高温合金加工用PcBN复合片的研制_刘慧苹.pdf

第3 5卷 第2期 超 硬 材 料 工 程V o l.3 52 0 2 3年4月S U P E RHA R D MA T E R I A L E NG I N E E R I NGA p r.,2 0 2 3高温合金加工用P c B N复合片的研制刘慧苹,赵东鹏,吕自强,方海江(河南四方达超硬材料股份有限公司,河南 郑州 4 5 0 0 1 6)摘 要:为研究P c B N刀具在高温合金加工中的应用,通过优化黏结剂成分与c B N微粉的配比,利用国产一米压机,在高温高压的条件下烧结出了大直径的P c B N复合片。超声波扫描检测分析,烧结产品基本无分层、裂纹等缺陷。在同等的加工条件下,从车削高温合金的对比检测数据中,分析得出样品的P c B N刀具寿命已经达到国外竞品的水平。关键词:P c B N复合片;刀具;高温合金;车削;性能检测中图分类号:TQ 1 6 4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 3-1 4 3 3(2 0 2 3)0 2-0 0 2 6-0 5D e v e l o p m e n t o f P c B N c o m p a c t f o r s u p e r a l l o y m a c h i n i n gL I U H u i p i n g,Z HAO D o n g p e n g,L YU Z i q i a n g,F ANG H a i j i a n g(H e n a n S F D i a m o n d C o.,L t d.,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 6,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o s t u d y t h e a p p l i c a t i o n o f P c B N t o o l i n s u p e r a l l o y m a c h i n i n g,b y o p t i-m i z i n g t h e r a t i o o f b i n d e r c o m p o s i t i o n a n d c B N m i c r o p o w d e r,t h e l a r g e d i a m e t e r P c B N c o m p a c t i s s i n t e r e d u n d e r h i g h t e m p e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e.S c a n n i n g a c o u s t i c m i c r o-s c o p e(S AM)a n a l y s i s s h o w s t h a t t h e s i n t e r e d p r o d u c t s h a v e n o d e f e c t s u c h a s d e l a m i n a-t i o n,c r a c k.U n d e r t h e s a m e p r o c e s s i n g c o n d i t i o n,t h e P c B N t o o l o f t h e s a m p l e h a s r e a c h e d t h e l e v e l o f f o r e i g n c o m p e t i n g p r o d u c t s f r o m t h e c o m p a r a t i v e d e t e c t i o n d a t a o f t u r n i n g s u p e r a l l o y.K e y w o r d s:P c B N c o m p a c t,t o o l,s u p e r a l l o y,t u r n i n g,p e r f o r m a n c e d e t e c t i o n0 引言聚晶立方氮化硼复合片(P c B N)是由c B N微粉、黏结剂和硬质合金基体经过一定的组装方式在高温高压下烧结而成。P c B N具有较高的耐磨性和硬度,同时具有比金刚石更好的耐热性和化学惰性1-3,因此它以优越的切削性能应用于加工的各个领域,特别适用于切削铸铁、淬火钢、粉末冶金材料和耐热合金等铁基材料,在这些方面表现出金刚石所无法比拟的优势4-5。聚晶立方氮化硼复合片(P c B N)中黏结剂的成分对其性能起着至关重要的作用,不同黏结剂组分的P c B N复合片应用在不同的加工领域6。