（原子与分子物理专业论文）不同粘结剂pcbn复合片的研究.pdf

四川大学硕士学位论文 不同粘结剂p c b n 复合片的研究 原子与分子物理 研究生李丹指导教师寇自力 本文对超硬材料的发展做了概述，对立方氮化硼、聚晶立方氮化硼的发展 和应用作了比较详细的说明。 在高温高压下合成聚晶立方氮化硼时，实验组装方式是最基本也是很重要 的一个方面，好的实验组装不仅对实验结果有重要的影响，同时对六面顶压机 的正常运行也起着不可忽视的作用。本课题首先对实验组装做了改进，主要改 的是导电材料，对比钼片和不同直径的石墨柱作为导电材料，对腔体的温度控 制效果及顶锤的温度影响做了一系列的实验，结果表明钼片作为导电材料时的 电阻较低，但随着加热时间的延长电阻渐升，而且加热到一定程度时电阻出现 陡升，实验被迫中止；用4 m m 石墨柱作为导电材料时，电阻也呈上升趋势， 最后也出现陡升现象，实验被迫中止；中6 m m 石墨柱和中8 r a m 石墨柱导电时实 验都进行得很顺利，中8 m m 石墨柱表现出更佳的效果，加热参数很稳定，升温 比较快，电阻和腔体温度都波动小，并且电阻值不大；o1 0 m m 石墨柱导电时有 利的方面是电阻不大；不利的方面是顶锤温度过高，从而对顶锤的使用寿命影 响大，证明其绝热效果不太好。比较这几组实验得出直径为c d 8 m m 石墨柱的组 装加热参数最稳定，并且升温比较快，顶锤温度较低，所以实验组装采用了中 8 m m 碳柱作为导电材料。 聚晶立方氮化硼复合片是将立方氮化硼粉末和一定比例的粘结剂放在 w c 1 6 c o 基体上进行高温高压烧结而成的。粘结剂在合成聚晶立方氮化硼的 四川大学硕士学位论文 过程中起着重要的作用，加入适量的粘结剂可以降低烧结温度和压力，并能改 善烧结体的性能。本课题以t i n 、t i n 和a 1 、a t n 为粘结剂高温高压烧结聚晶立 方氮化硼复合片，烧结压力5 c , p a , 温度1 2 0 0 1 6 0 0 。对烧结后的样品进行硬度 测试、s e m 和x r d 测试、切削试验。 以t i n 为粘结剂时复合片的硬度极低，在1 6 0 0 c 时c b n 粉末和t i n 粉末都 保持着原来的颗粒形状，t i n 和c b n 好像只是在一定的压力下机械的混合在一 起。在切削试验时也出现了严重的崩刃现象，而产业界以t i n 为粘结剂的p c b n 复合片的产品很常见，本实验失败的原因可能是烧结物质的活性不够的问题。 以t i n 和a l 为粘结剂烧结的复合片在烧结过程中，a 1 与c b n 和t i n 反应， 生成新的化合物t i b 2 和n ，1 2 0 0 c 时得到的复合片的硬度比1 3 0 0 时得到的 复合片的硬度高很多，但在切削试验中其刀具寿命不如1 3 0 0 c 的复合片，所以 硬度高并不一定代表复合片的性能就好。 以a 1 n 为粘结剂的复合片在1 4 0 0 左右烧结时，a 1 n 原料中的a l 杂质在烧 结中起到了很重要的作用，最后的烧结体中a l 没有出现，可能是液相的a l 和 c b n 发生了反应，形成了a 1 n ，s e m 显示烧结体中有a 1 n 团聚现象。1 4 0 0 缓慢 升温和快速升温然后保温两种加温方式所得烧结体的硬度差别不大，但在切削 试验中，缓慢升温烧结的复合片的刀具寿命明显优于快速升温然后保温烧结的 复合片的刀具寿命。 总的说来本课题三种粘结剂中以t i n 和赳为粘结剂1 3 0 0 烧结的p e b n 复 合片刀具寿命最高。 关键词：e b n 复合片高温高压粘结剂实验组装硬度刀具寿命 四川大学硕士学位论文 a s t u d yo f p c b n c o m p a c t s w i t hd i f f e r e n tb i n d e r s m a j o r ：a t o m i ca n dm o l e c u l a rp h y s i c s p o s t g r a d u a t e l id a nt u t o rk o nz i 1 i m p a p e l i n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to fs u p e r h a r dm a t e r i a l sf i r s t ，t ot h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fp c b na n dc b n i th a sd e t a i l e di l l u s t r a t i o n m a s s e m b l yw a yo f s y n t h e s i z e dp c b n i sv e r yi m p o r t a n t t h eg o o dw a y sh a v ei m p o r t a n t i n f l u e n c et ot h er e s u l to fe x p e r i m e n ta n dt h eo p e r a t i o no fs i x a n v i lh y d r a