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聚集行业智慧!立方氮化硼未来发展大家谈

关键词 立方氮化硼|2016-12-20 09:59:15|来源 中国研磨网《中国研磨》杂志
摘要 低碳、绿色、环保是全球性的永恒话题。高速、高效、超精细以及机械化、自动化和智能化是现代工业企业追求的远大目标。作为发展中的高技术的超硬材料,在这场宏伟的现代工业革命中是大有用武之地...
  低碳、绿色、环保是全球性的永恒话题。高速、高效、超精细以及机械化、自动化和智能化是现代工业企业追求的远大目标。作为发展中的高技术的超硬材料,在这场宏伟的现代工业革命中是大有用武之地的。现在摆在我们面前的问题是如何服务好现代工业,并做出更大、更新的贡献。今年是我国第一颗立方氮化硼研制成功五十周年,恰逢第十三五规划的开局之年,围绕上述的远大目标和国家大政战略方针,我们把未来的发展目标具体化。下面引用若干超硬材料行业专家的观点,他们从不同的专业视角出发,对未来几年或更长时间内,应该去做些什么提出了不同的想法或建议。

  1、针对高速、超高速磨削技术发展的需求,吕智,蒋燕麟等认为:国内磨具的研究应注重以下几个方面进行技术创新。
  1.1结合剂的技术创新
  在考虑低温高强的基础上,还应该考虑结合剂的耐磨性和形状保持性。目前国内有采用纳米技术来提高结合剂的强度,以及与磨粒更好地进行结合。国外也有报道,在陶瓷结合剂的基础上利用特殊树脂来增强结合剂的强度,以改善磨粒周围的结合剂在反复加载后的疲劳性能。
  1.2成型技术的创新
  不同的成型方式,磨粒及结合剂在成型过程中受挤压程度不同,形成的组织均匀性也不同。
  1.3检测技术创新
  目前,高速、超高速磨具的检测和传统常规时磨具检测的手段基本相同,甚至更少。比如硬度检测目前还没有看到相关的标准。

  2、张莉丽,林峰等对国内PcBN产品发展提出以下几点建议。
  2.1扩大PcBN产品的直径
  PcBN产品直径的扩大,不仅仅是产品尺寸的问题,而且是对PcBN合成的综合体技术提出了更高的要求。扩大PcBN产品的直径带来一系列技术上的难题,包括要求设备大型化以及腔体空间的扩大,导致的腔体内温度差和压力差增加,继而产生的产品性能均一性的问题。
  另外,扩大的腔体空间需要更长的烧结时间,因而对腔体组装的稳定性要求更高,扩大PcBN产品的直径,必须保证PcBN产品具有良好的可切割性,可以将PcBN产品切割成所需要的任何形状,从而降低单位面积成本,提高综合效益。
  2.2细化cBN的粒度
  cBN晶粒的细化,可以提高PcBN耐磨性、抗冲击性和可加工性。但随着晶粒的细化,也会给生产工艺带来困难,如混料不均匀,使得黏结剂在PcBN中出现富集和偏析现象,造成PcBN组织不均匀,性能不稳定。
  另外由于cBN颗粒越小,cBN颗粒之间的间隙就会越小,从而使得黏结剂很难渗透,造成烧结渗透不均匀,影响PcBN的整体性能。
  2.3加强产品系列化研究工作
  西方发达国家的PcBN产品向系列化、多样化方向发展,根据不同的被加工材料、不同的加工方式提供不同性能的PcBN产品,粒径从0.3μm到数十微米,cBN含量从低含量到高含量,结合剂从金属到非金属混合材料等。国内虽然已开展PcBN产品系列化工作多年,但由于国内开展该项工作的研究院所和高校并不多,生产企业又没有这方面的技术实力,导致国内PcBN产品的应用基础研究不够深入、不够系统。
  因此,国内必须加强PcBN产品系列产业化的基础研究工作,加速PcBN产品的系列化进程,制定全国统一的PcBN工业标准,实行产品标准化、系列化管理,使其在加工不同材料、在不同条件下发挥最大的优势,满足国内不同材料加工的要求。
  2.4重视刀具涂层的作用,加大刀具涂层技术的研发力度
  由于涂层刀片的综合性能良好,故涂层刀片有较好的通用性。国外发达国家的刀具涂层技术发展迅速,应用广泛。国内与之相比,差距很大,涂层刀具的数量也差得很远,大致占全部刀具的20%。其中数控机床和加工中心上使用得多一些,在普通的非数控机床上则少得可怜,原因是认识问题和价格等因素。我们应该努力提高刀具涂层技术和应用技术的水平,大力推广应用涂层刀具,促进切削加工和机械制造水平的提高。

