碳化硼-立方氮化硼复合陶瓷的高压制备及性能研究

利用六面顶液压机,以铝、钴为烧结助剂,在压力5.5 GPa,温度1 470℃,保温时间5 min的条件下制备出碳化硼-立方氮化复合陶瓷。并通过XRD衍射仪、SEM扫描电镜、维式硬度仪对其进行了物相分析、微观形貌表征和硬度测量,并研究了不同含量的立方氮化硼对碳化硼复合陶瓷力学性能的影响。实验结果表明,当碳化硼和立方氮化硼的比例为7∶3时,复合陶瓷具有较好的综合性能,维式硬度为41.6 GPa、密度为2.45 g/cm^(3)、磨耗比为2.5。将立方氮化硼作为增强材料不仅保持了碳化硼的硬度还兼顾了轻质性能。而铝、钴作为烧结助剂不仅降低了烧结温度还抑制了立方氮化硼向六方氮化硼的转变。

聚晶立方氮化硼刀具切削QT700球墨铸铁试验研究

研究聚晶立方氮化硼刀具切削QT700球墨铸铁时的磨损机制,选用不同立方氮化硼含量、颗粒大小、粘结剂成分的聚晶立方氮化硼刀具,分析不同切削参数对刀具磨损的影响。研究表明,立方氮化硼含量为80%,颗粒大小为8μm,粘结剂成分为钛、铝时,聚晶立方氮化硼刀具切削QT700球墨铸铁时获得更长的寿命优势。切削QT700球墨铸铁磨损机制为磨粒磨损、化学磨损、粘结磨损、扩散磨损的共同作用。切削速度较低时,以磨粒磨损为主导。随着切削速度的加快,化学磨损和粘结磨损逐渐起主导作用。

聚晶立方氮化硼刀具及其制造技术综述

首先介绍了聚晶立方氯化硼（ＰＣＢＮ）刀具的优异性能及其应用领域。然后从几个方面综述了ＰＣＢＮ刀具制造的关键技术及其发展现状。

含纳米金刚石的立方氮化硼聚晶的制备

采用在cBN表面进行镀钛、并在PcBN结合剂中加入纳米金刚石的方法,对静压法合成的PcBN的组织结构进行研究。通过对镀钛后的cBN和合成的PcBN样品进行XRD、SEM、显微硬度、致密度分析和热稳定性分析,并与结合剂中不含纳米金刚石的PcBN样品进行对比,研究纳米金刚石的添加对合成PcBN的组织结构和性能的影响。实验结果表明,在有镀钛cBN、Al和Si存在的环境中,采用先升压至5.5 GPa,然后升温至1 400℃,保温保压500 s的合成工艺,在PcBN中未发现纳米金刚石发生石墨化;作为碳源,与Si、Ti、Al等共同作用,在PcBN组织中形成多种耐热、高硬、稳定的化合物。适当过量地加入使得PcBN组织中残留部分未反应的纳米金刚石,不仅提高了PcBN的致密性,而且提高了PcBN的硬度,更为重要的是消除和减轻了"架桥"现象。在合成PcBN的过程中,Ti和纳米金刚石的反应活性最强。结合真空微蒸发镀钛技术,cBN表面镀钛和加入纳米金刚石使PcBN中的各组分之间充分反应形成的多种化合物过渡层,使得PcBN中各相之间有良好的相容性,PcBN的热稳定性得到提高。

基于PcBN应用的立方氮化硼触媒法高压高温合成

聚晶立方氮化硼(PcBN)具有优异的高硬度、耐热和耐磨等多种物理性能,已经成为重要的刀具材料,应用领域广阔。立方氮化硼(cBN)是硬度仅次于金刚石的超硬材料,利用cBN的超硬特性,可以制成聚晶立方氮化硼。以六方氮化硼(hBN)为原料,经静态触媒法超高压高温反应,可以得到PcBN特殊要求的cBN。研究了hBN预处理后的粒度和结晶度,合成cBN的二阶升压工艺中暂停时间及台阶压力,诱导剂的添加等工艺变化对cBN合成的影响。采用N2气氛热压烧结法对hBN进行预处理,明显改变了hBN的结晶度,但是其粒度变化不大。对于粒度相近的hBN,其结晶度的变化对cBN合成结果影响更显著。采用较低结晶度的hBN合成cBN时转化率较高,cBN晶体的粒度相对较小,正是合成PcBN的理想原料。合成cBN时,台阶压力高,cBN成核较多;台阶压力低,成核少;台阶压力低时,晶粒较大,晶形明显变好。随着暂停时间的延长,cBN的成核率降低,产量减少,粒度明显增大,晶形完整率提高。通过添加B、Si或Ce等晶形诱导剂,可以调整cBN晶体的颜色、晶形和杂质含量等。为了得到用于制备PcBN的高质量cBN,控制合成工艺条件为:台阶压力4.0GPa,终态压力4.6GPa,暂停时间15s,合成温度1 390℃。