目前在高温合金应用领域,国内产品与国外竞品还存在较大的差距。高温合金是指以铁、镍、钴为主要成分,可以在6 0 0以上的高温及一定应力条件下依然能够作业的金属材料;这种材料具有较高的高温强度,较好的抗氧化性能以及较好的韧性等,是广泛应用于航空、航天以及石油、化工等领域的一种重要材料,为此高温合金对应的切削加工工具也很重要,因而高温合金切收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 8作者简介:刘慧苹(1 9 8 2),女,硕士,主要从事聚晶立方氮化硼及聚晶金刚石复合片等超硬材料制品的设计开发、检测与应用等方面的研究工作。E-m a i l:p i n g h u i l i u 7 1 9 4 5 51 6 3.c o m引文格式:刘慧苹,赵东鹏,吕自强.高温合金加工用P c B N复合片的研制J.超硬材料工程,2 0 2 3,3 5(2):2 6-3 0.削加工用P c B N复合片的开发就有着重要意义。通过研究高温合金的应用特性,开发出一款适用于高温合金加工用的直径 5 8 mm的P c B N复合片,制成刀具后,在切削高温合金时,样品与国外同类产品性能相当。1 实验1.1 原材料选用c B N微粉(12 m、36m混合粒度,纯度9 9.9%)、T i N粉末(粒度24m,纯度9 9.9%)、C o粉(粒度12m,纯度9 9.9%)、A l粉(度12m,纯度9 9.8%)、WC-1 1%C o硬质合金。1.2 样品制备将c B N微粉与A l、C o、T i粉末按照实验出的优化比例(其中c B N微粉体积分数占比约为8 0%)进行混合,在三维混料机中采用湿法球磨的方式进行混料,混料均匀后将料球同时倒出,将混料放入烘箱中在1 0 0下烘料8 h,将经过筛分后的粉料与硬质合金装入金属杯 内,在真空热 处理 炉 内 分 段 加 热 至9 0 0后进行自然降温。按照图1方式组装成合成块,用一米压机在高温高压条件下,通过调节加热给定参数和压力参数控制烧结温度和压力,烧结温度控制在1 4 0 05 0,压力5.56.5 G P a,样品烧结后经过后加工工序,包括外圆拉皮、合金修整、平磨加工处理 后,最 终 加 工 尺 寸:直 径 5 8 mm,总 厚 度1.6 mm,c B N层厚度0.71.0 mm。图1 合成块组装示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e s y n t h e t i c b l o c k1.3 检测采用X射线衍射仪(X R D)对P c B N复合片c B N层进行物相分析,利用扫描电子显微镜(S EM)、能谱仪(E D S)进行形貌及能谱分析,采用超声波扫描仪对P c B N的内部质量进行检查。车削实验后采用高清显微镜测量各刀片刀头的后刀面磨损量。2 结果分析与讨论2.1 显微结构及物相分析在高温高压烧结条件下获得的P c B N复合片,从图2中的扫描显微结构中可以看出,黏结剂均匀分布在c B N微粉的周围,同时部分黏结剂与c B N微粉反应,生成物作为黏结相将c B N颗粒牢固地结合在一起,形成致密的网状结构。图2 P c B N样品的S EM图F i g.2 S EM i m a g e o f t h e P c B N s a m p l e 图3为P c B N样品的X R D谱图,在高温高压条件下,结合剂A l元素首先达到熔点进行熔化,熔化后的液态A l通过流动与其他颗粒进行结合反应7,其中c B N与A l、T i发生反应如下:B N(s)+T i(s)+A l(1)T i B2(s)+A l1N(s)式中,s为固相;l为液相。A l N、T i B2与C o构成黏结相呈网状结构填充在c B N颗粒的周围,将c B N颗粒牢固地结合在一起,从72第3 5卷 第2期 刘慧苹等:高温合金加工用P c B N复合片的研制而使烧结体的强度增加,获得了较高的耐冲击性和韧性。X R D图谱分析中未发现对应的A l相的特征峰,表明了A l元素在反应过程中已消耗殆尽8。图3 P c B N样品的X R D图谱F i g.3 X R D s p e c t r u m p a t t e r n o f t h e P c B N s a m p l e s2.2 超声波扫描分析实验检测采用目前较先进的的超声波扫描设备,该设备运用超声波扫描成像技术,通过改进调试,能够检测出产品的内部缺陷情况,加上特殊软件分析,通过建立厚度模板,还可以测量P c B N复合片中c B N层的不同厚度分布情况。图4为调试出来的代表c B N层不同厚度的色条。