穆龍閣， 高會(huì)強(qiáng)， 王永峰， 王志起， 李鶴南， 雷來貴， 吳武山， 許本超, 2

(1. 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司, 鄭州450001) (2. 超硬材料磨具國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鄭州 450001)

立方氮化硼的硬度、耐磨性、導(dǎo)熱性僅次于金剛石，化學(xué)惰性優(yōu)于金剛石，在高溫下不易受鐵、鈷、鎳等金屬侵蝕，因此是加工黑色金屬最理想的材料[1]。

由于PCBN刀片在黑色金屬零件的加工中，具有高硬度、高耐磨性、高紅硬性、化學(xué)惰性和極高的耐用度(其耐用度為硬質(zhì)合金刀片的10倍以上，陶瓷刀片的5倍以上)，而且加工后的工件具有良好的尺寸精度、粗糙度，可以實(shí)現(xiàn)以車代磨，因此大量用于自動(dòng)機(jī)床、數(shù)控機(jī)床以及自動(dòng)生產(chǎn)線上[2]。據(jù)國內(nèi)外市場(chǎng)分析，PCBN刀片占整個(gè)刀片市場(chǎng)的8%以上，并以每年10%以上的速度遞增。國際市場(chǎng)的需求量約每年70億美元，其中中國市場(chǎng)大約4億美元。雖然我國研究與制造PCBN材料已有40余年，但基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)研究及原材料制備工藝落后，高性能PCBN復(fù)合片仍然有80%左右要從日本住友電工、瑞典山高、英國元素六等公司進(jìn)口，因此，相關(guān)研究在我國有很大的進(jìn)步空間。

用來加工淬火鋼的低含量PCBN刀具，加工過程中容易出現(xiàn)崩口、破損現(xiàn)象，制成的刀具耐用度低，加工線速度、吃刀深度、走刀量都較低，嚴(yán)重影響了淬火鋼的加工質(zhì)量和加工效率。常規(guī)生產(chǎn)此類PCBN的燒結(jié)壓力基本在6 GPa以下，嚴(yán)重影響PCBN復(fù)合片的性能。本試驗(yàn)采用桂冶重工鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)，優(yōu)化葉蠟石塊制成工藝、組裝塊結(jié)構(gòu)，提高PCBN燒結(jié)壓力，以研究不同梯度燒結(jié)壓力(5.66～7.56 GPa)對(duì)低含量PCBN復(fù)合片性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為CBN微粉(粒度尺寸<1 μm，純度為99.9%)，金屬、陶瓷結(jié)合劑(粒度尺寸<1 μm)。CBN微粉和結(jié)合劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)各占50%進(jìn)行配料，均勻混料后，和硬質(zhì)合金一起裝填到難熔杯中，液壓機(jī)冷壓之后，和其他組裝件一起組合成組裝塊。

六面頂壓機(jī)采用高精度控溫控壓系統(tǒng)，壓力控制精度0.01 MPa，電壓控制精度0.001 V，功率控制精度0.001 kW。系統(tǒng)主界面主要分4個(gè)區(qū)域：實(shí)時(shí)測(cè)量顯示區(qū)域可顯示系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)和實(shí)時(shí)壓力、電壓、二次電壓、二次電流、電阻、功率等參數(shù)；主菜單區(qū)域可以查詢歷史記錄、工藝曲線編制、參數(shù)設(shè)置；常用信息顯示區(qū)域可顯示運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行狀態(tài)、閥體工作狀態(tài)等；工藝曲線顯示區(qū)域可顯示設(shè)定的工藝曲線和實(shí)時(shí)采集曲線(電壓、電流、電阻、功率、壓力)。通過這套系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)控制PCBN的燒結(jié)工藝。