多晶立方氮化硼复合材料的制备

制造了一种立方氮化硼颗粒之间实现键合的多晶体立方氮化硼复合材料。这种材料具有比较好的硬度、耐磨性、热学和化学稳定性。

镀Ti立方氮化硼（cBN）与玻化SiO_2－Na_2O－B_2O_3结合剂的作用

为了防止玻化ＳｉＯ２－Ｎａ２Ｏ－Ｂ２Ｏ３结合剂烧结时对立方氨化硼（ｃＢＮ）的侵蚀，并实现ｃＢＮ晶体与结合剂间的化学键结合，本文用ＤＴＡ、ＸＲＤ、ＳＥＭ、ＥＰＭＡ等研究了Ｔｉ镀层与ＣＢＮ界面在６００～１２００℃温度范围的界面反应过程及界面成分结构特征，讨论了镀ＴｉｃＢＮ与结合剂复合体在烧结过程中的成分结构及性能．结果表明：Ｔｉ镀层与ｃＢＮ晶体在６００℃以上，以反应扩散的形式发生界面反应形成ＴｉＮ，８００℃以上形成ＴｉＢ２及ＴｉＢ，这些在ｃＢＮ表面外延生长的难熔化合物使Ｔｉ镀层与ｃＢＮ牢固结合并阻止了结合剂中的碱性组分对ｃＢＮ的侵蚀，镀ＴｉｃＢＮ晶体与结合剂则由低价的氧化钛为中介实现良好结合．

聚晶立方氮化硼的制备方法及应用进展

对近年来国内外聚晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride,PCBN)及其复合片的制备方法和工业应用进行了综述,主要介绍了烧结型、生长型和生长–烧结型聚晶立方氮化硼的制备方法;系统论述了采用直接转化法、钎焊法和一次烧结法制备聚晶立方氮化硼复合片的进展;并对聚晶立方氮化硼在汽车制造、轴承和超精密工具等行业中的应用进行了概述。最后,对聚晶立方氮化硼及其复合片未来发展方向进行了展望。

高温钎焊立方氮化硼界面微结构

以Ag Cu Ti合金为钎料采用真空钎焊的方法在优化的钎焊温度和时间下 ,实现了立方氮化硼 (CBN)与砂轮基体的牢固连接。运用扫描电镜 (SEM)、X射线能谱仪(EDS)及X射线粉末衍射仪 (XRD)对连接界面的微观组织以及CBN表面生成物的三维形貌、化学成分、物相结构进行了综合分析。结果表明 ,钎料中的元素Ti向CBN表面扩散富集 ,生成了针状TiB2 和TiN ,在磨粒与钎料界面形成化学冶金结合 ,这是CBN与Ag Cu Ti钎料间有良好浸润性和高结合强度的主要原因。

聚晶立方氮化硼刀具切削高锰钢的磨损机制

在半精加工试验条件(切削深度ap=0.5mm,进给量f=0.3mm/r,干切)下研究了聚晶立方氮化硼刀具切削奥氏体高锰钢时的磨损机制,用WDH-II型光电温度计测量了切削温度,用工具显微镜测量后刀面磨损量,进而考察了切削时间和切削速度对后刀面磨损量的影响,采用S-250MK型扫描电子显微镜观察刀具前、后刀面的磨损形貌和组成变化.结果表明:当切削温度为400～750℃时,聚晶立方氮化硼刀具同高锰钢中的γ相及其析出相(Fe,Mn)3C之间产生严重的机械磨损;当切削温度超过800℃时,聚晶立方氮化硼刀具同高锰钢单一γ相之间产生扩散磨损;聚晶立方氮化硼刀具适合于高速切削.

