蘇 君，馮佩佩

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南陽(yáng) 473000)

0 引 言

立方氮化硼(cBN)具有與金剛石相似的結(jié)構(gòu)與性能，同時(shí)在高溫下不易與鐵系元素發(fā)生反應(yīng)，常制備成聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具用于加工鐵基金屬材料以及金剛石工具不能切削加工的難加工材料[1-3]。由cBN燒結(jié)制備的PCBN陶瓷材料具有硬度高、摩擦因數(shù)低，以及熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異等特點(diǎn)，作為刀具材料在現(xiàn)代切削加工中發(fā)揮著重要作用。然而，cBN具有很強(qiáng)的共價(jià)鍵，使用常規(guī)燒結(jié)方法制備PCBN陶瓷時(shí)很難實(shí)現(xiàn)致密化，需要將cBN顆粒和結(jié)合劑混合后在高溫高壓條件下進(jìn)行燒結(jié)[4-8]。結(jié)合劑是保證PCBN陶瓷刀具性能優(yōu)異的關(guān)鍵材料，主要包括鈦、鋁、鎢、鈷等金屬以及Al2O3、ZrO2、TiN、TiC等陶瓷顆粒[9-17]。Al2O3具有良好的耐熱性、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，是制備PCBN陶瓷常用的結(jié)合劑。只添加Al2O3顆粒燒結(jié)cBN時(shí)易發(fā)生燒結(jié)困難，燒結(jié)制備的PCBN陶瓷材料雖然耐磨性很好，但是韌性較差，在切削加工時(shí)容易發(fā)生刃口開裂，最終影響刀具的使用壽命。ZrO2是一種理想的增韌材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在陶瓷燒結(jié)領(lǐng)域[11-13]。金屬鋁在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中熔化形成液體并填充于cBN顆?？障?，有助于改善燒結(jié)性能，促進(jìn)PCBN的燒結(jié)致密；并且，鋁和cBN在高溫下反應(yīng)形成的AlN可以抑制cBN向六方氮化硼(hBN)的轉(zhuǎn)化，另外還可與微孔中殘留的氧反應(yīng)生成Al2O3而不會(huì)產(chǎn)生其他雜質(zhì)[15-17]。因此，作者以ZrO2、Al2O3和鋁粉作為結(jié)合劑，通過(guò)六面頂壓機(jī)在高溫高壓下燒結(jié)制備PCBN陶瓷，研究了該陶瓷的物相組成、微觀形貌、力學(xué)性能以及加工成刀具切削離心鑄鐵的性能。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料包括cBN粉，純度大于99.9%，粒徑在1～3 μm；鋁粉，純度大于99.9%，粒徑在1.0～1.5 μm；ZrO2粉，純度大于99.9%，粒徑為100 nm；Al2O3粉，純度大于99.9%，粒徑為100 nm。cBN粉由鄭州中南杰特超硬材料有限公司提供，鋁粉、ZrO2粉和Al2O3粉均由秦皇島-諾高新材料開發(fā)有限公司提供。按照cBN粉、ZrO2粉、Al2O3粉和鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為65%，18%，14%，3%進(jìn)行配料，將粉料放入不銹鋼球磨罐中，加入無(wú)水乙醇，用硬質(zhì)合金球?yàn)檠心デ蛟谛行乔蚰C(jī)上研磨混料3 h，主軸轉(zhuǎn)速為200 r·min-1，粉料、球和無(wú)水乙醇的質(zhì)量比為1…2…1.5。將球磨后的粉料取出，放入烘箱在120 ℃干燥6 h，然后裝入內(nèi)腔尺寸為φ33 mm×4.5 mm的鉬制模具，在HS-1200G-B型真空爐中于800 ℃真空處理1.5 h，真空度為1×10-2Pa，以去除表面殘留水分和雜質(zhì)；最后將粉料、傳壓葉臘石、鈦導(dǎo)片、鋼圈堵頭、石墨加熱體、鹽管等組裝成燒結(jié)塊后，放入六面頂壓機(jī)中進(jìn)行高溫高壓燒結(jié)，壓力為5.5 GPa，燒結(jié)溫度在1 300～1 600 ℃，保溫時(shí)間為700 s。

