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PCBN刀具材料制備及其特性
文:張相法 張奎 鄭州大學 魯占靈 鄭州磨料磨具磨削研究 來源:鄭州銳力 時間:2009-02-16 點擊:5490

 摘要:在現代工業尤其是汽車工業及航天航空工業中,復合材料及耐磨有色金屬材料被大量使用,而采用普通刀具加工這類材料卻難以勝任。因此,超硬刀具材料PCBN應運而生。本文對PCBN材料的主要性能進行了描述。指出,PCBN材料的性能主要與CBN的含量、粒度及結合劑的種類有關。一類是Co等作粘結相,高CBN含量的PCBN,主要用于粗加工,切削高硬度合金鋼、耐磨鑄鐵、硬質合金等較優。另一類是以陶瓷作粘結相,低CBN含量,細粒度的PCBN,主要用于精加工,切削材料以淬火鋼、模具鋼、軸承鋼為主。 

 

關鍵詞:聚晶立方氮化硼(PCBN)  刀具  現代加工技術 

 

一、引言 

    立方氮化硼復合體(PCBN)是上個世紀70年代初開發的一種超硬刀具材料。與傳統刀具材料相比,具有耐磨性高、耐熱性好、與鐵族金屬不起親和反應等優點。 

 

    實踐表明,PCBN刀具具有加工精度高和較低的工件表面粗糙度,達到“以車代磨”、“以銑代磨”、“以鏜代磨”的使用效果。其加工精度可以達到1μm,表面粗糙度可以達到0.2μmPCBN是先進加工不可缺少的利刃,高速切削技術發展的歷史,也就是刀具材料不斷進步的歷史。鐵族金屬高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼。 

 

    單晶立方氮化硼的顆粒很小,目前人工合成的單晶立方氮化硼的最大粒徑為3mm左右。鑒于培育立方氮化硼大單晶在技術上存在難度,所以,蘇聯、美國、英國、日本和中國相繼研制出聚晶立方氮化硼[1] 

 

二、 PCBN制造工藝簡述 

    聚晶立方氮化硼可以分為整體PCBN燒結塊和帶硬合金基體的PCBN復合片。整體PCBN燒結塊是由CBN顆粒在高壓高溫下燒結而成的;PCBN復合片是由CBN層與硬質合金基體在高壓高溫下燒結而成的。多晶體的結構使聚晶立方氮化硼具有各向同性,克服了單晶存在解理面的缺陷,同時,PCBN具有硬質合金基體的抗沖擊韌性[2] 

 

    目前,應用比較多是帶粘結劑的聚晶立方氮化硼復合片。雖然,整體PCBN燒結塊克服了立方氮化硼單晶顆粒小以及各向異性的缺點,但它作為刀具在焊接時存在一定問題,整體PCBN燒結體不易被通常的焊料所浸潤粘接,直接進行焊接很困難,而聚晶立方氮化硼復合片則具有這方面的優勢[3]

 

    1 粘結劑 

    粘接劑在燒結過程中起著降低燒結壓力和溫度,改善燒結體性能的重要作用。選擇粘接劑要遵循以下原則: 

 

    (1).線膨脹系數盡可能與立方氮化硼接近,這樣可以降低溫差應力; 

    (2).粘接劑與氮或硼元素應有強烈的化學親和性,從而可以牢固地粘接立方氮化硼; 

    (3).可以牢固地連接硬質合金基體; 

 

 

    用作聚晶立方氮化硼粘結劑材料很多,大致可歸結為三類: 

 

    (1).金屬粘結劑,由金屬或合金組成。一般有鋁、鈦、鈷、鎳等; 

    (2).陶瓷結合劑,主要有氮化物、碳化物、硼化物等; 

    (3).金屬陶瓷結合劑,由陶瓷與金屬或金屬合金按一定配比組成。 

 

    用金屬作粘結劑的聚晶立方氮化硼一般CBN含量高、韌性好、導熱性優于陶瓷作粘結劑的聚晶立方氮化硼。但金屬通常在七八百度的溫度下就會軟化,高溫下軟化效應會導致聚晶立方氮化硼的耐磨性下降。金屬與立方氮化硼的線膨脹系數相差較大,高溫時會導致立方氮化硼結構的變化,從而使紅硬性下降。

  陶瓷結合劑熔點相對較高,高溫時不會產生軟化效應,用陶瓷作結合劑的聚晶立方氮化硼具有較高的耐高溫磨損和較強的抗化學磨損性。但陶瓷在高溫時導熱性差,切削溫度集中在被加工材料上,使之軟化。 

 

