高温高压烧结cBN基复合材料及其机械性能研究

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立方氮化硼(cBN)具有高硬度、高耐磨性、高的热稳定性和化学惰性,被广泛用于机械加工领域,但由于纯cBN块体合成条件受限,通常添加结合剂在高温高压下合成cBN基复合材料。本课题研究了结合剂体系、含量、烧结温度对cBN基复合材料物相组成、微观结构及机械性能的影响,研究结果表明:AlN-Al-Ni体系烧结cBN基复合材料时物相主要为cBN,AlN,AlB2和AlNi;1500℃为最佳烧结温度,致密度高达99.6%;17wt.%结合剂为最佳含量,此时抗弯强度最高达661MPa,断裂韧性为7.19MPa·m1/2;当结合剂含量为13wt.%时,磨耗比最大值为2.99,硬度高达47.92GPa。在17wt.%结合剂基础上,用金刚石微粉替换部分cBN原料烧结时,添加7.5 wt.%金刚石时抗弯强度为771MPa,硬度值为48.26GPa;以玻璃料替换金属原料烧结时,高温下析出晶体SiO2;cBN基复合材料的抗弯强度最高达671MPa,磨耗比为1.97,硬度为42.31GPa,满足实际应用要求,同时降低了结合剂成本。TiC-Al-Ti体系烧结cBN基复合材料时物相主要为cBN,AlN,AlB2和Al3Ti,Al3Ti会降低复合材料的机械性能;1500℃为最佳烧结温度,致密度高达99.4%;16wt.%结合剂为最佳含量,此时抗弯强度最高达627MPa,断裂韧性为6.60MPa·m1/2;当结合剂含量为14wt.%时,磨耗比最大值为3.2,硬度高达45.64GPa。在16wt.%结合剂基础上添加碳纤维/碳纳米管烧结时,物相组成无明显变化,碳纤维/碳纳米管以增强体形式存在;当碳纳米管添加量为1.0wt.%时复合材料的抗弯强度最高达610MPa,磨耗比为1.38,断裂韧性为7.12MPa·m1/2,韧性值较未添加时提高了7.88%;加入碳纤维烧结的cBN基复合材料的机械性能提高并不明显,但仍满足实际应用要求。
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