間相為TiB2。

圖1 TiN0.3/cBN界面結(jié)合區(qū)域SEM圖像Fig.1 SEM image of the TiN0.3/CBN interface

TiB2中間相的生成在界面兩側(cè)成分分析中表現(xiàn)為Ti元素含量的起伏，圖2為TiN0.3與cBN界面結(jié)合區(qū)域元素分布的EDS線掃描，圖2a為界面反應(yīng)區(qū)域元素分布數(shù)據(jù)采集所對(duì)應(yīng)的SEM圖像，圖2b、2c和2d分別為Ti、B和N元素在界面兩側(cè)的分布。Ti元素的分布在界面處出現(xiàn)了峰值，Ti元素含量的起伏間接反映出TiB2中間相在界面區(qū)域的生成。

圖3為在1500 ℃、5 GPa、10 min條件下TiN0.3與cBN燒結(jié)后得到的XRD圖譜。由于此界面區(qū)域反應(yīng)的程度較小，反應(yīng)后界面區(qū)域生成的TiB2中間相的量較少，因此樣品燒結(jié)后的XRD除了TiN與cBN相外，并未檢測(cè)到TiB2中間相。

TiN與cBN的熱膨脹系數(shù)相差較大，圖4為實(shí)測(cè)得到的TiN0.3在燒結(jié)體室溫到1300 ℃下的熱膨脹系數(shù)。TiN0.3與cBN相比，TiN0.3的熱膨脹系數(shù)在1300C時(shí)達(dá)到了10.8×10-6，而cBN的熱膨脹系數(shù)在1160 ℃時(shí)僅為5.8×10-6。

圖2 TiN0.3/cBN界面EDS線掃描(a)SEM圖像；(b)Ti；(c)B；(d)NFig.2 EDS liner scan of TiN0.3/CBN interface

圖3 TiN0.3/cBN燒結(jié)體XRD圖譜Fig.3 XRD pattern of TiN0.3/CBN sintered compact

圖4 TiN0.3熱膨脹系數(shù)Fig.4 Thermal expansion coefficient of TiN0.3

由于熱膨脹系數(shù)存在較大的差別，導(dǎo)致了TiN0.3與cBN燒結(jié)體燒結(jié)冷卻后由于收縮量的不同，在燒結(jié)體內(nèi)部形成了較大的內(nèi)應(yīng)力和裂紋，如圖5a所示。裂紋在TiN0.3內(nèi)部擴(kuò)展，大多數(shù)裂紋在遇到cBN顆粒后沿TiN0.3與cBN界面擴(kuò)展，如圖中A所示。由于TiB2中間相的生成增大了TiN0.3與cBN顆粒的結(jié)合強(qiáng)度，少數(shù)裂紋在cBN顆粒處形成了cBN的穿晶斷裂，如圖中B所示。圖5b為燒結(jié)體斷口的SEM形貌，cBN顆粒與TiN0.3的結(jié)合強(qiáng)度較高，多數(shù)cBN顆粒在樣品的斷口處呈現(xiàn)穿晶斷裂，如圖中A所示，較少cBN顆粒沿著與結(jié)合劑的結(jié)合界面脫落，如圖中B所示。

3.2 添加AlN對(duì)cBN界面結(jié)合的影響

為了改善燒結(jié)體的脆性開裂，調(diào)節(jié)TiN0.3與cBN熱膨脹系數(shù)的失配，在TiN0.3中加入AlN后在1500 ℃、5 GPa、10 min條件下燒結(jié)得到TiN0.3/AlN與cBN燒結(jié)體。圖6為燒結(jié)體的表面SEM形貌，燒結(jié)體內(nèi)部開裂的情況得到了明顯的改善，不僅裂紋的長度和數(shù)量減小，TiN0.3/AlN與cBN顆粒界面由于裂紋導(dǎo)致的破損情況也得到了明顯的改善。

圖5 TiN0.3/cBN燒結(jié)體SEM圖像(a)拋光表面；(b)斷口Fig.5 SEM image of TiN0.3/CBN sintered compact

圖6 TiN0.3/AlN/cBN燒結(jié)體表面SEM圖像Fig.6 SEM image of the surface of TiN0.3/AlN/CBN sintered compact

