郑州磨料磨具磨削研究所王光祖

　　河南凯纳精密工具有限公司 张奎 王福山

　　1．发展cBN多晶的重要的意义与价值

　　立方氮化硼（cBN）的出现，给加工淬硬铁族金属及合金带来了巨大的利益。然而，由于cBN的合成需要在超高压高温条件下实现，受到高压装置腔体的限制和合成技术方面的困难，要想得到高质量的大颗粒cBN单晶是十分困难的。通常，cBN单晶的尺寸都在0.5mm以下，即便是使用晶种-温度梯度法合成的大单晶，其尺寸也不过在3mm左右。这样小的尺寸只能直接应用于磨料、磨轮等方面。作为切削刀具，尺寸还太小。

　　其次，立方氮化硼单晶虽然很硬，但受晶体解理结构的影响，在某些加工应用中，即使是作为磨轮，其性能还是不够理想。在尚不能制造大到足以应用到切削工具方面所需的高韧性单晶的条件下，我们能否更好地解决这一问题呢？

　　应运而生的就是立方氮化硼多晶、烧结体及复合材料的运用。这些技术的出现，一是解决了cBN的尺寸问题，能够制造出颗粒尺寸在0.5mm至50mm的大块cBN材料；二是由于这些材料属于多晶组织，不存在解理问题，使cBN材料的韧性得到了大幅度的提高。正因为如此，多晶烧结体、复合材料技术得到了蓬勃的发展。

　　何谓cBN多晶材料和cBN微晶?

　　所谓cBN多晶材料是由许多细小的cBN单晶体相互联接，无规则取向的聚集体。它除了具有单晶材料的性质外，由于聚集体内单晶的无规则取向，克服了单晶材料的各向异性，在韧性等方面具有比单晶更优异的性能。

　　这里所说的cBN微晶是由无数的亚微米级单晶cBN构成的，尺寸在0.1~0.8mm的多晶磨粒。在微晶中，解理面是随机取向并形成相当致密的结构，这种结构具有在所有方向抗宏观破裂的高硬度和高耐磨性。

　　微晶立方氮化硼是美国通用电气公司于20世纪80年代推出的新产品，产品牌号为Borazon CBN550。该产品与单晶立方氮化硼相比具有以下特点：

　　(1) 磨粒由无数小于5μm的单晶立方氮化硼构成，避免了单晶的各向异性；

　　(2) 热稳定性可达1473K；

　　(3) 车削刃多，加工效率高，精度高；

　　(4) 自锐性；

　　(5) 磨粒尺寸大；

　　(6) 热稳定性仍然不低于单晶材料，可达1200℃；

　　(7) 多棱角形态增加了在制品中的把持力，切削刃增加，效率更高；

　　(8) 微晶尺寸比单晶大，可超过0.5mm，克服了高压装置合成大颗粒cBN的限制。

　　美国通用电气公司对单晶与微晶立方氮化硼进行对比，磨削M-2、M-4、T-15等难加工合金时，选择适当的结合剂与粒度，微晶立方氮化硼磨削效率通常是Borazon CBN-ll的2倍。

　　正是由于优于单晶的特性，使微晶cBN在工业加工中得到了广泛的应用。

　　在使用cBN砂轮磨削低碳钢、软质合金钢和韧性耐高温合金钢时，产生的金属屑比硬质合金要长，且宽而厚。为了继续切削，必须清屑并对砂轮进行修整。同时，由于这些金属屑的存在会使砂轮中的结合剂被浸蚀成坑，这些坑如果和磨粒大小相当时，会把磨粒从砂轮表面拉出而加速砂轮的磨损。如果为了避免上述现象而减少磨粒颗粒，又会大大降低磨削效率，这在经济上是不合适的。而cBN微晶的出现与应用可以恰当地解决上述问题。这是因为从整体来说，cBN微晶的粒径大，磨削效率高，形状不规则，把持力增大。从cBN微晶结构来看，组成cBN微晶的每个单晶粒径又是很小，不会产生长条的加工碎屑，每次磨损也在微晶的较小的尺度内。这样，利用cBN微晶在切削上述材料时，既有高的切削效率，又有较长的使用寿命，达到了两全其美的效果。

