Co对PcBN复合片的烧结及性能的影响①

王文龙，谢志刚，何绪林，张延军，李立惟，朱旭

（1.桂林电子科技大学，广西桂林541004；2.桂林矿产地质研究院，广西桂林541004）

Co对PcBN复合片的烧结及性能的影响①

王文龙1，2，谢志刚1，2，何绪林2，张延军2，李立惟2，朱旭2

（1.桂林电子科技大学，广西桂林541004；2.桂林矿产地质研究院，广西桂林541004）

Co是PcBN常用的金属粘接剂，而PcBN的可烧结性，抗弯强度和寿命是PcBN很重要的性能，文章通过实验研究发现，Co能降低PcBN的合成功率，提高PcBN的烧结性能，能提高PcBN的抗弯强度，但也能降低PcBN的抗高温性和耐磨性。

Co；PcBN；烧结性；抗弯强度；寿命

1 引言

立方氮化硼硬度仅次于人造金刚石，是世界上第二坚硬的材料，它拥有极高的热稳定性和化学惰性，这是金刚石无法比拟的优势。聚晶立方氮化硼（PcBN）复合材料由微米尺寸cBN（立方氮化硼）粉末与各种陶瓷或金属材料共同烧结而成，它是一种极其坚硬和热稳定极高的工具材料。聚晶立方氮化硼复合材料具有极强的抗变形和高温耐磨性，通常比最接近的陶瓷材料高出一个数量级［1］［4］［8］。

经过近半个世纪的发展，国外对PcBN刀具的研究已基本进入成熟阶段，产品也向多样化、系列化方向发展。我国也有不少单位和学者从事PcBN刀具的开发和研究，但与国外相比，无论是在PcBN材料的合成还是刀具切削性能的研究方面都有所滞后。影响PcBN刀具性能的因素很多，其加工的针对性也很强，不同的加工材料会使PcBN刀具的磨损机制不一样，这些因素导致PcBN刀具的技术难度很大。但PcBN刀具是21世纪难加工材料最有力的竞争刀具之一，具有广阔的前景和市场，值得我们继续研究，奋起直追［2］［5］［8］。

2 实验思路及原材料，设备

2.1 实验目的

由于PcBN刀具在加工不同材料时其磨损机制不同，不同含量的PcBN复合片性能侧重点也不一样，所以PcBN加工的针对性很强［5］。目前，国际上大致将PcBN分为高含量PcBN（cBN80wt%～95wt%）和低含量PcBN（40wt%～80wt%）两种，高含量PcBN主要用于加工铸铁，低含量PcBN用于加工淬火钢。这是因为铸铁硬度低（灰铸铁HB120－200，球墨铸铁HB130－360），加工时刀具温度较低，且铸铁合金元素少，加工时化学腐蚀弱，其磨损机理主要是机械磨损，因此要选择耐磨性好抗机械磨损能力强的高含量PcBN进行加工。而淬火钢硬度高（HRC55－65），加工时刀具温度高，且合金元素多，加工时化学腐蚀严重，所以磨损机理主要是氧化磨损和化学磨损，因此加工时要选择抗化学腐蚀性强和抗高温性好的低含量PcBN［3－5］。Co作为金属粘接剂能提高PcBN复合片的导电性、强度和可烧结性，但也会降低其抗高温性和耐磨性。所以本文将从高低含量两种PcBN复合片来客观全面地论证Co对PcBN复合片性能的影响。

2.2 实验原材料及设备

本次实验使用的原材料有：YG8硬质合金片，cBN（0－3，3－5，5－7，10－14μm），Al（平均粒度2.0μm），Ti N（平均粒度2.0μm），Co（325目），Φ100＊330的GCr15棒材，Φ150＊330的灰铸铁棒材。使用的设备有铰链式六面顶压机，平面磨床，数控车床，刀具磨床，线切割，无心外圆磨床，高频焊机，万用表，万用压机，扫描电子显微镜（SEM），能谱仪（EDS），超声波扫描显微镜（C－SAM）。

3 实验步骤及内容

在cBN高含量区选择cBN的含量A样品作为高含量复合片的代表，在cBN低含量区选择cBN的含量B样品作为低含量复合片的代表。再将每类复合片分为Co含量0wt%，2wt%，4wt%，6wt%共八种复合片在铰链式六面顶压机上合成，记录其正常烧结时的合成功率（时间、压力恒定）检测其烧结性能。

将合成好的复合片磨去表面的金属杯，用万用表测量其电阻，检测其可加工性。

将磨好的，选取表面无长斑、长线、裂纹的完整片抛光，表面用酒精清洗干净，利用能谱仪（EDS）对其进行成分分析；然后利用超声波扫描显微镜（CSAM）对其内部纵向结构进行分析。

将PcBN复合片磨去硬质合金衬底，做成Φ10＊4的圆片在万用压机上测量其抗弯强度。

利用线切割将复合片切成等腰直角三角形刀头，通过高频焊机将刀头焊接在钢制基体上，在台湾远山刀具磨床上磨成刀具。刀具参数：后角a。＝0o，前角角γo＝0o，刀尖圆弧γε≤0.4，倒棱γo1＝6o，Kr＝75o，Kr1＝15o。

