高温高压烧结制备PCBN陶瓷的微观结构与性能

2022-10-19冯佩佩

机械工程材料 2022年9期

苏君，冯佩佩

(河南工业职业技术学院，南阳 473000)

0 引言

立方氮化硼(cBN)具有与金刚石相似的结构与性能，同时在高温下不易与铁系元素发生反应，常制备成聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具用于加工铁基金属材料以及金刚石工具不能切削加工的难加工材料[1-3]。由cBN烧结制备的PCBN陶瓷材料具有硬度高、摩擦因数低，以及热稳定性、导热性、化学稳定性优异等特点，作为刀具材料在现代切削加工中发挥着重要作用。然而，cBN具有很强的共价键，使用常规烧结方法制备PCBN陶瓷时很难实现致密化，需要将cBN颗粒和结合剂混合后在高温高压条件下进行烧结[4-8]。结合剂是保证PCBN陶瓷刀具性能优异的关键材料，主要包括钛、铝、钨、钴等金属以及Al2O3、ZrO2、TiN、TiC等陶瓷颗粒[9-17]。Al2O3具有良好的耐热性、耐磨性和化学稳定性，是制备PCBN陶瓷常用的结合剂。只添加Al2O3颗粒烧结cBN时易发生烧结困难，烧结制备的PCBN陶瓷材料虽然耐磨性很好，但是韧性较差，在切削加工时容易发生刃口开裂，最终影响刀具的使用寿命。ZrO2是一种理想的增韧材料，已经广泛应用在陶瓷烧结领域[11-13]。金属铝在高温烧结过程中熔化形成液体并填充于cBN颗粒空隙，有助于改善烧结性能，促进PCBN的烧结致密；并且，铝和cBN在高温下反应形成的AlN可以抑制cBN向六方氮化硼(hBN)的转化，另外还可与微孔中残留的氧反应生成Al2O3而不会产生其他杂质[15-17]。因此，作者以ZrO2、Al2O3和铝粉作为结合剂，通过六面顶压机在高温高压下烧结制备PCBN陶瓷，研究了该陶瓷的物相组成、微观形貌、力学性能以及加工成刀具切削离心铸铁的性能。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验原料包括cBN粉，纯度大于99.9%，粒径在1～3 μm；铝粉，纯度大于99.9%，粒径在1.0～1.5 μm；ZrO2粉，纯度大于99.9%，粒径为100 nm；Al2O3粉，纯度大于99.9%，粒径为100 nm。cBN粉由郑州中南杰特超硬材料有限公司提供，铝粉、ZrO2粉和Al2O3粉均由秦皇岛-诺高新材料开发有限公司提供。按照cBN粉、ZrO2粉、Al2O3粉和铝粉的质量分数分别为65%，18%，14%，3%进行配料，将粉料放入不锈钢球磨罐中，加入无水乙醇，用硬质合金球为研磨球在行星球磨机上研磨混料3 h，主轴转速为200 r·min-1，粉料、球和无水乙醇的质量比为1…2…1.5。将球磨后的粉料取出，放入烘箱在120 ℃干燥6 h，然后装入内腔尺寸为φ33 mm×4.5 mm的钼制模具，在HS-1200G-B型真空炉中于800 ℃真空处理1.5 h，真空度为1×10-2Pa，以去除表面残留水分和杂质；最后将粉料、传压叶腊石、钛导片、钢圈堵头、石墨加热体、盐管等组装成烧结块后，放入六面顶压机中进行高温高压烧结，压力为5.5 GPa，烧结温度在1 300～1 600 ℃，保温时间为700 s。