u l i cp r e s s t h et a s kc h a n g e st h ee l e c t r i cc o n d u c t i o nm a t e r i a lt oi m p r o v eo nt h ea s s e m b l yw a y f i r s t t h em o l y b d e n u mp i e c ea n dg r a p h i t ec o l u m n sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e ra r eu s e dt o c o n d u c tt h ee l e c t r i c i t y t oi n v e s t i g a t eh o w 血e yc o n t r o l l e dt h ec a v i t yt e m p e r a t u r ea n d t h eh a m m e rt e m p e r a t u r e w h e nt h ee l e c t r i cc o n d u c t i o nm a t e r i a li st o o l y b d e n u mp i e c e t h er e s i s t a n c ei sl o w , b u t 诵t ht h et i m ei n c r e a s ei tb e c o m em o r ea n di l l o r eh i 【g h , a n d t h a ni th a sab i gc h a n g e ，s ot h ee x p e r i m e n ti ss t o p p e d ；w h e nt h ee l e c t r i cc o n d u c t i o n m a t e d a li s 口a p h i t ec o l u m nw i t hd i a m e t e r4 m m ，t h er e s i s t a h o ei n e r e a s e sh i g ha l s o ，a t l a s ti th a sab i gc h a n g ea l s o ，s ot h ee x p e r i m e n ti ss t o p p e d ；w h e nt h ee l e c t r i c c o n d u c t i o nm a t e d a l sa r e g r a p h i t ec o l u m n w i t hd i a m e t e r6 m ma n d8 m m t h e e x p e r i m e n ti s a l lr i g h t ，a n dt h e 罩a p h i t ec o l u m n w i 也d i a m e t e r8 m mh a sn l o r e e x c e l l e n c y ：血ec a l e f a a i o np a r a m e t e ri ss t a b i l i z a t i o n , t h eh e a ti sh o i s tq u i c k l ya n d 也e h a n l m e rt e m p e r a t u r ei s1 0 w ；w h e nt h ee l e c t r i cc o n d u c t i o nm a t e r i a li sg r a p h i t ec o l u m n w i t hd i 锄e t c a l o m m 。t h ef a v o r a b l ef a c ti st h el o wr e s i s t a n c e ，t h ea d v e r s ef a c ts h o w s t h et e m p e r a t u r eo fh a m m e ri sh i g h i tp r o v e 也eh e a ti n s u l a t i o ne f f e c ti sn o tg o o d s o c o m p a r e st h ee x p e r i m e n t s ，t h ee l e c t r i cc o n d u c t i o nm a t e r i a li su s e dw t ht h eg r a p h i t e c o l u m nw i t hd i a m e t e r8 m m b e c a u s ei r sc a l e f a c t i o np a r a m e t e ri ss t a b i l i z a t i o n t h eh e a t i sh o i s tq u i c k l ya n d 也eh a m m e rt e m p e r a t u r ei sl o w o p c b ni ss y t h e s i sb vc b np o w d e ra n ds p e c i f i e dp r