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　　摘要　将ＣＢＮ微粉添加体积分数为5%、10%、15%、20%的Ａl粉进行高温高压烧结制备出ＰＣＢＮ复合片。利用Ｘ射线衍射仪、扫描电子显微镜分析ＰＣＢＮ复合片的物相组成和显微结构，并研究其磨耗比和抗冲击性能。结果表明，ＰＣＢＮ层主要由ＣＢＮ晶粒和ＡlＮ组成。随着Ａl添加量的增加，AlＮ的体积分数逐渐增加；ＰＣＢＮ复合片的性能也能发生相应变化。Ａl粉添加量为体积分数10%时，ＰＣＢＮ复合片的磨耗比为21842，冲击次数超过100次，综合性能最好。

　　立方氮化硼（ＣＢＮ）是硬度仅次于金刚石的人工合成材料，具有优异的物理、化学和机械性能。与金刚石不同，ＣＢＮ在高温下不易与Ｆe发生化学反应，因此是制备切削加工铁系合金（如淬硬钢、高硬度铸铁和抗磨零件等）的理想刀具材料。目前合成的ＣＢＮ单晶尺寸较小，无法直接用作刀具材料，通常需要将ＣＢＮ晶粒与黏结剂进行高温、高压烧结，制备成聚晶立方氮化硼（ＰＣＢＮ）烧结体，或者与硬质合金基体复合制备ＰＣＢＮ复合片。
　　ＰＣＢＮ复合片的黏结剂包括金属、陶瓷和金属陶瓷等，如Ａl[1-5]、AlN[4-7]、TiN[3-4]、Ti(C，N)[8]等。由于Ａl的熔点较低，并且熔融后与ＣＢＮ反应生成陶瓷相的ＡlＮ，而ＡlＮ[9]的高硬度、高热导率以及与ＣＢＮ相近的热膨胀系数有助于高性能ＰＣＢＮ复合片的制备，因此,在制备ＰＣＢＮ复合片时添加Ａl粉成为人们研究的重点。本研究以ＣＢＮ、Ａl粉、硬质合金基体为原料，通过高温高压烧结制备出ＰＣＢＮ复合片，利用ＸＲＤ、ＳＥＭ研究了复合片的物相组成和显微结构，通过测试磨耗比和冲击强度评价复合片的性能，获得了最佳的Ａl粉添加量。

　　1.实验方法
　　1.1样品制备
　　实验用原料主要为ＣＢＮ颗粒（4~8μm），硬质合金基体。硬质合金基体的表面采用喷砂、酸洗进行处理。ＣＢＮ、Ａl按比例（Ａl添加量分别为体积分数5%、10%、15%、20%）称量后于无水乙醇中湿法搅拌混合、干燥，再与硬质合金基体一起装入锆杯，预压、真空热处理、组装后，在UDS-Ⅱ型六面顶液压机上于5.0ＧPa、1300~1400℃烧结10min得到ＰＣＢＮ复合片。
　　1.2样品表征
　　将ＰＣＢＮ复合片粗磨、精磨、抛光后，利用Ｘ射线衍射仪（ＸＲＤ，Ｒigaku D/MAX 2 200 PC）分析其物相，通过扫描电子显微电镜（ＳＥＭ，ＪＥＯＬ，ＪＳＭ－6380）进行微观结构分析，参照《ＪＢ/Ｔ3235－1999人造金刚石烧结片磨耗比测定方法》测试ＰＣＢＮ复合片的抗冲击性能，复合片的冲击角度为45°，冲击锤质量为2Ｋg，冲击距离为100mm。

　　2.实验结果与讨论
　　2.1　ＰＣＢＮ复合片的ＸＲＤ分析
　　Ａl添加量不同的ＰＣＢＮ复合片的ＸＲＤ图谱如图1所示。可以发现，复合片图谱中出现有ＣＢＮ和ＡlＮ两种晶相的衍射峰，说明在高温、高压条件下，Ａl熔融后与ＣＢＮ发生了如下的化学反应：
　　Ａl+ＢＮ→ＡlＮ+Ｂ　　　（1）
　　从而形成了ＡlN，且其衍射峰强度随Ａl添加量的增加而逐渐增强，显示AlＮ的含量相应增加。
当Al的添加量为体积分数20%时，在2θ＝44.98°处出现了一个微弱的ＡlB2衍射峰，这可能是反应（1）产生的Ｂ与Ａl粉发生了如下的化学反应：
　　Ａl+2B→AlB2 (2)
　　但是，在Ａl添加量小于体积粉数20%的样品中均未探测到AlB2的衍射峰，这与李拥军等人[2]的研究结果相似。其原因是反应(1)产生的Ｂ原子以间隙型固溶的形式存在于ＡlN晶格间隙里而未能与Ａl粉发生反应[2]；也可能是反应（2）生成的AlB2含量太低而未达到Ｘ射线衍射峰探测限的缘故。

