IPCI －－3N刀具的性能特点和应用范围立方氮 比硼聚晶（PCBN）刀具是70年代发展起来 的一种优秀的新型刀具。立方氮化硼（CBN）由于具有高的硬度、热稳定性和化学惰性，为硬韧 难磨加工金属材料的加工开拓了广阔的前景。目前，国际市场的CBN刀具坯料可归纳为两大类： 一类是聚晶体，由无数细小的CBN单晶体在高温高压下聚结而成；另一类是以硬质合金作为衬底 层，CBN作为耐磨层，在7～8GPa和1500～2000C？下聚合而成。1．1特性优异 于硬质合金和陶瓷刀具1．1．1硬度高PCBN刀具的硬度仅次于金刚石，大大高于陶瓷刀具和 硬质合金刀具，因而可加工HRC60以上的淬火钢、灰口铁、白口铁以及硬度高达HRC70以 上的YG15、YG20、YG25硬质合金，其寿命为陶瓷刀具的3～5倍，硬质合金刀具的5 ～15倍。高耐磨性和长寿命大大提高了工件的加工精度，减少了换刀和磨刀的次数，提高了工效 。1．1．2热稳定性高PCBN刀具的耐热性可达1400C，比金刚石工具（700～800 C）高得多，经试验在1100C以上的切削高温仍维持其锋利的切削性能，1200“C时PC BN的磨耗比、冲击韧性不发生变化，可以进行干式切削。1．1．3化学惰性高PCBN与铁系 材料直至1200～1300”C也不易起化学反应，因而能高速切削这些材料；而金刚石刀具因 高温下易与铁族材料发生反应而难以切削黑色金属材料。1．1．4加工的高精度和低粗糙度由于 PCBN刀具有较低的摩擦系数，并且它是在高转速、少进刀量的条件下作用，其加工精度小于l um，精糙度小于0．02urn，比陶瓷刀具提高1～2级。可以实现以车代磨。1．1．5可 重磨PCBN刀具的聚晶切削刃采用先进的镶嵌工艺，镶嵌牢固。可采用粒度180～240目的 人造金刚石树脂砂轮在普通工具磨床上刃磨，方便用户，降低刀具消耗成本。1．2应用范围PC BN刀具的一系列优点，使它在以下难加工材料的加工领域获得广泛应用：硬度值为HRC45～ 68的冷硬铸铁、淬硬锻造钢件；硬度值为HRC45～65的镍铬冷硬耐磨铸铁件；渗碳氨化或 渗碳火焰淬火的淬硬件；硬度值接近HRC60的淬硬冷拔钢件；白口铸铁或压铸件；合金刚，工 具钢，热喷涂、焊材料。2PCBN刀具的制造技术冶金部超硬材料研究所与中国地质大学（北京 ）合作，经过几年的努力，在我国首次研制成功PCBN纯聚晶刀具。这种刀具的聚晶材料性能稳 定，其强度、硬度、耐磨性能、耐热性能接近或达到国际上同类产品的先进水平，聚晶镶嵌技术方 法先进、镶嵌牢固。2．IPCBN的制造为获得高强度、高硬度、高耐磨性、高耐热性和抗冲击 韧性的PCBN，我们研究了CBN原料的净化处理工艺、CBN的粒度配比、结合剂的成分与含 量等与PCBN性能的关系。2．1．1原材料的净化处理方法由于市售的CBN微粉中残留有W BN、HBN、叶蜡石、石墨、镁、铁等杂质；另外它和结合剂粉末中均含有吸附氧、水汽等，对 烧结不利。因此原材料的净化处理方法是确保合成聚晶性能的重要环节之一。研制时我们采用下列 方法对CBN微粉和结合剂材料进行净化处理：首先在300C左右用Na（）H处理CBN微粉 ，去除其中的叶蜡石和HBN；然后煮高氯酸去除石墨；最后用HCI在电热板上煮沸除去金属， 并用蒸馏水洗至中性。结合剂用的CO、Ni、AI等采用氢还原处理。然后将CBN和结合剂按 一定配比混合均匀并装入石墨模具中，送入压力小于IXIO－’Pa的真空炉内，加热800～ 1000C处理lh，除去其表面的污垢、吸附氧及水汽等，使CBN晶粒表面很洁净。2．1． 2结合剂材料的选择及加入量目前CBN聚晶采用的结合剂种类可归纳为3大类：（1）金属结合 剂，如Ti、CO、Ni、Cll。Cr、W等金属或合金，在高温下易软化，影响刀具寿命；（ 2）陶瓷结合剂，如AI。t）。耐高温，但冲击韧性差，刀具易崩刃和破损；（3）金属陶瓷结 合剂，如碳化物、氨化物、硼化物等与CO、Ni等形成的固溶体等，解决了上述两类结合剂之不 足。因此经分析后确定采用AI＋TIC＋C。或Ni作为PCBN制造的结合剂。其中AI具有 较低溶点，在高压下CBN与AI产生充分的活化烧结，反应产物为AIN和AIB。。TIC； －。或＊iN；－。（O．IMXMO．9）中相当于X的那部分游离金属Ti与CBN表面的B zO。起反应生成性能优良的TIB。。通过大量试验得出各种成分的加入量（质量比）：AIZ ％～15％，平均粒度MIpm．为球形粉；Ti（3％～10％．平均粒度＜1pm；Co或N il％～5％，平均粒度M10Pm。