聚晶立方氮化硼的發(fā)展與應(yīng)用

1、聚晶立方氮化硼（PCBN ）的發(fā)展與應(yīng)用1、前言聚晶立方氮化硼（PCBN）是以硬質(zhì)合金為基底，上面鋪放一層立方氮化硼（CBN）單晶細(xì)粉 （0.51.6mm厚）加粘結(jié)劑經(jīng)高溫（14002600C）、高壓（79Gpa）下壓制而成的聚晶 刀具材料。聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具主要用于數(shù)控機(jī)床、多用途機(jī)床、自動(dòng)線、專用高速機(jī)床、 柔性生產(chǎn)單元或柔性生產(chǎn)系統(tǒng)對淬火鋼、模具鋼、硬度為HRC4568的冷硬鑄鐵、淬硬鍛造 鋼件；硬度值為HRC4565的鎳鎘冷硬耐磨鑄鐵件；滲碳氮化或滲碳火焰淬火的淬硬件；硬 度值接近HRC60的淬硬冷拔鋼件；白口鑄鐵或壓鑄件；合金鋼、工具鋼、熱噴涂、焊材料進(jìn) 行精加工和半精加

2、工，同時(shí)能高速切削HRC35以上鉆基和鎳基高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì) 合金、陶瓷及其他難加工材料，可進(jìn)行高速車削、銑削、鏜削、鉆（鉸）削等，使用車、銑 代替磨削的最主要的刀具。PCBN刀具的硬度僅次于金剛石，大大高于陶瓷刀具和硬質(zhì)合金刀具，因而可加工HRC60 以上的淬火鋼、灰口鐵、白口鐵以及硬度高達(dá)HRC70以上的YG5、YG20、YG25硬質(zhì)合金，其 壽命為陶瓷刀具的3 5倍、硬質(zhì)合金刀具的5-15倍。高耐磨性和長壽命大大提高了工件 的加工精度，減少了換刀和磨刀的次數(shù)，提高了工效。目前國內(nèi)CBN磨料的制備技術(shù)已趨于成熟。解決PCBN刀具的關(guān)鍵技術(shù)成為“超硬材料行業(yè)” 的當(dāng)務(wù)之急。第一、解決

3、汽車制造業(yè)、軸承行業(yè)、大型鑄、鍛件高精加工的關(guān)鍵工具，具有高精度、高 效率、高耐用度、綜合成本低的關(guān)鍵刀具材料。第二、國防工業(yè)加工高耐磨合金、噴涂材料必不可少的工具。第三、具有廣泛的市場前景，在機(jī)械加工業(yè)，可加工各種黑色金屬，特別是PCBN可成為 替代硬質(zhì)合金刀具的新型材料，是硬質(zhì)合金刀具材料加工綜合效益的810倍。第四、可形成較大的產(chǎn)業(yè)化基地，年產(chǎn)值達(dá)到十億元以上。第五、其研究水平可達(dá)到國際先進(jìn)水平，替代進(jìn)口，并能出口創(chuàng)匯。2、聚晶立方氮化硼（PCBN）的特性高硬度和優(yōu)良的耐磨性CBN是人工合成的，其硬度僅次于金剛石，晶粒硬度可達(dá)HV8000HV9000，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陶瓷和 硬質(zhì)合金。PCBN復(fù)

4、合片的硬度（通常為HV3000HV5000）主要取決于CBN的含量，一般CBN 含量在40%95%之間。隨著CBN含量的增加，PCBN的硬度增加；而耐磨性與CBN含量之間 不是單調(diào)關(guān)系，不同加工條件下有不同最佳值，加工模具鋼時(shí)，CBN含量大約為55%時(shí)，其 刀具最耐磨。立方氮化硼有很高的熱穩(wěn)定性立方氮化硼的耐熱溫度高達(dá)1400-1500，比金剛石的耐熱溫度(700 800C )幾乎高 一倍。立方氮化硼在1370C以上才由立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榱骄w而開始軟化，用它制作刀具 可以高速切削高溫合金，其切削速度比硬質(zhì)合金刀具高3 5倍。立方氮化硼有極強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性立方氮化硼是化學(xué)惰性特別大的物質(zhì)，在中性還