o p o r t i o nb i n d e rs i n t e r e do u w c - 1 6 c os u b s t r a t ed u r i n gh i g hp r e s s u r ea n dh i 曲t e m p e r a t u r es i n t e r i n g 1 1 1 e b i n d e ri si m p o r t a n ti nt h es y n t l a s i so fp c b n ，t h es p e c i f i e dp r o p o n i o nb i n d e rc a n r e d u c es i n t e r i n gp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e 。i ta l s op e r f e c t st h ep e r f o r m a n c eo fp c b n 础、1 烈a n da l 、a l n 笛t h e b i n d e r s t os i n t e r i n g p c b n w i 血h i g h p r e s s u r e a n d h i g h t e m p e r a t u r ea r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r , t h es i n t e r i n gp r e s s u r ei s 5 g p aa n dt h e t e m p e r a t u r ei s1 2 0 0 1 6 0 0 i td oh a r d n e s st e x t 、s e ma n dx r d 、c u t t i n gt e x tt 0t h e 四川大学硕士学位论文 s m t e m ds a m p l e s t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tp c b nsm i c r o h a r d n e s si sv e r y1 0 ww i t ht h eb i n d e r o ft i n ，a t1 6 0 0 c ，c b na n dt i nr e t a i n et h e i ro r i g i n a lp o w d e rs t a t e t h e yl i k eb e i n g m i x e dt o g e t h e rm e c h a n i c a lu n d e rp r e s s w h e nd ot h ec u t t i n gt e s t t h ec u t t i n gt o o l a p p e a r e ss e r i o u sc o l l a p s e b u tt h ep r o d u c t i o no fp c b nc u t t i n gt o o lw i t ht h eb i n d e ro f t i ni su s u a l t h i se x p e r i m e n ti sf a i l u r e 。p e r h a p s et h er e a s o ni st h es i n t e r e ds u b s t a n c e s h a sn oe n o u g ha c t i v i t y d u r i n gt h es i n t e r i n go fp c b nc o m p a c t sw i t ht h eb i n d e rt i na n da i , a ir e a c t e s w i mc b na n dt i na n dc r e a t e sn e wc o m p o u n d st i b 2a n d 舢n c b n - t i n a j c o m p a c t sm i e r o h a r d n e s sa t1 2 0 0 i sh i g h e rt h a na t1 3 0 0 b u ti r sc u t t i n gl i f ea t 1 2 0 0 i sn o ts og o o da sa t1 3 0 0 s ot h eh i g h e rm i e r o h a r d n e s si sn o tr e f l e c t e dt h e g o o dc h a r a c t e r i s t i c p c b nc o m p a c t ss i n t e r e da ta b o u t1 4 0 0 w i t ht h eb i n d e ra i n 舢i sf o u n di nt h e m np o w d e r s a n di th a sb i gi n f l u e n c et ot h ee x p e r i m e n t b u ti ti sn o tf o u n di nt h e c o