聚晶立方氮化硼材料的性能及其應用

　　文 /李丹 劉進 胡娟 張書霞 寇自力，四川大學

摘要：

　　介紹了聚晶立方氮化硼合成工藝的特點、材料的性能特徵及其主要應用領域。

關鍵詞：

　　聚晶立方氮化硼，合成工藝

　　立方氮化硼材料是1957年由美國通用電器公司首次人工合成的新型無機材料，是繼人造金剛石問世之後人工合成的硬度僅次於金剛石的超硬材料。它具有高的硬度、熱穩定性和化學惰性，以及良好的透紅外性等優異性能，因此對合成立方氮化硼的研究已成為材料研究領域的一個熱點。目前合成立方氮化硼材料的主要方法有高溫高壓法、氣相沉積法、水熱法等。高溫高壓法是傳統的在高溫高壓下利用立方氮化硼的熱穩定區合成立方氮化硼的方法；氣相沉積法和水熱法則是在低溫低壓下進行。氣相沉積是一種利用CVD方法合成CBN膜的技術；水熱法是在低溫低壓條件下在水溶液中利用反應耦合效應合成立方氮化硼微晶的方法，這種情況下合成的是納米級的立方氮化硼晶體材料，應用領域具有局限性，並且該項技術目前的發展還不成熟。由於高溫高壓合成立方氮化硼材料的技術相對發展已經成熟完善，目前國內外仍然主要採用這種方法合成立方氮化硼材料。

　　單晶立方氮化硼的顆粒很小，由於受高壓腔體以及合成工藝等方面的限制，很難得到高質量的大顆粒立方氮化硼單晶，目前人工合成的單晶立方氮化硼的最大粒徑為3mm左右。目前已有前蘇聯、中國、美國、英國等國家相繼研製成功聚晶立方氮化硼。聚晶立方氮化硼可以分為整體PCBN燒結塊和帶硬質合金基體的PCBN複合片。整體PCBN燒結塊是由無數細小的CBN顆粒在高溫高壓下燒結而成，PCBN複合片是由CBN層與硬質合金基體在高溫高壓下燒結而成。多晶體的結構使聚晶立方氮化硼具有各向同性，克服了單晶存在解理面的缺陷；同時PCBN具有與硬質合金基體相近的抗衝擊韌性。這些優點使聚晶立方氮化硼的應用很廣泛，特別是作為刀具材料在切削加工方面發揮了極大的作用，被廣泛應用於汽車、工具機、航空航天、石油地質、儀器儀表、家具製造等領域。PCBN刀具可以實現以車代磨，其刀具壽命比硬質合金刀具壽命提高几十倍到幾百倍。隨著科技的進步和技術水平的提高，它的應用領域將會不斷地擴大。

　　目前應用比較廣泛的是帶粘結劑的聚晶立方氮化硼複合片。雖然整體PCBN燒結塊克服了立方氮化硼單晶顆粒小以及各向異性的缺點，但它作為刀具在連接和焊接時存在一定問題，因為整體PCBN燒結體不易被通常的焊料所浸潤粘接，難以直接進行焊接。聚晶立方氮化硼複合片則在焊接方面具有優勢。

　　聚晶立方氮化硼作為刀具材料，其質量好壞直接影響到聚晶立方氮化硼刀具的切削效率和使用壽命。為了得到高質量的聚晶立方氮化硼，在合成的過程中應注意以下問題。

　　2.1  粘結劑

　　聚晶立方氮化硼是立方氮化硼顆粒和一定比例的粘結劑在高溫高壓下燒結而成的。粘結劑在合成聚晶立方氮化硼的過程中起著重要作用，加入適量的粘結劑可以降低燒結溫度和壓力，並改善燒結體的性能。在選擇粘結劑的時候一般要遵從以下幾點：①線膨脹係數儘可能與立方氮化硼接近，以降低溫差應力；②粘結劑與氮或硼元素應有強烈的化學親和性，從而可以提高粘結強度；③可以牢固連接硬質合金基體；④聚晶立方氮化硼用於加工不同的金屬材料（如耐磨鑄鐵與淬硬鋼）時，粘結劑的含量對切削效果影響很大，因此製造粘結劑含量高的聚晶立方氮化硼時，粘結劑應具有較高的硬度與韌性。

　　用作聚晶立方氮化硼粘結劑的材料很多，大致可以歸結為三類：(1)金屬粘結劑，由金屬或合金組成（如鋁、鈦、鈷、鎳等）;(2)陶瓷粘結劑，主要有氮化物、碳化物、硼化物等；(3)金屬陶瓷粘結劑，由陶瓷與金屬或金屬合金按一定配比組成。

