摘要　將ＣＢＮ微粉添加體積分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%的Ａl粉進(jìn)行高溫高壓燒結(jié)制備出ＰＣＢＮ復(fù)合片。利用Ｘ射線(xiàn)衍射儀、掃描電子顯微鏡分析ＰＣＢＮ復(fù)合片的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)，并研究其磨耗比和抗沖擊性能。結(jié)果表明，ＰＣＢＮ層主要由ＣＢＮ晶粒和ＡlＮ組成。隨著Ａl添加量的增加，AlＮ的體積分?jǐn)?shù)逐漸增加；ＰＣＢＮ復(fù)合片的性能也能發(fā)生相應(yīng)變化。Ａl粉添加量為體積分?jǐn)?shù)10%時(shí)，ＰＣＢＮ復(fù)合片的磨耗比為21842，沖擊次數(shù)超過(guò)100次，綜合性能最好。

　　立方氮化硼（ＣＢＮ）是硬度僅次于金剛石的人工合成材料，具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。與金剛石不同，ＣＢＮ在高溫下不易與Ｆe發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此是制備切削加工鐵系合金（如淬硬鋼、高硬度鑄鐵和抗磨零件等）的理想刀具材料。目前合成的ＣＢＮ單晶尺寸較小，無(wú)法直接用作刀具材料，通常需要將ＣＢＮ晶粒與黏結(jié)劑進(jìn)行高溫、高壓燒結(jié)，制備成聚晶立方氮化硼（ＰＣＢＮ）燒結(jié)體，或者與硬質(zhì)合金基體復(fù)合制備ＰＣＢＮ復(fù)合片。
　　ＰＣＢＮ復(fù)合片的黏結(jié)劑包括金屬、陶瓷和金屬陶瓷等，如Ａl[1-5]、AlN[4-7]、TiN[3-4]、Ti(C，N)[8]等。由于Ａl的熔點(diǎn)較低，并且熔融后與ＣＢＮ反應(yīng)生成陶瓷相的ＡlＮ，而ＡlＮ[9]的高硬度、高熱導(dǎo)率以及與ＣＢＮ相近的熱膨脹系數(shù)有助于高性能ＰＣＢＮ復(fù)合片的制備，因此,在制備ＰＣＢＮ復(fù)合片時(shí)添加Ａl粉成為人們研究的重點(diǎn)。本研究以ＣＢＮ、Ａl粉、硬質(zhì)合金基體為原料，通過(guò)高溫高壓燒結(jié)制備出ＰＣＢＮ復(fù)合片，利用ＸＲＤ、ＳＥＭ研究了復(fù)合片的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)試磨耗比和沖擊強(qiáng)度評(píng)價(jià)復(fù)合片的性能，獲得了最佳的Ａl粉添加量。

　　1.實(shí)驗(yàn)方法
　　1.1樣品制備
　　實(shí)驗(yàn)用原料主要為ＣＢＮ顆粒（4~8μm），硬質(zhì)合金基體。硬質(zhì)合金基體的表面采用噴砂、酸洗進(jìn)行處理。ＣＢＮ、Ａl按比例（Ａl添加量分別為體積分?jǐn)?shù)5%、10%、15%、20%）稱(chēng)量后于無(wú)水乙醇中濕法攪拌混合、干燥，再與硬質(zhì)合金基體一起裝入鋯杯，預(yù)壓、真空熱處理、組裝后，在UDS-Ⅱ型六面頂液壓機(jī)上于5.0ＧPa、1300~1400℃燒結(jié)10min得到ＰＣＢＮ復(fù)合片。
　　1.2樣品表征
　　將ＰＣＢＮ復(fù)合片粗磨、精磨、拋光后，利用Ｘ射線(xiàn)衍射儀（ＸＲＤ，Ｒigaku D/MAX 2 200 PC）分析其物相，通過(guò)掃描電子顯微電鏡（ＳＥＭ，ＪＥＯＬ，ＪＳＭ－6380）進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，參照《ＪＢ/Ｔ3235－1999人造金剛石燒結(jié)片磨耗比測(cè)定方法》測(cè)試ＰＣＢＮ復(fù)合片的抗沖擊性能，復(fù)合片的沖擊角度為45°，沖擊錘質(zhì)量為2Ｋg，沖擊距離為100mm。