圖7為TiN0.3/AlN與cBN界面結(jié)合區(qū)域元素分布的EDS線掃描，圖7a為界面反應(yīng)區(qū)域元素分布數(shù)據(jù)采集所對(duì)應(yīng)的SEM圖像，圖7b、7c和7d分別為Ti、Al和B元素在界面兩側(cè)的分布。Ti元素的分布在界面處出現(xiàn)了峰值，相比于TiN0.3與cBN界面，Ti元素含量的起伏明顯增強(qiáng)，間接反映出更多含量的TiB2中間相在界面區(qū)域的生成。Al元素除了在界面的少量聚集之外，更多的Al元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入到cBN內(nèi)。Al與cBN在高溫高壓條件下的研究結(jié)果表明[8-9]，Al原子擴(kuò)散進(jìn)入cBN的表層，置換出其中的B原子，Al原子與N原子結(jié)合生成AlN，但是AlN并未沿襲cBN的立方結(jié)構(gòu)，生成亞穩(wěn)態(tài)的面心立方結(jié)構(gòu)的AlN，而是生成了穩(wěn)定六方結(jié)構(gòu)的AlN。

圖7 TiN0.3/AlN與cBN界面EDS線掃描(a)SEM圖像；(b)Ti；(c)Al；(d)BFig.7 EDS liner scan of TiN0.3/AlN and CBN interface

本文在TiN0.3與AlN界面區(qū)域反應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)過程中AlN分解并釋放出了大量的自由Al原子。Al原子在TiN0.3內(nèi)部擴(kuò)散遷移，聚集在cBN的表層并置換出表層的B原子，Al原子與剩余的N原子結(jié)合生成AlN，被置換出的B原子在TiN0.3內(nèi)部沿N空位進(jìn)行擴(kuò)散，由于B原子與Ti原子之間具有很高的結(jié)合能力，同時(shí)由于TiN0.3內(nèi)的富Ti結(jié)構(gòu)，金屬陽離子很容易與B結(jié)合生成TiB2。因此，Al原子對(duì)B原子的置換導(dǎo)致了界面反應(yīng)區(qū)域更多TiB2的生成，這在EDS線掃描中表現(xiàn)為Ti元素含量起伏的增強(qiáng)。

圖8為TiN0.3/AlN與cBN燒結(jié)后得到的XRD圖譜。由于此界面區(qū)域反應(yīng)的程度依然較小，反應(yīng)后界面區(qū)域生成的TiB2中間相的量較少，因此樣品燒結(jié)后的XRD除了TiN、AlN與cBN相外，并未檢測(cè)到TiB2中間相。

3.3 cBN表面鍍鈦對(duì)界面結(jié)合的影響

為了實(shí)現(xiàn)TiN0.3與cBN之間更好的結(jié)合，將cBN顆粒表面進(jìn)行了鍍Ti處理。鍍覆過后cBN顆粒的表面形成了cBN-TiB2-TiN-Ti的過渡結(jié)構(gòu)[10]，此結(jié)構(gòu)的形成對(duì)TiN0.3與cBN之間的結(jié)合具有促進(jìn)作用。圖9為TiN0.3與鍍Ti后cBN界面結(jié)合區(qū)域元素分布的EDS線掃描，圖9a為界面反應(yīng)區(qū)域元素分布數(shù)據(jù)采集所對(duì)應(yīng)的SEM圖像，圖9b、9c和9d分別為Ti、B和N元素在界面兩側(cè)的分布。Ti元素的分布在界面處出現(xiàn)了較寬范圍的過渡，并形成了均勻變化的Ti元素的濃度梯度分布，Ti元素過渡層的厚度大約為2μm。過渡層的變厚說明了界面處的元素交換程度增強(qiáng)，更好地實(shí)現(xiàn)了界面處成分的過渡，這種變化不僅能增強(qiáng)界面的結(jié)合強(qiáng)度，還緩和了界面處由于熱膨脹系數(shù)的失配導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力集中和界面的開裂。

