摘要　將ＣＢＮ微粉添加體積分數為5%、10%、15%、20%的Ａl粉進行高溫高壓燒結制備出ＰＣＢＮ復合片。利用Ｘ射線衍射儀、掃描電子顯微鏡分析ＰＣＢＮ復合片的物相組成和顯微結構，并研究其磨耗比和抗沖擊性能。結果表明，ＰＣＢＮ層主要由ＣＢＮ晶粒和ＡlＮ組成。隨著Ａl添加量的增加，AlＮ的體積分數逐漸增加；ＰＣＢＮ復合片的性能也能發生相應變化。Ａl粉添加量為體積分數10%時，ＰＣＢＮ復合片的磨耗比為21842，沖擊次數超過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，具有優異的物理、化學和機械性能。與金剛石不同，ＣＢＮ在高溫下不易與Ｆe發生化學反應，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，無法直接用作刀具材料，通常需要將ＣＢＮ晶粒與黏結劑進行高溫、高壓燒結，制備成聚晶立方氮化硼（ＰＣＢＮ）燒結體，或者與硬質合金基體復合制備ＰＣＢＮ復合片。
　　ＰＣＢＮ復合片的黏結劑包括金屬、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的熔點較低，并且熔融后與ＣＢＮ反應生成陶瓷相的ＡlＮ，而ＡlＮ[9]的高硬度、高熱導率以及與ＣＢＮ相近的熱膨脹系數有助于高性能ＰＣＢＮ復合片的制備，因此,在制備ＰＣＢＮ復合片時添加Ａl粉成為人們研究的重點。本研究以ＣＢＮ、Ａl粉、硬質合金基體為原料，通過高溫高壓燒結制備出ＰＣＢＮ復合片，利用ＸＲＤ、ＳＥＭ研究了復合片的物相組成和顯微結構，通過測試磨耗比和沖擊強度評價復合片的性能，獲得了最佳的Ａl粉添加量。

　　1.實驗方法
　　1.1樣品制備
　　實驗用原料主要為ＣＢＮ顆粒（4~8μm），硬質合金基體。硬質合金基體的表面采用噴砂、酸洗進行處理。ＣＢＮ、Ａl按比例（Ａl添加量分別為體積分數5%、10%、15%、20%）稱量后于無水乙醇中濕法攪拌混合、干燥，再與硬質合金基體一起裝入鋯杯，預壓、真空熱處理、組裝后，在UDS-Ⅱ型六面頂液壓機上于5.0ＧPa、1300~1400℃燒結10min得到ＰＣＢＮ復合片。
　　1.2樣品表征
　　將ＰＣＢＮ復合片粗磨、精磨、拋光后，利用Ｘ射線衍射儀（ＸＲＤ，Ｒigaku D/MAX 2 200 PC）分析其物相，通過掃描電子顯微電鏡（ＳＥＭ，ＪＥＯＬ，ＪＳＭ－6380）進行微觀結構分析，參照《ＪＢ/Ｔ3235－1999人造金剛石燒結片磨耗比測定方法》測試ＰＣＢＮ復合片的抗沖擊性能，復合片的沖擊角度為45°，沖擊錘質量為2Ｋg，沖擊距離為100mm。

　　2.實驗結果與討論
　　2.1　ＰＣＢＮ復合片的ＸＲＤ分析
　　Ａl添加量不同的ＰＣＢＮ復合片的ＸＲＤ圖譜如圖1所示。可以發現，復合片圖譜中出現有ＣＢＮ和ＡlＮ兩種晶相的衍射峰，說明在高溫、高壓條件下，Ａl熔融后與ＣＢＮ發生了如下的化學反應：
　　Ａl+ＢＮ→ＡlＮ+Ｂ　　　（1）
　　從而形成了ＡlN，且其衍射峰強度隨Ａl添加量的增加而逐漸增強，顯示AlＮ的含量相應增加。
當Al的添加量為體積分數20%時，在2θ＝44.98°處出現了一個微弱的ＡlB2衍射峰，這可能是反應（1）產生的Ｂ與Ａl粉發生了如下的化學反應：
　　Ａl+2B→AlB2 (2)
　　但是，在Ａl添加量小于體積粉數20%的樣品中均未探測到AlB2的衍射峰，這與李擁軍等人[2]的研究結果相似。其原因是反應(1)產生的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粉發生反應[2]；也可能是反應（2）生成的AlB2含量太低而未達到Ｘ射線衍射峰探測限的緣故。

