郑州磨料磨具磨削研究所 王光祖/文

　　立方氮化硼(cBN)是由Wentorf于1957年在高温高压条件下合成的人工晶体，其硬度仅次于金刚石，但其热稳定性和化学稳定性优于金刚石，被广泛应用于加工黑色金属、耐高温合金、钛合金等难以用金刚石工具加工的材料。单晶立方氮化硼尺寸较小，且各向异性，存在解理面，这限制了其在机械、航空航天等重要工业技术领域中的应用，因此，国内外科技工作者对开发研制多晶立方氮化硼给予了极大关注。

　　1、制备方法的多样性

　　聚晶立方氮化硼(polycrystalline cBN，PcBN)是cBN体，具有大尺寸、各向同性、无解理面等优点。目前，其主要制造方法为高温高压烧结法，即在高温高压条件下，以氮化硼粉末为原料，添加或不添加黏结剂的情况下烧结在一起的聚合物，即非纯相烧结体或者纯相烧结体。

　　在非纯相烧结体中，添加黏结剂主要是为了降低烧结条件。黏结剂主要分为三类：

　　第一类，金属或合金材料黏结剂，其机械磨损性好，但在高温高压条件下容易软化，影响耐磨性；

　　第二类，陶瓷材料等黏结剂，其高温硬度较好，但其抗冲击性差，导热性差，不适合断续切削；

　　第三类，金属陶瓷类的黏结剂，在一定程度上能克服以上两类的缺点。总的来说，非纯相烧结的PcBN正朝着高耐磨、高韧性等优良性能的道路上发展。然而，该方法会使其硬度降低，在这一点上远不及纯烧结得到的PcBN。

　　纯相烧结主要是通过不同的初始材料，如六方氮化硼(hBN)、热解氮化硼(pBN)、洋葱状氮化硼(oBN)以及cBN，在无黏结剂的条件下进行高温度高压烧结。

　　目前，纯相的纳米立方氮化硼主要分为两种：一种是利用六方氮化硼(hBN)作为初始粉末，在高温高压下利用相转变转化为聚晶立方相氮化硼；另一种主要利用立方氮化硼作为初始粉末，在高温高压下进行烧结成为聚晶立方氮化硼。

　　SOLOZHENKO等采用低结晶度热解氮化硼(pBN)为初始材料，在20GPa、1500℃的条件下制备了聚晶立方氮化硼，其维氏硬度达到85GPa。

　　ICHIDA等采用热解氮化硼为初始材料，在25GPa、1950℃的条件下加热1-6min合成了超硬多聚晶立方氮化硼，其晶粒小于100nm，努氏硬度最高可达55.2GPa。

　　TIAN等采用洋葱状六方氮化硼为初始材料，在12-25GPa、1600-2200℃的条件下制备了纳米聚晶立方氮化硼，其维氏硬度超过100GPa，热稳定性达到1294℃，断裂韧性大于12MPa·m^1/2。

　　TAKASHI以高纯六方氮化硼为原料，采用高压直接相变工艺，获得了高纯度的cBN烧结体和高取向的纤锌矿型氮化硼(wBN)晶体。cBN烧结体硬度达到61GPa，wBN硬度约为cBN烧结体的80%-90%。

　　机理分析表明，在hBN到cBN的相变过程中出现了从hBN到wBN的无扩散型相变。随着合成条件的提高，wBN出现了稳定的相转变。

　　高温高压条件下，采用hBN等作为初始材料合成多晶立方氮化硼过程中，伴随着相变的发生，样品会产生一定的体积塌缩，造成合成样品成型性差。为此，研究者们采用立方相氮化硼微粉作为初始材料进行了合成聚晶立方氮化硼块材的研究。

　　王永凯、张相法等，以六方氮化硼为初始材料，采用直接转化法在15GPa、1500--2100℃的条件下合成多晶立方氮化硼。他们采用X衍射仪、扫描电子显微镜、维氏硬度计对聚晶立方氮化硼块材的微观结构和力学性能进行了表征。

　　通过研究，他们得到的结论是：在适合的温度压力条件下，制备了纯相、半透明的纳米聚晶立方氮化硼块材。样品晶粒由纳米晶粒和片状晶粒组成，颗粒状晶粒尺寸约为70-130nm，片状晶粒尺寸约为2um。在相同的压力下，多晶立方氮化硼块材的晶粒尺寸随合成温度的提高而增大，硬度随着合成温度的升高而下降，最高硬度可达64.43GPa，断裂韧性达到10.47MPa·m^1/2。

　　纳米聚晶立方氮化硼具有高硬度、各向同性等优点，能够满足高效、绿色加工需求，实现钢铁材料高精密机械行业新一代刀具材料的自主可控。开发高质量、大尺寸的直接转化法合成纳米聚晶立方氮化硼块体材料将成为研究的热点。

