立方氮化硼在现代加工技术中的地位和作用①

张 奎，张相法，王光祖

（1.郑州中南杰特超硬材料有限公司，郑州450007；2.郑州磨料磨具磨削研究所，郑州450007）

1 引言

立方氮化硼（cBN）是一种人工合成的超硬材料，而由cBN为原料制造的刀具和高速砂轮，则顺应着现代加工技术的迅猛发展而受到人们前所未有的关注。本文将以PcBN刀具和高速陶瓷cBN砂轮为对象，对它们在现代加工技术中的地位和作用进行阐述。

实现节资增效，减少废物排放，建立生产、消费与环境、资源相互协调的发展模式已成为人类社会可持续发展的必由之路。绿色制造是21世纪制造业的可持续发展模式，是制造业发展的趋势和方向。因此，加快发展各种绿色加工技术，对保护环境、节约资源和能源、实现制造业的现代化、绿色化及可持续发展有重要意义。

首先，PcBN作为新一代超硬刀具材料，使切削技术发生了革命性的变化，它为淬火材料提供了一种经济而高效的切削手段。在发达囯家已将其作为提高机加工水平和经济效益（节能、高效、精密、自动化）的重要工具材料而加以发展。在军工、宇航等工业中对难加工材料的加工更是必不可少，也是数控加工技术发展的必备的长寿命刀具材料。PcBN刀具可对各种硬的或具有耐磨性的材料进行高速车、镗、端面铣、切槽、螺纹加工，且粗、半精、精加工皆宜。

其次，高速高效精密磨削技术是先进制造技术的研究热点和发展方向之一，随着我国汽车、电子、工具等制造业的迅速发展得到了大力发展和推广应用。作为该技术系统的重要组成之一——高速高效精密超硬材料磨具，是实现该项技术目标不可或缺的重要工具［1］。

可以预见，随着新型难加工材料的不断出现，加工要求的不断提高，加工技术的不断发展，高速高效精密超硬材料磨具的优势将得到进一步发挥，新产品和新技术会不断涌现

2 PcBN刀具的切削性能集中体现在以下几个方面［2，3］

（1）立方氮化硼的显微硬度仅次于金刚石，是世界上目前发现的第二种超硬材料，其硬度远远高于陶瓷和硬质合金，在加工高硬材料时表现极佳；

（2）具有高的热稳定性，PcBN刀具在1000℃以下不会出现氧化现象，因此刀具尖端的相对高温不会对工具产生任何不利影响，相反还能在切削硬质合金时起加速切削的作用；

（3）化学稳定性好，对各种材料的粘性、扩散作用比硬质合金小得多，因此特别适合加工钢铁材料；

（4）导热性好，导热系数是硬质合金的20倍。随着切削温度的提高，PcBN导热系数增大，而氧化铝的导热系数减小。因此PcBN刀具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；

（5）摩擦系数较低，立方氮化硼与不同材料的摩擦系数在0.1～0.3之间，大大小于硬质合金的摩擦系数（0，4～0.6），而且随摩擦速度及正压力的增大而稍有减小［4］；

（6）可重磨，PcBN刀具的切削刃镶嵌牢固，磨损后可采用180～240mesh的金刚石树脂砂轮在普通工具磨床上刃磨，方便用户，降低刀具成本

3 切削技术

现代制造业的快速发展和人们对高速切削、硬态加工、高稳定性加工及干式切削等先进切削加工理念的理解不断深入，正在推动CNC加工技术的迅猛发展和数控机床的普遍使用，可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的超硬材料的生产及应用也日渐普及，超硬刀具材料的应用也逐年快速增长。

日前，世界超硬刀具材料消耗量以8%～10%的速度增长，发达国家超硬刀具已占刀具市场的20%以上，而我国超硬刀具的市场份额还不到10%，这是一个很大的差距，也是一个很大的空间。

