聚晶立方氮化硼的发展与应用

1、聚晶立方氮化硼（PCBN ）的发展与应用1、前言聚晶立方氮化硼（PCBN）是以硬质合金为基底，上面铺放一层立方氮化硼（CBN）单晶细粉 （0.51.6mm厚）加粘结剂经高温（14002600C）、高压（79Gpa）下压制而成的聚晶 刀具材料。聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具主要用于数控机床、多用途机床、自动线、专用高速机床、 柔性生产单元或柔性生产系统对淬火钢、模具钢、硬度为HRC4568的冷硬铸铁、淬硬锻造 钢件；硬度值为HRC4565的镍镉冷硬耐磨铸铁件；渗碳氮化或渗碳火焰淬火的淬硬件；硬 度值接近HRC60的淬硬冷拔钢件；白口铸铁或压铸件；合金钢、工具钢、热喷涂、焊材料进 行精加工和半精加

2、工，同时能高速切削HRC35以上钻基和镍基高温合金、热喷涂材料、硬质 合金、陶瓷及其他难加工材料，可进行高速车削、铣削、镗削、钻（铰）削等，使用车、铣 代替磨削的最主要的刀具。PCBN刀具的硬度仅次于金刚石，大大高于陶瓷刀具和硬质合金刀具，因而可加工HRC60 以上的淬火钢、灰口铁、白口铁以及硬度高达HRC70以上的YG5、YG20、YG25硬质合金，其 寿命为陶瓷刀具的3 5倍、硬质合金刀具的5-15倍。高耐磨性和长寿命大大提高了工件 的加工精度，减少了换刀和磨刀的次数，提高了工效。目前国内CBN磨料的制备技术已趋于成熟。解决PCBN刀具的关键技术成为“超硬材料行业” 的当务之急。第一、解决

3、汽车制造业、轴承行业、大型铸、锻件高精加工的关键工具，具有高精度、高 效率、高耐用度、综合成本低的关键刀具材料。第二、国防工业加工高耐磨合金、喷涂材料必不可少的工具。第三、具有广泛的市场前景，在机械加工业，可加工各种黑色金属，特别是PCBN可成为 替代硬质合金刀具的新型材料，是硬质合金刀具材料加工综合效益的810倍。第四、可形成较大的产业化基地，年产值达到十亿元以上。第五、其研究水平可达到国际先进水平，替代进口，并能出口创汇。2、聚晶立方氮化硼（PCBN）的特性高硬度和优良的耐磨性CBN是人工合成的，其硬度仅次于金刚石，晶粒硬度可达HV8000HV9000，远远高于陶瓷和 硬质合金。PCBN复

4、合片的硬度（通常为HV3000HV5000）主要取决于CBN的含量，一般CBN 含量在40%95%之间。随着CBN含量的增加，PCBN的硬度增加；而耐磨性与CBN含量之间 不是单调关系，不同加工条件下有不同最佳值，加工模具钢时，CBN含量大约为55%时，其 刀具最耐磨。立方氮化硼有很高的热稳定性立方氮化硼的耐热温度高达1400-1500，比金刚石的耐热温度(700 800C )几乎高 一倍。立方氮化硼在1370C以上才由立方晶体转变为六方晶体而开始软化，用它制作刀具 可以高速切削高温合金，其切削速度比硬质合金刀具高3 5倍。立方氮化硼有极强的化学稳定性立方氮化硼是化学惰性特别大的物质，在中性还

5、原气体介质中，对酸碱都是稳定的，与碳 在2000C时才起反应，与铁族材料在12001300C时也不起反应。立方氮化硼与各种材料 的粘结和扩散作用比硬质合金小得多，可以用来切削金刚石不能切削的钢铁材料。立方氮化硼的导热性能好立方氮化硼的导热系数为79.54w/m.k,仅次于金刚石(146.5 w/m.k).并且随着温度得体 高立方氮化硼的导热系数逐渐增大，有利于切削区的温度和刀具的扩散磨损。较低的摩擦系数：PCBN与不同材料的摩擦系数为0.1 0.3，较低的摩擦系数使切削力减 小，切削温度降低，不易产生积屑，有利于提高加工材料的表面质量。可重磨。PCBN刀具的聚晶切削刃采用先进的镶嵌工艺，镶嵌牢

