PcBN刀具具有高硬度（3000～5 000 HV），仅低于金刚石，远高于硬质合金或陶瓷材料制成的刀具^[1]。PcBN刀具还具有的优良耐磨性、高导热性、低摩擦系数、高温稳定性和化学稳定性，使其在工业生产中实现了对工件的以车代磨^[2-4]。在高速切削中，PcBN刀具能够达到较高的加工精度和效率，使得企业获得高加工质量的同时，又有效地降低了生产成本。这些优势使得PcBN在刀具行业中，特别是汽车制造、精密工具、轴承和航天航空等领域得到广泛应用^[5-6]。

制备PcBN结合剂的材料很多，元素周期表中ⅣB、ⅤB、ⅥB族元素的碳化物、硼化物等化合物，以及Al、Co等金属元素的合金都可以作为结合剂^[7]。一般结合剂可以分为3种类型：陶瓷型、金属型和金属陶瓷型^[8-9]。第一类：金属或合金结合剂，如Ni、Co、Ti、Al、Cr、Fe、Cu等及它们的某些合金。第二类：由金属、合金与陶瓷组成的金属陶瓷结合剂，如碳化物金属陶瓷、氮化物金属陶瓷、硼化物金属陶瓷和硅化物金属陶瓷等。第三类：非金属及硼氮化物，如Si、B₂N₂、Me（Me为碱土金属）等^[10]。在制备PcBN的原料中加入结合剂，其目的是在cBN单晶颗粒之间填充物相，以达到cBN颗粒牢固结合的效果。然而现有的研究中虽有TiN-Al体系作为结合剂的报道，如谢辉等^[11]为了研究PcBN结合剂中TiN与Al的体积分数比值[V(TiN)∶V(Al)]变化对PcBN的烧结行为及相关性能的影响，得出当V(TiN)∶V(Al)为(1∶1)～(1∶2)时，烧结体微观形貌均匀一致，相对密度较大。但其使用的cBN粉体尺寸为1～4 µm，粒度尺寸与结合剂尺寸接近，未揭示样品原料为纳米cBN粉体时，V(TiN)∶V(Al)对PcBN的烧结行为及相关性能的影响。陈超等^[12]进行了cBN-TiN-Al合成PcBN复合片及其性能研究，以cBN含量（变量）作为研究对象，得出当cBN质量分数为80%时，复合片的维氏硬度达到最高。另外，已有的文献报道仅对样品的XRD、SEM、相对密度、硬度、断裂韧性、抗冲击性、耐磨性中的一种或几种做分析，未对TiN-Al影响PcBN烧结性能做全面系统的分析。

本实验中，以尺寸更细的cBN粉体（0.5~1.0 µm）为原料，与不同配比的陶瓷结合剂（TiN）和金属结合剂（Al）混合，在高温高压下烧结制备PcBN。通过对样品进行XRD、SEM、相对密度、硬度、断裂韧性、抗冲击性、耐磨性分析，探究TiN-Al体系结合剂配比对PcBN物相组成、显微结构以及力学性能的影响。

1.   实验

1.1   实验原料

实验原料cBN粉体采购自郑州中南杰特超硬材料有限公司，粒径为0.5~1.0 µm，纯度为99%。结合剂采用陶瓷结合剂和金属结合剂，TiN粉（粒径2~10 µm，纯度99%），Al粉（粒径1~2 µm，纯度99.5%）。从样品A1~A5，TiN含量降低，Al含量上升。在使用前首先将其通过高温酸碱处理，以去除非金属杂质。在300 ℃左右使用固态的NaOH或KOH处理cBN微粉40 min以上，除去其中的wBN、hBN和叶蜡石等非金属杂质，用蒸馏水将微粉清洗至中性；把cBN微粉颗粒在浓硫酸中煮沸1 h，以去除Fe、Mg等金属杂质，所用浓硫酸与cBN微粉的体积比为5∶1，经过浓硫酸处理后，用蒸馏水再清洗至中性；然后用丙酮溶液、去离子水分别超声波清洗经净化处理过的cBN微粉各2遍，cBN粉料和丙酮、去离子水的体积比分别为1∶5和1∶7，超声清洗的时间为每次不低于20 min，超声波清洗之后，在真空炉里烘干，然后置于50 ℃的真空炉内待用。利用六面顶压机在高温高压烧结条件下进行实验，采用先升压再升温，先降温再降压的步骤。高温高压烧结工艺参数为：烧结压力5.5 GPa，烧结温度1400 ℃，保温时间10 min。得到的PcBN刀具经过研磨、抛光等工序并进行材料性能检测。

实验设计的cBN原料和TiN、Al结合剂的配方如表1所示，共进行5组实验，每组实验经高温高压制备PcBN样品各2个。

表  1  不同结合剂质量配比制备PcBN的实验配方

Table  1.  Experimental formulations for preparation of PcBN with different mass ratios of binders

