（机械制造及其自动化专业论文）新型聚晶立方氮化硼pcbn刀具材料研制及其切削机理研究.pdf

摘要 摘要+ 立方氮化硼( 简称c b n ) 是五十年代中期研制出来的硬度仅次于金刚石的超硬 材料，它具有高硬度、高热稳定性和高化学惰性，但其硬度、耐磨性等具有很强 的方向性，应用受到限制。为了弥补立方氮化硼单晶的不足，相关研究人员于七 十年代开发出聚晶立方氮化硼( 简称p c b n ) ，它不仅具有单晶立方氮化硼的高硬度、 高耐磨性等优点，同时克服了其各向异性的不足。 聚晶立方氮化硼由立方氮化硼颗粒和按照一定比例组成的粘结剂在高温高压 条件下烧结而成，加入适量的粘结剂可以促进烧结的进行，降低烧结所需的温度 和压力，并能够改善烧结体的性能。因此，粘结剂对合成聚晶立方氮化硼起着重 要的作用。 本文以一定量的氮化钛、钴、铝作为粘结剂，在高温高压条件下烧结聚晶立 方氮化硼烧结体，烧结压力为5 g p a ，烧结温度范围为1 2 5 0 1 , 6 5 0 ，对得到的 烧结体样品进行研磨抛光，利用s e m 观察分析烧结体的微观形貌，并结合x r d 测试分析其烧结机理，测试烧结体的显微硬度，将烧结体刃磨制成刀具进行切削 试验，分析刀具磨损形貌并研究其磨损机理。 研究结果表明：烧结体的硬度与烧结温度有很大的关系，低温烧结时，粘结 剂和立方氮化硼微粒之间的结合性较差，粘结相不能牢固地粘结立方氮化硼微粒r 烧结体内各组份被机械地压结在一起，致密度较低，显微硬度也较低。高温烧结 时，粘结剂中的某些成份与立方氮化硼微粒发生反应，有利于粘结剂与立方氮化 硼微粒以及立方氮化硼微粒之间的相互结合，并且会活化立方氮化硼微粒，促进 立方氮化硼微粒之间的直接键合，提高烧结体的硬度。 x r d 测试结果表明，高温烧结时，烧结体中生成许多新物相，例如c o o 、a 1 n 等，这些新物相能够活化立方氮化硼微粒，促进立方氮化硼微粒之间的直接键合， 其中，a i n 可以抑制立方氮化硼向六方氮化硼( h b n ) 的逆转化，提高烧结体中立方 氮化硼的含量。 通过切削试验研究所制成聚晶立方氮化硼刀具的磨损形貌和磨损机理。试验 结果表明，不同烧结条件下获得的聚晶立方氮化硼刀具切削性能、刀具磨损形式 国家“9 7 3 ”重点基础研究发展计划资助项目( 2 0 0 9 c b 7 2 4 4 0 2 ) 山东大学硕十学伊论文 等不同。聚晶立方氮化硼刀具前刀面磨损以月牙洼磨损为主，同时伴有微崩刃现 象，其后刀面主要有机械磨损、磨粒磨损、扩散磨损等。烧结时问不同的聚晶立 方氮化硼刀具的磨损趋势不同，烧结时间较长的刀具后刀面磨损量与切削时间基 本成线性关系；烧结时间较短的刀具在切削初始时磨损量较大，但随着切削时间 的增加，其磨损量有明显减小的趋势，最终却都在相同的切削时间内达到磨钝标 准。 研究结果表明，在聚晶立方氮化硼刀具切削加工的不同阶段，已加工表面的 粗糙度不同，遵循一定的变化规律，即随着切削时间的增加，加工表面粗糙度先 减小后增加，然后再减小。 关键词聚晶立方氮化硼；粘结剂；烧结体；磨损形貌；表面粗糙度 l i ab s t r a c t a b s t r a c t c u b i cb o r o nn i t r i d e ( f o rs h o r tc b n ) i so n es u p e r h a r dm a t e r i a ld e v e l o p e di nt h e m i d d l eo ft h e19 5 0 st h a ti t sh a r d n e s si so n l ys e c o n dt od i a m o n d i th a sm a n ya d v a n t a g e ， s u c ha sh i g hh a r d n e s s ，g o o dt h e r m o t o l e r a n c e ，h i g hc h e m i c a li n e r t i aa n ds oo n h o w e v e r i t sh a r d n e s sa n dw e a r a b i l i t yh a ss t r o n gd i r e c t i o n a l i t y , w h i c hl i m i t si t sa p p l i c a t i o n i n o r d e rt om a k eu pf o rt h es h o r t f a l lc b nm o n o - c r y s t a l ，p o l y c r y s t a l l i n ec u b i cb o r o n n i t r i d e ( f o rs h o r tp c b n ) i sd e v e l o p e di nt h e19 7 0 s i tn o to n l yh a ss u c ha d v a n t a g e sa s h i 曲h a r d n e s sa n dh i g l lw e a rr e s i s t a n c eo fc b n ，b u ta l s oo v e r c o m e st h ea n i s o t r o p yo f c b n