PcBN復合材料及其用作刀具的發(fā)展現(xiàn)狀研究

李啟泉， 孫長紅， 劉書鋒

(1.中原工學院 材料與化工學院， 河南 鄭州 451191； 2.鄭州職業(yè)技術學院 材料工程系， 河南 鄭州 450010；3.鄭州博特硬質材料有限公司， 河南 鄭州 450001； 4.信陽市德福鵬新材料有限公司， 河南 信陽 464000；5.信陽市德隆超硬材料有限公司， 河南 信陽 464000； 6.河南省金剛石工具技術國際聯(lián)合實驗室， 河南 鄭州 451191；7.河南省金剛石碳素復合材料工程技術研究中心， 河南 鄭州 451191)

氮化硼(BN)從化學結構上看，是由硼和氮兩種化學元素化合而成的，氮化硼是一種綜合性能非常優(yōu)越的無機非金屬化合物，具有高導熱、自潤滑、高硬度、不導電等特性。六方氮化硼(hBN)主要用作導熱助劑、潤滑劑，添加到聚合物復合材料或化妝品中，也用作電子澆注口模材料、功能陶瓷器件、立方氮化硼(cBN)的前驅體、過濾或高導熱纖維等。不同形態(tài)和結構的氮化硼可以制備各種各樣的復合材料，從而進一步擴展了氮化硼的應用空間。近年來，中原工學院張旺璽課題組[1]對氮化硼及其復合材料進行了深入的研究，王艷芝等[2]曾對氮化硼系列材料進行了系統(tǒng)的闡述。本文闡述聚晶氮化硼復合材料及其用作刀具的研究發(fā)展概況，主要介紹氮化硼的多樣性、聚晶氮化硼復合材料的制備、聚晶氮化硼刀具的發(fā)展歷程和應用情況。

1 氮化硼的多樣性

1.1 hBN微晶

從硼和氮組成的氮化硼晶體結構來看，氮化硼可以形成不同的晶型，如hBN、cBN和菱方氮化硼。hBN微晶的合成一般有低溫燒結和高溫燒結兩種方法。低溫燒結一般以窯爐式設備生產居多，國內長期以來大多采用低溫燒結法制備hBN微晶。這種合成方法會產生大量的副產物，需要用酸中和，用純凈水洗凈。隨著環(huán)保要求越來越嚴格，采用該工藝的企業(yè)生產大多難以為繼。近年來，高溫燒結法發(fā)展很快，國內多仿照德國專利技術，采用中頻感應爐進行燒結合成hBN微晶。hBN微晶一般應用于燒結制備氮化硼陶瓷制品或功能器件。與氧化鋁、碳化硅相比，氮化硼越經高溫處理其純度越高、活性越低，高溫燒結更困難。為了提高氮化硼的燒結特性，常常加入燒結助劑，但是加入助劑燒結得到的陶瓷器件性能和功能會受到嚴重影響，所以需要進一步研究高純度hBN陶瓷微晶的制備技術、形態(tài)調控方法、燒結特性改進工藝。為了獲得高活性的hBN陶瓷微晶，田亮等[3]以硼砂和三聚氰胺為原料，采用NaCl/KCl作為熔鹽介質，在900～1 200 ℃利用熔鹽熱處理進行氮化制備，得到了片狀顆粒hBN，粒徑為50～200 nm。hBN陶瓷的成型加工、高溫燒結及制品性能與hBN微晶的晶粒形態(tài)、粒徑大小、粒徑分布、雜質含量、密度等密切相關。

1.2 hBN納米片

hBN的結構類似于石墨烯的片層結構，hBN也可以經機械剝離或化學處理制備得到類似于石墨烯的片層hBN，該片層hBN因此又被稱為“白色石墨烯”。張旺璽等[4]曾對hBN納米片的制備方法、性能和應用進行綜述，并指出了研發(fā)hBN納米片的發(fā)展方向。hBN納米片的基礎理論和應用研究會較快地發(fā)展，其應用領域會進一步開拓。

1.3 cBN超硬材料

hBN經高溫高壓處理可以轉變成cBN，hBN向cBN晶型轉變的過程一般要有金屬Li或Mg或這兩種金屬的氮化物做觸媒，工業(yè)生產中合成壓力為5 GPa，溫度在1 500 ℃左右，保溫時間為10～15 min[5]。美國在1957年首次合成cBN，我國于1966年成功實現(xiàn)了cBN的合成。目前，我國是cBN生產大國，2017年和2018年產量分別達到6.3和5.4億克拉。cBN是產能僅次于金剛石的超硬材料，其硬度略低于金剛石，莫氏硬度為9.8～10，顯微硬度為71 540～98 000 MPa。cBN主要應用于砂輪、刀具等超硬材料工具，在功能性方面的開發(fā)應用還未實現(xiàn)產業(yè)化。

