立方氮化硼制作方法

立方氮化硼

很長一段時間里，立方氮化硼被認為在自然界不存在，直至2009年，美國加州大學河濱分校、勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的科學家和來自中國、德國科研機構的同行一起，在中國青藏高原南部山區(qū)地下約306公里深處古海洋地殼的富鉻巖內找到了這種礦物，其在大約1300攝氏度高溫、118430個大氣壓的高壓條件下形成了晶體。該團隊以中國地質科學院地質研究所教授方青松的名字將新礦物命名為qingsongite(后綴ite表示礦物)。國際礦物學協(xié)會在2013年8月正式承認了這是一種新的礦物--立方氮化硼。其原子結構與金剛石中的碳原子結構類似,因此它具有高密度的特性,硬度可媲美鉆石,常被用作磨料和刀具材料。

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，其硬度僅次于金剛石而遠遠高于其它材料，因此它與金剛石統(tǒng)稱為超硬材料。

立方氮化硼是由六方氮化硼和觸媒在高溫高壓下合成的，是繼人造金剛石問世后出現(xiàn)的又一種新型高新技術產品。它具有很高的硬度、熱穩(wěn)定性和化學惰性，以及良好的透紅外形和較寬的禁帶寬度等優(yōu)異性能，它的硬度僅次于金鋼石，但熱穩(wěn)定性遠高于金鋼石，對鐵系金屬元素有較大的化學穩(wěn)定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優(yōu)異，不僅能勝任難磨材料的加工，提高生產率，還能有效地提高工件的磨削質量。立方氮化硼的使用是對金屬加工的一大貢獻，導致磨削發(fā)生革命性變化，是磨削技術的第二次飛躍。

BN-H10

用PCBN刀片精車淬硬鋼

BN-K1

加工硬鑄鐵和灰口鑄鐵

HLCBN

高速鏜削鑄件孔

BN-S20

鉸削淬硬鋼或硬鑄件小孔

采用PCBN刀具精車淬硬鋼，其工件硬度高于45HRC，效果最好。其切削速度一般為80~120m/min，工件硬度越高，切削速度宜取低值，如車硬度為70HRC的工件，其切削速度宜選60~80m/min。精車的切深在0.1~0.3mm，進給量在0.05~0.025mm/r，精車后的工件表面粗糙度為Ra0.3~0.6μm，尺寸精度可達0.013mm。若能采用剛性好的標準數(shù)控車床加工，PCBN刀具的剛性好和刃口鋒利，則精車后的工件表面粗糙度可達Ra0.3μm，尺寸精度可達0.01mm，可達到用數(shù)控磨床加工的水平。如果機床剛性好，選用的切削速度較低，則選用PCBN復合刀片可精車斷續(xù)表面。精車加工余量一般為0.3mm左右，盡可能提高工件淬火前的尺寸精度和減少熱變形，以保證精車時切削余量均勻，延長PCBN刀具的使用壽命。精車一般不用切削液，因為在較高的切削速度下，大量的切削熱由切屑帶走，很少會停留在工件表面而影響加工表面質量和精度。精車刀片宜選用強度和韌性高的80°菱形刀片，刀尖半徑在0.8~1.2mm之間，為保護刀具刃口，使用前需用細油石倒棱。精車淬硬工件是一門新工藝，實施前需做工藝試驗，可用與工件材料、硬度和大小相同的棒料，在同類機床上進行精加工或粗加工試驗，關鍵是要試驗刀具與切削參數(shù)的選擇及工藝系統(tǒng)是否有足夠的剛性。該工藝目前國內已經采用，如一汽集團用PCBN刀具加工滲碳淬火(58~63HRC)的20CrMnTi變速箱齒輪撥叉槽，采用的工藝參數(shù)為Vc=150m/min,f=0.1mm/r，ap=0.2~0.3mm，實現(xiàn)了以車代磨。

