1.性能

　　由于cBN本身具有高热硬度、高热稳定性，以及满足加工效率、环保等要求，适用于干切削的PCBN刀具材料已成为当前研究的热点。不同粘结剂体系的产品性能不尽相同。研究证明，在影响PCBN材料性能的诸多因素中，结合是关键问题之一。本节将对以下问题做较为详尽的论述。

　　1.1 不同钛碳源和铝含量对cBN复合材料的影响

　　自蔓延烧结（SHS）技术，也称燃烧合成，相比常规工艺具有设备简单、反应时间短、能源消耗少等优点。

　　三元化合物Ti₃AlC₂是一种重要的陶瓷材料，兼具金属和陶瓷的多种优异性能，例如密度较低、熔点高，具有良好的导电性、导热性、抗氧化性和抗热震性，还具备可加工性。通过机械加工，可制备精密的陶瓷器件。相比传统的氧化物陶瓷结合剂，Ti₃AlC₂中含有元素Ti，因此会与cBN表面的硼、氮形成过渡层，从而使Ti₃AlC₂基体与cBN之间具有良好的把持力。

　　实验采用自蔓延烧结法，以Ti、Al、TiC、石墨粉和cBN为原料，制备钛铝碳基结合剂cBN材料，研究TiC源和Al含量对复合材料制备的影响。

　　在Ti–TiC–Al体系中添加25% cBN的压坯经自蔓延烧结后，XRD物相分析表明，样品中的主要物相包括TiC、Ti₃Al、TiAl、TiN、TiB₂和未反应的cBN。当Al含量较低时，三元相Ti₃AlC₂的衍射峰强度较弱，说明其生成量较少；随着Al含量增加，Ti₃AlC₂的衍射峰强度显着增强，表明其合成量随之提高。此外，XRD结果中还检测到TiB₂、TiN和AlN等物相，证实cBN在烧结过程中与Ti、Al发生了化学反应，生成了相应的硼化物和氮化物。

　　在Ti–Al–C体系中同样添加25% cBN进行自蔓延烧结，XRD分析显示，所有试样中均能明显检测到Ti₃AlC₂的特征衍射峰。与Ti–TiC–Al体系相比，该体系中Ti₃AlC₂的衍射峰更为清晰，且其强度随Al含量的提高而持续增强。当Al的原子比为1.27时，Ti₃AlC₂的相对含量达到最大值。

　　分析认为，低熔点的Al在烧结初期即可形成液相，促进Ti和C元素的扩散，并增大颗粒间的接触面积，从而加速Ti₃AlC₂的合成反应。同时，Ti与Al之间的放热反应释放大量热量，所形成的Ti–Al中间化合物进一步为Ti₃AlC₂的生成和晶体生长提供了有利条件。

　　在上述两个体系中引入cBN后，其组分中的B和N元素在高温下可与周围的Ti、Al发生互扩散，在cBN颗粒与基体之间原位生成TiB₂、TiN、AlN等硼化物和氮化物过渡层，有助于增强界面结合。然而，当使用较大粒度的cBN时，其颗粒会部分阻碍其他原料之间的物质扩散，导致反应速率降低，整体烧结动力学过程有所减缓。

　　1.2 共价键化合物结合剂烧结及性能的研究

　　本研究旨在基于热力学和非化学计量比TiN缺陷结构理论，探究TiN₀.₃/AlN复合材料与Al之间的反应机理，希望通过调控界面结构特征，改善TiN₀.₃/AlN复合材料的结合性与韧性，使其更适合作为干切削用PCBN刀具的结合剂。

　　界面结构显示，反应区包括一个靠近Al的层状结构，其中AlN分布于TiN基体相中。从AlN到TiN₀.₃，基体相中Al的组成呈梯度变化，可表示为：Al / TiN + TiN + Al / TiN₀.₃。

　　AlN扩散界面处的元素面分布证实了各反应区域的组成。

　　对TiN₀.₃/AlN复合结合体在不同高温高压条件下烧结后的样品进行显微观察发现：在较低温度下烧结时，材料呈现较为均匀但未充分反应的微观形貌；随着烧结温度升高，界面反应显着增强，原始添加的AlN相逐渐分解，并被新生成的AlN颗粒所取代——这些新生AlN颗粒倾向于呈环状排列，将TiN相包裹于中心，形成一种核–壳型有序结构。然而，当烧结温度进一步提高时，该有序结构因过度反应或晶粒粗化而遭到破坏，导致界面清晰度下降，组织趋于不均匀。

　　1.3 Al添加量对cBN复合片显微结构和性能的影响

　　PCBN复合片的结合相包括金属、陶瓷和金属陶瓷等，如Al、AlN、TiN、Ti(C,N)等。由于Al熔点较低，熔融后能与cBN反应生成陶瓷相AlN，而AlN具有高硬度、高导热率，且热膨胀系数与cBN相近，有助于制备高性能PCBN复合片。因此，在制造PCBN复合片时添加Al粉成为研究重点。

　　许红亮等人以cBN、Al粉和硬质合金为原料，通过高温高压烧结制备复合片，并对其XRD、SEM和力学性能进行了分析，发现：

　　（1）复合片XRD图谱中出现两种晶相的衍射峰，说明在高温高压条件下，Al熔融后与cBN发生如下反应：Al + BN → AlN + B，从而形成AlN。AlN的衍射峰强度随Al添加量的增加而增强，表明Al含量相应提高。

　　（2）复合层中的cBN晶粒（呈黑色）分布均匀，说明所采用的湿法混料工艺达到了均匀混合的目的。

　　（3）力学性能与Al添加量密切相关。随Al含量增加，硬度先升后降，存在最优值。

　　1.4 不同组分cBN–TiC–Al材料对PCBN性能的影响

　　要获得高强度、高耐磨性的PCBN烧结体，必须严格控制金属相与陶瓷相的含量。配比是否准确、所选结合剂是否混合均匀，是生产高质量PCBN的关键因素。

　　由不同TiC/Al比例粘结剂制备的PCBN复合片的SEM组织显示：cBN颗粒均匀分布，灰黑色、白色与灰色区域各自形成网络状致密结构，未出现粘结相或cBN的局部富集现象。

　　不同颜色区域对应不同物相：白色区域主要含Ti和C元素，以TiC为主；灰色区域以Al元素为主，可能为AlN或AlB₂等；深灰色区域为cBN。

　　1.5 多晶PCBN性能影响因素浅析

　　1.5.1 基底的选择及影响因素

　　常用基底材料为硬质合金，由WC/TiC/TaC颗粒与结合剂（Fe、Co、Ni等）混合烧结而成。以Co为结合剂的WC–Co体系是最常用的基底材料。其耐磨性随晶粒尺寸减小、Co含量降低而提高；抗冲击性能则随晶粒尺寸增大、Co含量增加而增强。可通过调整WC晶粒尺寸和Co含量，获得所需性能的硬质合金基底。

　　1.5.2 结合剂的选择

　　目前国内外PCBN结合剂主要有三种类型：

　　（1）金属及金属合金结合剂

　　金属结合剂应满足PCBN刀具切削性能需求：

　　主要元素应从Fe、Ni、Co中选择，占结合剂质量的40%–50%；

　　合金元素应从Cr、Mo、W、Ta、Y、Nb、Ti、Zr、V、Hf、Al中选择，占5%–60%；

　　微量元素可从C、Mg、S、Si、Cu、P、B、N、Sn中选择。

　　（2）陶瓷结合剂

　　如元素六公司采用以陶瓷为主的多种结合剂，包括碳化物、氮化物、CN化物、烧结CN化物等合成PCBN。

　　（3）金属陶瓷混合结合剂

　　纯金属结合剂合成的PCBN韧性好，但高温下易软化，硬度和耐磨性差；纯陶瓷结合剂虽能解决高温问题，但韧性差，易崩刃，寿命短。金属–陶瓷混合结合剂可兼顾两者优点，弥补各自缺陷。

　　cBN粒度的选择

　　研究表明，混合粒度优于单一粒度，且粒度范围宽的混合效果优于范围窄的。这是因为cBN粒径直接影响PCBN的韧性：粒径越大，抗机械磨损能力越强，但抗破损性能越弱，刀具刃口锋利性越差。混合粒度可有效改善晶粒堆积状态，提高堆积密度，使结晶更完整。

　　推荐采用粗细晶粒混合方式：粗晶粒尺寸10–300 μm，细晶粒0–10 μm，粗细比例约为3:1。也可采用多种粒度混合。结合剂粒度宜控制在0.001–0.15 mm。

　　厚PCBN层不仅合成困难、成本高，且易产生裂纹、内应力等缺陷，导致使用中崩刃。可采用双层或多层结构实现厚尺寸PCBN。基底与cBN结合面可为光滑面，也可为带条状凹槽的粗糙面。

　　1.6 钎焊PCBN磨粒微破碎形貌分形分析

　　PCBN磨粒在磨削过程中因破碎而产生的磨损行为，是影响磨削加工质量的关键因素。

　　研究者借助三维扫描电镜和扫描电镜，观察特定条件下PCBN磨粒的磨削过程，采用图形重构方法，基于分形理论分析磨削后磨粒的磨损形貌。

　　分形维数是一个定量指标，用于表征几何形状的复杂程度。通常，分形维数越大，外形越复杂，细节越丰富。

　　针对PCBN磨粒，尝试采用分形维数评估其在磨削中的磨损形貌变化：

　　当磨粒以磨耗或大块破碎为主时，顶部形成平坦表面，轮廓规则、细节少，分形维数较小；

　　当磨粒发生微破碎时，轮廓空间复杂、不规则程度高，分形维数较大。

　　1.7 不同牌号cBN多晶硬度研究

　　以国内外不同牌号PCBN为样本，通过数字式显微硬度计和扫描电子显微镜进行硬度与微观结构分析。

　　结果表明，不同牌号PCBN的显微硬度存在明显差异，主要受cBN含量、粘结剂类型及晶粒尺寸分布影响。高cBN含量样品（如DBW85、BN700）硬度显着高于低含量牌号（如DBC50、BN250）。同时，混合粒度结构有助于提升致密度，从而提高硬度值。

　　1.8 立方氮化硼复合片的界面及性能特点

　　PCBN复合片通常由硬质合金基底与cBN混料在高温高压下直接烧结而成。尽管初始界面经磨平处理接近平面，但电镜观察显示，cBN切削层与硬质合金基体间存在明显的物质相互渗透，实际界面呈非理想平面形态。

　　这种渗透行为受合成温度、压力、保温时间、接触面积及材料成分共同影响，是决定结合强度的关键。由于cBN层与硬质合金的热膨胀系数和弹性模量存在显着差异，服役过程中应力集中易导致裂纹或脱层，失效位置多集中于cBN层内距界面约0.1 mm处。

　　因此，提高结合强度的核心在于促进两相间的有效渗透。三类硬质合金均可作为基体，但优选弹性模量高、与cBN化学亲和性好的牌号。

　　1.9 用Si₃N₄晶须结合剂合成PCBN组织结构的研究

　　采用W10和W5金刚石研磨剂在抛光机上对样品进行精细抛光后，进行显微组织分析。结果表明，PCBN材料组织均匀，cBN颗粒在粘结剂中分布致密，未见明显孔隙或团聚现象，表明制备工艺良好。

　　此外，所引入的Si₃N₄晶须呈典型的板条状形貌，该结构有助于阻碍裂纹扩展，从而有效提升PCBN复合材料的强度和断裂韧性。

　　1.10 影响PCBN材料性能因素的研究

　　（1）温度对PCBN切削刀具显微硬度的影响

　　当合成时间和压力一定时，随温度升高，复合片硬度先增后趋于稳定。过高温度可能导致脱层或金属线析出。

　　（2）合成压力对PCBN耐磨性和导电性的影响

　　当合成温度和时间一定时，随压力升高，耐磨性增加，但达一定值后趋于稳定。适当提高压力可使PCBN致密化更彻底，孔隙减少，cBN颗粒排列更紧密。

　　根据粉末压制理论，压力越大，孔隙收缩越明显，材料越致密。致密化程度提高不仅增强耐磨性，也改善导电性——因导电网络更连续。这对电火花切割加工有利。

　　（3）碳氮化钛对PCBN复合性能的影响

　　PCBN韧性较差，切削中易崩刃，限制其推广应用。

　　Ti(C,N)兼具TiC和TiN优点：高熔点、高硬度、良好导热性、导电性和化学稳定性。在Ti(C,N)/Al₂O₃复合陶瓷中，两相颗粒相互交织，抑制晶粒长大，起到增韧补强作用，提升力学性能。在金属陶瓷刀具中，Ti(C,N)可显着提高抗弯强度和断裂韧性，并在高速切削中保持良好红硬性和较低摩擦系数，获得优良表面光洁度。

　　（4）Co对PCBN复合片烧结及性能的影响

　　实验发现，Co可显着降低高cBN含量复合片的烧结能耗，并大幅降低电阻，使其适用于线切割加工，提高可加工性。

　　成分与组织决定性能，故研究PCBN内部结构至关重要。

　　观察发现，Co含量高于添加量，且检出配方中未添加的W元素。这表明W、Co从硬质合金基体渗入cBN层孔隙中。高cBN含量复合片中W、Co渗透量大于低含量样品，可能与合成工艺有关。

　　Co作为金属结合剂，可促进PCBN烧结，与cBN及其他粘结剂形成固溶体，提高烧结强度。在一定范围内，PCBN抗弯强度随Co含量增加而提高。因此，高cBN含量复合片因Co渗透更多，其强度高于低含量样品。

　　（5）不同粘结剂组分对PCBN结构及性能的影响

　　PCBN材料按结构可分为带硬质合金基底的复合片和无基底的整体片。整体片经倒角、刃磨后可直接用作刀片。

　　整体刀片克服了复合片焊接失效导致刀头脱落的风险，具有多个切削刃，降低单刃成本，在机械性能和导热性方面表现优异。使用寿命结束后还可降级再利用，具有重要现实意义。

　　应用中应根据加工对象选择合适的cBN粒度、含量和粘结剂种类：

　　cBN粒度越细，耐磨性越高；细粒度增加晶界面积，提高结合强度和抗裂纹扩展能力；

　　cBN含量越高，硬度和耐磨性越高；

　　不同粘结剂适用于不同应用场景。

　　（6）cBN粒度及组装方式对PCBN性能的影响

　　cBN粒度选择原则详见1.5节。此外，组装时“存气室”高度需适中：过小则气体难排出，PCBN表面易出现针眼、气孔；过大则高温烧结时熔盐易渗入Mo杯，腐蚀硬质合金基体和cBN层，影响性能。只有高度适中，才能既有效排气，又防止熔盐渗入，确保产品外观无缺陷。

　　2.应用

　　随着机械制造业高速发展，难加工材料广泛应用，对刀具提出严峻挑战。研发耐磨性好、热稳定性高、抗冲击性强的超硬切削刀具成为必然趋势。高效加工、硬态加工、干式加工、超精密加工及新型难加工材料加工，是刀具行业发展方向。

　　cBN刀具因其在加工高硬度黑色金属方面的独特优势，成为实现精密与超精密加工的必备工具。

　　cBN硬度和热导率仅次于金刚石，热稳定性极佳——在大气中加热至1000°C不氧化，且对黑色金属化学惰性强。作为刀具材料，cBN兼具高硬度、高稳定性与化学惰性，单晶解理噼裂倾向大大降低，切削中磨损连续露出新鲜刃口，广泛应用于高速切削、硬态切削、干式切削和绿色加工。

　　本节将对以下应用问题做详尽论述。

　　2.1 绿色低碳经济与PCBN刀具

　　绿色制造强调节能、节材、低污染、环保。消除切削液不良影响的最有效方法是干切削。相比湿切削，干切削可大幅提高生产率。

　　干切削的前提是：在较高切削温度下，工件材料强度显着下降。许多场合可实现“以车代磨”“以铣代磨”，获得高精度和良好表面质量。

　　2.2 PCBN——难加工材料的首选刀具材料

　　2.2.1 高速切削可提高效率，缩短加工时间，降低成本。

　　2.2.2 提高加工柔性

　　通过改变切削刃几何形状和走刀路径，可加工复杂工件。切削效率高、时间短、成本低；切削热较少，表面不易烧伤或产生微裂纹，有利于保持关键工件表面完整性。硬态切削无需冷却液，避免环境污染。

　　2.3 PCBN干式切削淬硬钢加工

　　为节能增效，越来越多厂家采用PCBN刀具实现“以车代磨”加工淬硬钢。但淬硬钢切削时刀具刃口承受高压，易微崩刃，寿命不稳定。

　　目前先进方法是采用PCBN刀具干式加工。

　　研究表明，随磨耗比和硬度增加，PCBN材料致密度和耐用性并未同步提高，因此不宜以磨耗比和硬度作为衡量PCBN切削性能的唯一指标。

　　2.4 连续与断续切削硬钢

　　淬火钢广泛应用于机械制造，其硬度高、强度大、导热差、切削温度高、易崩刃，属典型难加工材料。在加工材料中占比高，市场潜力大。此类加工通常选用低cBN含量PCBN刀具。

　　为验证PCBN耐冲击性，对三种刀具进行断续车削实验：完成3趟车削（断续冲击超4万次）即视为抗冲击韧性良好。

　　一般而言，PCBN强度随cBN含量减少而降低。随切削行程增加，后刀面磨损逐渐增大，但各阶段磨损速率略有差异。

　　2.5 PCBN刀具车削硬态Ni基高温合金的切削性能

　　适当增大刀尖圆弧半径有利于散热，减小刀具磨损。当半径超过0.8 mm时，磨损速率趋于平缓。推荐刀尖圆弧半径R = 0.8–1.0 mm。

　　2.6 PCBN断续车削硬钢的实验研究

　　在连续切削（v = 80 m/min）中，A、B刀片均可切削5500 m以上；弱断续条件下仅约1000 m；强断续条件下仅250–450 m。说明断续方式严重影响刀具寿命。

　　连续切削中切削力恒定；断续切削中存在切入/切出过程，切削力大小和方向剧变，极易导致刀具损坏。

　　断续条件下，刀具寿命随切削速度升高而降低：

　　v = 120 m/min → 切削约1000 m；

　　v = 150 m/min → 500–750 m；

　　v = 180 m/min → 250–450 m。

　　强断续冲击强度约为弱断续的4倍，刀具寿命随断续强度升高而显着下降。

　　2.7 整体PCBN刀具在发动机缸体加工中的应用

　　发动机缸体粗铣六大面是效率最低、成本最高的工序，传统采用涂层硬质合金面铣刀。

　　西南某发动机厂为提效降本，采用郑州博特公司自主研发的整体PCBN刀片，高进给干式粗铣合金铸铁缸体顶面，取得满意效果。

　　不同牌号PCBN刀具寿命差异显着，主要由性能决定：高cBN含量刀具（如DBW85、BN700）硬度高、抗磨损能力强；Co、Al粘结剂改善韧性和导热性，使高速切削时切削力小、温度低，机械与粘结磨损小，寿命长。

　　2.8 PCBN刀具干切削ADI时切削力与寿命研究

　　（1）四种刀具断续切削ADI时，径向力F最大，主切削力Fc次之，轴向力Fa最小。三向力随速度变化趋势相似，故以径向力F为研究对象。

　　不同成分PCBN刀具切削力特性不同：

　　低cBN含量刀具（DBC50、BN250）：切削力随速度增大而增大，且DBC50 > BN250；

　　高cBN含量刀具（DBW85、BN700）：切削力随速度变化复杂——

　　v < 100 m/min：切削力随速度增大而增大；

　　v 继续增大：切削力减小；

　　v > 150 m/min：切削力再次增大。

　　表明PCBN成分对刀具性能影响显着。

　　（2）冲击力与准静态力之差（定义为“冲击幅值”）可真实反映切入/切出瞬间冲击大小。差值越大，越易崩刃。

　　实验发现：冲击力随速度先增后减。原因在于：

　　低速时，ADI硬度高，转速增大导致冲量增大，冲击力上升；

　　高速时，因ADI导热差，刀–屑接触区温度急剧升高，接近软化点，材料软化、弹性压力减小，摩擦系数改变，冲击力反而下降。

　　（3）刀具寿命差异仍由性能决定：

　　DBW85、BN700：高硬度、高耐磨、Co/Al改善韧性与导热，高速下磨损小、寿命长；

　　DBC50、BN250：以TiC/TiN为粘结剂，耐高温但抗冲击差，高速断续切削易崩刃，磨损快、寿命低。

　　2.9 PCBN刀具干湿切削淬硬钢时的磨损对比

　　通常以刀具后刀面磨损量（VB）作为寿命判据。

　　（1）cBN含量对寿命的影响：

　　在干切或湿切、切削行程0–1500 m阶段，PCBN50、60、70三种刀具磨损量相差不大，但总体趋势为：在特定切削条件下，cBN含量越低，后刀面磨损略小。

　　（2）切削方式对寿命的影响：

　　以PCBN50为例，干切3000 m时VB = 0.29 mm；湿切时VB = 0.20 mm。因切削液具润滑与清洗作用，磨损较小。

　　2.10 PCBN刀具干切削硬钢表面完整性研究

　　干切削工件表层的显微组织分析表明，其横截面可划分为四个特征区域：

　　（1）白层；

　　（2）白层下方为黑层（亚表层）；

　　（3）黑层下为约10 μm厚过渡带；

　　（4）基体组织。

　　随刀具磨损加剧，白层与黑层厚度增加。而湿切削因冷却作用，切削温度低，仅表层轻微受影响，白层薄且模煳，与基体差异小。表明冷却液可有效抑制白层形成并减少表层缺陷。

　　2.11 不同PCBN刀具车削硼铸铁的对比研究

　　汽缸套多采用硼铸铁离心铸造，要求A型石墨分布，具有高耐磨性与力学性能，属难加工材料。加工含P、Cu的石墨铸铁对刀具寿命、粗糙度和切削速度提出挑战。

　　负前角对切削温度和后刀面磨损影响显着。采用钝化处理或特殊刀具结构可降低切削温度，延长刀具寿命。

　　2.12 不同结合剂PCBN刀具切削钛合金TC4的性能研究

　　钛合金比强度高、抗氧化、耐热、热稳定性好，广泛应用于航空航天（飞机结构占比从5%升至14%以上）、航天器、船舶、汽车、化工、医疗等领域。但其切削加工性差，限制推广。

　　难加工性主要表现为：

　　（1）切削温度高；

　　（2）单位面积切削力大；

　　（3）化学活性高；

　　（4）弹性模量小。

　　2.13 PCBN刀具在干切中的应用

　　干式切削随高温刀具材料进步而发展，指不使用切削液，依靠特定刀具与工艺获得理想效果。其机理是：高速切削产生集中热量，使切削区工件软化（屈服强度下降），从而提高效率。

　　PCBN具有高高温硬度与热稳定性，可采用高切削速度。切削热使工件软化，利于切削，同时保证刀具寿命。

　　切削温度主要受切削速度影响，其次为进给量（影响随进给增大而增强），背吃刀量影响也较大，且随工件硬度增加而加剧。

　　PCBN刀具加工各类材料均可获得良好表面粗糙度，远优于硬质合金刀具。

　　刀具磨损直接影响加工效率、质量与成本。PCBN干切削磨损是多种机制共同作用的结果，而非单一机理主导。

　　文 / 王光祖、王芸、秦宇