立方氮化硼刀具详解

很长一段时间里，立方氮化硼被认为在自然界不存在，直至2009年，美国加州大学河滨分校、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家和来自中国、德国科研机构的同行一起，在中国青藏高原南部山区地下约306公里深处古海洋地壳的富铬岩内找到了这种矿物，其在大约1300摄氏度高温、118430个大气压的高压条件下形成了晶体。

立方氮化硼CBN(CubicBoron 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人造立方氮化硼刀具（CBN刀具），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。立方氮化硼是由六方氮化硼和触媒在高温高压下合成的，是继人造金刚石问世后出现的又一种新型产品。

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高硬度铁、钢件等黑色金属材料。

金属结合剂，如Ti、Co、Ni. Cu、Cr、W等金属或合金，在高温下易软化，影响刀具寿命；

陶瓷结合剂，如Al2O3耐高温，但冲击韧性差，刀具易崩刃和破损；

金属陶瓷结合剂，如碳化物、氮化物、硼化物等与Co、Ni等形成的固溶体等，解决了上述两类结合剂之不足。

CBN（立方氮化硼）刀具材料的性能、特点

CBN单晶显微硬度为8000~9000HV，是目前已知的第二高硬度物质，PCBN复合片的硬度一般为3000~5000HV。

CBN的耐热性可达1400~1500°C，在1300°C时不发生氧化，在800°C时的硬度为Al2O3/TiC陶瓷的常温硬度。因此能高速切削高硬度的钢铁材料及耐热合金，刀具的粘结与扩散磨损较小。

抗弯强度与断裂韧性介于陶瓷与硬质合金之间

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热稳定性大大高于人造金刚石，在1300℃时仍可切削，具有很高的抗氧化能力，在1000℃时也不产生氧化现象，铁元素的化学惰性也远大于人造金刚石，与铁系材料在1200至1300℃高温时也不易起化学作用，但在1000℃左右时会与水产生水解作用，造成大量CBN被磨耗，因此用PCBN刀具湿式切削时需注意选择切削液种类。

由于立方氮化硼材料的一些列优点，使它能对淬硬钢、冷硬铸铁进行粗加工与半精加工。同时还能高速切削高温合金、热喷涂材料等难加工材料。

立方氮化硼也可与硬质合金烧结为一体，这种立方氮化硼烧结体的抗弯强度可达1.47GPa，能经多次重磨使用。立方氮化硼刀具有两种：整体聚晶立方氮化硼刀具和立方氮化硼复合刀片。立方氮化硼复合刀片是在硬质合金烧结体烧结一层厚度约为0.5mm的立方氮化硼而成。

高硬度铸铁（硬度HSD75以上），如高铬铸铁、合金铸铁、镍硬铸铁、白口铸铁等材质。典型零部件有轧辊、工业泵。

高硬度钢件（硬度HRC45以上），如高锰钢、高速钢、淬火钢等。典型零部件包括轧臼壁、高速钢轧辊、淬硬齿轮/齿轮轴、轴承、滚珠丝杠、模具等。

普通灰铸铁（HT150/200/250/300）

如发动机缸体、缸盖、刹车盘、制动鼓、皮带轮、离合器压盘等均属于普通灰铸铁。

如粉末冶金、高温合金材料、及镍基、铁基、钴基等高硬度堆焊、喷焊、激光熔覆、热喷涂材料等。

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粗加工时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度，故一般优先选择尽可能大的切削深度ap，其次选择较大的进给量f，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度。精加工时，首先应保证工件的加工精度和表面质量要求，故一般选用较小的进给量f和切削深度ap，而尽可能选用较高的切削速度υc。

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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CBN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CBN刀具使用经济型的保证。

从制造角度来判断

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CBN刀具性能。当然，这也是市场上CBN刀具价格参差不齐的最大原因。

磨加工，由于CBN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CBN刀具的质量和耐用度都会上一个档次。

除了尺寸精度和表面质量外，CBN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CBN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。

最常见的磨损形式，是刀具与工件材料中的硬粒子摩擦形成的，磨损严重则会致使被加工工件的表面粗糙度和尺寸精度超差，需替换新的CBN刀片。

发生在刀片的前刀面，是由工件材料和切削刀具之间的化学反应造成的。月牙洼磨损会导致切屑处理恶化，影响已加工表面质量，而且过大的月牙洼磨损会削弱切削刃并可能导致断裂。

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压力面磨损

主要原因是因为切削速度太快，进给量太大，刀具后角太小而造成压力面磨损。

边界磨损

主要原因是主偏角太大，进给量太大，切削速度太低造成边界磨损。

断续切削中的破损形式

崩刃

这是CBN刀具断续加工钢和铸铁时常见的一种破损形式。它是在切削刃上产生的小缺口，刀刃上几个小缺口或被崩掉一小块。如微崩刃的刀具在允许的磨损限度内还能断续切削，超差则需更换。

剥落

铣削钢和铸铁端面时，在前刀面上常出现的贝壳状剥落。出现此类情况，可通过提高切削速度、降低进给量，使用有负倒棱、刃口经过钝化处理的刀片。

断裂

断续切削工件时常发生的破损形式，这是由于断续切削高硬度工件时冲击载荷过大，短时间切削后发生的早期破损，虽然切削条件适当，但切削较长时间后，没有及时换刀，由于刀具材料疲劳就发生了大块的断裂。

裂纹

CBN刀具在长时间断续切削后，有因机械冲击而引起的平行于切削刃的机械疲劳裂纹，也有因热冲击而引起的垂直于或倾斜与切屑刃的裂纹。当这些裂纹不断扩展合并后，就引起刀刃碎裂或断裂。