圖1 高精度控溫控壓系統(tǒng)主界面

試驗(yàn)中，用粉末冶金技術(shù)在高溫高壓下合成PCBN復(fù)合片。高壓腔壓力分6個(gè)梯度，分別為5.66 GPa、6.04 GPa、6.42 GPa、6.80 GPa、7.18 GPa、7.56 GPa，不同的試驗(yàn)條件下只調(diào)整最高壓力值，升壓段和降壓段由高精度控溫控壓系統(tǒng)自動(dòng)生成，溫度范圍1 550～1 650 ℃，合成時(shí)間600 s，7.56 GPa壓力的合成工藝如圖2所示。

圖2 7.56 GP壓力下PCBN的合成工藝

采用缸徑650 mm的六面頂壓機(jī)，大墊塊、小墊塊、鋼環(huán)、硬質(zhì)合金頂錘經(jīng)過特殊計(jì)算設(shè)計(jì)，以保證6個(gè)頂錘的對(duì)中度，降低錘耗，也降低超高壓泵的連續(xù)工作時(shí)間，提高整機(jī)的安全性并延長(zhǎng)使用壽命。

葉蠟石塊6個(gè)面采用增壓墊，當(dāng)6個(gè)活塞同步前進(jìn)時(shí)，6個(gè)頂錘壓縮中心的葉蠟石組裝塊形成溢流楔形飛邊而自行密封，使高壓腔中產(chǎn)生超高壓力p。超高壓力p可按下式計(jì)算：

(1)

式中：F為壓機(jī)單缸壓力，S為高壓腔橫切面積，η為壓機(jī)壓力的有效利用率。根據(jù)圖3的組裝結(jié)構(gòu)[3]，組裝塊的6個(gè)面各有一片增壓墊，η取經(jīng)驗(yàn)值60%。

圖3 PCBN組裝圖

1.2測(cè)試

(1)用自定義的快速磨耗比檢測(cè)方法測(cè)量樣品的體積磨耗比;(2)用美國司諾超聲掃描顯微鏡sonoscan-D9600檢測(cè)樣品平整度和內(nèi)部缺陷；(3)用美國FEI INSPECT S50掃描電鏡分析樣品的微觀結(jié)構(gòu)；(4)樣品做成成品刀具CCMT120404與住友電工BNX20、元素六DCC500刀具在數(shù)控車床LGMazak-QTN200ⅡMSL上進(jìn)行車削試驗(yàn)對(duì)比，用日本基恩士超景深三維數(shù)碼顯微鏡KEYENCE VHX-2000檢測(cè)刀尖磨損情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 體積磨耗比

傳統(tǒng)磨耗比檢測(cè)是質(zhì)量磨耗比，檢測(cè)過程耗時(shí)、費(fèi)力，對(duì)檢測(cè)環(huán)境和檢測(cè)儀器要求較高，在實(shí)際生產(chǎn)中難以快速響應(yīng)。體積磨耗比檢測(cè)法對(duì)檢測(cè)環(huán)境和檢測(cè)設(shè)備要求不高，過程簡(jiǎn)便、快速，不需要感量為0.001 mg的電子天平，也不必對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行消磁，以及嚴(yán)格的清洗與干燥，從而大大縮短了檢測(cè)時(shí)間，減少了測(cè)量誤差。檢測(cè)方式如圖4所示。

(a)測(cè)試示意圖Test schematic(b)測(cè)試后的扇形塊和正方塊樣品Fan and square samples after testing圖4 體積磨耗比檢測(cè)方式Fig. 4 Volume wear ratio detection method

圖4a為測(cè)試示意圖，砂輪為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)磨耗比用碳化硅砂輪，直角扇形或正方塊樣品以角向上空間45°裝夾在工裝上，砂輪的初始直徑D1，磨損后直徑D2；圖4b為測(cè)試后的試塊，可以視為長(zhǎng)方體一個(gè)角被空間45°斜切，a、b為試塊被砂輪磨削后的三角形的邊長(zhǎng)。用工具顯微鏡測(cè)量a和b的長(zhǎng)度，用下式計(jì)算體積磨耗比Q：

(2)