圖8 TiN0.3/AlN/cBN燒結(jié)體XRD圖譜Fig.8 XRD pattern of TiN0.3/AlN/CBN sintered compact

圖9 TiN0.3/鍍TicBN界面EDS線掃描(a)SEM圖像；(b)Ti；(c)B；(d)NFig.9 EDS liner scan of TiN0.3/Ti coated CBN interface

圖10 TiN0.3/AlN與鍍TicBN界面EDS線掃描(a)SEM圖像；(b)Ti；(c)Al；(d)BFig.10 EDS liner scan of TiN0.3/AlN and Ti coated cBN interface

圖10為TiN0.3/AlN與鍍Ti后cBN界面結(jié)合區(qū)域元素分布的EDS線掃描，圖10a為界面反應(yīng)區(qū)域元素分布數(shù)據(jù)采集所對(duì)應(yīng)的SEM圖像，圖10b、10c和10d分別為Ti、Al和B元素在界面兩側(cè)的分布。除了Ti元素的分布在界面處出現(xiàn)了較寬范圍的過渡外，Al元素在TiN0.3/AlN與cBN的界面形成了聚集區(qū)域。這種界面特點(diǎn)形成的原因?yàn)椋篈l原子擴(kuò)散到cBN表層與B原子進(jìn)行置換時(shí)受到了鍍層的阻礙，TiB2過渡層形成了Al原子擴(kuò)散進(jìn)入cBN內(nèi)的屏障。因此，cBN的表層出現(xiàn)了Al元素聚集區(qū)域。Al元素在cBN表層的聚集會(huì)對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

3.4 TiN0.3對(duì)PcBN致密化燒結(jié)的影響

固相燒結(jié)與液相燒結(jié)過程相比，由于固態(tài)物質(zhì)在高溫下的擴(kuò)散傳質(zhì)能力遠(yuǎn)低于液相，因此材料的固相燒結(jié)較難實(shí)現(xiàn)快速致密化并達(dá)到較高的致密度。對(duì)于過渡金屬碳化物與氮化物強(qiáng)共價(jià)鍵材料，由于此類材料具有高熔點(diǎn)和低自擴(kuò)散系數(shù)，固相燒結(jié)較難達(dá)到較高的致密度。因此，研究PcBN燒結(jié)體致密化過程對(duì)于高性能PcBN的制備具有重要的指導(dǎo)意義。

圖11為使用10μm單一粒度的cBN顆粒，cBN含量為70～95 vol.%時(shí)，1500 ℃、5 GPa、10 min燒結(jié)條件下的PcBN燒結(jié)體的維氏硬度隨cBN含量的變化。PcBN燒結(jié)體采用了TiN0.3與TiN0.3/AlN兩種結(jié)合劑，圖中顯示出兩種燒結(jié)體在cBN含量為80 vol.%以下時(shí)維氏硬度隨cBN含量增加而升高，并在cBN含量為80 vol.%時(shí)分別達(dá)到了最大值38.6 GPa和42.6 GPa，但當(dāng)cBN含量高于80 vol.%時(shí)，兩種燒結(jié)體的維氏硬度隨cBN含量增加而降低。

圖11 PcBN維氏硬度隨cBN含量變化曲線(cBN粒度10μm)Fig.11 the changing curve of PcBN Vickers hardness with different cBN contents (cBN particle size: 10μm)

維氏硬度隨cBN含量增加而升高的原因可解釋為：在燒結(jié)體具有較高的致密度前提下，燒結(jié)體的硬度隨硬質(zhì)相含量的增加而升高。維氏硬度隨cBN含量增加而降低的原因可解釋為：當(dāng)cBN含量高于80 vol.%時(shí)，單一粒度的cBN顆粒容易在燒結(jié)體內(nèi)部形成孔洞，使得燒結(jié)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松，這種情況在更高cBN含量時(shí)表現(xiàn)得尤為嚴(yán)重，因此導(dǎo)致了燒結(jié)體硬度的下降。