m o n o - c r y s t a l p c b ni ss i n t e r e db yc b np o w d e ra n db i n d e ra c c o r d i n gt oac e r t a i np e r c e n t a g e u n d e rh i 曲t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ec o n d i t i o n s d e f i n e da m o u n to fb i n d e r sa r ea d d e d n o to n l yt op r o m o t es i n t e r i n g ，r e d u c es i n t e r i n gp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eb u ta l s oc a n i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs i n t e r i n gb o d y t h e r e f o r e ，i tp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ef o rt h e s y n t h e s i so f p c b n i nt h i sp a p e r , t i n ，c oa n da ia r ei n v e s t i g a t e da st h eb i n d e r st os i n t e r i n gp c b n u n d e rh i g hp r e s s u r ea n dh i l g ht e m p e r a t u r e 1 1 1 es i n t e r i n gp r e s s u r ei s5 g p aa n dt h e t e m p e r a t u r ei s1 2 5 0 ct o 1 6 5 0 ( 2 a l lt h eo b t a i n e ds a m p l e sa r eg r i n d e da n dp o l i s h e d s e mi su s e dt oo b s e r v et h es u r f a c em o r p h o l o g yo ft h es i n t e r i n g b o d y ，x r dt e s ti su s e d t oa n a l y z et h es i n t e r i n gm e c h a n i s m ，a n dh a r d n e s st e s ta n dc u t t i n gt e s ta r ed o n et o o b s e r v et h ew e a rm o r p h o l o g ya n dt oa n a l y s et h ew e a l m e c h a n i s mo ft h e s i n t e r e d s a m p l e s ，e t c r e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei ss t r o n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nh a r d n e s so fs i n t e r i n g b o d y a n ds i n t e r i n gt e m p e r a t u r e t h eb o n d i n gb e t w e e nb i n d e r sa n dc b na r ew o r s ea tl o w s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h eb i n d e rp h a s ec a n tb o n dc b nf i r m l y a l lt h ec o m p o n e n t sa r e m e c h a n i c a l l yp r e s s e dt o g e t h e rt h a tt h ec o n s i s t e n c ya n dm i c r o h a r d n e s so fs i n t e r i n g b o d y i sl o w a th i l g ht e m p e r a t u r e ，s o m ec o m p o n e n t si nt h eb i n d e rr e a c tw i t hc b nt h a ti ti s c o n d u c i v et of o r m i n gg o o ds u r f a c eb e t w e e nb i n d e ra n dc b n ，w h i c hw i l la l s oa c t i v a t e c b na n dp r o m o t et h e i rd i r e c