聚晶立方氮化硼刀具的制备工艺与性能研究

发布时间：2020-07-11 14:33

【摘要】：聚晶立方氮化硼(PcBN)刀具材料具有硬度高、耐磨性好、导热性好、优异的高温稳定性、优异的化学稳定性等优点,广泛用于切削淬硬钢、灰铸铁、钛合金以及高温合金等难加工材料。本文以制备出高性能的PcBN刀具材料为目的,首先采用高能球磨工艺细化立方氮化硼(cBN)晶粒,然后选择有机聚硅氮烷(PSN)和金属铝复合结合剂,分别通过高温高压法和放电等离子法(SPS)制备出致密的PcBN块体材料。通过XRD分析cBN微粉的杂质引入量,激光粒度分析仪测试cBN的粒度,氧氮氢分析仪测试cBN的含氧量,SEM和TEM观察cBN晶粒的微观结构。分析了不同高能球磨时间对cBN的粒度,杂质含量和氧含量的影响。通过TG-DSC分析PcBN的热稳定性能,XRD分析PcBN的物相,SEM观察PcBN横断面微观结构,测试并分析PcBN的密度、硬度、抗弯强度等力学性能。分析PSN结合剂和PSN+Al复合结合剂的含量对PcBN材料的烧结性能、显微结构和力学性能的影响。主要研究结果如下:(1)高能球磨工艺可以有效地细化cBN晶粒,随着高能球磨时间的增加,cBN晶粒粒径逐渐减小,WC杂质逐渐增加,cBN微粉氧含量逐渐提高。高能球磨120min后,原始粒度为1-2μm的cBN和3-6μm的cBN晶粒平均粒径分别被降低到303nm和680nm。(2)PSN经热解和高温高压烧结后可以在cBN晶粒表面直接形核生成SiC和Si_3N_4纳米晶,该纳米晶可以有效提高PcBN的强度。PSN+Al复合结合剂在高温高压烧结时与cBN晶粒反应生成AlN,AlN的形成一方面能够促进致密化,另一方面也可以促使SiC和Si_3N_4纳米晶的生成,因此,PSN+Al复合结合剂比单一的PSN结合剂所制备出的PcBN具有更高的相对密度、硬度和抗弯强度。在1450℃,5GPa高温高压条件下制备出的组分为60wt.%cBN+30wt.%PSN+10wt.%Al的PcBN材料具有最高致密度,其值为98.4%,该PcBN同时具有最高的硬度和抗弯强度,其值分别为23.00±0.75GPa和398.33±12.11MPa。(3)经高能球磨细化后的cBN晶粒可以促进SiC和Si_3N_4纳米晶的生成过程。以高能球磨120min的cBN晶粒为原料,选择PSN+Al作为复合结合剂,在1450℃,5GPa的高温高压条件下制备出的PcBN的致密度达到99.7%,其硬度和抗弯强度比未高能球磨细化的cBN原料所制备的PcBN有较大幅度的提高,其值分别为25.17±0.80 GPa和602.50±12.08MPa。(4)采用放电等离子体烧结法(SPS)可以在1600℃,30MPa压力的条件下成功制备致密的PcBN材料。SPS可以能促进无定形SiCN的结晶过程,在cBN晶粒表面生成纳米SiC晶须。但是,对比高温高压烧结的PcBN样品,由于有hBN相的生成,hBN相大大降低了PcBN材料的硬度和抗弯强度。放电等离子体的快速烧结技术为制备PcBN材料打开了一个新的窗口,控制cBN的hBN相变是今后努力的一个方向。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG711
【图文】：

BN）中的氮原子和硼原子以 sp方式杂化石的晶体结构相似的立方氮化硼晶体。金刚共价结合，而 cBN 晶体中则是硼、氮两种异还存有少量的弱离子键[1]。在理想的 cBN 晶nm，B-N 键键间的夹角为 109°5′。cBN 中硼所在的面心立方与氮原子所在的面心立方彼5]，如图 1.1 所示。硼、氮两种异类原子共价决定了 cBN 材料优异的性能。硼材料基本上通过高温高压等人工手段进行仅在地底古海洋地壳的富铬岩区内存在，不与开发实验室的科学家Wentorf R.H.利用类似首次成功合成了立方氮化硼材料。立方氮化，且硬度非常高，因此与金刚石同属超硬材刀具等领域具有广阔的应用前景。

好的发展趋势。以下是 PcBN 刀具的性能特点：具有较高的硬度和耐磨性 材料的显微硬度一般为 HV3000-6000，比硬质合金和 加工高硬度材料时具有比硬质合金及陶瓷更高的耐磨动化加工时不仅可以减少更换刀具的辅助时间，还可寸偏差。以 PcBN 刀具加工过去只能磨削加工的高硬”工序进行加工，其不仅可以得到较好的加工表面质流程。良好的热稳定性和高温硬度加工时，刀具与工件接触点产生持续的高温，因此刀度和热稳定性。PcBN 材料具有很好的红硬性，加工硬质合金和陶瓷，特别适用于高速干切削。PcBN 材为金刚石耐热性的两倍。图 1.2 为 PcBN 与其他刀具

[45]在以 hBN 和 pBN 为原料，不添加结合剂，在Pa 和 2200°C 下由 hBN 合成的 PcBN（h）（10裂强度为 1.6GPa。以 pBN 为原料在相同温度下寸（50-100nm），硬度与 PcBN（h）相同，但。现状 材料的研究起步很早，1967 年首次成功制备 c住友公司推出 PcBN 产品的同时，我国四川立方合成直径为 2.4-4mm 规格的 PcBN 刀具。1982矿产地质研究院成功合成 PcBN 刀具，分别推 LBN-Y 牌号的 PcBN 刀具产品[46]。1987 年郑州 PcBN 刀具材料。进入 20 世纪 90 年代后，北京河南富耐克超硬材料有限公司也分别推出 PcBNN 刀具市场迅速增长，销售额逐年增高，如图 1

【参考文献】

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本文编号：2750534