CBN 刀具材料的發展及其切削性能研究進展*＊

陳俊云 靳田野 鹿 玲

(①燕山大學車輛與能源學院，河北 秦皇島066004;②燕山大學機械工程學院，河北 秦皇島066004)

立方氮化硼(CBN)作為一種超硬材料，其硬度高，耐磨性好，熱穩定性高，在高溫下與鐵基金屬不易發生化學反應，不僅可以勝任多數難加工材料的加工，而且加工效率高，質量好。盡管CBN 材料的硬度和導熱率僅低于金剛石，但是其耐熱性和化學惰性都遠高于金剛石。CBN 一直是被人們熟知的人工合成材料，直到2009 年，多國學者在中國青藏高原南部山區發現了天然CBN 晶體，并在2013 年8 月被國際礦物學會正式承認為新的礦物。

在大氣環境下，金剛石易于石墨化并與鐵元素發生化學反應，因此金剛石刀具在鐵基金屬切削過程中存在嚴重的化學磨損和機械磨損，對相應材料的精密及超精密切削加工難以實現。而近年來，隨著超硬刀具材料合成技術不斷取得新的突破，性能優越的CBN新型超硬材料無疑將成為鐵基金屬精密及超精密切削加工的理想刀具材料。

本文通過介紹CBN 刀具材料的發展現狀、機械性能及其在黑色金屬精密切削加工中的研究成果，分析了CBN 刀具尚存在的問題與不足，旨在探索CBN 刀具精密切削加工和黑色金屬超精密切削加工領域較新的研究方向。

1 CBN 刀具材料的發展現狀和前景

1.1 CBN 單晶及PCBN 刀具材料

市場上廣泛應用的CBN 材料有單晶體和多晶體(PCBN，也被稱作聚晶)兩種。大塊的CBN 單晶合成困難，而且各向異性。所以，目前CBN 單晶僅作為磨料使用。

普通PCBN 是由CBN 單晶顆粒在高溫高壓下通過結合劑燒結起來的多晶材料［1］，其維氏硬度(35 ～40 GPa)與商品化CBN 單晶硬度(30 ～43 GPa)相當，且各向同性、不易解理，適用于切削加工。根據結合劑種類和含量的不同，普通PCBN 刀具的性能存在一定差異［2］。如今，PCBN 刀具已被用于淬硬鋼的“硬態切削”中，其優點是工件的加工工序少，材料去除率高，無需使用切削液，可實現工件的綠色加工等［3］。

CBN 材料作為超硬刀具材料，實現了鐵基難加工材料的高效切削加工。對于商品化的含結合劑的普通PCBN 刀具，隨切削溫度提高，硬度開始明顯下降，刃口鋒利度降低，無法保證精密及超精密級別的面形精度和表面質量。因此，PCBN 刀具材料必然向無結合劑化的方向發展。

1.2 新型無結合劑CBN 刀具材料

1972 年Wakatsuki 利用直接轉換法首次合成出了細晶BL-PCBN 材料［4］。BL -PCBN 材料是由六方結構BN 在高溫高壓下直接轉化而成的，無雜質成分，平均晶粒尺寸可控制在0.1 ～0.5 μm，維氏硬度可達50 ～55 GPa，明顯高于工業合成的CBN 單晶硬度［5-9］。

2007 年，Natalia 等人在18 GPa 和1 870 K 條件下成功地合成出納米晶 BL - PCBN (也被稱為ABNNC)，報道的最小晶粒尺寸為14 nm，維氏硬度達到85 GPa，超過了商用金剛石聚晶(PCD)的硬度(50 ～70 GPa)［10］。目前，日本住友電工［5］、烏克蘭國家科學院［6］、美國通用電氣公司［8］、德國弗萊貝格工業大學［9］、德國海德堡大學［10］、日本國家無機材料研究所［11］等單位，均能夠合成BL-PCBN 材料。

然而，BL-PCBN 的合成需要較高的溫度和壓力，條件苛刻，成本高，這在一定程度上限制了它的實際應用，尤其在超精密切削刀具材料方面的應用。因此，應在保證材料機械性能的前提下重點研究BL - PCBN材料的合成工藝，從而降低其合成條件。