m p a c t sx r d s oa lp e r h a p s er e a c t e sw i t hc b na n dc r e a t e sn e wc o m p o u n d s 舢n s e ms h o w e st h ep h e n o m e n ao fa 1 n sr e u n i t e p c b nsm i e r o h a r d l a e s si st h e h i g h e s tw i 也t h eb i n d e ro f na ta b o u t1 4 0 0 t h ew a yo fi n c r e a s et e m p e r a t u r e s l o w l ya n dt h ew a yo fi n c r e a s et e m p e r a t u r er a p i d l yt h e nh o l d i n gt h et e m p e r a t u r e h a v en os e r i o u sd i f f e r e n tt ot h ep c b nsm i c r o h a r d n e s s w h e nd 0t h ec u r i n gt e s t t h e c o m p a c t sc u t t i n gl i f ei sh i g h e rw i m t h ew a yo fi n c r e a s et e m p e r a t u r es l o w l yt h a nt h e w a yo f i n c r e a s et e m p e r a t u r er a p i d l yt h e nh o l d i n gt h et e m p e r a t u r e t os u mu p ，t h ec o m p o s i t ew i t ht h eb i n d e ro ft i na n da ih a st h eh i g h e s t c u t t i n gl i f ea t1 3 0 0 i nt h i sp a d e r k e y w o r d s ：p c b nc o m p a c t s ，h i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e ，b i n d e r , a s s e m b l y w a y , h a r d n e s s ，c u t t i n gl i f e 四川大学硕士学位论文 四川大学学位论文版权使用授权书 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 研彰苌：彦丹 署师? 旁 乙 四川大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 超硬材料概述 超硬材料通常指硬度达到莫氏硬度最高值l o 或接近1 0 的材料。金网0 石 ( h m = 1 0 ，i - i v 在8 0 0 0 1 0 0 0 0 之间) 、立方氮化硼( d 仁9 ，h v 在4 0 0 0 5 0 0 0 之间) ，还有工业上开始应用的类金刚石( h v 在3 0 0 0 6 0 0 0 之间) ，正在研究开 发的硼一碳一氮系二元或三元化合物( i - i v 在5 0 0 0 6 0 0 0 之间) ，均为超硬材料【1 1 。 采用高温高压方法合成的超硬材料主要有金刚石、立方氮化硼及其复合片等。 金刚石作为自然界已知物质中最硬的物质而一直受到人类的青睐，它具有 许多卓越的性能：极大的弹性模量、极高的耐磨性、良好的导热性能、较小的 线膨胀系数以及极高的化学稳定性等等。金刚石也有它的不足之处，用金刚石 加工烧结过的碳化硅这样的高硬度材料时，其表面温度可达1 2 0 0 1 5 0 0 ，由于 金刚石的热稳定性不够理想，在这样的高温下金刚石会迅速消耗，从而使加工 效率受到限制；用金刚石加工粘性硬性材料时，其表面也会损耗过快，使加工 不能顺利进行。为了弥补金刚石的这些不足，新的超硬材料立方氮化硼应运而 生 2 - 4 。 自然界并不存在立方氮化硼，立方氮化硼材料是1 9 5 7 年由美国通用电器公 司首次人工合成的新型无机材料，是继人造金刚石问世之后人工合成的硬度仅 次于金刚石的超硬材料p 】。它具有高的硬度、热稳定性和化学惰性，以及良好 的透红外性等优异性能。由于立方氮化硼材料的一系列优点，它的合成研究便 形成了材料研究领域的一个热点，在发达国家它作为工程材料已经得到了广泛 的应用，并且取得了显著的经济效益。目前合成立方氮化硼材料的主要方法有 高温高压法、气相沉积法、水热法等。高温高压法是传统的在高温高压下利用 立方氮化硼的热力学稳定区合成立方氮化硼的方法；气相沉积法和水热法都是 在低温低压下进行的，气相沉积是一种利用c v d 方法合成c b n 膜的技术；水 1 四川大学硕士学位论文 热法是在低温低压条件下，在水溶液中利用反应耦合效应合成立方氮化硼微晶 的方法【6 】，这种情况下合成的是纳米级的立方氮化硼晶体材料，应用领域有局 限性，并且发展还不成熟。