硬质合金高压熔渗制备聚晶立方氮化硼复合片①

贾洪声,鄂元龙,李海波,汪尹强,贾晓鹏,马红安,郑友进,

(1.吉林师范大学功能材料物理与化学教育部重点实验室,吉林四平136000; 2.吉林大学超硬材料国家重点实验室,吉林长春130012; 3.牡丹江师范学院新型炭基功能与超硬材料省重点实验室,黑龙江牡丹江157011)

硬质合金高压熔渗制备聚晶立方氮化硼复合片①

贾洪声1,3,鄂元龙1,李海波1,汪尹强1,贾晓鹏2,马红安2,郑友进3,

(1.吉林师范大学功能材料物理与化学教育部重点实验室,吉林四平136000; 2.吉林大学超硬材料国家重点实验室,吉林长春130012; 3.牡丹江师范学院新型炭基功能与超硬材料省重点实验室,黑龙江牡丹江157011)

在高温高压条件下(HPHT,5.2 GPa,1450℃),通过硬质合金基体的高压原位熔渗法,制备了质地均匀的Φ15×5 mm的聚晶立方氮化硼(PcBN)复合片。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)等考察了PcBN复合片的组织形貌及物相成分,并对其界面复合机理进行了探讨。实验结果表明,硬质合金(WC-Co)基体中WC及Co通过熔渗扩散到立方氮化硼(cBN)层,通过WC、MoCoB、Co3W3C等粘结相,实现了PcBN复合片的界面复合,PcBN层形成致密的“混凝土”结构。

高温高压;聚晶立方氮化硼复合片;熔渗;硬质合金

0 引言

作为立方氮化硼(cBN)工具的一种重要应用材料,聚晶立方氮化硼(PcBN)复合片以其优越的性能充分体现了现代制造业对材料的要求,广泛地应用于冷硬铸铁、耐热合金及淬硬钢等材料的精密加工领域[1-5]。

PcBN复合片是在高温高压(4.8～5.2 GPa, 1400℃～1550℃)条件下将立方氮化硼粉末颗粒依靠粘结相,使整个立方氮化硼粉末层形成高强度“混凝土”结构的烧结型cBN聚晶,并与硬质合金基体烧结复合,形成一体的复合材料。各种PcBN材料因制造方法、复合途径及烧结机理不同,其产品性能也表现出明显的差异。目前,在制备PcBN的方法上,采用的都是立方氮化硼与粘结剂粉末混合的烧结方法[6],其特征是立方氮化硼与粘结剂的含量配比通常很难达到最优,合成条件区间较窄,同时会带来如烧结组织结构不均匀(“架桥”、“团聚”),产品稳定重复性差等问题,严重地影响PcBN工具的性能。因此,深入开展PcBN复合片材料中立方氮化硼聚晶及界面的微观烧结机制的研究,不仅能对改善PcBN复合片材料的缺陷问题有指导作用,而且还可以通过材料的微观形貌及物相成分来推断界面复合过程及机理,目前,这方面的研究还较少[7-9]。本文以高压熔渗烧结的方法制备PcBN复合片,同时结合采用SEM、XRD、EDS等分析手段考察PcBN复合片中高压物理化学反应及硬质合金的熔渗扩散特征及其机理。

1 实验方法

实验是在国产SPD 6×800型六面顶压机上进行的。选用粒径为10～14μm、3～5μm的两种立方氮化硼粉末(采购于河南富耐克,制备的PcBN复合片样品分别记为1#和2#),质量各为0.65 g、Φ15 ×3 mm的YG8碳化钨基体作为原材料。首先将立方氮化硼粉末及硬质合金基体放入屏蔽器具钼杯中, 40 MPa预压成型,真空700℃热处理1 h,再将组装两种粒径原料的钼杯置入带有盐管的加热石墨管套件,组装图如图1所示。然后将所有部件一并放入37.5×37.5×37.5 mm的叶蜡石复合块中合成,高温高压制备条件为5.2 GPa、1450℃,烧结保温时间为6 min,最后经过慢降温卸压后获得Φ15×5 mm的PcBN复合片(1#和2#),其具有良好的可加工性(电阻～2Ω),对两种粒径制备的PcBN复合片样品进行了SEM(日本理学,S-570)、EDS及XRD (Rigaku D/max-2500/PC)的测试分析,并讨论其烧结机制。