    金屬陶瓷結合劑則兼具了純金屬和陶瓷粘結劑兩者的優點,解決了上述問題,目前在發展推廣中[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。通常情況下聚晶立方氮化硼的硬度為HV3000HV 5000。立方氮化硼的含量一般在40%95%之間[5],超過95%時,燒結性能變差,并且耐磨性大大降低[6] 

 

    3 立方氮化硼的粒度 

    立方氮化硼顆粒的尺寸大小對聚晶立方氮化硼的耐磨性和抗破損性的影響很大。一般說來,立方氮化硼顆粒越小,聚晶立方氮化硼耐磨性越好,抗壓強度越高,但細粒度的立方氮化硼不容易燒結。顆粒尺寸越大,聚晶立方氮化硼抗機械磨損能力就越強,而抗磨損能力越弱,用此制作的刀具的刃口鋒利性就越差。 

 

    4 、燒結工藝 

    燒結過程中的主要參數是壓力、溫度和時間。

 

    5PCBN產品牌號及基本特征 

    目前,國外已有主要的PCBN復合片的生產商、產品牌號及基本特征見表1 

  表1  PCBN廠商、牌號及基本特征 

 

    PCBN復合片中的BZN6100BZN6000的換代產品,BZN8200BZN8100的換代產品,而新推出的BZN7000則是一種純CBN燒結體,具有優良的導熱性和抗沖擊性,特別適合高硬度材料粗加工及鑄鐵的高速切削加工。

三、 聚晶立方氮化硼的性能特點 

    聚晶立方氮化硼不僅具備了立方氮化硼的優良品質,而且帶基體的復合片還具有硬質合金的抗沖擊韌性。聚晶的晶粒呈無序排列,各向同性,不存在解理面,不像單晶立方氮化硼在不同晶面上的強度和耐磨性存在很大的差異,克服了單晶解理面的存在而導致的易脆弱性,聚晶立方氮化硼的主要性能有以下幾點: 

 

    1、具有較高的硬度、耐磨性和抗沖擊韌性 

聚晶立方氮化硼的硬度遠遠高于陶瓷和硬質合金,耐磨性很高[7]。在加工高硬度材料時表現極佳,例如加工淬硬鋼時,其耐用度是硬質合金的1050倍。聚晶立方氮化硼刀具的抗沖擊韌性也遠遠高于陶瓷刀具。 

 

    2 具有高的熱穩定性 

    聚晶立方氮化硼在高達1200C的溫度下仍表現出良好的熱穩定性,而且在800C的高溫下硬度也高于常溫下的硬質合金和陶瓷材料[9]  

 

    3 化學穩定牲好 

    聚晶立方氮化硼與鐵族金屬在1200C1300C下不起化學反應。在酸中不受侵蝕,在堿中約300C時才被侵蝕。對各種材料的粘結、擴散作用比硬質合金小得多。因此,聚晶立方氮化硼刀具特別適合加工鋼鐵材料。 

 

    PCBN復合片耐高溫,在大氣和水蒸氣中,在900C以下無任何變化且穩定,甚至在1300C時,和FeNiCo等也幾乎沒有反應,更不會像金剛石那樣急劇磨損,這時它能保持良好的紅硬性。

 

    4、導熱性良好 

    聚晶立方氮化硼材料的導熱系數略低于金剛石,是硬質合金的20倍。隨著切削溫度的提高,聚晶立方氮化硼的導熱系數增大,而氧化鋁的導熱系數減小,如圖3所示。因此,立方氮化硼刀具的刀尖處熱量可以很快傳出去,有利于加工精度和抗機械磨損能力的提高[8] 

    

    5 摩擦系數較低 

    立方氮化硼與不同材料的摩擦系數在0.10.3之間,大大小于硬質合金的摩擦系數0.40.6之間,而且隨摩擦速度及正壓力的增大而稍有減小[9] 

 

    6 PCBN復合片顯微硬度與抗彎強度(TRS) 

    溫度是影響PCBN復合片燒結好環的主要因素之一。測試發現,隨著溫度的升高TRS值明顯變大。當CBN顆粒間結合能大于單晶的解理能時就表現為穿晶斷裂,反之為沿晶斷裂。通過電鏡觀測斷口的形貌發現,沿晶斷裂和穿晶斷裂共存。但隨著溫度的升高或顆粒粒度的增大,穿晶斷裂逐漸增多而且從PCBN層中心沿徑向到邊緣穿晶斷裂也逐漸增多[10] 

 

    7、硬質合金對PCBN硬度與導電性的影響[11] 