由于高温高压合成立方氮化硼材料的技术相对发展 已经成熟完善，目前国内外仍然主要用这种方法合成立方氮化硼材料。 金刚石聚晶是由很多细粒的金刚石并添加一定比例的粘结剂，在高温高压 下烧结而成的，多晶体的结构使其具有各向同性的性能，克服了存在解理面的 缺陷。金刚石聚晶不仅保留了单晶金刚石的大部分优异品质，其自身也有着许 多独特的优异性能，晶粒呈无序排列、各向同性、无解理面，不像单晶金刚石 在不同晶面上的强度、硬度及耐磨性存在着很大的差异，克服了因解理面存在 而呈脆性的缺陷；金刚石聚晶具有较高的冲击强度，在冲击时只会产生小晶粒 破碎，而不会像单晶金刚石那样大块的崩裂，因此它也同样有着极其广泛的工 业应用。 聚晶立方氮化硼也是一种新型的超硬材料，由于立方氮化硼单晶的各相异 性，它的一些机械性能，比如硬度、耐磨性和解理性具有很强的方向性，从而 限制了它在工业上的应用。聚晶立方氮化硼是由立方氮化硼微粉在粘结剂存在 的情况下，经高温高压烧结而成的立方氮化硼多晶体。这种聚晶烧结体可以弥 补单晶的不足，因此在工业应用上有更广阔的发展前景。 1 。2 立方氮化硼的发展 由于立方氮化硼的诸多特殊优异性质，如其硬度仅次于金刚石，成为世界上 第二超硬材料；其热稳定性优于金刚石，成为耐热超硬材料；其化学惰性在钢 材加工上呈明显惰性，又成为世界上对过渡金属合金钢加工的第一有效材料。 虽然后来的研究者在金刚石中加入了b 元素，大大改善了金刚石的耐热性，但 化学惰性仍未得到根本的解决。所以立方氮化硼必然成为引人注目的超硬材料。 自从1 9 5 7 年美国通用电器公司首次人工合成新型无机材料立方氮化硼后，2 0 2 四川大学硕士学位论文 世纪6 0 年代到7 0 年代初期，前苏联、中国、德国、英国、日本等国家都相继 研制合成了各国的第一颗立方氮化硼，并大力开发应用1 7 】。3 0 多年来，各国的 研究者对立方氮化硼的合成方法及其机理，立方氮化硼晶体性能及其应用等方 面进行了广泛深入的研究探讨，并取得了长足的进展。目前，美国通用电器公 司，英国d e b e e r s 公司，日本等都有了自己的系列产品。 我国立方氮化硼研究从2 0 世纪6 0 年代开始，郑州磨料磨具磨削研究所于 1 9 6 6 年采用静高压触媒法最早在中国合成立方氮化硼。在接下来长达2 0 年的时 间里，我国国内立方氮化硼技术的发展十分缓慢，只能生产普通黑色立方氮化 硼这一种产品。直到2 0 世纪8 0 年代后期才进入规模化工业发展阶段，1 9 8 9 年 立方氮化硼产量比1 9 8 0 年产量增加了4 倍，2 0 世纪9 0 年代后期进入迅猛发展 阶段，1 9 9 9 年立方氮化硼产量比1 9 9 0 产量增加了2 2 5 倍。进入2 l 世纪以来， 立方氮化硼的国内外市场都广泛的被开拓出来，发展更加迅速蓬勃。2 0 0 2 年比 2 0 0 1 年产量翻了一番，比2 0 0 0 年的产量更是增长了4 7 倍碎, 9 1 。近年来通过我 国科技工作者的努力，用新型触媒合成出了高品级的琥珀色、棕色、黑色立方 氮化硼，从而结束了我国立方氮化硼长期发展徘徊的局面，为立方氮化硼制品 的开发研究提供了必要的条件。 立方氮化硼合成成功后之所以发展如此迅速不仅由于它不存在金刚石工具 加工黑色铁基材料发生反应的局限性，而且因为它的导热率仅次于金刚石，在 2 5 c 时为1 3 0 0 w ( m x k ) ，是常用磨料氧化铝的4 0 多倍，是磨料碳化硅的3 0 多倍。如此高的导热性可使工件在瞬间产生的热量很快散失掉，有利于被加工 工件热量的减少，而使被加工工件处于有利的压应力状态下加工。 立方氮化硼自问世以后，产量每年增长率在1 5 以上，销售的增长几乎与 之同步。美国通用电器公司立方氮化硼部部长在日本金刚石协会成立5 0 周年学 术研讨会上指出【1 5 】，从1 9 7 5 年至1 9 8 5 年，日本的立方氮化硼年增长率为2 0 ， 居世界首位，这与日本的汽车加工工业的发展密切相关。1 9 9 5 年至1 9 9 7 年，美 国的立方氮化硼年增长率为1 6 ，欧洲的为1 l ，太平洋地区国家为8 。1 9 9 7 3 四川大学硕士学位论文 年美国、欧洲、太平洋地区国家使用立方氮化硼砂轮的金额及比上一年的增长 率列于表1 1 【1 们 表1 - 11 9 9 7 年一些国家使用立方氮化硼砂轮的金额 国别 金额l o 比上年增长率届 美国 1 i1 51 5 欧洲诸国 0 9 91 0 太平洋地区国家1 4 0 1 3 聚晶立方氮化硼的发展 苏联于1 9 6 0 年第一次合成出聚晶立方氮化硼，是世界上最先把c b n 材料 成功地应用到金属切削刀具上的国家。1 9 7 2 年在莫斯科机床一7 2 展览会上， 前苏联首先展出了立方氮化硼烧结体车刀，领先成批生产6 、7 、8 m m 的立方 氮化硼烧结体，最大直径达到1 2 r a m “】。 美国g e 公司是世界上最早研制成功立方氮化硼的公司，7 0 年代中期，该 公司开始将c b n 材料应用于切削刀具，生产的c b n 刀片是商标为b z n 的 c o m p a c t s 聚晶复合刀片，产品已经系列化，如表1 2 所示。 