PCBN刀片的研究制造现状及发展

1 引言

    现代切削技术正向着高速度、高精度、高效率的方向发展，与此同时，切削技术对刀具性能的要求也越来越高。聚晶立方氮化硼（PolycrystallineCubicBoronNitride，PCBN）作为利用人工方法合成的硬度仅次于天然金刚石的新型刀具材料，是目前高速切削铁系金属最合适的刀具材料。

    聚晶立方氮化硼（PCBN）于上世纪由美国GE公司首先研制成功，由于PCBN材料具有高的硬度和耐磨性、很高的热稳定性和高温硬度、优良的化学稳定性以及较好的导热性和较低的摩擦系数，因此PCBN刀具自问世之初就受到美国、德国、英国、日本等工业发达国家的重视。经过30多年的发展，国外对PCBN刀具的研究已基本进入成熟阶段，产品也向多样化、系列化方向发展。我国也有不少单位和学者从事PCBN刀具的开发和研究，但与国外相比，无论在PCBN材料的合成还是刀具切削性能的研究方面都有所滞后。

    PCBN刀具作为21世纪的主要换代刀具之一，在工业发达国家工具使用总量中所占比重越来越大。美国GE公司认为，在工业化国家，PCBN刀具材料将有6.2亿美元的市场。我国机床工具行业的“十五”规划重点是发展数控机床及其配套部件，2005年国内PCBN刀片需求量已达到66.2万片（折合为30mm的片）。根据市场调查和科学预测，我国PCBN刀具消费总值到2010年可达到5.4亿元。

    2 PCBN刀片的研制

    从1957年美国GE公司研制出立方氮化硼（CBN）单晶粉末、70年代研制成功PCBN刀具至今，经过30多年的发展，PCBN刀具已逐步趋于成熟。目前PCBN刀具多由PCBN刀片与刀杆或可转位刀片焊接而成，近年来整体式PCBN刀片种类也越来也多。PCBN刀片是0.5mm左右的PCBN层直接烧结在硬质合金基体上形成的复合整体。这种材料既具有PCBN的高硬度、高热稳定性和高的化学稳定性，同时又具有硬质合金强度好、可焊性好的优点，使PCBN刀具不仅可切削各种硬度的工件，而且也易于生产。PCBN刀片质量的好坏直接影响着刀具切削性能。

    2.1PCBN刀片的烧结

    PCBN刀片的制作方法主要有两种：一种是一次聚合法，即直接用六方氮化硼（HBN）一次聚合成高密度的烧结体；另一种是二次聚合法，先合成高密度立方氮化硼（CBN），然后再以其为原料经高温高压烧结成聚晶立方氮化硼。目前较为普遍的是加入粘结剂的二次聚合法：

    （1）加入金属粘结剂的CBN烧结

    金属粘结剂种类很多，主要有Ni、Co、Ti、Ti-Al等。在烧结温度下，金属粘结剂成为液相，液相的出现对CBN烧结有一定的促进作用，烧结可以在稍低的温度和压力下进行。另外，由于CBN不溶于金属粘结剂，不会发生可以促进收缩和晶体长大的溶解析出过程。在烧结过程中硬质合金中的钴呈液态渗入CBN晶界中，将硬质合金与CBN烧结体紧密粘结在一起。采用金属粘结剂的PCBN刀具的硬度较纯CBN烧结的刀具硬度低，但是韧性好。英国Elementsix公司的AMB90、美国GE公司的BZN6000以及日本三菱生产的MB710等牌号都是由金属粘结剂烧结而成。

    （2）加入陶瓷粘结剂的CBN烧结

    陶瓷粘结剂主要有TiN、TiC、Al2O3等。由于烧结过程中易产生裂纹，因此多在陶瓷粘结剂中加入铁族元素（铁、钴、镍）以及Mo或Mo2C等增加陶瓷离子间的强度，起到流体传压介质的作用，有利于形成内部无变形的烧结体，钼等还可以改进陶瓷粒子和铁元素之间的润湿性。陶瓷粘结剂PCBN中粘结剂的含量一般较高，韧性较金属粘结剂刀具差，但其抗高温性能更好。这类产品有英国Elementsix公司的DBA80、DBC50，美国GE公司的BZN7000S、BZN8200，日本住友的NBX300、NBX3200等。