　　2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
　　2.1　ＰＣＢＮ復(fù)合片的ＸＲＤ分析
　　Ａl添加量不同的ＰＣＢＮ復(fù)合片的ＸＲＤ圖譜如圖1所示。可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合片圖譜中出現(xiàn)有ＣＢＮ和ＡlＮ兩種晶相的衍射峰，說(shuō)明在高溫、高壓條件下，Ａl熔融后與ＣＢＮ發(fā)生了如下的化學(xué)反應(yīng)：
　　Ａl+ＢＮ→ＡlＮ+Ｂ　　　（1）
　　從而形成了ＡlN，且其衍射峰強(qiáng)度隨Ａl添加量的增加而逐漸增強(qiáng)，顯示AlＮ的含量相應(yīng)增加。
當(dāng)Al的添加量為體積分?jǐn)?shù)20%時(shí)，在2θ＝44.98°處出現(xiàn)了一個(gè)微弱的ＡlB2衍射峰，這可能是反應(yīng)（1）產(chǎn)生的Ｂ與Ａl粉發(fā)生了如下的化學(xué)反應(yīng)：
　　Ａl+2B→AlB2 (2)
　　但是，在Ａl添加量小于體積粉數(shù)20%的樣品中均未探測(cè)到AlB2的衍射峰，這與李擁軍等人[2]的研究結(jié)果相似。其原因是反應(yīng)(1)產(chǎn)生的Ｂ原子以間隙型固溶的形式存在于ＡlN晶格間隙里而未能與Ａl粉發(fā)生反應(yīng)[2]；也可能是反應(yīng)（2）生成的AlB2含量太低而未達(dá)到Ｘ射線(xiàn)衍射峰探測(cè)限的緣故。

　　2.2ＰＣＢＮ復(fù)合片的ＳＥＭ分析
　　圖2給出了Ａl添加量分別為體積分?jǐn)?shù)5%、15%的ＰＣＢＮ復(fù)合片的ＳＥＭ照片。從圖中可以看出，復(fù)合片ＰＣＢＮ屋中的ＣＢＮ晶粒（呈黑色）分布均勻，說(shuō)明采用的濕法混料工藝達(dá)到了均勻混料的目的。ＣＢＮ晶粒周?chē)臏\灰色物質(zhì)為黏結(jié)劑，即高溫高壓燒結(jié)時(shí)Ａl熔融后填充于ＣＢＮ周?chē)⑴c之反應(yīng)而生成的AlN。當(dāng)Ａl添加量為體積分?jǐn)?shù)5%時(shí)，ＣＢＮ晶粒之間有直接接觸的現(xiàn)象，并有少量孔洞出現(xiàn)(圖 2a)，說(shuō)明生成的黏結(jié)劑量少，因此對(duì)ＣＢＮ晶粒把持力不高。隨著Al添加量的增加，ＰＣＢＮ層中的黏結(jié)劑含量逐漸增多，并緊密地填充于ＣＢＮ晶粒之間，如圖2b、2c所示添加體積分?jǐn)?shù)15%Ａl的樣品，這種致密結(jié)構(gòu)有助于復(fù)合片性能的提高。
　　2.3ＰＣＢＮ復(fù)合片的力學(xué)性能
　　ＰＣＢＮ復(fù)合片的性能與Ａl添加量密切相關(guān)，見(jiàn)表1.Ａl添加量為體積分?jǐn)?shù)5%、10%時(shí)，高溫高壓燒結(jié)后的復(fù)合片完好無(wú)損。雖然前者的ＣＢＮ含量高于后者，但是其磨耗比卻較低，沖擊次數(shù)也僅為10次，這主要是因?yàn)轲そY(jié)劑太少而對(duì)ＣＢＮ晶粒的把持力不夠，在進(jìn)行磨耗比測(cè)試時(shí)ＣＢＮ晶粒易整體拔出而脫落。Ａl添加量為10%時(shí)，復(fù)合片的磨耗比增加至21　842，沖擊次數(shù)超過(guò)100次，呈現(xiàn)良好的綜合性能，說(shuō)明黏結(jié)劑含量升高后提高了對(duì)ＣＢＮ晶粒的把持力。

