21世紀PCBN刀具的發(fā)展與展望
隨著制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，切削加工作為制造技術(shù)的基礎工藝，進入了以發(fā)展高效切削、開發(fā)新切削工藝和加工方法、提供成套技術(shù)為特征的新發(fā)展階段。與此同時，制造技術(shù)和難加工材料的發(fā)展推動著刀具技術(shù)的發(fā)展，刀具技術(shù)也向著高態(tài)切削、高速切削、高精度和干式加工的方向發(fā)展。可實現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長壽命加工的超硬刀具的應用也日漸普及，在汽車、航空航天、能源、軍事、模具等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
在機械加工中，刀具材料是決定加工效率、加工質(zhì)量和加工成本的關(guān)鍵因素之一，正確選擇和應用刀具材料至關(guān)重要。現(xiàn)代刀具材料主要是高速鋼、硬質(zhì)合金和陶瓷，它們主要的硬質(zhì)相成分是碳化物、氮化物和氧化物，加上粘結(jié)材料后，刀具的硬度在HV2000以下。對于某些現(xiàn)代難加工材料的加工，上述硬度已不能滿足要求，于是超硬刀具材料便應運而生。PCBN（聚晶立方氮化硼）刀具、陶瓷刀具、涂層刀具等均具有很高的硬度、耐磨性和化學穩(wěn)定性，能滿足高速切削、干式切削、硬態(tài)切削等綠色制造的要求。由于PCBN刀具在加工精度、切削效率、刀具壽命等各個方面具有無可比擬的優(yōu)越性，因此，PCBN刀具的推廣和應用可創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益。
文主要闡述CBN刀具材料的制造方法、物理性能及其應用和新發(fā)展，并展望了21世紀PCBN刀具發(fā)展的前景。
CBN刀具材料的制造方法
立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)是20世紀50年代首先由美國通用電氣(GE)公司利用人工方法在高溫高壓條件下合成的，其硬度達HV8000，僅次于金剛石（HV10000）而遠遠高于其他材料，它與金剛石統(tǒng)稱為超硬材料。
CBN晶體與金剛石晶體都屬于閃鋅礦型，且晶格常數(shù)相近，化學鍵類型相同，故CBN具有接近金剛石的硬度和抗壓強度，又因為它是由N、B原子組成，因此具有比金剛石更高的熱穩(wěn)定性和化學惰性。
CBN刀具材料的制造方法主要是熱壓法，將壓制CBN單晶粉的原料——六方氮化硼粉（HBN）置于葉蠟石的腔體中，加上觸媒劑，用六面頂或兩面頂?shù)囊簤簷C，在1600℃、5～6GPa下熱壓10min形成CBN單晶粉。單晶粉可用于磨料、磨具。用CBN單晶粉加上觸媒劑和粘結(jié)劑，在1800℃、5～6GPa下再壓3min便可得到PCBN整體刀片或復合刀片（硬質(zhì)合金墊底，上有0.5mm左右的CBN薄層）。
PCBN刀具材料的性能
（1）具有很高的硬度和耐磨性。
CBN單晶顯微硬度為HV8000～HV9000，是目前已知的第二高硬度的物質(zhì)。不同量粘結(jié)劑的PCBN刀具材料的硬度在HV4000～6000之間，而硬質(zhì)合金刀具材料的硬度僅為HV1100～1800；Al2O3陶瓷刀具材料硬度為HV2000。由此可見，用于加工高硬度材料時PCBN刀具具有比硬質(zhì)合金及陶瓷更高的耐磨性，可減少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性，減少換刀調(diào)刀輔助時間，使其效能得到充分發(fā)揮。
（2）具有很高的熱穩(wěn)定性和高溫硬度。
CBN的耐熱性可達1400～1500℃，在800℃時的硬度為Al2O3/TiC復合陶瓷的常溫硬度。切削溫度較高時，會使被加工材料軟化，與刀具間硬度差增大，有利于切削加工進行，而對刀具壽命影響不大。
