【摘 要】
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立方氮化硼（cBN）因其优异的物理化学和机械性能尤其是不与铁系元素反应而备受关注,在精密机械加工、电子和光学器件等领域具有广阔的应用前景。本文采用高温高压烧结法制备立方氮化硼复合材料,研究cBN原料、结合剂组成和烧结制度与性能的相关性;分析了弥散颗粒、晶须和Y2O3对cBN复合材料力学性能的影响;对实验制备的cBN复合材料进行切削高温镍合金的实验加工验证研究,并与商用知名品牌刀具对比。本论文的主要
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立方氮化硼（cBN）因其优异的物理化学和机械性能尤其是不与铁系元素反应而备受关注,在精密机械加工、电子和光学器件等领域具有广阔的应用前景。本文采用高温高压烧结法制备立方氮化硼复合材料,研究cBN原料、结合剂组成和烧结制度与性能的相关性;分析了弥散颗粒、晶须和Y2O3对cBN复合材料力学性能的影响;对实验制备的cBN复合材料进行切削高温镍合金的实验加工验证研究,并与商用知名品牌刀具对比。本论文的主要研究结果如下:1.原材料的合理选用是获得性能优异cBN复合材料的必要条件。本课题系统研究了 cBN原料和粒度级配对烧结体性能的影响,结果表明:几种原料中cBN原料A粉体纯度高、粒度分布均匀,热稳定性好,其制备的复合材料的综合性能最佳,适合cBN复合材料制备研究要求;cBN粉体堆积密度大的粒度级配有利于复合材料获得更好的组织结构和力学性能。2.TiN/Al/Co/cBN复合材料的力学性能随保温时间的增加先升高后降低,最佳保温时间为110 s,此时试样具有致密的晶间结构和最佳的抗弯强度（600MPa）、硬度（51.0 GPa）和磨耗比（2.0）;细粒度金刚石对复合材料弥散强化作用更显著,1 μm金刚石添加时,试样的抗弯强度提高到792 MPa,较未添加时提高了37.6%,试样的硬度由47.5 GPa增加至60.1 GPa;TiB2纳米颗粒通过裂纹偏转机制使复合材料具有高韧性,添加6 wt.%TiB2纳米颗粒的试样的韧性达到7.4 MPa·ml/2,较未添加时提高了 32.1%。3.热力学计算和实验研究确认Si3N4/Al2O3/Al/cBN内具有自增韧作用Sialon的生成;Y2O3添加促进复合材料的烧结及促进试样内Sialon相的生成提高复合材料的性能,添加5 wt.%的Y2O3的试样具有最高的断裂韧性（7.2 MPa·m1/2）;氮化硅晶须和纳米颗粒通过裂纹偏转、晶须拔出和晶须桥联机制对cBN复合材料的协同增韧补强效果显著,添加5 vol.%的Si3N4晶须和15 vol.%的Si3N4纳米颗粒的烧结体具有最高抗弯强度683 MPa,较未添加时提高了 36.4%;添加10 vol.%的Si3N4晶须和5 vol.%的Si3N4纳米颗粒使烧结体的断裂韧性取得最大值7.7 MPa·m1/2。4.Si/Ti摩尔比为1:1时,Si/Ti/cBN复合材料内形成cBN和金刚石之间最紧密的共价键连接,此时试样的硬度可达64.0 GPa;温度通过控制Ti3SiC2的高温分解优化Ti3SiC2/cBN复合材料的性能,Ti3SiC2的高温分解和其本身层状结构的塑性变形使Ti3SiC2/cBN复合材料具有高韧性（7.6 MPa·m1/2）。5.cBN复合材料切削高温镍合金的验证研究结果表明:cBN刀具加工高温镍合金的寿命与材料的力学性能相关,其中,磨耗比和断裂韧性对刀具寿命的作用更大一些;实验制备的cBN刀具寿命优于商售知名品牌刀具,满足商用刀具的使用要求。
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