21世纪PCBN刀具的发展与展望

【慧聪五金网】随着制造技术迅猛发展，切削加工作为制造技术基础工艺，进入了以发展高效切削、开发新切削工艺加工方法、提供成套技术为特征新发展阶段。与此同时，制造技术难加工材料发展推动着刀具技术发展，刀具技术也向着高态切削、高速切削、高精度干式加工方向发展。可实现高效率、高稳定性、长寿命加工超硬刀具应用也日渐普及，汽车、航空航天、能源、军事、模具等领域发挥着重要作用。

    机械加工，刀具材料决定加工效率、加工质量加工成本关键因素之一，正确选择应用刀具材料至关重要。现代刀具材料主要高速钢、硬质合金陶瓷，它们主要硬质相成分碳化物、氮化物氧化物，加上粘结材料后，刀具硬度HV2000以下。对于某些现代难加工材料加工，上述硬度已不能满足要求，于超硬刀具材料便应运而生。PCBN（聚晶立方氮化硼）刀具、陶瓷刀具、涂层刀具等均具有很高硬度、耐磨性化学稳定性，能满足高速切削、干式切削、硬态切削等绿色制造要求。由于PCBN刀具加工精度、切削效率、刀具寿命等各个方面具有无可比拟优越性，因此，PCBN刀具推广应用可创造巨大经济效益。

    文主要阐述CBN刀具材料制造方法、物理性能及其应用新发展，并展望了21世纪PCBN刀具发展前景。

    CBN刀具材料制造方法

    立方氮化硼CBN(CubicBoronNitride)20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法高温高压条件下合成，其硬度达HV8000，仅次于金刚石（HV10000）而远远高于其他材料，它与金刚石统称为超硬材料。

    CBN晶体与金刚石晶体都属于闪锌矿型，且晶格常数相近，化学键类型相同，故CBN具有接近金刚石硬度抗压强度，又因为它由N、B原子组成，因此具有比金刚石更高热稳定性化学惰性。

    CBN刀具材料制造方法主要热压法，将压制CBN单晶粉原料——六方氮化硼粉（HBN）置于叶蜡石腔体，加上触媒剂，用六面顶或两面顶液压机，1600℃、5～6GPa下热压10min形成CBN单晶粉。单晶粉可用于磨料、磨具。用CBN单晶粉加上触媒剂粘结剂，1800℃、5～6GPa下再压3min便可得到PCBN整体刀片或复合刀片（硬质合金垫底，上有0.5mm左右CBN薄层）。

       PCBN刀具材料性能

    （1）具有很高硬度耐磨性。

    CBN单晶显微硬度为HV8000～HV9000，目前已知第二高硬度物质。不同量粘结剂PCBN刀具材料硬度HV4000～6000之间，而硬质合金刀具材料硬度仅为HV1100～1800；Al2O3陶瓷刀具材料硬度为HV2000。由此可见，用于加工高硬度材料时PCBN刀具具有比硬质合金及陶瓷更高耐磨性，可减少大型零件加工尺寸偏差或尺寸分散性，减少换刀调刀辅助时间，使其效能得到充分发挥。

    （2）具有很高热稳定性高温硬度。

    CBN耐热性可达1400～1500℃，800℃时硬度为Al2O3/TiC复合陶瓷常温硬度。切削温度较高时，会使被加工材料软化，与刀具间硬度差增大，有利于切削加工进行，而对刀具寿命影响不大。

    （3）具有很好导热性。

    CBN热导率达1300W/（m?K），紫钢3.5倍。而硬质合金热导率仅为35～75W/（m?K）。CBN材料导热系数低于金刚石但大大高于硬质合金，并且，PCBN刀具导热系数随着切削温度提高不断增大，因此可使刀尖处热量很快传出，有利于工件加工精度提高。

    （4）具有很高杨氏模量。

    PCBN杨氏模量约为750GPa，高于WC、TiC、Al2O3等材料。

    （5）具有很小热膨胀。

    PCBN热膨胀系数约为（2.1～2.3）×10-6/K，而硬质合金热膨胀系数为（5～7）×10-6/K。

    （6）具有较小密度。

    PCBN密度为3.48g/cm3，与Al2O3、Si3N4密度相近。

    （7）具有较低断裂韧性。

    PCBN断裂韧性约为（3.5～5）Pa?m0.5，仅为陶瓷刀具材料一半。这PCBN**不足之处。

    （8）具有优良化学稳定性。

    CBN具有很高抗氧化能力，大气，1000℃时也不产生氧化现象，PCBN1300～1500℃尚不分解；酸不受侵蚀；对铁族材料呈惰性,1200～1300℃时也不发生化学反应。但1000℃左右时会与水产生水解作用，造成大量CBN磨耗，因此使用PCBN刀具时宜采用干切方式。

    （9）具有较低摩擦系数。

    CBN与不同材料摩擦系数0.1～0.3之间，低于硬质合金摩擦系数(0.4～0.6)，摩擦系数随摩擦速度及正压力增大而略有减小。切削时不易形成滞留层或积屑瘤，有利于表面加工质量提高。

     PCBN刀具分类及对其性能影响因素

    PCBN刀具材料同其他种类刀具材料一样，由于组成成分不同，具有很多牌号，适应于不同用途。PCBN性能与CBN含量、粒径及结合剂种类有关，通过调整CBN含量、晶粒大小结合剂比例及种类可以获得不同性能、适应不同加工要求PCBN刀具。

