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cBN-AlN的高温高压烧结研究

作　者: 刘进
导　师: 寇自力
学　校: 四川大学
专　业: 原子与分子物理
关键词: 立方氮化硼整体烧结高温高压性能切削试验
分类号: O52
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文对立方氮化硼（cBN）、聚晶立方氮化硼以及与其相关的超硬材料的发展和应用，作了比较详细的介绍。作为超硬材料，cBN与金刚石有着相近的高硬度和高导热性，相比两者的化学稳定性和热稳定性，cBN则要明显的优于金刚石。由于cBN的独特优良特性，广泛应用于淬硬钢的加工、铸铁的加工、热喷涂焊合金及相关材料的加工等。整体烧结cBN与以往传统烧结cBN复合片有着很大的区别，无论在合成原理方面，还是在物理和化学性能方面，两者都存在着很大的差异。选取恰当的粘结剂，会使cBN体现出非常优异的机械性能和导热性，在实际生产和应用市场方面有着极大的应用潜力。与传统的cBN烧结体复合片相比，cBN整体烧结体在韧性和导热性方面，以及机械性能有着非常显著的特色，目前有关cBN整体烧结的工艺及机理引起了人们广泛的关注和研究。本文研究了在5GPa、1400℃～1700℃条件下，在cBN-AlN烧结体系中，不同质量百分比含量的AlN（分别为5％、10％、15％、20％）对cBN整体烧结体的影响。在此烧结条件下，得到的cBN烧结体的硬度、形貌、新生成物质相与烧结温度、AlN含量有着很大关系。本文通过对在不同的实验条件下烧结的样品的SEM、EDX、XRD、显微硬度、抗弯强度（TRS）、切削试验等分析检测研究。结果表明：在cBN-AlN烧结体系中，在低温烧结区，AlN容易产生团聚，随着温度升高，团聚现象逐渐减少，高温烧结有利于AlN在烧结体中的均匀化，在本实验中，1700℃温度区的烧结体的致密化相比其他低温度区的烧结体要好。烧结体的显微硬度随着烧结温度的升高而增加，当烧结温度在1600℃以上，烧结体的维氏硬度值达到3000kg／mm²左右。随着温度继续升高时，烧结体的维氏硬度略有降低。通过XRD对不同烧结条件的烧结体进行检测分析，得到的烧结样品出现了新物质相Al₂O，其含量随着烧结温度的升高而增加。抗弯强度（TRS）试验表明，烧结体的抗弯强度与烧结温度有关，抗弯强度随着温度的升高而增加，在试验样品中，15％AlN含量1600℃的烧结体的抗弯强度最好。通过对断裂断口的进一步分析，断裂区是沿晶断裂与穿晶断裂共存，低温区以沿晶断裂为主，随着烧结温度的不断升高，断裂方式则逐渐转变为以穿晶断裂为主。切削试验表明，15％AlN含量1600℃的烧结体在加工淬火钢时切削寿命最长，其切削路程达到4000m，同时显微硬度高低与切削寿命长短没有必然的联系，当硬度值超过一定的量值时，刀具就可以切削淬火钢。通过对实验烧结体样品的综合分析与检测，高温烧结的1600℃的烧结体其综合性能最好，同时15％AlN含量1600℃的烧结体的切削性能性能最佳。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-9
第一章前言  9-22
  1.1 立方氮化硼(cBN)的发展与应用  10-19
    1.1.1 立方氮化硼的(cBN)的发展  10-12
    1.1.2 聚晶立方氮化硼(PcBN)的发展  12-16
    1.1.3 立方氮化硼复合片  16-17
    1.1.4 立方氮化硼(cBN)的应用  17-19
  1.2 聚晶立方氮化硼(PcBN)刀具材料在国内的应用前景及存在的问题  19-21
  1.3 本论文选题的背景和目的  21-22
第二章立方氮化硼的结构与性能  22-31
  2.1 立方氮化硼的结构  22-23
  2.2 立方氮化硼的性质  23-24
    2.2.1 硬度和耐磨性  23
    2.2.2 热稳定性  23
    2.2.3 化学惰性  23
    2.2.4 导热性好  23-24
  2.3 立方氮化硼与金刚石的对比  24-31
    2.3.1 在合成上的对比  24-31
      2.3.1.1 金刚石的合成  24
      2.3.1.2 立方氮化硼的合成  24-31
第三章实验方法及过程  31-38
  3.1 高温高压实验设备  31-33
    3.1.1 压力控制系统  31-32
    3.1.2 温度控制系统  32-33
  3.2 cBN-ALN烧结体的合成研究  33-38
    3.2.1 显微硬度的检测  35-36
    3.2.2 抗弯强度(TRS)的分析  36-37
    3.2.3 切削试验  37-38
第四章 cBN-ALN烧结体的实验结果与讨论  38-58
  4.1 实验内容  38
  4.2 烧结体的扫描电镜(SEM)分析  38-41
  4.3 烧结体的元素分析(EDXA)  41-43
  4.4 烧结体的X射线物相分析(XRD)  43-44
  4.5 烧结体的显微硬度检测  44-46
  4.6 烧结体的抗弯强度(TRS)测量  46-48
  4.7 烧结体的切削试验  48-55
    4.7.1 切削实验的目的  48-49
    4.7.2 试验方法及刀具寿命判据  49
    4.7.3 切削基本概念及原理  49-50
    4.7.4 切削实验过程及数据  50-55
  4.8 结论  55-56
  4.9 本研究存在的问题与不足  56
  4.10 下一步研究的问题  56-58
参考文献  58-60
攻读硕士期间发表得论文  60-62
致谢  62

cBN-AlN的高温高压烧结研究

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