簡介

立方氮化硼

cubic boron nitride

立方結構的氮化硼,分子式為BN,其晶體結構類似金剛石,硬度略低于金剛石，為HV72000～98000兆帕,常用作磨料和刀具材料。1957年,美國的R.H.溫托夫首先研制成立方氮化硼。但至今尚未發現天然的立方氮化硼。

起源

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，其硬度僅次于金剛石而遠遠高于其它材料，因此它與金剛石統稱為超硬材料。

資料

立方氮化硼是由六方氮化硼和觸媒在高溫高壓下合成的，是繼人造金剛石問世后出現的又一種新型高新技術產品。它具有很高的硬度、熱穩定性和化學惰性，以及良好的透紅外形和較寬的禁帶寬度等優異性能，它的硬度僅次于金鋼石，但熱穩定性遠高于金鋼石，對鐵系金屬元素有較大的化學穩定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優異，不僅能勝任難磨材料的加工，提高生產率，還能有效地提高工件的磨削質量。立方氮化硼的使用是對金屬加工的一大貢獻，導致磨削發生革命性變化，是磨削技術的第二次飛躍。

分類

立方氮化硼有單晶體和多晶燒結體兩種。單晶體是把六方氮化硼和觸媒在壓力為3000～8000兆帕、溫度為800～1900℃ 范圍內制得。典型的觸媒材料選自堿金屬、堿土金屬、錫、鉛、銻和它們的氮化物。立方氮化硼的晶形有四面體的截錐、八面體、歪晶和雙晶等。工業生產的立方氮化硼有黑色、琥珀色和表面鍍金屬的,顆粒尺寸通常在1毫米以下。它具有優于金剛石的熱穩定性和對鐵族金屬的化學惰性，用以制造的磨具，適于加工既硬又韌的材料，如高速鋼、工具鋼、模具鋼、軸承鋼、鎳和鈷基合金、冷硬鑄鐵等。用立方氮化硼磨具磨削鋼材時，大多可獲得高的磨削比和加工表面質量。

制作方法

立方氮化硼多晶燒結體的主要制法有：①用立方氮化硼微粉和少量結合劑(如鈷、鋁、鈦和氮化鈦等)，在壓力4000～8000兆帕、溫度為1300～1900℃下燒結而成；②以立方氮化硼微粉和結合劑為一層，以硬質合金（片或粉）為一層，在上述壓力、溫度下把兩者燒結在一起，制得帶硬質合金襯底的多晶燒結體，這種燒結體具有高的強度，同時保持立方氮化硼的原有理化性能，可制成直徑達16毫米的圓片，切割加工成適當形狀后，作為車刀和鏜刀的刀頭，適于切削淬火鋼、鑄鐵和鎳基合金等。

立方氦化硼(CBN)在切削加工中的應用

用PCBN刀片精車淬硬鋼

加工硬鑄鐵和灰口鑄鐵

高速鏜削鑄件孔

鉸削淬硬鋼或硬鑄件小孔

用于難加工材料的切削加工

采用PCBN刀具精車淬硬鋼，其工件硬度高于45HRC，效果最好。其切削速度一般為80～120m/min，工件硬度越高，切削速度宜取低值，如車硬度為70HRC的工件，其切削速度宜選60～80m/min。精車的切深在0.1～0.3mm，進給量在0.05～0.025mm/r，精車后的工件表面粗糙度為Ra0.3～0.6μm，尺寸精度可達0.013mm。若能采用剛性好的標準數控車床加工，PCBN刀具的剛性好和刃口鋒利，則精車后的工件表面粗糙度可達Ra0.3μm，尺寸精度可達0.01mm，可達到用數控磨床加工的水平。 如果機床剛性好，選用的切削速度較低，則選用PCBN復合刀片可精車斷續表面。 精車加工余量一般為0.3mm左右，盡可能提高工件淬火前的尺寸精度和減少熱變形，以保證精車時切削余量均勻，延長PCBN刀具的使用壽命。 精車一般不用切削液，因為在較高的切削速度下，大量的切削熱由切屑帶走，很少會停留在工件表面而影響加工表面質量和精度。 精車刀片宜選用強度和韌性高的80°菱形刀片，刀尖半徑在0.8～1.2mm之間，為保護刀具刃口，使用前需用細油石倒棱。 精車淬硬工件是一門新工藝，實施前需做工藝試驗，可用與工件材料、硬度和大小相同的棒料，在同類機床上進行精加工或粗加工試驗，關鍵是要試驗刀具與切削參數的選擇及工藝系統是否有足夠的剛性。該工藝目前國內已經采用，如一汽集團用PCBN刀具加工滲碳淬火(58～63HRC)的20CrMnTi變速箱齒輪撥叉槽，采用的工藝參數為Vc=150m/min,f=0.1mm/r，ap=0.2～0.3mm，實現了以車代磨。