在机械加工制造领域，切削加工技术己进入高速铣削、CNC多功能切削、微细形状／超精切削为代表的变革创新时期。未来切削加工的主流将是干式切削、硬态加工和高速切削相结合的效率高、能耗低、节约资源、减少污染的绿色切削，而PcBN刀具的一系列优点显示其最符合绿色切削的要求［5］。

PcBN刀具主要用于加工铁族硬韧性材料，其生产和应用发展极快。PcBN由于硬度高、红硬性好，而且化学惰性高，适合加工各种难加工材料，如各种淬火钢、各种喷涂（焊）材料、耐磨铸铁类材料、高温合金、还可用于钛合金、纯镍、纯钨以及其他材料加工［6］。可以预测，今后切削高速化的发展会更加迅猛，当1000m／min以上超高速切削时代到来时，PcBN将是强有力的刀具材料，具有非常大的优势［7，8，9，10，11］。

由于PcBN加工的对象种类繁多，刀具材料的选择就显得尤其重要。根据体系中是否加入结合剂，可以把PcBN分为有结合剂的PcBN和纯PcBN，近年来表面镀覆的PcBN发展较快。

（1）有结合剂的PcBN

目前国内外PcBN的结合剂基本有两种类型。第一种是由金属及其合金组成的金属结合剂。这种结合剂对提高PcBN的韧性起着良好的作用，但在高温条件下结合剂会软化，会降低PcBN的耐磨性。第二种是目前正在发展的陶瓷与金属合金组成的结合剂。因为纯陶瓷结合剂可以解决高温条件下软化的问题，但又带来了抗冲击性差，寿命短的问题。如将陶瓷与金属组合起来，其特性有着明显的不一样。从目来看，有结合剂的PcBN正朝着高断裂韧性、高耐磨性方向发展。

（2）表面镀覆PcBN

表面镀覆PcBN主要指在PcBN的表面，通过物理气相沉积的方法，镀覆一层13μm左右的陶瓷镀层，如氮化物TiN，TiC等。有充分的证据说明，镀层能够提高PcBN切割工具的性能。

（3）纯PcBN

由于有结合剂的PcBN中存在非cBN的组分，降低了cBN的硬度和强度，从而直接导致其耐磨性降低，因此纯PcBN应运而生。

日本住友公司［22］2000年研制了几乎全部为cBN的纯PcBN，其cBN含量大于99.9%。由于它是采用六方氮化硼（hBN）由催化剂及高温高压下直接转变为cBN，因此其硬度和热稳定性远远大于普通的PcBN，如表1。

表1 纯PcBN（代号IZ900）和传统PcBN（代号BN600）的比较Table 1 Comparison of the pure PcBN （IZ900）and traditional PcBN （BN600）

PcBN工具材料的分类与应用

通常根据cBN的含量将PcBN工具材料分为高cBN含量和低cBN含量。这两种PcBN的特点及应用范围见表2［15］。

表2 高和低cBN含量PcBN切削材料的特点Table 2 The characteristics of PcBN cutting material with high and low cBN content

图1 不同工具材料对PcBN性能的要求Fig.1 The requirements of PcBN performance with various tool materials

PcBN的三个关键性质：耐磨性、耐摩擦化学磨损性和强度，影响不同的PcBN在工具材料中的应用［16，17］。图1列出了不同工具材料对PcBN的性能要求，硬化钢加工具有最大的适应范围，这是由不同的应用和工件材料的组织不同所决定的。硬化钢的加工将是今后PcBN刀具研究的重点和主要应用领域。

镍基高温合金GH4159在–253℃～700℃具有良好的综合性能，主要用来制造火箭发动机和喷气发动机部件，是目前航空航天领域应用最广泛的高温合金。由于镍基合金微观结构中含碳化物硬质点、导热率低、比容小、高温强度高、剪切力高、黏性大，故在切削过程中有切削温度高、加工硬化严重、易形成积屑瘤、塑性变形切削力大和精度不易保证等特点，是最难加工材料之一。目前国内外飞机制造公司均面临该材料的加工问题［12，13］。