　　用金屬作粘結劑的聚晶立方氮化硼通常CBN含量高、韌性好，導熱性優於用陶瓷作粘結劑的聚晶立方氮化硼，但金屬通常在700℃-800℃的溫度下就會軟化，高溫時金屬的軟化效應會導致聚晶立方氮化硼的耐磨性下降。金屬和立方氮化硼的線膨脹係數相差較大，高溫時會導致立方氮化硼結構的變化，從而使紅硬性下降。陶瓷的熔點相對較高，高溫時不會產生軟化效應，用陶瓷作粘結劑的聚晶立方氮化硼具有較高的耐高溫磨損和較強的抗化學磨損性能。但陶瓷在高溫時導熱性差，易使切削溫度集中在被加工材料上並使之軟化，因此適合於淬硬鋼的切削加工。金屬陶瓷粘結劑則兼具了純金屬和純陶瓷粘結劑兩者的優點，目前正在發展和推廣中。在合成聚晶立方氮化硼時，要根據加工對象的不同材料來選擇合適的粘結劑。

　　2.2  立方氮化硼的含量

　　立方氮化硼的含量直接影響聚晶立方氮化硼的硬度。立方氮化硼含量越高，聚晶立方氮化硼的硬度越高。通常情況下聚晶立方氮化硼的硬度為3000HV-5000HV。聚晶立方氮化硼中立方氮化硼含量與其硬度關係如圖1所示。立方氮化硼的含量一般在40%-95%之間，當立方氮化硼含量超過95%時，燒結性能變差，並且耐磨性大大降低。

圖1 CBN含量與硬度的關係

　　2.3  立方氮化硼的粒度

　　立方氮化硼顆粒的尺寸大小對聚晶立方氮化硼的耐磨性和抗破損性的影響很大。一般說來，立方氮化硼顆粒越細小，聚晶立方氮化硼耐磨性越好，抗壓強度越高，但細粒度的立方氮化硼不容易燒結。立方氮化硼顆粒尺寸越大，聚晶立方氮化硼抗機械磨損的能力就越強，而抗破損性能就越弱，用此製作的切削刀具的刃口鋒利性就越差。試驗表明，把粒度不同的立方氮化硼顆粒按一定比例混合使用，會提高聚晶立方氮化硼的質量。在原料中加入很少量細粒度的立方氮化硼微粒會增加刀具的綜合性能。

　　2.4  燒結工藝

　　聚晶立方氮化硼燒結過程中的主要參數為壓力、溫度和燒結時間。燒結要控制在立方氮化硼的熱穩定區。在燒結過程中溫度一般用加熱功率來標誌。由於燒結的最佳功率值和立方氮化硼向六方氮化硼逆轉化的功率值很接近，所以可選擇的燒結溫度範圍很窄，一般為1400℃~1600℃，壓力的範圍大約為510~710GPa，保溫時間大約為2~30分鐘。另外高壓腔體內溫度分布的不均勻對聚晶立方氮化硼的質量和性能也有影響，所以儘量設計「滿腔轉化」高壓腔，從而使腔體內溫度的分布儘量均勻。　

　　聚晶立方氮化硼不僅具備了立方氮化硼的優良品質，而且帶基體的複合片還具備硬質合金的抗衝擊韌性。聚晶的晶粒呈無序排列，各向同性，不存在解理面，不像單晶立方氮化硼在不同晶面上的強度及耐磨性存在很大的差異，克服了單晶解理面的存在而導致的易脆弱性。

　　3.1 較高的硬度、耐磨性和抗衝擊性

　　聚晶立方氮化硼的硬度僅次於金剛石，遠遠高於陶瓷和硬質合金的硬度，耐磨性很高。在加工高硬度材料時表現極佳，如在加工淬硬鋼時，其耐用度是硬質合金的10~50倍。此外，聚晶立方氮化硼刀具的抗衝擊性也遠遠高於陶瓷刀具。

　　3.2  高的熱穩定性

　　聚晶立方氮化硼在高達1200℃的溫度下還表現出良好的熱穩定性，而且在800℃的高溫下硬度也高於常溫下的硬質合金和陶瓷材料。圖2所示為聚晶立方氮化硼刀具在高溫下的硬度。聚晶立方氮化硼刀具在1000℃以下不會出現氧化現象，因此切削時刀具尖端的相對高溫不會對它產生不利的影響，相反還能在切削硬質合金時起到加速切削的作用。

圖2  高溫下聚晶立方氮化硼刀具的硬度

　　3.3  化學穩定性好

　　聚晶立方氮化硼具有優異的化學穩定性，與鐵族金屬在1200℃~1300℃的高溫下也不起化學反應，在酸中不受侵蝕，300℃左右在鹼中才會被侵蝕。其對各種材料的粘結、擴散作用比硬質合金小得多，因此聚晶立方氮化硼刀具特別適合加工鋼鐵材料。