    （3）纯CBN烧结

    在CBN聚晶体中也可以不加粘结剂直接烧结而成聚晶立方氮化硼。CBN在烧结时发生再结晶和晶粒长大过程，烧结后的CBN多晶体的晶粒已不是原来的CBN单晶体颗粒。这种PCBN刀具耐磨性好，寿命长，但较脆且温度条件苛刻，难以制成高韧性及大尺寸的刀片。

    2.2PCBN刀片质量的影响因素

    PCBN刀片的质量受到多种因素的影响，其中烧结过程中各种工艺参数的改变，对PCBN刀片的质量影响最大。粘结剂/催化剂材料、基体材料等组成材料，以及颗粒表面清洁度、颗粒度等都决定了PCBN刀片的性能。

    （1）基体的选择

    由于碳化钨硬质合金具有较高的硬度，较好的导热性和韧性，因此多采用含有Co的碳化钨硬质合金作为PCBN刀片基体。Co作为一种溶剂和粘结剂可以显著提高CBN的烧结度，增强PCBN的强度[3]，但是碳化钨硬质合金中Co的含量不能过高，否则将影响PCBN刀片的耐磨性，缩短刀具的使用寿命。

    （2）CBN晶粒的清洁度与颗粒度

    CBN晶粒的表面清洁度将直接影响着PCBN的烧结质量，因此在烧结前都要对CBN晶粒进行严格地处理，以去掉晶粒表面的水分及氧化物等杂质。采用的方法主要是在真空或氢气、氨气等还原性气体下加热1~2个小时。否则过多的杂质会影响CBN-CBN颗粒间及CBN与粘结剂间的粘结，使得PCBN刀片强度减小，耐磨性能降低。

    CBN颗粒的大小不但对PCBN刀具的切削表面质量有影响而且对PCBN烧结时粘结剂的烧结能力起到一定的作用。一般来说，CBN颗粒度越小，PCBN刀具切削表面质量越好，刀具抗冲击能力和耐磨性越好，因此，在加工淬硬钢并且要求高的表面质量（即实现PCBN刀具的“以车代磨”）时，所采用PCBN刀具中的CBN颗粒应取较小值。但另一方面，由于PCBN刀片的烧结是通过“毛细现象”即各种粘结剂元素渗透到CBN颗粒之间实现的，如果CBN颗粒太小，CBN颗粒间的间隙就会减小，从而使得粘结剂元素的渗透量减小。因此，烧结时CBN颗粒又应选得大一些。综合考虑以上两种因素，CBN烧结时应多选择混合粒度，并根据所选粘结剂粘结能力的不同而确定不同的粒度范围。

    （3）CBN晶粒含量

    CBN含量对PCBN刀具的硬度、导热性有较大的影响。CBN含量越高，刀具的硬度越高，导热性越好。高含量PCBN刀具（一般CBN含量为80%～90%）是以CBN之间的直接结合为主，具有高硬度和高导热性。这类PCBN刀具适合加工高硬度合金和组织中含有高硬质点的材料，如冷硬铸铁、耐热合金等。目前此类刀具刀片主要有GE公司的BZN6000，Elementsix公司的AMB90、住友电工公司的BN100、BN600等。低含量PCBN刀片多为陶瓷粘结剂，耐热性好，易于加工淬硬钢（合金钢、轴承钢、模具钢、碳钢等），利用切削区内热滞留高温形成的金属软化效应进行切削。GE公司的BZN8100、BZN8200，Elementsix公司的DBC50，住友电工公司的NB300、NB220以及山高公司的CBN10、CBN100、CBN150等均属于此类。

