PcBN复合材料及其用作刀具的发展现状研究

李启泉， 孙长红， 刘书锋

(1.中原工学院 材料与化工学院， 河南 郑州 451191； 2.郑州职业技术学院 材料工程系， 河南 郑州 450010；3.郑州博特硬质材料有限公司， 河南 郑州 450001； 4.信阳市德福鹏新材料有限公司， 河南 信阳 464000；5.信阳市德隆超硬材料有限公司， 河南 信阳 464000； 6.河南省金刚石工具技术国际联合实验室， 河南 郑州 451191；7.河南省金刚石碳素复合材料工程技术研究中心， 河南 郑州 451191)

氮化硼(BN)从化学结构上看，是由硼和氮两种化学元素化合而成的，氮化硼是一种综合性能非常优越的无机非金属化合物，具有高导热、自润滑、高硬度、不导电等特性。六方氮化硼(hBN)主要用作导热助剂、润滑剂，添加到聚合物复合材料或化妆品中，也用作电子浇注口模材料、功能陶瓷器件、立方氮化硼(cBN)的前驱体、过滤或高导热纤维等。不同形态和结构的氮化硼可以制备各种各样的复合材料，从而进一步扩展了氮化硼的应用空间。近年来，中原工学院张旺玺课题组[1]对氮化硼及其复合材料进行了深入的研究，王艳芝等[2]曾对氮化硼系列材料进行了系统的阐述。本文阐述聚晶氮化硼复合材料及其用作刀具的研究发展概况，主要介绍氮化硼的多样性、聚晶氮化硼复合材料的制备、聚晶氮化硼刀具的发展历程和应用情况。

1 氮化硼的多样性

1.1 hBN微晶

从硼和氮组成的氮化硼晶体结构来看，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温烧结和高温烧结两种方法。低温烧结一般以窑炉式设备生产居多，国内长期以来大多采用低温烧结法制备hBN微晶。这种合成方法会产生大量的副产物，需要用酸中和，用纯净水洗净。随着环保要求越来越严格，采用该工艺的企业生产大多难以为继。近年来，高温烧结法发展很快，国内多仿照德国专利技术，采用中频感应炉进行烧结合成hBN微晶。hBN微晶一般应用于烧结制备氮化硼陶瓷制品或功能器件。与氧化铝、碳化硅相比，氮化硼越经高温处理其纯度越高、活性越低，高温烧结更困难。为了提高氮化硼的烧结特性，常常加入烧结助剂，但是加入助剂烧结得到的陶瓷器件性能和功能会受到严重影响，所以需要进一步研究高纯度hBN陶瓷微晶的制备技术、形态调控方法、烧结特性改进工艺。为了获得高活性的hBN陶瓷微晶，田亮等[3]以硼砂和三聚氰胺为原料，采用NaCl/KCl作为熔盐介质，在900～1 200 ℃利用熔盐热处理进行氮化制备，得到了片状颗粒hBN，粒径为50～200 nm。hBN陶瓷的成型加工、高温烧结及制品性能与hBN微晶的晶粒形态、粒径大小、粒径分布、杂质含量、密度等密切相关。

1.2 hBN纳米片

hBN的结构类似于石墨烯的片层结构，hBN也可以经机械剥离或化学处理制备得到类似于石墨烯的片层hBN，该片层hBN因此又被称为“白色石墨烯”。张旺玺等[4]曾对hBN纳米片的制备方法、性能和应用进行综述，并指出了研发hBN纳米片的发展方向。hBN纳米片的基础理论和应用研究会较快地发展，其应用领域会进一步开拓。

1.3 cBN超硬材料

hBN经高温高压处理可以转变成cBN，hBN向cBN晶型转变的过程一般要有金属Li或Mg或这两种金属的氮化物做触媒，工业生产中合成压力为5 GPa，温度在1 500 ℃左右，保温时间为10～15 min[5]。美国在1957年首次合成cBN，我国于1966年成功实现了cBN的合成。目前，我国是cBN生产大国，2017年和2018年产量分别达到6.3和5.4亿克拉。cBN是产能仅次于金刚石的超硬材料，其硬度略低于金刚石，莫氏硬度为9.8～10，显微硬度为71 540～98 000 MPa。cBN主要应用于砂轮、刀具等超硬材料工具，在功能性方面的开发应用还未实现产业化。