加工硬鑄鐵

用PCBN刀具車削淬硬鋼時，要求工件淬火硬度高于45～55HRC，加工硬鑄鐵時，只要硬度達到中等硬度水平(45HRC)，就會取得良好的加工效果。如汽車發動機缸蓋上的排氣閥座，該閥座是采用含銅、鉬的高鉻合金鑄鐵材料，其硬度一般約為44HRC，其閥座上孔采用锪(鉸)、車兩種工藝，大多是在專用自動線上加工，與槍鉸導管孔一道進行。所采用的切削用量為：Vc=71.6m/min，Vf=26.5mm/min，ap=1.0mm，采用BC拉削油，自采用PCBN刀具加工后，與以往采用的各種硬質合金刀片加工相比，刀具平均耐用度為1200件，加工表面粗糙度為Ra0.4μm，閥座面擺差≤0.05mm。東風汽車公司發動機廠自1988年使用PCBN刀具后，其效果一直保持穩定，較好地解決了引進設備的刀具國產化問題。

高速銑削灰口鑄鐵

高速銑削灰鑄鐵時，一般粗加工當然可以使用K類硬質合金，精加工可用氦化硅陶瓷刀片。如在一個裝有8塊刀片的端銑刀上改用只裝對稱式的兩片PCBN刀片，并將切削速度提高4倍，其結果是金屬切除率相同，而切削力卻下降3/4，刀具壽命與加工質量超過前者。 對珠光體鑄鐵與冷硬鑄鐵，也宜采用PCBN刀具進行高速加工，與其它刀具材料比較，可提高切削速度、延長刀具壽命、降低了表面粗糙度。在高速鏜桿上采用成對鑲片PCBN鏜刀與單片鏜刀相比，其平衡性好，從而增加了鏜桿的剛性，在給定的進給量下，采用PCBN雙刀片鏜孔可獲得高的金屬切除率與表面質量。 目前國內已有較多的發動機制造廠，對氣缸體的缸孔(或缸套)精加工已使用PCBN刀具。如上海大眾和一汽集團的發動機廠，缸孔精鏜均采用PCBN刀片并可自動補償(υc=500m/min，f=0.2mm/r，ap=0.1mm)。所以加工出的缸孔精度高、尺寸穩定，而且生產效率高，刀具壽命長。 對于小孔鏜削，雖可使用陶瓷或涂層刀片，但刀片應帶有負前角，這將增加切削和排屑的阻力，易使細長鏜桿產生振動。若用PCBN刀具進行高速鏜削，其孔的表面質量好、生產效率高。對這類工件的孔加工宜采用CBN電鍍鉸刀。這種鉸刀是以其硬度為42HRC的45號鋼或9CrSi鋼作為基體，具有前后導向和切削部分，其基體制造精度要高，設計要合理。如其鉸刀的前導向部分直徑要小于切削刃部分直徑0.04mm，切削區的長度要大于工件孔深，后導向的長度要大于切削區長度，其直徑應小于切削刃部直徑0.02mm。為了在鉸削中能用切削液沖洗切屑和冷卻潤滑加工表面，其鉸刀基體上開有兩條較深的螺旋槽。 如某廠加工淬火鋼工件孔f12.06±0.05mm，硬度為45HRC，底孔尺寸為f12±0.01mm，要求孔的圓柱度為0.005mm，表面粗糙度為Ra0.2μm。采用一組五把的電鍍CBN鉸刀加工后，取得較好的經濟效果。有的發動機制造廠采用金剛石或CBN電鍍鉸刀對氣缸體的主軸承孔進行珩鉸，代替原來的珩磨加工，使加工效率提高了數倍，且質量穩定。采用帶正前角的PCBN刀具，選用適當的切削參數，即Vc=100m/min,f=0.05～0.2mm，ap=0.1～0.2mm，采用極壓型乳化液或油冷卻液，可加工奧氏體不銹鋼(45HRC)、高溫合金鋼、高錳鋼、高強度鋼及高鎳合金鋼等材料，可獲得較高的加工效率和表面質量。

