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1、低含量立方氮化硼复合片（PcBN）的高压合成立方氮化硼（cBN）是继人造金刚石之后,于1957年由美国 公司 Wentorf首次研制成功的一种新型超硬材料。由于它具有高硬度、高的 热稳定性和良好的化学惰性等优异性能，为硬、韧难加工金属材料的 加工开拓了广阔的前景。聚晶立方氮化硼（PcBN Polycrystalline cubic Boron Nitride）是1970年出现的新型高性能超硬刀具材料，用它制作 的刀具，常用 来切削各种硬化钢件。首先,PcBN作为新一代超硬刀具材料，使切削技术发生了革命性的变化, 它为淬火材料提供了一种经济而高效的切削手段。在发达国家已将其 作为提高机加工水平和
2、经济效益（节能、高效、精密、 自动化）的重要工具材料而加以发展。在军工、宇航等工业中对难 加工材料的加工更是必不可少,也是数控加工技术发展的必备的长寿 命刀具材料。PcBN刀具可对 各种硬的或具有耐磨性的材料进行高速车、 镗、端面铣、切槽、螺纹加工，且粗、半精、精加工皆 宜。其次，高速高效精密磨削技术是先进制造技术的研究热点和发展方向之 一,随着我国汽车、电子、工具一个很大的差距，也是一个很大的空间。 作为该技术系统的重要组成之一高速高效精密超硬材料磨具，是实现该 项技术目标不可或缺的重要工 具。可以预见，随着新型难加工材料的不断出现，加 工要求的不断提高，加 工技术的不断发展，高速高效精密超
3、硬材料磨具的优势将得到进一步 发挥,新产品和新技术会不断涌现有关立方氮化硼（cBN）掺杂高温高压烧结合成 聚品立方氮化硼（PcBN）烧结 体的烧结过程等问题一直受到国内外学者的关注。2. 1 Al及Al的化合物作 为粘结剂Walmsley J C5分析了Amborite刀片之后得出 结论,Al系掺杂合成的PcBN 是Al与cBN在高温高压烧结过程中反应形成AlN、AlB2,由此组成的粘结 相将cBN颗粒结合在一起。刘进等6以AlN作为粘结剂，加入到cBN微粉中进行高温高压烧结。借助SEM 和XRD、EDX,通过对整体烧结体的机械性能、微观结构、烧结生成相、中 间反应机理等进行分析，关于粘结剂A
4、lN对cBN- AlN烧结体系的影响做了一 些试探性的研究。他们发现得 到的cBN烧结体中有A12O3产生,他们认为粘结 剂A 1N参与了反应，并生成新物质相A 12O3。其反应式可能为： 4A1N + 3O22A12O3 + 2N 2 f也可能是由于A1N与样品中残余的微量水蒸汽 发生化学反应生成A 12O3。 同时在得到的烧结体中发 现有A 120B4O36的新物质相的生成，一方面这可能 是由于在烧结的过程中，样品中的A1N发生了化学反应 生成了新物质相 A120B4O36，其反应式是：4A1N + 3O2-2A12O3 + 2n 2 f 10A12O3+ 4BN+ 3O2-A120B4O
5、36+ 2N2 f 另一方 面由于烧结体中有A12O3的生成,而且入1离子与O离子之间半径有一定差距，轻元素的B离子较为容易地扩散到A 1 离子与O离子之间从而形成离 子键，得到了新物质相A120B4O36。通过分析他 们认为A1N粘结剂不仅可以提高体系的烧结度，而且对抑制hBN的生成 起了很好的作用。通过对不同cBN含量的样品进行X RD分析，发现不同cBN含量的烧结样品 中粘结相成分 也不尽相同。烧结温度为1200 C和1400 C、cBN含量 为 50%60%时，样品中粘结相为A1N、A1B2和A- A1B12; cBN 含量为65%75%时 粘结相为样品中的A1N和A1B2； cBN含
6、量为80%90%时样品中粘结相为 A1N和A-A1B12。而在烧结温度为900 C、cBN含 量为90%时样品中粘结相 为A 1N、A1B2和A 1。因此他 们认为在烧结过程中，熔融的A 1和cBN发生 反应，这 种反应直至1200 C以上时才能进行完全。A1N总是 包围在cBN 晶粒周围,而A1B2和A-A1B12位于A1N的外层。这表明A1熔体首先填满cBN 晶粒之间的孔隙，然后A 1和c B N品粒表面反应形成A 1 N。 随后当反应前沿到达cBN晶粒表面时，A1N和BN发生反应,BN释放的 B原子扩散通过A1N层与未反应的A1反应形成A1B2和A- A1B12。Wa1ms1ey和Lan