圖12為兩種燒結(jié)體的密度隨cBN含量的變化曲線。當(dāng)cBN含量低于80 vol.%時(shí)，燒結(jié)體的實(shí)測(cè)密度與理論密度值相差較小并且具有較高程度的吻合。當(dāng)cBN含量高于80 vol.%時(shí)，燒結(jié)體的實(shí)測(cè)密度低于理論密度值，并且cBN含量越高實(shí)測(cè)密度與理論密度值相差越大。對(duì)于TiN0.3/AlN結(jié)合劑PcBN燒結(jié)體的密度需要做出說明的是，燒結(jié)后PcBN燒結(jié)體內(nèi)部有不同程度的相變，如圖13所示，XRD圖譜顯示除了初始成分TiN0.3、AlN和cBN外，由反應(yīng)產(chǎn)生的新相TiB2和Al2O3也同時(shí)存在，這些新相的生成偏離了原始材料的成分配比，因此導(dǎo)致燒結(jié)體實(shí)測(cè)密度高于理論密度。

圖12 PcBN密度隨cBN含量變化曲線(cBN粒度10μm)Fig.12 the changing curve of PcBN density with different cBN contents (cBN particle size: 10μm)

圖13 TiN0.3/AlN結(jié)合劑PcBN XRD圖譜Fig.13 the XRD spectrum of TiN0.3/AlN binding agent-PcBN

圖14為使用10μm與1μm混合粒度的cBN顆粒、cBN含量為40～95 vol.%時(shí)，1500 ℃、5 GPa、10 min燒結(jié)條件下的PcBN燒結(jié)體的維氏硬度隨cBN含量的變化。PcBN燒結(jié)體采用TiN0.3/AlN作為結(jié)合劑，圖中顯示出燒結(jié)體在cBN含量為90 vol.%以下時(shí)維氏硬度隨cBN含量增加而升高，在cBN含量為90 vol.%時(shí)維氏硬度達(dá)到了最大值44.6 GPa，在cBN含量為95 vol.%時(shí)維氏硬度略有降低。維氏硬度隨cBN含量增加而升高的原因可解釋為：由于燒結(jié)體cBN粒度配比的變化，較小cBN顆粒的填充使得燒結(jié)體在更高cBN含量時(shí)達(dá)到了較高的致密度，因此燒結(jié)體的硬度隨硬質(zhì)相含量的增加而升高。但是粒度配比對(duì)提高致密度的作用有限，當(dāng)cBN含量大于90 vol.%時(shí)，致密度的下降導(dǎo)致了維氏硬度略有降低。

圖14 PcBN維氏硬度隨cBN含量變化曲線(cBN粒度1～10μm)Fig.14 the changing curve of PcBN Vickers hardness with different cBN contents (cBN particle size: 1-10μm)

燒結(jié)體密度的變化證實(shí)了這一結(jié)論，圖15為燒結(jié)體的密度隨cBN含量變化的曲線。在此燒結(jié)條件下，燒結(jié)體在較寬的cBN含量范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)密度與理論密度值具有較高程度的吻合并且達(dá)到了較高的致密度。

圖15 PcBN密度隨cBN含量變化曲線(cBN粒度1-10μm)Fig.15 the changing curve of PcBN density with different cBN contents (cBN particle size: 1-10μm)

圖16為采用TiN0.3/AlN作為結(jié)合劑，單一粒度與混合粒度的PcBN在1500 ℃、5 GPa、10 min條件下燒結(jié)后燒結(jié)體斷口的SEM形貌。圖16a與圖16b分別采用了cBN含量為80 vol.%和90 vol.%單一粒度的cBN顆粒。當(dāng)cBN含量為80 vol.%時(shí)，燒結(jié)體較為致密，并且cBN顆粒之間的搭接現(xiàn)象不明顯，cBN顆粒與結(jié)合劑之間結(jié)合得較為牢固，樣品斷口處多數(shù)cBN顆粒表現(xiàn)為穿晶斷裂模式。當(dāng)cBN含量為90 vol.%時(shí)，較大cBN顆粒之間搭接處形成了孔洞與疏松，燒結(jié)體的致密性下降，如圖16b中的橢圓框選區(qū)域所示，并且由于結(jié)合劑在燒結(jié)體中相對(duì)含量的降低，cBN顆粒與結(jié)合劑之間的結(jié)合性變差，樣品斷裂后形成穿晶斷裂模式的cBN顆粒數(shù)量減少，多數(shù)沿著cBN顆粒與結(jié)合劑的結(jié)合界面斷裂因而形成了沿晶斷裂模式。圖16c與圖16d分別采用了cBN含量為80 vol.%和90 vol.%混合粒度的cBN顆粒。由于較大cBN顆粒之間的部分被結(jié)合劑與較小的cBN顆粒共同填充，基本消除了較大cBN顆粒之間搭接，無論在cBN含量為80 vol.%和90 vol.%時(shí)均未發(fā)現(xiàn)cBN顆粒搭接形成的孔洞與疏松，并且cBN顆粒與結(jié)合劑之間結(jié)合得較為牢固，樣品斷裂后多數(shù)較大cBN顆粒表現(xiàn)為穿晶斷裂模式。采用混合粒度的PcBN有利于實(shí)現(xiàn)在更高cBN含量時(shí)cBN顆粒與結(jié)合劑之間的結(jié)合并提高燒結(jié)體的致密化程度。