tb o n d i n g w h a ti ss a i da b o v ew i l lf i n a l l yi m p r o v et h e h a r d n e s so fs i n t e r e d b o d y x r dt e s tr e s u l t ss h o wt h a tn e wr e a c t i o np h a s e ss u c ha sc 0 0a n da i na r e n a t i o n a lb a s i cr e s e a r c hp r o g r a mo fc h i n a ( 9 7 3p r o g r a m ) ( g r a n tn o 2 0 0 9 c b 7 2 4 4 0 2 ) l i i 山东大学硕十学位论文 g e n e r a t e da th i g ht e m p e r a t u r e ，w h i c hw i l la c t i v a t ec b n a n dh e l pt op r o m o t et h e i rd i r e c t b o n d i n g i nt h em e a n w h i l e ，a 1 nc a l li n h i b i tt h en e g a t i v ec o n v e r s i o nf r o mc b n t oh b n ， w h i c hw i l li n c r e a s et h ec o n t e n to fc b ni ns i n t e r i n g b o d y w e a rm o r p h o l o g ya n dw e a rm e c h a n i s mo fp c b nt o o l sa r ea n a l y z e db yc u t t i n gt e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ec u t t i n gp e r f o r m a n c ea n dw e a rm o r p h o l o g yo fp c b nt o o l sa r e d i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n ts i n t e r i n gc o n d i t i o n s t h ew e a ro fr a k ef a c ei sm a i n l yi nf o r mo f c r a t e rw e a r , a c c o m p a n i e db yt h ep h e n o m e n o no fm i c r o c h i p p i n g t h ew e a ro ff l a n kf a c e i sm a i n l ya b r a s i v ew e a l ，d i f f u s i o nw e a l a n da d h e s i v ew e a r d i f f e r e n ts i n t e r i n gt i m ei s e q u a t e dt od i f f e r e n tw e a rt r e n d w e a ra m o u n to f f l a n kf a c ew i t hl o n gs i n t e r i n gt i m ei s e s s e n t i a l l y o fl i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t hc u t t i n gt i m e f o rt o o lw i t hs h o r ts i n t e r i n gt i m e ，i t s w e a ri sl a r g ea tt h eb e g i n n i n go fc u t t i n g ，b u ti td e c r e a s e ss i g n i f i c a n t l yw i t hc u t t i n gt i m e i n c r e a s i n g f i n a l l y , a l lt h et w ok i n do f t o o l sr e a c hs t a n d a r db l u n tn e a r l ya tt h es a m e c u t t i n gt i m e r e s u l t ss h o wt h a tm a c h i n e ds u r f a c er o u g h n e s si nd i f f e r e n tp r o c e s s i n gs t a g e sa l e d i f f e r e n t ，a n dt h ec h a n g e sf o l l o wc e r t a i nr u l e st h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fc u t t i n