（3） 具有很好的導熱性。
CBN的熱導率達1300W/（m?K），是紫鋼的3.5倍。而硬質(zhì)合金的熱導率僅為35～75W/（m?K）。CBN材料的導熱系數(shù)低于金剛石但大大高于硬質(zhì)合金，并且，PCBN刀具的導熱系數(shù)隨著切削溫度的提高不斷增大，因此可使刀尖處熱量很快傳出，有利于工件加工精度的提高。
（4）具有很高的楊氏模量。
PCBN的楊氏模量約為750GPa，高于WC、TiC、Al2O3等材料。
（5） 具有很小的熱膨脹。
PCBN的熱膨脹系數(shù)約為（2.1～2.3）×10-6/K， 而硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)為（5～7）×10-6/K。
（6） 具有較小的密度。
PCBN的密度為3.48g/cm3，與Al2O3、Si3N4的密度相近。
（7） 具有較低的斷裂韌性。
PCBN的斷裂韌性約為（3.5～5）Pa?m0.5，僅為陶瓷刀具材料的一半。這是PCBN唯一不足之處。
（8） 具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性。
CBN具有很高的抗氧化能力，在大氣中，1000℃時也不產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，PCBN在1300～1500℃尚不分解；在酸中不受侵蝕；對鐵族材料呈惰性,在1200～1300℃時也不發(fā)生化學反應。但1000℃左右時會與水產(chǎn)生水解作用，造成大量CBN磨耗，因此使用PCBN刀具時宜采用干切方式。
（9） 具有較低的摩擦系數(shù)。
CBN與不同材料的摩擦系數(shù)在0.1～0.3之間，低于硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)(0.4～0.6)，摩擦系數(shù)隨摩擦速度及正壓力的增大而略有減小。切削時不易形成滯留層或積屑瘤，有利于表面加工質(zhì)量的提高。
PCBN刀具分類及對其性能的影響因素
PCBN刀具材料同其他種類的刀具材料一樣，由于組成成分的不同，具有很多牌號，適應于不同的用途。PCBN的性能與CBN的含量、粒徑及結(jié)合劑的種類有關(guān)，通過調(diào)整CBN的含量、晶粒大小和結(jié)合劑比例及種類可以獲得不同性能、適應不同加工要求的PCBN刀具。
（1）PCBN刀具按添加成分大致可分為兩大類：一類直接由CBN單晶熱壓燒結(jié)而成，CBN含量較多（70%以上），硬度高，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結(jié)金屬的切削加工；另一類是以CBN晶粒為主體，添加一定比例的陶瓷結(jié)合劑（主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al2O3等）燒結(jié)而成的熱壓體，這類PCBN中CBN含量較少（70%以下），硬度較低，適用于淬硬鋼的切削加工。
（2）PCBN的結(jié)合劑主要有3類：金屬結(jié)合劑，由金屬或合金組成，如Co、Ni等，金屬結(jié)合劑PCBN燒結(jié)體的韌性和導電性好，缺點是高溫下結(jié)合劑軟化，耐磨性能下降；陶瓷結(jié)合劑，如A1203等，陶瓷結(jié)合劑PCBN燒結(jié)體具有較高的耐高溫磨損能力和較強的抗粘接能力，這解決了金屬結(jié)合劑高溫軟化的問題，但其抗沖擊性較差，脆性大；金屬陶瓷結(jié)合劑，如TiN、TiC、TiCN、AlN等，解決了上述存在的問題，具有較好的綜合性能。
（3）PCBN刀具按制造復合方式可分為：整體PCBN熱壓塊和與硬質(zhì)合金復合熱壓的PCBN復合片。整體PCBN刀片剛性好，適用于粗加工；復合PCBN刀片的成本較低，適用于精加工或半精加工。