1.3 新型極硬納米孿晶結構CBN 材料

2013 年，田永君等人采用洋蔥結構BN 為前驅物在高溫高壓下成功地合成出一種極硬的納米孿晶結構BL - PCBN 材料，也被稱作nt - CBN(nanotwinned CBN)。nt-CBN 是一種新型的BL-PCBN 材料，其顯微組織如圖1 所示。在納米晶的內部形成了相互平行的納米孿晶亞結構，平均孿晶厚度僅有3.8 nm。材料具有各向同性的特點，報道的最高硬度達到108 GPa，超過了人工合成的金剛石單晶，斷裂韌性也高達12.7 MPa·m0.5，起始氧化溫度更是接近于1 300 ℃［12］。這種新型nt-CBN 材料的力學性能超越了聚晶金剛石PCD、納米晶PCBN 和人工合成的金剛石單晶，是工業上期待已久的刀具材料。很顯然，nt -CBN 材料良好的綜合力學性能可能使PCBN 刀具的切削加工效率得到顯著提高。更為重要的是，這種材料的顯微組織特征尺寸只有幾個納米，這種刀具在精密及超精密加工中可能具有更大的應用潛力，其加工精度及抗磨損性能完全有可能達到過去從未達到的新水平。

由于nt -CBN 材料的硬度極高，刀具的成形和刃磨等難題亟待解決，需要發展相應的特殊加工工藝和技術。

2 CBN 刀具材料的機械性能

硬度和橫向斷裂強度(TRS)是表征一種材料能否夠勝任切削加工的重要性能指標。高溫硬度和高溫橫向斷裂強度更能反映出切削加工過程中刀具的機械性能。

2.1 刀具材料的硬度

根據霍爾-佩奇(Hall -Petch)關系，多晶材料的硬度隨晶粒尺寸的減小而增大。普通PCBN 材料的晶粒尺寸一般從幾微米到幾十微米，細晶BL -PCBN 的晶粒尺寸為亞微米量級，nt -CBN 的孿晶平均厚度為納米量級，所以得到的硬度關系如下:普通PCBN ＜細晶BL - PCBN ＜nt - CBN。圖2 為不同溫度下普通PCBN 與BL -PCBN 的硬度對比［5-9］，證實了以上觀點，但nt-CBN 的高溫硬度趨勢暫無報道。

在顯微組織中，第二相對硬度的影響很大，如含結合劑的聚晶金剛石PCD 硬度僅能達到單晶金剛石硬度的50% ～70%。同樣，普通PCBN 中含有的結合劑組分會降低硬度，特別是高溫下的材料硬度。如圖2所示，含結合劑PCBN 硬度僅為BL -PCBN 的50% ～70%。另外，在細晶粒的BL-PCBN 合成過程中，CBN是由低密度的同素異形體六方氮化硼HBN 轉化而來，在轉化過程中又會生成過渡相菱方氮化硼WBN，殘余的HBN 及WBN 組分也會降低材料硬度［8，9，13］。

綜上所述，若要提高PCBN 的硬度，需要滿足兩個條件:(1)減小材料的顯微組織(晶粒或孿晶)尺寸;(2)降低組織中低密度第二相的含量。細化組織的難度較大，但效果最好。

2.2 刀具材料的橫向斷裂強度

橫向斷裂強度有別于斷裂韌性，斷裂韌性是表征材料對裂紋擴展的阻抗，而橫向斷裂強度則是材料的靜態抗彎性能［14］。普通PCBN 刀具的橫向斷裂強度一般為1.4 GPa，聚晶金剛石PCD 刀具為2.5 GPa 左右。細晶BL -PCBN 刀具的室溫橫向斷裂強度與普通PCBN 刀具相當，但不如PCD 刀具。由于無結合劑組分，BL-PCBN 具有非常高的高溫力學性能。

