高性能聚晶立方氮化硼刀具的制备及其切削性能研究

发布时间：2020-06-02 03:55

【摘要】：聚晶立方氮化硼(PcBN)具有高硬度、良好的导热性和优异的化学稳定性常被用作切削刀具材料,适合加工各种淬硬刚、耐磨铸铁和高温合金,但其脆性大、难烧结和使用寿命短等缺点限制了PcBN的应用发展。本文通过原位反应技术和放电等离子体烧结新工艺降低PcBN的烧结难度,同时,在烧结过程中原位生成碳化硅(SiC)晶须提高PcBN的韧性,从而实现高效低成本制备高性能的PcBN块体材料;并结合离子注入工艺改善PcBN刀片表面特性,进一步提升PcBN刀具的使用寿命。主要的研究成果如下:(1)利用溶胶-凝胶工艺将SiO_2包裹到cBN粉体表面,然后与碳粉混合,在cBN粉体表面进行碳热还原反应,原位合成SiC晶须。对原料的配方进行了详细的研究,也详细研究了温度、保温时间等因素对生成SiC晶须的影响规律。对于含设计的20 wt%SiC配方,在1500℃保温2 h可以在cBN粉体表面生成大量的SiC晶须。以该复合粉体为原料,选择Al粉、B粉、C粉为烧结助剂,采用高温高压烧结技术在5GPa压力、1450℃保温10min的条件下制备出致密的PcBN复合材料。经测试该PcBN复合材料的硬度为42.7±1.9 GPa,其也有较高的强度和韧性,其抗弯强度和断裂韧性分别达到406±21 MPa和6.52±0.21MPa·m~(1/2)。高温烧结时Al粉、B粉与C粉之间发生原位反应,在界面处生成Al_3BC_3有效的促进立方氮化硼的致密化过程,SiC晶须是提升PcBN韧性的主要因素。(2)以表面包裹有SiC晶须的cBN粉体为原料,以Al粉、B粉和C粉为烧结助剂,采用放电等离子体烧结(SPS)技术,在1650℃保温10 min和40MPa压力的条件下成功制备出致密的PcBN材料,所制备样品的相对致密度可以达到95%以上,烧结助剂Al在低温下形成的液相、原位反应和SPS的粒子活化等因素的共同作用提高了cBN的烧结动力,加速物质传输,从而促进了cBN的烧结。(3)采用N离子注入和铝离子注入相结合的复合处理工艺对高温高压合成的PcBN刀片进行表面处理,对比不同注入剂量下PcBN刀片样品的使用寿命,结果表明,当N离子和Al离子注入剂量为9.0×10~(17)ions/cm~2时可将PcBN刀具的使用寿命提高1.3倍。其主要机理是离子注入一方面在刀片表面形成压力；另一方面,可显著改良刀片的表面光洁度和硬度,从而提高PcBN刀片的使用寿命。(4)以QT800-2球墨铸铁件为切削对象,研究所制成的PcBN刀片的切削性能,并结合最终失效后的刃口处的磨损形貌分析其磨损机理。通过对比研究发现本文中所制备的PcBN刀片切削球墨铸铁件工程中,主要磨损是机械磨损。在相同的切削条件下,离子注入处理的刀具的切削力始终小于高温高压合成工艺制备的刀具。切削三向力都随着切削速度的增大整体上呈现先减小后有增大的趋势,在切削速度为300m/min时三种刀具三向力均达到最小值。离子注入处理的PcBN刀片所得工件表面粗糙度最好,粗糙度范围在0.2-3.2之间,随着切削时间的增加,工件的粗糙度曲线波动情况愈发剧烈,这说明在加工过程中,刀具后刀面的磨损情况导致了加工表面粗糙度的加大。
【图文】：

立方氮化硼与金刚石具备的晶体结构示意Fig.1.1 Crystal structure of cBN and Dia出了 cBN 的主要性能参数及其与金刚石的Table.1.1 Properties of cBN and Diamond具有高硬度（次于金刚石），，而且具有优异

化硼的研究概况氮化硼的性能.2 立方氮化硼与其他刀具材料的硬度和耐磨度对比ardness and wear resistance of PcBN VS others cu
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG71

【参考文献】

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本文编号：2692568