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    PCBN刀具材料制备及其特性
    文:张相法 张奎 郑州大学 鲁占灵 郑州磨料磨具磨削研究 来源:郑州锐力 时间:2009-02-16 点击:6849

     摘要:在现代工业尤其是汽车工业及航天航空工业中优德体育w88优德体育w88优德体育w88,复合材料及耐磨有色金属材料被大量使用优德体育w88优德体育w88,而采用普通刀具加工这类材料却难以胜任。因此,超硬刀具材料PCBN应运而生优德体育w88。本文对PCBN材料的主要性能进行了描述优德体育w88。指出优德体育w88优德体育w88优德体育w88,PCBN材料的性能主要与CBN的含量优德体育w88、粒度及结合剂的种类有关优德体育w88优德体育w88优德体育w88。一类是Co等作粘结相优德体育w88优德体育w88,高CBN含量的PCBN优德体育w88,主要用于粗加工优德体育w88,切削高硬度合金钢优德体育w88、耐磨铸铁优德体育w88、硬质合金等较优优德体育w88优德体育w88。另一类是以陶瓷作粘结相优德体育w88,低CBN含量优德体育w88优德体育w88,细粒度的PCBN优德体育w88,主要用于精加工优德体育w88优德体育w88优德体育w88,切削材料以淬火钢优德体育w88优德体育w88、模具钢、轴承钢为主优德体育w88。 

     

    关键词:聚晶立方氮化硼(PCBN)  刀具  现代加工技术 

     

    一、引言 

        立方氮化硼复合体(PCBN)是上个世纪70年代初开发的一种超硬刀具材料优德体育w88。与传统刀具材料相比优德体育w88,具有耐磨性高优德体育w88优德体育w88、耐热性好优德体育w88、与铁族金属不起亲和反应等优点。 

     

        实践表明优德体育w88,PCBN刀具具有加工精度高和较低的工件表面粗糙度,达到“以车代磨”优德体育w88优德体育w88、“以铣代磨”优德体育w88优德体育w88、“以镗代磨”的使用效果优德体育w88。其加工精度可以达到1μm优德体育w88,表面粗糙度可以达到0.2μm优德体育w88。PCBN是先进加工不可缺少的利刃优德体育w88优德体育w88,高速切削技术发展的历史优德体育w88,也就是刀具材料不断进步的历史优德体育w88。铁族金属高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼。 

     

        单晶立方氮化硼的颗粒很小优德体育w88,目前人工合成的单晶立方氮化硼的最大粒径为3mm左右优德体育w88。鉴于培育立方氮化硼大单晶在技术上存在难度优德体育w88,所以优德体育w88,苏联优德体育w88优德体育w88优德体育w88、美国优德体育w88优德体育w88、英国、日本和中国相继研制出聚晶立方氮化硼[1]优德体育w88。 

     

    二优德体育w88、 PCBN制造工艺简述 

        聚晶立方氮化硼可以分为整体PCBN烧结块和带硬合金基体的PCBN复合片优德体育w88。整体PCBN烧结块是由CBN颗粒在高压高温下烧结而成的;PCBN复合片是由CBN层与硬质合金基体在高压高温下烧结而成的优德体育w88优德体育w88优德体育w88优德体育w88。多晶体的结构使聚晶立方氮化硼具有各向同性优德体育w88,克服了单晶存在解理面的缺陷优德体育w88,同时优德体育w88,PCBN具有硬质合金基体的抗冲击韧性[2]。 

     

        目前优德体育w88,应用比较多是带粘结剂的聚晶立方氮化硼复合片优德体育w88优德体育w88。虽然优德体育w88,整体PCBN烧结块克服了立方氮化硼单晶颗粒小以及各向异性的缺点优德体育w88,但它作为刀具在焊接时存在一定问题优德体育w88优德体育w88,整体PCBN烧结体不易被通常的焊料所浸润粘接优德体育w88,直接进行焊接很困难优德体育w88,而聚晶立方氮化硼复合片则具有这方面的优势[3]。

     

        1优德体育w88、 粘结剂 

        粘接剂在烧结过程中起着降低烧结压力和温度,改善烧结体性能的重要作用。选择粘接剂要遵循以下原则: 

