聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具浅谈

翟康

摘要：论题中重点介绍了聚晶立方氮化硼刀具的发展、种类、性能以及它在高速切削的应用。聚晶立方氮化硼即为PCBN（Polycrystalline；Cubic；Boron；Nitride）；之后简称为PCBN刀具；PCBN刀具主要应用于HRC45以上的硬质材料；包括高温合金（镍基合金Inconel；Monel；Incoloy；Waspaloy；等；钴基合金Stellite；Colmonoy等）；PCBN刀具有很高的硬度及耐磨性；能在高切削速度下长时间地加工出高精度零件；适用于高速及超高速切削加工、硬态切削加工、干切削加工、自动化加工及高温合金材料加工干切削等工作环境；具有硬度高、高效加工等优点。

關键字：PCBN刀具、高效切削、先进加工技术

1 了解高效切削刀具PCBN刀具

1.1 PCBN刀具的发展历史

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），解决了单晶CBN的颗粒较小，很难制成刀具，且CBN烧结性很差，难于制成较大的CBN烧结体的劣势，同时又保留了CBN具有较高的硬度、化学惰性及高温下的热稳定性等优势。从此，PCBN以它优越的切削性能应用于切削加工的各个领域，尤其在高硬度材料、高温合金材料的切削加工中更是独树一帜。经过30多年的开发应用，现在已出现了用以加工不同材料的PCBN刀具材质。

聚晶立方氮化硼是一各超硬刀具材料，它是以微晶CBN为主要原料，在不加入或者加入适量助烧结剂（分为金属或合金助烧结剂、非金属及硼氮化物助烧结剂、陶瓷助烧结剂）条件下经高温高压烧结而成。1957年美国GE公司利用高温、超高压装置首次合成了CBN，l973年PCBN刀具研制成功。自此其研究趋成熟，产品种类向着多元化、系列化方向发展。

1.2 PCBN刀具材料的种类

按添加成分分：有直接由CBN单晶烧结而成的PCBN和添加一定比例粘结剂的PCBN烧结体两大类；按制造复合方式分：有整体PCBN烧结块和与硬质合金复合烧结的PCBN复合片两类。目前应用较广的是带粘结剂的PCBN复合片，根据添加的粘结剂比例不同则PCBN硬度也不同，粘结剂含量越多则硬度越低、韧性越好；粘结剂种类不同，则PCBN的用途也不同，常见粘结剂的PCBN刀具及其用途。

CBN含量（%）-粘结剂种类-主要用途

～60-TiN-淬火钢

～70-TiC-铸铁

～70-Al2O3-铸铁

～90-AlN-高强度铸铁

～80-Co-耐热合金钢铸铁

1.3 PCBN 刀具的切削性能

1） 较高的硬度和耐磨性

CBN 晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同、晶格常数相近，因此具有与金刚石相近的硬度和强度。CBN 微粉的显微硬度为HV8000 ～ 9000， 其烧结体PCBN 的硬度一般为HV3000～5000。在切削耐磨材料时其耐磨性为硬质合金刀具的50 倍，为涂层硬质合金刀具的30 倍，为陶瓷刀具的25 倍。

2） 具有很高的热稳定性

现代制造工程2002（1）CBN 的耐热性可达1400～1500 ℃，PCBN 在800 ℃高温下PCBN刀具的硬度时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。因此PCBN 刀具可用比硬质合金刀具高3～5 倍的速度高速切削高温合金和淬硬钢。

3） 具有优良的化学稳定性

CBN 的化学惰性特别大，在1200～1300 ℃时也不与铁系材料发生化学反应，与碳在2000 ℃时才发生反应；在中性、还原性的气体中，对酸、碱都是稳定的；其对各种材料的粘结、扩散作用比硬质合金小得多，因此PCBN 刀具特别适合加工钢铁材料。

4） 具有较好的导热性

在各类刀具材料中CBN 的导热性仅次于金刚石，导热系数为1300WP（m·℃），而且随着温度的升高，PCBN 导热系数是增加的。PCBN 刀具导热系数高可使刀尖处温度降低，减小刀具的磨损，有利于加工精度的提高。在同样的切削条件下，PCBN 刀具的切削温度要低于硬质合金刀具。

5） 具有较低的摩擦系数

与不同材料间的摩擦系数CBN为0.1～0.3、硬质合金为0.4～0.6，随着切削速度的提高，摩擦系数是减小的。这一特性导致切削时刀与屑间摩擦减小，切削变形减小，切削力降低，加工表面质量提高。

2 PCBN刀具应用于先进切削加工工艺

2.1 适用于高速及超高速切削加工技术

PCBN刀具最适合于铸铁、淬硬钢等材料的高速切削加工。当切削速度超过一定限度后，切削速度越高，PCBN刀具后刀面磨损速度反而越小，即高速切削下刀具的寿命反而高，这一特点尤其适合现代高速切削加工。

2.2 硬态切削加工技术的最佳刀具材料

对高温合金件（硬度HRC55以上）的精加工，通常采用磨削加工方法来完成，然而随着刀具材料发展及车床（尤其是数控车床）加工精度的提高，以高温合金高速切削切削代替磨削来完成零件的最终加工已成为一个新的精加工途径，通常用于高温合金高速切削的刀具材料有陶瓷、TiC涂层刀片及PCBN刀具材料，但要在较高速度（1000m/min以上）下进行高温合金车削，PCBN是最佳刀具材料品种。如在汽车变速箱同步器套拨叉（材料为20CrMnTi，硬度为HRC58～62）加工采用以车代磨后，效率提高4倍以上，加工成本降低为原来磨削工艺的1/3～1/2。

2.3 进行干切削加工工艺的理想刀具材料

由于经济与环保方面的原因，近几年干切削加工方法已成为机械制造领域中的重点研究课题。适用于干切工艺的刀具材料有陶瓷、金属陶瓷、涂层硬质合金及PCBN刀具材料等等，但就红硬性和热稳定性来说，PCBN材料是最适合干切工艺的刀具材料，且由于PCBN刀具材料具有上述优点，更适于高速条件下的干式切削加工，此外PCBN在高速干切情况下，比湿切削具有更高的刀具寿命。

2.4 适应于自动化加工及高温合金材料加工

PCBN刀具有很高的硬度及耐磨性，能在高切削速度下长时间地加工出高精度零件，大大减少换刀次数和刀具磨损补偿停机所花费的时间。因此，很适合于数控机床及自动化程度较高的加工设备，并且能使设备的高效能得到充分发挥。

在合金材料应用方面，PCBN刀具也显示了其卓越的性能，如表面喷焊（涂）材料的加工，用其它材料刀具加工，刀具寿命极低，也无法采用磨削方法加工，而PCBN是惟一适合的刀具材料；又如，在石油电站设备中使用的高合金耐磨铸铁，采用PCBN刀具较硬质合金刀具提高切削效率4倍以上，单件刀具成本下降为原来的1/5。

参考文献

[1]朱晓春.先进制造技术.机械工业出版社，2004

[2]宋庭科 李嫚 张弘弢PCBN刀具车削镍基高温合金切削性能研究.金刚石与磨料磨具工程，2011 第1期