圖3 為不同溫度下3 種材料的橫向斷裂強度對比。如圖所示，隨著溫度升高，PCD 和PCBN 的橫向斷裂強度分別在400 ℃和800 ℃開始快速降低。這是因為，含結合劑類刀具的結合劑成分由于熔點低而逐漸融化，晶粒結合強度降低，導致材料的橫向斷裂強度也隨之逐漸降低。但PCBN 的高溫斷裂性能明顯高于PCD。相反，細晶BL -PCBN 刀具的橫向斷裂強度隨溫度升高而逐漸增大，在400 ～500 ℃時超過含結合劑類刀具，并且在800 ℃時開始急速增大［5，15，16］。這是因為在晶粒結合強度不變的前提下，溫度升高材料整體發生軟化，材料塑性有所提高，從而增大了橫向斷裂強度。所以，BL - PCBN 刀具具有良好的高溫服役性能。

以上分析表明，PCBN 材料具有良好的力學性能，適于鐵基難加工材料的普通切削加工及高速加工。其中，BL-PCBN 材料的性能尤為突出。

3 CBN 刀具的切削性能研究

3.1 刀具磨損

在硬態切削中，普通PCBN 刀具的磨損種類主要有磨粒磨損、粘附磨損、磨耗、疲勞失效、擴散分解和熱化學磨損［3］。其他類型的PCBN 刀具在切削加工中的磨損類型也應基本相同。

對于PCBN 刀具，影響刀具磨損的主要因素是切削速度。其原因在于隨著切削速度的升高，切削溫度升高，PCBN 刀具中的結合劑成分逐漸熔解，形成了熱應變裂紋，降低了刀具的強度，磨損隨之增大［17］。在Katuku 等進行的加工等溫淬火的球墨鑄鐵的實驗［18］，Lin 等進行的切削高硬度合金鋼的實驗［19］和Yallese等進行的加工硬化軸承鋼的試驗［20］中都得出了控制切削速度可以控制刀具磨損的結論。在這些結論中發現，高粘結劑含量PCBN 刀具一般被用于粗加工或斷續切削，而低粘結劑含量PCBN 刀具則被用于精加工或連續切削［2，21］。其他研究還發現，圓弧刃刀具適用于小進給量加工，而直線刃則適用于大進給量加工［22-23］。除此之外，Nath［24］和Moriwaki［25］還嘗試了PCBN 刀具對黑色金屬的超聲振動切削，實驗發現由振動引起的斷續切削有利于減小刀具磨損，提高刀具壽命。切削深度和進給量對刀具磨損的影響相對較小。

由于BL-PCBN 刀具不存在結合劑成分的影響，在相同的切削條件下，細晶BL - PCBN 刀具比普通PCBN 刀具的磨損程度明顯較低。如Ding 對Al -SiC MMC 的加工實驗［26］及Neo 對模具鋼的加工實驗［27］，都發現細晶BL -PCBN 刀具磨損低、壽命高。而且，研究發現BL -PCBN 刀具磨損隨切削速度的變化并不大，在切削加工中僅會發生少量的粘附磨損，不會出現月牙洼磨損和裂紋［15］。Fujisaki 的研究還發現，BL-PCBN 刀具最小磨損量與刀具材料晶粒尺寸相當［28］。Oberschmidt 加工模具鋼的實驗也可以得到了同樣的結論［29］。經分析，刀具材料的顯微組織尺寸決定著刀具磨損的最小單元，所以，細晶的BL - PCBN材料刀具的磨損量較小。

綜上所述，CBN 刀具的磨損特點如表1 所示。抑制刀具磨損在加工過程中非常重要。對于黑色金屬的精密、超精密加工，使用高純度、細晶粒的CBN 刀具材料，刀具磨損可以得到有效抑制，nt-CBN 顯然是最佳的刀具材料。

表1 CBN 刀具切削黑色金屬的磨損特點

3.2 切削加工中的切削力變化

通常刀具的材料硬度越高，切削力就越小。對于普通PCBN 刀具，切削速度、進給量和切削深度對切削力的影響最大;被加工材料的硬度和刀具尺寸對切削力影響較小［29，31］。增大切削速度會產生大量的切削熱，使被加工材料軟化，導致加工過程中的切削力減小［19，20，32，33］。但是切削速度的增加也使刀具磨損更加嚴重，反而會增大切削力［33］。進給量和切削深度的增加則使刀具和加工材料之間相互作用載荷增大，隨之增大了切削力［32，34］。相對來說，切削速度對切削力的影響小于進給量和切削深度的影響。所以，為了在加工過程中減小切削力，應選取較低的進給量和切削深度，切削速度的選擇要適中。

