低含量立方氮化硼復(fù)合片的高壓合成

低含量立方氮化硼復(fù)合片（PcBN）的高壓合成立方氮化硼（cBN）是繼人造金剛石之后,于1957年由美國(guó)^￡公司W(wǎng)entorf首次研制成功的一種新型超硬材料。由于它具有高硬度、高的熱穩(wěn)定性和良好的化學(xué)惰性等優(yōu)異性能，為硬、韌難加工金屬材料的加工開拓了廣闊的前景。聚晶立方氮化硼（PcBNPolycrystallinecubicBoronNitride）是1970年出現(xiàn)的新型高性能超硬刀具材料，用它制作的刀具，常用來切削各種硬化鋼件。首先,PcBN作為新一代超硬刀具材料，使切削技術(shù)發(fā)生了革命性的變化,它為淬火材料提供了一種經(jīng)濟(jì)而高效的切削手段。在發(fā)達(dá)國(guó)家已將其作為提高機(jī)加工水平和經(jīng)濟(jì)效益（節(jié)能、高效、精密、自動(dòng)化）的重要工具材料而加以發(fā)展。在軍工、宇航等工業(yè)中對(duì)難加工材料的加工更是必不可少,也是數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展的必備的長(zhǎng)壽命刀具材料。PcBN刀具可對(duì)各種硬的或具有耐磨性的材料進(jìn)行高速車、鏜、端面銑、切槽、螺紋加工，且粗、半精、精加工皆宜。其次，高速高效精密磨削技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向之一,隨著我國(guó)汽車、電子、工具一個(gè)很大的差距，也是一個(gè)很大的空間。作為該技術(shù)系統(tǒng)的重要組成之一高速高效精密超硬材料磨具，是實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)目標(biāo)不可或缺的重要工具?？梢灶A(yù)見，隨著新型難加工材料的不斷出現(xiàn)，加工要求的不斷提高，加工技術(shù)的不斷發(fā)展，高速高效精密超硬材料磨具的優(yōu)勢(shì)將得到進(jìn)一步發(fā)揮,新產(chǎn)品和新技術(shù)會(huì)不斷涌現(xiàn)有關(guān)立方氮化硼（cBN）摻雜高溫高壓燒結(jié)合成聚品立方氮化硼（PcBN）燒結(jié)體的燒結(jié)過程等問題一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。2.1Al及Al的化合物作為粘結(jié)劑WalmsleyJC［5］分析了Amborite刀片之后得出結(jié)論,Al系摻雜合成的PcBN是Al與cBN在高溫高壓燒結(jié)過程中反應(yīng)形成AlN、AlB2,由此組成的粘結(jié)相將cBN顆粒結(jié)合在一起。劉進(jìn)等［6］以AlN作為粘結(jié)劑，加入到cBN微粉中進(jìn)行高溫高壓燒結(jié)。借助SEM和XRD、EDX,通過對(duì)整體燒結(jié)體的機(jī)械性能、微觀結(jié)構(gòu)、燒結(jié)生成相、中間反應(yīng)機(jī)理等進(jìn)行分析，關(guān)于粘結(jié)劑AlN對(duì)cBN-AlN燒結(jié)體系的影響做了一些試探性的研究。他們發(fā)現(xiàn)得到的cBN燒結(jié)體中有A12O3產(chǎn)生,他們認(rèn)為粘結(jié)劑A1N參與了反應(yīng)，并生成新物質(zhì)相A12O3。其反應(yīng)式可能為：4A1N+3O2—2A12O3+2N2f也可能是由于A1N與樣品中殘余的微量水蒸汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成A12O3。同時(shí)在得到的燒結(jié)體中發(fā)現(xiàn)有A120B4O36的新物質(zhì)相的生成，一方面這可能是由于在燒結(jié)的過程中，樣品中的A1N發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)生成了新物質(zhì)相A120B4O36，其反應(yīng)式是：4A1N+3O2-2A12O3+2n2f10A12O3+4BN+3O2-A120B4O36+2N2f另一方面由于燒結(jié)體中有A12O3的生成,而且入1離子與O離子之間半徑有一定差距，輕元素的B離子較為容易地?cái)U(kuò)散到A1離子與O離子之間從而形成離子鍵，得到了新物質(zhì)相A120B4O36。通過分析他們認(rèn)為A1N粘結(jié)劑不僅可以提高體系的燒結(jié)度，而且對(duì)抑制hBN的生成起了很好的作用。通過對(duì)不同cBN含量的樣品進(jìn)行XRD分析，發(fā)現(xiàn)不同cBN含量的燒結(jié)樣品中粘結(jié)相成分也不盡相同。