多晶立方氮化硼在高压熔渗法烧结过程中的晶界键合机理研究

为了探究多晶立方氮化硼（PCBN）在高压熔渗法烧结过程中的晶界键合机理,分别采用高压熔渗法和混合法,在烧结压力5.0~5.5 GPa,温度1300~1600℃,加热时间10~15 min条件下,对立方氮化硼（CBN）的烧结行为进行对比研究,并对烧结后的样品进行X射线衍射（XRD）物相分析,扫描电镜（SEM）分析和硬度测试。实验结果显示:在压力为5.5 GPa,温度为1500℃条件下,利用熔渗法烧结的PCBN样品中出现了大量的CBN-CBN晶粒间键合;在同等压力温度条件下,利用熔渗法烧结样品的维氏硬度可达到CBN单晶硬度（45~50 GPa）的80%以上,明显高于利用混合法烧结的样品。通过上述PCBN高温高压烧结行为的对比研究,系统分析高压熔渗法烧结过程中的CBN晶界键合机理。高压熔渗法有利于高温高压下CBN晶粒的塑性形变和晶粒间孔隙闭合,在CBN晶粒相互挤压处形成局部高应力区,从而在Si熔媒渗入CBN层后促进CBN-CBN晶粒间的键合。      

烧结压力对整体PCBN刀具微结构与性能的影响及作用机理

将粒度尺寸5 μm的CBN微粉与黏结剂Al的混合粉末在国产六面顶压机上高压烧结制备整体PCBN材料,通过对样品磨耗比、显微硬度的测试与分析获得了较优的烧结工艺参数:烧结压力5.4 GPa、烧结温度1500℃和烧结时间240 s。测得样品的显微硬度为3897HV5（加载时间15 s）,磨耗比为8750。SEM、TEM观察和XRD衍射分析表明:提高烧结压力可使CBN颗粒产生一定的塑性流动,抑制烧结过程中CBN颗粒表面逆转成hBN;黏结剂Al可与CBN颗粒表面反应形成中间产物AlN和AlB₂,在CBN颗粒之间形成牢固的陶瓷中介结合,并消除CBN烧结过程中残余的hBN,从而提高整体PCBN刀具的性能。      

Si_3N_4晶须结合剂合成PCBN微观组织结构的研究

本文以Si3N4晶须为结合剂,高温高压下合成了聚晶立方氮化硼,烧结压力为5～7GPa,温度为1400～1500℃,选用了石墨管+NaCl管+钼杯组装方式。采用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪等仪器设备研究了产品PCBN的组织结构。金相显微镜结果表明,PCBN的表面组织比较均匀。扫描电镜结果表明,PCBN的烧结情况良好,结合剂对CBN高温润湿情况良好。X射线衍射结果表明,有新的物相生成。     

不同TiN含量整体式PCBN复合材料微观组织及性能研究

在高温高压烧结条件下以TiN为主要结合剂,加入一定量的Al,研究TiN含量对整体聚晶立方氮化硼(PCBN)复合材料微观组织与力学性能的影响。分别对烧结样品进行物相组成分析、微观结构观测以及体积密度和硬度测试。结果表明:CBN与结合剂TiN、Al反应生成TiB₂、AlN,TiN与Al发生反应生成Al₃Ti ,TiN与反应生成物AlN、TiB₂、Al₃Ti等构成黏结相均匀分布于 CBN晶界周围,牢固地将CBN 晶粒黏结在一起,有效地提高了整体PCBN复合材料的结合强度。低含量TiN对整体PCBN的致密度和硬度均有一定程度的提升,在TiN、Al、CBN的质量分数分别为10%、10%、80%时,整体PCBN复合材料的力学性能达到最佳。      

初始材料中Al含量对CBN复合片烧结行为的影响

探索了以Al作为烧结助剂,压力为5.0 GPa,烧结温度在1 400℃情况下,初始材料中Al的含量对CBN复合片中反应机理和机械性能的影响。通过对CBN基复合片的硬度、微观形貌以及物相的分析,发现CBN和Al的反应、以及CBN复合片的机械性能严重依赖于初始材料中A l的含量。除次之外,本文首次采用晶格常数精确计算来分析了化学反应中B原子去向。实验结果表明:当初始混合粉末中Al的含量不超过15%时,复合片的微观结构都比较均匀,硬度都超过30 GPa。含15%A l的样品具有最好的切削性能。     