CBN砂輪在磨削加工中的應用

CBN材料除用來制作刀具外，其最大的應用領域還是制成CBN磨具，用于高速高效磨削和珩磨加工，可使磨削效率大大提高，其磨削精度和質量提高一個等級。

磨削汽車零件——凸輪軸和曲軸

CBN砂輪在內孔磨削中的應用

采用CBN砂輪磨削齒輪

應用CBN磨具加工難加工材料及難加工面

汽車發動機上的凸輪軸具有多個凸輪，淬火后的凸輪粗磨及精磨是影響凸輪質量的關鍵工序。一般都是采用靠模仿形磨削，工件速度的提高受到限制，工件易產生磨削燒傷裂紋，采用靠模仿形磨削，其凸輪表面的輪廓曲線要受砂輪直徑大小的影響，所以很難保證凸輪輪廓曲線的正確。生產實踐證明，當砂輪直徑大時，磨出的凸輪瘦，當砂輪直徑小時，磨出的凸輪胖，只有當砂輪直徑接近或等于磨削靠模凸輪的滾輪直徑時(一般為f570mm)，其仿形誤差接近于零，即磨出的凸輪表面輪廓曲線接近于靠模凸輪。在實際生產中，所用的砂輪直徑一般都是從D600(或610)用到D500，與理想的砂輪直徑(570)相差甚多，所以生產中總有大部分凸輪軸的凸輪曲線超標。為解決這個問題，我們在靠模仿形凸輪磨床上采用CBN砂輪磨削，可把CBN砂輪直徑制成D575，CBN磨料層厚為4～5mm，其磨輪的磨削最小直徑是D565，磨削直徑范圍雖然只有10mm，但磨削零件數卻相當于幾十片普通砂輪，不僅可保證凸輪曲線正確，而且也不會產生磨削燒傷現象。 如Liton工業自動化公司用CBN砂輪磨削凸輪軸，其成本降低了50%，凸輪表面的疲勞強度提高了30%；東風汽車公司襄樊柴油發動機廠用陶瓷結合劑CBN砂輪粗磨冷激鑄鐵凸輪軸，其凸輪磨削余量t=4～5mm，V砂=60m/s，工件轉速n=100r/min,Vf=0.1mm/s，采用高速磨削液，CBN砂輪的壽命基本相當于20片剛玉磨料砂輪。內圓磨削的效率一直很低，其主要原因就是磨削速度、砂輪材質及磨桿的剛性問題。生產過程中用在修整砂輪、更換砂輪的時間幾乎占了單件工時的1/3～1/5。如果內圓或溝槽磨削采用CBN電鍍砂輪，并把砂輪速度提高，增大磨桿直徑，便可適當提高工件轉速與進給速度，不僅可保證孔(弧)徑、槽寬尺寸與形位精度，表面粗糙度和避免燒傷，而且還可以成倍地提高加工效率，降低加工成本。 如國內某廠加工一個年產60萬件的紡機滾動軸承套，磨f15.5+0.04的孔及相鄰的弧槽，過去用鉻剛玉(GG)砂輪，需用兩道工序分別在兩臺M224內圓磨床上加工，其槽(弧)徑差及尺寸與孔的同軸度很難保證，且效率低，采用CBN砂輪后，加粗了磨桿，提高了進給量，節約了修整和更換砂輪的時間，徹底解決了原有問題。后又改為孔、溝同時磨，即在磨桿上裝兩個砂輪，使磨削效率提高1倍，節省了一臺磨床。所加工的工件表面粗糙度為Ra0.63μm采用的磨削工藝參數：V砂=36m/s，V2=19m/min，f粗切=1μm/r,f精切=0.5μm/r，光磨時間t=bs，采用10%濃度的乳化值。齒輪磨削以往是采用單齒面與多齒面磨削，單齒面磨削雖然可獲得較高的加工精度，但效率低，成本高，多齒面磨削雖生產效率高，但其加工質量比單齒磨削差。若采用CBN砂輪磨削，無論采用單齒面磨削還是采用多齒面磨削，采用電鍍CBN砂輪或陶瓷結合劑砂輪進行磨削，其效果極為顯著：

CBN砂輪可以制成精度較高的齒形，由于耐用度高，不頻繁修整，不需經常調整機床，可獲得穩定的齒廊、導程和節距精度。

可實現高速磨削與高進給率磨削齒面，粗糙度低且不會燒傷，可在提高磨削效率的條件下獲得較高的齒輪精度(6～7級)。

CBN砂輪壽命長，磨削性能好，節約了砂輪更換修整、機床調整和工件檢測等許多輔助時間。

對淬硬鋼件或冷硬鑄鐵件孔的珩磨，可采用CBN珩磨油石，對高強度、高硬度和高熱敏性的合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼與合金，宜采用高硬度、高強度的CBN砂輪，采用極壓乳化液或高速磨削液進行冷卻。對較長的導軌面或復雜型面、凸輪磨床的靠模軸等均宜采用CBN砂輪。