5、原氣體介質(zhì)中，對酸堿都是穩(wěn)定的，與碳 在2000C時(shí)才起反應(yīng)，與鐵族材料在12001300C時(shí)也不起反應(yīng)。立方氮化硼與各種材料 的粘結(jié)和擴(kuò)散作用比硬質(zhì)合金小得多，可以用來切削金剛石不能切削的鋼鐵材料。立方氮化硼的導(dǎo)熱性能好立方氮化硼的導(dǎo)熱系數(shù)為79.54w/m.k,僅次于金剛石(146.5 w/m.k).并且隨著溫度得體 高立方氮化硼的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，有利于切削區(qū)的溫度和刀具的擴(kuò)散磨損。較低的摩擦系數(shù)：PCBN與不同材料的摩擦系數(shù)為0.1 0.3，較低的摩擦系數(shù)使切削力減 小，切削溫度降低，不易產(chǎn)生積屑，有利于提高加工材料的表面質(zhì)量?？芍啬ァCBN刀具的聚晶切削刃采用先進(jìn)的鑲嵌工藝，鑲嵌牢

6、固?？刹捎昧６?80 240 目的人造金剛石樹脂砂輪在普通工具磨床上刃磨，方便用戶，降低刀具成本。3、PCBN技術(shù)發(fā)展趨勢由于CBN的三高性；高硬度、高的熱穩(wěn)定性和高的與鐵族元素的惰性，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家將 其作為提高及加工工業(yè)中的經(jīng)濟(jì)效益(節(jié)能、高效、精密、自動(dòng)化)的重要工具材料加以發(fā) 展，尤其在軍工、宇航、噴涂焊加工工業(yè)中更為突出。由于單晶CBN的粒度小，而且存在易劈裂的“解理面”，不能直接用于制造切削刀具，因 此在工業(yè)上作切削刀具大多是聚晶的PCBN，PCBN是由無數(shù)細(xì)小的CBN單晶構(gòu)成，PCBN因而 無方向性，會(huì)使劈裂的影響大大減少，而且隨著切削過程刀具的磨損，會(huì)連續(xù)露出新鮮的晶 體。CB

7、N單晶表面有一層致密的氧化硼薄膜，這層薄膜阻礙了CBN晶粒間的直接鍵合，所以難 得到CBN與CBN之間的直接鍵合的高強(qiáng)度的PCBN，因而在聚合過程中加入多種結(jié)合劑材料 以加強(qiáng)CBN晶粒間的連接。目前國內(nèi)外PCBN的結(jié)合劑基本有兩種類型。第一種是由金屬及其合金組成的金屬結(jié)合劑。 這種結(jié)合劑對提高PCBN的韌性起到良好的作用，但在高溫條件下結(jié)合劑軟化，對PCBN的耐 磨性起到副作用。第二類是目前正在發(fā)展的陶瓷與金屬或金屬合金組成的結(jié)合劑。因?yàn)榧兲?瓷結(jié)合劑可以解決高溫條件下軟化的問題，但這種PCBN抗沖擊性能差，壽命短，而由陶瓷 和金屬組成的混合機(jī)的結(jié)合劑，這彌補(bǔ)了純金屬結(jié)合劑和純陶瓷結(jié)合劑的各自

8、缺點(diǎn)。目前世界先進(jìn)國家如美國G.E.公司，英國De.Beers公司，以及日本住友公司等大公司在 金屬陶瓷復(fù)合聚晶立方氮化硼PCBN研究與應(yīng)用方面投入大量的人力和物力，對其進(jìn)行不斷 試驗(yàn)研究。由G.E.公司研究的BEN Compact復(fù)合片直徑為8.3mm、13.2mm、23.5mm、50.8mm。片的 總厚度分別為1.6mm、3.2mm、4.8mm,其中的PCBN凈厚分別為0.6mm、1.2mm、1.6mm，適用 于切削高硬度高速鋼、冷硬鑄鐵、超硬耐磨合金等。由De.Beers公司研究的AMBORITE和DB80、DB50的PCBN是用CBN的不同粒徑、不同含量 和不同粘結(jié)劑合成，適用于高速切