编号	cBN质量分数 w1 / %	TiN质量分数 w2 / %	Al 质量分数w3 / %
A1	75	21	4
A2	75	17	8
A3	75	13	12
A4	75	9	16
A5	75	5	20

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1.2   样品表征

为了分析制备样品的物相，实验过程采用X射线衍射仪（D8 Advance, Bruker, CuKα，λ=0.15406 nm）进行检测，2θ范围为30°~80°；为了观察样品中cBN颗粒与结合剂的结合及微观形貌情况，实验过程使用FEIINSPECTF50型扫描电子显微镜（SEM）进行检测；为了获得样品的实际密度，实验过程采用基于阿基米德原理的密度仪器进行检测；为了获得样品的显微硬度及断裂韧性，实验过程采用HV-30Z显微硬度测试仪进行检测，并根据样品的裂缝长度和压痕对角线长度测定其断裂韧性；为了获得样品的磨耗比，实验过程使用MS175-W型磨削摩擦试验机对样品进行检测，测试条件：对磨的SiC砂轮磨料颗粒尺寸为180 μm，轴向力为300 N，主轴转速为300 r/min。以碳化硅砂轮磨损量与PcBN磨损量的比值来定量样品的磨耗比。

2.   结果与讨论

2.1   结合剂质量配比对样品物相构成的影响

图1所示为不同结合剂质量配比制备的PcBN的XRD。从图1中可以看出：PcBN由BN、AlN、TiN、TiB₂等4种物相组成；随着结合剂中Al含量占比的增加，AlN和TiB₂的衍射峰强度逐渐变强，表明AlN和TiB₂的相对含量在增大；TiN的衍射峰强度逐渐下降，这种现象与结合剂中TiN占比减少相符合。在高温超高压下烧结时，低熔点的Al（660 ℃）在熔融状态与cBN有好的润湿性，在1100 ℃时润湿角仅为60°^[13]。这些特性均有利于颗粒的扩散流动以及颗粒间的结合和化学反应的发生。由XRD分析结果可以看出，在高温高压下液态Al与cBN反应生成AlN和融解于液态Al中的游离态B（用*代替游离态），游离态B又与TiN和Al反应生成TiB₂和AlN，随着Al含量的增加，B离子通过液态Al的移动，更加均匀地分布在TiN颗粒周围，生成AlN和TiB₂，同时反应物的表面积越大，反应的速度越快，所以Al含量的增加促进了TiB₂含量的增多。其反应方程式如式（1）、式（2）^[14]所示。

图  1  不同结合剂质量配比制备的PcBN的XRD

Figure  1.  XRD of PcBN prepared with different mass ratios of binders

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2.2   结合剂质量配比对样品微观形貌的影响

图2所示为不同结合剂质量配比制备的PcBN的显微形貌图。如图2所示：在TiN成分含量高、Al成分含量较低时（图2a、图2b），可以明显看到大量孔洞的存在，这是因为TiN与cBN颗粒的润湿性要远远弱于Al与cBN颗粒的润湿性，Al含量过低导致高温高压下结合剂在颗粒间的流动性变弱，随着Al含量的升高（质量分数为12%），其流动性显著增强。Al的熔点只有660 ℃，可以在较低温度下熔化，有利于促进cBN颗粒的滑动重组，实现cBN层的致密化。在图2c中可以看到孔洞数量明显减少，并且随着Al含量的再次升高（质量分数为16%、20%），其致密程度进一步增加，可以从图2d（Al质量分数为16 %）和图2e（Al质量分数为20%）中看到结合剂与cBN粉体的烧结比较充分，没有孔洞，在微观结构上可以看出cBN颗粒与结合剂结合成键，结合紧密。

图  2  不同结合剂质量配比制备的PcBN的显微形貌图

Figure  2.  SEM of PcBN prepared with different mass ratios of binders

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2.3   结合剂质量配比对样品相对密度的影响

图3所示为不同结合剂质量配比制备的PcBN的相对密度。采用阿基米德法对制备的PcBN进行测试，为了得到PcBN的相对密度，将实际测得的密度除以每个样品对应的理论密度。其相对密度是相对于初始配料方案的理论密度而言的^[15-16]。

图  3  不同结合剂质量配比制备的PcBN的相对密度

Figure  3.  Relative density of PcBN prepared with different mass ratios of binders

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样品的相对密度通常不仅与烧结条件相关，还与结合剂的种类有关。一方面，在高压下，随着cBN颗粒的破碎以及结合剂、cBN颗粒之间的滑移重排，颗粒间的气体不断被排除，使得样品中不致密的点接触变成致密的面接触，这是PcBN升压过程中致密性提升的主要原因^[17]。另一方面，在高温高压下，TiN、Al会分解出合金液相，尤其是与cBN有高润湿性的Al可以进一步增强生成的硬质相在体系中的流动和均匀分布，因此，PcBN的相对密度升高。但随着TiN、Al对PcBN致密度化提升达到瓶颈后，一方面，Al的密度为2.7 g/cm³（低于cBN密度3.48 g/cm³），其含量进一步升高，高密度的TiN（5.44 g/cm³）含量进一步降低，使得烧结体相对密度降低。在TiN质量分数为9%、Al质量分数为16%时，PcBN的相对密度达到最高值99.02%。