gt i m e ， r o u g h n e s sf i r s t l yd e c r e a s e sa n d t h e ni n c r e a s e s ，f i n a l l yi td e c r e a s e sa g a i n k e yw o r d sp o l y c r y s t a l l i n e c u b i cb o r o nn i t r i d e ；b i n d e r ；s i n t e r e db o d y ；w e a r m o r p h o l o g y ；s u r f a c er o u g h n e s s i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 随着技术的不断发展，对材料工业及精密机械行业的要求越来越高，精密切 削技术、超硬材料的应用加工日益广泛。聚晶立方氮化硼( p c b n ) 刀具材料具有高 硬度、高耐磨性、高红硬性、高化学稳定性等优良的特性，作为一种重要的超硬 材料，在现代加工中得到了越来越多的应用，在高速切削、以车代磨、硬态切削、 干切削等领域表现出其它刀具材料无法比拟的优越性，适用于自动化生产线以及 数控加工设备的上应用，生产效率显著提高。与金刚石刀具不同，立方氮化硼( c b n ) 刀具对铁族元素化学惰性大，高温下两者不易发生反应，抗粘结能力强，适于加 工各种淬硬钢、热喷涂材料、冷硬铸铁以及h r c 3 5 以上的钴基和镍基等难切削材 料【1 1 。目前聚晶立方氮化硼刀具材料得到了国内外学者越来越多的关注。 聚晶立方氮化硼刀具材料由立方氮化硼颗粒和按照一定比例组成的粘结剂在 高温高压下烧结而成。自然界中并不存在天然立方氮化硼，其是1 9 5 7 年由美国通 用电器公司首次人工合成的新型无机材料，是继人造金刚石问世之后人工合成的 硬度仅次于金刚石的超硬材料【2 】o 单纯立方氮化硼单晶具有各向异性的缺点，存在 解理面，应用受到限制。聚晶立方氮化硼克服了单晶立方氮化硼各向异性的缺点， 使立方氮化硼获得了更为广阔的工业应用空间。同时，粘结剂的引入不可避免地 对聚晶立方氮化硼刀具材料的性能产生影响。目前，聚晶立方氮化硼刀具材料按 粘结剂种类可分为陶瓷型、金属型和陶瓷金属复合型三种，其中，陶瓷型粘结剂 聚晶立方氮化硼刀具材料的耐热性较好，而金属型粘结剂聚晶立方氮化硼刀具材 料的韧性和导热性较好。按立方氮化硼含量可分为高含量( 立方氮化硼含量大于 8 0 ) 和低含量( 立方氮化硼含量约为4 5 * 0 - - , 7 0 ) 两种，高含量聚晶立方氮化硼刀具 材料的硬度一般高于低含量聚晶立方氮化硼刀具材料 3 1 。 聚晶立方氮化硼刀具由聚晶立方氮化硼复合片与硬质合金刀杆或可转位刀片 焊接而成，随着技术的进步，出现有氮化硼颗粒直接烧结成型后刃磨成刀具直接 焊接在刀杆上的整体式聚晶立方氮化硼刀具。聚晶立方氮化硼复合片是切削加工 的主要部分，根据加工材料的不同选取不同粘结剂聚晶立方氮化硼刀具，例如， 山东大学硕十学何论文 曼! ! 皇量置皇皇! 舞i i 鼍鲁暑鼍量皇! ! ! 皇詈皇鼍詈詈辱! 暑皇曼皇皇! 墨! ! 詈詈5 1 1 詈詈曼墨皇量量鼍皇! ! 鼍詈詈皇詈皇鼍! ! ! ! 詈詈暑詈葛 对于淬火钢的加工，一般选用陶瓷型粘结剂聚晶立方氮化硼刀具；而对于铸铁、 耐热合金等金属的切削，则主要选用金属型粘结剂聚晶立方氮化硼刀具。 目前，聚晶立方氮化硼刀具在西方发达国家的应用已非常普遍，复合片的制 造和应用技术已相当成熟，产品向着系列化方向发展，复合片的规格更加趋向于 大型化。由于种种原因，我国对聚晶立方氮化硼刀具及其应用的研究相对于西方 发达国家有着较大的差距，具体主要体现在刀具性能、刀具寿命等方面。国内生 产制造的聚晶立方氮化硼刀具产品种类较少，质量较差，整体实力依然薄弱。因 此，研究开发新型聚晶立方氮化硼刀具材料，研究聚晶立方氮化硼刀具的切削性 能及其磨损机理等对于提高国产聚晶立方氮化硼刀具的性能具有重要的作用，对 我国加工制造水平的提高有深远的意义。 1 2 超硬材料聚晶立方氮化硼( p c b n ) 的概述 1 2 1 立方氯化硼( c b n ) 的发展 金刚石是世界上最硬的物质，而立方氮化硼( c b n ) 的硬度仅次于金刚石，人造 金刚石研制成功，对立方氮化硼( c b n ) 的合成起到了很大的推动作用。1 9 5 7 年美 国通用电器( g e ) 公司以六方氮化硼( h b n ) 为原料，加入碱金属或者碱土金属及其氮 化物作为粘结剂，在高温高压条件下首次研制成功了一种新的超硬材料【4 j ，并将其 命名为“b o r a s o n ”。其后5 0 多年里，众多国内外研究学者对立方氮化硼的合成机 理和方法、合成性能及其应用等进行了深入的研究和讨论，取得了一系列的成果， 立方氮化硼的种类由单一的黑色发展为棕黑色、亮黑色、琥珀色、棕褐色等，扩 大了其应用范围。在西方发达国家，立方氮化硼己形成系列产品，而国内生产的 超硬材料立方氮化硼的种类也已较为齐全。由于立方氮化硼具有高硬度、高热稳 定性、化学惰性以及良好的透红外性等优异性能，在其面世之初便引起了国内外 学者的广泛关注。