CBN粒度及组装方式对PCBN性能影响的研究

本文主要研究了高温高压下合成PCBN时,CBN粒度及组装方式对PCBN性能的影响。结果表明,CBN的粒度对PCBN性能有很大影响,混合粒度比单一粒度的效果好,混合粒度范围宽的又好于范围窄的。建议合成PCBN时采用宽混合粒度范围的CBN颗粒,从而有效的改善颗粒的堆积状态,增加晶粒的堆积密度,提高PCBN制品的性能。当Dmax/Dmin越接近1,PCBN的磨耗比和硬度越低;双盐双碳管的组装方式使得合成温度易于控制,压力更加均匀,保证了PCBN制品组织的均匀性,因而优于单盐碳管的组装方式。     

TiC含量对PCBN微观组织与力学性能的影响

以TiC作为陶瓷结合剂,采用高温高压真空烧结技术研究了TiC含量对PCBN微观组织结构及力学性能的影响。结果表明:在烧结过程中,CBN与结合剂中的TiC、Al发生了反应,生成了新的物相。生成的TiB_2、AlB_(12)、TiN为硬质相,对PCBN烧结体的硬度和耐磨性有一定的提高作用,生成的AlN、AlB_2对其抗冲击性能和导热性有很大帮助。当TiC、Al、Co质量分数分别为10%、10%、5%时,烧结体的致密性和硬度最优。     

PCBN刀具断续干式切削ADI时切削力与寿命的研究

选用DBW85、DBC50、BN250、BN700四种牌号的PCBN复合片刀具断续干式车削等温淬火球墨铸铁(ADI),测定了在相同几何参数下的切削力和在不同速度下的刀具寿命。试验结果表明:(1)在所选用四种牌号PCBN刀具中,高CBN含量的BN700和DBW85断续加工ADI的性能,要优于低CBN含量的BN250和DBC50,其中DBW85性能最好。(2)高CBN含量的BN700和DBW85加工ADI时,切削速度可选择偏高一些,一般要大于130m/min,低CBN含量PCBN刀具加工ADI时,切削速度要选择偏低一些,在100m/min左右。(3)黏结剂中添加W元素可以有效抑制PCBN刀具切削ADI时的化学磨损,改善刀具韧性,有利于ADI的断续切削。     

PCBN烧结体中TiN_(0.3)/AlN与CBN的界面关系研究

针对传统结合剂的PCBN超硬刀具材料在无液干切削过程中存在耐热性不足、软点等问题,采用非化学计量比TiN0.3与AlN为结合剂的方法制备PCBN。使用SEM、XRD、EDS、DIL膨胀仪及硬度测量设备,对样品的抛光表面和断口进行观察,样品相组成分析,界面处的元素分布,膨胀系数及硬度等方面的分析,讨论TiN0.3与CBN及TiN0.3/AlN与CBN表面的结合状态,分析TiN与CBN热膨胀系数的差异,及这种差异对烧结体组织的影响。引入AlN减轻膨胀系数的影响;通过CBN表面镀钛,使TiN0.3、TiN0.3/AlN与CBN更好结合。分析CBN表面区域与TiN0.3、TiN0.3/AlN的生成物,并且分析这些生成物在PCBN中的作用。     

不同组装方式对PCBN物相的影响

PCBN已成为现代切削加工中不可缺少的重要刀具材料,本文使用石墨罐、石墨罐＋钼杯、石墨罐＋钼杯＋NaCl管三种不同的组装方式在UDS-Ⅱ型六面顶液压机上进行PCBN的合成,合成压力用油表压来标示,烧结温度用温度显示仪来监测,控制在1350℃-1500℃之间,保持该温度5—10min,三种组装方式的合成条件相同。合成后所得的PCBN片经粗磨、抛光后用于金相及X—ray分析测试。结果表明,在三种组装方式下,PCBN生成主要物相均为CBN相及相关的粘结相,在该合成压力、温度范围内也没有发生CBN→hBN的可逆转化,组织结构、性能无明显差异。为简化组装方式、降低合成成本,同时最大限度的防止杂质进入PCBN,合成组装方式可采用石墨罐＋钼杯。     