用PCBN刀具車削淬硬鋼時，要求工件淬火硬度高于45~55HRC，加工硬鑄鐵時，只要硬度達到中等硬度水平(45HRC)，就會取得良好的加工效果。如汽車發(fā)動機缸蓋上的排氣閥座，該閥座是采用含銅、鉬的高鉻合金鑄鐵材料，其硬度一般約為44HRC，其閥座上孔采用锪(鉸)、車兩種工藝，大多是在專用自動線上加工，與槍鉸導管孔一道進行。所采用的切削用量為:Vc=71.6m/min，Vf=26.5mm/min，ap=1.0mm，采用BC拉削油，自采用PCBN刀具加工后，與以往采用的各種硬質合金刀片加工相比，刀具平均耐用度為1200件，加工表面粗糙度為Ra0.4μm，閥座面擺差≤0.05mm。東風汽車公司發(fā)動機廠自1988年使用PCBN刀具后，其效果一直保持穩(wěn)定，較好地解決了引進設備的刀具國產化問題。隨著中國汽車制造業(yè)的高速發(fā)展，國內刀具行業(yè)也異?；钴S，蓬勃發(fā)展，國內外的刀具公司都看中了中國這個大市場，國際上著名的刀具和刀輔具公司及其產品幾乎都進入了中國，如瑞典的Sadvik攜旗下Coroman、Titex、Walter，等公司，德國的Mapal、laitz、Guhring,以色列的Iscar、日本的OSG，大昭和等，美國的Valinite、Ingosoll，等。這些外國刀具公司在剛進入中國時，對中國超硬刀具市場的發(fā)展估計并不足，有的僅是委托中國代理商銷售一部分刀具，售后服務等工作還未能有力跟上，逐漸地他們認識到這個市場的重要性，開始在中國設立辦事處，并進而在中國進行直接銷售，原來實行的單一代理方式也開始變化，近兩年更有了新的本質的變化，很多國外刀具公司開始在中國設廠，直接在中國當?shù)刂圃斓毒?、提供各種服務，如山高公司在上海設立了制造工廠，山特維克在廊坊設立了工廠，住友電氣在天津設立了工廠，肯納、歐士機等在上海都設有，工藍幟公司在南京新擴建了其工廠，增加了刀具制造和刃磨設備，格林公司在上海的具有珩磨刀具制造和修磨功能的工廠也即將正式開業(yè)。專門制造和修磨各種客戶需求的特殊刀具，其特點是反應快，不管批量大小，且能及時到現(xiàn)場進行直接技術支持。另外以舒伯哈特公司為首的專業(yè)做超硬刀具的公司也同樣在上海設立了生產工廠，專門進行超硬刀具如金剛石刀具和CBN刀具的加工和修磨工作，其業(yè)務量也很大，幫助不少客戶解決了超硬刀具的修磨工作。

