高熵陶瓷结合PcBN的制备与性能研究

作     者：吴浩阳 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邹芹

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：聚晶立方氮化硼 高熵陶瓷 高温高压 组织结构 性能 

摘      要：商用PcBN刀具材料一般分为高含量cBN和低含量cBN两种级别。前者由陶瓷相构成的PcBN结合剂,其中含有80%～95%的cBN,而后者通常由Ti(C,N)、Al N等陶瓷结合剂构成,含有50%～80%的cBN。一般而言,PcBN含cBN量越高,拥有的硬度和热导率越高,这使得高cBN含量的PcBN更适用于加工高硬度合金和组织中含有硬质点的材料,如冷硬铸铁、硬质合金、耐热合金等被广泛应用于汽车、航空航天、重工业领域的材料。合适的PcBN刀具会有更高的效率,更好的加工精度,所以高cBN含量的PcBN结合剂的研究显得十分重要。本文通过使用TiN/TiB/Al/Zr O(简写A4)、过渡金属碳化物/TiN/TiB/Al/Zr O(HECC-A4)、过渡金属硼化物/TiN/TiB/Al/Zr O(HECB-A4)代替传统的金属或陶瓷作为高cBN含量的PcBN结合剂。利用机械合金化和高温高压烧结的方法来制备PcBN,通过XRD、Raman、SEM和EDS、热分析分析方法及硬度、断裂韧性和磨耗比等性能测试,研究了结合剂类型、烧结温度、cBN粒度和结合剂含量对PcBN烧结体组织结构及性能的影响。结果表明:随着cBN含量的增加,cBN粒径的减少,当含量为90 vol.%、95 vol.%时,结合剂直接粘结在cBN表面,使得部分的cBN微粒之间直接接触。三种结合剂的PcBN都受cBN含量因素影响较大,在cBN含量为90 vol.%时,PcBN的硬度和断裂韧性均达到最佳。三种结合剂中HECC-A4结合的PcBN性能最佳,为:3225 HV和9.10 MPa?m;其次为HECB-A4结合的PcBN:3254 HV和8.98 MPa?m;最后为A4结合的PcBN:2908 HV和7.71 MPa?m。温度升高使得cBN含量为85 vol.%的PcBN结构更加致密,综合性能提高,因为在较低温度时一些相反应未能发生。HECC-A4结合剂PcBN内部产生了高熵陶瓷相(Ti,V,Zr,Nb,Hf,Ta,Mo,W)C,以及Hf Ta C、Hf TaVC等次级相。HECB-A4结合剂PcBN除了产生P6/mmm(191)结构的高熵陶瓷(Al,Ti,V,Cr,Nb,Mo,Ta)B外,还产生了Fm-3m(225)结构的中熵陶瓷(Zr,Nb,Hf,Ta)N。对力学性能最佳的PcBN进行热分析表明其初始氧化温度和软化温度满足刀具干切削的要求。