2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代初期，前苏联、中国、德国、日本等 国家都相继研制开发了各国的第一颗立方氮化硼，并大力推广其应用【5 】。日本于 1 9 5 7 年引进美国通用公司的技术，并迅速开发出了本国的产品，其后立方氮化硼 在日本得到了快速发展。1 9 7 7 年至1 9 8 0 年三年时间，日本立方氮化硼销售量平均 每年增长超过5 0 。至上世纪8 0 年代初，日本占用世界聚晶立方氮化硼供给量的 5 0 ，且每年呈递增的趋势发展。美国g e 公司立方氮化硼部部长在日本金刚石协 2 第1 章绪论 会成立5 0 周年学术研讨会上指出【6 】，从1 9 7 5 年至1 9 8 5 年，日本的立方氮化硼年 增长率为2 0 ，居世界首位，这与日本汽车加工业的发展有密切关系。1 9 9 5 年至 1 9 9 7 年，美国年增长率为1 6 ，欧洲为1 1 ，太平洋地区国家为8 。 立方氮化硼在短短几十年时间就得到如此迅速的发展，一方面，它不存在普 通金刚石工具加工黑色铁基材料时易发生反应等缺点，另一方面，立方氮化硼的 导热率仅次于金刚石且随温度的升高而升高，例如，立方氮化硼的导热率在2 5 。c 时已达到1 3 0 0 w ( m k ) ，是常用磨料氧化铝的4 0 多倍，是磨料碳化硅的3 0 多倍， 良好的导热性使加工中短时间内产生的热量迅速散失，有利于降低加工温度，有 效减少工具磨损，延长工具的使用寿命。立方氮化硼的出现，拓宽了黑色金属的 加工空间，同时使机械加工在高效、节能、高精及数控化方面登上了一个新的台 阶。立方氮化硼作为二十一世纪最重要的材料之一，甚至被认为是磨削技术革命 的开端，大量应用结果表明，立方氮化硼在加工黑色金属时硬度高，韧性大，耐 磨性好，使用寿命长，加工过程中金属磨除率是金刚石的1 0 倍，经济效益显著， 综合加工成本显著降低 7 1 。 我国第一颗立方氮化硼颗粒由郑州磨料磨具研究所于1 9 6 6 年采用静高压触媒 法合成的。其后2 0 多年里，我国立方氮化硼生产技术发展十分缓慢，只能生产普 通的低品级立方氮化硼，即黑色立方氮化硼，直到二十世纪八十年代后期才进入 规模化工业生产发展阶段。1 9 8 9 年，我国立方氮化硼的产量较1 9 8 0 年增加了4 倍； 二十世纪九十年代后期进入了迅速发展阶段，1 9 9 9 年，我国立方氮化硼产量较1 9 9 0 年增加了2 2 5 倍；进入二十一世纪以来，立方氮化硼的国内外市场均获得了广泛 的开拓，发展势头更为迅速，2 0 0 2 年，我国立方氮化硼产量较2 0 0 1 年增加了一倍， 较2 0 0 0 年增加了4 7 倍【8 一。近几年，经过国内众多科研机构的不断努力，已成功 合成出琥珀色、棕色等高品级的立方氮化硼，使我国立方氮化硼的质量获得了突 破性的发展，为立方氮化硼新的研究和应用提供了必要的条件。目前，我国氮化 硼主要生产地集中在河南地区，主要包括有河南富耐克、中南杰特、郑州创新等 公司。 1 2 2 聚晶立方氮化硼( p c b n ) 的发展及研究现状 聚晶立方氮化硼是立方氮化硼与金属粘结剂或陶瓷粘结剂在高温高压下合成 山尔大学硕十学位论文 的一种无机材料，它克服了单晶立方氮化硼各向异性的缺点，应用空间更为广阔。 在立方氮化硼问世后的第三年，苏联首次研制成功了聚晶立方氮化硼颗粒，是世 界上最先把立方氮化硼材料应用于切削领域的国家。1 9 7 2 年，在莫斯科机床7 2 展览会上，前苏联首先展示了立方氮化硼烧结体车刀，并最先成批生产6 、7 、8 m m 的聚晶立方氮化硼烧结体，最大直径达到1 2 m m 1 0 】。 美国通用公司于1 9 7 5 年开始销售商标为b z n 的p c b n 复合片，并且将其产 品系列化j ，如表1 1 所示，实际应用中按照加工材料选取特定型号的聚晶立方氮 化硼刀具进行切削，g e 公司的产品多选用金属粘结剂，其生产的p c b n 复合片适 用于加工耐热合金和高硬度铸铁等难加工材料。 表1 - 1g e 公司b z n 系列产品及其适合加工的材料 产品型号应用 b z n 6 0 0 0 ，b z n 7 0 0 0 s b z n 7 0 0 0 s ，b z n 9 1 0 0 b z n 8 2 0 0 ，b z n 9l0 0 b z nh t c 2 0 0 0 ，b z nh t m 2 1 0 0 b z n 9 1 0 0 。b z n 9 0 0 0 b z n 8 0 0 0 ，b z n 7 0 0 0 s b z n 6 0 0 0 珠光体铸铁 高强度铸铁( 4 5 h r c ) 淬火钢( 4 5 h r c ) 粉末冶炼金属 超硬合金 日本东芝公司首先引进了美国g e 公司聚晶立方氮化硼复合片的制造技术，住 友电气公司、三菱金属公司、东芝坦洛依公司、不二越公司、日立硬质合金公司 等其它日本公司也相继研制出自己牌号的p c b n 复合片。目前，日本p c b n 刀具 产品销售量几乎占全世界p c b n 销售总量的一半。 英国的d eb e e r s 公司于上世纪七十年代中期研制出聚晶立方氮化硼刀具制品 并将其命名为a m b o r i t e 1 2 1 ( 整体聚晶形式，立方氮化硼含量为9 0 ) ，八十年代初 期开始投放市场。