由图1可知:PcBN 复合材料均由BN、AlN、TiN、TiB2 和Al2O3 共5种物相组成;随着结合剂中铝含量的增加,AlN、TiB2 和Al2O3 衍射峰的强度升高,说明AlN、TiB2 和Al2O3 的含量增加,而TiN衍射峰的强度降低,这与结合剂中TiN含量减少相吻合。在高温超高压下烧结时,熔融态铝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,熔融态铝与cBN 和TiN 发生反应生成AlN和TiB2。研究表明,铝在较低温度下便能与cBN反应生成AlN 和硼离子;在低温时硼离子与TiN的化学反应速率较低,随着铝含量的增加,硼离子通过液态铝的移动,更加均匀地分布在TiN颗粒周围,生成AlN和TiB2 颗粒,同时反应物的表面积越大,化学反应速率越大,因此铝含量的增加可使生成的TiB2 含量增多。
图1 不同原料配方合成的PcBN复合材料的XRD谱
在高温超高压条件下,cBN 与均匀分布在其周围的结合剂反应,生成新的物相牢固地将cBN黏结在一起。由图2可以看出:当结合剂中铝含量较少时,烧结时体系内部液相量较少,TiN为高熔点化合物,熔融性较差,颗粒扩散困难,试样的烧结性较差,内部结构相对疏松,气孔较多,cBN与结合相之间的结合力较弱;随着铝含量的增加,体系内液相含量增多,内部颗粒的扩散流动性加强,内部结构中气孔较少,致密度明显提高,此时AlN、TiB2 以及TiN构成的结合相分布在cBN颗粒周围,牢固地将cBN颗粒黏结在一起,有效提高了复合材料致密性。
图2 不同原料配方合成PcBN复合材料的断口SEM 形貌
采用M1、M2、M3、M4配方合成PcBN复合材料的气孔率分别为1.04%,0.83%,0.40%和0.38%。随着结合剂中铝含量的增加,PcBN 复合材料的气孔率先降低后基本不变,致密程度提高。铝为低熔点金属,当烧结温度高于铝的熔点时,固态铝熔融变成液相在体系内部发生流动传质现象,并使TiN在试样内部的孔隙中流动并填充在cBN颗粒之间,同时铝还能与cBN发生化学反应生成AlN和AlB2,从而牢固地将cBN 颗粒黏结在一起,进而提高了试样的致密性。
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