　　微晶cBN还有良好的热性能。在cBN单晶磨料中常存在残余的应力，由于这些应力的存在使单晶体在环境温度为700℃左右时破裂，这势必影响制品的寿命。对于微晶cBN的实验表明，cBN550磨料经1200℃高温后，其韧性不降低，这样不仅因晶体耐热不易破损使制品的使用寿命增加了，而且作为制品的制作，可以使用高温结合剂，这也是提高制品使用寿命的重要环节。

　　2．微晶的制造

　　制造微晶可以通过六方氮化硼和立方氮化硼烧结两种途径。经济可行的方法是在添加剂参与下由六方氮化硼转化制得。工艺流程如下：hBN与添加剂混合→合成→制粒→清洗→筛分→检测。

　　制造微晶所用的六方氮化硼要求杂质含量低，可通过约2273K高温对六方氮化硼进行处理，以除去杂质。同时，可选用高能纯度氮化硼添加剂，如Mg₃N₂、Ca₃N₂、Li₃N或AlN，用量要适中，用量过多或过少都会影响磨粒的质量，一般为3%~10%。

　　将处理过的六方氮化硼与添加剂混合均匀后组装，合成温度控制在1773~2273K，压力5~7GPa，合成时间5~30min。将合成所得到的微晶经过颚式破碎机制粒，按要求调节颚板间隙以得到不同粒度，然后进行清洗、筛分。

　　3．多晶cBN性质的影响因素

　　应用PcBN进行高速和干式切削会降低加工成本，但是与传统的硬质合金和陶瓷刀具相比，PcBN刀具的制备合成较为困难。PcBN刀具需要满足以下两方面的要求：

　　(1) PcBN刀具材料要系列化，以满足各种材料加工应用的需要。

　　(2) 在满足加工工件质量和一致性要求的前提下，尽量简化生产合成工艺，降低成本。

　　本节拟从基底的选择、结合剂的选择、CBN粒度的选择、合成工艺的选择等方面对聚晶立方氮化硼(PcBN)性能影响进行介绍。

　　3.1 基底选择

　　聚晶立方氮化硼(PcBN)是以硬质合金为基底，在上面铺放一层cBN单晶细粉加结合剂，经高温（1400-2600°C）、高压（7-9GPa）压制烧结而成的聚晶刀具。在PcBN刀具的研究中，一般集中在如何提高PcBN层的使用寿命和PcBN层与基底之间提供合适的中间层上，而较少关注基底的性能。事实上，基底对PcBN性能有很大的影响作用。例如，PcBN层内部的微裂纹有可能在加工过程中扩展进基底，如果基底的性能好可以阻止裂纹的扩展，进而提高刀具的使用寿命。

　　常用的基底材料是硬质合金，是由WC、TiC、TaC颗粒加结合剂（Fe/Co/Ni）混合后烧结而成。其抗磨性能随着晶粒尺寸的减小和钴含量的降低而提高，而抗冲击性能则随着晶粒尺寸的增大和钴含量的增加而提高。可以通过调整WC晶粒的尺寸和钴含量来获得所需的硬质合金基底。除了关注基底的机械性能外，还要特别注意其热性能，如热导率、抗热疲劳性能等。

　　通过试验发现：

　　(1) 晶粒尺寸大的WC基体材料的抗热疲劳性能高。

　　(2) 热导率随晶粒尺寸的增加和钴含量的降低而升高。

　　(3) 粗晶粒、高钴含量的基底抗摩擦性能和断裂韧性均有所提高。

　　因此，要获得机械性能、热性能良好的基体材料，WC晶粒尺寸应保证在7-9μm，杂质含量应控制在0.01%以下。钴含量应保持在10%-16%之间。

　　3.2结合剂的选择

　　由于单晶cBN粒度小，且存在易劈裂的解理面，因此在工业上大多是聚晶的PcBN用作切削刀具。PcBN是由无数细小的无方向性的cBN单晶和结合剂构成。根据体系中是否加入结合剂，可以分为有结合剂的PcBN和纯PcBN。cBN单晶表面有一层致密的氧化硼薄膜，阻碍了CBN晶粒的直接键合，所以很难得到高强度的纯PcBN，因此在聚合的过程中需要加入多种结合剂材料以加强cBN晶粒间的连接。