　　2、应用技术领域

　　由于cBN的硬度和导热率方面仅次于金刚石，热稳定性极好，在大气中加热至1000℃也不会氧化，而且对黑色金属具有极为稳定的化学惰性，因此，作为刀具材料引起人们的极大关注。cBN超硬刀具材料，由于它既具有cBN的高硬度、高热稳定性和良好的化学惰性，使单晶解理劈裂大大减小。随着切削刀的磨损，连续露出新的切削刃，是目前高速切削、硬态切削、干切削、绿色加工广泛应用的刀具材料之一。

　　2.1 绿色低碳经济与PcBN刀具

　　高生产效率和高质量是先进制造技术追求的两大目标。代表现代机械加工主流方向的高速切削，顺应了21世纪机械加工高效率、高精度、柔性和绿色化的发展趋势而得到了迅速发展。

　　高速切削的特点：

　　(1) 切削速度提高，单位时间材料切除率增加，同时切削区温度更高，韧性增加，进给速度也可相应提高，从而成倍提高切削效率，降低能耗，降低成本。

　　(2) 当切削速度超过某一临界值时，95%以上的切削热来不及传给工件，被切屑飞速带走，而工件基本上保持冷态。

　　(3) 高速切削时，振动、机床的激振频率很高，远远超过了机床-刀具-工件系统的固有频率范围，切削平稳，振动小，可获得较高的加工质量，减少了加工工序。

　　高速切削对刀具的要求：

　　(1) 高的可靠性；

　　(2) 高的热性、冲击和高温力学性能；

　　(3) 适应难加工材料和新型加工的需要。

　　低碳经济和绿色制造技术与应用，是我国未来机械工具行业的发展方向。根据绿色制造、节约能源、节约资源、污染小、有利环保的思想，为了消除切削液的不良影响，最理想有效的加工方式就是干切削。与湿切削相比，干切削能大大提高生产效率。其机理是由于切削速度很高时，产生的热量集中于刀具的前部，使切削区附近材料达到红热状态，屈服强度下降，进而提高切削效率。采用干切削工艺的前提条件是在较高切削温度下，被切材料强度有明显下降，易于切削；而刀具材料在同样状态下既有较好的红硬性，又有较好的耐磨性和黏结性。

　　PcBN刀具非常适合于硬态材料的高速切削，切削温度高达1000℃时仍具有很高的硬度，能在高速切削下长时间地加工高精度零件（尺寸离散性小），大大减少了换刀次数和刀具磨损补偿停机所花的时间，适合于数控机床和自动化程度较高的加工设备。在金属切削加工过程中的许多场合，可以实现以车、镗、铣代替磨削工艺，能使加工零件获得高的精度和良好的表面质量，并大大提高生产效率。如表面喷焊（涂）材料的加工，用其他材料的刀具加工，刀具寿命极低，也无法采用磨削方法加工，PcBN是唯一适合的刀具材料。

　　机械加工正朝着高速化、复合化、智能化及环保型方向发展。绿色切削技术发展的趋势表明，高速切削、高稳定性加工、硬态切削最符合绿色加工的特征。干式切削和高速切削的有机结合将是一种理想的非末端治理的高效、低耗、加工质量好、环境污染小、综合效益好的绿色切削，是未来机械加工的主流。PcBN超硬刀具作为现代切削加工中的重要手段，在加工精度、切削效率、刀具寿命等方面具有无可比拟的优越性，在高速切削、高稳定性加工、硬态切削等先进的加工工艺中有着广泛的应用，将成为绿色切削的一个重要组成部分。

　　2.2 PcBN：难加工材料的首选刀具材料

　　2.2.1 高速及超高速切削加工

　　高速切削可提高切削效率，减少加工时间，降低加工成本。日本住友生产的BN7000加工灰铁铸铁的最高速度可达2000m/min，日本三菱生产的MBC010切削淬硬钢的速度可达400m/min，这是硬质合金和陶瓷刀具等其他刀具无法达到的高速度。

　　2.2.2 硬态切削加工

　　PcBN通常用来加工硬度（HRC）高于50的材料，实现以硬切削代替磨削来完成材料的最终加工。这种“以车代磨”的加工方式可加工出几何形状各异的工件，切削效率高，加工时间短，可降低加工成本。加工过程中产生的切削热相对较少，加工表面不易引起烧伤和微小裂纹，易于保持工件表面性能的完整性。硬态切削过程中不需要使用冷却液，避免了加工产生的废液对环境造成的污染。

　　2.2.3 干式切削加工

　　在湿切工艺中，由于使用切削液带来的诸多问题，如切削液的使用、传输、回收、过滤增加了生产成本；切削加工中由切削热造成的切削液雾状挥发危害操作者的健康，影响表面质量；切削液的渗漏、溢出会污染环境，易发生安全、质量事故。干式切削技术是为适应全球日益高涨的环境要求和可持续发展战略而发展起来的一项绿色加工技术，对节省资源、保护环境、降低成本具有重要的意义。近几年，干式切削加工方法已成为机械制造业中的重点研究课题。