为此，国内外相继研究采用新型高性能刀具材料加工高温合金，其中PcBN就是加工高温合金的理想材料。但目前有关影响PcBN刀具加工镍基高温合金切削性能因素的系统研究还较少，为使其在该领域能推广应用，宋庭科等［3］采用三种不同牌号的PcBN刀具（De BeersDBW85，BZN6000和国产BTN100），对PcBN刀具车削镍基高温合金切削性能进行了研究，其结论是：

（1）车削镍基高温合金时，刀具磨损会随着刀尖圆弧半径的增大而减小，当半径超过0.8mm时，磨损率会趋于平缓；负倒棱角度的增大或宽度的减小，会使刀具磨损减小。可选刀尖圆弧半径R0.8～1.0mm，负倒棱 –280×0.1mm。

（2）BZN6000和BTN100刀具切削时，当切削速度超过56m／min时，会发生微崩刃和沟槽磨损，而DBW85磨损均匀。在相同切削条件下，DBW85的磨损最小，寿命最长，其次是BZN6000，BTN100最差。

（3）随着切削速度的提高，各PcBN刀具的磨损均随之增大；DBW85的磨损率最小，且在高速下的磨损比另两种材质低速下的磨损量还小，适合镍基高温合金的高速磨削［14］。采用250m／min的线速度加工时，表现出的性能与陶瓷镀层很类似。

4 cBN及其砂轮的优点

cBN及cBN砂轮有如下优点：

（1）在1200℃高温下仍可保持硬度不变；

（2）cBN与碳元素的亲和力小，所以十分适宜于磨削黑色金属而能保持较高的耐用度；

（3）cBN砂轮的导热性和热稳定性好，可承受1300℃～1500℃的高温，其导热率是刚玉的45倍，特别适用于磨削热敏性高的超硬高速钢和高强度合金钢等，而不产生磨削裂纹；

（4）cBN化学惰性强、稳定性好，特别是在磨削优质工具钢、轴承钢、合金钢时，cBN砂轮磨耗极小；

（5）cBN砂轮磨削后的零件表面质量好，不易产生磨削烧伤裂纹及龟裂等缺陷，经cBN砂轮磨削过的工件表面呈压应力状态，并能提高零件的疲劳强度，可延长使用寿命30%～50%；

（6）适宜于高速或超高速磨削，其磨削效率较普通砂轮大大提高，磨削钢材的磨削比是普通砂轮的150～200倍。

5 磨削技术

cBN磨料具有硬度高、热导率高、化学惰性好、热稳定性好等优点。在空气中超过1200℃，cBN才开始失重，而金刚石600℃以上就开始碳化；cBN磨料在1100℃以下不与过渡金属发生化学反应，因而在研磨或切削铁质材料时不会出现粘屑现象。因此cBN磨料与金刚石磨料互补，是磨削硬且韧金属的理想磨料。陶瓷结合剂具有耐热性好、变形性小、多孔、化学性能稳定、膨胀系数可与cBN磨料良好匹配等特点。

陶瓷结合剂cBN砂轮是高速、高效、高精度、低磨削成本、低环境污染的高性能磨具，近年来已成为世界上竞相研究开发的热点和当代磨具产品发展的一个重要方向，目前在美国、日本、德国、英国等工业发达国家的轴承、汽车、工具等行业已进入规模应用或普及阶段［18］。我国的陶瓷结合剂cBN磨具与囯外同类产品相比有较大差距，高端产品还主要依赖进口。