燒結(jié)溫度為1200°C和1400°C、cBN含量為50%~60%時(shí)，樣品中粘結(jié)相為A1N、A1B2和A-A1B12;cBN含量為65%~75%時(shí)粘結(jié)相為樣品中的A1N和A1B2；cBN含量為80%~90%時(shí)樣品中粘結(jié)相為A1N和A-A1B12。而在燒結(jié)溫度為900°C、cBN含量為90%時(shí)樣品中粘結(jié)相為A1N、A1B2和A1。因此他們認(rèn)為在燒結(jié)過程中，熔融的A1和cBN發(fā)生反應(yīng)，這種反應(yīng)直至1200°C以上時(shí)才能進(jìn)行完全。A1N總是包圍在cBN晶粒周圍,而A1B2和A-A1B12位于A1N的外層。這表明A1熔體首先填滿cBN晶粒之間的孔隙，然后A1和cBN品粒表面反應(yīng)形成A1N。隨后當(dāng)反應(yīng)前沿到達(dá)cBN晶粒表面時(shí)，A1N和BN發(fā)生反應(yīng),BN釋放的B原子擴(kuò)散通過A1N層與未反應(yīng)的A1反應(yīng)形成A1B2和A-A1B12。Wa1ms1ey和Langt8］采用TEM觀察，分析了粘結(jié)相為A1N和A1B2的兩種PcBN樣品的顯微結(jié)構(gòu)，他們認(rèn)為：高壓下cBN顆粒首先通過破碎、塑性變形發(fā)生致密化，直到完全致密化和不再發(fā)生變形時(shí)，每一顆粒都和周圍的顆粒互相接觸。通過對(duì)松散的cBN顆粒進(jìn)行SEM觀察，證明盡管有一定比例的不規(guī)則的面，但是六面體和八面體占大部分。一些具有骨骼狀形貌的晶體更易于發(fā)生破裂。隨后A1熔融并沿著cBN晶粒間的孔隙滲透,A1和cBN品粒表面以及表面的hBN發(fā)生反應(yīng)形成有取向的A1N環(huán)，除7cBN晶粒直接接觸的部分，這種A1N環(huán)是連續(xù)的。A1和游離的B原子發(fā)生反應(yīng)形成具有骨骼狀結(jié)構(gòu)且分布于cBN晶粒之間的AlB2。而在網(wǎng)狀A(yù)1B2中觀察到的AlN是由于Al和隔離的cBN品?；蛘遠(yuǎn)BN反應(yīng)形成的，而在觀察中沒有發(fā)現(xiàn)從觸媒中結(jié)品出來的cBN晶粒。其他Pullum和Lewis[13]采用Ni和Si做粘結(jié)劑進(jìn)行了cBN陶瓷的高壓燒結(jié)實(shí)驗(yàn)。他們認(rèn)為在達(dá)到Ni和Si的熔點(diǎn)之前cBN品粒發(fā)生塑性變形,而后由于Ni和Si熔體的滲入抑制7cBN向hBN的轉(zhuǎn)變。和摻雜Al燒結(jié)樣品時(shí)存在Al和cBN反應(yīng)不同的是，通過對(duì)本實(shí)驗(yàn)樣品的XRD、SEM、TEM觀察分析并沒有發(fā)現(xiàn)cBN和Ni或者Si之間有任何反應(yīng)，唯一的反應(yīng)是在Ni和Si之間進(jìn)行的，形成了Ni3Si2。筆者隨后通過對(duì)樣品在空氣中加熱到不同溫度冷卻后進(jìn)行XRD分析發(fā)現(xiàn)，在加熱到800°C時(shí),Ni3Si2的含量減少，而在加熱到1050°C時(shí)在樣品表面觀察到金屬珠，由于Ni3Si2的熔點(diǎn)為830°C，因此在1050°C時(shí)Ni3Si2將被排出樣品表面形成金屬珠。ZHAOYu-cheng和WANGMing-zhi[14]在燒結(jié)壓力為5.5GPa、燒結(jié)溫度為1200°C、燒結(jié)時(shí)間為500s時(shí)采用表面涂覆Ti的cBN高壓燒結(jié)制備PcBN樣品。粘結(jié)劑采用納米金剛石、Al和Si。采用SEM和XRD分析研究了所得PcBN的組織結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)表面涂覆Ti不僅導(dǎo)致一系列化合物的形成，如TiC、TiB2、C03N07Ti、AlN、Al2Ti、Al4C3和TiSi2,而且在過渡層形成了原子鍵合。作為碳源，納米金剛石和Al、Ti、Si反應(yīng)形成具有高硬度、耐熱性以及穩(wěn)定性較好的不同的化合物。這些化合物可以改善微觀結(jié)構(gòu)和消除品粒所承受的額外應(yīng)力。殘余的納米金剛石保留了金剛石的結(jié)構(gòu)，在Si存在時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)石墨化現(xiàn)象，這不僅提高了PcBN的密度和強(qiáng)度，而且也減少了晶粒之間的“橋接”效應(yīng)。通過對(duì)上述不同粘結(jié)劑在PcBN燒結(jié)過程中行為規(guī)律的分析可以得到以下結(jié)論：Al及Al的化合物作為粘結(jié)劑時(shí),PcBN樣品中的物相有AlN、AlB2,另外還可能會(huì)存在少量的A-AlB]2、Al20B4O36和Al2O3。其中AlN總是包圍在cBN晶粒的外層，而在入^外面是具有骨架狀的AlB2。A1N粘結(jié)劑可以抑制