資料來源:中國金屬加工網
        隨著製造技術的迅猛發展,切削加工作為製造技術的基礎工藝,進入了以發展高效切削、開發新切削工藝和加工方法、提供成套技術為特徵的新發展階段。與此同時,製造技術和難加工材料的發展推動著刀具技術的發展,刀具技術也向著高態切削、高速切削、高精度和幹式加工的方向發展。可實現高效率、高穩定性、長壽命加工的超硬刀具的應用也日漸普及,在汽車、航空航太、能源、軍事、模具等領域發揮著重要作用。

  在機械加工中,刀具材料是決定加工效率、加工品質和加工成本的關鍵因素之一,正確選擇和應用刀具材料至關重要。現代刀具材料主要是高速鋼、硬質合金和陶瓷,它們主要的硬質相成分是碳化物、氮化物和氧化物,加上粘結材料後,刀具的硬度在HV2000以下。對於某些現代難加工材料的加工,上述硬度已不能滿足要求,於是超硬刀具材料便應運而生。PCBN(聚晶立方氮化硼)刀具、陶瓷刀具、塗層刀具等均具有很高的硬度、耐磨性和化學穩定性,能滿足高速切削、幹式切削、硬態切削等綠色製造的要求。由於PCBN刀具在加工精度、切削效率、刀具壽命等各個方面具有無可比擬的優越性,因此,PCBN刀具的推廣和應用可創造巨大的經濟效益。

  本文主要闡述CBN刀具材料的製造方法、物理性能及其應用和新發展,並展望了21世紀PCBN刀具發展的前景。

CBN刀具材料的製造方法

  立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)是20世紀50年代首先由美國通用電氣(GE)公司利用人工方法在高溫高壓條件下合成的,其硬度達HV8000,僅次於金剛石(HV10000)而遠遠高於其他材料,它與金剛石統稱為超硬材料。

CBN晶體與金剛石晶體都屬於閃鋅礦型,且晶格常數相近,化學鍵類型相同,故CBN具有接近金剛石的硬度和抗壓強度,又因為它是由N、B原子組成,因此具有比金剛石更高的熱穩定性和化學惰性。

  CBN刀具材料的製造方法主要是熱壓法,將壓制CBN單晶粉的原料——六方氮化硼粉(HBN)置於葉蠟石的腔體中,加上觸媒劑,用六面頂或兩面頂的液壓機,在1600℃、5~6GPa下熱壓10min形成CBN單晶粉。單晶粉可用於磨料、磨具。用CBN單晶粉加上觸媒劑和粘結劑,在1800℃、5~6GPa下再壓3min便可得到PCBN整體刀片或複合刀片(硬質合金墊底,上有0.5mm左右的CBN薄層)。


  PCBN刀具材料的性能

  (1)具有很高的硬度和耐磨性。

  CBN單晶顯微硬度為HV8000~HV9000,是目前已知的第二高硬度的物質。不同量粘結劑的PCBN刀具材料的硬度在HV4000~6000之間,而硬質合金刀具材料的硬度僅為HV1100~1800;Al2O3陶瓷刀具材料硬度為HV2000。由此可見,用於加工高硬度材料時PCBN刀具具有比硬質合金及陶瓷更高的耐磨性,可減少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性,減少換刀調刀輔助時間,使其效能得到充分發揮。

  (2)具有很高的熱穩定性和高溫硬度。

  CBN的耐熱性可達1400~1500℃,在800℃時的硬度為Al2O3/TiC複合陶瓷的常溫硬度。切削溫度較高時,會使被加工材料軟化,與刀具間硬度差增大,有利於切削加工進行,而對刀具壽命影響不大。

  (3) 具有很好的導熱性。

  CBN的熱導率達1300W/(m•K),是紫鋼的3.5倍。而硬質合金的熱導率僅為35~75W/(m•K)。CBN材料的導熱係數低於金剛石但大大高於硬質合金,並且,PCBN刀具的導熱係數隨著切削溫度的提高不斷增大,因此可使刀尖處熱量很快傳出,有利於工件加工精度的提高。

