PCBN刀片的研讨制造现状及开展
作者：缤果创意 发佈时间2011-04-01
1 引言
现代切削技术正向着高速度、高精度、高效率的方向开展，与此同时，切削技术对刀具性能的请求也越来越高。聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN）作为应用人工办法合成的硬度仅次于自然金刚石的新型刀具资料，是目前高速切削铁系金属最适宜的刀具资料。
聚晶立方氮化硼（PCBN）于上世纪由美国GE公司首先研制胜利，由于PCBN资料具有高的硬度和耐磨性、很高的热稳定性和高温硬度、优秀的化学稳定性以及较好的导热性和较低的摩擦系数，因而PCBN刀具自问世之初就遭到美国、德国、英国、日本等工业兴旺国度的注重。经过30多年的开展，国外对PCBN刀具的研讨已根本进入成熟阶段，产品也向多样化、系列化方向开展。我国也有不少单位和学者从事PCBN刀具的开发和研讨，但与国外相比，无论在PCBN资料的合成还是刀具切削性能的研讨方面都有所滞后。
PCBN刀具作为21世纪的主要换代刀具之一，在工业兴旺国度工具运用总量中所占比重越来越大。美国GE公司以为，在工业化国度，PCBN刀具资料将有6.2亿美圆的市场。我国机床工具行业的“十五”规划重点是开展数控机床及其配套部件，2005年国内PCBN刀片需求量已到达66.2万片（折合为30mm的片）。依据市场调查和科学预测，我国PCBN刀具消费总值到2010年可到达5.4亿元。
2 PCBN刀片的研制
从1957年美国GE公司研制出立方氮化硼（CBN）单晶粉末、70年代研制胜利PCBN刀具至今，经过30多年的开展，PCBN刀具已逐渐趋于成熟。目前PCBN刀具多由PCBN刀片与刀杆或可转位刀片焊接而成，近年来整体式PCBN刀片品种也越来也多。PCBN刀片是0.5mm左右的PCBN层直接烧结在硬质合金基体上构成的复合整体。这种资料既具有PCBN的高硬度、高热稳定性和高的化学稳定性，同时又具有硬质合金强度好、可焊性好的优点，使PCBN刀具不只可切削各种硬度的工件，而且也易于消费。PCBN刀片质量的好坏直接影响着刀具切削性能。
2.1 PCBN刀片的烧结
PCBN刀片的制造办法主要有两种：一种是一次聚合法，即直接用六方氮化硼（HBN）一次聚合成高密度的烧结体；另一种是二次聚合法，先合成高密度立方氮化硼（CBN），然后再以其为原料经高温高压烧结成聚晶立方氮化硼。目前较为普遍的是参加粘结剂的二次聚合法：
（1）参加金属粘结剂的CBN烧结
金属粘结剂品种很多，主要有Ni、Co、Ti、Ti-Al等。在烧结温度下，金属粘结剂成为液相，液相的呈现对CBN烧结有一定的促进作用，烧结能够在稍低的温度和压力下停止。另外，由于CBN不溶于金属粘结剂，不会发作能够促进收缩和晶体长大的溶解析出过程。在烧结过程中硬质合金中的钴呈液态渗入CBN晶界中，将硬质合金与CBN烧结体严密粘结在一同。采用金属粘结剂的PCBN刀具的硬度较纯CBN烧结的刀具硬度低，但是韧性好。英国Element six 公司的AMB90、美国GE公司的BZN6000以及日本三菱消费的MB710等牌号都是由金属粘结剂烧结而成。
（2）参加陶瓷粘结剂的CBN烧结