Q值大磨耗比高，Q值小磨耗比低。

圖5是不同壓力下所制樣品的體積磨耗比檢測(cè)結(jié)果。從圖5中可以看出：壓力提高，樣品體積磨耗比隨之提高；7.18 GPa和7.56 GPa壓力下樣品的體積磨耗比相當(dāng)，較5.66 GPa下的提高約35%，這充分證明提高燒結(jié)壓力能夠提高PCBN的耐磨性。

圖5 不同壓力下樣品體積磨耗比檢測(cè)結(jié)果

2.2超聲掃描顯微鏡檢測(cè)

PCBN復(fù)合片使用時(shí)需采用激光或電火花線切割加工成相應(yīng)形狀、尺寸的刀尖，為了保證刀尖的品質(zhì)良好，要求CBN層厚度均勻，無分層、裂紋。超聲掃描顯微鏡在斷層掃描模式下能夠同時(shí)無損檢測(cè)出同一片樣品的CBN層厚度和內(nèi)部缺陷，具有典型缺陷產(chǎn)品的超聲掃描結(jié)果如圖6所示，其中，厚度檢測(cè)結(jié)果以彩色圖像顯示，結(jié)合對(duì)照?qǐng)D判斷厚度；內(nèi)部缺陷以黑白圖像顯示。圖6a和圖6c為彩色圖像，根據(jù)下方彩色尺度條判斷CBN層厚度分布。圖6a樣品厚度0.76～0.88 mm，且0.86 mm厚度分布區(qū)域較多；圖6c樣品厚度0.72～0.88 mm，中間厚四周薄，且變形量較大。圖6b、圖6d黑白圖像中的黑灰陰影，分別顯示典型的分層和裂紋特征。

(a)平整度(b)內(nèi)部分層 (c)平整度(d)內(nèi)部裂紋

圖7為試驗(yàn)所得樣品的超聲掃描檢測(cè)結(jié)果，由于產(chǎn)品的配方、組裝結(jié)構(gòu)、燒結(jié)工藝等較為成熟，沒有出現(xiàn)分層、裂紋等內(nèi)部缺陷，但是CBN層的厚度一致性較差。圖7a的CBN層0.76～0.86 mm，左下側(cè)有部分0.76 mm紅色區(qū)域，0.82 mm綠色區(qū)域偏右，樣品平整度較差；圖7b的CBN層0.76～0.86 mm，0.80～0.82 mm厚度區(qū)域較大且集中在中心部位，厚度分布較圖7a的更均勻；圖7c的CBN層0.82～0.86 mm，厚度差縮小，但是厚度分布不均勻；圖7d的CBN層0.80～0.86 mm，雖然厚度差依然較大，但厚度分布較均勻；圖7e的CBN層0.80～0.86 mm，0.80～0.82 mm區(qū)域占比較大，平整度較好；圖7f的CBN層0.80～0.86 mm，90%的區(qū)域是0.80～0.82 mm，厚度分布均勻，平整度最好。

由圖7可以看出：燒結(jié)壓力升高，樣品的平整性提高。這可能是在較高的燒結(jié)壓力下整個(gè)高壓腔趨于熱等靜壓狀態(tài)，從四周到中心的壓力梯度和溫度梯度減小所致。這表明，提高燒結(jié)壓力有助于提高CBN層的平整度。

(a) 5.66 GPa(b) 6.04 GPa(c) 6.42 GPa(d) 6.80 GPa(e) 7.18 GPa(f) 7.56 GPa圖7 超聲掃描檢測(cè)平整度和缺陷Fig. 7 Ultrasonic scanning to detect flatness and defects