1.4 聚晶立方氮化硼

聚晶立方氮化硼(PcBN)是以適當粒度cBN微晶或微粉破碎料為主要原料，添加或不添加黏結劑，再經高溫高壓燒結制備得到。PcBN的特性與所采用cBN的粒度及粒度分布、含量高低、黏結劑的種類及用量、燒結工藝條件等有關。這種PcBN是cBN的聚集體，主要應用于機械加工刀具領域。在遇到金剛石刀具不能加工的材料時，往往就需要采用PcBN刀具，因為有些材料采用金剛石工具加工時，會發(fā)生化學反應，如金剛石刀具加工鐵系材料，金剛石表面碳元素易與切削、切割表面發(fā)生粘附，導致刀具不鋒利，引起加工區(qū)域溫度升高，如果溫度升高，加之空氣中有氧，金剛石就容易發(fā)生表面炭化，宏觀表現(xiàn)為金剛石石墨化。而PcBN刀具加工鐵系材料則不存在這樣的情況。

2 聚晶氮化硼復合材料的制備

2.1 高壓燒結

采用傳統(tǒng)的高壓高溫法制備的PcBN屬于這一類。很顯然，雖然高壓高溫法成功制備了PcBN，并成功用于刀具的生產，但是這種方法存在一定的缺點，主要表現(xiàn)為生產工藝復雜、制備要求的高壓條件苛刻，高壓腔體的狹小限制了這一類聚晶氮化硼復合材料的制備尺寸，生產成本高，難以實現(xiàn)自動化合成。

2.2 低壓燒結

一般的陶瓷燒結并不需要特別高的壓力，而聚晶氮化硼同樣屬于陶瓷材料。工業(yè)上已經有陶瓷刀具成功應用的實例，因此可以設想采用低壓燒結制備聚晶氮化硼復合材料，聚晶氮化硼也可以用作加工刀具材料，這是一個未獲得充分研究的發(fā)展方向。梁寶巖等[6，7]以cBN，Ti3AlC2和Ti3SiC2粉為原料，分別采用放電等離子體燒結[6]和微波燒結[7]技術制備了cBN/Ti3AlC2，cBN/Ti3SiC2復合材料，并研究了cBN粒度和含量對復合材料結構和性能的影響。材料的微觀結構決定材料的性能，材料的結構不僅受組成化學成分的控制，同時也受材料加工制備過程和工藝條件的影響。因此，如何制備得到理想的致密度高、硬度高、鋒利度高的聚晶氮化硼復合材料，還需要深入研究。

3 聚晶氮化硼刀具的應用

3.1 聚晶氮化硼刀具的發(fā)展歷程

以鄭州博特硬質材料有限公司的PcBN刀具發(fā)展情況為例，可以略窺隨著現(xiàn)代智能制造和數(shù)控機床的發(fā)展，PcBN刀具恰逢其時地誕生和快速發(fā)展狀況。以下是鄭州博特硬質材料有限公司的大致發(fā)展歷程。

2002年，鄭州博特硬質材料有限公司在鄭州高新區(qū)注冊成立。

2003年，整體燒結聚晶立方氮化硼[8]刀片問世；整體燒結PcBN刀片取代陶瓷刀片應用在工業(yè)泵行業(yè)；整體燒結PcBN刀片取代涂層刀片應用于高速精加工制動盤。

2004年，整體燒結PcBN刀片取代涂層刀片高效加工軋輥；在大齒輪硬齒面(HRC62)的斷續(xù)加工上，PcBN整體燒結刀片以車代磨，大大提高了加工效率。

2005年，整體燒結PcBN刀片用于精加工淬火后的軸承；PcBN復合焊接刀片成功應用于滾珠絲杠精加工，并廣泛推廣。

2006年，PcBN整體燒結刀片以車代磨，成功應用于風電設備和工程機械用回轉支承軸承的滾道精加工。

2008年，整體燒結PcBN刀片高速(粗精一體化)加工制動盤，極大地提高了加工效率。

2009年，整體燒結PcBN刀片高速銑削鑄鐵柴油發(fā)動機，效率提高5倍；整體復合PcBN刀片研制成功；取代磨削，整體雙面復合PcBN刀片在齒輪精加工、齒輪軸硬車切槽方面試驗成功。