日本于1 9 7 5 年引进美国g e 公司的技术，并很快开发出了本国的产品，其 后c b n 在日本得到了迅速发展。1 9 7 7 年到1 9 8 0 年三年间，日本c b n 的销售量 平均每年增长率超过5 0 。到8 0 年代初，日本使用了世界p c b n 供给量的5 0 左右，而且每年呈递增的趋势，如图1 3 所示。目前日本已有多家公司生产p c b n 刀片，其中主要有住友电气公司，三菱金属公司，东芝坦洛依公司，不二越公 司，日立硬质合金公司等，种类繁岁1 2 , 1 3 1 ，如日本住友公司的b n 系列( 如表1 - 4 ) 和东芝公司的b x 系列等。此外，日本于8 0 年代初发展了铅锌矿型密集立方氮 化硼( w a n ) ，并以此成为原材料制成了烧结体，发展了另一类氮化硼超硬材料 刀具。 4 四川大学硕士学位论文 表卜2g e 的b z n 系列产品及其适合加工的材料1 2 l 产品型号应用 b z n 6 0 0 0 ，b z n 7 0 0 0 s珠光体铸铁 b z n 7 0 0 0 s ，b z n 9 1 0 0高强度铸铁( 4 5 h r c ) b z n 8 2 0 0 ，b z n 9 1 0 0 淬火钢( 4 5 h r c ) b z nh t c 2 0 0 0 ，b z nh t m 2 1 0 0 b z n 9 1 0 0 ，b z n 9 0 0 0 粉末冶炼金属 b z n 8 0 0 0 ，b z n 7 0 0 0 s b z n 6 0 0 0 超硬合金 图1 3日本立方氮化硼市场发展 四川大学硕士学位论文 表卜4 住友p e b n 产品的型号特点及用途 我国自1 9 6 7 年首次合成出立方氮化硼样品后，四川省立方氮化硼协作组于 1 9 7 3 年1 1 月采用自己合成出的立方氮化硼单晶作为原料首先研制出我国第一 个立方氮化硼刀具材料，产品直径为中2 5 m m - - 中4 0 衄。1 9 7 8 - - 1 9 8 0 年，成 都工具研究所研制成功立方氮化硼复合刀片系列。1 9 8 3 年，贵阳第六砂轮厂研 制成功p c b n 刀具材料，并推出d l s f 系列p c b n 刀具产品，1 9 8 2 年桂林矿产 地质研究院研究成功p c b n 刀具材料，并于1 9 8 5 年推出l b n - y 牌号的p c b n 刀具产品，其后该院以研究p c b n 刀具材料为主攻方向进行继续研究，1 9 9 3 年 又研制成功韧性较好的第二代p c b n 刀具材料，1 9 9 9 年成功研制出性能更好并 且可以用电火花进行整体切割的第三代p c b n 刀具材料。郑州磨料模具磨削研 究所于1 9 8 7 年研制成功p c b n 刀具材料。进入9 0 年代后，北京燕郊金刚石工 业公司、中外合资河南富耐克超硬材料有限公司也相继开发出p c b n 刀具材料。 目前国内p c b n 刀具材料产品直径一般为0 1 0 m m 。中1 2 t r i m 和中1 4 r a m i 1 3 , 1 6 。 目前世界上最大的金刚石制品基地英国( 南非) 的d e b e e r s 公司于1 9 7 6 年开始 生产c b n 材料，8 0 年代初期推出了不带衬底的p c b n 材料a m b o r i t e ，其最新分 6 四川大学硕士学位论文 类有a s f r , a s f l ，a s f c 三类共计1 2 种规格型号，最大直径达到o1 0 1 m m ，最 小直径0 1 0 m m 。1 9 8 6 年d e b e e r s 公司又推出了一种带硬质合金衬底的p c b n 刀 具材料d b c 5 0 ，并于1 9 9 2 年推出另一种带硬质合金衬底的p c b n 刀具材料 d b c s 0 ，d b c 5 0 主要用于精切削，d b c 8 0 用于粗切削。d b c 5 0 的牌号为a m c ， d b c 8 0 的牌号为a m d ，各有1 8 种规格型号，最大直径巾5 7 m m ，最小直径中 1 0 1 m m 。 1 4 聚晶立方氮化硼的应用 聚晶立方氮化硼主要用于加工黑色金属的刀具材料。聚晶立方氮化硼刀具 的生产及应用发展极快，图卜5 为聚晶立方氮化硼刀具近十几年来全球销售额 的增长情况1 1 7 1 。聚晶立方氮化硼刀具由于硬度高，红硬性好，而且化学惰性高， 适合加工各种难加工材料：各种淬硬钢( 碳工钢、合金钢、轴承钢、模具钢和 高速钢等高硬度淬硬钢零件) 。各种喷涂( 焊) 材料、耐磨铸铁类材料、高温合 金。还可用于钛合金、纯镍、纯钨以及其他材料的加工【1 8 】。c b n 含量高的聚晶 立方氮化硼具有高的导热性和韧性，一般用作粗加工淬硬钢和珠光体铸铁的刀 具材料；c b n 含量低的聚晶立方氮化硼具有相对低的导热性和高的抗压强度及红 硬性，一般用作加工淬硬钢的刀具材料。由于聚晶立方氮化硼刀具材料高温下 硬度损失不大，故非常适合于高速加工高硬度材料。最具代表性的是硬态切削 中的以车代磨技术，可获得以往只有磨削加工才能得到的加工水平。 聚晶立方氮化硼刀具的优异性能使其成为一种高效率、高精度的刀具材料， 目前已经用于制作车刀、铣刀、镗刀和一些绞刀、钻头。