图4 c B N层色条F i g.4 T h e c o l o r b a r o f c B N l a y e r采用先进的超声波扫描仪可以对烧结产品进行表面整体扫描,从而可以分析出产品的整体厚度分布情况8。图5为P c B N复合片的c B N层厚度分布图。从图5中可以看出,该样品的厚度范围在0.8 5 1.1 mm之间,这说明该样品c B N层无明显厚薄不均的现象。图5 c B N层厚度分布图F i g.5 D i s t r i b u t i o n d i a g r a m o f t h e c B N l a y e r t h i c k n e s s2.3 车削实验分析P c B N主要应用于刀具材料,因此实际的车削耐磨性实验可以较直观地检验P c B N的实际应用价值。采用经检验合格的P c B N大片进行切割、刀头减薄、真空焊接、刃磨粗磨处理,制成C NGA 1 2 0 4 0 8标准刀具,同时以国外厂家主要用于高温合金加工方面的竞品A和B的P c B N大片制成同样的C NGA 1 2 0 4 0 8标准刀具,在数控车床上进行高温合金的外圆连续车削实验。在相同的车削参数下,加工达到一定的行程(1 5 0 0 m)后,比较各刀片后刀面磨损量、车削参数及切削工件主要成分(表1、表2)。表1 切削参数T a b l e 1 C u t t i n g p a r a m e t e r切削参数数值线速度/(mm i n-1)1 5 0切深/mm0.1进刀量/(mmr-1)0.0 5表2 切削工件主要成分T a b l e 2 M a i n c o m p o n e n t s o f c u t t i n g w o r k p a r t成分质量分数/%N i5 1.9 6C r1 7.9 8M o3.0 7N b4.8 2T i0.9 5A l0.4 5F e余量82超 硬 材 料 工 程 2 0 2 3年4月 图6为P c B N刀具切削一定里程(1 5 0 0 m)的高温合金后,样品的P c B N刀具与国外厂家刀具后刀面磨损的第一组刀片的宏观形貌图(其中a为样品刀具、b为国外厂家A刀具、c为国外厂家B刀具)。由图6可知,P c B N后刀面的磨损形状为一个倒三角形,后刀面的磨损主要是后刀面与工件加工面挤压摩擦所致,在切削过程中,刀具与工件通过相互摩擦,在接触边界位置的地方温度迅速升高,使得刀具的磨损加剧,严重时会出现蹦刀的现象9-1 0。图6 P c B N刀具后刀面磨损的宏观形貌图F i g.6 M a c r o s c o p i c t o p o g r a p h y o f t h e b a c k b l a d e w e a r o f P c B N t o o l 本次车削实验针对每种刀具各测试5把刀,综合对比5组车削实验的后刀面磨损量(图7)。从5组车削数据对比可以看出,样品的P c B N刀具与竞品A和B产品的后刀面磨损量相比偏低,表明在应用于高温合金加工方面,在同等的加工条件下,样品的P c B N刀具平均使用寿命已经达到了国外竞品的水平。图7 不同刀具后刀面磨损量对比F i g.7 C o m p a r i s o n o f t h e b a c k b l a d e w e a r o f d i f f e r e n t t o o l s3 结论(1)通过优化黏结剂成分与c B N微粉的配比,按照一定的组装方式组装后,利用国产一米压机,在高温高压的条件下烧结出了大直径的P c B N复合片。超声波扫描检测分析,烧结产品基本无分层、裂纹等缺陷。(2)在同等的加工条件下,从车削高温合金对比检测数据中,分析得出样品的P c B N刀具已经达到了国外竞品的水平。参考文献:1 王勇峰.高韧性聚晶立方氮化硼(P c B N)复合片制备技术及性能研究D.郑州:河南工业大学,2 0 1 2.2 范文捷,刘芳,董艳丽.合成聚晶立方氮化硼复合片(P c B N)工艺研究J.稀有金属材料与工程,2 0 0 8,3 7(1):1 4 2-1 4 4.3 陈超,莫培程,林峰,等.c B N-T i N-A l 合成 P c B N复合片及其性能研究J.中国陶瓷,2 0 1 9,5 5(7):3 6-4 1.4 冯飞,谢辉,徐华鸣,等.淬火钢加工用P c B N新材料的研制J.金刚石与磨料磨具工程,2 0 1 4,3 4(2):7 3-7 8.5 卢灿华,张涛,刘俊涛,等.大直径P c B N复合片的合成及性能表征J.超硬材料工程,2 0 1 6,2 8(2):1-4,9.6 谢辉,冯飞,方海江,等.c B N-T i N-A l烧结体黏结剂组分配比研究J.金刚石与磨料磨具工程,2 0 1 2,3 2(1):6 0-6 3.92第3 5卷 第2期 刘慧苹等:高温合金加工用P c B N复合片的研制7 赵玉成,王明智.A l与c B N在高温高压下的相互作用J.