图1 样品组装示意图Fig.1 Sample assembly diagram

2 分析与讨论

2.1 PcBN复合片组织形貌分析

本文通过高温高压下硬质合金基体原位熔渗技术,实现了PcBN复合片中聚晶立方氮化硼与碳化钨基体的牢固粘结复合。为了更清晰地观测PcBN复合片的微观组织形貌,对粒径10～14μm的cBN粉末制备的1#PcBN复合片界面层附近断面进行了SEM观察,图2所示为整体PcBN复合片的界面形貌,可以发现,WC-Co基体和cBN层形成粘结,有明显的分界面,结合界面两侧有远小于原始晶粒大小被粘结相包裹的微晶(1～2μm)存在,在WC-Co基体一侧尤为明显,这是由于高压下晶粒破碎的结果。

图2 PcBN-WC界面的SEM图Fig.2 SEM picture of PcBN-WC interface

对结合界面附近的PcBN层断面进行了SEM扫描,如图3所示,可以发现原始的立方氮化硼粉末有高温下被熔融液相扫越式熔渗的迹象,cBN颗粒被粘结相包裹,形成了“混凝土”结构。SEM显微形貌可以推测在整个PcBN烧结的过程中,cBN颗粒经过高压破碎、细化重排、液相烧结等过程形成了氮化硼之间成键的致密结构,整个PcBN层断面没有发现“架桥”等现象。

2.2 PcBN能谱面扫描分析

为了分析碳化钨基体向cBN方向的熔渗特征及其成分的元素分布,对PcBN表层进行了能谱面扫描分析,该测试是在扫描电子显微镜—能谱仪上进行的,图4所示为10～14μm的cBN粉末制备1# PcBN样品的EDS图,其中的B元素该设备检测不到。在PcBN中,有屏蔽材料Mo元素,也有少量Ti、Al、Fe、K、O等元素存在。由于原材料表面通常有一层氧化膜,所以样品中有O元素的存在。其中Fe、Mo等元素的存在可以增加颗粒间的强度,有较好的润湿性,起流体传压介质的作用,有利于PcBN均匀无形变烧结。

图3 PcBN层SEM显微图Fig.3 SEM micrograph of PcBN layer

图4 1#PcBN元素分布的EDS显微图Fig.4 EDS micrographs of 1#PcBN element distribution

制备2#PcBN复合片,从图5能谱的面扫描照片可以看出,碳化钨基体的熔渗扩散能力很强,采用粒径更细的3～5μm的cBN粒径,也可以熔渗到cBN层,形成有效的烧结。在PcBN中也有屏蔽材料Mo、Fe、K、O等元素存在。在烧结的过程中,由于cBN不溶于金属粘结剂,所以不会有cBN晶粒的溶解析出和长大的过程。因此推测硬质合金基体中的Co成分是PcBN烧结的主要粘结相,硬质合金中的Co液相金属填充到cBN晶界中,发生化合反应,对 cBN烧结有一定的促进作用,使得硬质合金和cBN形成紧密粘结。液相金属粘结剂的存在,也有利于降低烧结条件,提高PcBN的韧性。

2.3 PcBN物相成分分析

为考察PcBN物相的存在形式,利用XRD对两种粒径制备的PcBN复合片样品表面物相成分进行了表征。测试条件:Cu Kα射线,石墨晶体单色器, 200 m A,40 k V,波长为0.15418 nm,扫描速度为4 deg/min。结果如图6所示。