9、削淬火鋼、高硬度軋輥，加工表面十分光潔。日本住友電工公司生產(chǎn)的BNX0等PCBN產(chǎn)品都具有優(yōu)良的耐磨性，其PCBN刀具廣泛應(yīng)用 于切削加工，替代硬質(zhì)合金刀具，在加工不銹鋼方面具有優(yōu)異的效果。其PCBN刀具用量已 占硬質(zhì)合金、陶瓷刀具市場的50%。文獻(xiàn)表明陶瓷組分中氧化鋁、氮化鋁、硼化鋁等成分燒結(jié)時(shí)對提高PCBN的強(qiáng)度有較的效 果，高熔點(diǎn)金屬組份可用TiC、TiN、WC、NBe等尤其是以Ti為主的化合物。如除TiC、TiN 外的（TiW） C、TiW、TiTa等加入后對PCBN的抗磨性和抗破損性都會(huì)有所提高。粘結(jié)合金 除Co.Ni外可以采用與陶瓷結(jié)合劑親和性好的元素，如用Sb、Sn、Mg、Cu等

10、。稀土元素在 燒結(jié)過程中會(huì)起到積極的作用。如加入Y、Dy等的氧化物和氮化物以及Ce、Nd、Gd、Lu等 元素也可以，這些稀土元素與硼化鋁和硼化鈦一起滲入到CBN晶粒間和陶瓷結(jié)合劑中，會(huì)促 使聚晶致密，提高PCBN的強(qiáng)度。由于CBN由高強(qiáng)度的共價(jià)鍵構(gòu)成，燒結(jié)高純度的CBN結(jié)合體是相當(dāng)困難的，或者說需要更 高的壓力（大約7GPa）才能得到致密的燒結(jié)體。最近XiaoZhengRong的報(bào)告指出，滲透到 CBN和WC混合層中的Co在CBN燒結(jié)過程中起到重要的影響。XiaoZhengRong和Takaaki Tsurumi研究了 CBN-A1的燒結(jié)，和在高溫高壓燒結(jié)過程中的化學(xué)反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過固 態(tài)

11、的CBN和熔融態(tài)的A1反應(yīng)，產(chǎn)生了新的物質(zhì)A1N，A1B2，和a-A1B2，燒結(jié)過程中觀察到 了 A1N和A1B2的快速晶粒長大，這將有利于燒結(jié)體機(jī)械強(qiáng)度。日本三菱金屬公司以陶瓷TiCN-A12O3、TiN-TiCN-TiB2與CBN復(fù)合制備PCBN，耐高溫性 能好。劉一波等以A1-TiC 0.47-B與CBN摻雜制備PCBN，對燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了初步 研究，發(fā)現(xiàn)A1-Ti燃燒反應(yīng)形成液相A1Ti3、TiA1、TiA13相并與CBN反應(yīng)生成A1N、A1B、 TiN、TiB2，同時(shí)反應(yīng)區(qū)的高溫導(dǎo)致CBN顆粒表面六方化，降低了表面硬度。王艷輝等以ZrO2 （Y2O3）增韌的Si3N4與CB

12、N復(fù)合制備PCBN，研究了 ZrO2的相變及增韌 機(jī)理，發(fā)現(xiàn)相變增韌與微裂紋增韌作用相互疊加。國內(nèi)主要研究單位鄭州磨料磨具磨削研究所、中國地質(zhì)大學(xué)、河南工業(yè)大學(xué)、燕山大學(xué)在PCBN方面進(jìn)行了一些研究。其中國內(nèi)采用A1-TiC-Co或Ni-Co作為PCBN粘合劑取得了一定 的效果。4、PCBN應(yīng)用發(fā)展趨勢自七十年代中葉PCBN刀具在若干難加工材料的切削實(shí)踐中獲得成功以來，世界先進(jìn)工業(yè) 國家均投入大量的人力物力對其不斷地進(jìn)行著試驗(yàn)研究，當(dāng)前，各國為PCBN的使用開辟的 新領(lǐng)域有：用于精密加工目前，將經(jīng)過特殊磨削的PCBN刀具用于超精密車床上，在切削深度為15-20p m、進(jìn)給量 為0.60叩m /

