低含量立方氮化硼复合片的高压合成

低含量立方氮化硼复合片（PcBN）的高压合成立方氮化硼（cBN）是继人造金刚石之后,于1957年由美国^£公司Wentorf首次研制成功的一种新型超硬材料。由于它具有高硬度、高的热稳定性和良好的化学惰性等优异性能，为硬、韧难加工金属材料的加工开拓了广阔的前景。聚晶立方氮化硼（PcBNPolycrystallinecubicBoronNitride）是1970年出现的新型高性能超硬刀具材料，用它制作的刀具，常用来切削各种硬化钢件。首先,PcBN作为新一代超硬刀具材料，使切削技术发生了革命性的变化,它为淬火材料提供了一种经济而高效的切削手段。在发达国家已将其作为提高机加工水平和经济效益（节能、高效、精密、自动化）的重要工具材料而加以发展。在军工、宇航等工业中对难加工材料的加工更是必不可少,也是数控加工技术发展的必备的长寿命刀具材料。PcBN刀具可对各种硬的或具有耐磨性的材料进行高速车、镗、端面铣、切槽、螺纹加工，且粗、半精、精加工皆宜。其次，高速高效精密磨削技术是先进制造技术的研究热点和发展方向之一,随着我国汽车、电子、工具一个很大的差距，也是一个很大的空间。作为该技术系统的重要组成之一高速高效精密超硬材料磨具，是实现该项技术目标不可或缺的重要工具。可以预见，随着新型难加工材料的不断出现，加工要求的不断提高，加工技术的不断发展，高速高效精密超硬材料磨具的优势将得到进一步发挥,新产品和新技术会不断涌现有关立方氮化硼（cBN）掺杂高温高压烧结合成聚品立方氮化硼（PcBN）烧结体的烧结过程等问题一直受到国内外学者的关注。2.1Al及Al的化合物作为粘结剂WalmsleyJC［5］分析了Amborite刀片之后得出结论,Al系掺杂合成的PcBN是Al与cBN在高温高压烧结过程中反应形成AlN、AlB2,由此组成的粘结相将cBN颗粒结合在一起。刘进等［6］以AlN作为粘结剂，加入到cBN微粉中进行高温高压烧结。借助SEM和XRD、EDX,通过对整体烧结体的机械性能、微观结构、烧结生成相、中间反应机理等进行分析，关于粘结剂AlN对cBN-AlN烧结体系的影响做了一些试探性的研究。他们发现得到的cBN烧结体中有A12O3产生,他们认为粘结剂A1N参与了反应，并生成新物质相A12O3。其反应式可能为：4A1N+3O2—2A12O3+2N2f也可能是由于A1N与样品中残余的微量水蒸汽发生化学反应生成A12O3。同时在得到的烧结体中发现有A120B4O36的新物质相的生成，一方面这可能是由于在烧结的过程中，样品中的A1N发生了化学反应生成了新物质相A120B4O36，其反应式是：4A1N+3O2-2A12O3+2n2f10A12O3+4BN+3O2-A120B4O36+2N2f另一方面由于烧结体中有A12O3的生成,而且入1离子与O离子之间半径有一定差距，轻元素的B离子较为容易地扩散到A1离子与O离子之间从而形成离子键，得到了新物质相A120B4O36。通过分析他们认为A1N粘结剂不仅可以提高体系的烧结度，而且对抑制hBN的生成起了很好的作用。通过对不同cBN含量的样品进行XRD分析，发现不同cBN含量的烧结样品中粘结相成分也不尽相同。烧结温度为1200°C和1400°C、cBN含量为50%~60%时，样品中粘结相为A1N、A1B2和A-A1B12;cBN含量为65%~75%时粘结相为样品中的A1N和A1B2；cBN含量为80%~90%时样品中粘结相为A1N和A-A1B12。而在烧结温度为900°C、cBN含量为90%时样品中粘结相为A1N、A1B2和A1。因此他们认为在烧结过程中，熔融的A1和cBN发生反应，这种反应直至1200°C以上时才能进行完全。A1N总是包围在cBN晶粒周围,而A1B2和A-A1B12位于A1N的外层。这表明A1熔体首先填满cBN晶粒之间的孔隙，然后A1和cBN品粒表面反应形成A1N。随后当反应前沿到达cBN晶粒表面时，A1N和BN发生反应,BN释放的B原子扩散通过A1N层与未反应的A1反应形成A1B2和A-A1B12。Wa1ms1ey和Langt8］采用TEM观察，分析了粘结相为A1N和A1B2的两种PcBN样品的显微结构，他们认为：高压下cBN颗粒首先通过破碎、塑性变形发生致密化，直到完全致密化和不再发生变形时，每一颗粒都和周围的颗粒互相接触。通过对松散的cBN颗粒进行SEM观察，证明尽管有一定比例的不规则的面，但是六面体和八面体占大部分。一些具有骨骼状形貌的晶体更易于发生破裂。随后A1熔融并沿着cBN晶粒间的孔隙渗透,A1和cBN品粒表面以及表面的hBN发生反应形成有取向的A1N环，除7cBN晶粒直接接触的部分，这种A1N环是连续的。A1和游离的B原子发生反应形成具有骨骼状结构且分布于cBN晶粒之间的AlB2。而在网状A1B2中观察到的AlN是由于Al和隔离的cBN品粒或者hBN反应形成的，而在观察中没有发现从触媒中结品出来的cBN晶粒。其他Pullum和Lewis[13]采用Ni和Si做粘结剂进行了cBN陶瓷的高压烧结实验。他们认为在达到Ni和Si的熔点之前cBN品粒发生塑性变形,而后由于Ni和Si熔体的渗入抑制7cBN向hBN的转变。和掺杂Al烧结样品时存在Al和cBN反应不同的是，通过对本实验样品的XRD、SEM、TEM观察分析并没有发现cBN和Ni或者Si之间有任何反应，唯一的反应是在Ni和Si之间进行的，形成了Ni3Si2。笔者随后通过对样品在空气中加热到不同温度冷却后进行XRD分析发现，在加热到800°C时,Ni3Si2的含量减少，而在加热到1050°C时在样品表面观察到金属珠，由于Ni3Si2的熔点为830°C，因此在1050°C时Ni3Si2将被排出样品表面形成金属珠。ZHAOYu-cheng和WANGMing-zhi[14]在烧结压力为5.5GPa、烧结温度为1200°C、烧结时间为500s时采用表面涂覆Ti的cBN高压烧结制备PcBN样品。粘结剂采用纳米金刚石、Al和Si。采用SEM和XRD分析研究了所得PcBN的组织结构，他们发现表面涂覆Ti不仅导致一系列化合物的形成，如TiC、TiB2、C03N07Ti、AlN、Al2Ti、Al4C3和TiSi2,而且在过渡层形成了原子键合。作为碳源，纳米金刚石和Al、Ti、Si反应形成具有高硬度、耐热性以及稳定性较好的不同的化合物。这些化合物可以改善微观结构和消除品粒所承受的额外应力。残余的纳米金刚石保留了金刚石的结构，在Si存在时没有发现石墨化现象，这不仅提高了PcBN的密度和强度，而且也减少了晶粒之间的“桥接”效应。通过对上述不同粘结剂在PcBN烧结过程中行为规律的分析可以得到以下结论：Al及Al的化合物作为粘结剂时,PcBN样品中的物相有AlN、AlB2,另外还可能会存在少量的A-AlB]2、Al20B4O36和Al2O3。其中AlN总是包围在cBN晶粒的外层，而在入^外面是具有骨架状的AlB2。A1N粘结剂可以抑制