燒結時間對立方氮化硼刀具組織性能的影響

朱 培,李鵬濤,杜歡龍,陳芳興,趙 靜,趙文龍,朱保全

(豫西集團中南鉆石有限公司,河南 南陽 473264)

立方氮化硼(cBN)具有比金剛石更優異的耐熱性和化學惰性,在高溫下不易與鐵系元素發生反應,常制備成聚晶立方氮化硼(PcBN)刀具用于加工鐵基金屬材料以及金剛石工具不能切削加工的難加工材料[1-3]。PcBN具有高硬度、低摩擦系數以及熱穩定性、導熱性、化學穩定性優異等特點,在加工領域起著重要作用。制備PcBN復合刀具是將cBN顆粒和粘合劑混合均勻,在高溫高壓條件下燒結到一起,形成致密的產品[4-6]。因此燒結工序是PcBN生產過程中的非常重要的工序,也是影響產品性能最直接的一道工序。燒結工藝中最重要的三個參數是溫度、壓力與時間。針對高溫高壓條件下cBN的生長問題及不適合的燒結工藝對產品使用壽命的影響,本文通過研究不同的燒結時間,分析其對最終產品的顯微組織、致密度及性能的影響規律,以期更好地優化燒結工藝,提高產品的性能。

1 試驗

1.1 試驗條件

試驗使用六面頂壓機,將cBN粉、TiN粉、Al粉、WC粉混合均勻的微粉燒結到YG10硬質合金基體上。其中cBN粉粒徑在1～4 μm,質量占比70%;TiN粉粒徑≤1 μm,質量占比15%;Al粉粒徑≤1 μm,質量占比10%;WC粉粒徑≤1 μm,質量占比5%。幾種微粉在三維混料機中混合均勻后,將混合均勻的微粉稱取一定重量,放置在在金屬杯里,上面扣入厚度為3.5 mm硬質合金基體,將合裝好的原材料放入組裝零部件中,置于六面頂壓機內,按照合成壓力5.5 GPa、合成溫度1500℃、保溫時間10～30 min進行燒結合成。

1.2 試驗方法

對燒結后的PcBN樣品進行研磨和減薄處理,得到試驗樣品。采用型號為SONIX的超聲波掃描顯微鏡檢測試驗樣品的平整度與內部缺陷;采用JSM-6301F掃描電子顯微鏡表征試驗樣品的微觀組織和生長組織情況;采用阿基米德原理測量試驗樣品的密度;采用HM-200型維氏硬度計測量試驗樣品的顯微硬度;最后使用激光切割機在試驗樣品上切割相同尺寸的刀齒,通過高頻焊接、刃磨后做成刀具并進行切削實驗,使用3D影像測量儀測量切削后的刀尖磨損情況。

2 結果與討論

2.1 樣品形貌及生長情況

圖1為不同燒結時間對應的PcBN樣品斷面形貌圖,其中黑色顆粒狀物為cBN,點狀和網狀形態為結合劑。圖1a中,燒結時間為10 min時,燒結時間較短,結合相未完全溶解,團聚在cBN顆粒與cBN顆粒縫隙之間,分布較聚集,和cBN顆粒之間未生長成完全的結合相。圖1b中,燒結時間升至15 min時,結合劑顆粒已經部分熔融并進入cBN顆粒之間的縫隙,形成了粘結相;圖1c中,當燒結時間升至20 min時,結合劑顆粒在cBN顆粒周圍已經均勻分布,并形成網狀結構,將cBN顆粒較好地粘結到一起;圖1d中,燒結時間增加至25 min時,結合劑已經充分溶解并和cBN顆粒生長成完整的一體,形成了更加致密的燒結體;圖1e中,當燒結時間繼續增加至30 min,可以看到明顯的晶粒長大現象,以及結合劑和cBN顆粒之間碳化析出的跡象,可能因為在高溫長時間狀態原子擴散系數過大,引起晶界的快速運動,導致晶粒異常長大及過燒[7-8]。

圖1 不同時間下燒結的PcBN樣品斷面形貌圖

2.2 C掃描的結果分析

為了保證刀具性能優良,要求 PcBN 復合片中的 cBN 聚晶層厚度變形小,同時內部無分層、無裂紋等質量缺陷。利用超聲波掃描儀(C掃描)檢測 PcBN 復合片樣品的聚晶層厚度的來判斷變形程度,同時可以準確判斷聚晶層和硬質合金結合面的缺陷狀態。圖2為樣品的超聲掃描檢測結果,其中彩色圖像顯示的是 cBN 聚晶層的厚度情況,每一個顏色區域表示一個0.05 mm厚度,暗色圖像為 cBN聚晶層與硬質合金基體的界面結合情況。