  3、寇自力,李瑜等谈及PcBN未来的发展方向时指出,回顾我国超硬材料发展史,仔细思考我国PcBN刀坯材料发展缓慢及高速切削超硬刀具技术难以推广的原因,未来PcBN刀坯的发展方向应有以下特点:
  3.1首先要加强超硬材料烧结理论、超硬刀具切削理论方面的研究;
  3.2进一步提高国产六面顶压机的压力、温度极限,更好地掌握高温高压腔体的精密控制技术等;
  3.3PcBN刀坯材料要向尺寸大型化、产品系列化发展,且保证质量的稳定性及性能的均一化。
  超硬刀具的发展:(1)加大进口数控超硬刀具制造设备的引进与消化,实现微米级精密超硬刀具的制造;(2)加强超硬刀具的推广应用研究,开发超硬刀具的新的应用领域,实现中国制造到中国创造的转变;建立PcBN刀具的业标准与国际接轨。

  4、李志宏,冯丹丹等在“陶瓷结合剂cBN磨具现状及发展对策”文中指出:
  陶瓷结合剂磨具发展是必然趋势。为适应cBN磨具发展需要,应做好以下几方面工作:
  4.1继续进行高性能结合剂的开发工作,适应超高速磨削发展需要;形成结合剂系列化,适应不同磨削用途的需要。结合剂的开发研究工作应遵循已总结出的几个基本原则。
  4.2加强磨料和结合剂结合机理的进一步研究,探索cBN磨料表面改性的新方法,争取实现结合剂和磨料结合界面的合理设计和可控性。
  4.3加强cBN磨具在超高速磨削、航空航天等难加工材料磨削的研究,拓宽国内cBN磨具的应用范围。
  4.4加强产学研用几个方面的协同创新研究。一方面,磨削是一个系统工程,需要机床、磨具、磨削应用几个方面的良好配套合;另一方面,国内没有一家研究单位和砂轮生产单位具有相当水平的磨削试验中心,许多性能验证都需要在用户方进行。对于大批量磨削生产经验证,磨具研究和制造单位即使有磨削试验平台但一般也不会有足够的工作,仍然要依靠磨削生产单位。若用户试验不及时就会延误磨具开发调整的进程。

  5、张相法,张奎在“我国高品质立方氮化硼单晶的现状及发展趋势”文中提到:我国cBN发展前景良好。
  《全球行业分析》发表的“全球战略业务报告:cBN磨料”指出,cBN正成为大部分磨削加工的首选磨料,因为它有助于获得精确的几何形状和尺寸、更好的表面光洁度和表面完整性,以及缩短加工时间。由于它非常适合在数控磨床上使用,因此其用量正在不断增加。为了充分利用cBN磨削的优势,获得更好的零部件表面光洁度、结构完整性和更长的使用寿命,越来越多的汽车制造商已选用cBN砂轮来替代传统磨料砂轮。
  cBN产品最大的应用是在制造cBN砂轮方面,在cBN砂轮的四种结合剂(树脂、陶瓷、金属、电镀)中,以陶瓷结合剂的cBN磨具发展最快。在世界范围内,陶瓷cBN磨具的比例已由20世纪80年代的4%上升到现在的50%以上,增速迅猛。由于陶瓷cBN磨具具有磨削效率高、形状保持性好、耐用度高、易于修整、磨料利用率高(为75%以上,其余类型结合剂为50~60%)、砂轮使用寿命长等优势,因而成为高效、高精度磨削的首选磨具。应用领域涵盖汽车、航空航天、油泵油嘴、压缩机等。近年来,cBN应用推广取得长足进步,使用厂家增加很快,据不完全统计目前国内使用cBN单晶的大小厂家在500家以上,单个厂家使用最多在400万克拉以上。
  再者国内PcBN刀具经历了多年的发展,目前已形成一定的规模,尤其是整体PcBN刀具快速发展带动cBN微粉使用量的大幅增加,几家生产cBN单晶的厂家不同程度的加入到合成整体PcBN的行列,这也带动了cBN单晶生产量的稳定增加。综上所述,我国cBN发展前景将持续向好。