（4）已有的研究表明，采用純CBN材料制備的刀具在很多情況下并不能獲得最佳加工效果，CBN的含量一般在50％～95％之間。CBN含量主要影響PCBN的硬度和熱導率，隨著CBN含量的增加，PCBN的硬度、耐磨性和熱導率升高，韌性下降；當CBN的含量低于50％時，PCBN的硬度下降，導致切削刃發(fā)生塑性變形而使刀片破損。當CBN含量超過95％時，PCBN性能變差，脆性加大，CBN晶粒易脫落，耐磨性大減。
PCBN刀具的應用
1 PCBN是硬態(tài)切削加工技術(shù)的最佳刀具材料
（1）利用超硬材料制備的刀具具有高硬度、高楊氏模量、高導熱性能、低摩擦和低熱膨脹的特點，可切削各種硬材料和難加工材料。PCBN刀具的紅硬性、耐磨性在硬態(tài)干式切削難加工材料中具有很大的優(yōu)勢。PCBN刀具通常用來加工硬度高于HRC50的材料，在切削溫度高達1500℃時仍具有很高的硬度，最適合各種淬硬鋼、冷硬鑄鐵及其他高硬黑色金屬的切削。
（2）對淬硬件(硬度高于HRC55)的精加工，通常采用磨削加工的方法完成，然而隨著刀具材料的發(fā)展及數(shù)控機床加工精度的提高，以硬態(tài)切削代替磨削完成零件的最終加工已成為一個新的精加工途徑。
2 PCBN是進行干切削加工工藝的理想刀具材料
由于經(jīng)濟與環(huán)保方面的原因，近幾年來，干切削加工工藝已成為機械制造領(lǐng)域中的重點研究課題。干切削加工工藝已在西方工業(yè)發(fā)達國家有了相當好的應用。與濕切相比，干切又能大大提高生產(chǎn)率，其機理是由于切削速度很高時，產(chǎn)生的熱量聚集于刀具前部，使切削區(qū)附近材料達到紅熱狀態(tài)，屈服強度下降，進而獲得提高切削效率的效果。采用干切削工藝的前提條件是在較高切削溫度下，被切材料強度有明顯下降，變得易切削，而刀具材料的強度在同樣狀態(tài)下要有較好的紅硬性及熱穩(wěn)定性，還要有較好的耐磨性和抗粘結(jié)性。適用于干切工藝的刀具材料有陶瓷、金屬陶瓷、涂層硬質(zhì)合金及PCBN刀具材料等，但就紅硬性和熱穩(wěn)定性來說，PCBN材料是最適合干切工藝的刀具材料。
3 PCBN刀具適應于自動化加工及難加工材料加工
（1）PCBN刀具具有很高的硬度及耐磨性，能在高切削速度下長時間地加工高精度零件（尺寸離散性小），大大減少換刀次數(shù)和刀具磨損補償停機所花費的時間，適合于數(shù)控機床及自動化程度較高的加工設備。
（2）PCBN刀具可成功實施硬態(tài)精加工工藝，除節(jié)省使用冷卻潤滑液和與此相關(guān)的原料而具有經(jīng)濟上和生態(tài)上的優(yōu)點以外，它還能代替磨削工藝。在難加工材料應用方面，PCBN刀具也顯示出卓越的性能，如表面噴焊（涂）材料的加工，用其他材料的刀具加工，刀具壽命極低，也無法采用磨削方法加工，而PCBN是惟一適合的刀具材料。
（3）在石油、電站設備中使用的高合金耐磨鑄鐵，采用PCBN刀具加工較硬質(zhì)合金刀具切削效率提高4倍以上，單件刀具成本下降為原來的1/5。另外在硬質(zhì)合金等熱壓材料的切削加工方面，PCBN刀具也顯示了很好的切削性能。PCBN刀具可用于精車淬硬鋼以及高速銑削灰鑄鐵和硬鑄鐵。精車后的淬硬鋼表面粗糙度Ra可達0.3～0.6μm，尺寸精度可控制在0.013mm以內(nèi)。PCBN刀具還可用于加工高溫合金、硬質(zhì)合金、工程陶瓷及其他難加工材料。
（4）在切削冷硬鑄鐵方面,PCBN的耐用性能和加工效率遠遠好于硬質(zhì)合金刀具。由于金剛石刀會與黑色金屬發(fā)生反應，不能用來切削鋼、鐵。在工業(yè)工程和機械制造中，黑色金屬尤其是鋼、鐵用量最大，所以PCBN在這方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。
（5）PCBN刀具能加工金剛石刀具所不能加工的黑色金屬材料，特別適合數(shù)控設備及自動化生產(chǎn)線的使用。PCBN刀具具有很高的耐磨性，其使用壽命遠遠高于硬質(zhì)合金，可加工大部分高硬度材料，在許多場合可以以車、鏜、銑等代替磨削，能使被加工零件獲得較高的精度和良好的表面質(zhì)量，并大大提高生產(chǎn)效率。國外PCBN刀具已廣泛用來加工淬硬鋼、高硬度鑄鐵和抗磨零件，并帶來了巨大的經(jīng)濟效益。隨著機械零件的硬度和抗磨損性能要求的進一步提高，PCBN 刀具的使用必將更加廣泛。