高速銑削灰鑄鐵時，一般粗加工當然可以使用K類硬質合金，精加工可用化硅陶瓷刀片。如在一個裝有8塊刀片的端銑刀上改用只裝對稱式的兩片PCBN刀片，并將切削速度提高4倍，其結果是金屬切除率相同，而切削力卻下降3/4，刀具壽命與加工質量超過前者。對珠光體鑄鐵與冷硬鑄鐵，也宜采用PCBN刀具進行高速加工，與其它刀具材料比較，可提高切削速度、延長刀具壽命、降低了表面粗糙度。在高速鏜桿上采用成對鑲片PCBN鏜刀與單片鏜刀相比，其平衡性好，從而增加了鏜桿的剛性，在給定的進給量下，采用PCBN雙刀片鏜孔可獲得高的金屬切除率與表面質量。目前國內已有較多的發(fā)動機制造廠，對氣缸體的缸孔(或缸套)精加工已使用PCBN刀具。如上海大眾和一汽集團的發(fā)動機廠，缸孔精鏜均采用PCBN刀片并可自動補償(υc=500m/min，f=0.2mm/r，ap=0.1mm)。所以加工出的缸孔精度高、尺寸穩(wěn)定，而且生產效率高，刀具壽命長。對于小孔鏜削，雖可使用陶瓷或涂層刀片，但刀片應帶有負前角，這將增加切削和排屑的阻力，易使細長鏜桿產生振動。若用PCBN刀具進行高速鏜削，其孔的表面質量好、生產效率高。對這類工件的孔加工宜采用CBN電鍍鉸刀。這種鉸刀是以其硬度為42HRC的45號鋼或9CrSi鋼作為基體，具有前后導向和切削部分，其基體制造精度要高，設計要合理。如其鉸刀的前導向部分直徑要小于切削刃部分直徑0.04mm，切削區(qū)的長度要大于工件孔深，后導向的長度要大于切削區(qū)長度，其直徑應小于切削刃部直徑0.02mm。為了在鉸削中能用切削液沖洗切屑和冷卻潤滑加工表面，其鉸刀基體上開有兩條較深的螺旋槽。如某廠加工淬火鋼工件孔f12.06±0.05mm，硬度為45HRC，底孔尺寸為f12±0.01mm，要求孔的圓柱度為0.005mm，表面粗糙度為Ra0.2μm。采用一組五把的電鍍CBN鉸刀加工后，取得較好的經濟效果。有的發(fā)動機制造廠采用金剛石或CBN電鍍鉸刀對氣缸體的主軸承孔進行珩鉸，代替原來的珩磨加工，使加工效率提高了數(shù)倍，且質量穩(wěn)定。采用帶正前角的PCBN刀具，選用適當?shù)那邢鲄?shù)，即Vc=100m/min,f=0.05~0.2mm，ap=0.1~0.2mm，采用極壓型乳化液或油冷卻液，可加工奧氏體不銹鋼(45HRC)、高溫合金鋼、高錳鋼、高強度鋼及高鎳合金鋼等材料，可獲得較高的加工效率和表面質量。