  6、陈永杰,王海阔等认为,随着工业化进程的进一步发展,新型难加工材料的不断出现,PcBN刀具的优势越来越明显,PcBN刀具将会有更为广阔的市场前景,其必须朝着以下方向发展:
  6.1新的制备工艺和方法 主要是对传统的制备工艺和方法进行升级换代,以满足新形势下对制备工艺和方法的要求;
  6.2更低的制造成本和低碳环境 主要是提高各生产环节原材料的利用率,以及刀具的回收利用,力争做到成本最低、无污染;
  6.3新领域 随着新材料的不断出现,对刀具的各种性能必将提出更高的要求,因此其应用领域也必将得到进一步的发展。

  7、殷红在“立方氮化硼膜的研究进展与应用”文中指出:
  cBN具有极高的硬度和良好的耐磨性,其硬度仅次于金刚石,而热稳定性及化学稳定性远优于金刚石。此外,cBN禁带宽、热导率高、绝缘性好,从紫外到红外包括可见光范围内具有良好的光透过性。cBN在机械、电子、光学等领域有巨大的应用潜力。但是,目前cBN的研究仍然存在一些基本的问题亟待解决,如薄膜内应力高、膜基黏附性差,沉积温度高,沉积率低和立方相含量不稳定等问题。近年在cBN厚膜的沉积、外延生长等方面取得了很大的进展,但是在超硬制品方面的应用仍然以共聚晶微粉的形式为主,因此开发高端cBN涂层制品是工业应用方面需要专注的主要问题之一。此外,也需积极开发cBN膜在其他新兴领域中的应用,诸如生物、光电、半导体等。

  8、张铁臣在“合成高质量cBN单晶推进功能特性研究”文中认为:展开立方氮化硼电流控制微分负阻、二阶非成线性光学特性、线性电光系数和立方氮化硼单晶-金刚石膜异质P-N结的研究,将拓宽立方氮化硼单晶的研究领域,对立方氮化硼晶体在光电器件方面的应用的研究有着重要的意义。但是,由于立方氮化硼单晶尺寸的限制,很多工作尚无法进行,因此,合成高质量、大尺寸、形状规则的立方氮化硼单晶体仍然是亟待解决的问题。谁先突破这一障碍,谁就抢占了这一先机。让我们共同努力争取这一天早日到来!

  9、董书山,周小彦等在“超硬材料制品金属结合剂的发展现状及未来展望”一文中认为:“高效节能,绿色环保”将是今后超硬材料制品行业发展的主旋律,其发展基础是依靠材料的进步,推动制品在制备机理及工艺装备方面的创新突破,由单一依靠温度为驱动力向以“压力+温度”双相驱动力的方向转变,强化压力为驱动力,弱化温度为驱动力。“细颗粒、高活性、易压制、稳定化、功能化”将是金属结合剂今后的发展方向。金属结合剂的开发内容应围绕“把持力”和“磨损性”两条主线展开,在成分设计、细化手段、活性控制、粒度分布、压制性调控等方面开展创新研究,并深入开展胎体的微观结构、组织性能、烧结机制与材料特性相关的基础研究,进而带动相关工艺装备的开发。