　　目前国内外PcBN结合剂有三种类型。

　　3.2.1 金属及金属合金结合剂

　　金属结合剂的选择应满足PcBN刀具切削加工性能的需要。

　　第一，结合剂元素应从Fe、Co、Ni中选择，其含量应占结合剂的40%至50%；

　　第二，结合剂应从Cr、Mo、W、La、Ce、Y、Nb、Ta、Zr、V、Hf、Al、Ti中选择，其含量应占结合剂质量的50%至60%之间；

　　第三，微量合金元素应从C、Mg、S、Si、Cu、P、B、N、Sn中选择。选择的原则是在保证cBN晶粒牢固结合的同时，形成超耐热合金，保证PcBN刀具的高温性能（其中Ti合金是比较好的选择）。同时，为了保证PcBN刀具的高硬度、高耐磨性，cBN的含量应不低于70%，最好在75%至85%之间。cBN的平均晶粒尺寸应与基底的晶粒尺寸相当，为9um左右。另外，在结合剂中可以添加不多于5%的稀土氧化物，以提高PcBN的抗磨损性能。

　　3.2.2陶瓷结合剂

　　陶瓷结合剂一般包括：金属氧化物，元素周期表里的第四、五、六副族元素的碳化物、硼化物、氮化物、氧化物等，如Al₂O₃、TiN、TiC、TiCN、AlN、AlB₂、AlCN等。陶瓷相虽然耐高温，硬度高，但存在脆性大的缺点，可采用增韧的方法来改善以陶瓷结合剂为主的PcBN刀具的抗冲击性能，如晶须的增加、相变增韧、添加微量的稀土元素等。其中ZrO₂相变增韧，Si₃N₄、SiC晶须增韧是比较有效的方法。

　　据陶瓷晶须增韧的机理，应选择弹性模量、膨胀系数小于或等于基体材料的晶须。由实验得知，SiC晶须和Si₃N₄晶须的弹性模量、膨胀系数都比较接近cBN，因此都是较为理想的PcBN刀具的增韧材料。

　　3.2.3 金属陶瓷混合结合剂

　　由金属及其合金组成的金属结合剂合成的PcBN具有良好的韧性，但在高温高压条件下结合剂容易软化，而且硬度低，耐磨性差。纯陶瓷结合剂虽然可以解决这些问题，但合成的PcBN韧性、抗冲击性能差，刀具在使用过程中易崩刃，寿命短。由陶瓷和金属组成的混合结合剂可以弥补两者各自的缺点。

　　以金属陶瓷结合剂合成PcBN，发现以Al+Ni+Ti(C,N)+Co为配方合成的磨耗比和冲击韧性最好。Ni和Co在烧结过程中处于熔融状态，生成新的物相，将Ti(C,N)包裹起来，提高了PcBN的结合强度。其中Co和Ti(C,N)的百分含量对PcBN的性能具有重要影响。当Co的百分含量由3%增加到5%时，其磨耗比同比增加19%左右，冲击韧性增加了30%左右，硬度增加14%左右；当Ti(C,N)的百分含量由1.5%增加到3%时，其磨耗比增加了6%左右，抗弯度增加了12%左右。

　　通过XRD研究发现，在烧结过程中Co完全处于熔融状态，和cBN发生化学反应生成了Co₀.₄₇N和Co₂B等新的物相，将Ti(C,N)包裹起来，界面结合较为牢固，从而形成致密网状结构，提高烧结体的致密性。少量的WC加入可以与TiC和TiN形成固溶体，提高PcBN的综合性能，但加入量不宜过多。