細晶BL-PCBN 刀具與普通PCBN 刀具的切削力變化趨勢相同［15，36］。但在切削速度較高時，由于BLPCBN 具有更高的高溫硬度和化學穩定性，在同樣的切削條件下切削力比PCBN 刀具小，而且變化更加平緩。2005 年，Zareena 等人通過對比普通PCBN 刀具和BL-PCBN 刀具切削加工鈦合金的實驗，得出了上述結論。如圖4 所示［36］，BL -PCBN 刀具切削力的變化更接近于硬度更高的PCD 刀具。因此，使用BL -PCBN 刀具進行切削加工，可以在較高的切削速度下，有效控制切削力的大小，降低加工過程中刀具的振動，從而達到在提高加工效率的同時也能夠保證加工質量的效果。

控制切削力對于有效抑制刀具磨損及增加連續加工時間非常重要，它主要受刀具材料、幾何參數和加工工藝等因素的影響。因此，應從刀具材料的無結合劑化、優化切削參數、刀具幾何參數的影響機理等方面綜合考慮，深入研究，在保證加工效率的前提下實現切削力的有效控制。

3.3 工件的表面粗糙度

加工工件表面粗糙度是衡量一種刀具材料切削性能的重要指標。由于PCBN 刀具硬度高、耐磨性好、熱穩定性好，所以可以承受難加工材料切削時的高機械載荷和高熱載荷［37］，從而得到較好的工件表面粗糙度。

加工參數和刀具尺寸直接影響刀具加工工件表面粗糙度值的大小。對于PCBN 刀具加工，工件表面粗糙度的大致變化趨勢如下:低速切削時，隨切削速度增加，表面粗糙度值減小;高速切削時，隨切削速度增加，表面粗糙度值增大;隨進給量和切削深度增大，表面粗糙度值增大［20，34，38］;刀尖圓弧半徑越大，切削刃粗糙度值越小，加工表面粗糙度越好［31，39，40］。雖然普通PCBN 刀具具備加工淬硬鐵基材料的能力，但是僅僅能夠得到微米或亞微米級的表面，無法達到精密及超精密的加工精度［29，41］。

由于刀具刃口附近形貌會被復制到被加工工件表面，所以工件表面粗糙度與刀具磨損直接相關;而刀具材料的顯微組織尺寸又決定著刀具磨損的最小單元。所以，對于晶粒尺寸更小的BL -PCBN 刀具，可以獲得比普通PCBN 更小的加工工件表面粗糙度值。如2002 年，Kato 等人對比普通PCBN 刀具與細晶BL -PCBN 刀具對灰鑄鐵(硬度206HB)的加工試驗中，PCBN 刀具短時間內即失效，導致加工表面粗糙度值持續增大。而BL -PCBN 刀具能將加工工件表面粗糙度一直保持在30 nm 左右［15］。2006 年，Oberschmidt等人切削加工40CrMnMoS8.6 淬硬鋼(硬度54HRC)，得到的平均加工表面粗糙度為27 nm［40］。2009 年，Fujisaki 等人對經過熱處理后的SUS420J2 不銹鋼(硬度50HRC)進行高速銑削加工，得到了50 ～100 nm 的表面粗糙度［28］。另外，在普通PCBN 刀具、細晶BL -PCBN 刀具和PCD 刀具加工鈦合金的對比實驗中，BL-PCBN 刀具加工得到的表面粗糙度值最小，特別是在高速下，得到較好加工表面的同時其刀具壽命最長，切削力最小［36］。

顯然，BL -PCBN 刀具的切削精度明顯高于普通PCBN 刀具。從提高切削精度方面考慮，應重點研究BL-PCBN 刀具的切削性能、表面形成機理及主要影響因素。但是目前的相關研究報告還比較少，主要因為BL-PCBN 刀具材料的商業化程度低，其根源在于材料合成條件苛刻、成本高。

