【摘要】：聚晶立方氮化硼(PcBN)具有高硬度、良好的導熱性和優(yōu)異的化學穩(wěn)定性常被用作切削刀具材料,適合加工各種淬硬剛、耐磨鑄鐵和高溫合金,但其脆性大、難燒結(jié)和使用壽命短等缺點限制了PcBN的應(yīng)用發(fā)展。本文通過原位反應(yīng)技術(shù)和放電等離子體燒結(jié)新工藝降低PcBN的燒結(jié)難度,同時,在燒結(jié)過程中原位生成碳化硅(SiC)晶須提高PcBN的韌性,從而實現(xiàn)高效低成本制備高性能的PcBN塊體材料;并結(jié)合離子注入工藝改善PcBN刀片表面特性,進一步提升PcBN刀具的使用壽命。主要的研究成果如下:(1)利用溶膠-凝膠工藝將SiO_2包裹到cBN粉體表面,然后與碳粉混合,在cBN粉體表面進行碳熱還原反應(yīng),原位合成SiC晶須。對原料的配方進行了詳細的研究,也詳細研究了溫度、保溫時間等因素對生成SiC晶須的影響規(guī)律。對于含設(shè)計的20 wt%SiC配方,在1500℃保溫2 h可以在cBN粉體表面生成大量的SiC晶須。以該復合粉體為原料,選擇Al粉、B粉、C粉為燒結(jié)助劑,采用高溫高壓燒結(jié)技術(shù)在5GPa壓力、1450℃保溫10min的條件下制備出致密的PcBN復合材料。經(jīng)測試該PcBN復合材料的硬度為42.7±1.9 GPa,其也有較高的強度和韌性,其抗彎強度和斷裂韌性分別達到406±21 MPa和6.52±0.21MPa·m~(1/2)。高溫燒結(jié)時Al粉、B粉與C粉之間發(fā)生原位反應(yīng),在界面處生成Al_3BC_3有效的促進立方氮化硼的致密化過程,SiC晶須是提升PcBN韌性的主要因素。(2)以表面包裹有SiC晶須的cBN粉體為原料,以Al粉、B粉和C粉為燒結(jié)助劑,采用放電等離子體燒結(jié)(SPS)技術(shù),在1650℃保溫10 min和40MPa壓力的條件下成功制備出致密的PcBN材料,所制備樣品的相對致密度可以達到95%以上,燒結(jié)助劑Al在低溫下形成的液相、原位反應(yīng)和SPS的粒子活化等因素的共同作用提高了cBN的燒結(jié)動力,加速物質(zhì)傳輸,從而促進了cBN的燒結(jié)。(3)采用N離子注入和鋁離子注入相結(jié)合的復合處理工藝對高溫高壓合成的PcBN刀片進行表面處理,對比不同注入劑量下PcBN刀片樣品的使用壽命,結(jié)果表明,當N離子和Al離子注入劑量為9.0×10~(17)ions/cm~2時可將PcBN刀具的使用壽命提高1.3倍。其主要機理是離子注入一方面在刀片表面形成壓力；另一方面,可顯著改良刀片的表面光潔度和硬度,從而提高PcBN刀片的使用壽命。(4)以QT800-2球墨鑄鐵件為切削對象,研究所制成的PcBN刀片的切削性能,并結(jié)合最終失效后的刃口處的磨損形貌分析其磨損機理。通過對比研究發(fā)現(xiàn)本文中所制備的PcBN刀片切削球墨鑄鐵件工程中,主要磨損是機械磨損。在相同的切削條件下,離子注入處理的刀具的切削力始終小于高溫高壓合成工藝制備的刀具。切削三向力都隨著切削速度的增大整體上呈現(xiàn)先減小后有增大的趨勢,在切削速度為300m/min時三種刀具三向力均達到最小值。離子注入處理的PcBN刀片所得工件表面粗糙度最好,粗糙度范圍在0.2-3.2之間,隨著切削時間的增加,工件的粗糙度曲線波動情況愈發(fā)劇烈,這說明在加工過程中,刀具后刀面的磨損情況導致了加工表面粗糙度的加大。
【圖文】：

立方氮化硼與金剛石具備的晶體結(jié)構(gòu)示意Fig.1.1 Crystal structure of cBN and Dia出了 cBN 的主要性能參數(shù)及其與金剛石的Table.1.1 Properties of cBN and Diamond具有高硬度（次于金剛石），，而且具有優(yōu)異

化硼的研究概況氮化硼的性能.2 立方氮化硼與其他刀具材料的硬度和耐磨度對比ardness and wear resistance of PcBN VS others cu
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG71

【參考文獻】

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本文編號：2692568