总的结合剂加入量应充足但不能过多。实验结果表明，聚晶 耐磨性和抗弯强度等与平均自由程（粘结相层厚度）关系密切，当平均自由程为0．8～1．2p m时，聚晶磨耗比值最高，此时结合剂掺入量为10％～15％（质量比）。2．1．3CBN粒 度及粒度配比根据加工精度和表面质量要求，制造切削工具用的CBN粒度大约分为：粗粒度20 ～30pm；中粒度3～10prn；细粒度2pm。用粗粒度做成的聚晶难以做成精度要求高的 刀具，但其耐磨性、抗冲击性较高，细粒度做成的聚晶制成刀具可满足精加工和超精加工的要求。 试验结果表明，采用单一粒度CBN微粉由于其堆积密度小，烧结的聚晶体内孔隙大，耐磨性低， 粒度越粗这种情况越显著。因此，我们按晶体中原子堆垛方式的理论，推导出当3种晶粒半径满足 。·；：二。。二。一1。0·414’0．225的关系式时，可以实现最紧密堆积；再考虑粒 度组成范围，晶粒形状确定了CBN的粒度配比，使聚晶的耐磨性能显著提高。当采用＊＊N粒度 为＊。。：＊；。：＊，一6O：3O。10，结合剂含量为15％（质量比）时，聚晶性能为： 磨耗比＞互：10000，抗压强度35·0～40·0MPa，抗弯强度15．0～25．0M Pa，硬度HV4500～6000，耐热性＞1200C。刀具切削试验表明：采用混合粒度刀 具冲击韧性明显提高。这可能是抑制了CBN粒子间的“架桥”现象和烧结体中微孔的形成，提高 了刀头材料的强度，从而使之不产生崩刃。2．2PCBN的镶嵌PCBN聚晶镶嵌在刀具胎体材 料（高速钢或普通45号钢）内的工艺过程为：圆柱形刀体材料一端打孔放入聚晶体一中频或高频 加热刀体材料至软化（800～1000〔）一冲床冲压刀体材料使之变形收缩将聚晶体牢固镶嵌 住。2．3PCBN刀R的刃磨技术刃磨使刀具获得正确的几何形状和表面粗糙度。一般分粗磨、 精磨和研磨工序。粗磨采用180～240号树脂结合剂金刚石砂轮，进刀量为0．01mm／双 行程；精磨用W；。～W；。树脂结合剂砂轮，进刀量为0．005mm／双行程；研磨用W。～ W。。的金刚石研磨。刃磨中应特别注意金刚石砂轮的开刃修整对刃磨的影响。尽管刃磨过程中刀 具在砂轮的整个端面来回摆动以使砂轮表面消耗一致，但实际上砂轮表面仍容易产生凹凸不平，须 经常修整。2．4PCBN刀具的几何参数PCBN刀具的寿命与其几何参数密切相关，合适的前 后角可提高刀具的抗冲击性能。排屑能力及散热能力。前角的大小直接影响切削刃的受力情况和刀 片的内应力状态。为了避免刀尖承受机械冲击所造成的拉应力过大，一般采用负前角（一5”—一 10”），同时为减少后角磨损，主副后角为6”，刀尖应磨半径为0．5turn的圆角，并倒 棱研磨光滑。3PCBN刀具在国内的应用3．1淬硬钢加工在唐山矿山机械厂等单位加工CrW Mn（HRC58～62）件，切削速度为197r／min，进刀量为0．30mm，走刀量0 ．2mm／r，加工粗糙度尼＜1、6Pm，实行以车代磨。硬质合金刀具不能加工，PCBN刀 具寿命分别为St。N。刀具的20倍，AI。O。刀具的40倍。3．2热喷涂材料加工＼Ni 基喷焊层（HRC60～61），原采用磨削加工达到粗糙度尼一1．6卜m，采用PCBN刀具 ，切速100m／min，进刀量0．2mm，走刀量0．10mm／r，加工表面粗糙度R。＜ 正．6pm，结果实现以车代磨。3．3淬硬铸铁的加工淬硬铸铁HT20～40，HRC52， 用硬质合金刀具不能加工，PCBN刀具在切削速度100～250m／min、进刀量0．10 ～0．30mm、走刀量0．1～0．5mm／r的加工条件下，加工表面粗糙度尼＜0·75u ”。3．4断续切削与粗车对18CrMnTi（HRC58～62）法兰盘进行断续车削，在切 速50m／min、走刀量0．15mm／r、进刀量0．30mm的条件下，刀片未发生崩刃。 粗车电机转子硅钢片外圆，可在高速（切速400m／min）下一次完成。从上述的加工试验来 看，PCBN聚晶刀具具有如下特点：（l）加工能力强，可加工材料广泛。（2）可实现高效益 、低成本的加工。对难加工材料的高速切削，对高硬材料加工以车代磨，简化了加工工艺，提高了 工效，节省工时，降低消耗。鉴于PCBN刀具的优异性能，相信它的推广应用将改变传统的刀具 材料和金属切削技术，给我国的金属切削工业带来重大革新，从而带来巨大的经济效益和社。效益 。
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