立方氮化硼

发布日期：2020-04-20

1. 绪言

1954年通用电器公司研发部门成功地合成了人造金刚石，此后于1957年又成功地合成了CBN。合成金刚石及CBN已成了不可或缺的研磨材料。现在由于超高压合成技术的进步，这些产品已在全世界大量生产。这种金刚石和cBN粉末通过在更大的超高压下烧结成所需的形状，生产出了全新的工具材料。时下这些被称之为PCD(金刚石聚晶)或PCBN(立方氮化硼聚晶)的超高压烧结工具材料用于切削工具、掘进工具和耐磨工具，不光是在机械加工方面，在其它方面也占有重要地位。

2. CBN烧结体工具材料的开发

2.1 CBN烧结体的种类

CBN的基本特性与用作其它的工具材料的物质的比较示于表。CBN的硬度和强度虽不如金刚石，但在高温下却更稳定，但高温下与铁系材料的反应也小。表一些硬材料的特征材料比重杨氏模量维氏硬度热量系数热膨涨系数金刚石3.5299790005.03.1CBN3.487145003.14.7WC15.8701700-24000.295.1TiC4.924632000.080.09Al₂O₃3.984230000.015-0.108.5

因而，对于钢和铸铁的磨削加工来说，相对于过去的磨料，高性能、经久耐用的cBN磨料具有更广泛的用途。

上世纪70年代，在超高压下对CBN进行烧结，研制出比硬质合金和陶瓷工具等性能更优的切削工具材料。通用电器用少量Co-Al合金作结合剂，进行了烧结体的研制开发。

在获取CBN聚晶体的试验中，若仅用CBN粉末为起始原料，在通常用于金刚石合成的5～6GPa个大气压的压力下无法进行烧结。因而，可用以下方法进行必要的降压处理：用六面体BN原料的情况下，在由六面体BN向立方BN进行相转移的同时进行烧结，及在冲击加压法合成的由微细的一次粒子组成的WBN(铅锌矿型BN)作原料时，在WBN向立方BN转移的同时进行烧结。用这些方法得到的烧结体硬度极高，但作为工具材料，还缺乏必要的韧性。这可能是向CBN的相转移不彻底或粒间的不纯物的影响所致。

另一方面，通用电器公司开发的CBN烧结体是以CBN粉末为原料，在超高压下，将WC-Co硬质合金和Al与CBN放置在一起，从而使CBN粉末在浸于Co-Al熔体的情况下烧结而成,CBN的含量约占容积的约85%。另外，Co-Al起到了六面体BN→立方BN的合成触媒的功能。烧结体中的Co-W-B-C系的化合物(与WC-Co硬质合金相类似)。该烧结体作为铸铁和耐热合金的切削工具，现在仍在广泛使用。但对淬火钢等钢的切削来说，其耐磨损性能尚未达到实用化的程度。
2.2 CBN-TiN(TiC)-Al系烧结体的开发

CBN在钢和铸铁的高性能磨削方面，也取得成功。但是，在用于切削加工时，在与被切削材料的反应和在高温下的稳定性方面仍存在问题，这是因为切削与磨削不同，切削刃将持续地暴露于高温之下。因而，住友公司以TiC、TiN等耐热性化合物为结合剂，进行了CBN烧结体的研发。

现以CBN-TiN烧结体为例，将这类材料的基本情况叙述如下。在制法上，将CBN粉末(平均粒径3µ以下)粉末按一定比例(CBN含量在烧结体中占30～80体积%)混合，脱气处理后，用超高压装置在压力约5GPa、温度约1400℃下进行烧结。将得到的烧结体焊接在硬质合金的基底上进行切削试验。

烧结体的硬度随cBN含量的增高而增大。但切削淬火钢时的工具寿命与CBN含量并不呈直线关系，而是在CBN含量在60体积%时寿命最长，而在80体积%时却大为下降。在切削这种含极高硬度成分的材料时，CBN含量高的烧结体磨损小。

夏本等曾对用CBN含量不同的CBN-TiN系烧结体切削淬火钢时的磨损特性发表了研究成果。据此研究，在切削HRC60的淬火钢时，CBN含量为60体积%的工具寿命最长。被切削材料硬度在HRC35以上的淬火钢时，被切削材料硬度越高，工具寿命越长。
2.3 CBN烧结体工具的应用

由于CBN-TiN(TiC)系烧结体的开发成功，使得过去要依赖磨削加工的淬火钢的切削加工成为可行。现在CBN烧结体工具最大的用途是汽车零部件等的淬火钢的切削。

近年来，cBN烧结体工具在铸铁高速切削方面的应用也引起了人们的关注。可以高速旋转的机械加工中心的开发成功，现已经可以将加工速度提高到1000m/min以上。在这种高速旋转条件下，工具的切削刃温度达到1000℃左右。像硬质合金这种具金属结合剂的工具因耐热性不足，寿命极短。因而需要用到耐热性优良的陶瓷或CBN工具。CBN工具的切削速度在1500m/min时工具寿命达到峰值。关于切削速度对工具寿命的影响问题，需考虑几个关键因素，新谷等就cBN工具切削刃的粘附物与工具寿命的关系作了分析。据研究，被切削材料铸铁中所含的Al以氧化物形式粘附于CBN工具的切削刃，对工具的磨损产生影响。

CBN烧结体工具作为淬火钢、铸铁、耐热合金及其它难切削材料的切削工具，市场范围正在逐渐扩大。另外，出于环保目的，也要求进行干式机械加工，或由磨削加工转变为切削加工。在此背景下，CBN烧结体工具越来越受关注。

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