许多发达国家已经把 p c b n 刀具广泛用于数控机床、多用途机床、自动化、专用高速机床、柔性生产 单元或柔性生产系列为基础的自动化生产，用于各种淬硬钢、铸铁、高温合金、 硬质合金及表面喷涂材料等高硬度及耐磨材料的车、铣、镗、钻孔) j n - r 。据相 关资料表明，6 3 的聚晶立方氮化硼刀具用于淬硬钢的加工，2 8 用于加工铸铁， 7 四川大学硕士学位论文 其余用于加工烧结合金等材料的加工，按加工工序分，p c b n 刀具用于车削的占 6 0 ，镗削的占3 2 5 。 1 r 褓 妞 l 一 耀 驻 霉 图1 - 51 9 8 5 1 9 9 7 年p c b n d 具全球销售额增长情况 用聚晶立方氮化硼刀具加工淬硬钢等难加工材料时，其刀具使用寿命为陶 瓷刀具的3 5 倍，是硬质合金刀具的5 一1 5 倍；切削速度可比硬质合金刀具提 高近1 0 倍，加工效率比磨削提高4 1 0 倍。经过精密研磨的聚晶立方氮化硼刀 具在特殊精密机床上可获得非常高的精度，在很多情况下可以以车代磨。 聚晶立方氮化硼复合片具有良好的韧性、高耐磨性和对铁族金属的化学稳 定性，成为加工镍铬冷硬铸铁、高铬铸铁和渗碳钢之类硬质黑色金属材料的一 种新型刀具材料【1 9 】。目前开发的一种整体式聚晶立方氮化硼刀片不仅可以用于 车削加工，而且在铣削工件时也表现非常好，使超硬材料不能用于铣削加工的 情况得到了解决【2 们。这种刀片在铣削工件时不仅可以提高产品的加工质量，而 且生产效率非常高，使用寿命的延长更将使得单位制造成本的大幅降低，是工 业切削材料技术上的革新，极大的满足了现代加工制造业高效生产的需要。 未来机械切削加工的主流将是干式切削、硬态加工和高速切削相结合的具 有效率高、能耗低、节约资源、减少污染的绿色切削，而聚晶立方氮化硼刀具 8 四川大学硕士学位论文 的一系列优点显示其最符合绿色切削的要求【2 ”。随着工业化的不断发展，聚晶 立方氮化硼材料将会不断得到发展，在制造加工业中发挥其独特的作用。 1 5 本课题的内容和目的 日本的x i a o z h e n gr d n g 【纠曾研究了c b n 刚舢的烧结，所用原料是细粒 度的c b n 粉末( s b n f ，颗粒大小1 , - , 3pm ，s h o w ad e n k oj a p a n ) , a l 粉末( 颗 粒l 4l am ，r a r em e t a l l i c ，j a p a n ) ，t i n 粉末( 颗粒1l , ti n ，r a r em e t a l l i c ，j a p a n ) ， 烧结条件：压力5 8 g p a ，温度1 2 0 0 和1 4 0 0 c ，时间3 0 分钟。结果两个温度 下的显微硬度在c b n 粉末、t i n 粉末和舢粉末按体积比7 5 ：1 3 ：1 2 配比 时都得到h k 最大值3 0 7 g p a 。烧结过程中，a l 与c b n 和t i n 反应，在c b n 和 t i n 颗粒周围形成新的化合物t i b 2 和a i n ，这可能加强了烧结体的强度。过量 的t i b 2 和a i n 簇会造成晶间断裂。在5 8 g p a 的压力下烧结时，使用较低的烧 结温度效果更好( 1 2 0 0 ) ，较高的烧结温度会引起显微硬度值下降7 8 ( 如 1 4 0 0 ( 2 ) 。从切削淬硬的模具钢测试中可以看出c b n t i n - a 1 烧结体刀具与更高 c b n 含量的c b n a l 烧结体相比，具有更好的性能。 对于高温高压实验来说，实验组装方式是最基本也是很重要的一个方面， 好的实验组装不仅对实验结果有重要的影响，同时对六面顶压机的正常运行也 起着不可忽视的作用，所以本文对不同的实验组装方式作了比较，得出了比较 稳定的实验组装。 本课题以t i n 、t i n a 1 、a 1 n 为粘结剂，w c 1 6 c o 硬质合金作基体在高 温高压下烧结p c b n 复合片。通过不同工艺进行高温高压烧结，并对烧结体进 行切削试验，以期得到性能优良的c b n 复合片。 9 四川大学硕士学位论文 第二章聚晶立方氮化硼的性能与合成 2 1 立方氮化硼的结构和性能 立方氮化硼的化学式是b n ，属等轴晶系，空间群f 4 3 m m 。氮化硼是有氮 原子和硼原子所构成的晶体，是一v 族共价键化合物。化学组成为4 3 6 的硼 和5 6 4 的氮。氮原子核外电子排列是l s 2 2 s 2 2 p 3 ；硼原子核外电子排列是 1 s 2 2 s 2 2 p 1 。当这两种原子采取不同的杂化方式相互作用，可以形成不同结构的 氮化硼晶体。若以s p 2 方式杂化后，由于键角为1 2 0 ，成键后形成与石墨类似 的平面六角网状结构分子h b n ，这种大的平面网状分子采取s p 3 方式杂化后形 成的类似金刚石结构的立方氮化硼c b 1 4 , 2 3 。 