　　2.2ＰＣＢＮ复合片的ＳＥＭ分析
　　图2给出了Ａl添加量分别为体积分数5%、15%的ＰＣＢＮ复合片的ＳＥＭ照片。从图中可以看出，复合片ＰＣＢＮ屋中的ＣＢＮ晶粒（呈黑色）分布均匀，说明采用的湿法混料工艺达到了均匀混料的目的。ＣＢＮ晶粒周围的浅灰色物质为黏结剂，即高温高压烧结时Ａl熔融后填充于ＣＢＮ周围并与之反应而生成的AlN。当Ａl添加量为体积分数5%时，ＣＢＮ晶粒之间有直接接触的现象，并有少量孔洞出现(图 2a)，说明生成的黏结剂量少，因此对ＣＢＮ晶粒把持力不高。随着Al添加量的增加，ＰＣＢＮ层中的黏结剂含量逐渐增多，并紧密地填充于ＣＢＮ晶粒之间，如图2b、2c所示添加体积分数15%Ａl的样品，这种致密结构有助于复合片性能的提高。
　　2.3ＰＣＢＮ复合片的力学性能
　　ＰＣＢＮ复合片的性能与Ａl添加量密切相关，见表1.Ａl添加量为体积分数5%、10%时，高温高压烧结后的复合片完好无损。虽然前者的ＣＢＮ含量高于后者，但是其磨耗比却较低，冲击次数也仅为10次，这主要是因为黏结剂太少而对ＣＢＮ晶粒的把持力不够，在进行磨耗比测试时ＣＢＮ晶粒易整体拔出而脱落。Ａl添加量为10%时，复合片的磨耗比增加至21　842，冲击次数超过100次，呈现良好的综合性能，说明黏结剂含量升高后提高了对ＣＢＮ晶粒的把持力。

　　当Ａl的添加量增加至体积分数15%时，合成出的复合片局部出现掉边现象，选取未破损部分进行性能测试，发现其磨耗比高达39648，但冲击次数下降至60次，说明结合剂对ＣＢＮ晶粒的把持力进一步提高，但在复合片边沿的局部出现裂纹、开裂。Ａl添加量为体积分数20%时，复合片不仅出现掉边现象，而且在靠近复合片边沿处出现同心环状裂纹，磨耗比也急剧降低至8898。
　　出现上述现象的原因主要与复合片中的ＰＣＢＮ层、硬质合金基体的热膨胀系数差异增大有关。前已述及，ＰＣＢＮ层由ＣＢＮ晶粒和AlN等结合剂复合而成，而AlN等物相的热膨胀系数比ＣＢＮ晶粒的大。黏结剂的含量随着Ａl添加量的增加逐渐增加，根据复合法则可知ＰＣＢＮ层热膨胀系数也相应增大。当Al添加量超过体积分数15%时，ＰＣＢＮ层的热膨胀系数可能超过了硬质合金基体的热膨胀系数，在高温高压合成后的冷却过程中，由于收缩不一致而产生的内应力超过了ＰＣＢＮ层的结合强度，从而出现微裂纹，甚至掉边、同心环状开裂，导致黏结剂对ＣＢＮ晶粒把持力的下降和复合片冲击强度的降低。
　　由此可见，本研究中Al粉的最佳添加量为体积分数10%。如果要制备ＣＢＮ含量低的ＰＣＢＮ复合片，需要重新选择合适的硬质合金基体，使基与ＰＣＢＮ层的热膨胀系数相匹配。

　　结论
　　以ＣＢＮ晶粒和Ａl粉为主要原料，通过高温高压合成出了ＰＣＢＮ复合片。ＰＣＢＮ层主要由ＣＢＮ晶粒和ＡlＮ黏结剂组成。随着Ａl添加量的增加，AlＮ的含量逐渐增加；添加量为体积分数20%时，复合片中出现微量ＡlB2。Ａl粉添加量为体积分数10%时，ＰＣＢＮ复合片的磨耗比为21842，冲击次数超过100次，综合性能最好。


　　参考文献：
　　[1]　赵玉成，王明智。Al与ＣＢＮ在高温高压下的相互作用[Ｊ].无机材料学报，2008(2)：253－256.
　　[2]　李拥军，陈金兰，秦家千，等　。初始材料中Ａl含量对ＣＢＮ复合片烧结行为的影响[J]。金刚石与磨料磨具工程，2009（1）：71－74.
　　[3]　姜伟　，吕智，王进保等。低含量PＣＢＮ复合片在高温高压下的合成[Ｊ]。超硬材料工程，2009，21（4）：23－27.
　　[4]　谢辉，谷盟森，马姗姗等。不同黏结剂组分整体ＰＣＢＮ烧结及性能研究[J].金刚石与磨料磨具工程，2010，30（4）：13－16.
　　[5] LV R,LIU J,LI Y J,et al.High pressuer sintering of cubic boron nitride compacts with Al and AlN[J].Diamond Related Materials,2008(17):2062-2066.
　　[6] VIADIMIR T,TAKASHI T,ALEXEY A,et al.Kinetics and mechanism of cubic boron nitride formation in the AlN-Bnsystem at 6GP[J].diamond and Related Materials,2004,13:64`68.
　　[7] 刘进，姜伟，李丹等。ＡlN基ＣＢＮ整体烧结体的研究[J].金刚石与磨料磨具工程，2006（5）：5761.
　　[8]　朱俊芳，董企铭，彭进等。碳氮化钛对ＰＣＢＮ复合片性能的影响[Ｊ]，金刚石与磨料磨具工程，2011，31（2）：66－69.
　　[9]　RONG X Z,YANO T.TEM investigation of high pressure reaction sintered cbn-al composites[J].Journal of Material Science,2004,39:4705-4710.

　　作者简介
　　许红亮，男，1968年生，黄河旋风股份有限公司博士后，郑州大学教授，主要从事陶瓷及其复合材料研究。