粘结剂中铝钛比例对于PcBN性能的影响

邓福铭，席沛尧，刘瑞平，张 盼

（中国矿业大学（北京）超硬刀具材料研究所，北京 100083）

聚晶立方氮化硼（PcBN）是一种超硬材料，具有许多独特的优点，如良好的耐磨性，抗冲击强度和热稳定性[1]。PcBN刀具具有许多卓越的性能，自20世纪以来，其广泛应用于铣削和切削加工中[2，3]。合成PcBN需要在5.5GPa和1300℃至1500℃的高压和高温条件下进行[4]。在此温度下，铝会融化成液相，填充到cBN粉末的空隙中，对于合成过程中所使用的结合剂以及原料立方氮化硼（cBN）的研究已经很多。谢辉等人研究了不同黏结剂组分对于PcBN的影响[5]。韩华丽等人研究了结合剂含量对PcBN力学性能的影响[6]。本文研究了使用不同铝钛比例粘结剂烧结的PcBN的性能变化及影响。

1 实验方案

实验采用粒度为W10，体积分数为75%的cBN。四组粘结剂的比例为Al%:Ti%=1:4、2:3、3:2、4:1。

实验在国产500mm缸径六面顶压机上完成，采用旁热式组装。合成压力约为5.6GPa，合成温度在1500℃以上。烧结时间为180秒。

烧结成的PcBN样品经过平面磨、外圆磨、抛光后采用JS2000型磨耗比仪进行磨耗比测试，采用FV-700数显式维氏硬度计进行维氏硬度测试。

2 实验结果及分析

2.1 不同铝钛比例粘结剂烧结的PcBN耐磨性测试

实验测得使用不同铝钛比例粘结剂烧结的PcBN磨耗比如表1所示。

从图1中可以看出，随着铝的含量的增加，PcBN的耐磨性先增加后降低。当铝和钛含量比例为2:3时，PcBN的样品的磨耗比值最高，达到8350。同时可以发现，过低或过高的铝钛比例均显著影响PcBN的耐磨性。

表1 不同粘结剂中铝钛比例粘结剂烧结PcBN的耐磨性测试结果

图1 粘结剂中铝钛比例对PcBN耐磨性的影响

2.2 不同铝钛比例粘结剂烧结的PcBN显微维氏硬度测试结果

分别对使用不同铝钛比例粘结剂烧结的PcBN样品沿径向取3个点（边缘点、1/2半径处和中心点）进行显微维氏硬度测试，并对三个点的显微维氏硬度取平均值，结果如表2所示。从表中可以看出，粘结剂中不同铝钛含量比例对烧结PcBN样品的显微维氏硬度的影响较大。其中铝钛含量比例为2:3烧结的PcBN样品的显微维氏硬度最大，为4066.30。其次是铝钛含量比例为3:2的PcBN样品，而过低或过高的铝钛比例的粘结剂烧结的PcBN样品的显微维氏硬度值低很多。图1为PcBN显微维氏硬度随铝钛含量比例变化情况。从图中可以明显的看出，PcBN的显微硬度从边缘到中心逐渐减小，且当铝钛含量比例为2:3时，PcBN样品的边缘到中心的显微硬度的变化最小。

表2 不同铝钛比例粘结剂烧结PcBN的显微硬度测试结果

图2 粘结剂中铝钛比例对PcBN显微硬度的影响

2.3 不同铝钛比例粘结剂对PcBN性能影响的机理

使用铝-钛粘结剂的PcBN烧结过程中会发生铝和cBN、钛和cBN的自蔓延反应[7]。当烧结温度达到1500℃时，烧结体系中的铝和钛分别和cBN生成AlN和TiN。但若铝含量过低，虽然铝与cBN反应能发生如下反应：

3Al(s)+2 cBN(s)→ 1AlB2(s)+2 AlN(s)。

生成AlN，但不足量的铝无法继续反应生成中间化合物Al3Ti：

4Al(s)+1 TiN(s)→1Al3Ti(s)+1 AlN(s)。

导致Al3Ti与cBN不能发生以下反应形成AlN和TiB2：

1Al3Ti(s)+2 cBN(s)→1TiB(s)+2AlN(s)+1Al(s)。

最终导致烧结过程不充分，使烧结PcBN性能低。反之，若铝含量过高，虽然烧结体系中的高温AlN自蔓延反应和TiN自蔓延反应均可以发生，自蔓延烧结放热过程充分，但烧结产物中可能残留Al或反应中间化合物Al3Ti，使烧结PcBN晶界上存在低熔点金属相和脆性的金属间化合物，从而使烧结PcBN性能降低。

图3为使用铝钛含量比例为2:3的粘结剂时PcBN样品的XRD衍射图，从中我们可以看出，该产物主要成分为cBN，粘结剂中的铝和钛已经完全反应，同时没有中间化合物Al3Ti的存在。所以不会因存留金属或金属间化合物而导致PcBN性能降低。烧结成的PcBN综合性能较为优异。

图3 PcBN样品的XRD衍射图

3 结语

在使用铝-钛粘结剂烧结PcBN时，铝和钛的比例不同会导致烧结时发生的自蔓延反应不同，从而导致最终烧结产物不同。在铝和钛的体积比为2:3时，烧结成的PcBN性能最好。