高速超高速磨削工艺技术的特点

高速超高速加工是近几年迅猛发展的一项先进制造技术。按砂轮线速度的高低可将磨削分为普通磨削（Vs＜45m／s）、高速磨削（45≤Vs＜150m／a）和超高速磨削（Vs≧150／s）。日本普遍将砂轮圆周速度超过100m／s的磨削工艺称为超高速磨削，在当前生产实践中，高速和超高速的磨削速度一般在100～200m／s之间。超高速磨削技术是磨削工艺本身革命性的跃变，德国著名磨削专家T.Tawakoli博士将其誉为“现代磨削技术的最高峰”。日本先端技术研究学会把超高速磨削加工列为现代五大制造技术之一［19，20.21］。高速超高速磨削工艺有以下主要特点：①大幅度提高磨削效率，减少设备投入；② 磨削力小；③加工质量好；④ 磨损少，使用寿命长；⑤实现对难加工材料的磨削加工。

国内外成熟的使用经验已证明，cBN砂轮磨削具有下述实用经济价值：

（1）cBN砂轮特别适用于磨削热敏性高的超硬高速钢和高硬度合金钢，而不产生磨削烧伤裂纹；

（2）特别是在磨削优质工具钢、轴承钢、钛合金、镍基合金时，cBN砂轮磨耗极小，不需要频繁地修整砂轮，耐用度是普通砂轮的100～150倍；

（3）cBN砂轮磨削后的零件表面质量好，不产生磨削烧伤及龟裂等缺陷，并能提高零件的疲劳强度，可延长使用寿命30%～50%。如果用cBN砂轮磨削凸轮轴，不仅综合成本降低50%，而且凸轮表面的疲劳强度提高了50%［22］。

淬硬钢是典型的耐磨和难加工材料。淬硬零件的精加工工艺通常采用粗磨和精磨，但磨削工序加工效率低、砂轮及磨削液消耗量大、成本高、粉尘和废液污染程度严重。硬态切削是指把淬硬钢的切削加工作为半精加工或精加工的工艺方法。过去淬硬钢零件的精加工一直是采用磨削完成，由于PcBN刀具的出现及数控机床等加工设备精度的提高，以硬态切削代替磨削来完成零件的最终加工已成为一种新的精加工途径。

超高速磨削技术已被国际工程学会列为面向21世纪的中心发展方向。德国Junker公司1994年开发的快速点磨削（Quick－point Grinding）技术是超高速磨削又一新的应用形式。快速点磨削是集数控柔性加工技术、cBN超硬磨料、超高速磨削先进技术于一身的先进加工工艺，主要用于汽车、航空业轴、盘类零件加工［23］。

超高速磨削的效果不仅与超高速点磨削的工艺参数有关，而且与砂轮的磨料、结合剂、基体的选择及其合理设计有关。其中，cBN磨料性能的好坏影响最为显著。庞子瑞等人的研究结果显示，部分国产单晶cBN磨料的常温和高温性能已达到相当高的水平，甚至超过了国外产品的性能。由于cBN磨料高温性能的提高，在陶瓷cBN砂轮制作过程中可以适当提高烧结温度以增加砂轮贴块的强度。

高效深磨钛合金。钛及其合金以其比强度高、抗腐蚀性能好、无磁性、耐热性能好、疲劳强度高等特性，在航空、航天、航海、国防、石油、化工等行业获得了广泛的应用［24～25］。然而，由于化学活性大、热导率低、弹性模量低等特性，钛合金加工存在很大困难，使其成为典型的难加工材料。

为此，黑华征等人［26］用陶瓷结合剂cBN砂轮进行了钛合金超高速磨削工艺试验。探讨了砂轮线速度及进给速度对磨削力及比磨削能的影响，指出：

（1）将高效深磨技术应用于钛合金材料的加工是一种切实可行的方法，能极大地提高钛合金材料的加工效率。

（2）砂轮线速度增大，最大未变形切屑厚度减小，磨削力减小；同时，随着工件进给速度和磨削深度的增大，最大未变形切削厚度增大，比磨削能减小。说明钛合金宜采用高效深切磨削。

（3）在高速磨削条件下，保持高的材料去除率，增大工件进给速度，减小磨削深度，磨削力和比磨削能都会随之下降。所以，在保证一定加工效率的前提下，磨削工艺宜选用较低的磨削深度，较大的工件进给速度［26］。