6、固。可采用粒度180 240 目的人造金刚石树脂砂轮在普通工具磨床上刃磨，方便用户，降低刀具成本。3、PCBN技术发展趋势由于CBN的三高性；高硬度、高的热稳定性和高的与铁族元素的惰性，在工业发达国家将 其作为提高及加工工业中的经济效益(节能、高效、精密、自动化)的重要工具材料加以发 展，尤其在军工、宇航、喷涂焊加工工业中更为突出。由于单晶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 此在工业上作切削刀具大多是聚晶的PCBN，PCBN是由无数细小的CBN单晶构成，PCBN因而 无方向性，会使劈裂的影响大大减少，而且随着切削过程刀具的磨损，会连续露出新鲜的晶 体。CB

7、N单晶表面有一层致密的氧化硼薄膜，这层薄膜阻碍了CBN晶粒间的直接键合，所以难 得到CBN与CBN之间的直接键合的高强度的PCBN，因而在聚合过程中加入多种结合剂材料 以加强CBN晶粒间的连接。目前国内外PCBN的结合剂基本有两种类型。第一种是由金属及其合金组成的金属结合剂。 这种结合剂对提高PCBN的韧性起到良好的作用，但在高温条件下结合剂软化，对PCBN的耐 磨性起到副作用。第二类是目前正在发展的陶瓷与金属或金属合金组成的结合剂。因为纯陶 瓷结合剂可以解决高温条件下软化的问题，但这种PCBN抗冲击性能差，寿命短，而由陶瓷 和金属组成的混合机的结合剂，这弥补了纯金属结合剂和纯陶瓷结合剂的各自

8、缺点。目前世界先进国家如美国G.E.公司，英国De.Beers公司，以及日本住友公司等大公司在 金属陶瓷复合聚晶立方氮化硼PCBN研究与应用方面投入大量的人力和物力，对其进行不断 试验研究。由G.E.公司研究的BEN Compact复合片直径为8.3mm、13.2mm、23.5mm、50.8mm。片的 总厚度分别为1.6mm、3.2mm、4.8mm,其中的PCBN净厚分别为0.6mm、1.2mm、1.6mm，适用 于切削高硬度高速钢、冷硬铸铁、超硬耐磨合金等。由De.Beers公司研究的AMBORITE和DB80、DB50的PCBN是用CBN的不同粒径、不同含量 和不同粘结剂合成，适用于高速切

9、削淬火钢、高硬度轧辊，加工表面十分光洁。日本住友电工公司生产的BNX0等PCBN产品都具有优良的耐磨性，其PCBN刀具广泛应用 于切削加工，替代硬质合金刀具，在加工不锈钢方面具有优异的效果。其PCBN刀具用量已 占硬质合金、陶瓷刀具市场的50%。文献表明陶瓷组分中氧化铝、氮化铝、硼化铝等成分烧结时对提高PCBN的强度有较的效 果，高熔点金属组份可用TiC、TiN、WC、NBe等尤其是以Ti为主的化合物。如除TiC、TiN 外的（TiW） C、TiW、TiTa等加入后对PCBN的抗磨性和抗破损性都会有所提高。粘结合金 除Co.Ni外可以采用与陶瓷结合剂亲和性好的元素，如用Sb、Sn、Mg、Cu等

10、。稀土元素在 烧结过程中会起到积极的作用。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，这些稀土元素与硼化铝和硼化钛一起渗入到CBN晶粒间和陶瓷结合剂中，会促 使聚晶致密，提高PCBN的强度。由于CBN由高强度的共价键构成，烧结高纯度的CBN结合体是相当困难的，或者说需要更 高的压力（大约7GPa）才能得到致密的烧结体。最近XiaoZhengRong的报告指出，渗透到 CBN和WC混合层中的Co在CBN烧结过程中起到重要的影响。XiaoZhengRong和Takaaki Tsurumi研究了 CBN-A1的烧结，和在高温高压烧结过程中的化学反应，研究发现，经过固 态