　　3.4  導熱性良好

　　聚晶立方氮化硼材料的導熱係數低於金剛石的導熱係數，是硬質合金的20倍。而且隨著切削溫度的提高，聚晶立方氮化硼的導熱係數是增大的，而氧化鋁的導熱係數是減小的（如圖3所示），因此聚晶立方氮化硼刀具的刀尖處熱量可以很快傳出去，有利於加工精度和抗機械磨損能力的提高。

　　圖3  聚晶立方氮化硼刀具的導熱係數

　　3.5  摩擦係數較低

　　立方氮化硼與不同材料的摩擦係數在011~013之間，遠小於硬質合金的摩擦係數(0.14~0.16)，而且隨摩擦速度及正壓力的增大而稍有減小。　

　　聚晶立方氮化硼主要用作加工黑色金屬的刀具材料。聚晶立方氮化硼刀具的生產及應用發展極快，圖4為聚晶立方氮化硼刀具近十多年來全球銷售額的增長情況。聚晶立方氮化硼刀具適合加工各種難加工材料：各種淬硬鋼（碳工鋼、合金鋼、軸承鋼、模具鋼和高速鋼等高硬度淬硬鋼零件）、各種噴塗(焊)材料、耐磨鑄鐵類材料、高溫合金,還可用於鈦合金、純鎳、純鎢以及其它材料的加工(如圖5所示)。CBN含量高的聚晶立方氮化硼具有高的導熱性和韌性，一般用作粗加工淬硬鋼和珠光體鑄鐵的刀具材料；CBN含量低的聚晶立方氮化硼具有相對低的導熱性和高的抗壓強度及紅硬性，一般用作加工淬硬鋼的刀具材料。由於聚晶立方氮化硼刀具材料高溫下硬度損失不大，故非常適合於高速加工高硬度材料。最具代表性的是硬態切削中的以車代磨技術，可獲得以往只有磨削加工才能得到的加工水平。

圖4  1985~1997年PCBN刀具全球銷售額增長情況

圖5  PCBN刀具的應用領域

　　聚晶立方氮化硼複合片具有良好的韌性、高耐磨性和對鐵族金屬的化學穩定性，成為加工鎳鉻冷硬鑄鐵、高鉻鐵和滲鋼鐵之類硬質黑色金屬材料的一種新型刀具材料。目前開發的一種整體式聚晶立方氮化硼刀片不僅可以用於車削加工，而且在銑削工件時也表現非常好，使超硬材料不能用於銑削加工的難題得到了突破。這種刀片在銑削工件時不僅可以提高產品的加工質量，而且生產效率非常高，使用壽命的延長使得單位製造成本大幅降低，是切削材料技術的創新。　

　　未來機械切削加工的主流將是乾式切削、硬態加工和高速切削相結合的具有效率高、能耗低、節約資源、減少汙染的綠色切削，而聚晶立方氮化硼刀具的優點表明其最符合綠色切削的要求 。目前我國刀具製造技術的發展尚無法完全滿足現代製造業對高效刀具的需求，我國高品級聚晶立方氮化硼刀具仍主要依賴進口。隨著工業化的不斷發展，聚晶立方氮化硼材料將會不斷得到發展，聚晶立方氮化硼刀具的應用會越來越廣泛，因此，需要加大研製開發國產高品級聚晶立方氮化硼刀具的力度。

（整理自《工具技術》2006年第40卷）

版權聲明：①感謝原作者的辛苦創作，如涉及轉載權限等問題，請作者與超硬天地小編聯繫（微信：pengdongrui006）；部分文章是從網站上摘錄整理，如有侵權，也請告知我們，我們將在第一時間處理，十分感謝！

②文章僅供學術交流及閱讀，嚴禁企業及個人以盈利為目的撰改，如需轉載請標明出處。如需合作請聯繫超硬天地小編（微信：pengdongrui006）。

③如果您有最新應用類研究，或者對文章觀點持不同意見者，不要吝惜您的寶貴觀點，歡迎您前來投稿。投稿郵箱：[e-mail]。

④更多精彩內容，可聯繫小編（微信：pengdongrui006）付郵費領閱《磨料磨具》雜誌。

往期回顧（點擊閱讀）：

1、未來超硬材料磨具應向「五超」方向發展

2、金剛石滾輪成形砂輪修整器的結構設計

3、陶瓷結合劑cBN高速砂輪受力分析

4、Ni-P金剛石化學複合鍍層的耐磨性

5、學習了，超聲波在電鍍金剛石鑽頭工藝中的應用與研究

資料免費領閱：

①《磨料磨具》雜誌付郵費領閱

②中國金剛石工具行業市場研究數據

③CBN磨具陶瓷結合劑

④添加小編微信可加入【超硬天地技術交流群】，快速通道小編（微信：pengdongrui006）

更多精彩內容 敬請期待~~