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人造立方氮化硼(PCBN)刀具详细介绍

关键词 立方氮化硼 , 刀具 , 金刚石|2018-12-17 13:45:58|技术信息|来源 中国超硬材料网
摘要 PCBN刀具是人造立方氮化硼刀具,在高温的时候还能保持高硬度的特性,主要做加工铁件之用。立方氮化硼CBN(CubicBoronNitride)是20世纪50年代首先由美国通用电气(...

       PCBN刀具是人造立方氮化硼刀具,在高温的时候还能保持高硬度的特性,主要做加工铁件之用。立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的,其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料,因此它与金刚石统称为超硬材料

       本文将从PCBN刀具的特点、种类、用途、生产流程、生产质量等方面开始论述!

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PCBN刀具的特点

       CBN具有较高的硬度、化学惰性及高温下的热稳定性,因此作为磨料CBN砂轮广泛用于磨削加工中。

       由于CBN具有优于其它刀具材料的特性,因此人们一开始就试图将其应用于切削加工,但单晶CBN的颗粒较小,很难制成刀具,且CBN烧结性很差,难于制成较大的CBN烧结体,直到20世纪70年代,前苏联、中国、美国、英国等国家才相继研制成功作为切削刀具的CBN烧结体——聚晶立方氮化硼PCBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)。

        从此,PCBN以它优越的切削性能应用于切削加工的各个领域,尤其在高硬度材料、难加工材料的切削加工中更是独树一帜。经过30多年的开发应用,现在已出现了用以加工不同材料的PCBN刀具材质。

PCBN刀具种类

       按添加成分分:

       1、直接由CBN单晶烧结而成的PCBN

       2、添加一定比例粘结剂的PCBN烧结体  

       按制造复合方式分:

    1、整体PCBN烧结块

    2、硬质合金复合烧结的PCBN复合片

       PCBN刀具用途

       目前应用较广的是带粘结剂的PCBN复合片,根据添加的粘结剂比例不同则PCBN硬度也不同,粘结剂含量越多则硬度越低、韧性越好;粘结剂种类不同,则PCBN的用途也不同,如表所示为常见粘结剂的PCBN刀具及其用途。

PCBN刀具的生产流程

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       1、原材料的处理

       由于CBN微粉中残留有WBN、HBN、叶蜡石、石墨、镁、铁等杂质;另外它和结合剂粉末中均含有吸附氧、水汽等,对烧结不利。因此原材料的净化处理方法是确保合成聚晶性能的重要环节之一。研制时我们采用下列方法对CBN微粉和结合剂材料进行净化处理:首先在300 C左右用NaOH处理CBN徽粉,去除其中的叶蜡石和HBN;然后煮高氯酸去除石墨;最后用HCl在电热板上煮沸除去金属,并用蒸馏水洗至中性。结合剂用的Co、Ni、Al等采用氢还原处理。然后将CBN和结合剂按一定配比混合均匀并参入石墨模具中,送入压力小于1E2的真空炉内,加热800~1000°C处理1h,除去其表面的污垢、吸附氧及水汽等,使CBN晶粒表面很洁净。

        结合剂材料的选择及加入量方面,总的结合剂加入量应充足但不能过多。实验结果表明,聚晶耐磨性和抗弯强度等与平均自由程(粘结相层厚度)关系密切,当平均自由程为0. 8~1.2μm时,聚晶磨耗比值最高,此时结合剂掺入量为10%~15%(质量比)。

       除了结合剂的选择之外,CBN粒度及粒度配比的确定也至关重要, 根摒加工精度和表面质量要求,制造切削工具用的CBN粒度大约分为:粗粒度20~30μm;中粒度3~10微米;细粒度2微米。用粗粒度做成的聚晶难以做成精度要求高的刀具,但其耐磨性、抗冲击性较高,细粒度做成的聚晶制成刀具可满足精加工和超精加工的要求

       2、胚体合成

       PCBN 复合片是直接在高温高压下把CBN层与硬质合金衬底复合在一起,经过切割、焊接工艺做成各种焊接成型切削刀具或刀片。

       3、PCBN刀具的磨加工流程

       生产出的PCBN刀具胚体需要刃磨才能用于切削,刃磨刀具获得正确的几何形状和表面粗糙度。一般分粗磨、精磨和研磨工序。粗磨采用180~240号树脂结合剂金刚石砂轮,进刀量为0. 01 mm/双行程;精磨用wlo~W14树脂结合剂砂轮,进刀量为0. 005 mm/双行程;研磨用W5~W3的金刚石砂轮或研磨膏,研磨刃磨中应特别注意金刚石砂轮的开刃修整对刃磨的影响。尽管刃磨过程中刀具在砂轮的整个端面来回摆动以使砂轮表面消耗一致,但实际上砂轮表面仍容易产生凹凸不平,须经常修整。

       4、PCBN刀具的几何参数

       PCBN刀具的寿命与其几何参数密切相关,合适的前后角可提高刀具的抗冲击性能。排屑能力及散热能力。前角的大小直接影响切削刃的受力情况和刀片的内应力状态。为了避免刀尖承受机械冲击所造成的拉应力过大,一般采用负前角(-5°~- 10°),同时为减少后角磨损,主副后角为6°,刀尖半径为0.4–1.2mm的圆角,并倒棱研磨光滑。

       5、PCBN刀具的检验

       除检测硬度指标,抗弯轻度,抗拉强度等物理性能外,更需要用高倍电子显微镜检查PCBN刀具的表面和刃口处理精度。然后是尺寸检验,精度检测,M值,以及形位公差,粗糙度,然后包装入库。

PCBN刀具的生产质量

       1、高纯度、高净化率的原材料:

       可靠规范的胚体合成工艺,这两项直接决定立方氮化硼刀具的性能。当然,这也是市场上立方氮化硼刀具价格参差不齐的最大原因。

       2、 磨加工:

       由于立方氮化硼刀具不像硬质合金刀片具备复杂槽型和涂层,性能主要取决于刀具胚体性能,而磨加工的工艺和精度直接决定切削时的微观性能。所以采用周边磨床,刀具成本虽然提高不少,但是立方氮化硼刀具的质量和耐用度都会上一个档次。

       3、严格检验手段:

       除了尺寸精度和表面质量外,立方氮化硼刀具生产过程中,最容易产生废品的是电镜检测下的微观缺陷。刃口处肉眼看不到的微观缺陷是立方氮化硼刀具使用过程中崩刃口的导火索,容易造成使用时出现刀具扎刀问题。

       从使用角度讲:抗冲击性能好,特别是粗加工领域,使用时不崩刃,不碎裂,这是立方氮化硼刀具使用安全性的最基本保证。耐磨性能好,高效加工的同时,能够低成本的代替硬质合金刀具和陶瓷刀片,这是立方氮化硼刀具使用经济型的保证。

       由于PCBN刀具多为高端产品,制造强度大,技术门槛高,目前主要为国外制造商所控制,在2009年,复合超硬刀具材料市场全球占有率前几位的公司为清一色的国外公司,分别是元素六(30%)、DI公司(20%)、日本住友(18%)、韩国日进(9%)、MegaDiamond(4.5%)、TomeiDiamond(4.5%)、Dennistools(4%),几大公司就占据了市场的90%。

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       在非复合超硬刀具市场中,立方氮化硼整体聚晶刀片已经是我国的强项,河南超硬材料研究所研发的HLCBN作为优势品牌出口到欧洲、美洲等高端用户市场的达20万片,在我国的超硬刀具行业独树一帜,况且随着国内六面顶压机技术的成熟和普及,在整体聚晶氮化硼刀片制造工艺上比国外更有优势。

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