PCBN刀具推廣應用現(xiàn)狀
（1）早期的PCBN刀具堅硬但缺乏足夠的韌性，因此，PCBN刀具的使用范圍受到限制。PCBN刀具對中等硬度以下的調(diào)質(zhì)鋼和一般硬度的正火鋼不太適用，而在實際應用中，中硬和低硬鋼用得很多，因此，人們用硬質(zhì)合金刀具比較多，PCBN刀具主要用于硬材料的精加工和半精加工。
（2）PCBN刀具在國內(nèi)已經(jīng)發(fā)展了近30年，但其使用比例始終有限。在全部刀具中所占份額與高速鋼和硬質(zhì)合金相比微不足道，究其原因，主要是：人們對PCBN刀具的認識不足；PCBN制造成本較高，價格昂貴；刀片的韌性受到加工條件的約束。
（3）目前國內(nèi)用戶使用較多的是PCBN車刀，這類刀具在冷硬鑄鐵、淬硬鋼，以及其他一些難加工材料零件的連續(xù)車削加工中均取得了良好的效果，為推廣使用PCBN刀具奠定了良好的基礎。PCBN刀具在國內(nèi)的市場主要有以下幾個行業(yè)：汽車、石油勘探、礦業(yè)公司、相關(guān)的各類鋼管廠、電站設備和汽輪機廠以及其他各類機械廠。
（4）我國專門用于軸承生產(chǎn)的磨床已經(jīng)超過4000臺，軸承出口一直呈現(xiàn)良好形勢，而且供不應求。目前國內(nèi)軸承內(nèi)外圈的加工除采用磨削加工方式外，主要采用陶瓷刀具進行加工，PCBN刀具尚未有效地開發(fā)，如果改用PCBN刀具進行軸承鋼的硬態(tài)切削，其經(jīng)濟效益將十分可觀。
PCBN刀具的新進展
隨著刀片制造技術(shù)的發(fā)展，國產(chǎn)PCBN刀具已經(jīng)取得了重要的進步，其刀片的物理性能發(fā)生了重要的變化，無論從價格上還是從品質(zhì)上，PCBN刀具都發(fā)生了革命。新型PCBN刀具的應用必將會打破PCBN刀具不能在重載切削領(lǐng)域和斷續(xù)切削狀態(tài)應用的格局。
（1）隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們通過以下調(diào)整和改進，提高了PCBN刀具的性能，逐步擴大了其應用范圍。
（a）改進制造工藝, 降低PCBN的制造成本。改變粘結(jié)相材料及其與硬質(zhì)相的配比，減少硬質(zhì)相，增多粘結(jié)相，使PCBN的韌性和熱壓效率得到提高。新型PCBN刀具的硬度已達到HV3000～6000，可以對硬脆金屬或非金屬進行粗加工，效果很好。
（b）提高機床設備級別，推廣使用較貴的PCBN刀具。雖然PCBN刀具的價格比硬質(zhì)合金刀具略貴，但加工效率的提高所創(chuàng)造的收益足以彌補價格因素的影響。有數(shù)字表明，在現(xiàn)代加工中刀具費用僅占制造成本的3%～4%，但它對總制造成本的影響卻要大得多。即使壓低刀具價格的30%或提高刀具壽命的50%，所能節(jié)約的總成本僅有1%左右，可以說效果很小；而如果刀具價格提高50%，由于性能改善，加工效率提高20%，就可使總成本下降15%左右，這個比值對于制造成本產(chǎn)生了舉足輕重的影響。不少企業(yè)花巨資引進高效率的機床，卻使用低性能的焊接刀具，好馬未配好鞍，難以發(fā)揮引進設備的作用，反而造成了更大的浪費。
對一般中小企業(yè)來說，精加工工序的磨削加工始終是制造過程的瓶頸，若購置性能好的車床，采用PCBN刀具，應用以車代磨等先進切削加工工藝，既可節(jié)省設備投資，提高生產(chǎn)率，又可大大增加加工過程的柔性。另外，目前由于人員費用的增加及環(huán)境保護方面的要求，大力推廣使用PCBN刀具，充分發(fā)揮其潛在效能，提高切削加工技術(shù)水平也是具有重要意義的。