图5 2#PcBN的SEM-EDS图Fig.5 SEM-EDS micrographs of 2#PcBN

图6 PCBN的X-ray衍射图Fig.6 X-ray diffraction pattern of PCBN

XRD分析结果表明,两种粒径制备的PcBN样品物相成分基本相同,有金属合金的硼合物MoCoB生成。这也说明:PCBN复合材料的结合强度高低取决于cBN层与硬质合金间的化合作用,在HPHT的条件下,PcBN内部会发生强烈的化学化合作用。发生的反应如下:

通过硬质合金基体中Co的扩散与cBN表面发生界面反应,生成了稳定的MoCoB等,如公式(1)。CoxWxC的存在,说明基体中WC与Co通过熔渗扩散形成了固熔体,如公式(2)。因为WC和Co的共晶温度为1320℃,同时,在1340℃时,Co对WC的浸润角为0[10],所以在烧结的过程中形成了Co3W3C。同时,WC等耐高温晶界相的存在,有利于减小结晶应力,在cBN与粘结金属之间引入陶瓷金属相,有利于PcBN保持高耐磨性,进一步提高cBN与硬质合金基体间的附着力。hBN相及EDS能谱检测的少量杂质元素形成的物相XRD没有体现。

3 结论

通过硬质合金高温高压条件下的熔渗扩散,制备了两种粒径(10～14μm,3～5μm)的PcBN复合片。SEM、EDS扫描结果表明,cBN颗粒被粘结相包裹而形成了“混凝土”结构。WC-Co基体部分合金化合物熔渗扩散到cBN层中,保持了PcBN的高耐磨性,少量的金属成分如Mo和Fe等形成的物相提高了粘结剂对cBN的润湿性,同时更有效地提高了PcBN韧性。XRD结果表明PcBN层形成了cBN,金属强碳化物WC、固溶体Co3W3C、MoCoB等,没有发现hBN相,这些化合物的存在是cBN-WC粘结复合形成PcBN复合片的主要机制。

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Preparation of Polycrystalline Cubic Boron Nitride Compact by Cemented Carbide High-Pressure Infiltration

JIA Hong-sheng1,3,E Yuan-long1,LI Hai-bo1*,WANG Yin-qiang1, JIA Xiao-peng2,MA Hong-an2,ZHENG You-jin3
(1.Key Laboratory of Functional Materials Physics and Chemistry of the Ministry of Education,Jilin Normal University,Siping 136000,China; 2.State Key Laboratory of Superhard Materials,Jilin University,Changchun 130012,China; 3.Key laboratory of New Carbon-base Functional and Superhard Materia, Mudanjiang Normal College,Mudanjiang 157011,China)

Under high temperature and high pressure conditions(HPHT,5.2GPa, 1450℃),homogeneous Polycrystalline Cubic Boron Nitride(PcBN)compact ofΦ15×5 mm has been synthesized through the cemented carbide high pressure in situ melting infiltration method.The structure morphology and phase composition of PcBN compact has been investigated through scanning electron microscope(SEM),X-radial Diffractometer (XRD)and Energy Disperse Spectroscopy(EDS).It's mechanism of composite interface has also been discussed.The experiment result shows that the WC and Co in the cemented carbide(WC-Co)substrate spread into Cubic Boron Nitride layer through melting infiltration.And the binding phase of WC,MoCoB and Co3W3C facilitate the interface recombination of the PcBN compact,hence a compact"concrete"structure has been formed on the PcBN layer.

HPHT,PcBN Compact,melting infiltrating,cemented carbide

TQ163;O521.3

A

1673-1433(2014)02-0026-05

2014-07-12

贾洪声(1982-),男,吉林双辽人,讲师,博士,主要从事超硬材料制品的研究,E-mail:iop84041@163.com

四平市科技发展计划项目(2012037);吉林大学开放课题(201201);牡丹江师范学院开放课题(201301)(50572032)

李海波(1962-),男,吉林双辽人,教授,博导,主要从事功能材料研究,E-mail:lihaibo@jlnu.edu.cn。