    在合成PCBN的過程中,硬質合金中的鈷掃越CBN層,盡管CoCBN不反應,少量的鈷還是殘留在PCBN中作為CBN顆粒間“孔隙”的填充劑。而Co的硬度與CBN顆粒的硬度相比要低得多,因而導致CBN層硬度的降低。 

 

     硬質合金對PCBN的導電性有重要的影響,但其影響程度不如添加劑含量的影響明顯。它影響到的絕對值跟PCBN本身有關,在通常的范圍內(CBN粘結劑低于20%)硬質合金含鈷量高,PCBN導電性能則較好,PCBN本身導電性能差,硬質合金不能跟本上改變其導電性,只能有限提高其導電性。這也與PCBN中鈷檢測情況基本吻合。    

      表2 PCBN的微觀結構與特征  

    PCBN的等級粗略地分為兩種類型(如表2)A型的特征是CBN體積含量(高于80%)。這種PCBN有少量的鈷或鋁化物結合劑將CBN顆粒結合起來,表現出的高熱傳導性、硬度和韌性,它主要用于鑄鐵和特殊材料加工。另一種PCBN(B)含有40%70vol%CBN,沒有任何CBN-CBN顆粒間粘結,它的粘結材料是對黑色材料親合力低的鈦化合物。這種PCBN在加工淬硬鋼時表現出了非常優秀的耐磨性[12] 

 

四、結語 

 

    1PCBN可提供既好用而又經濟的硬車硬切加工所需的耐磨性、強度和剛性,將最終取代許多傳統的磨削加工方式。 

 

    2、由于PCBN材料性能廣泛,人們可以利用其一種、兩種或更多種性能而派生出很多不同的應用領域。每一種應用領域的需求需要選擇最合適的PCBN材料。 

 

    3、超硬材料刀具發展特點:一是產品的系列化,適用于不同加工對象的規格品種不斷增加;另一是,復合片尺寸不斷增大。目前,國外復合片的供貨規格一般為ф50mm以上,ф74mm的復合片也能批量供貨,PCBN復合片的最大規格可達ф101mm,小尺寸復合片則是從大復合片上切割下來的。大規格復合片成本低,更適合于大批量使用。 

 

    4、目前,國內只有ф20mm以下的復合片供貨,隨著六面頂壓機高壓腔體尺寸的擴大,ф35mm~ф42mmPCBN復合刀具材料最近也有可能推向市場。這就縮短了我國PCBN復合刀具材料在尺寸規格上與國外的差距。 

 

    5、由于我國機床工具行業對現代金屬切削刀具與傳統刀具的差別缺乏足夠的認識,長期以來重主機、輕工具,在發展戰略上超硬材料刀具與數控機床的發展嚴重脫節,使我國超硬材料刀具技術的發展和行業水平與現代制造業的要求相差甚遠。 

 

    6 PCBN由于高硬度、化學穩定性好、熱膨脹系數小、導熱率高等優點,將成為高速加工黑色金屬、難加工材料以及進行干切削、硬切削的主要刀具材料。隨著其韌性的進一步改善,它在切削工具中的比例將有很大的提高。此外,PCBN還是對黑色金屬實現超高速切削,突破C.Salomon提出的臨界速度,從本質上改善切削過程最有希望的刀具材料。 

 

參考文獻: 

 

1鄧福銘,陳啟武.PDC超硬復合刀具材料及其應用.北京:化學工業出版社,200316 

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

3王光祖,李剛,張相法,立方氮化硼合成與應用[M]河南:河南科技出版社,1995100 

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

5.杜國臣,PCBN刀具的切削性能[J].組合機床與自動化加工技術,20047:94 

6劉一波,屠厚澤,陳慶壽,聚晶立方氮化硼刀具及其制造技術綜述[J]地質與勘探,199632(4):61 

7候世香,高開運等,PCBN刀具的特點及實際應用[J].現代制造工程,20025:28 

8東輝,劉獻禮,胡榮生,PCBN刀具的硬態切削加工原理[J]機電工程,200118(6):77 

9李丹,寇自力等,聚晶立方氮化硼材料的性能及其應用[C]中國超硬材料行業技術發展論壇論文集,200611p.2528 

10姜偉,劉進等,PCBN復合片顯微硬度和抗彎強度分析[C].中國超硬材料行業技術發展論壇論文集,200611,p.7274 

11馮吉富,林峰,李立惟,硬質合金對立方氮化硼復合體性能影響的探討[C]中國超硬材料新技術研討會論文集,200412.p.4648 

12左宏森,王春華,新型PCBN工具高效加工難切削黑色金屬材料[C]中國超硬材料新技術研討會論文集,200412.p.127130

 

 
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