将做好的刀具在数控车床上做切削实验，其中高含量切灰铸铁，低含量切削GCr15，检测其切削里程与后刀面磨损的关系，并在扫描电镜下观察其后刀面磨损情况。

4 实验结果及分析讨论

4.1 烧结功率及电阻的数据及数据分析

对每种复合片的每种性能测五个数据取平均值，记录入表，其实验数据如下：烧结功率反映PcBN复合片的可烧结性和生产中的能量损耗，高含量PcBN由于cBN含量高，可烧结性和导电性较差，烧结较困难，需要更高的烧结功率，因此可烧结性和电阻是两个衡量高含量PcBN复合片性能很重要的指标，而低含量PcBN复合片由于粘接剂含量较高，其可烧结性和导电性都比较好。Co对不同种类PcBN复合片的烧结功率和电阻的影响结果如表1表2：

表1 高含量PcBN A的烧结功率及电阻Table 1 The sintering power and the resistance of high content PcBN（A）

表2 低含量PcBN B的烧结功率及电阻：Table 2 The sintering power and the resistance of low content PcBN（B）

通过上述两组实验对比分析我们发现如下实验结果：

（1）由表1可知Co可以大大降低高含量PcBN的烧结功率，因此可以降低电能损耗，同时Co可以降低高含量复合片的电阻，使其能用线切割加工，提高其可加工性。

（2）由表2可知Co对低含量PcBN复合片的烧结功率和复合片电阻影响不大。

其原因是因为高含量复合片由于cBN含量很高，导致其可烧结性和导电性较差，而Co作为金属熔点较低，导电性极好，且能跟其他粘接剂反应生成固溶体，因此在高含量复合片中添加少量Co能有效地提高其烧结性和可加工性。而低含量复合片由于cBN含量低，Al、Ti N粘接剂的含量很高，因此其导电性和烧结性能都较好，所以添加Co对低含量PcBN复合片的烧结性和可加工性影响不大。

4.2 实验片的成分和内部结构分析

物质的成分和组织结构决定物质的性能，因此研究PcBN复合片的成分和内部结构是研究PcBN很重要的一种手段，本次实验利用能谱仪（EDS）对PcBN复合片进行成分分析；然后利用超声波扫描显微镜（C－SAM）对其内部纵向结构进行分析。其检测结果如下。

表3 A中W，Co含量Table 3 The content of W and Co in A

表4 B中W，Co含量Table 4 The content of W and Co in B

图1 C-SAM检测A的剖面图Fig.1 A cross-sectional view of C-SAM detection

图2 C-SAM检测低含量PcBN剖面图Fig.2 B cross-sectional view of C-SAM detection

通过表3和表4可以发现测量的Co含量比添加值高，且检测出了配方中没有添加的W。这是因为硬质合金中的W、Co渗透到cBN层的缘故，导致cBN层W、Co含量增加。PcBN在高温高压作用下烧结时，硬质合金片和cBN界面处的硬质合金熔化，熔融的WC－Co共晶体由于表面张力的作用而渗入cBN层［12］。从表3和表4可以发现，确实有一定量的W、Co从硬质合金基体渗入cBN层中cBN晶粒形成的孔隙中，但由表4发现当W渗透一定量时，Co却还未开始渗透，所以本文实验中的Co并不是以WC－Co共晶体的形式渗透，可能是合成工艺不同导致其W、Co的渗透方式不同。对比表3表4可发现：高含量复合片中硬质合金渗透的W、Co量大于低含量复合片。这是因为合成高含量复合片的功率比低含量复合片高出400～800W，温度越高，粒子扩散越剧烈，因此高含量复合片硬质合金层的W、Co渗透到cBN层的量大于低含量复合片。

分析图1、图2可发现，PcBN并不是简单地由cBN层和硬质合金层两层粘接到一起，而是两者之间互相渗透形成一个过渡层，通过过渡层将cBN层和硬质合金连接为一个整体。而且观察高含量复合片中心的剖面可发现，如果温度足够高，整个cBN都将变成渗透层。显然这种过渡层连接为一个整体的强度要高于普通地粘接到一起。该剖面图也很好地证明了硬质合金中的W、Co是如何渗透到cBN层的，与能谱仪分析结果相吻合。

4.3 抗弯强度测试数据及数据分析

抗弯强度测试通常采用三点弯曲法，按下式进行计算：

其中D为样品抗弯强度；P为样品断裂时的负荷；L为抗弯专用卡具的跨度；R为样品的半径；S为样品的厚度。习惯上适合上式的待测物应是平面矩形，但由于多晶立方氮化硼生产尺寸的限制，难以做成传统测试所需要的弯曲柱形或者矩形长条。为此，根据Robert s证实了的采用圆片状待测物取代方形具有可行性的原理。对本次试验制成的样品在室温下，跨度L＝7mm、压辊直径为5 1.5mm、施力速度V＝0.5mm／min的情况下在万能实验机上对5种样品进行TRS测试［9］，按公式（1）计算出TRS，结果如表5所示。