4 CBN 刀具在超精密切削加工中的應用

在注塑成型或模壓成型高精度光學模具的強大應用需求下，黑色金屬的超精密切削加工技術一直是精密及超精密加工領域的研究熱點。從20 世紀80 年代起，人們開始探索采用金剛石刀具進行黑色金屬超精密切削加工的方法。由于金剛石在高溫下容易與鐵元素發生化學反應，磨損嚴重，因此切削加工黑色金屬的性能較差。雖然冷凍切削、超聲振動切削和工件表面滲氮等加工方法取得了一定的成功［42-46］，甚至能夠將工件表面粗糙度加工至10 nm 以下。但工藝復雜，有效加工工件長度較短，實際操作和控制非常困難，而且金剛石與黑色金屬發生熱化學反應的本質也始終沒有改變。所以，無論是改善工藝方法還是優化刀具和工件材料，金剛石類刀具在黑色金屬的超精密切削領域的應用始終面臨著很大的挑戰。

PCBN 刀具的優勢是適于黑色金屬加工，但由于普通PCBN 材料中含有結合劑，在切削不銹鋼、模具鋼等硬度較高的淬硬黑色金屬材料時，刀具磨損難以控制，加工表面質量也不甚理想，所以僅適用于精度要求不高的普通加工或硬態切削。即使使用超聲振動切削，得到的加工工件表面粗糙度也僅能達到微米級［24，25］，無法得到超精密級加工表面。BL -PCBN 是目前加工黑色金屬的理想CBN 刀具材料。無論是車削、銑削還是刨削，使用細晶BL -PCBN 刀具都已經獲得了幾十納米(20 ～50 nm)的表面粗糙度。甚至在出現振動、火星等不穩定的條件下，仍能將加工工件表面粗糙度保持在亞微米量級［27，39，41］。與普通PCBN 刀具相比，細晶BL -PCBN 刀具的磨損較低、切削力較小，加工工件的表面質量更好。

黑色金屬的超精密加工具有重要的應用前景，是未來發展的主要方向，其中BL -PCBN 刀具材料的作用將不可替代。上述研究已經表明，BL -PCBN 刀具是目前性能最好的一類CBN 刀具。細晶BL -PCBN的晶粒尺寸為亞微米量級，在加工淬硬鋼時，已能夠獲得幾十納米的表面粗糙度。超細納米孿晶BL -PCBN或nt-CBN 材料的顯微組織尺寸已能減小到4 nm 以內，這種材料的硬度與天然金剛石相當，而斷裂韌性明顯高于天然金剛石［12］。由此可以預見:在不遠的將來，采用這種新型刀具材料完全有希望實現黑色金屬的超精密加工，獲得Ra＜10 nm 的表面粗糙度。各種刀具在淬硬黑色金屬加工中能夠達到的精度及存在問題見表2。

表2 淬硬黑色金屬的切削加工精度及存在問題

5 結語

(1)目前對CBN 刀具材料及切削性能的研究已取得了一定的成果。但對于CBN 刀具材料，為達到更好的切削效果，其晶粒尺寸仍需細化，硬度和橫向斷裂強度也需要進一步提高。另外，合成溫度和壓力的降低對于CBN 刀具材料的應用非常重要。

(2)在CBN 刀具的切削過程中，選擇適當的切削速度，減小進給量和切削深度可以有效地控制切削力，避免刀具快速磨損，同時也能夠得到較好的加工表面質量。另外，刀尖鈍圓半徑也是影響加工質量的一個重要影響因素。BL -PCBN 刀具的抗磨損性能較好，粘附磨損為主要磨損形式。但由于其自身晶粒尺寸和硬度的限制，對淬硬鋼的切削加工仍無法達到超精密級別。

(3)對于亟待解決的黑色金屬超精密切削加工問題，提出一種更有效的金剛石刀具磨損抑制策略或應用性能更好的CBN 刀具材料是較為可行的解決途徑。最新研究成功的nt-CBN 材料硬度極高且韌性較好，采用這種新型刀具材料完全有希望實現黑色金屬的超精密加工，但目前還沒有關于其切削性能的研究報道。

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