    （1）PCBN刀具按添加成分大致可分为两大类：一类直接由CBN单晶热压烧结而成，CBN含量较多（70%以上），硬度高，适用于耐热合金、铸铁铁系烧结金属切削加工；另一类以CBN晶粒为主体，添加一定比例陶瓷结合剂（主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al2O3等）烧结而成热压体，这类PCBNCBN含量较少（70%以下），硬度较低，适用于淬硬钢切削加工。

    （2）PCBN结合剂主要有3类：金属结合剂，由金属或合金组成，如Co、Ni等，金属结合剂PCBN烧结体韧性导电性好，缺点高温下结合剂软化，耐磨性能下降；陶瓷结合剂，如A1203等，陶瓷结合剂PCBN烧结体具有较高耐高温磨损能力较强抗粘接能力，这解决了金属结合剂高温软化问题，但其抗冲击性较差，脆性大；金属陶瓷结合剂，如TiN、TiC、TiCN、AlN等，解决了上述存问题，具有较好综合性能。

    （3）PCBN刀具按制造复合方式可分为：整体PCBN热压块与硬质合金复合热压PCBN复合片。整体PCBN刀片刚性好，适用于粗加工；复合PCBN刀片成本较低，适用于精加工或半精加工。

    （4）已有研究表明，采用纯CBN材料制备刀具很多情况下并不能获得**加工效果，CBN含量一般50％～95％之间。CBN含量主要影响PCBN硬度热导率，随着CBN含量增加，PCBN硬度、耐磨性热导率升高，韧性下降；当CBN含量低于50％时，PCBN硬度下降，导致切削刃发生塑性变形而使刀片破损。当CBN含量超过95％时，PCBN性能变差，脆性加大，CBN晶粒易脱落，耐磨性大减。

    PCBN刀具应用

    1PCBN硬态切削加工技术**刀具材料

    （1）利用超硬材料制备刀具具有高硬度、高杨氏模量、高导热性能、低摩擦低热膨胀特点，可切削各种硬材料难加工材料。PCBN刀具红硬性、耐磨性硬态干式切削难加工材料具有很大优势。PCBN刀具通常用来加工硬度高于HRC50材料，切削温度高达1500℃时仍具有很高硬度，**适合各种淬硬钢、冷硬铸铁及其他高硬黑色金属切削。

    （2）对淬硬件(硬度高于HRC55)精加工，通常采用磨削加工方法完成，然而随着刀具材料发展及数控机床加工精度提高，以硬态切削代替磨削完成零件**终加工已成为一个新精加工途径。

    2PCBN进行干切削加工工艺理想刀具材料

    由于经济与环保方面原因，近几年来，干切削加工工艺已成为机械制造领域重点研究课题。干切削加工工艺已西方工业发达国家有了相当好应用。与湿切相比，干切又能大大提高生产率，其机理由于切削速度很高时，产生热量聚集于刀具前部，使切削区附近材料达到红热状态，屈服强度下降，进而获得提高切削效率效果。采用干切削工艺前提条件较高切削温度下，被切材料强度有明显下降，变得易切削，而刀具材料强度同样状态下要有较好红硬性及热稳定性，还要有较好耐磨性抗粘结性。适用于干切工艺刀具材料有陶瓷、金属陶瓷、涂层硬质合金及PCBN刀具材料等，但就红硬性热稳定性来说，PCBN材料**适合干切工艺刀具材料。 3PCBN刀具适应于自动化加工及难加工材料加工

    （1）PCBN刀具具有很高硬度及耐磨性，能高切削速度下长时间地加工高精度零件（尺寸离散性小），大大减少换刀次数刀具磨损补偿停机所花费时间，适合于数控机床及自动化程度较高加工设备。

    （2）PCBN刀具可成功实施硬态精加工工艺，除节省使用冷却润滑液与此相关原料而具有经济上生态上优点以外，它还能代替磨削工艺。难加工材料应用方面，PCBN刀具也显示出卓越性能，如表面喷焊（涂）材料加工，用其他材料刀具加工，刀具寿命极低，也无法采用磨削方法加工，而PCBN惟一适合刀具材料。

    （3）石油、电站设备使用高合金耐磨铸铁，采用PCBN刀具加工较硬质合金刀具切削效率提高4倍以上，单件刀具成本下降为原来1/5。另外硬质合金等热压材料切削加工方面，PCBN刀具也显示了很好切削性能。PCBN刀具可用于精车淬硬钢以及高速铣削灰铸铁硬铸铁。精车后淬硬钢表面粗糙度Ra可达0.3～0.6μm，尺寸精度可控制0.013mm以内。PCBN刀具还可用于加工高温合金、硬质合金、工程陶瓷及其他难加工材料。

    （4）切削冷硬铸铁方面,PCBN耐用性能加工效率远远好于硬质合金刀具。由于金刚石刀会与黑色金属发生反应，不能用来切削钢、铁。工业工程机械制造，黑色金属尤其钢、铁用量**，所以PCBN这方面有着得天独厚优势。

    （5）PCBN刀具能加工金刚石刀具所不能加工黑色金属材料，特别适合数控设备及自动化生产线使用。PCBN刀具具有很高耐磨性，其使用寿命远远高于硬质合金，可加工大部分高硬度材料，许多场合可以以车、镗、铣等代替磨削，能使被加工零件获得较高精度良好表面质量，并大大提高生产效率。国外PCBN刀具已广泛用来加工淬硬钢、高硬度铸铁抗磨零件，并带来了巨大经济效益。随着机械零件硬度抗磨损性能要求进一步提高，PCBN刀具使用必将更加广泛。