大直径PcBN复合片的合成及性能表征

卢灿华,张涛,刘俊涛,窦明(中南钻石有限公司,河南南阳473264)



大直径PcBN复合片的合成及性能表征

卢灿华,张涛,刘俊涛,窦明
(中南钻石有限公司,河南南阳473264)

摘 要:采用纳米金属结合剂PcBN复合片制备技术,在六面顶压机上合成出直径为Φ55mm的PcBN复合片。经性能测试,磨耗比5425,维氏硬度5980HV,cBN层抗弯强度516.6MPa,经超声波微成像分析,样品无分层、裂纹、夹杂、cBN厚度不均等缺陷,制成刀具后,在切削轴承钢Gr15时,样品与国外同类产品性能相当。

关键词:大直径;PcBN复合片;性能测试;切削试验

1　引言

PcBN复合片是以立方氮化硼颗粒和按一定比例组成的粘结剂为原料,硬质合金为基体,通过特定的组装方式在高温高压条件下烧结而成的一种超硬复合材料,具有高的硬度、高耐磨性、高红硬性、高化学稳定性等优良的特性,主要应用于加工各种淬火钢、热喷涂材料、冷硬铸铁以及HRC35以上的钴基和镍基等难切削材料[1]。

目前,国外PcBN复合片产品的供货规格一般在Φ50mm以上,Element six公司可稳定提供的PcBN复合片规格为Φ57mm;DI公司供货的PcBN复合片规格为Φ50.8mm和Φ58mm;日本住友供货的PcBN复合片规格为Φ64 mm,这种大直径PcBN复合片不仅提高了产量,而且降低了单位面积生产成本,提高了激光切割的生产效率。而国产PcBN复合片供货规格一般在Φ45mm以下,由于产品直径上的差距,使国内产品价格上的优势难以体现,用途也受到很大限制。近年来,由于合成设备大型化进程的加快,产品直径得到一定程度的扩大,有的企业已研制出直径达Φ50 mm的PcBN复合片,但产品质量并没有得到明显提高,与国外产品还存在较大的差距[]。

近期,中南钻石公司采用纳米金属结合剂PcBN复合片制备技术[3],在六面顶压机上合成出直径为Φ55mm的PcBN复合片,制成刀具后,在切削轴承钢Gr15时,样品与国外同类产品性能相当。

2　实验

2.1样品制备

以纳米金属结合剂和粒度为2μm的立方氮化硼微粉及WC-13%Co硬质合金作原料,以三层耐热金属杯倒扣的方式组装复合体,将复合体组件置于真空设备中,在不大于3×10-4Pa的真空条件下于750℃保温2小时,按图1的方式组装成合成块,用六面顶压机在温度为1480℃和5.6GPa压力下加热时间40min。样品烧结后经外磨、平磨、研磨及抛光加工,最终尺寸为直径Φ55mm,总厚度3.2mm,聚晶cBN层1mm。

图1　合成块组装结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the assembly structure of the composite block1-导电片 2-绝缘垫片 3-硬质合金 4-cBN层 5-导电钢圈 6-叶蜡石块 7-白云石管 8-白盐管 9-碳管 10-金属杯 11-盐片 12-增压垫

2.2性能测试

在合成PcBN复合片的过程中,由于合成腔体内不可避免地存在压力梯度和温度梯度。因此既使是同一片PcBN复合片,不同部位耐磨性、显微硬度和抗弯强度会有所不同,其性能也会有所差异,某些位置性能较好而其它位置则较差,刃磨成刀具后性能存在一定的不均匀性。

本实验在PcBN复合片沿径向方向选取3个测试点或位置分别对耐磨性、显微硬度和抗弯强度测试,根据3个测试点或位置的测试值的最大差异来判断样品性能均匀程度。

2.2.1耐磨性

经外观检验和研、抛合格的PcBN样品,以样品半径的1/2为直径,沿径向方向用电火花线切割或激光切割加工2个测试小圆,按图3所示在测试小圆上标出1点、2点和3点待测位置,据行业标准JB/ T3235-1999,采用自制的磨耗比试验机,对测试小圆测试点分别进行耐磨性测试,测试结果如表1所示。

