PCBN刀片研制及發(fā)展現(xiàn)狀

PCBN刀具作為21世紀(jì)的主要換代刀具之一，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家工具使用總量中所占比重越來(lái)越大。美國(guó)GE公司認(rèn)為，在工業(yè)化國(guó)家，PCBN刀具材料將有6.2億美元的市場(chǎng)。我國(guó)機(jī)床工具行業(yè)的“十五”規(guī)劃重點(diǎn)是發(fā)展數(shù)控機(jī)床及其配套部件，2005年國(guó)內(nèi)PCBN刀片需求量已達(dá)到66.2萬(wàn)片（折合為30mm的片）。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查和科學(xué)預(yù)測(cè)，我國(guó)PCBN刀具消費(fèi)總值到2010年可達(dá)到5.4億元。

PCBN刀片的研制

     從1957年美國(guó)GE公司研制出立方氮化硼（CBN）單晶粉末、70年代研制成功PCBN刀具至今，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，PCBN刀具已逐步趨于成熟。目前PCBN刀具多由PCBN刀片與刀桿或可轉(zhuǎn)位刀片焊接而成，近年來(lái)整體式PCBN刀片種類(lèi)也越來(lái)也多。PCBN刀片是0.5mm左右的PCBN層直接燒結(jié)在硬質(zhì)合金基體上形成的復(fù)合整體。這種材料既具有PCBN的高硬度、高熱穩(wěn)定性和高的化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)又具有硬質(zhì)合金強(qiáng)度好、可焊性好的優(yōu)點(diǎn)，使PCBN刀具不僅可切削各種硬度的工件，而且也易于生產(chǎn)。PCBN刀片質(zhì)量的好壞直接影響著刀具切削性能。

1PCBN刀片的燒結(jié)

    PCBN刀片的制作方法主要有兩種：一種是一次聚合法，即直接用六方氮化硼（HBN）一次聚合成高密度的燒結(jié)體；另一種是二次聚合法，先合成高密度立方氮化硼（CBN），然后再以其為原料經(jīng)高溫高壓燒結(jié)成聚晶立方氮化硼。目前較為普遍的是加入粘結(jié)劑的二次聚合法：

加入金屬粘結(jié)劑的CBN燒結(jié)

    金屬粘結(jié)劑種類(lèi)很多，主要有Ni、Co、Ti、Ti-Al等。在燒結(jié)溫度下，金屬粘結(jié)劑成為液相，液相的出現(xiàn)對(duì)CBN燒結(jié)有一定的促進(jìn)作用，燒結(jié)可以在稍低的溫度和壓力下進(jìn)行。另外，由于CBN不溶于金屬粘結(jié)劑，不會(huì)發(fā)生可以促進(jìn)收縮和晶體長(zhǎng)大的溶解析出過(guò)程。在燒結(jié)過(guò)程中硬質(zhì)合金中的鈷呈液態(tài)滲入CBN晶界中，將硬質(zhì)合金與CBN燒結(jié)體緊密粘結(jié)在一起。采用金屬粘結(jié)劑的PCBN刀具的硬度較純CBN燒結(jié)的刀具硬度低，但是韌性好。英國(guó)Elementsix公司的AMB90、美國(guó)GE公司的BZN6000以及日本三菱生產(chǎn)的MB710等牌號(hào)都是由金屬粘結(jié)劑燒結(jié)而成。

加入陶瓷粘結(jié)劑的CBN燒結(jié)

    陶瓷粘結(jié)劑主要有TiN、TiC、Al2O3等。由于燒結(jié)過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋，因此多在陶瓷粘結(jié)劑中加入鐵族元素（鐵、鈷、鎳）以及Mo或Mo2C等增加陶瓷離子間的強(qiáng)度，起到流體傳壓介質(zhì)的作用，有利于形成內(nèi)部無(wú)變形的燒結(jié)體，鉬等還可以改進(jìn)陶瓷粒子和鐵元素之間的潤(rùn)濕性。陶瓷粘結(jié)劑PCBN中粘結(jié)劑的含量一般較高，韌性較金屬粘結(jié)劑刀具差，但其抗高溫性能更好。這類(lèi)產(chǎn)品有英國(guó)Elementsix公司的DBA80、DBC50，美國(guó)GE公司的BZN7000S、BZN8200，日本住友的NBX300、NBX3200等。

純CBN燒結(jié)

    在CBN聚晶體中也可以不加粘結(jié)劑直接燒結(jié)而成聚晶立方氮化硼。CBN在燒結(jié)時(shí)發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大過(guò)程，燒結(jié)后的CBN多晶體的晶粒已不是原來(lái)的CBN單晶體顆粒。這種PCBN刀具耐磨性好，壽命長(zhǎng)，但較脆且溫度條件苛刻，難以制成高韌性及大尺寸的刀片。