该公司于1 9 8 6 年研制成功适用于精加工的聚晶立方氮化硼刀具， 牌号为d b c 5 0 ，立方氮化硼的含量是5 0 ，粘结剂是t i c ，具有优异的切削刃稳 定性。它是利用先进的制造技术，通过改善立方氮化硼颗粒及粘结剂颗粒等颗粒 问的结合强度，减少基体的裂纹，使聚晶立方氮化硼刀具获得高质量刃口，提高 4 第1 章绪论 刀具的耐磨性，进而延长刀具的寿命。1 9 9 8 年，该公司推出了牌号a m b o r i t e d b n 4 5 复合片，作为一种新型“立方氮化硼复合片”( p c b n ) 产品，属切削加工材 料系列，立方氮化硼含量较低，由微米级的立方氮化硼颗粒利用t i n 结合剂作为 粘结剂烧结在硬质合金衬底上而成，主要应用于精加工淬硬黑色金属( h r c 4 5 6 0 ) 。 微米级的立方氮化硼颗粒能够与t i n 结合相完美的结合在一起，从而有效提高刀 具刃口的质量、耐磨性、强度以及边缘韧性等，可加工出较高精度、光洁度和表 面加工质量的加工件。由于d b n 4 5 具有更好的韧性，更适用于断续加工和在稳定 性较差的机床上使用。该公司最新研制的a m b 9 0 圆盘可使用直径最大为1 0 1 6 m m 的聚晶立方氮化硼复合片，可用面积较以前的复合片增加了2 8 7 ，使用户可以得 到更高的使用效率和更少的换刀时间，减少了由坯料切削成成品的加工时间，可 以有效地减少成本。除此之外，世界上能生产p c b n 刀具材料的国家还有德国、 瑞典、爱尔兰等国家，在近5 0 年的时间里，p c b n 刀具市场销量在国外每年以将 近1 0 的速度在递增，是世界上能够维持数年连续增长的为数不多的产品之一。 我国于1 9 6 7 年首次成功研制出立方氮化硼之后，1 9 7 3 年1 1 月四川省立方氮 化硼协作组以我国自主生产的立方氮化硼单晶作为原料首次成功研制出整体式聚 晶立方氮化硼刀具，其样品直径达到2 5 m m - - 4 0 m m 。1 9 7 8 年至1 9 8 0 年，成都工 具研究所成功研制了聚晶立方氮化硼刀具l d p - j ci 型( 直径为巾6 m m - 由7 r a m ) ， 同时还研制成功了l d p j c fi 型聚晶立方氮化硼刀具材料，其直径达到巾6 m m 由8 m m 。1 9 8 1 年至1 9 8 2 年该研究所又成功研制l d p j c 型( 直径为由1 0 r a m ) 聚晶 立方氮化硼刀具材料。贵阳第六砂轮厂于1 9 8 3 年成功研制出聚晶立方氮化硼刀具 材料，并推出了d l s f 系列聚晶立方氮化硼刀具。原冶金部桂林矿产地质研究院 超硬材料研究所和北京钢铁学院于1 9 8 2 年成功研制出聚晶立方氮化硼刀具材料并 于1 9 8 5 年推出l b n y 牌号的系列复合片，该系列刀具适用于切削加工表面粗糙 度要求较低的难加工材料以及车削加工抗冲击韧性强的难加工材料。随后该研究 院以研究聚晶立方氮化硼进行刀具材料为主要研究方向，并于1 9 9 9 年成功研制出 切削性能更好且可以用电火花整体切割的第三代聚晶立方氮化硼刀具材料。北京 科技大学利用先进的高压燃烧原理合成聚晶立方氮化硼复合片并用其切削淬硬钢 c r w m n ( h r c 5 8 - - 6 2 ) 时，刀具寿命是常规高压烧结而成的聚晶立方氮化硼刀具的 2 6 2 倍，被加工工件表面粗糙度及抗冲击性能良好。1 9 8 7 年郑州磨料磨具磨削研 山东大学硕十学伊论文 究所将研制生产的l f 0 2 5 、l f 0 1 0 、l f 0 0 5 p c b n 复合刀片分别用于粗、精、超精 加工。进入9 0 年代以后，中外合资企业河南富耐克超硬材料有限公司、北京燕郊 金刚石工业公司、郑州新亚超硬材料有限公司、成都工具研究所等单位也相继研 制出先进的聚晶立方氮化硼刀具材料。 但是，国内产品与国外相比，差距主要表现在种类少、牌号单一、强度低、 质量不稳定、抗冲击韧性和磨耗比较低，且没有较大尺寸的复合片。由于整体配 套设施的缺乏，聚晶立方氮化硼刀具在国内的使用范围有限，缺乏相关的系统性 研究，对其价格认识相对不足以及刀具使用历史传统等原因限制了聚晶立方氮化 硼刀具在国内的使用。 1 2 3 聚晶立方氮化硼( p c b n ) 的应用 聚晶立方氮化硼相对于立方氮化硼单晶具有以下优点：( 1 ) 避免了单晶的各向 异性，克服了单晶解理面的影响；( 2 ) 可以以车代磨，加工精度高，加工效率高； ( 3 ) 聚晶立方氮化硼烧结体比立方氮化硼单晶大很多，有利于其加工成型。因此， 聚晶立方氮化硼的应用范围比立方氮化硼广泛。表1 2 列出了常用的几种刀具材料 的性能。 聚晶立方氮化硼刀具材料不易与铁基金属发生反应，主要应用于加工黑色金 属。聚晶立方氮化硼刀具具有耐磨性好、硬度高、红硬性好、化学惰性高等特点， 适用于加工淬硬钢( 合金钢、碳工钢、轴承钢、模具钢、高速钢等高硬度淬硬钢零 件) ，各种喷涂( 焊) 材料、高温合金、耐磨铸铁类材料等，亦适用于钛合金、纯钨、 纯镍以及其它难加工材料的加工【13 1 。在选择聚晶立方氮化硼刀具时，高立方氮化 硼含量的聚晶立方氮化硼刀具材料以立方氮化硼颗粒之间的直接结合为主，结合 剂的加入量较少，具有较好的导热性和韧性，主要用于粗加工高硬度合金和组织 中含有高硬质点的材料，比如粗加工冷硬铸铁、珠光体铸铁和淬硬钢等材料；低 c b n 含量的p c b n 刀具材料一般以陶瓷材料作为结合剂，具有高的抗压强度、较 强的抗化学磨损及高的红硬性，主要用作加工合金钢、轴承钢、模具钢、碳钢等 淬硬钢的刀具材料。