CBN材料除用來制作刀具外，其最大的應用領域還是制成CBN磨具，用于高速高效磨削和珩磨加工，可使磨削效率大大提高，其磨削精度和質量提高一個等級。

磨削汽車零件--凸輪軸和曲軸

CBN砂輪在內孔磨削中的應用

采用CBN砂輪磨削齒輪

應用CBN磨具加工難加工材料及難加工面

汽車發(fā)動機上的凸輪軸具有多個凸輪，淬火后的凸輪粗磨及精磨是影響凸輪質量的關鍵工序。一般都是采用靠模仿形磨削，工件速度的提高受到限制，工件易產生磨削燒傷裂紋，采用靠模仿形磨削，其凸輪表面的輪廓曲線要受砂輪直徑大小的影響，所以很難保證凸輪輪廓曲線的正確。生產實踐證明，當砂輪直徑大時，磨出的凸輪瘦，當砂輪直徑小時，磨出的凸輪胖，只有當砂輪直徑接近或等于磨削靠模凸輪的滾輪直徑時(一般為f570mm)，其仿形誤差接近于零，即磨出的凸輪表面輪廓曲線接近于靠模凸輪。在實際生產中，所用的砂輪直徑一般都是從D600(或610)用到D500，與理想的砂輪直徑(570)相差甚多，所以生產中總有大部分凸輪軸的凸輪曲線超標。為解決這個問題，我們在靠模仿形凸輪磨床上采用CBN砂輪磨削，可把CBN砂輪直徑制成D575，CBN磨料層厚為4~5mm，其磨輪的磨削最小直徑是D565，磨削直徑范圍雖然只有10mm，但磨削零件數(shù)卻相當于幾十片普通砂輪，不僅可保證凸輪曲線正確，而且也不會產生磨削燒傷現(xiàn)象。如Liton工業(yè)自動化公司用CBN砂輪磨削凸輪軸，其成本降低了50%，凸輪表面的疲勞強度提高了30%;東風汽車公司襄樊柴油發(fā)動機廠用陶瓷結合劑CBN砂輪粗磨冷激鑄鐵凸輪軸，其凸輪磨削余量t=4~5mm，V砂=60m/s，工件轉速n=100r/min,Vf=0.1mm/s，采用高速磨削液，CBN砂輪的壽命基本相當于20片剛玉磨料砂輪。內圓磨削的效率一直很低，其主要原因就是磨削速度、砂輪材質及磨桿的剛性問題。生產過程中用在修整砂輪、更換砂輪的時間幾乎占了單件工時的1/3~1/5。如果內圓或溝槽磨削采用CBN電鍍砂輪，并把砂輪速度提高，增大磨桿直徑，便可適當提高工件轉速與進給速度，不僅可保證孔(弧)徑、槽寬尺寸與形位精度，表面粗糙度和避免燒傷，而且還可以成倍地提高加工效率，降低加工成本。如國內某廠加工一個年產60萬件的紡機滾動軸承套，磨f15.5+0.04的孔及相鄰的弧槽，過去用鉻剛玉(GG)砂輪，需用兩道工序分別在兩臺M224內圓磨床上加工，其槽(弧)徑差及尺寸與孔的同軸度很難保證，且效率低，采用CBN砂輪后，加粗了磨桿，提高了進給量，節(jié)約了修整和更換砂輪的時間，徹底解決了原有問題。后又改為孔、溝同時磨，即在磨桿上裝兩個砂輪，使磨削效率提高1倍，節(jié)省了一臺磨床。所加工的工件表面粗糙度為Ra0.63μm采用的磨削工藝參數(shù):V砂=36m/s，V2=19m/min，f粗切=1μm/r,f精切=0.5μm/r，光磨時間t=bs，采用10%濃度的乳化值。齒輪磨削以往是采用單齒面與多齒面磨削，單齒面磨削雖然可獲得較高的加工精度，但效率低，成本高，多齒面磨削雖生產效率高，但其加工質量比單齒磨削差。若采用CBN砂輪磨削，無論采用單齒面磨削還是采用多齒面磨削，采用電鍍CBN砂輪或陶瓷結合劑砂輪進行磨削，其效果極為顯著:

CBN砂輪可以制成精度較高的齒形，由于耐用度高，不頻繁修整，不需經常調整機床，可獲得穩(wěn)定的齒廊、導程和節(jié)距精度。

可實現(xiàn)高速磨削與高進給率磨削齒面，粗糙度低且不會燒傷，可在提高磨削效率的條件下獲得較高的齒輪精度(6~7級)。

CBN砂輪壽命長，磨削性能好，節(jié)約了砂輪更換修整、機床調整和工件檢測等許多輔助時間。

對淬硬鋼件或冷硬鑄鐵件孔的珩磨，可采用CBN珩磨油石，對高強度、高硬度和高熱敏性的合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼與合金，宜采用高硬度、高強度的CBN砂輪，采用極壓乳化液或高速磨削液進行冷卻。對較長的導軌面或復雜型面、凸輪磨床的靠模軸等均宜采用CBN砂輪。

CBN材料無論制作刀具或制作磨具，應用于高速切削或磨削，都可收到提高產品質量、提高加工效率、縮短加工周期和降低加工成本等顯著效果。因此，在加工中，大力推廣CBN刀(磨)具是提高制造技術的有力措施。但若普遍推廣使用，尚有許多問題。為了在生產中更好地推廣使用CBN刀(磨)具，應做以下幾方面的工作:

實現(xiàn)三點一線聯(lián)合開發(fā)，即CBN--工具制造--用戶或CBN與工具制造--機床--用戶共同開發(fā)CBN的應用

目前國內CBN材料生產廠家很多，產量也不少，但高質量的不多，CBN刀(磨)具的穩(wěn)定用戶更少。究其原因主要是機械加工部門對價格昂貴的CBN刀(磨)具缺乏選擇與使用的知識，采購來的CBN工具實效不多，在其經濟緊縮的條件下，不敢輕易投資進行工藝試驗。

