数控精密超硬（TiC/Al/Co/cBN/纳米碳管）立方氮化硼刀具增韧研究

【摘要】：CNC加工技术的普遍应用,促进了超硬刀具的迅猛发展,尤其是Pc BN刀具。采用高温高压烧结工艺对c BN与结合剂组分Al、Ti C、Co以及Al-Co合金构成的混合体系进行烧结实验,同时研究了结合剂含量与Pc BN烧结体性能的关系。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)等分析手段对试样进行物相、组织和成分分析,并使用显微硬度测试仪和自制落球式抗冲击试验仪对样品进行硬度和冲击韧性测试,获得了不同组分合成Pc BN冲击韧性和显微硬度,并通过分析其与微观组织间的相互关系,以及Al-Co合金对烧结片综合性能的影响,得到了结合剂Al、Co含量的最佳配比方案。实验结果表明:在1400~1650℃、90 MPa条件下,Al与c BN发生反应,生成Al N、Al B12和Al B2,Ti C与c BN发生反应,生成Ti N和Ti B2,Co与c BN发生反应,生成Co N和Co2B;Al、Co合金化后得到的产物Al5Co2和Al13Co4在经过高温高压后并没有完全消失,而是以Al20Co4的形式继续存在,在某种程度上提高了烧结体的硬度与冲击韧性。通过硬度及冲击韧性测试分析,得到结合剂的最佳配比为:10 wt%Al和10 wt%Co。根据得到的最佳配比方案,在结合剂中添加纳米碳管(CNT),研究其对Pc BN综合性能的影响。在HTHP烧结过程中,CNT并未与c BN和结合剂发生化学反应,但是由于其极强的吸附力,其表面吸附有c BN和结合剂;并且CNT的加入还促进c BN与结合剂的粘结效果,使得烧结体组织更加致密。由于混料困难,随着CNT含量的增加,烧结体中CNT的集聚现象愈加明显,降低了烧结体的整体性能。当CNT的含量超过各结合剂元素的含量时,大量CNT集聚受到高温高压作用,发生了石墨化。当CNT的含量达到2 wt%时,烧结体的显微硬度和冲击韧性综合性能达到最优。纳米碳管的增强作用弱化了压力和温度对硬度的影响,提高了烧结体的整体性能。