低含量的p c b n 刀具的硬度、热导率及韧性较低，但是因陶瓷 材料较高的耐热性与导热性差的特点，使切削区形成热滞留温度升高，进而使工 件局部迅速形成塑性变形而易于切削，获得不错的加工效果( 又称软化效应) 。聚 6 第1 章绪论 晶立方氮化硼刀具材料的高红硬性，即在高温下材料的硬度减少地很小，非常适 用于高速加工超高硬度材料。 表1 - 2 不同刀具材料切削性能对比 p c dp c b n 复合陶瓷硬质合金 密度( g m 3 、 3 4 一4 23 1 2 _ 4 33 8 5 01 4 o _ 一1 5 0 硬度( h v ) 8 0 0 0 l0 0 0 03 0 0 0 - - 7 0 0 0 3 0 0 0 - - 3 2 5 010 5 卜18 0 0 抗弯强度( m p a ) 11 0 0 - - 2 8 0 03 5 卜1 2 0 05 0 0 一8 0 0 8 0 0 - - - 1 5 0 0 抗压强度( m p a ) 4 2 0 0 - 7 6 0 0 2 7 0 0 - - 3 8 0 0 2 0 0 0 - - 4 0 0 04 0 0 0 - - 4 6 0 0 弹性模量( g p a ) 5 6 0 一8 4 0 5 8 0 一8 2 0 3 0 0 - - - 4 0 05 9 0 _ _ 6 3 0 断裂韧性( g p a m 2 ) 6 8 0 _ _ 9 0 03 7 0 “0 2 0 0 一3 1 0 l o o o 一11 0 0 热稳定性( k ) 1 0 0 0 1 4 0 0 - - 1 8 0 01 6 0 0 - - - 2 1 0 011 0 卜1 6 0 0 热导率( w m k ) 1 2 0 4 0 一1 0 0 3 0 - - 4 0 1 0 0 热膨胀系数( 1 0 - 6k 一1 ) 3 8 4 93 6 - 4 93 2 8 55 o 一5 4 与铁系元素化学惰性化学惰性小 化学惰性大化学惰性大比高速钢低 加工质量 高精度、高光r a 0 4 一o 2u一般精度一般精度 洁度 i t 5 i t 6 r a 0 8u r a 0 8u r a 0 1 一o 5l l 可代替磨削i t s i t 7i t 8 i t 7 丌5 n 6 由于聚晶立方氮化硼具有以上优异的性能，其应用范围日趋广泛，据国外统 计，p c b n 刀具的应用范围如下： 1 按行业来分，汽车工业占5 0 3 7 、重型机械占2 0 7 4 、泵业占8 8 9 、轴 承齿轮占5 9 3 、轧辊占5 1 9 、航空航天占2 9 5 ，其它5 9 3 。 2 按加工工序来分，车削占6 0 、镗削占3 2 5 、端铣占7 5 。 3 按加工材料来分，淬火钢占6 5 、铸铁占2 8 、耐热钢占7 。 4 按替代原加工来分，替代磨削的占5 0 、替代硬质合金刀具的占3 0 、替 代金属陶瓷刀具的占1 0 、替代研磨加工的占5 、替代陶瓷刀具的占5 。 由以上数据可知，聚晶立方氮化硼刀具在国内市场的发展潜力巨大，国内聚 晶立方氮化硼刀具市场距离饱和还有非常大的空间。 聚晶立方氮化硼刀具的杰出性能使其成为一种高效率、高精度的刀具材料， 7 山东大学硕十学位论文 目前，聚晶立方氮化硼材料已经广泛应用于车刀、镗刀、铣刀以及一些钻头、铰 刀等。西方发达国家早已把p c b n 刀具材料广泛应用于自动化生产线、数控加工中 心、多用途机床、柔性生产单元或柔性生产线以及一些专用高速机床等，用于各 种淬硬钢、高温合金、铸铁、表面喷涂材料以及硬质合金等高硬度高耐磨材料的 车、铣、钻孔加工、镗加工等。聚晶立方氮化硼刀具的切削特点之一是硬态切削， 即采用超硬刀具材料对硬度大于h r c 5 0 的淬硬钢进行精密切削的加工工艺，现在 硬态切削已经成为淬硬钢等一些高硬度材料精密切削加工的主要手段，其最主要 的优点是比普通磨削加工的生产效率高且可以获得高质量的加工表面，同时，淬 硬钢的精车代磨是一种有利于环境保护的清洁生产工艺和绿色制造技术1 1 4 1 。用 p c b n 刀具进行硬态切削时，由于p c b n 刀具不容易粘刀、刀具磨损小，可获得 很高的加工精度和好的加工表面质量( r a 0 2 - 2 u m ) ，易于实现以车代磨，从而可以 很大程度上提高生产效率，降低生产成本，是工业切削材料技术上的一次重大革 新，极大地满足了现代加工制造业高效生产的需要。据日本切削协会对日本5 0 多 家大公司的调查发现，日本聚晶立方氮化硼刀具的应用大约有5 5 是替代原来的 磨削和珩磨。未来机械切削加工的主流将是硬态切削加工、干式切削以及高速高 效切削相结合的具有高效率、低能耗、资源节约、低污染的绿色切削，聚晶立方 氮化硼刀具材料的一系列的优点及应用表明其符合绿色切削的要求【l5 1 。随着现代 工业化的不断发展，聚晶立方氮化硼刀具材料也将会得到极大地发展，必将在加 工制造业中发挥重要而独特的作用。 