PCBN材料的组织结构与力学性能

以CBN-TiN-Ti-Al₂O₃为初始原料，采用高温高压法在1500 ℃不同保温时间下制备PCBN材料，探讨其在不同保温时间下的物相组成、显微结构、力学性能和切削性能。结果表明:保温时间对PCBN材料物相组成无明显影响，但有助于提高其结晶度，实现其烧结均匀化和致密化；在保温时间为9.00 min时，能获得综合性能最佳的PCBN材料，其相对密度为99.1%，抗弯强度为910.9 MPa，磨耗比为7120，显微硬度为33.5 GPa；用此PCBN做成的刀具加工模具钢零件，最多可加工365个。      

多晶立方氮化硼复合材料研究进展

PCBN的性能由其成分和结构决定。通过建立合理的化学条件——化学配方和物理条件——高压高温,实现了CBN-CBN键合。CBN-CBN键合比其它任何结合都强,晶界相是PCBN的薄弱环节。结果PCBN的质量显著提高,PCBN质量不均匀的问题也得到解决。     

Tool wear and machining performance of cBN–TiN coated carbide inserts and PCBN compact inserts in turning AISI 4340 hardened steel

PCBN is the dominant tool material for hard turning applications due to its high hardness, high wear resistance, and high thermal stability. However, the inflexibility of fabricating PCBN inserts with complex tool geometries and the prohibitive cost of PCBN inserts are some of the concerns in furthering the implementation of CBN based materials for hard turning. In this paper, we present the results of a thorough investigation of cBN plus TiN (cBN–TiN) composite-coated, commercial grade, carbide inserts (CNMA 432, WC–Co (6% Co)) for hard turning applications in an effort to address these concerns. The effect of cutting speed and feed rate on tool wear (tool life), surface roughness, and cutting forces of the cBN–TiN coated carbide inserts was experimented and analyzed using analysis of variance (ANOVA) technique, and the cutting conditions for their maximum tool life were evaluated. The tool wear, surface roughness, and cutting forces of the cBN–TiN coated and commercially available PCBN tipped inserts were compared under similar cutting conditions. Both flank wear and crater wear were observed. The flank wear is mainly due to abrasive actions of the martensite present in the hardened AISI 4340 alloy. The crater wear of the cBN–TiN coated inserts is less than that of the PCBN inserts because of the lubricity of TiN capping layer on the cBN–TiN coating. The coated CNMA 432 inserts produce a good surface finish (<1.6 μm) and yield a tool life of about 18 min per cutting edge. In addition, cost analysis based on total machining cost per part was performed for the comparison of the economic viability between the cBN–TiN coated and PCBN inserts.     

Performance evaluation of pure CBN tools for machining of steel

Ultra-precision machining is one of the most important machining technologies for the manufacture of precision dies and molds. Typically, single point diamond cutting tools are used to machine molds which are coated with electroless nickel (NiP) for such applications. The high cost of diamond cutters and electroless nickel plating, coupled with problems of pre-mature failure of the coating in service and long lead time are negative factors in this approach. Hence, there is a strong need for the direct ultra-precision machining of mold steel and to develop relevant technologies to address the problem of tool wear. In the machining of alloy steel, cubic boron nitride (CBN) has long been used as an ideal cutting tool material but recently binderless CBN or pure CBN (PCBN) with superior mechanical properties has been developed by Sumitomo Electric Industries in Japan. The objective of this paper is to explore the feasibility of using PCBN tools for direct ultra-precision machining of Stavax, a type of alloy steel from ASSAB. The performance characteristics in terms of surface roughness and tool wear of PCBN (Sumitomo IZ900) and conventional CBN (Sumitomo BN600) under different machining conditions were studied and their results were compared. Based on the experimental results, PCBN has been found to perform better in terms of wear resistance compared to conventional CBN tool. It is also able to achieve near mirror finish of less than 30 nm R_a, and hence it appears to be a promising tool for direct cutting of die and mold materials.     

无黏结相PCD和PCBN材料研究进展

无黏结相PCD和PCBN具有良好的高温性能,特别是拥有纳米晶粒或纳米结构的PCD和PCBN的性能甚至高于单晶体的性能。对无黏结相聚晶立方氮化硼（PCBN）和聚晶金刚石（PCD）材料的合成方法、烧结机理及其性能进行了详细概述。在高于7 GPa和1800℃下,能烧结出致密的无黏结相PCD和PCBN材料,但不同原材料粉末和微量触媒或掺杂会对超高压高温（HPHT）烧结条件和机理产生较大的影响。基于HPHT方法的制备条件较苛刻,PVD和CVD是比较有前途的制备PCD的方法,但用于制备PCBN还需要解决许多技术问题。