1.2 試驗(yàn)方法

采用X′pert PRO型X射線粉末衍射儀(XRD)檢測(cè)燒結(jié)陶瓷的物相組成，采用銅靶，掃描范圍為0.5°～130°。將燒結(jié)陶瓷打斷，使用s-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口微觀形貌，用附帶的能量色散X射線光譜儀(EDX)測(cè)試微區(qū)成分。根據(jù)GB/T 6569-1986，采用PS-281型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試樣尺寸為13.8 mm×4.0 mm×3.0 mm，跨距為10 mm，下壓速度為0.5 mm·min-1。根據(jù)阿基米德排水法測(cè)定相對(duì)密度，采用YDK01-C型密度天平稱量試樣質(zhì)量。采用HMAS-D1000SZ型維氏硬度計(jì)進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，試樣表面經(jīng)拋光處理，測(cè)試載荷為98.07 N，保載時(shí)間為10 s。維氏硬度測(cè)試結(jié)束后，試樣表面出現(xiàn)菱形壓痕，裂紋沿著菱形對(duì)角線方向向外延伸。測(cè)量裂紋橫向擴(kuò)展的尖端跨距長(zhǎng)度，代入經(jīng)驗(yàn)公式[18]即可計(jì)算得到斷裂韌度。

燒結(jié)陶瓷經(jīng)切割、焊接、刃磨等工藝后制成SNGN120408刀具，刀具圓角半徑為0.3 mm，刀具后角為-20°。在CAK4085Anj型車床上使用刀具進(jìn)行干式連續(xù)切削，切削速度為600 m·min-1，切削深度為0.2 mm，進(jìn)給量為0.2 mm·r-1。工件材料為離心鑄鐵圓棒，直徑120 mm，長(zhǎng)度350 mm。當(dāng)切削長(zhǎng)度達(dá)5 km和10 km時(shí)，采用KEYENCEVHX-200型超景深體視顯微鏡測(cè)量刀具后刀面磨損量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 物相組成與微觀形貌

由圖1可知，不同溫度燒結(jié)PCBN陶瓷試樣的主晶相均包括cBN、m-ZrO2、t-ZrO2、Al2O3、AlN和ZrN。AlN和ZrN是在高溫高壓過(guò)程中由鋁粉和cBN、m-ZrO2分別反應(yīng)形成的新相。t-ZrO2是由m-ZrO2相變產(chǎn)生的，其衍射峰強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的升高而增強(qiáng)，說(shuō)明t-ZrO2含量增加，提高燒結(jié)溫度有利于m-ZrO2相向t-ZrO2相轉(zhuǎn)變。隨著燒結(jié)溫度的升高，AlN(200)晶面、ZrN(111)晶面的衍射峰強(qiáng)度不斷增大，說(shuō)明AlN和ZrN含量增加；cBN(111)晶面和m-ZrO2(11)晶面衍射峰強(qiáng)度逐漸減小，說(shuō)明cBN和m-ZrO2含量在降低。隨燒結(jié)溫度升高，m-ZrO2(11)晶面、Al2O3(122)晶面和ZrN(111)晶面的衍射峰半高寬不斷減小。半高寬越小，峰越尖銳，表明晶粒結(jié)晶越好。

圖1 不同溫度燒結(jié)PCBN陶瓷的XRD譜Fig.1 XRD patterns of PCBN ceramics sintered at different temperatures