1.2 试验方法

采用X′pert PRO型X射线粉末衍射仪(XRD)检测烧结陶瓷的物相组成，采用铜靶，扫描范围为0.5°～130°。将烧结陶瓷打断，使用s-4800型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察断口微观形貌，用附带的能量色散X射线光谱仪(EDX)测试微区成分。根据GB/T 6569-1986，采用PS-281型万能材料试验机进行三点弯曲试验，试样尺寸为13.8 mm×4.0 mm×3.0 mm，跨距为10 mm，下压速度为0.5 mm·min-1。根据阿基米德排水法测定相对密度，采用YDK01-C型密度天平称量试样质量。采用HMAS-D1000SZ型维氏硬度计进行维氏硬度测试，试样表面经抛光处理，测试载荷为98.07 N，保载时间为10 s。维氏硬度测试结束后，试样表面出现菱形压痕，裂纹沿着菱形对角线方向向外延伸。测量裂纹横向扩展的尖端跨距长度，代入经验公式[18]即可计算得到断裂韧度。

烧结陶瓷经切割、焊接、刃磨等工艺后制成SNGN120408刀具，刀具圆角半径为0.3 mm，刀具后角为-20°。在CAK4085Anj型车床上使用刀具进行干式连续切削，切削速度为600 m·min-1，切削深度为0.2 mm，进给量为0.2 mm·r-1。工件材料为离心铸铁圆棒，直径120 mm，长度350 mm。当切削长度达5 km和10 km时，采用KEYENCEVHX-200型超景深体视显微镜测量刀具后刀面磨损量。

2 试验结果与讨论

2.1 物相组成与微观形貌

由图1可知，不同温度烧结PCBN陶瓷试样的主晶相均包括cBN、m-ZrO2、t-ZrO2、Al2O3、AlN和ZrN。AlN和ZrN是在高温高压过程中由铝粉和cBN、m-ZrO2分别反应形成的新相。t-ZrO2是由m-ZrO2相变产生的，其衍射峰强度随烧结温度的升高而增强，说明t-ZrO2含量增加，提高烧结温度有利于m-ZrO2相向t-ZrO2相转变。随着烧结温度的升高，AlN(200)晶面、ZrN(111)晶面的衍射峰强度不断增大，说明AlN和ZrN含量增加；cBN(111)晶面和m-ZrO2(11)晶面衍射峰强度逐渐减小，说明cBN和m-ZrO2含量在降低。随烧结温度升高，m-ZrO2(11)晶面、Al2O3(122)晶面和ZrN(111)晶面的衍射峰半高宽不断减小。半高宽越小，峰越尖锐，表明晶粒结晶越好。

图1 不同温度烧结PCBN陶瓷的XRD谱Fig.1 XRD patterns of PCBN ceramics sintered at different temperatures

图2中黑色部分为cBN基体，白色区域为结合相颗粒，包括m-ZrO2、t-ZrO2、Al2O3、AlN和ZrN。由图2可见，在烧结温度为1 300，1 400 ℃时，烧结陶瓷中结合相颗粒均匀地分散在cBN基体上，其形态比较松散，有部分结合相附着在cBN颗粒表面。由于烧结温度较低，部分结合剂未能完全熔融而分散在烧结体内部，导致结合相颗粒松散分布的现象，cBN与结合相的结合状态不紧密。当烧结温度升至1 500，1 600 ℃时，结合剂颗粒熔融进入了cBN颗粒之间的缝隙，形成了组织更为均匀致密的烧结体，cBN与结合相紧密结合。不同烧结温度下陶瓷的人工断口形貌相似，断裂方式均为沿晶断裂。在1 300～1 600 ℃范围内烧结温度对cBN与ZrO2、Al2O3晶粒尺寸的影响很小。

图2 不同温度烧结PCBN陶瓷的SEM形貌Fig.2 SEM micrographs of PCBN ceramics sintered at different temperatures