圖2 不同燒結時間下C掃描圖

由圖2可以看出 cBN 聚晶層的厚度偏差、分層內部缺陷。圖2a中,cBN 聚晶層的厚度顏色較多,平整度較差,說明燒結時間不充分,邊緣和中間的受熱程度不均勻,邊緣受熱較大,燒結后變形增大;圖2b中,cBN 聚晶層厚度主要集中在中間區域,但樣品邊緣存在多種厚度偏差,樣品整體的平整度優于圖2a;隨著燒結時間增加至25 min (圖2c)和30 min(圖2d),厚度分布的顏色越來越少,說明樣品的平整度越來越好,但30 min出現了裂紋現象。由圖2可知,樣品的平整性隨著燒結時間的增加而改善。這可能是因為在整個燒結過程中,隨著燒結時間的增加,從邊緣到中心的溫度差和壓力差減小,腔體內部逐漸趨于等溫狀態[9]。在 PcBN 復合片中由于合金層與聚晶層的熱膨脹系數差異顯著,所以隨著燒結時間的不斷增加,造成 PcBN 復合片內部積聚大量的內應力,當進行熱沖擊性能檢測時,內部積聚的大量內應力就急劇釋放,從而造成了脫層現象[10],這表明,六面頂壓機在燒結過程中,燒結時間的增加會有效提高產品的平整度,但隨著燒結的時間過長會產生分層缺陷。

2.3 樣品密度和硬度分析

利用阿基米德排水法計算 PcBN 的密度,利用硬度儀測量 PcBN 的硬度,不同燒結時間下測量結果見圖3。

圖3 測試不同燒結時間下的密度和硬度結果

由圖3可以看出,10 min時燒結過程沒有完成,樣品內部各晶粒之間的結合力相對較弱,氣孔因燒結時間過短未完全排出,所以樣品致密度較差,測量硬度結果較低;15～20 min時,樣品密度基本沒有變化,硬度有所增加,表明燒結時間的增加使金屬結合劑在液相狀態下充分溶解流動,一定的壓力下能夠在顆粒間充分完整的進行排列組成,同時加快了氣體的排出,顯著提高產品的致密性和硬度;當燒結時間增加至30 min,樣品密度降低,硬度降低,因生長時間過長,金屬結合劑使 cBN 顆粒表面發生融滲并析出碳,影響產品密度,顆粒的性能也因長時間高溫而受到影響,從而使產品的硬度降低。

2.4 樣品磨耗對比

將不同燒結時間得到的樣品進行激光切割,形成如圖4所示的刀齒,而后焊接到相應的刀桿上進行切割灰鑄鐵(HT100)實驗,切割速率為400 m/min,進給速率為0.05 m/min,進給量為0.25 mm,切削里程20 km,而后測量樣品的磨損量。圖5列出了不同燒結時間下 PcBN刀具切割灰鑄鐵(HT100)后刀面的磨損量。

圖4 切割刀齒形狀

圖5 樣品在不同燒結時間下的磨損量

由圖5可以看出,燒結時間為10 min時,整體磨損量較多,但變化不大,這是由于燒結時間過短,晶粒間的結合力較弱,同時致密性差,使得車削過程中產品易產生崩邊和cBN顆粒脫落的現象,導致磨損很快失效;15～25 min時,整體的磨損量較好,其中燒結時間為20 min時磨損量最小,這是由于生長過程中金屬結合劑和 cBN 形成一些密實的連接,在20 min時生長完全,致密度高,具有最好的抗磨損能力;燒結時間為30 min時,在車削20 km時磨損量較大,這可能是由于較高燒結時間使 cBN 顆粒的性能受到很大的影響,在磨損過程中沒有較好的把持力。通過測試數據對比可知,合理的設計燒結時間,可以使產品獲得最優的性能,燒結時間過長或過短都會對產品性能產生不良的影響。

3 結論

(1)燒結時間為10 min時,生長未完成;15 min時金屬結合劑已經開始融滲進入 cBN 顆粒中;隨著時間的增加燒結過程更完整,但時間過長則出現燒結晶粒過燒和晶粒長大的現象。

(2)在一定時間內,隨著燒結時間的增加,燒結溫度場更加均勻,PcBN 表現出更好的平整性。但隨著時間的進一步增加,硬質合金基體和 cBN 聚晶層聚集的熱應力也隨之增大,燒結時間大致30 min時,樣品脫層現象明顯。

(3)經密度、硬度及磨損量測試,在20～25 min燒結時,樣品表現出較好的性能;10 min和30 min燒結時,樣品表現出燒結未完成和過燒,進而導致性能指標降低。