　　3.4 cBN粒度的选择

　　有研究表明，cBN混合粒度比单一粒度效果好，混合粒度中范围宽的又好于范围窄的。这是因为cBN粒径的大小直接影响PcBN的韧性：粒径越大，抗机械磨损的能力就越强，但其抗破损性能就越弱，制作的切削刀具的刃口锋利性就越差。混合粒度可以有效地改善晶粒的堆积状态，晶体的堆积密度越大，合成时结晶越完整。

　　3.5 合成工艺的选择

　　加热方式除可以直接采用电加热，还可以采用放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS），放电等离子烧结也称之为脉冲电流烧结（Pulsed Electric Current Sintering, PECS）和场辅助烧结（Field Assisted Sintering Technique, FAST），是一种快速、低温、节能、环保的材料制备加工新技术。该技术是在加工颗粒之间直接通入直流脉冲电能，由颗粒内部产生的焦耳热导致颗粒内部与表面产生几百到千度的温差，实现烧结颈的形成、扩展和致密化，其消耗的电能只有传统烧结工艺（如无压烧结PLS、热压烧结HP、热等静压HIP）的1/5-1/3。SPS技术具有热等静压技术无法比拟的优点：

　　(1) 烧结快速（一般材料烧结致密化时间只需0-10min，而HP和HIP需要120-300min）；

　　(2) 烧结温度低（与HP和HIP相比，烧结温度可降低200-300°C）；

　　(3) 烧结机理特殊（粉末内部加热，电场、磁场作用）；

　　(4) 操作简单方便，不像热等静压那样需要十分熟练的工人和模套技术；

　　(5) 设备占地面积小，自动化程度高，工艺流程短；

　　(6) 无需粉末预成型，可以直接烧结成致密体，特别适合于球形、非晶、纳米等特种粉末致密材料的制备；

　　(7) 通过模具的特殊设计，可以轻松实现超高压烧结和温度梯度的烧结，因此，SPS技术非常适合烧结合成PcBN刀具材料。

　　4．应用的技术领域

　　各向同性的PcBN（聚晶立方氮化硼）是理想的刀具材料，被广泛应用于汽车、航空、航天等领域。聚晶立方氮化硼（polycrystalline cubic nitride, PcBN）是以cBN微粉为骨架，采用结合剂为黏结材料，在超高压高温条件下烧结而成的复合材料。它克服了cBN单晶加工的缺点。LIU等通过分析试验对比了不同结合剂PcBN刀具磨削效果的影响，得出陶瓷基PcBN刀具是最适合的刀具。

　　PcBN是1970年出现的新型高性能超硬刀具材料，为硬切削、干式切削、绿色加工等现代加工技术开拓了广阔的应用前景，已经成为黑色金属高速、高效和高精度加工的最佳工具材料。对于PcBN刀具来说，要求高速硬切削用PcBN刀具材料不仅具有良好的耐热性能（耐热性、抗氧化性），同时还特别要求PcBN刀具材料具备良好的高温力学性能、抗热冲击性以及刀具长的使用寿命和高安全可靠性。

　　除了要求材料本身的性能之外，对于PcBN刀具材料的几何角度设计也至关重要。PcBN刀具的切削性能主要包括刀具寿命和工件已加工表面质量两个方面，而合理的结构参数和较优的切削工艺条件对切削时金属的变形、切削力、切削温度和刀具磨损都有显著影响，可以在达到加工质量和刀具寿命的前提下提高切削加工的生产效率，改善加工质量，降低企业的生产成本。

　　德国Becker金刚石公司推出一种PcBN可转位刀片，PcBN含量达95%，在车削如烧结金属、铸铁、钛合金时刀具寿命可提高30%-50%。该刀片还可用于加工特别硬而韧的材料（如Stellite 20）。

　　PcBN刀具应用于干态切削，采用以车代磨等先进切削加工工艺，既可节省设备投资、提高生产率，又可大大增加加工工艺过程的柔性。另外，由于21世纪人员费用增大及环境保护方面的要求，大力推广使用PcBN刀具，充分发挥其潜在效能具有重要意义。通过对PcBN刀具硬态切割过程及机理的不断深入研究，PcBN刀具必将发挥越来越重要的作用。