  (4)具有很高的楊氏模量。

  PCBN的楊氏模量約為750GPa,高於WC、TiC、Al2O3等材料。

  (5) 具有很小的熱膨脹。

  PCBN的熱膨脹係數約為(2.1~2.3)×10-6/K, 而硬質合金的熱膨脹係數為(5~7)×10-6/K。

  (6) 具有較小的密度。

  PCBN的密度為3.48g/cm3,與Al2O3、Si3N4的密度相近。

  (7) 具有較低的斷裂韌性。

  PCBN的斷裂韌性約為(3.5~5)Pa•m0.5,僅為陶瓷刀具材料的一半。這是PCBN唯一不足之處。
  (8) 具有優良的化學穩定性。

  CBN具有很高的抗氧化能力,在大氣中,1000℃時也不產生氧化現象,PCBN在1300~1500℃尚不分解;在酸中不受侵蝕;對鐵族材料呈惰性,在1200~1300℃時也不發生化學反應。但1000℃左右時會與水產生水解作用,造成大量CBN磨耗,因此使用PCBN刀具時宜採用幹切方式。

  (9) 具有較低的摩擦係數。

  CBN與不同材料的摩擦係數在0.1~0.3之間,低於硬質合金的摩擦係數(0.4~0.6),摩擦係數隨摩擦速度及正壓力的增大而略有減小。切削時不易形成滯留層或積屑瘤,有利於表面加工品質的提高。


 PCBN刀具分類及對其性能的影響因素

  PCBN刀具材料同其他種類的刀具材料一樣,由於組成成分的不同,具有很多牌號,適應於不同的用途。PCBN的性能與CBN的含量、粒徑及結合劑的種類有關,通過調整CBN的含量、晶粒大小和結合劑比例及種類可以獲得不同性能、適應不同加工要求的PCBN刀具。

  (1)PCBN刀具按添加成分大致可分為兩大類:一類直接由CBN單晶熱壓燒結而成,CBN含量較多(70%以上),硬度高,適用於耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結金屬的切削加工;另一類是以CBN晶粒為主體,添加一定比例的陶瓷結合劑(主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al2O3等)燒結而成的熱壓體,這類PCBN中CBN含量較少(70%以下),硬度較低,適用於淬硬鋼的切削加工。
  (2)PCBN的結合劑主要有3類:金屬結合劑,由金屬或合金組成,如Co、Ni等,金屬結合劑PCBN燒結體的韌性和導電性好,缺點是高溫下結合劑軟化,耐磨性能下降;陶瓷結合劑,如A1203等,陶瓷結合劑PCBN燒結體具有較高的耐高溫磨損能力和較強的抗粘接能力,這解決了金屬結合劑高溫軟化的問題,但其抗衝擊性較差,脆性大;金屬陶瓷結合劑,如TiN、TiC、TiCN、AlN等,解決了上述存在的問題,具有較好的綜合性能。

         (3)PCBN刀具按製造複合方式可分為:整體PCBN熱壓塊和與硬質合金複合熱壓的PCBN複合片。整體PCBN刀片剛性好,適用於粗加工;複合PCBN刀片的成本較低,適用於精加工或半精加工。

  (4)已有的研究表明,採用純CBN材料製備的刀具在很多情況下並不能獲得最佳加工效果,CBN的含量一般在50%~95%之間。CBN含量主要影響PCBN的硬度和熱導率,隨著CBN含量的增加,PCBN的硬度、耐磨性和熱導率升高,韌性下降;當CBN的含量低於50%時,PCBN的硬度下降,導致切削刃發生塑性變形而使刀片破損。當CBN含量超過95%時,PCBN性能變差,脆性加大,CBN晶粒易脫落,耐磨性大減。
  PCBN刀具的應用

  1 PCBN是硬態切削加工技術的最佳刀具材料

  (1)利用超硬材料製備的刀具具有高硬度、高楊氏模量、高導熱性能、低摩擦和低熱膨脹的特點,可切削各種硬材料和難加工材料。PCBN刀具的紅硬性、耐磨性在硬態幹式切削難加工材料中具有很大的優勢。PCBN刀具通常用來加工硬度高於HRC50的材料,在切削溫度高達1500℃時仍具有很高的硬度,最適合各種淬硬鋼、冷硬鑄鐵及其他高硬黑色金屬的切削。