  10、未来发展的思考
  围绕着上述的远大目标和国家大政战略方针,笔者认为在未来的发展目标归纳起来有如下方面。
  10.1向“三高一低”( 即高速度、高效率、高精度、低成本)方向发展
  随着现代工业技术和高性能科技产品对机械零件的加工精度、表面粗糙度、表面完整性、加工效率和批量化质量稳定性的要求越来越高。
  超高速磨削技术是现代新材料技术、制造技术、控制技术、测试技术和实验技术的高度集成,是优质与高效的完美结合,是磨削加工工艺的革命性变革,被誉为“现代磨削技术的最高峰”。
  高速/超高速、高效率、自动化/数控化/智能化、超精密等既是当前磨粒加工工艺技术的主要内容,也是先进加工制造工艺与装备的重要的学科前沿。
  陶瓷立方氮化硼砂轮是高速、高效、高精度、低磨削成本、低环境污染的高性能磨具,成为世界上竞相研究开发的热点和当代磨具产品发展的一个重要方向。在美国、日本、德国、英国等工业发达国家的航天航空、轴承、汽车、工具等行业已进入规模应用或普及阶段。因此,必须加大高档cBN陶瓷砂轮的研究与开发力度,扩展其应用领域。
  10.2向“三高一专”的方向发展
  航空航天工业被称为“工业皇冠上的一颗明珠”,因航空产品的零件形状和结构复杂,材料多种多样,加工精度要求严格等因素一直是先进技术高度密集的行业之一。
  金属切削刀具作为数控机床必不可少的配套工艺装备,在数控加工技术的带动下,进入了“数控刀具”的发展阶段,显示“三高一专”(即高效率、高精度、高可靠性和专用化)的特点。
  以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺已经显示出很多优点和强大的生命力,成为航空发动机制造技术提高加工效率和质量、降低成本的主要途径。航空难加工材料切削加工的主要矛盾已从是否能够切削加工转向如何高效率、低成本地进行加工。
  先进发动机的叶片、盘轴、机匣等主要结构件,大量采用新型超高新耐高温合金、单晶合金、金属间化合物及轻质高强复合材料,这给机械切削加工增加了更大的难度,对切削技术提出了更高的要求。因此,我们的航天飞机、太空飞船、空间探测器等凝聚着人类的勤劳和智慧的伟大发明要想飞得更高、飞得更远,就不得不依赖于高精密刀具这对翎羽了,所以,开发新一代PcBN刀具并产业化是时代赋予的使命。
  10.3向功能应用方向发展
  立方氮化硼的晶体具有64eV最宽的带隙,是一种十分优异的半导体材料,在高温高功率宽带器件微电子学领域有着广泛的应用前景。立方氮化硼能产生二阶非线性光学效应,可以用于光的高次谐波发生器、光电调制器、可见紫外光转换器、光学整流器,光参量放大器等。此外,立方氮化硼与金刚石一样还具有很强的抭幅射能力,可以用于抗幅射器件。因此,对立方氮化硼材料功能性研究与开发有着重要的现实意义。
  随着cBN大单晶的研究开发,cBN单晶形状不规则,尺寸小等严重限制cBN晶体的基础性质研究和应用的状况将得以改变。一方面,大尺寸的优质cBN单晶制备性能优异的单晶刀具;另一方面,在功能材料研究方面由于大尺寸的CBN单晶是研究其热、电、光等基本性质所必须的,同时也是制备热沉、高温半导体器件乃至特殊光学器件所必须的。
  10.4加强产品系列化研究工作
  西方发达国家的PcBN产品向系列化、多样化方向发展,根据不同的被加工材料、不同的加工方式提供不同性能的PcBN产品,粒径从0.3μm到数十微米,cBN含量从低含量到高含量,结合剂从金属到非金属混合材料等。而因国内虽然已开展PcBN产品系列化工作多年,但由于国内开展该项工作的研究院所和高校并不多,生产企业又没有这方面的技术实力,导致国内PcBN产品的应用基础研究不够深入、不够系统。
  因此,国内必须加强PcBN产品系列产化的基础研究工作,加速PcBN产品的系列化进程,制定全国统一的PcBN工业标准,实行产品标准化、系列化管理,使其在加工不同材料、在不同条件下发挥最大的优势,满足国内不同材料加工的要求。