11、的CBN和熔融态的A1反应，产生了新的物质A1N，A1B2，和a-A1B2，烧结过程中观察到 了 A1N和A1B2的快速晶粒长大，这将有利于烧结体机械强度。日本三菱金属公司以陶瓷TiCN-A12O3、TiN-TiCN-TiB2与CBN复合制备PCBN，耐高温性 能好。刘一波等以A1-TiC 0.47-B与CBN掺杂制备PCBN，对燃烧过程中的化学反应进行了初步 研究，发现A1-Ti燃烧反应形成液相A1Ti3、TiA1、TiA13相并与CBN反应生成A1N、A1B、 TiN、TiB2，同时反应区的高温导致CBN颗粒表面六方化，降低了表面硬度。王艳辉等以ZrO2 （Y2O3）增韧的Si3N4与CB

12、N复合制备PCBN，研究了 ZrO2的相变及增韧 机理，发现相变增韧与微裂纹增韧作用相互叠加。国内主要研究单位郑州磨料磨具磨削研究所、中国地质大学、河南工业大学、燕山大学在PCBN方面进行了一些研究。其中国内采用A1-TiC-Co或Ni-Co作为PCBN粘合剂取得了一定 的效果。4、PCBN应用发展趋势自七十年代中叶PCBN刀具在若干难加工材料的切削实践中获得成功以来，世界先进工业 国家均投入大量的人力物力对其不断地进行着试验研究，当前，各国为PCBN的使用开辟的 新领域有：用于精密加工目前，将经过特殊磨削的PCBN刀具用于超精密车床上，在切削深度为15-20p m、进给量 为0.60叩m /

13、 r转的条件下，切削加工表面光洁度可达Rmax = 0.0254|j m。在一般精密数控 车床上切削不锈钢，可获得Rmax = 0.2p m以内的表面粗糙度。用于铸铁的高速铣削在日本、英国和德国均有应用实例，并已显示出较大的优越性，主要有：切削速度高，使 用寿命长而稳定，与陶瓷刀具相比，提高使用寿命2030倍，切削时工件尺寸精度稳定， 可减少尺寸调整次数，加工表面光洁度良好，可缩短珩磨等下道工序的加工时间。用于旋转刀具PCBN旋转刀具如日本住友公司的Sumiboron绞刀及用于模具和工具修整及精加工的立铣刀 和镗刀。因为PCBN为厚度1.6mm的聚合体，在使用时，必须用焊料将硬质合金基体焊接在

14、 刀体上，可用于PCBN钻头和螺旋齿立铣刀。精加工淬硬齿轮去除螺旋伞齿轮淬火变形量是相当困难的一种加工。目前普遍采用一对齿轮配合研磨或者 用手工逐齿进行修正，不仅耗时长，而且齿距精度不够理想。采用PCBN刀具加工模数为7 的淬硬螺旋伞齿轮，能获得研磨和手工修磨无法得到的齿距精度，合传动噪音可降低28 分贝。最近采用PCBN刀具加工模数为4的小型齿轮也取得了良好的效果。切削陶瓷陶瓷是继金属材料之后的新一代机械工程材料，但陶瓷的加工问题一直困扰着金属切削界。 目前普遍采用的金刚石砂轮磨削工艺还存在着加工效率低、加工成本高等缺点。日本的研究 的人员采用PCBN刀具、等离子焰加热切削陶瓷，取得了良好的

15、效果，加工效率提高310 倍，工件表面粗糙度可达Ra0.6-0.15p m。PCBN刀具的高耐磨性使之特别适用于自动化、控制化生产，而这些生产方式是当今世界 机械加工业发展的趋势，因而CBN刀具的应用是必然的，发展潜力巨大。（1）市场需求潜力大。（2）机床等工作条件的更新推动了 PCBN刀具应用增长。（3）PCBN刀具的特性促进使用增长。随着切削速度向高和超高速方向发展以及高速切削工 艺的成熟，会促进PCBN刀具的使用增长。（4）从成本分析。但从表面价格看，PCBN刀具比其他刀具似乎贵，但从减少机床占用、生 产效率提高、免回火硬加工等综合分析，成本是降低的。且随着进一步科研研究，PCBN刀 具的制造成本降低，性能更新，会使用户更加受益。中国在超硬材料金刚石与CBN合成制备方面，已成为世界生产大国，大批量出口 CBN磨 料制备，河南已成为了主要基地，郑州高新区富耐克以及南阳中南光学仪器厂