  (2)對淬硬體(硬度高於HRC55)的精加工,通常採用磨削加工的方法完成,然而隨著刀具材料的發展及數控機床加工精度的提高,以硬態切削代替磨削完成零件的最終加工已成為一個新的精加工途徑。

2 PCBN是進行幹切削加工工藝的理想刀具材料

  由於經濟與環保方面的原因,近幾年來,幹切削加工工藝已成為機械製造領域中的重點研究課題。乾切削加工工藝已在西方工業發達國家有了相當好的應用。與濕切相比,乾切又能大大提高生產率,其機理是由於切削速度很高時,產生的熱量聚集於刀具前部,使切削區附近材料達到紅熱狀態,屈服強度下降,進而獲得提高切削效率的效果。採用幹切削工藝的前提條件是在較高切削溫度下,被切材料強度有明顯下降,變得易切削,而刀具材料的強度在同樣狀態下要有較好的紅硬性及熱穩定性,還要有較好的耐磨性和抗粘結性。適用於乾切工藝的刀具材料有陶瓷、金屬陶瓷、塗層硬質合金及PCBN刀具材料等,但就紅硬性和熱穩定性來說,PCBN材料是最適合乾切工藝的刀具材料。

   3 PCBN刀具適應於自動化加工及難加工材料加工

  (1)PCBN刀具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高精度零件(尺寸離散性小),大大減少換刀次數和刀具磨損補償停機所花費的時間,適合於數控機床及自動化程度較高的加工設備。

  (2)PCBN刀具可成功實施硬態精加工工藝,除節省使用冷卻潤滑液和與此相關的原料而具有經濟上和生態上的優點以外,它還能代替磨削工藝。在難加工材料應用方面,PCBN刀具也顯示出卓越的性能,如表面噴焊(塗)材料的加工,用其他材料的刀具加工,刀具壽命極低,也無法採用磨削方法加工,而PCBN是惟一適合的刀具材料。

  (3)在石油、電站設備中使用的高合金耐磨鑄鐵,採用PCBN刀具加工較硬質合金刀具切削效率提高4倍以上,單件刀具成本下降為原來的1/5。另外在硬質合金等熱壓材料的切削加工方面,PCBN刀具也顯示了很好的切削性能。PCBN刀具可用于精車淬硬鋼以及高速銑削灰鑄鐵和硬鑄鐵。精車後的淬硬鋼表面粗糙度Ra可達0.3~0.6μm,尺寸精度可控制在0.013mm以內。PCBN刀具還可用於加工高溫合金、硬質合金、工程陶瓷及其他難加工材料。

  (4)在切削冷硬鑄鐵方面,PCBN的耐用性能和加工效率遠遠好於硬質合金刀具。由於金剛石刀會與黑色金屬發生反應,不能用來切削鋼、鐵。在工業工程和機械製造中,黑色金屬尤其是鋼、鐵用量最大,所以PCBN在這方面有著得天獨厚的優勢。

  (5)PCBN刀具能加工金剛石刀具所不能加工的黑色金屬材料,特別適合數控設備及自動化生產線的使用。PCBN刀具具有很高的耐磨性,其使用壽命遠遠高於硬質合金,可加工大部分高硬度材料,在許多場合可以以車、鏜、銑等代替磨削,能使被加工零件獲得較高的精度和良好的表面品質,並大大提高生產效率。國外PCBN刀具已廣泛用來加工淬硬鋼、高硬度鑄鐵和抗磨零件,並帶來了巨大的經濟效益。隨著機械零件的硬度和抗磨損性能要求的進一步提高,PCBN 刀具的使用必將更加廣泛。

PCBN刀具推廣應用現狀

  (1)早期的PCBN刀具堅硬但缺乏足夠的韌性,因此,PCBN刀具的使用範圍受到限制。PCBN刀具對中等硬度以下的調質鋼和一般硬度的正火鋼不太適用,而在實際應用中,中硬和低硬鋼用得很多,因此,人們用硬質合金刀具比較多,PCBN刀具主要用於硬材料的精加工和半精加工。