　　2.2.4 自动化加工

　　PcBN具有很高的硬度和耐磨性，能在高速切削下长时间加工出高精度零件（尺寸分散性小），大大减少换刀次数和刀具磨损补偿停机所花费的时间。因此，很适合于数控机床及自动化程度较高的设备，并且能使设备的高效性能得到充分的发挥。

　　2.2.5 难加工材料加工

　　对于高温合金、不锈钢、钛合金等难加工材料，其他刀具材料加工寿命极低，而由于PcBN具有优异的性能，表现出突出的优势。如在石油电站设备中使用的高温合金耐磨铸铁，采用PcBN刀具较硬质合金刀具切削效率高4倍以上，单件成本下降为原来的1/5。因此，PcBN材料成为加工这些难加工材料的首选刀具材料。

　　2.3 PcBN干式切削淬硬钢加工

　　为了减少功耗，提高生产效率，在机械制造业中，越来越多的厂家利用PcBN刀具实现以车代磨、以铣代磨的工艺来制造零件，尤其是对淬硬钢的加工。由于加工淬硬钢时刀具刃口区要承受较大的切削压力，刀具易产生微崩刃而失效，导致刀具的使用寿命不稳定。

　　淬硬钢的加工有如下特点：

　　(1) 硬度高，强度高，硬度达到HRC50以上，强度可达到2600MPa。

　　(2) 车削淬硬钢时，刀尖须承受较大的冲击力，在切削过程中易引起切削震抖。

　　(3) 淬硬钢的导热系数小，切削热不易被铁屑带走，集中在刀具的刀尖切削部位。

　　(4) 淬硬钢切屑长，易缠绕和刮伤工件表面，因此刀片需要带有断屑槽结构。这些特性决定了淬硬钢属于难加工材料。目前，较先进的方法是采用PcBN刀具进行干式加工。

　　焊接式PcBN刀具由于切削温度较高而易掉刀头，切削力大，易崩层和产生微崩刃而失效。整体PcBN刀具易产生微崩刃而磨损，磨损的刀具在切削过程中切削力较大，磨损加剧，形成恶性循环。

　　制造均匀耐磨损和较小磨损的PcBN刀具是加工淬硬钢的关键。而cBN粒度采用1-5um的混合细颗粒，细颗粒又是制造均匀耐磨损和较小磨损的PcBN刀具的关键之一。

　　2.4 PcBN刀具车削硬Ni基高温合金切削性能

　　有关影响PcBN刀具加工Ni基高温合金切削性能因素的系统研究还比较少，为使其在该领域能推广运用，李庭科等人从刀具几何参数、PcBN材料、切削用量、切削工艺方面对切削性能的影响做了针对性研究。

　　2.4.1 刀具几何参数对磨损的影响

　　采用单因素方法，分别研究了刀尖圆弧半径(0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm)，负倒棱参数(--20度x0.1mm、--20度x0.2mm、--28度x0.1mm)对刀具磨损（每次切削20s，测量后刀面的磨损量）的影响，所得结果如图1和图2所示。

图1刀尖圆弧半径对磨损的影响

　　由图1可以看出，适当增大刀尖圆弧半径有利于散热，可使刀具磨损减小，且当圆弧半径超过0.8mm时，磨损的速率趋于平稳，可取刀尖圆弧半径为0.8-1.0mm。

图2负倒棱参数对磨损的影响

　　图2可以得出，切削时应选取较小的倒棱宽度0.1mm和较大的倒棱前角28度。倒棱的主要作用是增强切削刃，减小刀具的磨损。倒棱宽度若太大，会使切屑沿着倒棱流出，此时负倒棱起的是负前角前刀面的作用，会导致切削力增大，切削困难。适当增大倒棱前角，会使散热条件得到改善。

　　2.4.2 PcBN材质及切削参数对磨损的影响

　　采用3种不同牌号的PcBN刀具，测量在不同切削速度下，切削20s时后刀面的磨损，结果如图3所示。

图3不同切削速度下磨损的对比

　　由图3可直观看出，在相同的条件下，DBW83的磨损量最小，BZN6000其次，BIN100磨损量最大。实验中发现，BZN6000和BIN100 在切削速度大于56m/min时，均发生了微崩刃和沟槽，DBW85 磨损均匀。

　　2.4.3切削工艺对磨损的影响

　　镍基高温合金。切削温度高，所以实验采用切，干切。两种不同的工艺，研究PcBN刀具的切削性能(切削20s时，测量其后刀面磨损量)，结果如图4所示。

　　图4干切刀具，磨损对比。

　　由图4可知，PcBN刀具切比干切磨损小，且减小幅度走。达40%-50%，这是由于切削液会带走一部分垃量使切削温度降低所致。从图4还可以看出，无论是在干切。还是切条件下DBW85的磨损均要小于BZN6000。