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CBN刀片的研究与应用
发布者:admin 发布时间:2016/9/23 15:38:12 阅读:394

聚晶立方氮化硼PCBN刀片是自然界
中硬度仅次于金刚石的矿物质(显微硬度达HV8100~9000)。对加工黑
色金属而言,PCBN 材料制造的刀片是硬度最高的。PCBN 系列刀片良
好的热红硬性,耐热性可达1500℃、抗氧化性和抗断裂韧性是其在切削加工中表现出极其突出的特性,目前陶瓷刀具、聚晶氮化硼PCBN刀具及各种涂层刀具在硬态切削中
得到了广泛的应用,而PCBN 刀具性能更胜一筹,它是能够满足硬态
切削要求的主要刀具材料,也是国内外公认的实现硬态切削、高速切
削和干切削等先进切削技术的理想刀具材料。
1. PCBN 刀具的发展
立方氮化硼(CBN)是纯人工智慧合成材料,是继人造金刚石之后国外GE公司宣布合成出新型超硬材料。PCBN 是由CBN 微粉与少量结合剂烧结而成的多晶体,它
自1973 年研制成功以来, 经过众多材料专家及刀具专家的努力,
PCBN 材料及其刀具已完全进入实用阶段, 在工业发达国家PCBN 刀
具已应用于汽车、重型机械等机械加工行业,不仅提高了这些国家该
领域产品在国际市场上的竞争力, 而且为它们带来了巨大的经济效
益。
PCBN 刀具的性能
由于CBN 晶体与金刚石晶体都属闪锌矿型,且晶格常数相近,化
学键类型相同,因而CBN 具有接近金刚石的硬度和抗压强度,又因为
其是由N、B 原子所组成, 因此具有比金刚石更高的热稳定性和化学
惰性。PCBN 刀具材料主要性能如下:
(1)具有很高的硬度和耐磨性。CBN 单晶的显微硬度为HV8000~
9000, 是目前已知的第二高硬度的物质,PCBN 复合片的硬度一般为
HV3000~5000。因此用于加工高硬度材料时具有比硬质合金及陶瓷更
高的耐磨性,能减少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性,尤其
适用于自动化程度高的设备中,可以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 陶瓷的常温硬度,因此,当切削
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) 具有较高的化学稳定性。CBN 具有很高的抗氧化能力,在
1000℃时也不产生氧化现象, 与铁系材料在1200~1300℃时也不发生
化学反应,但在1000℃左右时会与水产生水解作用,造成大量CBN 被
磨耗,因此用PCBN 刀具湿式切削时需注意选择切削液种类。一般情
况下,湿切对PCBN 刀具寿命无明显提高,所以使用PCBN 刀具时往
往采用干切方式。
(4)具有良 好的导热性。CBN 材料的导热系 数低于金刚石但大大
高于硬质 合金, 并且随着切 削温度 的提高,PCBN 刀具的导热系数不断
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。
(5)具有 较低 的 摩擦系数。CB N 与不同材料的摩擦系数在0.1~0.3
之间,大大 低于硬质合金 的摩擦系数(0.4~0.6),而且 随摩擦 速度及正压
力的增大 而略有减小。因此 低的 摩擦系 数及优良的抗 粘结 能力,使
CBN 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。
PCBN 刀具的磨损机理
通过对切削实验和刀具实际使用中磨损情况的总结, 目前认为
PCBN 刀具主要有以下几种磨损机理:
(1)机械磨损。切削加工时,刀具与工件之间的高速相对运动引起
剧烈摩擦,工件材料中的硬质点对刀具表面具有划伤作用,这种由机
械摩擦引起的刀具磨损是最常见的磨损因素之一。由于PCBN 刀具的
硬度相对被加工材料要高得多,因此其机械磨损并不明显,也是PCBN
刀具唯一可以接受的刀具磨损。
(2)粘结剂磨损。PCBN 刀具由CBN 晶粒与结合剂混合烧结而成,
切削加工时,作为粘结剂的陶瓷或金属首先被磨耗,从而使CBN 晶粒
凸出刀具表面而受力松动,直至剥落。
(3)氧化磨损。在一定条件下,CBN 可与 氧发生化学反应,氧 置换
出CBN 中的氮,并生成B2 03,氧化的 结果造 成CB N 晶体晶面 凹陷、晶
棱缩小,使 刀具产生"钝 化"现象。CBN 在6 50℃时 开始氧化 (此时有N2
释 出),在1 03 5 ℃时氧化加剧,其化学反 应式为:4BN(CBN)+3O2→2N2↑
+2B2 O3,水在高温下也 可与CBN 发生反应 ,其化学反应式为:BN(CBN)
+3H20→H3BO3+NH3,由于这种“水解 ”作用可导 致 CBN 磨损,因此采用
PCBN 刀 具切 削时一 般应避 免使用水 基切削液。
(4)逆 转化(相变)磨损。CNB 在1 234℃时会 发生CBN→HBN(六方
氮化硼)的逆转化,这种转 化起始于晶界微晶区,已转化 为HBN 的部
分因硬 度极低而失去切削能力,极易被高速 运动的“热切屑流”带走,
从而导致PCBN 刀具磨损, 这种磨损称为 逆转化磨损(也 称 相变 磨损)。
(5)化学磨损。PCBN 刀具在高温、高压、高速 条 件下进行切削加
工时,刀具工作 层与被加 工材料及周围介 质发生化学反应,当反应生
成物被熔化后,在刀具前刀面上将形成一层液态薄膜,其成分主要为
化学反应生成的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等(如B2O3、Fe、FeB2
共晶体),另外还有一些金 属基 化合物,这种 液态 薄 膜对PCBN 刀具的
磨损具有较大影响,当切 削速 度较低时,液态 薄膜的 粘度 较大,易被切
屑 粘结带走,因此 刀具磨 损较 为严 重,当切削 速度较高时,切削 温度较
高,液 态薄膜动力粘度 下降,对刀一屑 间 的摩 擦 可起到明 的作用 ,防止
成分扩散和化学磨损的进一步发展,故 刀具磨损较小。
(6)扩 散磨损。CBN 对铁族 元素(Fe、Ni、CO 等)具有很强的化学惰
性,有研究表明:在CBN 晶粒与电解铁的扩散实验中(1310℃,加热
30min) 未发现两者之间相互扩散; 在PCBN 与5 5 钢的扩散 实验中
(1200℃,加热30min)发现,CBN 聚 晶后,刀具中的B、CO 向Fe 中有少
量扩散,另外通过加热实 验表 明:TNI 基、TIC 基PCBN 刀具中的Al 与
被加工材料中的Ni 发生了扩散;CO 基PCB N 刀具中 的C, 与被加工
材料中的Ni 也发生相互扩散;若刀具材料中含有Ni,则扩散 磨损更为
严重。
(7)粘结磨损。虽然CBN 对铁族元素具 有较高化 学惰性,但对其
它元素并非 如此。PCBN 刀具在一定压力和温度条件下进行切削时,
随着切屑不断流出 ,刀尖 与被加工材料均不断裸露 出新鲜表面,不可
避免地要产生元 素 间的相互 扩散,扩 散结果使CBN 的惰性不断降低,
与合金元 素 的 亲合倾向不断增加,并为粘结磨损创造 了条件,当双方
的相对运动 使粘 结区 材料 发生破 裂而被一 方带走时,就造成了PCBN
刀具的粘结磨损。
(8)郑州六方超硬材料引进国外先进烧结技术,能够在CBN刀片耐磨的基础上,增加了整体CBN刀片的抗冲击性能,使其在特殊的加工领域占领重要地位。

 
 

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