立方氮化硼

1. 绪言

1954年通用电器公司研发部门成功地合成了人造金刚石，此后于1957年又成功地合成了CBN。合成金刚石及CBN已成了不可或缺的研磨材料。现在由于超高压合成技术的进步，这些产品已在全世界大量生产。这种金刚石和cBN粉末通过在更大的超高压下烧结成所需的形状，生产出了全新的工具材料。时下这些被称之为PCD(金刚石聚晶)或PCBN(立方氮化硼聚晶)的超高压烧结工具材料用于切削工具、掘进工具和耐磨工具，不光是在机械加工方面，在其它方面也占有重要地位。

2. CBN烧结体工具材料的开发

2.1 CBN烧结体的种类

CBN的基本特性与用作其它的工具材料的物质的比较示于表1。CBN的硬度和强度虽不如金刚石，但在高温下却更稳定，但高温下与铁系材料的反应也小。

表1 一些硬材料的特征

因而，对于钢和铸铁的磨削加工来说，相对于过去的磨料，高性能、经久耐用的cBN磨料具有更广泛的用途。

上世纪70年代，在超高压下对CBN进行烧结，研制出比硬质合金和陶瓷工具等性能更优的切削工具材料。通用电器用少量Co-Al合金作结合剂，进行了烧结体的研制开发。

在获取CBN聚晶体的试验中，若仅用CBN粉末为起始原料，在通常用于金刚石合成的5～6GPa个大气压的压力下无法进行烧结。因而，可用以下方法进行必要的降压处理：用六面体BN原料的情况下，在由六面体BN向立方BN进行相转移的同时进行烧结，及在冲击加压法合成的由微细的一次粒子组成的WBN(铅锌矿型BN)作原料时，在WBN向立方BN转移的同时进行烧结。用这些方法得到的烧结体硬度极高，但作为工具材料，还缺乏必要的韧性。这可能是向CBN的相转移不彻底或粒间的不纯物的影响所致。

另一方面，通用电器公司开发的CBN烧结体是以CBN粉末为原料，在超高压下，将WC-Co硬质合金和Al与CBN放置在一起，从而使CBN粉末在浸于Co-Al熔体的情况下烧结而成,CBN的含量约占容积的约85%。另外，Co-Al起到了六面体BN→立方BN的合成触媒的功能。烧结体中的Co-W-B-C系的化合物(与WC-Co硬质合金相类似)。该烧结体作为铸铁和耐热合金的切削工具，现在仍在广泛使用。但对淬火钢等钢的切削来说，其耐磨损性能尚未达到实用化的程度。

2.2 CBN-TiN(TiC)-Al系烧结体的开发

CBN在钢和铸铁的高性能磨削方面，也取得成功。但是，在用于切削加工时，在与被切削材料的反应和在高温下的稳定性方面仍存在问题，这是因为切削与磨削不同，切削刃将持续地暴露于高温之下。因而，住友公司以TiC、TiN等耐热性化合物为结合剂，进行了CBN烧结体的研发。

现以CBN-TiN烧结体为例，将这类材料的基本情况叙述如下。在制法上，将CBN粉末(平均粒径3µ以下)粉末按一定比例(CBN含量在烧结体中占30～80体积%)混合，脱气处理后，用超高压装置在压力约5GPa、温度约1400℃下进行烧结。将得到的烧结体焊接在硬质合金的基底上进行切削试验。

烧结体的硬度随cBN含量的增高而增大。但切削淬火钢时的工具寿命与CBN含量并不呈直线关系，而是在CBN含量在60体积%时寿命最长，而在80体积%时却大为下降。切削硬质合金时的磨损曲线如图所示。在切削这种含极高硬度成分的材料时，CBN含量高的烧结体磨损小。

夏本等曾对用CBN含量不同的CBN-TiN系烧结体切削淬火钢时的磨损特性发表了研究成果。据此研究，在切削HRC60的淬火钢时，CBN含量为60体积%的工具寿命最长。被切削材料硬度在HRC35以上的淬火钢时，被切削材料硬度越高，工具寿命越长。

2.3 CBN烧结体工具的应用

由于CBN-TiN(TiC)系烧结体的开发成功，使得过去要依赖磨削加工的淬火钢的切削加工成为可行。现在CBN烧结体工具最大的用途是汽车零部件等的淬火钢的切削。

近年来，cBN烧结体工具在铸铁高速切削方面的应用也引起了人们的关注。可以高速旋转的机械加工中心的开发成功，现已经可以将加工速度提高到1000m/min以上。在这种高速旋转条件下，工具的切削刃温度达到1000℃左右。像硬质合金这种具金属结合剂的工具因耐热性不足，寿命极短。因而需要用到耐热性优良的陶瓷或CBN工具。CBN工具的切削速度在1500m/min时工具寿命达到峰值。关于切削速度对工具寿命的影响问题，需考虑几个关键因素，新谷等就cBN工具切削刃的粘附物与工具寿命的关系作了分析。据研究，被切削材料铸铁中所含的Al以氧化物形式粘附于CBN工具的切削刃，对工具的磨损产生影响。

CBN烧结体工具作为淬火钢、铸铁、耐热合金及其它难切削材料的切削工具，市场范围正在逐渐扩大。另外，出于环保目的，也要求进行干式机械加工，或由磨削加工转变为切削加工。在此背景下，CBN烧结体工具越来越受关注。