2.3 樣品掃描電鏡分析

PCBN在超高壓燒結(jié)過程中，結(jié)合劑與CBN顆粒重排，孔隙被均勻填充，結(jié)合劑與CBN之間相互鍵合，形成了致密的鍵聯(lián)作用。樣品拋光后的電鏡檢測(cè)如圖8所示。圖8中的CBN層組織均勻一致，沒有空洞、團(tuán)聚等現(xiàn)象。5.66 GPa的樣品襯底和CBN層界線很明顯(圖8a)，微觀結(jié)構(gòu)沒有變化。隨著壓力提高，CBN顆粒有較為明顯的破碎重排現(xiàn)象，從6.80 GPa(圖8d)開始，襯底和CBN層的結(jié)合面處顆粒有破碎、相互滲透的現(xiàn)象，特別是7.56 GPa(圖8f)的結(jié)合面， 相互滲透的現(xiàn)象更為明顯，這使得結(jié)合面處組織更為致密均勻，復(fù)合層的結(jié)合強(qiáng)度更高。這可能是更高的壓力和溫度，可以給物質(zhì)運(yùn)動(dòng)提供更高的能量，使其活性增強(qiáng)，能夠促進(jìn)物質(zhì)向低濃度方向更多的擴(kuò)散[5]。這表明，更高的壓力能夠提高PCBN結(jié)合面的強(qiáng)度，減少分層、裂紋的發(fā)生。

(a) 5.66 GPa(b) 6.04 GPa(c) 6.42 GPa(d) 6.80 GPa(e) 7.18 GPa(f) 7.56 GPa圖8 不同壓力樣品微觀結(jié)構(gòu)Fig. 8 Microstructure of different pressure samples

2.4 樣品切削試驗(yàn)

PCBN只有做成成品刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)之后，才能最終確定其產(chǎn)品性能。試驗(yàn)選取日本住友電工的BNX20和英國元素六的DCC500作對(duì)比，將各PCBN材料制成CCMT120404外圓車刀進(jìn)行車削試驗(yàn)。機(jī)床：數(shù)控車床；工件：GCr15，58～62 HRC，φ100 mm×200 mm；切削參數(shù)：切削速度vc=130 m/min，進(jìn)給量f=0.1 mm/r，背吃刀量ap=0.15 mm，每種樣品切削2 000 m后檢測(cè)刀尖磨損情況[6]。

切削試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。6種試驗(yàn)刀具都沒有出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，說明樣品的韌性能夠滿足使用要求；5.66～6.80 GPa樣品刀尖出現(xiàn)月牙洼磨損，說明PCBN強(qiáng)度較低，耐磨損性較差，隨著燒結(jié)壓力升高，磨損的面積逐漸減小(圖9a～圖9d所示)，這與體積磨耗比檢測(cè)結(jié)果是吻合的，說明體積磨耗比檢測(cè)能夠反映PCBN的耐磨損性能；更高壓力的7.18 GPa和7.56 GPa沒有月牙洼磨損，是正常的機(jī)械磨損(圖9e、圖9f所示)，說明提高壓力能夠較為明顯地提高PCBN的耐磨損性能。對(duì)比圖9e～圖9h可以看出：超高燒結(jié)壓力7.18 GPa下的刀尖磨損量436 μm×131 μm和7.56 GPa下刀尖磨損量549 μm×121 μm與元素六DCC500的411 μm×142 μm及住友電工的402 μm×108 μm十分接近，說明其耐磨損性能接近。

(a) 5.66 GPa(b) 6.04 GPa(c) 6.42 GPa(d) 6.80 GPa(e) 7.18 GPa(f) 7.56 GPa(g) DCC500(h) BNX20圖9 刀尖磨損情況Fig. 9 Tool tip wear

3 結(jié)論

(1)超高燒結(jié)壓力能夠使CBN顆粒破碎重排，促進(jìn)組織致密化，提高PCBN的韌性和耐磨性。

(2)在超高壓力7.18 GPa和7.56 GPa下，PCBN樣品的平整性較好，CBN厚度差較小，產(chǎn)品在切割中的利用率較高。

(3)提高壓力，硬質(zhì)合金基體和CBN層的結(jié)合面逐漸出現(xiàn)一種“相互滲透擴(kuò)散”的現(xiàn)象，使結(jié)合面處組織更為致密均勻；繼續(xù)升高壓力，PCBN性能有望進(jìn)一步提高。