     

        (1).线膨胀系数尽可能与立方氮化硼接近优德体育w88,这样可以降低温差应力; 

        (2).粘接剂与氮或硼元素应有强烈的化学亲和性优德体育w88,从而可以牢固地粘接立方氮化硼; 

        (3).可以牢固地连接硬质合金基体; 

     

     

        用作聚晶立方氮化硼粘结剂材料很多优德体育w88,大致可归结为三类: 

     

        (1).金属粘结剂优德体育w88,由金属或合金组成优德体育w88。一般有铝优德体育w88、钛优德体育w88优德体育w88、钴优德体育w88优德体育w88、镍等; 

        (2).陶瓷结合剂,主要有氮化物优德体育w88优德体育w88、碳化物、硼化物等; 

        (3).金属陶瓷结合剂,由陶瓷与金属或金属合金按一定配比组成。 

     

        用金属作粘结剂的聚晶立方氮化硼一般CBN含量高优德体育w88优德体育w88优德体育w88优德体育w88、韧性好、导热性优于陶瓷作粘结剂的聚晶立方氮化硼优德体育w88优德体育w88。但金属通常在七八百度的温度下就会软化优德体育w88优德体育w88优德体育w88,高温下软化效应会导致聚晶立方氮化硼的耐磨性下降。金属与立方氮化硼的线膨胀系数相差较大优德体育w88,高温时会导致立方氮化硼结构的变化,从而使红硬性下降优德体育w88优德体育w88优德体育w88。

      陶瓷结合剂熔点相对较高优德体育w88,高温时不会产生软化效应优德体育w88,用陶瓷作结合剂的聚晶立方氮化硼具有较高的耐高温磨损和较强的抗化学磨损性。但陶瓷在高温时导热性差优德体育w88优德体育w88,切削温度集中在被加工材料上优德体育w88优德体育w88优德体育w88,使之软化。 

     

        金属陶瓷结合剂则兼具了纯金属和陶瓷粘结剂两者的优点优德体育w88优德体育w88,解决了上述问题优德体育w88优德体育w88优德体育w88,目前在发展推广中[4]。 

     

        2 、立方氮化硼的含量 

        立方氮化硼含量越高,聚晶立方氮化硼的硬度越硬优德体育w88。通常情况下聚晶立方氮化硼的硬度为HV3000HV 5000。立方氮化硼的含量一般在40%95%之间[5]优德体育w88,超过95%时优德体育w88,烧结性能变差,并且耐磨性大大降低[6]优德体育w88。 

     

        3优德体育w88、 立方氮化硼的粒度 

        立方氮化硼颗粒的尺寸大小对聚晶立方氮化硼的耐磨性和抗破损性的影响很大优德体育w88。一般说来优德体育w88优德体育w88,立方氮化硼颗粒越小,聚晶立方氮化硼耐磨性越好优德体育w88优德体育w88,抗压强度越高,但细粒度的立方氮化硼不容易烧结?优德体育w88?帕3叽缭酱笥诺绿逵齱88,聚晶立方氮化硼抗机械磨损能力就越强,而抗磨损能力越弱优德体育w88,用此制作的刀具的刃口锋利性就越差优德体育w88。 

     

        4 、烧结工艺 

        烧结过程中的主要参数是压力优德体育w88、温度和时间。

     

        5优德体育w88、PCBN产品牌号及基本特征 

        目前,国外已有主要的PCBN复合片的生产商优德体育w88优德体育w88、产品牌号及基本特征见表1 

      表1  PCBN厂商优德体育w88优德体育w88、牌号及基本特征 

     

        PCBN复合片中的BZN6100BZN6000的换代产品优德体育w88优德体育w88,BZN8200BZN8100的换代产品,而新推出的BZN7000则是一种纯CBN烧结体优德体育w88,具有优良的导热性和抗冲击性优德体育w88优德体育w88,特别适合高硬度材料粗加工及铸铁的高速切削加工优德体育w88。