1 3 聚晶立方氮化硼( p c b n ) 刀具的切削性能及研究现状 1 3 1 聚晶立方氮化硼( p c b n ) , t j 具的切削性能 聚晶立方氮化硼刀具材料作为一种新型的超硬材料，具有其它刀具材料无法 比拟的优越性。作为聚晶立方氮化硼材料主要成分的立方氮化硼晶体与金刚石晶 体相比，两者晶格结构同属于闪锌矿型，且化学键类型相同，晶格常数非常接近， 因此，立方氮化硼晶体与金刚石晶体具有相似的硬度和抗压强度。同时，立方氮 化硼晶体是由n 、b 原子构成，相对于金刚石c 、c 键有更短的键长，因而具有比 金刚石更好的化学惰性和更高的热稳定性。聚晶立方氮化硼刀具材料的主要性能 如下： 8 第1 章绪论 1 具有非常高的硬度和耐磨性 金刚石是世界上已知最硬的物质，由于立方氮化硼晶体与金刚石晶体具有相同 的晶格结构且晶格常数相近，两者硬度近似相等，立方氮化硼单晶的显微硬度可 达h v 8 0 0 0 9 0 0 0 ，是目前己知具有仅次于金刚石硬度的物质。用其烧结而成的聚 晶立方氮化硼烧结体的硬度般为h v 3 0 0 0 5 0 0 0 ，主要用于加工各种高硬度难加 工材料( 如各种淬硬钢、高温合金、耐磨铸铁等) ，其耐磨性为硬质合金的5 0 倍， 涂层硬质合金刀具材料的3 0 倍，陶瓷刀具材料的2 5 倍。同时，高耐磨性的特点 使其非常适用于自动化程度较高的设备中的应用，有效减少换刀调刀等辅助时间， 提高加工效益，体现出较大的加工优势。 2 具有较高的热稳定性和高温硬度 在与f e 、c o 、n i 共存时，传统金刚石刀具材料在7 0 0 便开始反应从而石墨 化，而立方氮化硼具备优良的热稳定性，在1 3 0 0 时仍然能够保持稳定，且在在 高温下仍能保持足够的硬度和强度。切削高硬度材料时，由于切削温度较高，被 加工材料易发生软化，而聚晶立方氮化硼刀具的硬度则下降很少，从而增大刀具 与被加工件的硬度差，有利于切削加工的顺利进行。 3 具有很高的化学稳定性 立方氮化硼具有优良的化学惰性，即使10 0 0 。c 时也不会发生氧化反应，抗氧 化能力强。1 3 0 0 高温条件下，立方氮化硼不会与铁系材料发生化学反应，与碳 在2 0 0 0 时才能发生反应，且在酸碱环境中能保持稳定性。但是，立方氮化硼在 1 0 0 0 左右会与水发生水解反应，从而造成立方氮化硼的大量消耗，因此，用立 方氮化硼刀具切削时一般采用干式切削，若采用湿切削时则要注意选择切削液的 种类。 4 具有良好的导热性 c b n 的导热系数为1 3 0 0w ( m ) ，仅次于金刚石但是远高于硬质合金，是 硬质合金的2 0 倍，是陶瓷刀具材料的3 7 倍。p c b n 刀具材料的导热系数随着切削 温度的升高而不断增大，使切削过程中产生的热量迅速传出，降低切削温度，从 而减少刀具磨损，提高刀具寿命，并且有利于工件加工精度的提高。 5 具有较低的摩擦系数 立方氮化硼的摩擦系数为0 1 0 3 ，远低于硬质合金的0 4 - 0 6 ，且随摩擦速 9 山东大学硕十学位论文 度与正压力的增大而略有减小。较低的摩擦系数及优良的抗粘结能力，使立方氮 化硼刀具切削时不易形成滞留层或积屑瘤，有利于加工表面质量的提高。 尽管价格较高，聚晶立方氮化硼刀具优良的切削性能使其在机械加工中得到了 越来越多的应用，使用寿命远高于其它刀具材料，分摊后的刀具成本相对于其它 刀具反而更低。聚晶立方氮化硼刀具材料可以有效地节约换刀等辅助时间，有效 提高生产效率，是一种非常理想的刀具材料。 1 3 2 聚晶立方氮化硼( p c b 哪刀具切削性能研究现状 自聚晶立方氮化硼刀具问世以来，对其切削性能的研究逐渐深入，以期能够 更好的指导生产实践。日本住友电气工业株式会社粉末冶金部使用b n 2 0 0 进行了 系统的切削性能试验，通过切削硬度h r c 6 0 以上的不同淬硬钢，在不同切削用量 下与硬质合金刀具进行对比，并在磨削加工和n - t - 表面质量等方面进行了相关研 究，结果表明，用聚晶立方氮化硼刀具加工后的表面残余应力为压应力( 磨削为拉 应力) ，表面硬度有所提高( 磨削加工表面硬度略有降低) ，但是，相关研究没有对 其切削机理进行深入的分析。鸿野雄一郎针对聚晶立方氮化硼刀具材料的超硬特 性首次提出了以车代磨的理论，即用车削的加工方法来达到磨削加工的加工质量， 并用聚晶立方氮化硼刀具切削淬硬钢的实验加工实例验证了该加工方法的可行 性。 日本机械技术研究所于1 9 8 5 年组织数十家科研机构及相关究人员对聚晶立方 氮化硼刀具的切削性能进行了系统的实验研究【l 】，通过对冷硬铸铁、灰口铸铁、不 锈钢、高速钢、轴承钢、工具钢等十余种材料系统的实验研究，对数据的统计分 析发现，聚晶立方氮化硼刀具切削正火材料时刀具寿命较短、切削灰口铸铁时刀 具的寿命曲线弯曲而不符合泰勒公式的特殊规律，为聚晶立方氮化硼刀具的实际 加工应用提供了相关的依据。南京航空航天大学的徐九华、王珉等利用国产聚晶 立方氮化硼刀具进行切削淬硬高速钢的实验研究【1 6 1 ，同样得出了聚晶立方氮化硼 刀具寿命曲线与泰勒公式不相符的结论，通过对以车代磨淬硬高速钢的切削条件、 刀具切削磨损机理及形态进行了研究分析，指出聚晶立方氮化硼刀具所特有的立 方氮化硼晶粒剥落和微崩刃( 多个立方氮化硼单晶的剥落) 是聚晶立方氮化硼刀具 切削淬硬高速钢时刀具的主要破损机理。 1 0 第1 章绪论 日本的大谷敏昭、藤健等对聚晶立方氮化硼刀具、金属陶瓷刀具和陶瓷刀具