AgCuTi合金钎焊单层立方氮化硼砂轮

为研制我国新一代单层钎焊CBN(立方氮化硼 )磨料砂轮 ,尝试Ni-Cr和Ag -Cu-Ti两种活性钎料 ,在真空炉中钎焊。试验结果表明 ,Ni-Cr合金钎料对CBN磨料不浸润 ,钎焊后CBN磨料全部脱落 ;而Ag -Cu -Ti合金钎料对CBN则表现出良好的浸润性并将CBN牢牢钎焊住。借助扫描电镜、X射线能谱和X射线衍射对界面微区组织的分析研究表明 ,钎焊过程中Ag -Cu -Ti合金钎料中的Ti向CBN磨料界面富集 ,并与CBN磨料表面的N和B元素反应生成TiN和TiB ,这是实现Ag -Cu -Ti合金钎料与CBN磨料高结合强度的关键因素。断口形貌的分析研究表明 ,CBN与Ag -Cu -Ti合金钎料间的断口发生在Ag -Cu -Ti合金钎料层 ,说明CBN磨料与Ag -Cu -Ti合金钎料的结合强度已超过了Ag-Cu -Ti合金钎料本身强度。最后将研制出的单层钎焊CBN磨料砂轮与传统电镀CBN砂轮进行了重负荷磨削对比试验 。

聚晶立方氮化硼(PCBN)的制备及应用研究进展

本文通过CBN与其他刀具材料的对比,指出PCBN的高硬度、高耐磨性和高热稳定性的特点。文献表明有结合剂的PCBN正朝着高断裂韧性、高耐磨性方向发展,同时尺寸越来越大,结合剂体系以金属陶瓷为主,其中陶瓷组分包括TiN、AlN、Si_3N_4、TiC等,金属有Co、Ti、Al等。无结合剂的纯PCBN和表面镀覆PCBN也正在积极研究中,高纯PCBN具有与纯CBN接近的力学性质。根据加工材料的成分和微观结构决定PCBN刀具的应用,努力使切割工具和工具材料标准化。

银铜钛合金与立方氮化硼磨粒钎焊界面显微分层结构及形成机理

采用银铜钛(AgCuTi)合金钎料在加热温度920℃和保温时间5 min工艺下进行立方氮化硼(CBN)磨粒与45钢基体的连接试验,使用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪分析磨粒与钎料结合界面的组织结构特征与物相组成。结果表明,钎焊过程中,CBN磨粒与AgCuTi合金结合界面出现了显微组织分层现象,从CBN晶体到钎料层由CBN/TiB_2/TiB/TiN/含Ti合金构成,这种过渡结构有利于磨粒与钎料之间的化学键和力学性能过渡。反应热力学分析显示界面反应产物可以依靠置换反应形成;通过对B、N原子的扩散能力差异分析表明,界面新相形核顺序依次为TiN、TiB_2、TiB。

高速立方氮化硼砂轮与绿色制造

以磨削加工汽车发动机凸轮轴、曲轴为例,对陶瓷CBN砂轮与普通刚玉砂轮进行了加工效果对比。结果表明:高速陶瓷CBN砂轮的耐用度是普通陶瓷刚玉砂轮的100倍,寿命是普通砂轮的的44.4倍,而原材料消耗仅为其1/56;加工相同的工件数量,使用刚玉砂轮进行加工,磨料消耗是高速CBN砂轮的400余倍;采用高速陶瓷CBN砂轮代替刚玉砂轮可提高生产效率30%以上,综合生产成本比刚玉砂轮磨削降低60%。高速CBN砂轮具有高效率、高精度、低磨削成本,低环境污染的技术优势,其代表了当今世界磨具产品发展的一个主要方向,是实现绿色加工目标的有效手段。