13、 r轉(zhuǎn)的條件下，切削加工表面光潔度可達(dá)Rmax = 0.0254|j m。在一般精密數(shù)控 車床上切削不銹鋼，可獲得Rmax = 0.2p m以內(nèi)的表面粗糙度。用于鑄鐵的高速銑削在日本、英國和德國均有應(yīng)用實(shí)例，并已顯示出較大的優(yōu)越性，主要有：切削速度高，使 用壽命長而穩(wěn)定，與陶瓷刀具相比，提高使用壽命2030倍，切削時(shí)工件尺寸精度穩(wěn)定， 可減少尺寸調(diào)整次數(shù)，加工表面光潔度良好，可縮短珩磨等下道工序的加工時(shí)間。用于旋轉(zhuǎn)刀具PCBN旋轉(zhuǎn)刀具如日本住友公司的Sumiboron絞刀及用于模具和工具修整及精加工的立銑刀 和鏜刀。因?yàn)镻CBN為厚度1.6mm的聚合體，在使用時(shí)，必須用焊料將硬質(zhì)合金基體焊接在

14、 刀體上，可用于PCBN鉆頭和螺旋齒立銑刀。精加工淬硬齒輪去除螺旋傘齒輪淬火變形量是相當(dāng)困難的一種加工。目前普遍采用一對齒輪配合研磨或者 用手工逐齒進(jìn)行修正，不僅耗時(shí)長，而且齒距精度不夠理想。采用PCBN刀具加工模數(shù)為7 的淬硬螺旋傘齒輪，能獲得研磨和手工修磨無法得到的齒距精度，合傳動(dòng)噪音可降低28 分貝。最近采用PCBN刀具加工模數(shù)為4的小型齒輪也取得了良好的效果。切削陶瓷陶瓷是繼金屬材料之后的新一代機(jī)械工程材料，但陶瓷的加工問題一直困擾著金屬切削界。 目前普遍采用的金剛石砂輪磨削工藝還存在著加工效率低、加工成本高等缺點(diǎn)。日本的研究 的人員采用PCBN刀具、等離子焰加熱切削陶瓷，取得了良好的

15、效果，加工效率提高310 倍，工件表面粗糙度可達(dá)Ra0.6-0.15p m。PCBN刀具的高耐磨性使之特別適用于自動(dòng)化、控制化生產(chǎn)，而這些生產(chǎn)方式是當(dāng)今世界 機(jī)械加工業(yè)發(fā)展的趨勢，因而CBN刀具的應(yīng)用是必然的，發(fā)展?jié)摿薮?。?）市場需求潛力大。（2）機(jī)床等工作條件的更新推動(dòng)了 PCBN刀具應(yīng)用增長。（3）PCBN刀具的特性促進(jìn)使用增長。隨著切削速度向高和超高速方向發(fā)展以及高速切削工 藝的成熟，會(huì)促進(jìn)PCBN刀具的使用增長。（4）從成本分析。但從表面價(jià)格看，PCBN刀具比其他刀具似乎貴，但從減少機(jī)床占用、生 產(chǎn)效率提高、免回火硬加工等綜合分析，成本是降低的。且隨著進(jìn)一步科研研究，PCBN刀 具的制造成本降低，性能更新，會(huì)使用戶更加受益。中國在超硬材料金剛石與CBN合成制備方面，已成為世界生產(chǎn)大國，大批量出口 CBN磨 料制備，河南已成為了主要基地，鄭州高新區(qū)富耐克以及南陽中南光學(xué)儀器廠