高性能聚晶立方氮化硼刀具的制备及其切削性能研究

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1、学校代码学号或申请号２０１０１１１９００７９ｉｆ７密级ＩＭＨ支ｉ博士学位论文高性能聚晶立方氮化硼刀具的制备及其切削性能研究作者姓名：李剑导师姓名：张锐教授学科门类：工学专业名称：材料物理与化学完成时间：２０１８年１０月AthesissubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofdoctorPreparationandcuttingperformanceofhighperformancepolycrystalli

2、necubicboronnitrideinsertByJianLiSupervisor:Prof.RuiZhangMajor:MaterialsPhysicsandChemistrySchoolofMaterialsScienceandEngineeringOct2018学位论文原创性声明’？：所呈夂的７位论文本人郑呎卢明，足本人在导师的指导下，独立进行研允所取得的成果６除文中１３经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰Ｈ过的科研成果。对木文的研宄作出重要贡献的个人

3、和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担＝＝学位论文作者＾＼日期：２０丨８年Ｌ０月１５日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归Ｍ郑細大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，学校保留或㈦Ｕ家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被杏阅和借阅：本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入：ｆｆ关数据庳进丨」检索，４以采Ｗ影印、缩印或苕其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发农、使

4、州学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时一，笫署名中位仍然为郑州大学，保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者日期：２０１８年１０月１５日摘要摘要聚晶立方氮化硼(PcBN)具有高硬度、良好的导热性和优异的化学稳定性常被用作切削刀具材料，适合加工各种淬硬刚、耐磨铸铁和高温合金，但其脆性大、难烧结和使用寿命短等缺点限制了PcBN的应用发展。本文通过原位反应技术和放电等离子体烧结新工艺降低PcBN的烧结难度，同时，在烧结过程中原位生成碳化硅（SiC）晶须提高PcBN的韧性，

5、从而实现高效低成本制备高性能的PcBN块体材料；并结合离子注入工艺改善PcBN刀片表面特性，进一步提升PcBN刀具的使用寿命。主要的研究成果如下：（1）利用溶胶-凝胶工艺将SiO2包裹到cBN粉体表面，然后与碳粉混合，在cBN粉体表面进行碳热还原反应，原位合成SiC晶须。对原料的配方进行了详细的研究，也详细研究了温度、保温时间等因素对生成SiC晶须的影响规律。对于含设计的20wt%SiC配方，在1500℃保温2h可以在cBN粉体表面生成大量的SiC晶须。以该复合粉体为原料，选择Al粉、B粉、C粉为烧

6、结助剂，采用高温高压烧结技术在5GPa压力、1450℃保温10min的条件下制备出致密的PcBN复合材料。经测试该PcBN复合材料的硬度为42.7±1.9GPa，其也有较高的强度和韧性，其抗弯强度和断裂韧性分别达到406±21MPa和6.52±0.21MPa·m1/2。高温烧结时Al粉、B粉与C粉之间发生原位反应，在界面处生成Al3BC3有效的促进立方氮化硼的致密化过程，SiC晶须是提升PcBN韧性的主要因素。（2）以表面包裹有SiC晶须的cBN粉体为原料，以Al粉、B粉和C粉为烧结助剂，采用放电等

7、离子体烧结（SPS）技术，在1650℃保温10min和40MPa压力的条件下成功制备出致密的PcBN材料，所制备样品的相对致密度可以达到95％以上，烧结助剂Al在低温下形成的液相、原位反应和SPS的粒子活化等因素的共同作用提高了cBN的烧结动力，加速物质传输，从而促进了cBN的烧结。（3）采用N离子注入和铝离子注入相结合的复合处理工艺对高温高压合成的PcBN刀片进行表面处理，对比不同注入剂量下PcBN刀片样品的使用寿命，结果表明，当N离子和Al离子注入剂量为9.0×1017ions/cm2时可将Pc

8、BN刀具摘要的使用寿命提高1.3倍。其主要机理是离子注入一方面在刀片表面形成压应力；另一方面，可显著改良刀片的表面光洁度和硬度，从而提高PcBN刀片的使用寿命。（4）以QT800-2球墨铸铁件为切削对象，研究所制成的PcBN刀片的切削性能，并结合最终失效后的刃口处的磨损形貌分析其磨损机理。通过对比研究发现本文中所制备的PcBN刀片切削球墨铸铁件工程中，主要磨损是机械磨损。在相同的切削条件下，离子注入处理的刀具的切削力始终小于高温高压合成工艺制备的刀具。切削三向力都随着