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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:4971

 摘要:在现代工业尤其是汽车工业及航天航空工业中,复合材料及耐磨有色金属材料被大量使用,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。本文对PCBN材料的主要性能进行了描述。指出,PCBN材料的性能主要与CBN的含量、粒度及结合剂的种类有关。一类是Co等作粘结相,高CBN含量的PCBN,主要用于粗加工,切削高硬度合金钢、耐磨铸铁、硬质合金等较优。另一类是以陶瓷作粘结相,低CBN含量,细粒度的PCBN,主要用于精加工,切削材料以淬火钢、模具钢、轴承钢为主。 

 

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。与传统刀具材料相比,具有耐磨性高、耐热性好、与铁族金属不起亲和反应等优点。 

 

    实践表明,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”、“以铣代磨”、“以镗代磨”的使用效果。其加工精度可以达到1μm,表面粗糙度可以达到0.2μmPCBN是先进加工不可缺少的利刃,高速切削技术发展的历史,也就是刀具材料不断进步的历史。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,目前人工合成的单晶立方氮化硼的最大粒径为3mm左右。鉴于培育立方氮化硼大单晶在技术上存在难度,所以,苏联、美国、英国、日本和中国相继研制出聚晶立方氮化硼[1] 

 

二、 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。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。多晶体的结构使聚晶立方氮化硼具有各向同性,克服了单晶存在解理面的缺陷,同时,PCBN具有硬质合金基体的抗冲击韧性[2] 

 

    目前,应用比较多是带粘结剂的聚晶立方氮化硼复合片。虽然,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,但它作为刀具在焊接时存在一定问题,整体PCBN烧结体不易被通常的焊料所浸润粘接,直接进行焊接很困难,而聚晶立方氮化硼复合片则具有这方面的优势[3]

 

    1 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,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,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,大致可归结为三类: 

 

    (1).金属粘结剂,由金属或合金组成。一般有铝、钛、钴、镍等; 

    (2).陶瓷结合剂,主要有氮化物、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、韧性好、导热性优于陶瓷作粘结剂的聚晶立方氮化硼。但金属通常在七八百度的温度下就会软化,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,高温时会导致立方氮化硼结构的变化,从而使红硬性下降。

  陶瓷结合剂熔点相对较高,高温时不会产生软化效应,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,切削温度集中在被加工材料上,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,解决了上述问题,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。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],超过95%时,烧结性能变差,并且耐磨性大大降低[6] 

 

    3 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。一般说来,立方氮化硼颗粒越小,聚晶立方氮化硼耐磨性越好,抗压强度越高,但细粒度的立方氮化硼不容易烧结。颗粒尺寸越大,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,用此制作的刀具的刃口锋利性就越差。 

 

    4 、烧结工艺 

    烧结过程中的主要参数是压力、温度和时间。

 

    5PCBN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、产品牌号及基本特征见表1 

  表1  PCBN厂商、牌号及基本特征 

 

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

三、 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。聚晶的晶粒呈无序排列,各向同性,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,聚晶立方氮化硼的主要性能有以下几点: 

 

    1、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,耐磨性很高[7]。在加工高硬度材料时表现极佳,例如加工淬硬钢时,其耐用度是硬质合金的1050倍。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 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,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 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。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,聚晶立方氮化硼刀具特别适合加工钢铁材料。 

 

    PCBN复合片耐高温,在大气和水蒸气中,在900C以下无任何变化且稳定,甚至在1300C时,和FeNiCo等也几乎没有反应,更不会像金刚石那样急剧磨损,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,而氧化铝的导热系数减小,如图3所示。因此,立方氮化硼刀具的刀尖处热量可以很快传出去,有利于加工精度和抗机械磨损能力的提高[8] 

    

    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,大大小于硬质合金的摩擦系数0.40.6之间,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。测试发现,随着温度的升高TRS值明显变大。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,反之为沿晶断裂。通过电镜观测断口的形貌发现,沿晶断裂和穿晶断裂共存。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] 

 

    7、硬质合金对PCBN硬度与导电性的影响[11] 

    在合成PCBN的过程中,硬质合金中的钴扫越CBN层,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。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,但其影响程度不如添加剂含量的影响明显。它影响到的绝对值跟PCBN本身有关,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,PCBN本身导电性能差,硬质合金不能跟本上改变其导电性,只能有限提高其导电性。这也与PCBN中钴检测情况基本吻合。    

      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)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,表现出的高热传导性、硬度和韧性,它主要用于铸铁和特殊材料加工。另一种PCBN(B)含有40%70vol%CBN,没有任何CBN-CBN颗粒间粘结,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] 

 

四、结语 

 

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

 

    2、由于PCBN材料性能广泛,人们可以利用其一种、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,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。目前,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,PCBN复合片的最大规格可达ф101mm,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,更适合于大批量使用。 

 

    4、目前,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,ф35mm~ф42mmPCBN复合刀具材料最近也有可能推向市场。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。 

 

    5、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,长期以来重主机、轻工具,在发展战略上超硬材料刀具与数控机床的发展严重脱节,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 PCBN由于高硬度、化学稳定性好、热膨胀系数小、导热率高等优点,将成为高速加工黑色金属、难加工材料以及进行干切削、硬切削的主要刀具材料。随着其韧性的进一步改善,它在切削工具中的比例将有很大的提高。此外,PCBN还是对黑色金属实现超高速切削,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。 

 

参考文献: 

 

1邓福铭,陈启武.PDC超硬复合刀具材料及其应用.北京:化学工业出版社,200316 

2.Brooks.C.AThe Properties of Natural and Synthetic DiamondLodon;ed Field JE Lodon Academic199251 

3王光祖,李刚,张相法,立方氮化硼合成与应用[M]河南:河南科技出版社,1995100 

4.E.BenkoP.Klimczykect.CBN-Ti3SiC2 CompositiesDiamond and Related Materials2004(13):521 

5.杜国臣,PCBN刀具的切削性能[J].组合机床与自动化加工技术,20047:94 

6刘一波,屠厚泽,陈庆寿,聚晶立方氮化硼刀具及其制造技术综述[J]地质与勘探,199632(4):61 

7候世香,高开运等,PCBN刀具的特点及实际应用[J].现代制造工程,20025:28 

8东辉,刘献礼,胡荣生,PCBN刀具的硬态切削加工原理[J]机电工程,200118(6):77 

9李丹,寇自力等,聚晶立方氮化硼材料的性能及其应用[C]中国超硬材料行业技术发展论坛论文集,200611p.2528 

10姜伟,刘进等,PCBN复合片显微硬度和抗弯强度分析[C].中国超硬材料行业技术发展论坛论文集,200611,p.7274 

11冯吉富,林峰,李立惟,硬质合金对立方氮化硼复合体性能影响的探讨[C]中国超硬材料新技术研讨会论文集,200412.p.4648 

12左宏森,王春华,新型PCBN工具高效加工难切削黑色金属材料[C]中国超硬材料新技术研讨会论文集,200412.p.127130

 

 
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