CBN材料在機械加工關鍵工序中的應用

CBN材料無論制作刀具或制作磨具，應用于高速切削或磨削，都可收到提高產品質量、提高加工效率、縮短加工周期和降低加工成本等顯著效果。因此，在加工中，大力推廣CBN刀(磨)具是提高制造技術的有力措施。但若普遍推廣使用，尚有許多問題。 為了在生產中更好地推廣使用CBN刀(磨)具，應做以下幾方面的工作：

發揮CBN刀(磨)具研究院(所)的主導作用

實現三點一線聯合開發，即CBN——工具制造——用戶或CBN與工具制造——機床——用戶共同開發CBN的應用

積極開展CBN刀(磨)具制造與使用技術的研究

目前國內CBN材料生產廠家很多，產量也不少，但高質量的不多，CBN刀(磨)具的穩定用戶更少。究其原因主要是機械加工部門對價格昂貴的CBN刀(磨)具缺乏選擇與使用的知識，采購來的CBN工具實效不多，在其經濟緊縮的條件下，不敢輕易投資進行工藝試驗。

用戶需要提高產品質量意識

勇于提高制造技術要想解決這個問題，只有CBN刀(磨)具研究院(所)主動深入機械制造的生產單位，選擇生產效率與質量的薄弱環節，且已具有或易于創造CBN加工條件的點，與用戶協商簽訂共同開發CBN應用合同。由工具研制單位負責免費提供試驗用的CBN刀(磨)具，用戶負責提供試驗所需條件下組織生產試驗。這就發揮了多方積極性，從CBN質量選擇到工具制造，都會以最優、最快的速度進行，用戶從準備試驗條件到使用，見到了達到合同目標值的成果，不花試驗費便解決了生產難題，很容易推廣。而工具院(所)亦可在以后的供貨中逐步回收利潤，只要雙方保持互惠、互利，協作關系便會更加鞏固。我廠就是利用這種方式與多家研究院校開發了很多新技術。在機械加工中的許多加工難點，雖然可用CBN工具來解決，但就目前條件，不是國內哪家所能單獨做到的，因為并非凡是CBN工具都有奇特的和萬能的加工能力。我們也曾用過CBN刀片精鏜硼缸套，其效果并不比新型陶瓷刀片好。

質量原因

其原因是多方面的，如CBN質量、含量、品牌規格及結合劑等是否適合硼鑄鐵的加工。至于CBN磨具影響的磨削效果的因素就更多了，除自身原材料的質量、配比和磨具制造技術外，還有使用條件與技術。如磨削速度(應用高速磨削速度)、磨床剛性好、無振動、有自動精細進給及修整補償機構、適當的磨削參數和冷卻液等，這些都是相輔相成的重要因素，靠有關方面共同努力，各自提高自家產品的質量，相互促進，才能使CBN工具與專用設備成功地用于生產。用戶希望使用具有實效的CBN工具，為此，要求工具制造單位，除了盡快提高CBN工具的制造技術外，還應對產品的質量建立明確的鑒定標準與方法，分布某些性能參數，如刀具的CBN含量與品牌、磨具的硬度與CBN精度、濃度等，在此基礎上進行生產使用試驗，以便充分發揮用戶的生產經驗，對不同的切削參數與冷卻液所取得的加工結果進行對比分析，使CBN工具得到質的提高。CBN工具的適用范圍、使用條件和應用的技術配套(如設備和冷卻液等)，用戶可正確選用和使用CBN工具。21世紀是高科技時代，產品必須是有高性能、高質量才有市場，企業才有生命力。為此，應盡快提高制造技術水平，而推廣使用CBN工具提高制造技術是一種有力措施，這不僅需要有關主管部門的有力資助和支持，有組織、有計劃地逐步推廣CBN工具的技術配套與使用，同時也要求用戶勇于接受新材料、新技術，改變過去陳舊的生產觀念與管理方法，即刀(磨)具均消耗費用指標很低，只許占產品成本的1/100左右，而不是以提高生產效率和保證產品質量為準，這樣會限制優質高效的刀(磨)具應用與先進設備生產能力的發揮。實踐證明，CBN刀(磨)具的成效不僅可提高產品的加工質量，而且也可提高經濟效益。

PCBN刀具的制造工藝

PCBN刀具的制造主要通過CBN粉末和結合劑經超高壓高溫燒結而成.大致步驟有;混合粉末--模壓成型/與硬質合金底層組裝成整體--超高壓高溫燒結--深加工.

關鍵技術在于CBN與結合劑的選擇與配比,超高壓高溫燒結工藝參數的確定.