  10.5立方氮化硼涂附磨具的研发及其产业化
  我国是涂附磨具的生产大国,但立方氮化硼涂附磨具所占比例甚小,为适应现代磨削技术的发展,硬脆材料磨削和抛光加工的需要,必须大力开发立方氮化硼涂附磨具,并使其产业化
  10.6加强应用技术的研究
  加强cBN磨具在超高速磨削、航空航天等难加工材料磨削的研究,拓宽国内cBN磨具的应用范围。
  加强超硬刀具的推广应用研究,开发超硬刀具的新应用领域,实现中国制造到中国创造的转变。
  随着现代切削技术的发展,要想提高切削速度、降低切削成本,在所有加工用因素中最经济的办法就是应用新材料和新工艺。表面涂层是提高刀具寿命、降低切削成本的有效手段,不仅可以提高刀具的表面硬度,增强其耐磨性,而且可以减小刀具的表面摩擦系数,增加润滑能力,提高切削速度,减少换刀次数,提高被加工零件的精度和表面质量,从而提高生产效率。
  鉴于目前所合成的cBN涂层的质量和组分,仅可用于涂层要求较低的刀具制品。美国、日本的许多企业已经在此方面进行了大量投资,预计近年超硬涂层工具的市场将继续扩大,其应用领域主要集中在汽车工业。
  纳米陶瓷结合剂由于其粒度小、比表面积大、烧结温度低、强度高、韧性好等优点,有望解决目前传统陶瓷结合剂低烧结温度和强度之间的矛盾问题,提高陶瓷结合剂cBN砂轮的性能,进一步拓宽cBN砂轮的应用范围。
  10.7加强工艺技术理论的探索
  cBN在半导体、光电子器件以及平板显示等领域有潜在的应用前景。由于本征cBN的电阻率非常高,接近绝缘体,因此要想将其应用到电子领域,就必须要进行合适的掺杂以调节其电学性能。理论计算表明,Be和Mg替代cBN中的B原子,会到形成p型导电,而Si和C替代cBN中的B原子会形成n型导电。
  随着cBN薄膜外延生长的成功实现使得cBN应用于高温高频半导体器件成为可能,伴随而来就是探索高品质、无缺陷、少杂质、掺杂可调的cBN外延膜的有效制备途径。
  首先要加强超硬材料烧结理论、超硬刀具切削理论方面的研究。
  10.8结合剂作为超硬材料磨具的主要组成部分,其发展核心是改善烧结胎体的组织性能,包括微观组织结构、烧结致密度、烧结强度、烧结硬度、磨损性能、对超硬材料的浸润性、高温硬度等。
  近年来有人对纳米陶瓷结合剂进行了探索。纳米陶瓷结合剂应该是以纳米尺寸无机粒子为主相的结合剂。纳米材料由于它的粒度小、比表面积大、而表现出明显的小尺寸效应、量子尺寸效应以及表界面效应。与传统的陶瓷结合剂材料相比,纳米陶瓷结合剂的强度应该高,韧性应该好,烧结温度应该比较低。但由于其密度低,可能对磨具成型带来一定的困难。另外,纳米陶瓷粉体很容易制备,但由于陶瓷颗粒在烧结过程中存在长大现象,要获得真正意义上的纳米陶瓷结构材料并不容易。因此真正的纳米陶瓷结合剂市面上很难见到。
  10.9建立具有国际水平的高技术标准
  我们现在的cBN基本品种加上派生出品种已达到数十种,但目前国家标准cBN品种只有2个,远远低于实际产品品种数量,己经造成磨料生产厂家与砂轮制造商沟通、验收的不便,急需扩展我国cBN产品标准系列。
  国内必须加强PcBN产品的系列化基础研究工作,加速PcBN产品系列化进程,制定全国统一的PcBN工业标准,实行产品标准化、系列化管理,使其在加工不同材料,在不同条件下发挥最大的优势,满足国内不同材料的加工要求。
  10.10建立协调发展的联动机制
  加强产学研用几个方面的协同创新研究。只有几个方面通力配合协作,才能实现磨床、磨具与磨削技术的快速创新,才能快速实现机床、磨具的产业化进程,同时为磨削应用单位带来高速、高效、高精、低成本的磨削效益。
  可见,集中各军团的优势兵力才能打歼灭战、速决战,实现共同发展、共同提高、共同收益的共赢良好大结局。
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