2010年，取代涂層刀片，整體燒結PcBN刀片高速面銑汽車變速箱箱體；整體燒結PcBN刀片高速精加工滾珠絲杠。

2012年，PcBN整體雙面復合刀片以車代磨，硬車汽車傳動軸，大幅提高效率，并獲得極好的表面光潔度；公司成功研發(fā)新型cBN單晶磨料并投入生產；PcBN刀片專用陶瓷結合劑金剛石砂輪研制成功并批量生產。

2013年，整體燒結PcBN刀片在空氣壓縮機行業(yè)試驗成功并推廣；整體復合PcBN刀片成功應用在傳動軸行業(yè)。

2014年，公司推出整體焊接PcBN刀片。

2015年，成功開拓國外市場。

2016年，采用整體立方氮化硼刀片，成功開拓發(fā)動機銑削市場，大幅提高加工效率。

2017年，河南省發(fā)改委批復成立了“河南省超硬復合材料合成技術及高端刀具工程研究中心”。

2018年，鄭州博特硬質材料有限公司入選鄭州市“專精特新”中小企業(yè)。

鄭州博特硬質材料有限公司是高新技術企業(yè)，主要從事超硬刀具、超硬磨具和立方氮化硼磨料的研發(fā)、生產、銷售和服務。公司是國內PcBN專業(yè)化生產歷史最長、綜合實力最強的超硬刀具制造商，是國內“高速重切削”的開創(chuàng)者。公司的生產經營理念是：

為刀具制造商提供材料(刀坯)；

為刀具經銷商提供產品(刀片)；

為吾產品用戶提供服務(方案)。

3.2 應用實例

以鄭州博特硬質材料有限公司為例，目前國內超硬材料公司能向市場提供毛坯、半成品和成品，年產量已達240萬片。PcBN刀片刀具結構形式主要分為4種，即PcBN整體燒結刀片、PcBN復合焊接刀片、PcBN整體焊接刀片、PcBN整體復合刀片，見表1，不同結構刀片具有不同的參數(shù)見表2。

表1 PcBN刀片材料結構形式及切削應用

注：L為刀片有效切削長度

加工實例一：渣漿泵的高效加工，對比加工情況見表3。采用干切方式整體PcBN車削渣漿泵葉輪和護套粗、精車，工件名稱及材質為高含鉻鉬的耐磨鑄鐵。PcBN的耐磨性是陶瓷刀片的5～10倍?？紤]到刀片崩刃因素，實際加工葉輪時，PcBN使用壽命是陶瓷刀片的100倍左右。

表2 PcBN材料牌號及應用舉例

注：BT為整體復合和復合焊接式；BTS為整體燒結和整體焊接式

表3 陶瓷刀具和PcBN刀具加工渣漿泵的參數(shù)

惡劣的切削條件：渣漿泵葉輪和護套毛坯硬度HRC48～65，表面有夾渣、沙眼和氣孔。

傳統(tǒng)加工工藝：毛坯→退火→硬質合金(抗彎強度高)刀具粗加工，去掉表層夾渣、沙眼和氣孔→淬火→陶瓷刀具精加工。加工工藝煩瑣，生產周期長，加工成本高，切削效率低。

使用整體PcBN刀片后的工藝：渣漿泵葉輪和護套毛坯→硬化處理，一次裝夾→PcBN刀具直接粗、精加工成型一次完成。

整體PcBN刀具加工渣漿泵葉輪和護套，不僅是加工領域的一次變革，也是鑄段件制造加工工藝的一次變革，其鋒利度增加許多。

加工實例二：高速切削冷硬鑄鐵軋輥與合金軋輥，對比加工情況見表4。整體PcBN硬車軋輥干切，工件名稱及材質：軋輥(冷硬、合金鑄鐵)。加工工序：粗、精車(粗車時，陶瓷刀片無法使用，而PcBN刀具可高速切削，大幅提高生產效率)。刀具壽命：PcBN刀片的壽命是陶瓷刀片的5～10倍，效率提高4倍以上。

表4 陶瓷刀具和PcBN刀具硬車軋輥的對比參數(shù)

加工實例三：制動盤粗精一體化方案，對比加工情況見表5。整體PcBN車削制動盤、轂，加工工序：粗、精車。工件名稱及材質：制動盤、轂(合金鑄鐵)。刀具壽命：PcBN刀具的壽命是涂層刀片的10倍以上，效率提高2～5倍。

表5 不同刀具車削制動盤和轂的對比參數(shù)