  (2)PCBN刀具在國內已經發展了近30年,但其使用比例始終有限。在全部刀具中所占份額與高速鋼和硬質合金相比微不足道,究其原因,主要是:人們對PCBN刀具的認識不足;PCBN製造成本較高,價格昂貴;刀片的韌性受到加工條件的約束。

        (3)目前國內用戶使用較多的是PCBN車刀,這類刀具在冷硬鑄鐵、淬硬鋼,以及其他一些難加工材料零件的連續車削加工中均取得了良好的效果,為推廣使用PCBN刀具奠定了良好的基礎。PCBN刀具在國內的市場主要有以下幾個行業:汽車、石油勘探、礦業公司、相關的各類鋼管廠、電站設備和汽輪機廠以及其他各類機械廠。

  (4)我國專門用於軸承生產的磨床已經超過4000台,軸承出口一直呈現良好形勢,而且供不應求。目前國內軸承內外圈的加工除採用磨削加工方式外,主要採用陶瓷刀具進行加工,PCBN刀具尚未有效地開發,如果改用PCBN刀具進行軸承鋼的硬態切削,其經濟效益將十分可觀。

  PCBN刀具的新進展

  隨著刀片製造技術的發展,國產PCBN刀具已經取得了重要的進步,其刀片的物理性能發生了重要的變化,無論從價格上還是從品質上,PCBN刀具都發生了革命。新型PCBN刀具的應用必將會打破PCBN刀具不能在重載切削領域和斷續切削狀態應用的格局。

  (1)隨著科學技術的發展,人們通過以下調整和改進,提高了PCBN刀具的性能,逐步擴大了其應用範圍。

  (a)改進製造工藝, 降低PCBN的製造成本。改變粘結相材料及其與硬質相的配比,減少硬質相,增多粘結相,使PCBN的韌性和熱壓效率得到提高。新型PCBN刀具的硬度已達到HV3000~6000,可以對硬脆金屬或非金屬進行粗加工,效果很好。

  (b)提高機床設備級別,推廣使用較貴的PCBN刀具。雖然PCBN刀具的價格比硬質合金刀具略貴,但加工效率的提高所創造的收益足以彌補價格因素的影響。有數字表明,在現代加工中刀具費用僅占製造成本的3%~4%,但它對總製造成本的影響卻要大得多。即使壓低刀具價格的30%或提高刀具壽命的50%,所能節約的總成本僅有1%左右,可以說效果很小;而如果刀具價格提高50%,由於性能改善,加工效率提高20%,就可使總成本下降15%左右,這個比值對於製造成本產生了舉足輕重的影響。不少企業花鉅資引進高效率的機床,卻使用低性能的焊接刀具,好馬未配好鞍,難以發揮引進設備的作用,反而造成了更大的浪費。

  對一般中小企業來說,精加工工序的磨削加工始終是製造過程的瓶頸,若購置性能好的車床,採用PCBN刀具,應用以車代磨等先進切削加工工藝,既可節省設備投資,提高生產率,又可大大增加加工過程的柔性。另外,目前由於人員費用的增加及環境保護方面的要求,大力推廣使用PCBN刀具,充分發揮其潛在效能,提高切削加工技術水準也是具有重要意義的。

  (2)近年來,PCBN刀具的應用逐漸增多,最明顯的是進入冶金工業中軋輥和汽車工業中汽車刹車車轂以及鑽探工程的泥漿泵的加工。與原用的硬質合金和陶瓷刀具相比,PCBN刀具取得了令人滿意的結果,其切削用量如表1所示。從表中可知,改進後的切削深度、進給量都很大,切削速度也較高,可以獲得較高的加工效率。過去這類產品加工都用硬質合金和陶瓷車刀,現在已被PCBN刀具代替,這是一個很大的進步。

     (3)在現代機械製造中,黑色金屬加工是機械加工的重頭戲。近年來,PCBN刀具材料的製造工藝和綜合力學性能有了很大的發展,可有效地對黑色金屬進行粗精加工。

  (4)高科技的發展和自動化加工技術的普及對切削效率和精度提出了新的要求。同時,各種新型耐磨高硬度材料在工業中的應用日益增加,這都要求刀具具有良好的物理、化學和機械性能,而PCBN的三高特性,完全符合這方面的要求。因此,研究PCBN刀具對機械製造行業的發展具有很大的意義。