7、gt 8采用T EM观察，分析了粘 结相为A1N和A1B2的两种 PcBN样品的显微结构，他们认为：高压下cBN颗粒首先通过破碎、塑性变 形发生致密化，直到完全致密化和不再发生变形时，每一颗粒都和周围的 颗粒互相接触。通过对松散的cBN颗粒进行SEM观察，证明尽管有一定比 例的不规则的面，但是六面体和八面体占大部分。一些具有骨骼状形貌的 晶体更易于发生破裂。随后A 1熔融并沿着cBN晶粒间的孔隙渗透,A1和 cBN品粒表面以及表 面的hBN发生反应形成有取向的A1N环，除7cBN 晶粒直接接触的部分，这种A 1 N环是连续的。A1和游 离的B原子发生反应形成具有骨骼状结构且分布于cBN晶粒之间
8、的AlB2。 而在网状A1B2中观察到的AlN是由于Al和隔离的cBN品粒或者hBN反应形 成的，而在观察中没有发现从触媒中结品出来的cBN晶粒。其他Pullum和Lewis 13采用Ni和Si做粘结剂进行了 cBN陶瓷的高压烧结实验。 他们认为在达到Ni和Si的熔点之前cBN品粒发生塑性变形,而后由于Ni和 Si熔体的渗入抑制7cBN向hBN的转变。和掺杂Al烧结样品时存在Al和 cBN反应不同的是，通过对本 实验样品的XRD、SEM、TEM观察分析并没有 发现cBN和Ni或者Si之间有任何反应，唯一的反应是在Ni和Si之间进行的， 形成了Ni3Si2。笔者随后通过对样品在空气中加热到不同温
9、度冷却后进行 XR D分析发现，在加热到800 C时,Ni3Si2的含量减少，而在加热到 1050 C时在样品表面观察到金属珠，由于Ni3Si2的熔点为830 C，因此在 1050 C时Ni3Si2将被排出样品表面形成金属珠。Z H A O Y u - c h e n g 和 W A N G M i n g -z h i 1 4 在烧结压力为5. 5GPa、烧结温度为1200 C、烧结时间为500s时采用表面涂覆T i的cBN高 压烧结制备PcBN样品。粘结剂采用纳米金刚石、Al和Si。采用SEM和XRD 分析研究了所得PcBN的组织结构，他们发现表面涂 覆T i不仅导致一系列 化合物的形成，
10、如 T iC、T iB2、C03N07Ti、AlN、Al2Ti、Al4C3 和TiSi2,而且 在过渡层形成了原子键合。作为碳源，纳米金刚石和A l、T i、S i反应形成具有高硬度、耐热性以及稳定性较好的不同的化合物。 这些化合物可以改善微观结构和消除品粒 所承受的额外应力。残余的纳米金 刚石保留了金刚石的结构，在Si存在时没有发现石墨化现象，这不仅提高了 PcBN的密度和强度，而且也减少了晶粒之间的“桥接”效应。通过对上述不同粘结剂在PcBN烧结过程中行为规律的分析可以得到以下 结论：(1) Al及Al的化合物作为粘结剂时,PcBN样品中的物相有AlN、AlB2,另外 还可能会存在少量的A
11、-AlB2、Al20B4O36和Al2O3。其中AlN总是包围在cBN 晶粒的外层，而在入外面是具有骨架状的AlB2。A1N粘结剂可以抑制 hBN的生成。(2) T i及其化合物做粘结剂时,PcBN样品中的物相有TiC、TiN等。(3) Al、T i及其化合物做粘结剂时彼此之间发生 反应后形成了由AlN、TiN、 TiC构成的粘结层。该粘结层呈网状均匀分布于cBN晶界，牢固地将cBN颗 粒聚结在一起。(4) 粘结剂中的A l可以和吸收的气体和水蒸汽 反应形成较硬的AI2O3和 AlN,从而阻止由于cBN粉末与表面吸收的水蒸汽和氧而形成B2O3或其他,进而对复合体的机械强度及复合体的耐磨性造成影响。Al的加入量为5wt% 时效果较好。(5) 粘结剂中加入纳米金刚石有助于提高PcBN的密度，减少晶粒之间的“桥接”效应，使压力分布更为均匀；纳米金刚石也可以和Al、T i、Si反 应形成具有高硬度、耐热性以及稳定性较好的不同的化合物；粘结剂中加入Si可以抑制纳米金刚石石墨化。