　　2.2ＰＣＢＮ復合片的ＳＥＭ分析
　　圖2給出了Ａl添加量分別為體積分數5%、15%的ＰＣＢＮ復合片的ＳＥＭ照片。從圖中可以看出，復合片ＰＣＢＮ屋中的ＣＢＮ晶粒（呈黑色）分布均勻，說明采用的濕法混料工藝達到了均勻混料的目的。ＣＢＮ晶粒周圍的淺灰色物質為黏結劑，即高溫高壓燒結時Ａl熔融后填充于ＣＢＮ周圍并與之反應而生成的AlN。當Ａl添加量為體積分數5%時，ＣＢＮ晶粒之間有直接接觸的現象，并有少量孔洞出現(圖 2a)，說明生成的黏結劑量少，因此對ＣＢＮ晶粒把持力不高。隨著Al添加量的增加，ＰＣＢＮ層中的黏結劑含量逐漸增多，并緊密地填充于ＣＢＮ晶粒之間，如圖2b、2c所示添加體積分數15%Ａl的樣品，這種致密結構有助于復合片性能的提高。
　　2.3ＰＣＢＮ復合片的力學性能
　　ＰＣＢＮ復合片的性能與Ａl添加量密切相關，見表1.Ａl添加量為體積分數5%、10%時，高溫高壓燒結后的復合片完好無損。雖然前者的ＣＢＮ含量高于后者，但是其磨耗比卻較低，沖擊次數也僅為10次，這主要是因為黏結劑太少而對ＣＢＮ晶粒的把持力不夠，在進行磨耗比測試時ＣＢＮ晶粒易整體拔出而脫落。Ａl添加量為10%時，復合片的磨耗比增加至21　842，沖擊次數超過100次，呈現良好的綜合性能，說明黏結劑含量升高后提高了對ＣＢＮ晶粒的把持力。

　　當Ａl的添加量增加至體積分數15%時，合成出的復合片局部出現掉邊現象，選取未破損部分進行性能測試，發現其磨耗比高達39648，但沖擊次數下降至60次，說明結合劑對ＣＢＮ晶粒的把持力進一步提高，但在復合片邊沿的局部出現裂紋、開裂。Ａl添加量為體積分數20%時，復合片不僅出現掉邊現象，而且在靠近復合片邊沿處出現同心環狀裂紋，磨耗比也急劇降低至8898。
　　出現上述現象的原因主要與復合片中的ＰＣＢＮ層、硬質合金基體的熱膨脹系數差異增大有關。前已述及，ＰＣＢＮ層由ＣＢＮ晶粒和AlN等結合劑復合而成，而AlN等物相的熱膨脹系數比ＣＢＮ晶粒的大。黏結劑的含量隨著Ａl添加量的增加逐漸增加，根據復合法則可知ＰＣＢＮ層熱膨脹系數也相應增大。當Al添加量超過體積分數15%時，ＰＣＢＮ層的熱膨脹系數可能超過了硬質合金基體的熱膨脹系數，在高溫高壓合成后的冷卻過程中，由于收縮不一致而產生的內應力超過了ＰＣＢＮ層的結合強度，從而出現微裂紋，甚至掉邊、同心環狀開裂，導致黏結劑對ＣＢＮ晶粒把持力的下降和復合片沖擊強度的降低。
　　由此可見，本研究中Al粉的最佳添加量為體積分數10%。如果要制備ＣＢＮ含量低的ＰＣＢＮ復合片，需要重新選擇合適的硬質合金基體，使基與ＰＣＢＮ層的熱膨脹系數相匹配。

　　結論
　　以ＣＢＮ晶粒和Ａl粉為主要原料，通過高溫高壓合成出了ＰＣＢＮ復合片。ＰＣＢＮ層主要由ＣＢＮ晶粒和ＡlＮ黏結劑組成。隨著Ａl添加量的增加，AlＮ的含量逐漸增加；添加量為體積分數20%時，復合片中出現微量ＡlB2。Ａl粉添加量為體積分數10%時，ＰＣＢＮ復合片的磨耗比為21842，沖擊次數超過100次，綜合性能最好。


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　　作者簡介
　　許紅亮，男，1968年生，黃河旋風股份有限公司博士后，鄭州大學教授，主要從事陶瓷及其復合材料研究。