高温高压制备聚晶立方氮化硼的工艺及性能研究

摘要

立方氮化硼（cBN）具有硬度高、耐磨性好、耐高温、惰性好等优点，使用聚晶立方氮化硼（PcBN）刀具加工金属、钛合金、高温合金等难加工材料是未来发展的趋势。
　　本实验采用溶胶-凝胶工艺对cBN粉体表面包裹SiO2。选择铝粉、硼粉和活性炭粉为烧结助剂，采用六面顶压机高温高压烧结制备聚晶立方氮化硼。利用原位反应生成碳化硅晶须和铝硼碳（Al3BC3）增强增韧PcBN；同时研究了SiC的含量、烧结工艺对PcBN性能的影响规律。通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析观察所得样品的物相组成和微观结构，并测试分析了PcBN样品的硬度、强度等力学性能。取得了以下成果：
　　（1）以正硅酸乙酯为硅源，采用溶胶-凝胶法，在 cBN粉体颗粒表面包裹一层二氧化硅（SiO2），将包裹后的cBN与活性炭粉混合后在氩气（Ar）气氛保护下加热至1500℃保温2h，成功制备出cBN-SiCw复合粉体。所得粉体中碳化硅晶须（SiCw）均匀分布在cBN颗粒周围，并与cBN结合牢固。
　　（2）以立方氮化硼、铝粉、硼粉、活性炭粉为原料，采用六面顶高温高压烧结制备聚晶立方氮化硼，借助Al-B-C间原位反应生成铝硼碳（Al3BC3），促进PcBN的烧结。在1450℃保温10 min、5 GPa压力条件下成功制备出致密度高达98％的PcBN样品，所得样品材料的维氏硬度最大值可达到46.7±2.1 GPa，其抗弯强度最大值可达到385.7±6.8 MPa。
　　（3）以 cBN-SiCw复合粉体为主相材料，以铝粉、硼粉、活性炭粉为烧结助剂，高温高压制备PcBN；选择SiCp替代SiCw的量直接与cBN和烧结助剂混合后高温高压制备PcBN，对比分析了SiCw、SiCp的添加对PcBN性能的影响。当SiCp含量为15 wt.%时，样品的硬度达到同组最大值39.4±1.2 GPa，当SiCp含量为20 wt.%时，样品的抗弯强度达到同组最大值381±17 MPa，断裂韧性达到同组最大值5.81±0.33 MPa?m1/2；当SiCw含量为20 wt.%时，样品硬度达到同组最大值42.7±1.9 GPa，样品抗弯强度达到406±21 MPa，断裂韧性为6.52±0.21 MPa?m1/2。

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1 绪论

1.1 立方氮化硼（cBN）的结构与性能

1.2 pcBN的性能与应用

1.3 PcBN发展概况及研究现状

1.4 铝硼碳的性能与应用

1.5 本课题主要研究内容及创新点

2 碳热还原反应合成cBN-SiCw粉体的工艺研究

2.1 实验原料及所用设备

2.2 制备工艺

2.3 cBN-SiCw粉体制备实验影响因素研究

2.4 本章小结

3 高温高压烧结制备PcBN的工艺及性能研究

3.1 实验原料和配方

3.2 实验设备

3.3 实验工艺

3.4 PcBN的性能测试与表征

3.5 本章小结

4 SiC对PcBN性能的影响

4.1 实验原料和配方

4.2 实验设备

4.3 实验工艺

4.4 SiC对PcBN性能的影响

4.5 本章小结

5 结论

参考文献

个人简历

硕士期间取得的主要成绩

致谢