圖16 單一粒度與混合粒度PcBN斷口SEM圖像：單一粒度(a)80 vol.%；(b)90 vol.%，混合粒度(c)80 vol.%；(d)90 vol.%Fig.16 SEM image of single particle size and mixed size PcBN fracture Single particle size

3.5 TiN0.3對(duì)PcBN綜合性能的影響

3.5.1 對(duì)硬度的影響

硬度作為衡量PcBN刀具材料性能的其中一個(gè)重要指標(biāo)，體現(xiàn)了PcBN在加工過程中抵抗外力的變形能力。

圖17為元素六公司幾種PcBN刀具測(cè)試得到的硬度。cBN含量在90 vol.%以下的PcBN大多采用TiN、TiC或TiCN作為結(jié)合劑主相，cBN含量在80～90 vol.%時(shí)，硬度值大多分布在30～40 GPa，cBN含量在70～80 vol.%時(shí)，硬度值大多分布在25～35 GPa。cBN含量在90 vol.%以上的PcBN大多采用Co、W或Al作為結(jié)合劑主相，硬度值大多分布在40～45 GPa。

圖18為本文研究中部分樣品測(cè)試得到的硬度。由于刀具所涉及的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橛操|(zhì)鋼的精加工，因此PcBN主要集中在中低cBN含量的刀具上。PcBN全部采用TiN0.3作為結(jié)合劑的主體并添加部分其它過渡金屬氮化物或碳化物。cBN含量在40～50 vol.%的PcBN硬度值大多分布在20～30 GPa，cBN含量在50～70 vol.%的PcBN硬度值大多分布在30～35 GPa，cBN含量在70～90 vol.%的PcBN硬度值大多分布在40～45 GPa。PcBN的硬度值隨cBN含量的增加而升高，較低cBN含量PcBN的硬度足以抵抗加工過程中外力所帶來的變形，較高cBN含量的PcBN具有更高的強(qiáng)度，因此可以抵抗更強(qiáng)烈的連續(xù)或斷續(xù)加工過程中外力的沖擊。

圖17 元素六公司幾種PcBN刀具硬度分布圖Fig.17 the hardness distribution diagrams of some kinds of PcBN cutting tools from Element Six

圖18 本文研究中所制備PcBN硬度分布圖Fig.18 the hardness distribution diagrams of PcBN prepared in the study of this article

3.5.2 PcBN對(duì)高溫穩(wěn)定性的影響

高溫穩(wěn)定性也是衡量PcBN刀具材料性能的其中一個(gè)重要指標(biāo)，體現(xiàn)了PcBN在加工時(shí)從室溫到高溫的熱循環(huán)過程中，材料抵抗熱應(yīng)力所帶來的刀具破損開裂和高溫所帶來的表層氧化的性能。