　　當(dāng)Ａl的添加量增加至體積分?jǐn)?shù)15%時(shí)，合成出的復(fù)合片局部出現(xiàn)掉邊現(xiàn)象，選取未破損部分進(jìn)行性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其磨耗比高達(dá)39648，但沖擊次數(shù)下降至60次，說(shuō)明結(jié)合劑對(duì)ＣＢＮ晶粒的把持力進(jìn)一步提高，但在復(fù)合片邊沿的局部出現(xiàn)裂紋、開(kāi)裂。Ａl添加量為體積分?jǐn)?shù)20%時(shí)，復(fù)合片不僅出現(xiàn)掉邊現(xiàn)象，而且在靠近復(fù)合片邊沿處出現(xiàn)同心環(huán)狀裂紋，磨耗比也急劇降低至8898。
　　出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要與復(fù)合片中的ＰＣＢＮ層、硬質(zhì)合金基體的熱膨脹系數(shù)差異增大有關(guān)。前已述及，ＰＣＢＮ層由ＣＢＮ晶粒和AlN等結(jié)合劑復(fù)合而成，而AlN等物相的熱膨脹系數(shù)比ＣＢＮ晶粒的大。黏結(jié)劑的含量隨著Ａl添加量的增加逐漸增加，根據(jù)復(fù)合法則可知ＰＣＢＮ層熱膨脹系數(shù)也相應(yīng)增大。當(dāng)Al添加量超過(guò)體積分?jǐn)?shù)15%時(shí)，ＰＣＢＮ層的熱膨脹系數(shù)可能超過(guò)了硬質(zhì)合金基體的熱膨脹系數(shù)，在高溫高壓合成后的冷卻過(guò)程中，由于收縮不一致而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)了ＰＣＢＮ層的結(jié)合強(qiáng)度，從而出現(xiàn)微裂紋，甚至掉邊、同心環(huán)狀開(kāi)裂，導(dǎo)致黏結(jié)劑對(duì)ＣＢＮ晶粒把持力的下降和復(fù)合片沖擊強(qiáng)度的降低。
　　由此可見(jiàn)，本研究中Al粉的最佳添加量為體積分?jǐn)?shù)10%。如果要制備ＣＢＮ含量低的ＰＣＢＮ復(fù)合片，需要重新選擇合適的硬質(zhì)合金基體，使基與ＰＣＢＮ層的熱膨脹系數(shù)相匹配。

　　結(jié)論
　　以ＣＢＮ晶粒和Ａl粉為主要原料，通過(guò)高溫高壓合成出了ＰＣＢＮ復(fù)合片。ＰＣＢＮ層主要由ＣＢＮ晶粒和ＡlＮ黏結(jié)劑組成。隨著Ａl添加量的增加，AlＮ的含量逐漸增加；添加量為體積分?jǐn)?shù)20%時(shí)，復(fù)合片中出現(xiàn)微量ＡlB2。Ａl粉添加量為體積分?jǐn)?shù)10%時(shí)，ＰＣＢＮ復(fù)合片的磨耗比為21842，沖擊次數(shù)超過(guò)100次，綜合性能最好。


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　　作者簡(jiǎn)介
　　許紅亮，男，1968年生，黃河旋風(fēng)股份有限公司博士后，鄭州大學(xué)教授，主要從事陶瓷及其復(fù)合材料研究。