    三优德体育w88优德体育w88、 聚晶立方氮化硼的性能特点 

        聚晶立方氮化硼不仅具备了立方氮化硼的优良品质,而且带基体的复合片还具有硬质合金的抗冲击韧性优德体育w88优德体育w88优德体育w88。聚晶的晶粒呈无序排列优德体育w88,各向同性优德体育w88优德体育w88,不存在解理面,不像单晶立方氮化硼在不同晶面上的强度和耐磨性存在很大的差异,克服了单晶解理面的存在而导致的易脆弱性优德体育w88,聚晶立方氮化硼的主要性能有以下几点: 

     

        1优德体育w88、具有较高的硬度、耐磨性和抗冲击韧性 

    聚晶立方氮化硼的硬度远远高于陶瓷和硬质合金优德体育w88,耐磨性很高[7]优德体育w88。在加工高硬度材料时表现极佳优德体育w88优德体育w88,例如加工淬硬钢时优德体育w88,其耐用度是硬质合金的1050倍优德体育w88。聚晶立方氮化硼刀具的抗冲击韧性也远远高于陶瓷刀具。 

     

        2优德体育w88、 具有高的热稳定性 

        聚晶立方氮化硼在高达1200C的温度下仍表现出良好的热稳定性优德体育w88优德体育w88,而且在800C的高温下硬度也高于常温下的硬质合金和陶瓷材料[9]  

     

        3优德体育w88、 化学稳定牲好 

        聚晶立方氮化硼与铁族金属在1200C1300C下不起化学反应优德体育w88。在酸中不受侵蚀,在碱中约300C时才被侵蚀。对各种材料的粘结、扩散作用比硬质合金小得多。因此优德体育w88,聚晶立方氮化硼刀具特别适合加工钢铁材料优德体育w88优德体育w88优德体育w88。 

     

        PCBN复合片耐高温,在大气和水蒸气中优德体育w88优德体育w88,在900C以下无任何变化且稳定优德体育w88,甚至在1300C时优德体育w88优德体育w88,和Fe优德体育w88、Ni优德体育w88优德体育w88、Co等也几乎没有反应优德体育w88优德体育w88,更不会像金刚石那样急剧磨损优德体育w88,这时它能保持良好的红硬性。

     

        4、导热性良好 

        聚晶立方氮化硼材料的导热系数略低于金刚石,是硬质合金的20倍。随着切削温度的提高,聚晶立方氮化硼的导热系数增大优德体育w88,而氧化铝的导热系数减小优德体育w88,如图3所示优德体育w88优德体育w88。因此优德体育w88,立方氮化硼刀具的刀尖处热量可以很快传出去优德体育w88优德体育w88,有利于加工精度和抗机械磨损能力的提高[8]优德体育w88。 

        

        5、 摩擦系数较低 

        立方氮化硼与不同材料的摩擦系数在0.10.3之间优德体育w88,大大小于硬质合金的摩擦系数0.40.6之间优德体育w88,而且随摩擦速度及正压力的增大而稍有减小[9]。 

     

        6、 PCBN复合片显微硬度与抗弯强度(TRS) 

        温度是影响PCBN复合片烧结好环的主要因素之一优德体育w88优德体育w88。测试发现优德体育w88,随着温度的升高TRS值明显变大优德体育w88。当CBN颗粒间结合能大于单晶的解理能时就表现为穿晶断裂优德体育w88,反之为沿晶断裂优德体育w88优德体育w88。通过电镜观测断口的形貌发现优德体育w88优德体育w88,沿晶断裂和穿晶断裂共存优德体育w88。但随着温度的升高或颗粒粒度的增大,穿晶断裂逐渐增多而且从PCBN层中心沿径向到边缘穿晶断裂也逐渐增多[10]优德体育w88优德体育w88优德体育w88。 

     

        7、硬质合金对PCBN硬度与导电性的影响[11]优德体育w88优德体育w88。 

        在合成PCBN的过程中优德体育w88,硬质合金中的钴扫越CBN层优德体育w88优德体育w88优德体育w88优德体育w88,尽管CoCBN不反应,少量的钴还是残留在PCBN中作为CBN颗粒间“孔隙”的填充剂优德体育w88优德体育w88。而Co的硬度与CBN颗粒的硬度相比要低得多,因而导致CBN层硬度的降低。 