耐高溫性實(shí)驗(yàn)采用在空氣環(huán)境下，900 ℃的馬弗爐中將樣品加熱10 min直至紅熱狀態(tài)后取出空冷，循環(huán)次數(shù)28次，測(cè)試樣品代號(hào)分別為TA8010、TAT8010、TA805、TA605、TA601和TA451。結(jié)果顯示所有樣品在高溫冷卻熱循環(huán)作用下并未出現(xiàn)熱應(yīng)力所導(dǎo)致的破損和開裂，高溫導(dǎo)致了樣品表層不同程度的輕微氧化，抗氧化能力按樣品序號(hào)順序依次增強(qiáng)。

3.5.3 PcBN對(duì)抗磨損性的影響

耐磨性是衡量PcBN刀具材料使用壽命的一個(gè)重要指標(biāo)，體現(xiàn)了PcBN在加工過程中抵抗機(jī)械或化學(xué)作用下導(dǎo)致的破損變形能力。

磨耗比測(cè)試是衡量PcBN耐磨性方法其中之一，磨削對(duì)象為粒度為180μm的SiC砂輪。測(cè)試過程中砂輪的轉(zhuǎn)速為5000 r/min，砂輪垂直向下進(jìn)給，單次進(jìn)給量0.01 mm，樣品沿著砂輪軸向擺動(dòng)。磨耗比的測(cè)試分別采用了樣品代號(hào)為TA605與TA8010的PcBN為測(cè)試對(duì)象，結(jié)果顯示TA605的磨耗比平均值達(dá)到了2000，TA8010的磨耗比平均值達(dá)到了4000。由于測(cè)試過程中PcBN的磨損主要由較大的SiC硬質(zhì)顆粒對(duì)樣品的剛性沖擊所引起，TA8010表現(xiàn)出了比TA605更高的強(qiáng)度與抗硬質(zhì)顆粒的沖擊性，因此TA8010更適合加工帶有鑄造砂眼或碳化物硬質(zhì)顆粒析出的鑄鐵。

3.5.4 PcBN干切削淬火鋼

將用于切削測(cè)試的PcBN樣品經(jīng)過切割、磨平、拋光、倒角，再焊接到硬質(zhì)合金基座上后制作成ISO型號(hào)的刀具，將刀具用于淬火鋼與合金鋼的連續(xù)和弱斷續(xù)干式切削，做斷續(xù)切削時(shí)工件具有軸向V形凹槽，以檢驗(yàn)在達(dá)到刀具破損或使用壽命之前刀具的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、抗磨損性，以及被加工工件的尺寸精度和表面粗糙度。

圖19是代號(hào)為TA8010和TAT8010的兩種刀具在連續(xù)與斷續(xù)切削淬火鋼之后前刀面與后刀面的磨損情況。試驗(yàn)中所用的被切削材料為硬度大于60 HRC的GCr15淬火鋼。

TA8010與TAT8010在切削過程中均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐崩損性，切削火花正常，切屑為紫色線形片狀。切削時(shí)的高速摩擦使得切屑的溫度通常能夠達(dá)到1000 ℃以上，并且高溫切屑主要作用在刀尖部位，因此刀具的前刀面出現(xiàn)了由于高溫切屑導(dǎo)致的弧坑磨損，同時(shí)刀具的后刀面出現(xiàn)了以機(jī)械磨損為主的不同程度的磨損。TA8010刀具的斷續(xù)切削相比于連續(xù)切削采用了較低的切削速度，由于斷續(xù)切削伴隨著工件對(duì)刀具的沖擊和切削刃處的冷熱循環(huán)，因此TA8010刀具的斷續(xù)切削相比于連續(xù)切削前刀面出現(xiàn)了更大的弧坑磨損，但后刀面的磨損量相同，在前刀面的弧坑磨損不至于導(dǎo)致崩刃，或后刀面不出現(xiàn)較大磨損的前提下，才能夠保證刀具的壽命和工件的尺寸精度。做斷續(xù)切削時(shí)TAT8010刀具的前刀面與后刀面較TA8010刀具均呈現(xiàn)出了更小的磨損。切削之后工件的表面粗糙度小于Ra0.8，達(dá)到了工件的尺寸精度和精加工對(duì)表面粗糙度的要求。

圖19 TA8010和TAT8010刀具在連續(xù)與斷續(xù)切削淬火鋼前刀面與后刀面磨損情況Fig.19 the wear patterns for the rack faces and flank faces of TA8010 and TAT8010 cutting tools used for continuous and interrupted cutting of hardened steel

