Development of PcBN composites by spark plasma sintering technique

Abstract

PcBN (Polycrystalline cubic Boron Nitride) is a material densified by HPHT techniques and processes a high economic cost. In this work it was intended to study the behavior during sintering of the cBN-TiCN-Ni and the possibility of densification by Spark Plasma Sintering technique (kindly made available by the Institute of Ceramic and Glass – ICV). Additionally, the dispersion of constituents was studies by two mixing techniques: ball milling and colloidal processing. With this purpose it was used two types of cBN powder: a cBN powder with particle size of 57 μm (D₅₀) and a coating of Ti₂N, and another with particle size of 1,5 μm (D₅₀) without coating. For each powder it was prepared 2 compositions with TiCN and variated the addition of 5% vol. of Ni to see its effect in the sintering of the composite. Additionally, it was implemented the use of thermodynamic tools, namely Thermocalc, to help predicting the resulting phases for the composite and therefor adjust this one to try to obtain more interesting properties for the desired application. The sintered samples where structurally characterized by X-Ray Diffraction Technique (XRD) and Raman Spectroscopy, microstructurally characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), chemically characterized by Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), and physically by the Archimedes principle. For these systems it was observed that the addition of Ni increased the densification of the composite (Liquid Phase Sintering) and that this one is reactive with BN which led to the formation of Ni₃B phase. The BN phase transformation from cubic to hexagonal occurred during all the sintering temperature range of 1400 – 2000 °C, having completely transformed at 1700 °C for the coarser particles (57 μm) while it was still verified the presence of cubic phase at 1800 °C for a finer particle size (1,2 μm) although in reduced amount. For the composition with the course coated cBN (69% vol.) an open porosity of 0% was only obtained at 1700 °C, where the BN volume expansion from the transformation favoured the removal of porosity. For the composition with the finer cBN (50% vol.) it was also achieved 0% of open porosity but with an expensive BN phase transformation. It was verified that the finer cBN powder does not have a tendency to agglomerate for pH in the 2 – 12 interval and that the use of dispersant (PEI) is effective at 0,5% (%m/m) both for the Short form and Long form. With the mixing conditions used, both the ball milling and the colloidal processing were not capable of achieving a good homogenization, resulting in a microstructure containing several defects.

O PcBN (“Polycrystalline cubic Boron Nitride”) é um material densificado por técnicas HPHT e possui um elevado custo económico. Neste trabalho pretendeu-se estudar o comportamento durante a sinterização de cBN-TiCN-Ni e a possibilidade de densificação pela técnica de Sinterização Assistida por Campo Elétrico (SPS – “Spark Plasma Sintering”, disponibilidade do equipamento por parte do Instituto de Cerâmica e Vidro – ICV). Adicionalmente, também foi estudada a dispersão dos constituintes por duas técnicas diferentes: moagem com corpos moentes e processamento coloidal. Com este propósito foram utilizados dois tipos de pós de cBN: um pó de cBN com tamanho de partícula de 57 μm (D₅₀) e revestimento de Ti₂N, e outro com tamanho de partícula de 1,5 μm (D₅₀) e sem revestimento. Para cada pó foram preparadas 2 composições com TiCN e variado a incorporação de 5% volume de Ni de modo a ver o seu efeito durante a sinterização do compósito. Foi também implementada a utilização de ferramentas termodinâmicas, nomeadamente o software Thermocalc, para prever quais as fases obtidas para o compósito e assim ajustar este de modo a se tentar obter propriedades mais interessantes para a aplicação pretendida. As amostras sinterizadas foram caraterizadas estruturalmente por Difração de Raios-X (DRX) e por Espectroscopia de Raman, microstruturalmente por Microscopia Eletrónica de Varrimento (SEM), quimicamente por Espectroscopia Dispersiva de Energia Raio-X (EDS) e fisicamente pelo princípio de Arquimedes. Para estes sistemas, observou-se que a adição de Ni aumentou a densificação do compósito (“Liquid Phase Sintering”) e que este possui reatividade com o Ni tendo levado à formação da fase Ni₃B. A transformação de fase do BN de cubico para hexagonal ocorreu durante todo o intervalo de temperatura de 1400 – 2000 °C, tendo sido completa aos 1700 °C para um tamanho de partícula mais grosseira (57 μm) enquanto ainda se verifica fase cubica aos 1800 °C para um tamanho de partícula mais fina (1,2 μm) embora em reduzidas quantidades. Para a composição com o cBN grosseiro revestido (69% volume) só foi alcançada uma porosidade aberta de 0% aos 1700 °C, onde a expansão volúmica do BN devido à transformação de fase favoreceu a remoção da porosidade. Para a composição com o cBN mais fino (50% volume) também se verificou 0% de porosidade aberta, mas também uma extensa transformação de fase do BN. Verificou-se que o cBN mais fino não tem tendência a aglomerar para pH entre 2- 12 e que o uso de dispersante (PEI) é eficaz a 0,5% (% m/m) tanto para a forma “Short” como para a “Long”. Nas condições utilizadas, quer a moagem por corpos moentes quer o processamento coloidal não foram capazes de alcançar uma boa homogeneização, resultando em uma microestrutura com vários defeitos.