无机材料学报,2 0 0 8,2 3(2):2 5 3-2 5 6.8 李思成,屈继来,方海江.5 8 mm聚晶金刚石复合片的合成及表征J.金刚石与磨料磨具工程,2 0 1 6,3 6(1):3 8-4 2.9 L AH I F F C,GO R D ON S,P HE L AN P.P c B N t o o l w e a r m o d e s a n d m e c h a n i s m s i n f i n i s h h a r d t u r n i n gJ.R o b o t i c s a n d C o m-p u t e r-I n t e g r a t e d M a n u f a c t u r i n g,2 0 0 7,2 3(6):6 3 8-6 4 4.1 0 YA L L E S E M A,C HAOU I K,Z E GH I B N,e t a l.H a r d m a-c h i n i n g o f h a r d e n e d b e a r i n g s t e e l u s i n g c u b i c b o r o n n i t r i d e t o o lJ.J o u r n a l o f M a t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y,2 0 0 9,2 0 9(2):1 0 9 2-1 1 0 4.人工智能赋能产业数智化升级 中国经济新动能观察国药控股广东物流有限公司位于广州的物流中心内,一台台智能自主移动机器人顶着满载货物的货架穿梭不息;配备人工智能视觉识别技术的机械臂精确抓取货物,自动码垛;五面扫描装置对传送带上高速运行的药品箱,自动扫描识别。国控广州是中国南方地区药品分销及供应链服务提供商,在数智化升级前,该公司物流中心投产超过1 2年,仓库员日均搬运1 5吨医疗货品,人均日行3万步,业务处理量达到瓶颈。借助旷视科技公司提供的智慧物流解决方案,该仓库实现了智能化升级,整体效率提升2 5%,物流中心储存密度提升1 5%,作业完成时间提前2 h。作为人工智能领域的独角兽企业,旷视科技在计算机视觉识别、深度算法、物联网领域持续深耕。近年来,企业更是与机械制造业企业融合发展,推出智能托盘四向车、人工智能堆垛机、自主移动机器人等机器人及智能装备。“将人工智能技术与物理世界的应用场景结合,将更好助力实体经济的高质量发展。”旷视科技物流业务事业部负责人徐庆才说。不久前召开的二十届中央财经委员会第一次会议强调,要把握人工智能等新科技革命浪潮,适应人与自然和谐共生的要求,保持并增强产业体系完备和配套能力强的优势,高效集聚全球创新要素,推进产业智能化、绿色化、融合化,建设具有完整性、先进性、安全性的现代化产业体系。中国工业经济规模大、数字经济规模位居全球第二,融合发展前景广阔。国际数据公司(I D C)报告显示,随着数字业务时代到来,数字业务与制造业的融合已成必然,并成为振兴实体经济的重要条件。到2 0 2 5年,4 0%的中国制造商将在企业范围内部署基于人工智能的工具来支持决策过程并最大化数据价值。I D C中国副总裁钟振山表示,中国人工智能市场将在未来几年迎来爆发式增长,预计市场规模在2 0 2 3年将超1 4 7亿美元,2 0 2 6年将达到2 6 3亿美元。世界十大港口之一的天津港在人工智能等创新技术加持下亦焕发新生机。2 0 1 8年,全球首台无人驾驶电动集装箱卡车投入使用;2 0 2 0年,全球首个完全无人驾驶卡车常态化运营项目正式落地;2 0 2 1年,天津港C段智能化集装箱码头成为全球首个“智慧零碳”码头。北京主线科技有限公司是国内领先的智慧港口与自动驾驶卡车研发与应用的人工智能科技创新企业,也是天津港数智化升级的主要参与方之一。该公司联合天津港、徐工集团研发的智能水平运输机器人具备“完全无人驾驶”能力,帮助天津港实现复杂作业场景中的高精度、全无人、全天候、安全稳定的集装箱自主作业。主线科技创始人、C E O张天雷认为人工智能技术与实体经济结合是该技术推广和落地的最好方式。“在此过程中,技术创新至关重要。本公司的技术研发占到总支出的7 0%以上,研发人员占到员工总数的8 0%。”天津港数据显示,升级后的天津港C段码头实现单桥作业效率提升4 0%以上,外部集装箱卡车平均滞场时间压缩至8.6 m i n,设备平均综合单耗下降3 0%以上,人工成本降低6 0%。像智慧物流、自动无人码头类似的智能场景在生产生活中并不少见,新一轮人工智能和实体经济的深度融合将改变各行各业产业实践和运行方式,促进社会和产业的高质量发展。(扬州网)03超 硬 材 料 工 程 2 0 2 3年4月