立方氮化硼是氮化硼( b n ) 的同素异构体之一，其晶体结构和金刚石的非 常相似，呈闪锌矿( 硫化锌z n s ) 型结构( 如图2 - 1 ) ；其晶格常数和金刚石的 晶格常数也很接近( 金刚石的为o 3 5 6 7 n m ，立方氮化硼为o 3 6 1 5 n m ) ；同时立 方氮化硼晶体和金刚石晶体中的结合键也基本相同，都是沿着四面体杂化轨道 形成的共价键，不同之处是金刚石晶体中的结合纯属碳原子之间的共价键，而 立方氮化硼晶体中的结合键则是硼、氮异类原子间的共价结合，若将图2 1 中 的硼、碳原子都换成碳原子，则就成金刚石的晶体结构了【2 4 1 。此外立方氮化硼 晶体中还存在有一定的弱离子键。在理想的立方氮化硼晶格中，所有四个b - n 键的键长彼此都应该是相等的，都等于o 1 5 7n n l ，键与键之间的夹角为1 0 9 。5 l o 四川大学硕士学位论文 圆 0nb 图2 1 闪锌矿型n 晶体结构 立方氮化硼晶体每一层都是按照紧密球堆积的原则构成的，并且都是同类 原子所组成的，其中由硼原子构成的单层与由氮原子构成的单层相交替。立方 氮化硼格子具有a a b b c c a a b b 的连续的层堆垛。立方氮化硼的晶格常数为0 3 6 1 5 o 0 0 0 1 衄，密度为3 4 8 9 e r a 3 立方氮化硼最典型的几何形状是正四面体晶面和负四面体晶面的结合，常 见的形态有：四面体假八面体假六面体( 扁平的四面体) 。根据立方氮化硼的b 、 n 表面腐蚀的显微结构，四面体的立方氮化硼晶体可分为两种：一种是硼四面 体，即四个表面是硼表面；另一种是氮四面体，即四个表面是氮表面。硼表面 和氮表面的特征是不一样的。从立方氮化硼的( 1 1 1 ) 面的腐蚀图可看到，硼表 面比较光滑，而氮表面则比较粗糙，但是为什么会有这样的不同，到目前还没 有很好的解释。 立方氮化硼的热稳定性和对铁族元素及合金的化学惰性优于金刚石，在大 气中的热稳定性可达1 3 0 0 1 5 0 0 。c 。在l 1 0 0 c 以下不与过渡金属起化学作用， 所以在研磨和切削铁质材料时不会出现像金刚石那样的粘屑现象。并且充分显 示了它在切削和磨削淬火钢方面的优越性，在钻探方面，对勘探f e 矿床或中低 温硫化矿床，以及含有f e 质的氧化带的矿床均有明显的特殊作用，特别是未来 的高温深井钻探和地热钻探等方面具有广泛的应用前景。 立方氮化硼的缺点是能与碱起化学反应。过热的水蒸气也能与它作用。 四川大学硕士学位论文 2 2 聚晶立方氮化硼的性能 单晶立方氮化硼的颗粒很小，由于受高压腔体以及合成工艺等方面的限制， 很难得到高质量的大颗粒立方氮化硼单副2 卯，目前人工合成的单晶立方氮化硼 的最大粒径为3 m m 左右。立方氮化硼与铁族金属及合金的亲和性差，是加工铁 族硬韧性材料的主要工具之一，立方氮化硼主要用来制作成磨具和刀具，受晶 体解理机制的影响，在有些加工中，单晶磨料不能解决问题。在这种情况下， 前苏联、中国、美国、英国等国家相继研制成了聚晶立方氮化硼。 与单晶立方氮化硼相比，聚晶立方氮化硼有以下一些优点： ( 1 )由无数细颗粒立方氮化硼构成，避免了单晶的各向异性 ( 2 ) 热稳定性可达1 4 3 7 k ( 3 ) 车削刃多，加工效率高，精度高 ( 4 ) 磨粒尺寸比单晶大 聚晶立方氮化硼可以分为整体p c b n 烧结块和带硬质合金基体的p c b n 复合 片【5 】。整体p c b n 烧结块是由无数细小的c b n 颗粒在高温高压下烧结而成的。 p c b n 复合片是由c b n 层与硬质合金基体在高温高压下烧结而成的。多晶体的 结构使聚晶立方氮化硼具有各向同性的性能，克服了单晶存在解理面的缺陷； 同时p c b n 具有硬质合金基体的抗冲击韧性 2 6 - 2 7 1 。聚晶立方氮化硼的硬度和耐 磨性仅次于聚晶金刚石，为硬质合金的5 0 倍，比涂层硬质合金高3 0 倍，为复 合陶瓷的2 5 倍。聚晶立方氮化硼不仅具备了立方氮化硼的优良品质，而且带基 体的复合片还具备硬质合金的抗冲击韧性。聚晶的晶粒呈无序排列，各向同性， 不存在解理面，不像单晶立方氮化硼在不同晶面上的强度及耐磨性存在很大的 差异，克服了单晶解理面的存在而导致的易脆弱性。聚晶立方氮化硼的主要性 能有以下几点： ( 1 ) 具有较高的硬度，耐磨性和抗冲击性 聚晶立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，远远高于陶瓷和硬质合金的硬度， 1 2 四川大学硕士学位论文 耐磨性很高 2 盯。在加工高硬度材料时表现极佳，例如在加工淬硬钢时，其耐用 度是硬质合金的1 0 5 0 倍左右。另外聚晶立方氮化硼刀具的抗冲击性也远远高 于陶瓷刀具。 ( 2 ) 具有高的热稳定性 聚晶立方氮化硼在高达1 2 0 0 。c 的温度下还表现出良好的热稳定性，而且在 8 0 0 c 的高温下硬度也高于常温下的硬质合金和陶瓷材料2 9 1 。聚晶立方氮化硼刀 具在1 0 0 0 以下不会出现氧化现象，因此在刀具尖端的相对高温不会对它产生 任何不利的影响，相反还能在切削硬质合金时起到加速切削的作用。 ( 3 ) 化学稳定性好 聚晶立方氮化硼与铁族金属在1 2 0 0 1 3 0 0 下也不起化学反应。在酸中 不受侵蚀，在碱中约3 0 0 c 时才会被侵蚀。其对各种材料的粘结，扩散作用比硬 质合金小得多，因此聚晶立方氮化硼刀具特别适合加工钢铁材料【3 0 1 。 ( 4 ) 导热性良好