PCBN刀片質(zhì)量的影響因素

    PCBN刀片的質(zhì)量受到多種因素的影響，其中燒結(jié)過(guò)程中各種工藝參數(shù)的改變，對(duì)PCBN刀片的質(zhì)量影響最大。粘結(jié)劑/催化劑材料、基體材料等組成材料，以及顆粒表面清潔度、顆粒度等都決定了PCBN刀片的性能。

基體的選擇

    由于碳化鎢硬質(zhì)合金具有較高的硬度，較好的導(dǎo)熱性和韌性，因此多采用含有Co的碳化鎢硬質(zhì)合金作為PCBN刀片基體。Co作為一種溶劑和粘結(jié)劑可以顯著提高CBN的燒結(jié)度，增強(qiáng)PCBN的強(qiáng)度[3]，但是碳化鎢硬質(zhì)合金中Co的含量不能過(guò)高，否則將影響PCBN刀片的耐磨性，縮短刀具的使用壽命。

CBN晶粒的清潔度與顆粒度

    CBN晶粒的表面清潔度將直接影響著PCBN的燒結(jié)質(zhì)量，因此在燒結(jié)前都要對(duì)CBN晶粒進(jìn)行嚴(yán)格地處理，以去掉晶粒表面的水分及氧化物等雜質(zhì)。采用的方法主要是在真空或氫氣、氨氣等還原性氣體下加熱1~2個(gè)小時(shí)。否則過(guò)多的雜質(zhì)會(huì)影響CBN-CBN顆粒間及CBN與粘結(jié)劑間的粘結(jié)，使得PCBN刀片強(qiáng)度減小，耐磨性能降低。

    CBN顆粒的大小不但對(duì)PCBN刀具的切削表面質(zhì)量有影響而且對(duì)PCBN燒結(jié)時(shí)粘結(jié)劑的燒結(jié)能力起到一定的作用。一般來(lái)說(shuō)，CBN顆粒度越小，PCBN刀具切削表面質(zhì)量越好，刀具抗沖擊能力和耐磨性越好，因此，在加工淬硬鋼并且要求高的表面質(zhì)量（即實(shí)現(xiàn)PCBN刀具的“以車(chē)代磨”）時(shí)，所采用PCBN刀具中的CBN顆粒應(yīng)取較小值。但另一方面，由于PCBN刀片的燒結(jié)是通過(guò)“毛細(xì)現(xiàn)象”即各種粘結(jié)劑元素滲透到CBN顆粒之間實(shí)現(xiàn)的，如果CBN顆粒太小，CBN顆粒間的間隙就會(huì)減小，從而使得粘結(jié)劑元素的滲透量減小。因此，燒結(jié)時(shí)CBN顆粒又應(yīng)選得大一些。綜合考慮以上兩種因素，CBN燒結(jié)時(shí)應(yīng)多選擇混合粒度，并根據(jù)所選粘結(jié)劑粘結(jié)能力的不同而確定不同的粒度范圍。

CBN晶粒含量

    CBN含量對(duì)PCBN刀具的硬度、導(dǎo)熱性有較大的影響。CBN含量越高，刀具的硬度越高，導(dǎo)熱性越好。高含量PCBN刀具（一般CBN含量為80%～90%）是以CBN之間的直接結(jié)合為主，具有高硬度和高導(dǎo)熱性。這類(lèi)PCBN刀具適合加工高硬度合金和組織中含有高硬質(zhì)點(diǎn)的材料，如冷硬鑄鐵、耐熱合金等。目前此類(lèi)刀具刀片主要有GE公司的BZN6000，Elementsix公司的AMB90、住友電工公司的BN100、BN600等。低含量PCBN刀片多為陶瓷粘結(jié)劑，耐熱性好，易于加工淬硬鋼（合金鋼、軸承鋼、模具鋼、碳鋼等），利用切削區(qū)內(nèi)熱滯留高溫形成的金屬軟化效應(yīng)進(jìn)行切削。GE公司的BZN8100、BZN8200，Elementsix公司的DBC50，住友電工公司的NB300、NB220以及山高公司的CBN10、CBN100、CBN150等均屬于此類(lèi)。

粘結(jié)劑

    CBN燒結(jié)所需的粘結(jié)劑：①物理化學(xué)性能越接近CBN越好，這樣不會(huì)過(guò)多的削弱燒結(jié)后PCBN刀具的切削性能；②易于達(dá)到熔點(diǎn)溫度或在此溫度下具有好的塑性；③相對(duì)于CBN具有足夠的化學(xué)活性，具有使六方氮化硼（HBN）向CBN轉(zhuǎn)化的催化性。