由图3可以看出，1 600 ℃烧结的陶瓷中，锆和铝元素分布在cBN晶粒周围，并且有部分重叠现象，这是由于烧结过程中ZrO2和Al2O3之间发生元素互扩散引起的。结合XRD分析可知，铝元素以AlN和Al2O3的形式包裹住cBN颗粒，表明AlN和Al2O3在结合cBN中起着重要作用。锆元素主要以m-ZrO2的形式包裹住cBN颗粒，但是分散不像铝化合物那样均匀，这与m-ZrO2在烧结温度下为固相，原子扩散速率较低有关。结合相颗粒的均匀分散有利于提高PCBN陶瓷的力学性能。1 300～1 500 ℃烧结的陶瓷中，元素分布与1 600 ℃下类似。

图3 1 600 ℃烧结PCBN陶瓷的SEM形貌和元素面扫描结果Fig.3 SEM micrograph (a) and elemental mapping results (b-f) of PCBN ceramics sintered at 1 600 ℃

2.2 相对密度

由图4可见，PCBN陶瓷的相对密度随烧结温度升高而增大并最终趋于稳定。这是因为提高烧结温度增加了颗粒的扩散动力及颗粒在压力下的塑性流动和塑性变形，有利于质点和空位的扩散，能加快气体的排出和颗粒之间的重新排列，从而促进陶瓷的烧结致密[6,12-13]。但是，烧结温度过高时的传质原子扩散系数过大，会引起晶界的快速运动，导致晶粒的异常长大。

图4 PCBN陶瓷的相对密度与烧结温度的关系曲线Fig.4 Relative density vs sintering temperature curve of PCBN ceramics

2.3 力学性能

由图5可以看出：随着烧结温度的升高，PCBN陶瓷的硬度、断裂韧度和抗弯强度增大；当烧结温度为1 600 ℃时，硬度、抗弯强度和断裂韧度分别达到32.87 GPa，850.3 MPa，5.1 MPa·m1/2，陶瓷的综合力学性能良好。

图5 不同温度烧结PCBN陶瓷的的力学性能Fig.5 Mechanical properties of PCBN ceramics sintered at different temperatures

陶瓷的硬度与致密性能和晶粒尺寸有关，抗弯强度和断裂韧度除了与致密性能和晶粒尺寸有关外，还受物相组成的影响。由前文可知，在试验所用烧结温度范围内，cBN、ZrO2和Al2O3晶粒的尺寸变化不大，故力学性能的变化主要受陶瓷致密性能和物相组成的影响。相对密度随烧结温度的升高呈线性增大，使得陶瓷硬度增大，在断裂过程中所需的断裂能增大，抗弯强度和断裂韧度随之增大。此外，PCBN陶瓷中反应生成的AlN和ZrN以及相变生成的t-ZrO2都具有高强度、高模量的特性，且ZrO2存在相变增韧作用；当裂纹在扩展过程中遇到这些颗粒时，裂纹会在颗粒表面发生偏转，增加断裂功的消耗，从而提高陶瓷的抗弯强度和断裂韧度。随着烧结温度的升高，陶瓷中AlN、ZrN含量增加，ZrO2相变量增大，因此抗弯强度和断裂韧度提高。

2.4 PCBN陶瓷刀具的切削性能

表1列出了不同温度烧结PCBN陶瓷刀具以及日本住友公司生产的PCBN陶瓷刀具切削离心铸铁后的后刀面磨损量。由表1可知：1 300 ℃烧结陶瓷刀具在切削长度达5 km时的后刀面磨损量远高于其他温度烧结陶瓷刀具，且切削长度达8.2 km时就发生失效，切削性能最差；1 400，1 500 ℃烧结陶瓷刀具在切削长度达5 km时的后刀面磨损量较小，切削长度达10 km时分别达到181，166 μm，切削性能良好，与日本住友PCBN陶瓷刀具相比后刀面磨损量略高，切削性能略差；1 600 ℃烧结陶瓷刀具在切削长度达5 km时的后刀面磨损量略有增大，在切削10 km时产生崩刀现象，这可能是由于较高烧结温度下陶瓷内部晶粒长大或过烧[19-20]而造成的。