圖2中黑色部分為cBN基體，白色區(qū)域?yàn)榻Y(jié)合相顆粒，包括m-ZrO2、t-ZrO2、Al2O3、AlN和ZrN。由圖2可見，在燒結(jié)溫度為1 300，1 400 ℃時(shí)，燒結(jié)陶瓷中結(jié)合相顆粒均勻地分散在cBN基體上，其形態(tài)比較松散，有部分結(jié)合相附著在cBN顆粒表面。由于燒結(jié)溫度較低，部分結(jié)合劑未能完全熔融而分散在燒結(jié)體內(nèi)部，導(dǎo)致結(jié)合相顆粒松散分布的現(xiàn)象，cBN與結(jié)合相的結(jié)合狀態(tài)不緊密。當(dāng)燒結(jié)溫度升至1 500，1 600 ℃時(shí)，結(jié)合劑顆粒熔融進(jìn)入了cBN顆粒之間的縫隙，形成了組織更為均勻致密的燒結(jié)體，cBN與結(jié)合相緊密結(jié)合。不同燒結(jié)溫度下陶瓷的人工斷口形貌相似，斷裂方式均為沿晶斷裂。在1 300～1 600 ℃范圍內(nèi)燒結(jié)溫度對(duì)cBN與ZrO2、Al2O3晶粒尺寸的影響很小。

圖2 不同溫度燒結(jié)PCBN陶瓷的SEM形貌Fig.2 SEM micrographs of PCBN ceramics sintered at different temperatures

由圖3可以看出，1 600 ℃燒結(jié)的陶瓷中，鋯和鋁元素分布在cBN晶粒周圍，并且有部分重疊現(xiàn)象，這是由于燒結(jié)過(guò)程中ZrO2和Al2O3之間發(fā)生元素互擴(kuò)散引起的。結(jié)合XRD分析可知，鋁元素以AlN和Al2O3的形式包裹住cBN顆粒，表明AlN和Al2O3在結(jié)合cBN中起著重要作用。鋯元素主要以m-ZrO2的形式包裹住cBN顆粒，但是分散不像鋁化合物那樣均勻，這與m-ZrO2在燒結(jié)溫度下為固相，原子擴(kuò)散速率較低有關(guān)。結(jié)合相顆粒的均勻分散有利于提高PCBN陶瓷的力學(xué)性能。1 300～1 500 ℃燒結(jié)的陶瓷中，元素分布與1 600 ℃下類似。

圖3 1 600 ℃燒結(jié)PCBN陶瓷的SEM形貌和元素面掃描結(jié)果Fig.3 SEM micrograph (a) and elemental mapping results (b-f) of PCBN ceramics sintered at 1 600 ℃

2.2 相對(duì)密度

由圖4可見，PCBN陶瓷的相對(duì)密度隨燒結(jié)溫度升高而增大并最終趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樘岣邿Y(jié)溫度增加了顆粒的擴(kuò)散動(dòng)力及顆粒在壓力下的塑性流動(dòng)和塑性變形，有利于質(zhì)點(diǎn)和空位的擴(kuò)散，能加快氣體的排出和顆粒之間的重新排列，從而促進(jìn)陶瓷的燒結(jié)致密[6,12-13]。但是，燒結(jié)溫度過(guò)高時(shí)的傳質(zhì)原子擴(kuò)散系數(shù)過(guò)大，會(huì)引起晶界的快速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致晶粒的異常長(zhǎng)大。

圖4 PCBN陶瓷的相對(duì)密度與燒結(jié)溫度的關(guān)系曲線Fig.4 Relative density vs sintering temperature curve of PCBN ceramics

2.3 力學(xué)性能

由圖5可以看出：隨著燒結(jié)溫度的升高，PCBN陶瓷的硬度、斷裂韌度和抗彎強(qiáng)度增大；當(dāng)燒結(jié)溫度為1 600 ℃時(shí)，硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度分別達(dá)到32.87 GPa，850.3 MPa，5.1 MPa·m1/2，陶瓷的綜合力學(xué)性能良好。

圖5 不同溫度燒結(jié)PCBN陶瓷的的力學(xué)性能Fig.5 Mechanical properties of PCBN ceramics sintered at different temperatures