圖1所示是整體PcBN車削制動盤的工序圖。粗精一體化方案的優(yōu)勢增強：

a.刀具結構設計合理；

b.更長更穩(wěn)定的刀具壽命；

c.更高的刀片硬度，帶來更強的耐磨性，適合粗精加工；

d.大切深、更高切削速度，帶來更高效的加工；

e.制動盤尺寸波動更小。

(a) 工序一 (b) 工序二 圖1 整體PcBN車削制動盤的工序圖

3.3 產品質量和生產設備保證

3.3.1 穩(wěn)定可靠的cBN原料供應

信陽市德隆超硬材料有限公司經過多年技術攻關，研發(fā)了PcBN刀具專用cBN單晶。DL-6800產品如圖2所示。cBN為深棕色單晶，形狀不規(guī)則，自銳性好、熱穩(wěn)定性較好。該公司是專業(yè)的cBN微粉制造和加工企業(yè)，對微粉粒度分布、雜質含量、晶型、性能等提出嚴格要求，每批原材料都要進行指標檢測。

3.3.2 多年實踐總結的PcBN材料制備和控制技術

a.通過特殊的預處理工藝[9]，提高粉末表面活性，使得材料更容易燒結致密，結合強度更高；

b.無塵化操作過程，保證粉末純凈度；

c.國內首家研制PcBN整體燒結材料，對PcBN材料配方設計有獨到見解；

d.多年PcBN材料超高壓燒結經驗，固化了合成工藝和流程控制，系統(tǒng)掌握了環(huán)境因素對材料燒結的影響，可有針對性地調整工藝，穩(wěn)定材料性能。

圖3為PcBN材料的掃描電鏡圖像。

圖2 cBN的光學顯微鏡圖像

(a) (b)圖3 PcBN材料的掃描電鏡圖像

3.3.3 PcBN刀片的粗、精磨更高效，更穩(wěn)定

a.根據(jù)多年PcBN刀具磨削經驗，制定了合理的磨削工藝流程和控制指標，為精磨提供保障；

b.磨削砂輪選配合理，通過不同粒度、不同結合劑砂輪，使磨削效率和表面質量統(tǒng)一；

c.全自動數(shù)控周邊磨床，結合多年實踐總結的磨削工藝，保障了刀片尺寸和刃口質量的一致性和穩(wěn)定性。

3.3.4 瑞士進口全自動數(shù)控刀片周邊磨床

a.定位精度：<0.003；

b.重復的定位精度：<0.002；

c.操作員工經過嚴格選擇，員工穩(wěn)定，都有5年以上操作經驗。

PcBN生產所用的磨床見圖4。

圖4 PcBN生產所用的磨床(車間局部圖)

4 結語與展望

(1) PcBN質量的好壞和性能的高低，學術上常用聚晶氮化硼復合材料的磨耗比來進行判斷。研究發(fā)現(xiàn)，這一判斷方法在刀具加工應用時存在著問題。實際上，PcBN材料的磨耗比高，不意味著該復合材料更耐磨，也并不能保證刀具切削加工的高壽命。金剛石聚晶復合材料比PcBN聚晶的磨耗比高幾倍甚至十幾倍，提高被測復合材料磨耗比是很容易的事情，但提高PcBN的綜合加工性能是非常復雜的，在優(yōu)化PcBN復合材料的配方設計和改進制造工藝時，一定要針對特定的被加工對象而定制。

(2) 聚晶氮化硼復合材料的合成有高壓燒結和低壓燒結兩種方法。高壓燒結已經應用于PcBN刀具生產，而低壓燒結在制備大塊體尺寸的聚晶氮化硼復合材料時更有優(yōu)勢，應加快低壓燒結技術的研發(fā)。采用低壓燒結技術制備PcBN復合材料，研究該材料用作刀具的適宜的被加工對象，有針對性地開發(fā)能替代硬質合金、工具鋼或其他陶瓷的刀具。

(3) 目前針對PcBN制定了行業(yè)標準，主要涉及刀片規(guī)格和尺寸。實際上PcBN刀片的切削或銑削加工應用工況是很復雜的，不僅涉及PcBN刀具的材料和刀片尺寸，還受裝夾工況、環(huán)境因素、被加工材料和操作者經驗等的影響，需要因事施刀，提供匹配專用的有技術含量和豐富加工經驗的用刀整體方案。

(4) PcBN刀具的競爭越來越激烈，甚至出現(xiàn)了無序競爭，產品利潤空間不斷壓縮。行業(yè)應鼓勵有序競爭，保護知識產權，不應讓仿冒產品招搖過市。對企業(yè)來說，核心的任務還是要加大技術創(chuàng)新力度，在聚晶氮化硼復合材料質量保證、刀具精準設計、產品智能制造、企業(yè)管理和營銷信息系統(tǒng)化等方面加強產學研合作，開展相關基礎理論和應用研究，積極培養(yǎng)專業(yè)技術人才，提高企業(yè)的核心競爭力。