表5 不同Co添加量PcBN复合片的抗弯强度值Table 5 The bending strength of PcBN composite with different Co content

综合表3、4、5可知，Co作为金属粘接剂能促进PcBN的烧结，与cBN颗粒和其他粘接剂形成固溶体，提高其烧结强度［5］［6］［7］，在一定的范围内，PcBN复合片的抗弯强度随着Co含量的增加而提高，所以，同一配方体系中，由于高含量PcBN复合片中Co的渗透量大于低含量PcBN复合片，其抗弯强度比低含量PcBN复合片高。当Co的量达到一定值时PcBN的强度不再增加，甚至出现下降的情况，这是因为当Co的量达到一定值得时候，其促进烧结的作用已达到峰值，而随着Co含量的增加PcBN中cBN－cBN强键的比例会随之下降，当超过一定值时，烧结强度不再提高，而cBN－cBN键比例的下降导致PcBN强度下降。

但根据EDS定性不定量的原则，无法确定该点的准确值。

4.3 切削寿命的数据及数据分析

切削寿命最能客观直接地反应PcBN刀具的寿命，本次实验的加工对象和参数及实验结果如图3－图6所示：

由图3可知，在切削同样里程的灰铸铁时随着Co含量的增加，高含量PcBN复合片后刀面磨损量会有少量增加，但其变化并不明显，这是因为高含量PcBN加工铸铁主要是机械磨损；Co作为金属粘接剂虽然会降低PcBN的耐磨性增加其机械磨损量，但也能增加其烧结强度减少非正常磨损（如剥落和崩刃）和微解裂磨损，因此在高含量PcBN复合片加工铸铁时，Co对其寿命的影响不是很显著。

由图4可知，随着Co含量的增加，切削GCr15（HRC60－63）同样的里程，低含量PcBN刀具后刀面的磨损量逐渐增大，由图6可知磨损面随着Co含量增加粗糙度也增大，这是因为低含量PcBN复合片刀具加工的淬火钢硬度很高（HRC60－63），该加工条件下刀具温度可到680oC以上［11］，因此其抗高温性显得尤为重要，而Co作为金属粘接剂不仅会降低PcBN的耐磨性增大其机械磨损量，还会大大降低PcBN的抗高温性能，大大增加其化学磨损和氧化磨损，所以随着Co含量的增加，低含量PcBN刀具的寿命会显著降低，其磨损面粗糙度也会增加。

图3 高含量PcBN刀具切削灰铸铁（HB120－140）后刀面磨损：Fig.3 Flank wear of high content PcBN tool after cutting gray cast iron（HB120-140）

图4 低含量PcBN刀具切削GCr15（HRC60－62）后刀面磨损Fig.4 Flank wear of low content PcBN tool after cutting GCr15（HRC60-62）

图5 不同Co含量PcBN复合片（A）切削灰铸铁的后刀面磨损Fig.5 Flank wear of PcBN compacts with different Co content after cutting gray cast iron（a：Co0%，b：2%，c：4%，d：6%）

图6 不同Co含量PcBN复合片切削B GCr15的后刀面磨损Fig.6 Flank wear of PcBN compacts with different Co content after cutting GCr15（a：Co0%，b：2%，c：4%，d：6%）

5 结论

（1）YG8硬质合金中的W、Co会渗透到cBN层中，导致PcBN中的W、Co含量会大大高于添加量；且W渗透的临界温度低，Co渗透的临界温度高，其渗透量随烧结功率的增大而增大。但硬质合金中的W、Co以何种形式渗透还有待研究。

（2）PcBN复合片中添加和渗透的Co能增加其可烧结性，导电性和强度，但会大大降低PcBN复合片的耐磨性和抗高温性，进而增加其机械磨损量、化学磨损量和氧化磨损量，需严格控制Co的渗透。

（3）高含量PcBN复合片中可添加少量Co以提高其烧结性，导电性和强度，低含量PcBN复合片为保证其抗高温性不宜添加Co。

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Influences of the cobalt on sintering and properties of PcBN composite

WANG Wen-long1，2，XIE Zhi-gang1，2，HE Xu-lin2，ZHANG Yan-jun2，LI Li-wei2，ZHU Xu2
（1.Guilin University of Electronic Technology，Guilin541004，China；2.China Nonferrous Metal（Guilin）Geology and Mining Co.，Ltd.，Guilin541004，China）

The cobalt is commonly used as metal bond of PcBN，while the sintering ability，bending strength and lifetime are very important performances of the PcBN.This paper studies the impact of different Co content on the performances of high and low content PcBN composite.

Co；polycrystalline cubic boron nitride compacts；sintering ability；bending strength；lifetime.

TQ164

A

1673－1433（2013）02－0016－06

2013－03－25

王文龙（1987－）男，在读硕士研究生。主要从事高性能PcBN复合片的研究和开发。E-mail：290349290＠qq.com。