图2　径向测试点Fig.2 radial test points

表1　不同位置的磨耗比Table 1 Abrasive ratio at different locations

由表1可以看出:磨耗比沿径向从边缘点到中心点逐渐降低,中心点相对边缘点磨耗比降幅为8.2%,这是由于沿径向温度和压力的不均匀所至,说明样品耐磨性能基本均匀一致。

2.2.2显微硬度

将PcBN样品抛光后,按图3所示沿径向方向选取3个显微硬度测试点,标出1点、2点和3点待测位置,然后放在HBRVU-187.5型布洛维光学硬度计上,根据标准ASTME384-2010,选用金刚石维氏压头,采用29.6N(F)的力分别对3个点进行显微硬度检测,表2为试样不同位置的硬度值。该维氏硬度计是通过光学放大测出在一定实验压力下的相对面夹角为136°的正棱锥体金刚石压入被测物所残留的压痕的两条对角线长度d1和d2,取算术平均d,按公式HV=0.1891×F/d2求出被测物的硬度。

图3　径向测试位置Fig.3 radial test position

表2　不同位置的硬度值Table 2 Hardness values of different positions

由表2可以看出:样品从边缘到中心的方向的显微硬度呈逐渐减少的趋势,中心点相对边缘点显微硬度幅度为6.6%,说明样品显微硬度值基本均匀一致。

2.2.3抗弯强度

按图4所示位置沿径向用电火花线切割或激光依次切割3条35mm×4mm的矩形长条,再用电火花线切割除掉硬质合金基体,经平面磨床制成35×4 ×1的样品(图5),并将cBN层的两面抛光制成镜面后按图6的方式进行抗弯强度试验,根据行业标准GB/T6569-2006,测定PcBN复合片不同位置的抗弯强度。结果如表3所示。

图4　径向测试样品Fig.4 radial test samples

图5　测试样品尺寸图Fig.5 size of test sample

图6　三点弯曲法示意图Fig.6 Schematic diagram of three point bending method

表3　不同位置的抗弯强度Table 3 Bending strength of different positions

由表3可以看出:样品从中心位置到边缘位置沿径向方向的抗弯强度数值逐渐降低,其中心相对边缘抗弯强度降幅为9.25%,说明样品抗弯性能基本均匀一致。

2.3超声波微成像分析

2.3.1超声波无损检测

在PcBN复合片高压高温合成过程中,避免不了在cBN层或cBN层与硬质合金界面结合处产生裂纹、夹杂、气孔和分层等缺陷,针对cBN层内部或cBN与硬质合金结合处的内部缺陷,采用美国SONIX超声波扫描显微镜对PcBN内部质量进行超声波扫描逐片检查,没有批量出现如图7所示的裂纹、分层和夹杂等缺陷。

2.3.2cBN层均匀性检查

由于国内人造金刚石压机和保温传压介质的特性,决定了合成腔体内不可避免存在着温度梯度和压力梯度,合成产品的直径越大,温度差和压力差也越大[4]。当PcBN在烧结后冷却及解压时,由于cBN层与硬质合金的线膨胀系数和弹性模量存在着差异,会引起PcBN变形,造成cBN层的不均匀性。cBN厚度的均匀性可以超声波扫描并以颜色的颁布来显示。

图7　PcBN典型的内部缺陷Fig.7 Typical internal defects of PCBN

图8是利用SONIX超声波扫描显微镜得出的cBN层厚度分布图,从图中左侧圆形图片颜色分布上可以看出只有蓝、绿两种颜色,心部蓝色区域对应色条的厚度范围在0.9～0.95mm之间,边缘绿色区域对应色条的厚度范围在0.95～1mm之间。从图中左侧圆形图片上的颜色分布可以看出,心部蓝色区域占绝大部分,说明了CBN层厚度的均匀性较好。

