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浅论刀具材料——聚晶立方氮化硼(PCBN)

2015-9-2 12:13| 发布者: 凌霄敛影| 查看: 413| 评论: 0

摘要: 摘要:聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具已在切削加工的各个方面表现出了优异的切削性能,尤其是超硬特性被使用者所熟悉。介绍了PCBN 的主要研制工艺,性能特点以及其在刀具材料中的应用。关键词:PCBN,粘结剂,烧结超硬刀 ...


摘要:聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具已在切削加工的各个方面表现出了优异的切削性能,尤其是超硬特性被使用者所熟悉。介绍了PCBN 的主要研制工艺,性能特点以及其在刀具材料中的应用。

关键词:PCBN,粘结剂,烧结
超硬刀具材料在20世纪的后40年中有了较大的发展。超硬材料的化学成分及其形成硬度的规律与其他刀具材料不同,立方氮化硼是无机非金属的硼化物材料,晶体结构为面心立方体;而金刚石由碳元素转化而成,其晶体结构与立方氮化硼相似。它们的硬度大大高于其他物质。

1. 聚晶立方氮化硼(PCBN)的主要研制工艺
    PCBN作为刀具材料,其质量好坏直接影响到PCBN刀具的切削效率和使用寿命。其研制工艺大致为:微晶CBN加入结合剂之后,应与结合剂混合均匀之后方能使用。PCBN的制备是在超高压、高温条件下完成的——也只有在这样的条件下,才能实现:CBN微晶之间二次聚合,形成PCBN骨架;结合剂自身之间及结合剂与CBN之间进行烧结。
   (1) 粘结剂。PCBN是立方氮化硼颗粒和一定比例的粘结剂在高温高压下烧结而成的。粘结剂在合成PCBN的过程中起着重要作用,加入适量的粘结剂可以降低烧结温度和压力,并改善烧结体的性能。在选择粘结剂的时候一般要遵从以下几点:

    a. 线膨胀系数尽可能与立方氮化硼接近,以降低温差应力;

    b. 粘结剂与氮或硼元素应有强烈的化学亲和性,从而可以提高粘结强度;

    c.可以牢固连接硬质合金基体;

    d. PCBN加工不同的金属材料时,粘结剂的含量对切削效果影响很大,因此制造粘结剂含量高的PCBN时,粘结剂应具有较高的硬度与韧性。
   (2) 烧结工艺。PCBN烧结过程中的主要参数为压力、温度和烧结时间。烧结要控制在立方氮化硼的热稳定区,在烧结过程中温度一般用加热功率来标志。由于烧结的最佳功率值和立方氮化硼向六方氮化硼逆转化的功率值很接近,所以可选择的烧结温度范围很窄,一般为1400
~1600,压力的范围大约为5.0~7.0GPa,保温时间大约为2~30分钟。另外高压容体内温度分布的不均匀对PCBN的质量和性能也有影响。

2. PCBN的性能特点
   PCBN不仅具备了立方氮化硼的优良品质,而且带基体的复合片还具备硬质合金的抗冲击韧性。
   (1) 较高的硬度、耐磨性和抗冲击性。PCBN的硬度仅次于金刚石,远远高于陶瓷和硬质合金的硬度,耐磨性很高。在加工高硬度材料时表现极佳,如在加工淬硬钢时,其耐用度是硬质合金的10~50倍。
   (2) 高的热稳定性。PCBN在高达1200
的温度下还表现出良好的热稳定性,而且在800的高温下硬度也高于常温下的硬质合金和陶瓷材料。PCBN刀具在1000以下不会出现氧化现象,因此切削时刀具尖端的相对高温不会对它产生不利的影响,相反还能在切削硬质合金时起到加速切削的作用。
   (3) 导热性良好。PCBN材料的导热系数低于金刚石的导热系数,是硬质合金的20倍。而且随着切削温度的提高,PCBN的导热系数是增大的,而氧化铝的导热系数是减小的,因此PCBN刀具的刀尖处热量可以很快传出去,有利于加工精度和抗机械磨损能力的提高。
   (4) 摩擦系数较低。PCBN与不同材料的摩擦系数在0.1~0.3之间,远小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稍有减小。
   PCBN 刀具材料虽有着优越的力学、物理性能和切削性能; 但也有不足之处,即韧性较低,且制造成本较高。因此,使用范围受到限制,主要用于硬材料的精加工和半精加工。随着科学技术和进步,改变了硬质相和粘结相材料的配比,优选了粘结相材料的组分,使制造成本降低,减少硬质相,增多粘结相。
3. PCBN 的组成成分对刀具性能的影响

   用 PCBN 刀具车削了淬硬钢、冷硬铸铁和复合材料等,表明 PCBN 刀具的切削性能优于硬质合金与陶瓷刀具。近年,PCBN 刀具材料的制造工艺和综合力学性能有了很大的发展,它能有效地对黑色金属进行粗加工。
   (1) 结合剂对 PCBN 刀具性能的影响。PCBN是CBN(立方氮化硼)的烧结体,通常有不加粘结剂烧结直接由CBN原子结合而成的,也有加入不同的粘结剂,由粘结剂结合烧结而成。前者CBN含量高,所以硬度高,但较脆;后者除所加粘结剂比例不同外,其种类还包括金属粘结剂和陶瓷粘结剂。常用的金属粘结剂有 Co、Ni、Ti、Ni-Al等金属,陶瓷粘结剂有 TiN、TiN-AlN、Al2O3等,也有同时加入金属和陶瓷粘结剂的。
   (2) CBN 的含量对 PCBN 刀具性能的影响。CBN是人工合成的,其硬度仅次于金刚石,晶粒硬度可达HV8000~HV9000,远远高于陶瓷和硬质合金。PCBN复合片的硬度(通常为HV3000~HV5000)主要取决于CBN的含量,一般CBN含量在40%~95%之间。随着CBN含量的增加,PCBN的硬度增加;而耐磨性与CBN含量之间不是单调关系,不同加工条件下有不同最佳值,加工模具钢时,CBN含量大约为55%时,其刀具最耐磨。
   (3)CBN的晶粒尺寸对PCBN刀具性能的影响。CBN晶粒的大小影响刀具的强度,细晶粒可使晶粒的晶界面积增加,提高烧结强度及抗裂纹扩展能力,从而使 PCBN 刀具耐磨性增加,当粒径增加 1倍时,刀具寿命要降低 30%~50%。

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