高速磨削镍基高温合金。镍基高温合金是一种典型的难加工材料，由于其具有优良的耐高温强度、热稳定性及抗热疲劳特性，被广泛应用于航空、宇航、船舶及化学工业中。在航空工业中，主要用于发动机的热端部件，例如涡轮叶片、涡轮加力燃烧室及涡轮转动轴等。

高速磨削是通过提高砂轮线速度来达到提高磨削效率和磨削质量的工艺方法。高速磨削可大幅度提高磨削生产效率，延长砂轮使用寿命，降低磨削表面粗糙度值，减小磨削力和工件受力变形，提高工件加工精度，降低磨削温度，实现对难磨材料的高性能加工。

钱源等采用陶瓷cBN砂轮、电镀cBN砂轮、钎焊cBN砂轮进行了高速磨削难加工材料试验，并针对磨削力和磨削能进行了重点研究，指出：

（1）使用三种不同cBN砂轮在高速磨削条件下磨削高温合金，从磨削力和比磨削能分析，单层钎焊cBN砂轮比陶瓷cBN砂轮和电镀cBN砂轮更适合进行难加工材料高速磨削。

（2）随着单层磨粒最大未变形切厚增大，比磨削能呈下降趋势，并且下降的趋势渐缓，这是由于在磨削过程中存在“尺寸受效应”，而且单颗磨粒切削厚度越小，材料越容易发生塑性变形，其消耗的能量越大。

（3）建立的砂轮磨削力和比磨削能公式与实验结果有着很好的一致性，根据建立的理论公式优化磨削用量可以有效提高磨削效率［28］。

在磨削合金钢零部件中的应用。在汽车、制冷、油泵油嘴等行业，广泛使用扁平状合金钢零部件，如滑片、叶片、中间块、锭子、转子等。磨削扁平合金钢工件所用的砂轮主要为：碳化硅、刚玉砂轮、研磨膏（砂）。这些砂轮加工效率低、成本高、工件表面质量差。为了改善这些状况，有些厂家采用树脂结合剂cBN砂轮，磨削工件质量有所提高，但仍存在磨削效率低，加工成本高的缺点，不能满足用户要求。

李德启，石学民等针对上述情况研发陶瓷结合剂cBN端面砂轮，为精密双面研磨机配套，可以达到提高生产效率、提高工件表面质量、降低加工成本之目的［28］。

6 结语

1.作为新一代刀具材料——超硬刀具材料必须具有卓越的抗冲击 、耐磨性、化学稳定性等特点才能适应现在日益严酷的竞争环境。

2.超硬刀具的应用进一步推动对超硬刀具材料市场的需求，这势必给超硬刀具材料生产者和超硬刀具制造者带来前所未有的机遇，同时也面临巨大的挑战。

3.国内生产所遇瓶颈问题，具体体现在：

（1）原材料质量及质量稳定性无法控制；

（2）合成腔体扩大后，合成压力和温度均匀化技术有待改善；

（3）工艺技术精细控制程度有待提高；

（4）产品系列化研究工作有待加强。

4.高速cBN砂轮是实现绿色加工目标（加工时间少、生产效益高、环境污染小、综合成本低）的有效手段，是实现绿色加工，促进绿色制造发展的利器。

5.制造与材料的关系密切，以金刚石和立方氮化硼为代表的超硬材料的出现，使高速和超高速加工干切削、精密和超精密加工技术得以发展，使超硬材料成为一门新兴学科；超硬刀具在现代制造技术中的地位和作用是显而易见的。

6.随着我国航天航空、汽车制造工业高速发展，cBN砂轮的发展速度将会加快。例如，加工汽车发动机凸轮轴的160m／s超高速陶瓷结合剂cBN砂轮，加工飞机发动机不锈钢叶片的陶瓷结合剂cBN砂轮等，将会很快得到推广应用。

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