Ag基钎料钎焊立方氮化硼的焊接性与微观结构

在不同真空钎焊温度和保温时间条件下,研究了Ag基活性钎料钎焊立方氮化硼的焊接性与微观结构。试验结果表明:钎料中Ti的质量分数为12%、钎焊温度为950℃、保温时间为20 min时可实现Ag-Cu-Ti活性钎料与立方氮化硼的牢固连接。Ag-Cu-Ti活性钎料对c-BN的润湿性较好,界面结合紧密,并在界面处形成反应层。微观分析表明:钎焊过程中Ag-Cu-Ti合金钎料中的Ti向c-BN磨粒表面富集,并与c-BN磨粒表面N和B元素发生反应,形成TiN和TiB2,实现了Ag-Cu-Ti活性钎料与立方氮化硼磨粒的化学冶金结合。

片状立方氮化硼合成及其导电特性研究

通过控制高压腔内的温度、压力梯度合成了粒径300～500μm的片状立方氮化硼（cBN）单晶体。通过在原料中掺杂及对合成晶体的真空高温扩散掺杂，获得了具有半导体导电性的立方氯化硼材料并测试了其V－A特性。

立方氮化硼表面镀Ti及其与金属粘结剂的作用

通过磁控溅射及其后处理等方法在立方氮化硼（简写ｃＢＮ）表面形成均匀的Ｔｉ镀层。用ＤＴＡ、ＸＲＤ、ＳＥＭ及ＥＰＭＡ等方法研究了镀层与ｃＢＮ间的界面反应及产物、镀层与ＣｕＣｏ基金属粘结剂之间的作用，并用经不同方法处理的ｃＢＮ试样有不同的抗弯强度说明了这种作用。结果发现，ｃＢＮ表面Ｔｉ镀层只有在与其形成Ｔｉ、Ｂ、Ｎ的化合物后，才能达到ｃＢＮ与粘结剂的冶金结合。

立方氮化硼生长界面形貌及相结构表征

采用Li3N和hBN为原料,在静态高温高压条件下合成出大颗粒cBN单晶。利用扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)对合成块断面、大颗粒cBN单晶形貌及其周围物相进行了表征。结果表明:在大颗粒cBN单晶周围主要存在hBN、cBN及Li3BN2等物相。HRTEM在大颗粒单晶周围发现了纳米尺寸的cBN微颗粒,并发现该微颗粒处在Li3BN2物相包裹中。由此可以推测,高温高压状态下,hBN与Li3N发生共熔反应生成Li3BN2,而Li3BN2作为触媒中间相促使cBN的形成。同时结合SEM结果分析表明,一旦cBN微颗粒形成,在随后的生长过程中,cBN在Li3BN2熔体中以扩散的方式进行台阶生长,从而形成宏观可见的cBN单晶。

钎焊立方氮化硼BCu80Ni5SnTi活性钎料的组织与性能

研制一种适合钎焊立方氮化硼与45钢异质材料的新型高温BCu80Ni5SnTi活性钎料,采用SEM、EDS及XRD对BCu80Ni5SnTi系活性钎料的微观组织及钎焊接头力学性能进行研究。结果表明:适合钎焊c-BN的活性钎料成分为Cu78～81Ni5～6Sn3～5.5Ti10～12(质量分数,%),固相线温度为858.4℃,液相线温度为874.8℃;钎料组织由α-Cu固溶体、Ni固溶体、Cu-Sn共晶及少量Cu4Ti3、Cu3Ti2、Cu3Sn、CuSn和Ni17Sn3等化合物组成;该钎料对c-BN的润湿性较好,润湿角为28°～30°,钎焊c-BN与45钢的接头强度为210～230MPa;新型钎料钎焊冶金特性较好,钎焊接头界面实现冶金结合。

陶瓷结合立方氮化硼磨削工具材料制备研究

陶瓷结合立方氮化硼(CBN)磨削工具是一类用于磨削加工的新型陶瓷/玻璃复合材料。本文作者从复合材料制备理论角度探讨了这类材料的制备原则,并进行了试验研究。研究结果表明:CBN磨具的烧成温度以低于800℃为宜;陶瓷结合剂与CBN磨料的热膨胀系数匹配性对磨具强度有较大影响,具有较小热膨胀系数和较高强度的C1结合剂较适合CBN磨具制备。在一定温度范围内,适当提高烧结温度,有利于提高陶瓷结合剂桥相本身强度及结合剂与CBN磨料颗粒的结合强度。