陶瓷结合剂PcBN的制备与性能研究

发布时间：2020-08-22 14:01

【摘要】：当前主流聚晶立方氮化硼(Polycrystalline cubic Boron Nitride,简称PcBN)产品是由碳化钛、氮化钛和铝等为结合剂与cBN混合均匀,在高温高压下烧结而成的复合材料。为降低陶瓷结合剂的脆性,一般添加一定量的钴、镍等金属提高韧性,而铝的作用则是降低烧结温度,提高这类材料与cBN的结合能力。这类PcBN刀具硬度较高,冲击韧性较好,但钴、镍的存在,使刀具存在软点,降低耐热温度,极大影响刀具的综合性能。本文利用机械合金化方法合成的非化学计量比TiN_(0.3)的空位效应来活化烧结,从而降低烧结温度;通过添加微量过渡族金属碳化物和改进制备/烧结工艺来改善材料的力学性能。本项目探究了制备工艺、结合剂种类、结合剂含量配比、cBN含量及粒度组合、烧结温度等对PcBN烧结体性能的影响,结合XRD、SEM和EDS等分析方法分析各种因素对烧结体性能的影响规律。并不断改进实验方案,以期不断优化PcBN的性能。实验结果表明:烧结时提高压力,cBN粒度(μm)组合为(2～5):(0.5～1):(0.1～0.5)=3:5:2时,均能增大烧结体的致密度,优化材料力学性能。WC系PcBN压强5.5 GPa,烧结温度1440℃,保温10 min时,烧结体的硬度、致密度和磨耗比最高,可分别达到24.9 GPa、0.9825和352;WC/VC系PcBN压强5.5 GPa,烧结温度在1420℃,保温10 min时,烧结体的硬度、致密度和磨耗比最高,可分别达到27.8 GPa、0.9998和457;WC/ZrC系PcBN压强5.5 GPa,烧结温度1480℃,保温10 min时,烧结体的硬度、致密度和磨耗比最高,可分别达到25.0 GPa、0.9975和513。挑选若干组力学性能较好,耐磨性较好的实验样品制成刀具,切割40 Cr钢棒。相同烧结及切割工艺条件下,添加微量组分VC和ZrC可以使刀头切削后月牙洼磨损更小。适宜的温度能够增强结合剂对cBN的粘结强度,充分高效利用磨粒的切削作用。提高cBN浓度,刀头韧性急剧恶化,耐磨性降低,切割时磨损更严重。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

示意图,高温高压设备,样品,示意图

第 2 章实验研究方法与内容等组合在一起，用铝箔纸包裹放入高温高压用叶腊石块中待用。2.3.2 高温高压烧结本实验的高温高压烧结装置如图 2-1，采用旁热式的加热模式。将组合好的叶腊石块放在国产 CS-IB 型铰链式人造金刚石六面顶压机中高温高压烧结，实验前用热电偶来校核六面顶压机的温度-功率曲线，用固定压力-相变点的参量来表征压力。烧结的条件：压力 5~5.5 GPa，温度 1300~1600 ℃，保温 10 min。用高压喷砂（绿碳化硅）冲击所制得的烧结体，以显现出烧结样品的实际表面状态，判断烧结温度的高低（烧结温度过高则中间硬度低于四周，烧结温度过低则中间硬度高于四周）。

SEM图,复合烧结,无规则断裂,棱状

TiC0.3N0.7。TiN0.3/AlN/cBN 三元系复合烧结 60:40，其烧结生成的物相（XRD）基本不20 30 40 50 60 70 802-Theta(Degree) Intensity(a.u.) 6:47:3 BN C0.3N0.7Ti C AlBX00℃、5 GPa、10 min 条件下 TiN0.3/AlN/cBN 烧结cBN 在扫描电镜下的图片，cBN 颗粒在电镜棱状。烧结体的断口扫描图中，cBN 也会表现会无规则断裂），可以从形貌上辨别 cBN 在

黑色,棱状,方向,纯白

第 3 章 PcBN 组分的设计与分析积比 TiN0.3:AlN=7:3 的 PcBN 烧结体断口扫描图，各种物相间的结合状态。在高倍显微镜下黑色棱状在沿 111 方向滑移破裂或沿 111 面生长），所处位置非 111 面方向自身强度高）则为 cBN；黑色团粒状 AlN；表面灰白色或者纯白色堆积在黑色 cBN 或 Ti（B、N）。由图 3-3 可知 cBN 周围聚集大量的中增大结合剂与 cBN 之间的粘结程度。AlN 聚集成块的方向平整断开（其自身强度低于周围其它化合物

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