圖20是代號(hào)為TA805、TAA805和TA601的三種刀具在連續(xù)切削合金鋼之后前刀面與后刀面的磨損情況。試驗(yàn)中所用的被切削材料是硬度為58～62 HRC的20CrMnTi合金鋼，切削過程保持了較高的切削速度。

圖20 TA805，TAA805，和TA601刀具在連續(xù)切削合金鋼前刀面與后刀面磨損情況Fig.20 the wear patterns for the rack faces and flank faces of TA805, TAA805 and TA601 cutting tools used for continuous and interrupted cutting of alloy steel

TA805、TAA805和TA601刀具在整個(gè)切削過程中均未出現(xiàn)崩損，切削火花正常，切屑為紫色線形片狀，刀具的前刀面均出現(xiàn)了由于高溫切屑導(dǎo)致的弧坑磨損，同時(shí)，后刀面也出現(xiàn)了不同程度的磨損。TAA805刀具的前刀面弧坑磨損寬度略小于TA805和TA601刀具，刀具前刀面弧坑磨損深度從TA805、TAA805到TA601依次減小。TA805刀具后刀面磨損量最大，磨損形式以機(jī)械磨損為主并有cBN顆粒脫落現(xiàn)象。TAA805刀具的后刀面磨損量較小，可清晰地觀察到機(jī)械磨損形式特征的磨損帶。TA601刀具后刀面磨損量最小并且磨損處平滑，后刀面的磨損尚未對(duì)切削刃造成較大影響。TA601刀具表現(xiàn)出比TA805和TAA805刀具更優(yōu)異的耐磨損性能。工件加工后均達(dá)到了尺寸精度和表面粗糙度的要求，工件表面粗糙度小于Ra0.8。

PcBN干切削原理是利用PcBN的高溫硬度，以及高速切削產(chǎn)生的切削熱形成被加工材料表層的軟化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬質(zhì)鋼的切削。目前主流的PcBN干切削刀具是以TiN、TiC或Ti(C,N)做結(jié)合劑，并添加少量的Co、W、Al等金屬元素作為促燒結(jié)劑，低熔點(diǎn)金屬元素的存在造成了PcBN高溫硬度的降低，因此此類PcBN干切削時(shí)的線速度通常保持在200 m/min以下，更高的切削速度將導(dǎo)致PcBN刀尖部位的軟化。本研究中采用了純陶瓷相作為PcBN結(jié)合劑，PcBN內(nèi)無低熔點(diǎn)或低硬度相的存在，因此能夠在更高的溫度與切削速度下保持較高的硬度。較低的切削速度和PcBN的高導(dǎo)熱性使刀尖不能積累足夠的切削熱來軟化硬質(zhì)鋼，加劇了硬質(zhì)鋼對(duì)具有一定脆性的PcBN的沖擊與磨損。因此，更高的切削速度下才能體現(xiàn)此類PcBN的性能。

4 結(jié) 論

(1)TiN0.3與cBN復(fù)合后的界面通過中間相TiB2相結(jié)合，AlN的加入促進(jìn)了的TiB2生成，并改善了TiN0.3與cBN熱膨脹系數(shù)的失配。cBN表面鍍Ti后實(shí)現(xiàn)了界面成分的過渡，加入AlN后界面出現(xiàn)了Al元素的聚集。采用混合粒度的cBN可提高PcBN的致密化程度，實(shí)現(xiàn)更高cBN含量下PcBN的致密化燒結(jié)。

(2)采用TiN0.3作為結(jié)合劑主相，在結(jié)合相中添加其它強(qiáng)共價(jià)鍵類金屬碳化物或氮化物，通過對(duì)原料成分與合成條件的控制，燒結(jié)后獲得了無低熔點(diǎn)或低硬度相致密的PcBN燒結(jié)體。PcBN燒結(jié)體具有高硬度、高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐高溫性和耐磨損性。