勇于提高制造技術要想解決這個問題，只有CBN刀(磨)具研究院(所)主動深入機械制造的生產單位，選擇生產效率與質量的薄弱環(huán)節(jié)，且已具有或易于創(chuàng)造CBN加工條件的點，與用戶協(xié)商簽訂共同開發(fā)CBN應用合同。由工具研制單位負責免費提供試驗用的CBN刀(磨)具，用戶負責提供試驗所需條件下組織生產試驗。這就發(fā)揮了多方積極性，從CBN質量選擇到工具制造，都會以最優(yōu)、最快的速度進行，用戶從準備試驗條件到使用，見到了達到合同目標值的成果，不花試驗費便解決了生產難題，很容易推廣。而工具院(所)亦可在以后的供貨中逐步回收利潤，只要雙方保持互惠、互利，協(xié)作關系便會更加鞏固。我廠就是利用這種方式與多家研究院校開發(fā)了很多新技術。在機械加工中的許多加工難點，雖然可用CBN工具來解決，但是條件，不是國內哪家所能單獨做到的，因為并非凡是CBN工具都有奇特的和萬能的加工能力。我們也曾用過CBN刀片精鏜硼缸套，其效果并不比新型陶瓷刀片好。

其原因是多方面的，如CBN質量、含量、品牌規(guī)格及結合劑等是否適合硼鑄鐵的加工。至于CBN磨具影響的磨削效果的因素就更多了，除自身原材料的質量、配比和磨具制造技術外，還有使用條件與技術。如磨削速度(應用高速磨削速度)、磨床剛性好、無振動、有自動精細進給及修整補償機構、適當?shù)哪ハ鲄?shù)和冷卻液等，這些都是相輔相成的重要因素，靠有關方面共同努力，各自提高自家產品的質量，相互促進，才能使CBN工具與專用設備成功地用于生產。用戶希望使用具有實效的CBN工具，為此，要求工具制造單位，除了盡快提高CBN工具的制造技術外，還應對產品的質量建立明確的鑒定標準與方法，分布某些性能參數(shù)，如刀具的CBN含量與品牌、磨具的硬度與CBN精度、濃度等，在此基礎上進行生產使用試驗，以便充分發(fā)揮用戶的生產經驗，對不同的切削參數(shù)與冷卻液所取得的加工結果進行對比分析，使CBN工具得到質的提高。CBN工具的適用范圍、使用條件和應用的技術配套(如設備和冷卻液等)，用戶可正確選用和使用CBN工具。21世紀是高科技時代，產品必須是有高性能、高質量才有市場，企業(yè)才有生命力。為此，應盡快提高制造技術水平，而推廣使用CBN工具提高制造技術是一種有力措施，這不僅需要有關主管部門的有力資助和支持，有組織、有計劃地逐步推廣CBN工具的技術配套與使用，同時也要求用戶勇于接受新材料、新技術，改變過去陳舊的生產觀念與管理方法，即刀(磨)具均消耗費用指標很低，只許占產品成本的1/100左右，而不是以提高生產效率和保證產品質量為準，這樣會限制優(yōu)質高效的刀(磨)具應用與先進設備生產能力的發(fā)揮。實踐證明，CBN刀(磨)具的成效不僅可提高產品的加工質量，而且也可提高經濟效益。

PCBN刀具的制造主要通過CBN粉末和結合劑經超高壓高溫燒結而成.大致步驟有;混合粉末--模壓成型/與硬質合金底層組裝成整體--超高壓高溫燒結--深加工.

關鍵技術在于CBN與結合劑的選擇與配比，超高壓高溫燒結工藝參數(shù)的確定.

基于立方氮化硼整體聚晶刀片本身的物性優(yōu)勢，以及國家十二五規(guī)劃對新材料產業(yè)發(fā)展的支持，伴隨著河南超硬材料研究所等諸多院校、研究院在立方氮化硼聚晶相關技術的研究進展，立方氮化硼整體聚晶刀片必將帶來新的切削技術革命。

按照結構分為焊接復合式立方氮化硼刀片與整體聚晶立方氮化硼刀片;前者是由立方氮化硼復合層焊接到硬質合金基體上組成各種車削刀片或其他鏜孔用刀具，后者是整體聚晶結構刀片。區(qū)別如下圖: