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PCBN刀片的研究制造現狀及發展

文字:[大][中][小] 2011-10-11

現代切削技術正向著高速度、高精度、高效率的方向發展,與此同時,切削技術對刀具性能的要求也越來越高。聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride,PCBN)作為利用人工方法合成的硬度僅次于天然金剛石的新型刀具材料,是目前高速切削鐵系金屬最合適的刀具材料。   聚晶立方氮化硼(PCBN)于上世紀由美國GE公司首先研制成功,由于PCBN材料具有高的硬度和耐磨性、很高的熱穩定性和高溫硬度、優良的化學穩定性以及較好的導熱性和較低的摩擦系數,因此PCBN刀具自問世之初就受到美國、德國、英國、日本等工業發達國家的重視。經過30多年的發展,國外對PCBN刀具的研究已基本進入成熟階段,產品也向多樣化、系列化方向發展。我國也有不少單位和學者從事PCBN刀具的開發和研究,但與國外相比,無論在PCBN材料的合成還是刀具切削性能的研究方面都有所滯后。  PCBN刀具作為21世紀的主要換代刀具之一,在工業發達國家工具使用總量中所占比重越來越大。美國GE公司認為,在工業化國家,PCBN刀具材料將有6.2億美元的市場。我國機床工具行業的“十五”規劃重點是發展數控機床及其配套部件,2005年國內PCBN刀片需求量已達到66.2萬片(折合為30mm的片)。根據市場調查和科學預測,我國PCBN刀具消費總值到2010年可達到5.4億元。      2 PCBN刀片的研制      從1957年美國GE公司研制出立方氮化硼(CBN)單晶粉末、70年代研制成功PCBN刀具至今,經過30多年的發展,PCBN刀具已逐步趨于成熟。目前PCBN刀具多由PCBN刀片與刀桿或可轉位刀片焊接而成,近年來整體式PCBN刀片種類也越來也多。PCBN刀片是0.5mm左右的PCBN層直接燒結在硬質合金基體上形成的復合整體。這種材料既具有PCBN的高硬度、高熱穩定性和高的化學穩定性,同時又具有硬質合金強度好、可焊性好的優點,使PCBN刀具不僅可切削各種硬度的工件,而且也易于生產。PCBN刀片質量的好壞直接影響著刀具切削性能。      2.1 PCBN刀片的燒結   PCBN刀片的制作方法主要有兩種:一種是一次聚合法,即直接用六方氮化硼(HBN)一次聚合成高密度的燒結體;另一種是二次聚合法,先合成高密度立方氮化硼(CBN),然后再以其為原料經高溫高壓燒結成聚晶立方氮化硼。目前較為普遍的是加入粘結劑的二次聚合法:   (1)加入金屬粘結劑的CBN燒結   金屬粘結劑種類很多,主要有Ni、Co、Ti、Ti-Al等。在燒結溫度下,金屬粘結劑成為液相,液相的出現對CBN燒結有一定的促進作用,燒結可以在稍低的溫度和壓力下進行。另外,由于CBN不溶于金屬粘結劑,不會發生可以促進收縮和晶體長大的溶解析出過程。在燒結過程中硬質合金中的鈷呈液態滲入CBN晶界中,將硬質合金與CBN燒結體緊密粘結在一起。采用金屬粘結劑的PCBN刀具的硬度較純CBN燒結的刀具硬度低,但是韌性好。英國Element six 公司的AMB90、美國GE公司的BZN6000以及日本三菱生產的MB710等牌號都是由金屬粘結劑燒結而成。   (2)加入陶瓷粘結劑的CBN燒結   陶瓷粘結劑主要有TiN、TiC、Al2O3等。由于燒結過程中易產生裂紋,因此多在陶瓷粘結劑中加入鐵族元素(鐵、鈷、鎳) 以及Mo或Mo2C等增加陶瓷離子間的強度,起到流體傳壓介質的作用,有利于形成內部無變形的燒結體,鉬等還可以改進陶瓷粒子和鐵元素之間的潤濕性。陶瓷粘結劑PCBN中粘結劑的含量一般較高,韌性較金屬粘結劑刀具差,但其抗高溫性能更好。這類產品有英國Element six公司的DBA80、DBC50,美國GE公司的BZN7000S、BZN8200,日本住友的NBX300、NBX3200等。   (3)純CBN燒結   在CBN聚晶體中也可以不加粘結劑直接燒結而成聚晶立方氮化硼。CBN在燒結時發生再結晶和晶粒長大過程, 燒結后的CBN多晶體的晶粒已不是原來的CBN單晶體顆粒。這種PCBN刀具耐磨性好,壽命長,但較脆且溫度條件苛刻,難以制成高韌性及大尺寸的刀片。      2.2 PCBN刀片質量的影響因素   PCBN刀片的質量受到多種因素的影響,其中燒結過程中各種工藝參數的改變,對PCBN刀片的質量影響最大。粘結劑/催化劑材料、基體材料等組成材料,以及顆粒表面清潔度、顆粒度等都決定了PCBN刀片的性能。   (1)基體的選擇   由于碳化鎢硬質合金具有較高的硬度,較好的導熱性和韌性,因此多采用含有Co的碳化鎢硬質合金作為PCBN刀片基體。Co作為一種溶劑和粘結劑可以顯著提高CBN的燒結度,增強PCBN的強度[3],但是碳化鎢硬質合金中Co的含量不能過高,否則將影響PCBN刀片的耐磨性,縮短刀具的使用壽命。   (2)CBN晶粒的清潔度與顆粒度   CBN晶粒的表面清潔度將直接影響著PCBN的燒結質量,因此在燒結前都要對CBN晶粒進行嚴格地處理,以去掉晶粒表面的水分及氧化物等雜質。采用的方法主要是在真空或氫氣、氨氣等還原性氣體下加熱1~2個小時。否則過多的雜質會影響CBN-CBN顆粒間及CBN與粘結劑間的粘結,使得PCBN刀片強度減小,耐磨性能降低。   CBN顆粒的大小不但對PCBN刀具的切削表面質量有影響而且對PCBN燒結時粘結劑的燒結能力起到一定的作用。一般來說,CBN顆粒度越小,PCBN刀具切削表面質量越好,刀具抗沖擊能力和耐磨性越好,因此,在加工淬硬鋼并且要求高的表面質量(即實現PCBN刀具的“以車代磨”)時,所采用PCBN刀具中的CBN顆粒應取較小值。但另一方面,由于PCBN刀片的燒結是通過“毛細現象”即各種粘結劑元素滲透到CBN顆粒之間實現的,如果CBN顆粒太小,CBN顆粒間的間隙就會減小,從而使得粘結劑元素的滲透量減小。因此,燒結時CBN顆粒又應選得大一些。綜合考慮以上兩種因素,CBN燒結時應多選擇混合粒度,并根據所選粘結劑粘結能力的不同而確定不同的粒度范圍。   (3)CBN晶粒含量   CBN含量對PCBN刀具的硬度、導熱性有較大的影響。CBN含量越高,刀具的硬度越高,導熱性越好。高含量PCBN刀具(一般CBN含量為80%~90%)是以CBN之間的直接結合為主,具有高硬度和高導熱性。這類PCBN刀具適合加工高硬度合金和組織中含有高硬質點的材料,如冷硬鑄鐵、耐熱合金等。目前此類刀具刀片主要有GE公司的BZN6000,Element six公司的AMB90、住友電工公司的BN100、BN600等。低含量PCBN刀片多為陶瓷粘結劑,耐熱性好,易于加工淬硬鋼(合金鋼、軸承鋼、模具鋼、碳鋼等),利用切削區內熱滯留高溫形成的金屬軟化效應進行切削。GE公司的BZN8100、BZN8200,Element six公司的DBC50,住友電工公司的NB300、NB220以及山高公司的CBN10、CBN100、CBN150等均屬于此類。   (4)粘結劑   CBN燒結所需的粘結劑:①物理化學性能越接近CBN越好,這樣不會過多的削弱燒結后PCBN刀具的切削性能;②易于達到熔點溫度或在此溫度下具有好的塑性;③相對于CBN具有足夠的化學活性,具有使六方氮化硼(HBN)向CBN轉化的催化性。   目前,常用到的粘結劑按其物理化學性質可分為金屬粘結劑(如Ni、Co、Ti、Ti-Al等)和陶瓷粘結劑(如TiN、TiC、TiCN、Al2O3等);按作用可分為催化劑(如,Al、AlN、AlB2、Si等)和溶解劑(如Ti、Ni、Co、TiN、TiC、TiCN等)。粘結劑種類和含量都對PCBN刀片的性能有不同的影響。碳化物、氮化物、碳氮化物可以提高PCBN刀片的抗化學磨損能力和抗沖擊能力,但含量過高會降低刀具硬度,使刀具壽命縮短;鈷是最常用的粘結劑,可以提高CBN燒結時的燒結度;Ti陶瓷粘結劑可以提高PCBN刀片的韌性;鋁及鋁的化合物可與CBN顆粒及其它粘結劑發生反應,使CBN顆粒粘結得更加牢固,提高刀具耐磨性;Si和Al、AlN、AlB2的混合物是HBN向CBN轉化的有效催化劑,在陶瓷粘結劑里加入少量的Al、Si還可以增強CBN間的粘結,形成連續的陶瓷相[12];以鋁化鎳作為粘結劑的PCBN復合片導電性好,適于采用低成本電火花進行切割。   由于粘結劑的不同,現在PCBN刀片趨于兩種特性:一種是具有高的耐磨性(高含量CBN,催化粘結劑),另一種是具有好的抗沖擊性(低含量CBN,陶瓷粘結劑)。      3 PCBN刀片的市場現狀      目前國內外PCBN刀片的制造廠商參差不齊,PCBN刀片質量上有很大的差異,但總體來說國內的PCBN刀片較國外產品無論從質量上、規格上還是品種上都有一定的差距。   隨著研究制造的日益深入,國外PCBN刀片現已形成系列化,從而帶來了應用的專業化;另一方面PCBN復合片的尺寸也大型化,目前可供貨規格有57mm、74mm、101.6mm等。大復合片不僅單位面積成本降低,利用率提高,而且更能滿足用戶制造各種規格刀片的要求。另外,整體式刀片的推出(如,山高公司CBN100、CBN30、CBN300等),克服了由于焊接式PCBN刀片尺寸小引起的切削深度限制和由于加工過程中焊接點失效引起的PCBN失效風險;PCBN刀片材料也向多元形式發展,涂層PCBN刀片已經研制成功,并應用于工業生產(如住友公司BNC80、BNC150、BNC200;山高公司CBN50C、CBN400C等)。   雖然我國對PCBN材料的研究與制造開始也較早,但是由于以前國內制造業習慣采用硬質合金和普通的磨料磨具加工鐵系金屬,因此限制了對PCBN刀具的應用和開發。目前,國內能夠制造PCBN刀片的廠家雖然數量較多,但是整體實力較差,產品種類少,質量也相對較差。因此,在汽車工業等重點用戶進行難加工材料的切削方面,我國PCBN刀片大部分還是依賴進口。      4 PCBN刀片的發展趨勢      由于PCBN刀具在加工鐵系金屬方面具有無與倫比的優越性,其適于高速切削技術、“以車代磨”技術,不僅可以節約成本而且大大提高了生產效率,必將使得PCBN刀具在國內得以廣泛推廣。同時,刀具制造商從單純刀具供應商的地位上升至成為用戶企業提高生產效率和產品質量、降低制造成本的重要伙伴的身份轉變,使得PCBN刀片材料向著多元化、系列化的方向發展以適應不同材料的切削加工。目前,PCBN復合材料、涂層技術、PCBN納米技術已成為未來PCBN刀片材料發展主要方向。

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