2.4   结合剂质量配比对样品硬度和断裂韧性的影响

图4所示为不同结合剂质量配比制备的PcBN的硬度与断裂韧性。从图4中可以看出：随着TiN含量降低、Al含量升高，PcBN的硬度和断裂韧性都呈现出先升高后降低的趋势。在PcBN烧结体中，cBN是所有物相中硬度最高的物质，TiN的莫氏硬度为8~9，AlN的莫氏硬度为7~8，均低于cBN的莫氏硬度（10）^[18]。PcBN的硬度不仅仅与cBN等硬质相的含量有关，同样与各物质间结合状态有关^[19]。在同等cBN含量下，Al的低熔点和强润湿性有利于cBN颗粒的滑移重排。在TiN质量分数＞9%，Al质量分数＜16%时，观察图2a和图2b，样品明显有大量的孔洞，cBN颗粒之间的结合呈现断层状态，硬度受到影响。随着Al含量的升高，其对cBN颗粒的润湿和滑移重排效果得到增强，孔洞减少直至消失（图2c~图2e）。在TiN质量分数为9%，Al质量分数为16%时，PcBN的硬度达到最大值4 664 HV，断裂韧性达到最大值6.60 MPa·m^1/2；另外，TiN浓度在影响PcBN硬度方面发挥非常重要的作用。在cBN-TiN-Al系统中，Al与cBN反应形成2种物相AlN和AlB₂，使PcBN材料的耐冲击性能和热传导性得到了很大改善，但其硬度低于TiN^[20]。随着Al对PcBN致密度化提升达到瓶颈后，AlN的低硬度特性开始凸显，过量的AlN会导致烧制的PcBN出现硬度下降的现象。结果表明：在Al质量分数＞16%时，AlN含量的增高导致PcBN的相对密度下降，从而引起样品硬度和断裂韧性的降低。

图  4  不同结合剂质量配比制备的PcBN的硬度与断裂韧性

Figure  4.  Hardness and fracture toughness of PcBN prepared with different mass ratios of binders

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2.5   结合剂质量配比对样品耐磨性的影响

图5所示为不同结合剂质量配比制备的PcBN的磨耗比。从图5中可以看出，PcBN的磨耗比随着TiN含量的降低，呈现出先增大后减小的趋势。当Al在结合剂中的质量分数为16%时，PcBN的磨耗比最大，耐磨性最好，这是由于Al与cBN在高温高压下反应产生AlN，AlN本身有很高的硬度。Al与cBN颗粒表面产生化学反应形成的新型陶瓷黏结相，将cBN颗粒紧紧黏结在一起。并且Al的低熔点和强润湿性促进了cBN颗粒的滑移重排，进一步实现了cBN层的致密化，耐磨性同时得到提高。当TiN质量分数为9%、Al质量分数为16%时，得到的PcBN的磨耗比达到了最高值7340。但随着TiN含量的进一步降低和Al含量的进一步升高，其磨耗比降低。这是因为AlN的硬度低于TiN和cBN的，同样是随着Al对PcBN致密度化提升达到瓶颈后，AlN的低硬度特性开始凸显，过量的AlN会导致烧制的PcBN出现磨耗比降低的现象。

图  5  不同结合剂质量配比制备的PcBN的磨耗比

Figure  5.  Abrasion ratios of PcBN prepared with different mass ratios of binders

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3.   结论

采用TiN、Al为结合剂，在5.5 GPa、1500 ℃的条件下制备PcBN，研究不同结合剂配比对PcBN的结构和性能的影响，得到如下结论。

（1）XRD扫描显示，结合剂TiN、Al与cBN反应生成BN、TiB₂、TiN和AlN等4种物相。随着Al含量的提高，AlN和TiB₂成分占比上升，TiN成分占比下降。

（2）SEM扫描显示，在TiN和Al的质量配比<17∶8时，样品组织内存在大量的孔洞，样品不致密。随着Al含量的增大，孔洞数量减小直至消失，样品组织变得致密。当TiN和Al的质量配比为9∶16时，组织最为致密。

（3）经相对密度、维氏硬度、断裂韧性、耐磨性测试，当结合剂中TiN与Al质量配比为9∶16时，PcBN的综合性能最好，原因是TiN、Al与cBN发生反应，促进了PcBN的烧结。合适的结合剂比例使cBN与结合剂分布均匀，PcBN烧结体致密。此时PcBN的相对密度、维氏硬度、断裂韧性和磨耗比均达到最优值，分别为99.02%、4664 HV、6.60 MPa·m^1/2和7340。