(3)通過以TiN0.3作為結(jié)合劑主相與cBN的結(jié)合，成功制備了系列PcBN材料刀具，每個(gè)種類的PcBN材料都被用來設(shè)計(jì)制備成刀具以滿足特殊要求的金屬切削過程，能對(duì)淬火鋼等硬質(zhì)鋼進(jìn)行高速、高精度和高效切削，使以往主要采用磨削加工的難加工材料實(shí)現(xiàn)了切削化加工。

致 謝：本項(xiàng)目的研究得到河北省政府多部門項(xiàng)目資助，E2016203425、E2017203223、15041108Z、ZD2017074、ZD2017026，及河北省首批青年拔尖人才支持計(jì)劃，微米金剛石對(duì)碳納米蔥燒結(jié)行為的影響規(guī)律及機(jī)理研究，及QN20131092、ZX01-20140100-01、JX2014-3、E2015203232、2015T80895等項(xiàng)目的支持，在此一并表示感謝！

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The Influence of Covalent Compound Ceramic Bond on Composite Materials of PcBN Cutting Tools for Dry Cutting

DENG Hua1, PAN Tian-hao1, ZHANG Zhi-chao2, WANG Ming-zhi2*, XING Ying1, LI Yu1, WU Di2, ZHAO Yu-cheng2

(1.JingriDiamondIndustrialCo.Ltd.,Yanjiao,Hebei065201,China; 2.StateKeyLaboratotryforPreparationTechnologyandScienceofMetastableMaterials,YanshanUniversity,Qinghuangdao,Hebei066004,China)

As a result of the bonding agent, the raditional PcBN tool material has defects such as low overall thermal stability and low abrasion resistance. In view of these problems, the influence of some methods such as nonstoichiometry TiN0.3, TiN0.3+AlN and cBN surface titanizing on the bonding between bonding agent and cBN interface has been studied, and the influence of the phase formed on the interface on PcBN performance has been discussed; In this paper, the polished surface and fracture surface of the samples were observed by SEM, the element distribution at the interface was analyzed by EDS, and the phase composition of the sample was analyzed by XRD; the density of samples was measured by Archimedes drainage method, and the Vickers hardness was measured by Vickers hardness tester. The cutting performance of PcBN cutter was tested by high precision digital controlled lathe. Result shows that the interface of TiN0.3and cBN is combined by intermediate phase TiB2, and AlN promotes the generation of TiB2and improves the mismatch of thermal expansion coefficient between TiN0.3and cBN. Transition of interfacial components has been realized after cBN surface titanizing, and aggregation of Al elements on interface can be found when AlN has been introduced in. PcBN sintered compact without low melting point or low hardness has been prepared after sintering, using TiN0.3as the principal phase of the binding agent. Duing the process, strong covalent bond metal carbides or nitride were added into the binding phase and the raw material composition and synthesis conditions were strictly controled. PcBN sintered compact has the characteristics of high hardness, high strength, excellent high temperature resistance and wear resistance. Series of PcBN cutting tool materials have been successfully prepared through the combination with cBN, using TiN0.3as the principal phase of the binding agent. These materials are all used for the high speed, high precision and high efficiency cutting of hard steel such as chilled steel. Cutting of difficult-to-machine material which used to be machined through grinding method has been realized.

covalent compound; ceramic bond; interface diffusion; dry cutting

2017-03-28

河北省政府基金項(xiàng)目資助(E2016203425、E2017203223、15041108Z、ZD2017074、ZD2017026)；河北省首批青年拔尖人才支持計(jì)劃基金項(xiàng)目資持(QN20131092、ZX01-20140100-01、JX2014-3、E2015203232、2015T80895)

鄧華(1968-)，女，高級(jí)工程師，主要研究方向：超硬材料及其復(fù)合材料。E-mail：838242463@qq.com

王明智，男，1952年出生。教授，博導(dǎo)，研究員。主要研究方向：無機(jī)非金屬材料。 E-mail：wmzw@ysu.edu.cn

鄧華，潘天浩，張志超，等.共價(jià)鍵化合物陶瓷結(jié)合劑對(duì)干切削PcBN刀具復(fù)合材料的影響[J].超硬材料工程，2017，29(3)：1-12.

TQ164

A

1673-1433(2017)03-0001-12