图8　cBN层厚度分布图Fig.8 thickness distribution of cBN Layer

2.4切削试验

为了检测PcBN复合片的使用效果,将粒度为2μm中南PcBN刀坯和国外某著名厂商的PcBN刀坯,各取2粒制成标准的切削刀片形状,刀尖圆弧0.4,把刀片装夹在MSSNL2525M12W刀杆上之后,根据GB/T16461-1996标准,在NEXUS200-ⅡL数控车床上进行切削试验,刀具寿命判定为后刀面磨损vb=0.3mm。本试验考虑以刀具磨损为主的切削条件,所用切削试棒材料为轴承钢GCr15,硬度为HRC61,试验时切削速度100m/min,切削深度0.1mm,进给量0.1mm/r,干切。每种刀片切三刀后观察后刀面的磨损情况,并记录切削深度,共记9次,根据切削结果得到的每把刀的切削里程与后刀面的磨损情况,刀具磨损曲线如图9所示。根据磨损试验所得工件测得的表面粗糙度R a值,绘制两种PcBN刀具切削工件表面粗糙度在切削初期(500mm)和切削结束时的对比图,如图10所示。

图9　刀具磨损曲线图Fig.9 Tool wear graph

图10　工件表面粗糙度比对Fig.10 workpiece surface roughness comparison

图9是中南刀具和国外刀具在切削试验中的磨损曲线,从图中可以看出中南刀具能走刀4800米左右,国外刀具也能走刀5000米左右,中南刀具切削

里程与国外刀具持平,使用寿命与国外产品相当。

从图10可以看出:中南刀具、国外刀具初期磨损阶段和达到磨钝标准时工件的表面粗糙度Ra值都在0.4μm～0.7μm之间,均在同一质量等级。

3　结论

(1)样品经性能测试,磨耗比5425,维氏硬度5980 HV,cBN层抗弯强度516.6MPa,磨耗比、维氏硬度、抗弯强度中心相对边缘降幅分别为8.2%、6.6%、9.25%,说明样品性能比较均匀。

(2)样品经超声波微成像分析,无批量出现裂纹、夹杂、气孔、分层、cBN厚度明显不均匀等缺陷。

(3)样品制成刀具后,在切削轴承钢Gr15时,切削里程与国外刀具持平,使用寿命与国外产品相当。

参考文献:

[1]刘献礼国.聚晶立方氮化硼刀具及其应用[M].哈尔滨:黑龙江科技出版社,1999:23-24.

[2]吕智,林峰,谢志刚,王进宝,刘燕.近年来PcBN的技术进步及国内遇到的瓶颈问题[J].超硬材料工程,2012(6):36-37.

[3]中南钻石有限公司.一种纳米金属结合剂及使用该结合剂制成的聚晶cBN复合片,2012 1 0265721.6(P).

[4]胡汉平.准稳态温度场存在的充分条件[J].应用科学报,2004, 22(1):91.

Synthesis and Property Characterization of Large Diameter PcBN Compact

LU Can-hua,ZHANG Tao,LIU Jun-tao,DOU Ming
(ZHONGNAN DIAMOND CO.,LTD,NANYANG,HENAN 473264)

Abstract:PcBN compact of a diameter ofΦ55mm has been synthesized on cube press through nano-metal bond preparation technique.The performance test gives an abrasive ratio of 5425,Vickers hardness of 5980HV,bending strength of cBN layer 516.6MPa.The sample has no defects such as delamination,flaw,inclusion or uneven cBN thickness through ultrasonic imaging analysis.The cutter made of this compact has similar performance as that of the foreign product when cutting bearing steel Gr15.

Keywords:large diameter,PcBN compact,performance test,cutting test

基金项目:本项目为河南省2011年扶持企业自主创新资金项目(合同编号:ZNZSKY201101-1)

作者简介:卢灿华(1964-),教授级高级工程师,主要从事超硬材料及制品的研究开发和应用。E-mail:lucanhua01@163.com;张涛(1963-),高级工程师,主要从事超硬材料及制品的研究开发和应用。E-mail:13837750891@126.com。

收稿日期:2015-11-30

中图分类号:TQ164

文献标识码:A

文章编号:1673-1433(2016)02-0001-05

引文格式:卢灿华,张涛,刘俊涛,等.大直径PcBN复合片的合成及性能表征[J].超硬材料工程,2016,28(2):1-4.