聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具淺談

翟康

摘要：論題中重點介紹了聚晶立方氮化硼刀具的發展、種類、性能以及它在高速切削的應用。聚晶立方氮化硼即為PCBN（Polycrystalline；Cubic；Boron；Nitride）；之后簡稱為PCBN刀具；PCBN刀具主要應用于HRC45以上的硬質材料；包括高溫合金（鎳基合金Inconel；Monel；Incoloy；Waspaloy；等；鈷基合金Stellite；Colmonoy等）；PCBN刀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出高精度零件；適用于高速及超高速切削加工、硬態切削加工、干切削加工、自動化加工及高溫合金材料加工干切削等工作環境；具有硬度高、高效加工等優點。

關鍵字：PCBN刀具、高效切削、先進加工技術

1 了解高效切削刀具PCBN刀具

1.1 PCBN刀具的發展歷史

20世紀70年代，前蘇聯、中國、美國、英國等國家才相繼研制成功作為切削刀具的CBN燒結體——聚晶立方氮化硼PCBN（Polycrystalline Cubic Boron Nitride），解決了單晶CBN的顆粒較小，很難制成刀具，且CBN燒結性很差，難于制成較大的CBN燒結體的劣勢，同時又保留了CBN具有較高的硬度、化學惰性及高溫下的熱穩定性等優勢。從此，PCBN以它優越的切削性能應用于切削加工的各個領域，尤其在高硬度材料、高溫合金材料的切削加工中更是獨樹一幟。經過30多年的開發應用，現在已出現了用以加工不同材料的PCBN刀具材質。

聚晶立方氮化硼是一各超硬刀具材料，它是以微晶CBN為主要原料，在不加入或者加入適量助燒結劑（分為金屬或合金助燒結劑、非金屬及硼氮化物助燒結劑、陶瓷助燒結劑）條件下經高溫高壓燒結而成。1957年美國GE公司利用高溫、超高壓裝置首次合成了CBN，l973年PCBN刀具研制成功。自此其研究趨成熟，產品種類向著多元化、系列化方向發展。

1.2 PCBN刀具材料的種類

按添加成分分：有直接由CBN單晶燒結而成的PCBN和添加一定比例粘結劑的PCBN燒結體兩大類；按制造復合方式分：有整體PCBN燒結塊和與硬質合金復合燒結的PCBN復合片兩類。目前應用較廣的是帶粘結劑的PCBN復合片，根據添加的粘結劑比例不同則PCBN硬度也不同，粘結劑含量越多則硬度越低、韌性越好；粘結劑種類不同，則PCBN的用途也不同，常見粘結劑的PCBN刀具及其用途。

CBN含量（%）-粘結劑種類-主要用途

～60-TiN-淬火鋼

～70-TiC-鑄鐵

～70-Al2O3-鑄鐵

～90-AlN-高強度鑄鐵

～80-Co-耐熱合金鋼鑄鐵

1.3 PCBN 刀具的切削性能

1） 較高的硬度和耐磨性

CBN 晶體結構與金剛石相似，化學鍵類型相同、晶格常數相近，因此具有與金剛石相近的硬度和強度。CBN 微粉的顯微硬度為HV8000 ～ 9000， 其燒結體PCBN 的硬度一般為HV3000～5000。在切削耐磨材料時其耐磨性為硬質合金刀具的50 倍，為涂層硬質合金刀具的30 倍，為陶瓷刀具的25 倍。

2） 具有很高的熱穩定性

現代制造工程2002（1）CBN 的耐熱性可達1400～1500 ℃，PCBN 在800 ℃高溫下PCBN刀具的硬度時的硬度還高于陶瓷和硬質合金的常溫硬度。因此PCBN 刀具可用比硬質合金刀具高3～5 倍的速度高速切削高溫合金和淬硬鋼。

3） 具有優良的化學穩定性

CBN 的化學惰性特別大，在1200～1300 ℃時也不與鐵系材料發生化學反應，與碳在2000 ℃時才發生反應；在中性、還原性的氣體中，對酸、堿都是穩定的；其對各種材料的粘結、擴散作用比硬質合金小得多，因此PCBN 刀具特別適合加工鋼鐵材料。

4） 具有較好的導熱性

在各類刀具材料中CBN 的導熱性僅次于金剛石，導熱系數為1300WP（m·℃），而且隨著溫度的升高，PCBN 導熱系數是增加的。PCBN 刀具導熱系數高可使刀尖處溫度降低，減小刀具的磨損，有利于加工精度的提高。在同樣的切削條件下，PCBN 刀具的切削溫度要低于硬質合金刀具。

5） 具有較低的摩擦系數

與不同材料間的摩擦系數CBN為0.1～0.3、硬質合金為0.4～0.6，隨著切削速度的提高，摩擦系數是減小的。這一特性導致切削時刀與屑間摩擦減小，切削變形減小，切削力降低，加工表面質量提高。

2 PCBN刀具應用于先進切削加工工藝

2.1 適用于高速及超高速切削加工技術

PCBN刀具最適合于鑄鐵、淬硬鋼等材料的高速切削加工。當切削速度超過一定限度后，切削速度越高，PCBN刀具后刀面磨損速度反而越小，即高速切削下刀具的壽命反而高，這一特點尤其適合現代高速切削加工。

2.2 硬態切削加工技術的最佳刀具材料

對高溫合金件（硬度HRC55以上）的精加工，通常采用磨削加工方法來完成，然而隨著刀具材料發展及車床（尤其是數控車床）加工精度的提高，以高溫合金高速切削切削代替磨削來完成零件的最終加工已成為一個新的精加工途徑，通常用于高溫合金高速切削的刀具材料有陶瓷、TiC涂層刀片及PCBN刀具材料，但要在較高速度（1000m/min以上）下進行高溫合金車削，PCBN是最佳刀具材料品種。如在汽車變速箱同步器套撥叉（材料為20CrMnTi，硬度為HRC58～62）加工采用以車代磨后，效率提高4倍以上，加工成本降低為原來磨削工藝的1/3～1/2。

2.3 進行干切削加工工藝的理想刀具材料

由于經濟與環保方面的原因，近幾年干切削加工方法已成為機械制造領域中的重點研究課題。適用于干切工藝的刀具材料有陶瓷、金屬陶瓷、涂層硬質合金及PCBN刀具材料等等，但就紅硬性和熱穩定性來說，PCBN材料是最適合干切工藝的刀具材料，且由于PCBN刀具材料具有上述優點，更適于高速條件下的干式切削加工，此外PCBN在高速干切情況下，比濕切削具有更高的刀具壽命。

2.4 適應于自動化加工及高溫合金材料加工

PCBN刀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出高精度零件，大大減少換刀次數和刀具磨損補償停機所花費的時間。因此，很適合于數控機床及自動化程度較高的加工設備，并且能使設備的高效能得到充分發揮。

在合金材料應用方面，PCBN刀具也顯示了其卓越的性能，如表面噴焊（涂）材料的加工，用其它材料刀具加工，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；又如，在石油電站設備中使用的高合金耐磨鑄鐵，采用PCBN刀具較硬質合金刀具提高切削效率4倍以上，單件刀具成本下降為原來的1/5。

參考文獻

[1]朱曉春.先進制造技術.機械工業出版社，2004

[2]宋庭科 李嫚 張弘弢PCBN刀具車削鎳基高溫合金切削性能研究.金剛石與磨料磨具工程，2011 第1期