陶瓷粘结剂主要有TiN、TiC、Al2O3等。由于烧结过程中易产生裂纹，因而多在陶瓷粘结剂中参加铁族元素（铁、钴、镍） 以及Mo或Mo2C等增加陶瓷离子间的强度，起到流体传压介质的作用，有利于构成内部无变形的烧结体，钼等还能够改良陶瓷粒子和铁元素之间的润湿性。陶瓷粘结剂PCBN中粘结剂的含量普通较高，韧性较金属粘结剂刀具差，但其抗高温性能更好。这类产品有英国Element six公司的DBA80、DBC50，美国GE公司的BZN7000S、BZN8200，日本住友的NBX300、NBX3200等。
（3）纯CBN烧结
在CBN聚晶体中也能够不加粘结剂直接烧结而成聚晶立方氮化硼。CBN在烧结时发作再结晶和晶粒长大过程， 烧结后的CBN多晶体的晶粒已不是原来的CBN单晶体颗粒。这种PCBN刀具耐磨性好，寿命长，但较脆且温度条件苛刻，难以制成高韧性及大尺寸的刀片。
2.2 PCBN刀片质量的影响要素
PCBN刀片的质量遭到多种要素的影响，其中烧结过程中各种工艺参数的改动，对PCBN刀片的质量影响最大。粘结剂/催化剂资料、基体资料等组成资料，以及颗粒外表清洁度、颗粒度等都决议了PCBN刀片的性能。
（1）基体的选择
由于碳化钨硬质合金具有较高的硬度，较好的导热性和韧性，因而多采用含有Co的碳化钨硬质合金作为PCBN刀片基体。Co作为一种溶剂和粘结剂能够显着进步CBN的烧结度，加强PCBN的强度[3]，但是碳化钨硬质合金中Co的含量不能过高，否则将影响PCBN刀片的耐磨性，缩短刀具的运用寿命。
（2）CBN晶粒的清洁度与颗粒度
CBN晶粒的外表清洁度将直接影响着PCBN的烧结质量，因而在烧结前都要对CBN晶粒停止严厉地处置，以去掉晶粒外表的水分及氧化物等杂质。采用的办法主要是在真空或氢气、氨气等复原性气体下加热1~2个小时。否则过多的杂质会影响CBN-CBN颗粒间及CBN与粘结剂间的粘结，使得PCBN刀片强度减小，耐磨性能降低。
CBN颗粒的大小不但对PCBN刀具的切削外表质量有影响而且对PCBN烧结时粘结剂的烧结才能起到一定的作用。普通来说，CBN颗粒度越小，PCBN刀具切削外表质量越好，刀具抗冲击才能和耐磨性越好，因而，在加工淬硬钢并且请求高的外表质量（即完成PCBN刀具的“以车代磨”）时，所采用PCBN刀具中的CBN颗粒应取较小值。但另一方面，由于PCBN刀片的烧结是经过“毛细现象”即各种粘结剂元素浸透到CBN颗粒之间完成的，假如CBN颗粒太小，CBN颗粒间的间隙就会减小，从而使得粘结剂元素的浸透量减小。因而，烧结时CBN颗粒又应选得大一些。综合思索以上两种要素，CBN烧结时应多选择溷合粒度，并依据所选粘结剂粘结才能的不同而肯定不同的粒度范围。
（3）CBN晶粒含量
CBN含量对PCBN刀具的硬度、导热性有较大的影响。CBN含量越高，刀具的硬度越高，导热性越好。高含量PCBN刀具（普通CBN含量为80%～90%）是以CBN之间的直接分离为主，具有高硬度和高导热性。这类PCBN刀具合适加工高硬度合金和组织中含有高硬质点的资料，如冷硬铸铁、耐热合金等。目前此类刀具刀片主要有GE公司的BZN6000，Element six公司的AMB90、住友电工公司的BN100、BN600等。低含量PCBN刀片多为陶瓷粘结剂，耐热性好，易于加工淬硬钢（合金钢、轴承钢、模具钢、碳钢等），应用切削区内热滞留高温构成的金属软化效应停止切削。GE公司的BZN8100、BZN8200，Element six公司的DBC50，住友电工公司的NB300、NB220以及山高公司的CBN10、CBN100、CBN150等均属于此类。
（4）粘结剂
