21世纪pcbn刀具的发展与展望

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1、21世纪PCBN刀具的发展与展望随着制造技术的迅猛发展，切削加工作为制造技术的基础工艺，进入了以发展高效切削、开发新切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的新发展阶段。与此同时，制造技术和难加工材料的发展推动着刀具技术的发展，刀具技术也向着高态切削、高速切削、高精度和干式加工的方向发展。可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的超硬刀具的应用也日渐普及，在汽车、航空航天、能源、军事、模具等领域发挥着重要作用。　　在机械加工中，刀具材料是决定加工效率、加工质量和加工成本的关键因素之一，正确选择和应用刀具材料至关重要。现代刀具材料主要是高速钢、硬质合金和陶瓷，它们主要

2、的硬质相成分是碳化物、氮化物和氧化物，加上粘结材料后，刀具的硬度在HV2000以下。对于某些现代难加工材料的加工，上述硬度已不能满足要求，于是超硬刀具材料便应运而生。PCBN（聚晶立方氮化硼）刀具、陶瓷刀具、涂层刀具等均具有很高的硬度、耐磨性和化学稳定性，能满足高速切削、干式切削、硬态切削等绿色制造的要求。由于PCBN刀具在加工精度、切削效率、刀具寿命等各个方面具有无可比拟的优越性，因此，PCBN刀具的推广和应用可创造巨大的经济效益。　　文主要阐述CBN刀具材料的制造方法、物理性能及其应用和新发展，并展望了21世纪PCBN刀具发展的前景。　　CBN刀具材料的

3、制造方法　　立方氮化硼CBN(CubicBoronNitride)是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的，其硬度达HV8000，仅次于金刚石（HV10000）而远远高于其他材料，它与金刚石统称为超硬材料。　　CBN晶体与金刚石晶体都属于闪锌矿型，且晶格常数相近，化学键类型相同，故CBN具有接近金刚石的硬度和抗压强度，又因为它是由N、B原子组成，因此具有比金刚石更高的热稳定性和化学惰性。　　CBN刀具材料的制造方法主要是热压法，将压制CBN单晶粉的原料——六方氮化硼粉（HBN）置于叶蜡石的腔体中，加上触媒剂，用六面顶

4、或两面顶的液压机，在1600℃、5～6GPa下热压10min形成CBN单晶粉。单晶粉可用于磨料、磨具。用CBN单晶粉加上触媒剂和粘结剂，在1800℃、5～6GPa下再压3min便可得到PCBN整体刀片或复合刀片（硬质合金垫底，上有0.5mm左右的CBN薄层）。　　PCBN刀具材料的性能　　（1）具有很高的硬度和耐磨性。　　CBN单晶显微硬度为HV8000～HV9000，是目前已知的第二高硬度的物质。不同量粘结剂的PCBN刀具材料的硬度在HV4000～6000之间，而硬质合金刀具材料的硬度仅为HV1100～1800；Al2O3陶瓷刀具材料硬度为HV2000。由

5、此可见，用于加工高硬度材料时PCBN刀具具有比硬质合金及陶瓷更高的耐磨性，可减少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性，减少换刀调刀辅助时间，使其效能得到充分发挥。　　（2）具有很高的热稳定性和高温硬度。　　CBN的耐热性可达1400～1500℃，在800℃时的硬度为Al2O3/TiC复合陶瓷的常温硬度。切削温度较高时，会使被加工材料软化，与刀具间硬度差增大，有利于切削加工进行，而对刀具寿命影响不大。　　（3）具有很好的导热性。　　CBN的热导率达1300W/（m?K），是紫钢的3.5倍。而硬质合金的热导率仅为35～75W/（m?K）。CBN材料的导热系数低于

6、金刚石但大大高于硬质合金，并且，PCBN刀具的导热系数随着切削温度的提高不断增大，因此可使刀尖处热量很快传出，有利于工件加工精度的提高。　　（4）具有很高的杨氏模量。　　PCBN的杨氏模量约为750GPa，高于WC、TiC、Al2O3等材料。　　（5）具有很小的热膨胀。　　PCBN的热膨胀系数约为（2.1～2.3）×10-6/K，而硬质合金的热膨胀系数为（5～7）×10-6/K。　　（6）具有较小的密度。　　PCBN的密度为3.48g/cm3，与Al2O3、Si3N4的密度相近。（7）具有较低的断裂韧性。　　PCBN的断裂韧性约为（3.5～5）Pa?m0.5

7、，仅为陶瓷刀具材料的一半。这是PCBN唯一不足之处。　　（8）具有优良的化学稳定性。　　CBN具有很高的抗氧化能力，在大气中，1000℃时也不产生氧化现象，PCBN在1300～1500℃尚不分解；在酸中不受侵蚀；对铁族材料呈惰性,在1200～1300℃时也不发生化学反应。但1000℃左右时会与水产生水解作用，造成大量CBN磨耗，因此使用PCBN刀具时宜采用干切方式。　　（9）具有较低的摩擦系数。　　CBN与不同材料的摩擦系数在0.1～0.3之间，低于硬质合金的摩擦系数(0.4～0.6)，摩擦系数随摩擦速度及正压力的增大而略有减小。切削时不易形成滞留层或积屑瘤

8、，有利于表面加工质量的提高。　　PCBN刀具分类及对