     

         硬质合金对PCBN的导电性有重要的影响优德体育w88,但其影响程度不如添加剂含量的影响明显优德体育w88优德体育w88。它影响到的绝对值跟PCBN本身有关优德体育w88,在通常的范围内(CBN粘结剂低于20%)硬质合金含钴量高,PCBN导电性能则较好优德体育w88优德体育w88,PCBN本身导电性能差优德体育w88,硬质合金不能跟本上改变其导电性优德体育w88,只能有限提高其导电性优德体育w88。这也与PCBN中钴检测情况基本吻合优德体育w88。    

          表2 PCBN的微观结构与特征  

        PCBN的等级粗略地分为两种类型(如表2)优德体育w88优德体育w88优德体育w88。A型的特征是CBN体积含量(高于80%)。这种PCBN有少量的钴或铝化物结合剂将CBN颗粒结合起来优德体育w88,表现出的高热传导性优德体育w88、硬度和韧性优德体育w88,它主要用于铸铁和特殊材料加工。另一种PCBN(B)含有40%70vol%CBN优德体育w88优德体育w88,没有任何CBN-CBN颗粒间粘结优德体育w88优德体育w88优德体育w88,它的粘结材料是对黑色材料亲合力低的钛化合物。这种PCBN在加工淬硬钢时表现出了非常优秀的耐磨性[12]优德体育w88。 

     

    四优德体育w88优德体育w88优德体育w88、结语 

     

        1、PCBN可提供既好用而又经济的硬车硬切加工所需的耐磨性优德体育w88、强度和刚性优德体育w88优德体育w88,将最终取代许多传统的磨削加工方式。 

     

        2优德体育w88优德体育w88、由于PCBN材料性能广泛,人们可以利用其一种优德体育w88、两种或更多种性能而派生出很多不同的应用领域。每一种应用领域的需求需要选择最合适的PCBN材料。 

     

        3、超硬材料刀具发展特点:一是产品的系列化优德体育w88,适用于不同加工对象的规格品种不断增加;另一是,复合片尺寸不断增大优德体育w88。目前优德体育w88优德体育w88,国外复合片的供货规格一般为ф50mm以上,ф74mm的复合片也能批量供货优德体育w88优德体育w88,PCBN复合片的最大规格可达ф101mm优德体育w88优德体育w88,小尺寸复合片则是从大复合片上切割下来的。大规格复合片成本低优德体育w88,更适合于大批量使用。 

     

        4优德体育w88、目前优德体育w88优德体育w88优德体育w88,国内只有ф20mm以下的复合片供货,随着六面顶压机高压腔体尺寸的扩大优德体育w88,ф35mm~ф42mmPCBN复合刀具材料最近也有可能推向市场优德体育w88优德体育w88优德体育w88。这就缩短了我国PCBN复合刀具材料在尺寸规格上与国外的差距优德体育w88优德体育w88优德体育w88。 

     

        5优德体育w88优德体育w88优德体育w88优德体育w88优德体育w88、由于我国机床工具行业对现代金属切削刀具与传统刀具的差别缺乏足够的认识优德体育w88优德体育w88,长期以来重主机优德体育w88、轻工具优德体育w88优德体育w88优德体育w88,在发展战略上超硬材料刀具与数控机床的发展严重脱节优德体育w88,使我国超硬材料刀具技术的发展和行业水平与现代制造业的要求相差甚远。 

     

        6优德体育w88、 PCBN由于高硬度优德体育w88、化学稳定性好、热膨胀系数小、导热率高等优点优德体育w88优德体育w88优德体育w88,将成为高速加工黑色金属、难加工材料以及进行干切削优德体育w88、硬切削的主要刀具材料优德体育w88优德体育w88优德体育w88。随着其韧性的进一步改善优德体育w88优德体育w88,它在切削工具中的比例将有很大的提高优德体育w88。此外优德体育w88优德体育w88优德体育w88优德体育w88,PCBN还是对黑色金属实现超高速切削优德体育w88优德体育w88,突破C.Salomon提出的临界速度,从本质上改善切削过程最有希望的刀具材料。 

     

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