新型聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具材料研制及其切削机理研究

摘要

立方氮化硼(简称CBN)是五十年代中期研制出来的硬度仅次于金刚石的超硬材料,它具有高硬度、高热稳定性和高化学惰性,但其硬度、耐磨性等具有很强的方向性,应用受到限制。为了弥补立方氮化硼单晶的不足,相关研究人员于七十年代开发出聚晶立方氮化硼(简称PCBN),它不仅具有单晶立方氮化硼的高硬度、高耐磨性等优点,同时克服了其各向异性的不足。
　　 聚晶立方氮化硼由立方氮化硼颗粒和按照一定比例组成的粘结剂在高温高压条件下烧结而成,加入适量的粘结剂可以促进烧结的进行,降低烧结所需的温度和压力,并能够改善烧结体的性能。因此,粘结剂对合成聚晶立方氮化硼起着重要的作用。
　　 本文以一定量的氮化钛、钴、铝作为粘结剂,在高温高压条件下烧结聚晶立方氮化硼烧结体,烧结压力为5Gpa,烧结温度范围为1250℃～1650℃,对得到的烧结体样品进行研磨抛光,利用SEM观察分析烧结体的微观形貌,并结合XRD测试分析其烧结机理,测试烧结体的显微硬度,将烧结体刃磨制成刀具进行切削试验,分析刀具磨损形貌并研究其磨损机理。
　　 研究结果表明:烧结体的硬度与烧结温度有很大的关系,低温烧结时,粘结剂和立方氮化硼微粒之间的结合性较差,粘结相不能牢固地粘结立方氮化硼微粒,烧结体内各组份被机械地压结在一起,致密度较低,显微硬度也较低。高温烧结时,粘结剂中的某些成份与立方氮化硼微粒发生反应,有利于粘结剂与立方氮化硼微粒以及立方氮化硼微粒之间的相互结合,并且会活化立方氮化硼微粒,促进立方氮化硼微粒之间的直接键合,提高烧结体的硬度。
　　 XRD测试结果表明,高温烧结时,烧结体中生成许多新物相,例如CoO、AlN等,这些新物相能够活化立方氮化硼微粒,促进立方氮化硼微粒之间的直接键合,其中,AlN可以抑制立方氮化硼向六方氮化硼(HBN)的逆转化,提高烧结体中立方氮化硼的含量。
　　 通过切削试验研究所制成聚晶立方氮化硼刀具的磨损形貌和磨损机理。试验结果表明,不同烧结条件下获得的聚晶立方氮化硼刀具切削性能、刀具磨损形式等不同。聚晶立方氮化硼刀具前刀面磨损以月牙洼磨损为主,同时伴有微崩刃现象,其后刀面主要有机械磨损、磨粒磨损、扩散磨损等。烧结时间不同的聚晶立方氮化硼刀具的磨损趋势不同,烧结时间较长的刀具后刀面磨损量与切削时间基本成线性关系;烧结时间较短的刀具在切削初始时磨损量较大,但随着切削时间的增加,其磨损量有明显减小的趋势,最终却都在相同的切削时间内达到磨钝标准。
　　 研究结果表明,在聚晶立方氮化硼刀具切削加工的不同阶段,已加工表面的粗糙度不同,遵循一定的变化规律,即随着切削时间的增加,加工表面粗糙度先减小后增加,然后再减小。