    目前，常用到的粘結(jié)劑按其物理化學(xué)性質(zhì)可分為金屬粘結(jié)劑（如Ni、Co、Ti、Ti-Al等）和陶瓷粘結(jié)劑（如TiN、TiC、TiCN、Al2O3等）；按作用可分為催化劑（如，Al、AlN、AlB2、Si等）和溶解劑（如Ti、Ni、Co、TiN、TiC、TiCN等）。粘結(jié)劑種類(lèi)和含量都對(duì)PCBN刀片的性能有不同的影響。碳化物、氮化物、碳氮化物可以提高PCBN刀片的抗化學(xué)磨損能力和抗沖擊能力，但含量過(guò)高會(huì)降低刀具硬度，使刀具壽命縮短；鈷是最常用的粘結(jié)劑，可以提高CBN燒結(jié)時(shí)的燒結(jié)度；Ti陶瓷粘結(jié)劑可以提高PCBN刀片的韌性；鋁及鋁的化合物可與CBN顆粒及其它粘結(jié)劑發(fā)生反應(yīng)，使CBN顆粒粘結(jié)得更加牢固，提高刀具耐磨性；Si和Al、AlN、AlB2的混合物是HBN向CBN轉(zhuǎn)化的有效催化劑，在陶瓷粘結(jié)劑里加入少量的Al、Si還可以增強(qiáng)CBN間的粘結(jié)，形成連續(xù)的陶瓷相[12]；以鋁化鎳作為粘結(jié)劑的PCBN復(fù)合片導(dǎo)電性好，適于采用低成本電火花進(jìn)行切割。

    由于粘結(jié)劑的不同，現(xiàn)在PCBN刀片趨于兩種特性：一種是具有高的耐磨性（高含量CBN，催化粘結(jié)劑），另一種是具有好的抗沖擊性（低含量CBN，陶瓷粘結(jié)劑）。

PCBN刀片的市場(chǎng)現(xiàn)狀

    目前國(guó)內(nèi)外PCBN刀片的制造廠商參差不齊，PCBN刀片質(zhì)量上有很大的差異，但總體來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)的PCBN刀片較國(guó)外產(chǎn)品無(wú)論從質(zhì)量上、規(guī)格上還是品種上都有一定的差距。表1為國(guó)內(nèi)外PCBN刀片主要制造廠商生產(chǎn)的牌號(hào)及其主要成分對(duì)比。（略）

    由表1可知，隨著研究制造的日益深入，國(guó)外PCBN刀片現(xiàn)已形成系列化，從而帶來(lái)了應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)化；另一方面PCBN復(fù)合片的尺寸也大型化，目前可供貨規(guī)格有57mm、74mm、101.6mm等。大復(fù)合片不僅單位面積成本降低，利用率提高，而且更能滿足用戶制造各種規(guī)格刀片的要求。另外，整體式刀片的推出（如，山高公司CBN100、CBN30、CBN300等），克服了由于焊接式PCBN刀片尺寸小引起的切削深度限制和由于加工過(guò)程中焊接點(diǎn)失效引起的PCBN失效風(fēng)險(xiǎn)；PCBN刀片材料也向多元形式發(fā)展，涂層PCBN刀片已經(jīng)研制成功，并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)（如住友公司BNC80、BNC150、BNC200；山高公司CBN50C、CBN400C等）。

    雖然我國(guó)對(duì)PCBN材料的研究與制造開(kāi)始也較早，但是由于以前國(guó)內(nèi)制造業(yè)習(xí)慣采用硬質(zhì)合金和普通的磨料磨具加工鐵系金屬，因此限制了對(duì)PCBN刀具的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)。目前，國(guó)內(nèi)能夠制造PCBN刀片的廠家雖然數(shù)量較多，但是整體實(shí)力較差，產(chǎn)品種類(lèi)少，質(zhì)量也相對(duì)較差。因此，在汽車(chē)工業(yè)等重點(diǎn)用戶進(jìn)行難加工材料的切削方面，我國(guó)PCBN刀片大部分還是依賴進(jìn)口。

PCBN刀片的發(fā)展趨勢(shì)

    由于PCBN刀具在加工鐵系金屬方面具有無(wú)與倫比的優(yōu)越性，其適于高速切削技術(shù)、“以車(chē)代磨”技術(shù)，不僅可以節(jié)約成本而且大大提高了生產(chǎn)效率，必將使得PCBN刀具在國(guó)內(nèi)得以廣泛推廣。同時(shí)，刀具制造商從單純刀具供應(yīng)商的地位上升至成為用戶企業(yè)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本的重要伙伴的身份轉(zhuǎn)變，使得PCBN刀片材料向著多元化、系列化的方向發(fā)展以適應(yīng)不同材料的切削加工。目前，PCBN復(fù)合材料、涂層技術(shù)、PCBN納米技術(shù)已成為未來(lái)PCBN刀片材料發(fā)展主要方向。