    （4）粘结剂

    CBN烧结所需的粘结剂：①物理化学性能越接近CBN越好，这样不会过多的削弱烧结后PCBN刀具的切削性能；②易于达到熔点温度或在此温度下具有好的塑性；③相对于CBN具有足够的化学活性，具有使六方氮化硼（HBN）向CBN转化的催化性。

    目前，常用到的粘结剂按其物理化学性质可分为金属粘结剂（如Ni、Co、Ti、Ti-Al等）和陶瓷粘结剂（如TiN、TiC、TiCN、Al2O3等）；按作用可分为催化剂（如，Al、AlN、AlB2、Si等）和溶解剂（如Ti、Ni、Co、TiN、TiC、TiCN等）。粘结剂种类和含量都对PCBN刀片的性能有不同的影响。碳化物、氮化物、碳氮化物可以提高PCBN刀片的抗化学磨损能力和抗冲击能力，但含量过高会降低刀具硬度，使刀具寿命缩短；钴是最常用的粘结剂，可以提高CBN烧结时的烧结度；Ti陶瓷粘结剂可以提高PCBN刀片的韧性；铝及铝的化合物可与CBN颗粒及其它粘结剂发生反应，使CBN颗粒粘结得更加牢固，提高刀具耐磨性；Si和Al、AlN、AlB2的混合物是HBN向CBN转化的有效催化剂，在陶瓷粘结剂里加入少量的Al、Si还可以增强CBN间的粘结，形成连续的陶瓷相[12]；以铝化镍作为粘结剂的PCBN复合片导电性好，适于采用低成本电火花进行切割。

    由于粘结剂的不同，现在PCBN刀片趋于两种特性：一种是具有高的耐磨性（高含量CBN，催化粘结剂），另一种是具有好的抗冲击性（低含量CBN，陶瓷粘结剂）。

    3 PCBN刀片的市场现状

    目前国内外PCBN刀片的制造厂商参差不齐，PCBN刀片质量上有很大的差异，但总体来说国内的PCBN刀片较国外产品无论从质量上、规格上还是品种上都有一定的差距。表1为国内外PCBN刀片主要制造厂商生产的牌号及其主要成分对比。（略）

    由表1可知，随着研究制造的日益深入，国外PCBN刀片现已形成系列化，从而带来了应用的专业化；另一方面PCBN复合片的尺寸也大型化，目前可供货规格有57mm、74mm、101.6mm等。大复合片不仅单位面积成本降低，利用率提高，而且更能满足用户制造各种规格刀片的要求。另外，整体式刀片的推出（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过程中焊接点失效引起的PCBN失效风险；PCBN刀片材料也向多元形式发展，涂层PCBN刀片已经研制成功，并应用于工业生产（如住友公司BNC80、BNC150、BNC200；山高公司CBN50C、CBN400C等）。

    虽然我国对PCBN材料的研究与制造开始也较早，但是由于以前国内制造业习惯采用硬质合金和普通的磨料磨具加工铁系金属，因此限制了对PCBN刀具的应用和开发。目前，国内能够制造PCBN刀片的厂家虽然数量较多，但是整体实力较差，产品种类少，质量也相对较差。因此，在汽车工业等重点用户进行难加工材料的切削方面，我国PCBN刀片大部分还是依赖进口。

    4 PCBN刀片的发展趋势

    由于PCBN刀具在加工铁系金属方面具有无与伦比的优越性，其适于高速切削技术、“以车代磨”技术，不仅可以节约成本而且大大提高了生产效率，必将使得PCBN刀具在国内得以广泛推广。同时，刀具制造商从单纯刀具供应商的地位上升至成为用户企业提高生产效率和产品质量、降低制造成本的重要伙伴的身份转变，使得PCBN刀片材料向着多元化、系列化的方向发展以适应不同材料的切削加工。目前，PCBN复合材料、涂层技术、PCBN纳米技术已成为未来PCBN刀片材料发展主要方向。