CBN烧结所需的粘结剂：①物理化学性能越接近CBN越好，这样不会过多的削弱烧结后PCBN刀具的切削性能；②易于到达熔点温度或在此温度下具有好的塑性；③相关于CBN具有足够的化学活性，具有使六方氮化硼（HBN）向CBN转化的催化性。
目前，常用到的粘结剂按其物理化学性质可分为金属粘结剂（如Ni、Co、Ti、Ti-Al等）和陶瓷粘结剂（如TiN、TiC、TiCN、Al2O3等）；按作用可分为催化剂（如，Al、AlN、AlB2、Si等）和溶解剂（如Ti、Ni、Co、TiN、TiC、TiCN等）。粘结剂品种和含量都对PCBN刀片的性能有不同的影响。碳化物、氮化物、碳氮化物能够进步PCBN刀片的抗化学磨损才能和抗冲击才能，但含量过高会降低刀具硬度，使刀具寿命缩短；钴是最常用的粘结剂，能够进步CBN烧结时的烧结度；Ti陶瓷粘结剂能够进步PCBN刀片的韧性；铝及铝的化合物可与CBN颗粒及其它粘结剂发作反响，使CBN颗粒粘结得愈加结实，进步刀具耐磨性；Si和Al、AlN、AlB2的溷合物是HBN向CBN转化的有效催化剂，在陶瓷粘结剂里参加少量的Al、Si还能够加强CBN间的粘结，构成连续的陶瓷相[12]；以铝化镍作为粘结剂的PCBN复合片导电性好，适于采用低本钱电火花停止切割。
由于粘结剂的不同，如今PCBN刀片趋于两种特性：一种是具有高的耐磨性（高含量CBN，催化粘结剂），另一种是具有好的抗冲击性（低含量CBN，陶瓷粘结剂）。
3 PCBN刀片的市场现状
目前国内外PCBN刀片的制造厂商良莠不齐，PCBN刀片质量上有很大的差别，但总体来说国内的PCBN刀片较国外产品无论从质量上、规格上还是种类上都有一定的差距。表1为国内外PCBN刀片主要制造厂商消费的牌号及其主要成分比照。（略）
由表1可知，随着研讨制造的日益深化，国外PCBN刀片现已构成系列化，从而带来了应用的专业化；另一方面PCBN复合片的尺寸也大型化，目前可供货规格有57mm、74mm、101.6mm等。大复合片不只单位面积本钱降低，应用率进步，而且更能满足用户制造各种规格刀片的请求。另外，整体式刀片的推出（如，山高公司CBN100、CBN30、CBN300等），克制了由于焊接式PCBN刀片尺寸小惹起的切削深度限制和由于加工过程中焊接点失效惹起的PCBN失效风险；PCBN刀片资料也向多元方式开展，涂层PCBN刀片曾经研制胜利，并应用于工业消费（如住友公司BNC80、BNC150、BNC200；山高公司CBN50C、CBN400C等）。
固然我国对PCBN资料的研讨与制造开端也较早，但是由于以前国内制造业习气采用硬质合金和普通的磨料磨具加工铁系金属，因而限制了对PCBN刀具的应用和开发。目前，国内可以制造PCBN刀片的厂家固然数量较多，但是整体实力较差，产种类类少，质量也相对较差。因而，在汽车工业等重点用户停止难加工资料的切削方面，我国PCBN刀片大局部还是依赖进口。
4 PCBN刀片的开展趋向
由于PCBN刀具在加工铁系金属方面具有不相上下的优越性，其适于高速切削技术、“以车代磨”技术，不只能够节约本钱而且大大进步了消费效率，必将使得PCBN刀具在国内得以普遍推行。同时，刀具制造商从单纯刀具供给商的位置上升至成为用户企业进步消费效率和产质量量、降低制形成本的重要同伴的身份转变，使得PCBN刀片资料向着多元化、系列化的方向开展以顺应不同资料的切削加工。目前，PCBN复合资料、涂层技术、PCBN纳米技术已成为将来PCBN刀片资料开展主要方向。
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