【摘要】：聚晶立方氮化硼(PcBN)刀具材料具有硬度高、耐磨性好、導(dǎo)熱性好、優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于切削淬硬鋼、灰鑄鐵、鈦合金以及高溫合金等難加工材料。本文以制備出高性能的PcBN刀具材料為目的,首先采用高能球磨工藝細(xì)化立方氮化硼(cBN)晶粒,然后選擇有機(jī)聚硅氮烷(PSN)和金屬鋁復(fù)合結(jié)合劑,分別通過高溫高壓法和放電等離子法(SPS)制備出致密的PcBN塊體材料。通過XRD分析cBN微粉的雜質(zhì)引入量,激光粒度分析儀測試cBN的粒度,氧氮?dú)浞治鰞x測試cBN的含氧量,SEM和TEM觀察cBN晶粒的微觀結(jié)構(gòu)。分析了不同高能球磨時(shí)間對cBN的粒度,雜質(zhì)含量和氧含量的影響。通過TG-DSC分析PcBN的熱穩(wěn)定性能,XRD分析PcBN的物相,SEM觀察PcBN橫斷面微觀結(jié)構(gòu),測試并分析PcBN的密度、硬度、抗彎強(qiáng)度等力學(xué)性能。分析PSN結(jié)合劑和PSN+Al復(fù)合結(jié)合劑的含量對PcBN材料的燒結(jié)性能、顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。主要研究結(jié)果如下:(1)高能球磨工藝可以有效地細(xì)化cBN晶粒,隨著高能球磨時(shí)間的增加,cBN晶粒粒徑逐漸減小,WC雜質(zhì)逐漸增加,cBN微粉氧含量逐漸提高。高能球磨120min后,原始粒度為1-2μm的cBN和3-6μm的cBN晶粒平均粒徑分別被降低到303nm和680nm。(2)PSN經(jīng)熱解和高溫高壓燒結(jié)后可以在cBN晶粒表面直接形核生成SiC和Si_3N_4納米晶,該納米晶可以有效提高PcBN的強(qiáng)度。PSN+Al復(fù)合結(jié)合劑在高溫高壓燒結(jié)時(shí)與cBN晶粒反應(yīng)生成AlN,AlN的形成一方面能夠促進(jìn)致密化,另一方面也可以促使SiC和Si_3N_4納米晶的生成,因此,PSN+Al復(fù)合結(jié)合劑比單一的PSN結(jié)合劑所制備出的PcBN具有更高的相對密度、硬度和抗彎強(qiáng)度。在1450℃,5GPa高溫高壓條件下制備出的組分為60wt.%cBN+30wt.%PSN+10wt.%Al的PcBN材料具有最高致密度,其值為98.4%,該P(yáng)cBN同時(shí)具有最高的硬度和抗彎強(qiáng)度,其值分別為23.00±0.75GPa和398.33±12.11MPa。(3)經(jīng)高能球磨細(xì)化后的cBN晶�？梢源龠M(jìn)SiC和Si_3N_4納米晶的生成過程。以高能球磨120min的cBN晶粒為原料,選擇PSN+Al作為復(fù)合結(jié)合劑,在1450℃,5GPa的高溫高壓條件下制備出的PcBN的致密度達(dá)到99.7%,其硬度和抗彎強(qiáng)度比未高能球磨細(xì)化的cBN原料所制備的PcBN有較大幅度的提高,其值分別為25.17±0.80 GPa和602.50±12.08MPa。(4)采用放電等離子體燒結(jié)法(SPS)可以在1600℃,30MPa壓力的條件下成功制備致密的PcBN材料。SPS可以能促進(jìn)無定形SiCN的結(jié)晶過程,在cBN晶粒表面生成納米SiC晶須。但是,對比高溫高壓燒結(jié)的PcBN樣品,由于有hBN相的生成,hBN相大大降低了PcBN材料的硬度和抗彎強(qiáng)度。放電等離子體的快速燒結(jié)技術(shù)為制備PcBN材料打開了一個(gè)新的窗口,控制cBN的hBN相變是今后努力的一個(gè)方向。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG711
【圖文】：

BN）中的氮原子和硼原子以 sp方式雜化石的晶體結(jié)構(gòu)相似的立方氮化硼晶體。金剛共價(jià)結(jié)合，而 cBN 晶體中則是硼、氮兩種異還存有少量的弱離子鍵[1]。在理想的 cBN 晶nm，B-N 鍵鍵間的夾角為 109°5′。cBN 中硼所在的面心立方與氮原子所在的面心立方彼5]，如圖 1.1 所示。硼、氮兩種異類原子共價(jià)決定了 cBN 材料優(yōu)異的性能。硼材料基本上通過高溫高壓等人工手段進(jìn)行僅在地底古海洋地殼的富鉻巖區(qū)內(nèi)存在，不與開發(fā)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Wentorf R.H.利用類似首次成功合成了立方氮化硼材料。立方氮化，且硬度非常高，因此與金剛石同屬超硬材刀具等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

好的發(fā)展趨勢。以下是 PcBN 刀具的性能特點(diǎn)：具有較高的硬度和耐磨性 材料的顯微硬度一般為 HV3000-6000，比硬質(zhì)合金和 加工高硬度材料時(shí)具有比硬質(zhì)合金及陶瓷更高的耐磨動(dòng)化加工時(shí)不僅可以減少更換刀具的輔助時(shí)間，還可寸偏差。以 PcBN 刀具加工過去只能磨削加工的高硬”工序進(jìn)行加工，其不僅可以得到較好的加工表面質(zhì)流程。良好的熱穩(wěn)定性和高溫硬度加工時(shí)，刀具與工件接觸點(diǎn)產(chǎn)生持續(xù)的高溫，因此刀度和熱穩(wěn)定性。PcBN 材料具有很好的紅硬性，加工硬質(zhì)合金和陶瓷，特別適用于高速干切削。PcBN 材為金剛石耐熱性的兩倍。圖 1.2 為 PcBN 與其他刀具

[45]在以 hBN 和 pBN 為原料，不添加結(jié)合劑，在Pa 和 2200°C 下由 hBN 合成的 PcBN（h）（10裂強(qiáng)度為 1.6GPa。以 pBN 為原料在相同溫度下寸（50-100nm），硬度與 PcBN（h）相同，但�，F(xiàn)狀 材料的研究起步很早，1967 年首次成功制備 c住友公司推出 PcBN 產(chǎn)品的同時(shí)，我國四川立方合成直徑為 2.4-4mm 規(guī)格的 PcBN 刀具。1982礦產(chǎn)地質(zhì)研究院成功合成 PcBN 刀具，分別推 LBN-Y 牌號的 PcBN 刀具產(chǎn)品[46]。1987 年鄭州 PcBN 刀具材料。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代后，北京河南富耐克超硬材料有限公司也分別推出 PcBNN 刀具市場迅速增長，銷售額逐年增高，如圖 1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2750534