  (5)隨著刀具材料技術的發展和製造工藝的日益革新,PCBN刀具的材料和韌性都發生了很大的變化。新型的PCBN刀具比起那些早期缺乏韌性的牌號有了革命性的變化。PCBN刀具的設計和用途也出現了許多新的進展,PCBN刀具能夠更加廣泛地滿足特殊工件材料加工過程的要求,改善加工性能,擴大應用範圍。例如汽車工業運用新研製的PCBN整體式厚刀片,可以有效地切削以往只能磨削的難加工硬質鑄鐵合金。目前PCBN刀具已廣泛應用于車削、銑削和鏜削等加工領域。

    21世紀PCBN刀具的展望

  (1)PCBN刀具作為21世紀的主要換代刀具之一,在工業發達國家工具使用總量中所占比重越來越大。難加工材料越來越多,作為切削難加工材料的主要刀具材料PCBN前途一片光明。例如,飛機主體骨架(超高強度鋼)的加工十分困難,研究用PCBN刀具加工就是一個方向。另外,航空發動機上的高溫合金零件很難加工,目前用CBN刀具加工的效果還不十分理想,這顯然是一個十分誘人的攻關項目,一旦有所突破,必將給高溫合金加工領域帶來全新的變化。

  (2)隨著材料科學和製造技術的發展,新一代難加工材料如高鉻鋼、高鎳鋼、高速鋼、碳化鎢、陶瓷等,為現代機械加工提出了新的課題,PCBN刀具已成為切削難加工材料的最具競爭力的刀具。

  據統計,在國內,硬質合金刀具用量占總刀具的60%,高速鋼占30%~40%,PCBN刀具目前所占的比例非常少。在我國,高速鋼的年生產量為5~6萬t,占全世界的1/4~1/3, 硬質合金的年生產量為1.25萬t,占全世界的40%。硬質合金材料要用到大量的鎢,高速鋼也用到鎢,雖然我國是產鎢大國(占世界的80%),但50年後鎢會漸漸枯竭,而CBN原料中不含鎢,可以說PCBN的原料是用之不盡的,因此,發展PCBN具有非常重要的戰略意義。

  (3)通過進一步改進PCBN的製造工藝,可降低製造成本;同時,進一步調整PCBN的粘結相材料及其與硬質相的配比,減少硬質相,增多粘結相份額,可使PCBN的韌性得到進一步提高,將硬度從HV8000降低到HV4000~5000(這個硬度仍是硬質合金刀具硬度的1倍以上),改變PCBN刀具脆的弱點,使之對加工低於HRC45中硬和低硬材料也具有優勢,可大大擴大PCBN刀具的使用範圍。

  (4)20世紀前半期,硬質合金的出現代替了1/2的高速鋼,使機械加工領域面目一新;21世紀,PCBN刀具必將有很大的發展,應用前景不可限量,一旦攻克技術關鍵,即使替代一部分(比如1/5~1/4)硬質合金刀具和陶瓷刀具,也將會出現相當驚人的革命性變化。

 
end.
 
溢晁億有限公司 Expata Business Company


專賣德國原料之奈米級鎢鋼銑刀、鎢鋼鑽頭

高精度、高硬度、耐用性佳!!

符合您加工各式工件的需求!
代理HKF、HOL、SUS、UGMIC精密螺旋絲攻等專業切削工具品牌,
並可代購國際大牌或提供OEM的服務。
選擇高品質的產品與服務,請找溢晁億!!

Tel:886-4-7555999

Fax:886-4-7557599

ijaui.service@gmail.com

歡迎洽詢及索取免費型錄

Expata Business Company ,Taiwan

As a professional seller of solid carbide tools, we provide carbide end mill and drills with kinds o f different angle and sharp.

We have best quality tools and delivery services. We would like to do business with you at this opportunity of extending our activities.

Please feel free to contact us for your requirements.

Tel:886-4-7555999
Fax:886-4-7557599

ijaui.service@gmail.com

http://www.ijaui.com.tw/

溢晁億有限公司 發表在 痞客邦 PIXNET 留言(0) 人氣()