（2）近年來，PCBN刀具的應用逐漸增多，最明顯的是進入冶金工業(yè)中軋輥和汽車工業(yè)中汽車剎車車轂以及鉆探工程的泥漿泵的加工。與原用的硬質(zhì)合金和陶瓷刀具相比，PCBN刀具取得了令人滿意的結(jié)果，其切削用量如表1所示。從表中可知，改進后的切削深度、進給量都很大，切削速度也較高，可以獲得較高的加工效率。過去這類產(chǎn)品加工都用硬質(zhì)合金和陶瓷車刀，現(xiàn)在已被PCBN刀具代替，這是一個很大的進步。
（3）在現(xiàn)代機械制造中，黑色金屬加工是機械加工的重頭戲。近年來，PCBN刀具材料的制造工藝和綜合力學性能有了很大的發(fā)展，可有效地對黑色金屬進行粗精加工。
（4）高科技的發(fā)展和自動化加工技術(shù)的普及對切削效率和精度提出了新的要求。同時，各種新型耐磨高硬度材料在工業(yè)中的應用日益增加，這都要求刀具具有良好的物理、化學和機械性能，而PCBN的三高特性，完全符合這方面的要求。因此，研究PCBN刀具對機械制造行業(yè)的發(fā)展具有很大的意義。
（5）隨著刀具材料技術(shù)的發(fā)展和制造工藝的日益革新，PCBN刀具的材料和韌性都發(fā)生了很大的變化。新型的PCBN刀具比起那些早期缺乏韌性的牌號有了革命性的變化。PCBN刀具的設計和用途也出現(xiàn)了許多新的進展，PCBN刀具能夠更加廣泛地滿足特殊工件材料加工過程的要求，改善加工性能，擴大應用范圍。例如汽車工業(yè)運用新研制的PCBN整體式厚刀片，可以有效地切削以往只能磨削的難加工硬質(zhì)鑄鐵合金。目前PCBN刀具已廣泛應用于車削、銑削和鏜削等加工領(lǐng)域。
21世紀PCBN刀具的展望
（1）PCBN刀具作為21世紀的主要換代刀具之一，在工業(yè)發(fā)達國家工具使用總量中所占比重越來越大。難加工材料越來越多，作為切削難加工材料的主要刀具材料PCBN前途一片光明。例如，飛機主體骨架（超高強度鋼）的加工十分困難，研究用PCBN刀具加工就是一個方向。另外，航空發(fā)動機上的高溫合金零件很難加工，目前用CBN刀具加工的效果還不十分理想，這顯然是一個十分誘人的攻關(guān)項目，一旦有所突破，必將給高溫合金加工領(lǐng)域帶來全新的變化。
（2）隨著材料科學和制造技術(shù)的發(fā)展，新一代難加工材料如高鉻鋼、高鎳鋼、高速鋼、碳化鎢、陶瓷等，為現(xiàn)代機械加工提出了新的課題，PCBN刀具已成為切削難加工材料的最具競爭力的刀具。
據(jù)統(tǒng)計，在國內(nèi)，硬質(zhì)合金刀具用量占總刀具的60%，高速鋼占30%～40%，PCBN刀具目前所占的比例非常少。在我國，高速鋼的年生產(chǎn)量為5～6萬t，占全世界的1/4～1/3, 硬質(zhì)合金的年生產(chǎn)量為1.25萬t，占全世界的40%。硬質(zhì)合金材料要用到大量的鎢，高速鋼也用到鎢，雖然我國是產(chǎn)鎢大國（占世界的80%），但50年后鎢會漸漸枯竭，而CBN原料中不含鎢，可以說PCBN的原料是用之不盡的，因此，發(fā)展PCBN具有非常重要的戰(zhàn)略意義。
（3）通過進一步改進PCBN的制造工藝，可降低制造成本；同時，進一步調(diào)整PCBN的粘結(jié)相材料及其與硬質(zhì)相的配比，減少硬質(zhì)相，增多粘結(jié)相份額，可使PCBN的韌性得到進一步提高，將硬度從HV8000降低到HV4000～5000（這個硬度仍是硬質(zhì)合金刀具硬度的1倍以上），改變PCBN刀具脆的弱點，使之對加工低于HRC45中硬和低硬材料也具有優(yōu)勢，可大大擴大PCBN刀具的使用范圍。
（4）20世紀前半期，硬質(zhì)合金的出現(xiàn)代替了1/2的高速鋼，使機械加工領(lǐng)域面目一新；21世紀，PCBN刀具必將有很大的發(fā)展，應用前景不可限量，一旦攻克技術(shù)關(guān)鍵，即使替代一部分（比如1/5～1/4）硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具，也將會出現(xiàn)相當驚人的革命性變化。
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