陶瓷的硬度與致密性能和晶粒尺寸有關(guān)，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度除了與致密性能和晶粒尺寸有關(guān)外，還受物相組成的影響。由前文可知，在試驗(yàn)所用燒結(jié)溫度范圍內(nèi)，cBN、ZrO2和Al2O3晶粒的尺寸變化不大，故力學(xué)性能的變化主要受陶瓷致密性能和物相組成的影響。相對(duì)密度隨燒結(jié)溫度的升高呈線性增大，使得陶瓷硬度增大，在斷裂過(guò)程中所需的斷裂能增大，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度隨之增大。此外，PCBN陶瓷中反應(yīng)生成的AlN和ZrN以及相變生成的t-ZrO2都具有高強(qiáng)度、高模量的特性，且ZrO2存在相變?cè)鲰g作用；當(dāng)裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中遇到這些顆粒時(shí)，裂紋會(huì)在顆粒表面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增加斷裂功的消耗，從而提高陶瓷的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度。隨著燒結(jié)溫度的升高，陶瓷中AlN、ZrN含量增加，ZrO2相變量增大，因此抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度提高。

2.4 PCBN陶瓷刀具的切削性能

表1列出了不同溫度燒結(jié)PCBN陶瓷刀具以及日本住友公司生產(chǎn)的PCBN陶瓷刀具切削離心鑄鐵后的后刀面磨損量。由表1可知：1 300 ℃燒結(jié)陶瓷刀具在切削長(zhǎng)度達(dá)5 km時(shí)的后刀面磨損量遠(yuǎn)高于其他溫度燒結(jié)陶瓷刀具，且切削長(zhǎng)度達(dá)8.2 km時(shí)就發(fā)生失效，切削性能最差；1 400，1 500 ℃燒結(jié)陶瓷刀具在切削長(zhǎng)度達(dá)5 km時(shí)的后刀面磨損量較小，切削長(zhǎng)度達(dá)10 km時(shí)分別達(dá)到181，166 μm，切削性能良好，與日本住友PCBN陶瓷刀具相比后刀面磨損量略高，切削性能略差；1 600 ℃燒結(jié)陶瓷刀具在切削長(zhǎng)度達(dá)5 km時(shí)的后刀面磨損量略有增大，在切削10 km時(shí)產(chǎn)生崩刀現(xiàn)象，這可能是由于較高燒結(jié)溫度下陶瓷內(nèi)部晶粒長(zhǎng)大或過(guò)燒[19-20]而造成的。

表1 不同溫度燒結(jié)PCBN陶瓷刀具及日本住友PCBN陶瓷刀具切削離心鑄鐵后的后刀面磨損量

3 結(jié) 論

(1) 以cBN為原料，ZrO2、Al2O3和鋁粉作為結(jié)合劑，通過(guò)高溫高壓燒結(jié)工藝制備PCBN陶瓷，該陶瓷主要物相包括cBN、m-ZrO2、t-ZrO2、Al2O3、AlN和ZrN，結(jié)合相顆粒均勻分散在cBN基體上，并且隨燒結(jié)溫度升高，t-ZrO2、AlN和ZrN含量增加。

(2) 隨著燒結(jié)溫度的升高，cBN與結(jié)合相的結(jié)合更加緊密，陶瓷相對(duì)密度、硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度增大；當(dāng)燒結(jié)溫度為1 600 ℃時(shí)，陶瓷的綜合性能最好，相對(duì)密度為98.72%，硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度分別達(dá)到32.87 GPa，850.3 MPa，5.1 MPa·m1/2。

(3) 當(dāng)燒結(jié)溫度為1 400 ℃和1 500 ℃時(shí)，PCBN陶瓷刀具在切削離心鑄鐵棒總長(zhǎng)度為10 km時(shí)，其后刀面磨損量?jī)H分別為171，166 μm，表現(xiàn)出較好的切削性能。