1.4 聚晶立方氮化硼

聚晶立方氮化硼(PcBN)是以适当粒度cBN微晶或微粉破碎料为主要原料，添加或不添加黏结剂，再经高温高压烧结制备得到。PcBN的特性与所采用cBN的粒度及粒度分布、含量高低、黏结剂的种类及用量、烧结工艺条件等有关。这种PcBN是cBN的聚集体，主要应用于机械加工刀具领域。在遇到金刚石刀具不能加工的材料时，往往就需要采用PcBN刀具，因为有些材料采用金刚石工具加工时，会发生化学反应，如金刚石刀具加工铁系材料，金刚石表面碳元素易与切削、切割表面发生粘附，导致刀具不锋利，引起加工区域温度升高，如果温度升高，加之空气中有氧，金刚石就容易发生表面炭化，宏观表现为金刚石石墨化。而PcBN刀具加工铁系材料则不存在这样的情况。

2 聚晶氮化硼复合材料的制备

2.1 高压烧结

采用传统的高压高温法制备的PcBN属于这一类。很显然，虽然高压高温法成功制备了PcBN，并成功用于刀具的生产，但是这种方法存在一定的缺点，主要表现为生产工艺复杂、制备要求的高压条件苛刻，高压腔体的狭小限制了这一类聚晶氮化硼复合材料的制备尺寸，生产成本高，难以实现自动化合成。

2.2 低压烧结

一般的陶瓷烧结并不需要特别高的压力，而聚晶氮化硼同样属于陶瓷材料。工业上已经有陶瓷刀具成功应用的实例，因此可以设想采用低压烧结制备聚晶氮化硼复合材料，聚晶氮化硼也可以用作加工刀具材料，这是一个未获得充分研究的发展方向。梁宝岩等[6，7]以cBN，Ti3AlC2和Ti3SiC2粉为原料，分别采用放电等离子体烧结[6]和微波烧结[7]技术制备了cBN/Ti3AlC2，cBN/Ti3SiC2复合材料，并研究了cBN粒度和含量对复合材料结构和性能的影响。材料的微观结构决定材料的性能，材料的结构不仅受组成化学成分的控制，同时也受材料加工制备过程和工艺条件的影响。因此，如何制备得到理想的致密度高、硬度高、锋利度高的聚晶氮化硼复合材料，还需要深入研究。

3 聚晶氮化硼刀具的应用

3.1 聚晶氮化硼刀具的发展历程

以郑州博特硬质材料有限公司的PcBN刀具发展情况为例，可以略窥随着现代智能制造和数控机床的发展，PcBN刀具恰逢其时地诞生和快速发展状况。以下是郑州博特硬质材料有限公司的大致发展历程。

2002年，郑州博特硬质材料有限公司在郑州高新区注册成立。

2003年，整体烧结聚晶立方氮化硼[8]刀片问世；整体烧结PcBN刀片取代陶瓷刀片应用在工业泵行业；整体烧结PcBN刀片取代涂层刀片应用于高速精加工制动盘。

2004年，整体烧结PcBN刀片取代涂层刀片高效加工轧辊；在大齿轮硬齿面(HRC62)的断续加工上，PcBN整体烧结刀片以车代磨，大大提高了加工效率。

2005年，整体烧结PcBN刀片用于精加工淬火后的轴承；PcBN复合焊接刀片成功应用于滚珠丝杠精加工，并广泛推广。

2006年，PcBN整体烧结刀片以车代磨，成功应用于风电设备和工程机械用回转支承轴承的滚道精加工。

2008年，整体烧结PcBN刀片高速(粗精一体化)加工制动盘，极大地提高了加工效率。

2009年，整体烧结PcBN刀片高速铣削铸铁柴油发动机，效率提高5倍；整体复合PcBN刀片研制成功；取代磨削，整体双面复合PcBN刀片在齿轮精加工、齿轮轴硬车切槽方面试验成功。

2010年，取代涂层刀片，整体烧结PcBN刀片高速面铣汽车变速箱箱体；整体烧结PcBN刀片高速精加工滚珠丝杠。

2012年，PcBN整体双面复合刀片以车代磨，硬车汽车传动轴，大幅提高效率，并获得极好的表面光洁度；公司成功研发新型cBN单晶磨料并投入生产；PcBN刀片专用陶瓷结合剂金刚石砂轮研制成功并批量生产。

2013年，整体烧结PcBN刀片在空气压缩机行业试验成功并推广；整体复合PcBN刀片成功应用在传动轴行业。

2014年，公司推出整体焊接PcBN刀片。

2015年，成功开拓国外市场。

2016年，采用整体立方氮化硼刀片，成功开拓发动机铣削市场，大幅提高加工效率。

2017年，河南省发改委批复成立了“河南省超硬复合材料合成技术及高端刀具工程研究中心”。

2018年，郑州博特硬质材料有限公司入选郑州市“专精特新”中小企业。

郑州博特硬质材料有限公司是高新技术企业，主要从事超硬刀具、超硬磨具和立方氮化硼磨料的研发、生产、销售和服务。公司是国内PcBN专业化生产历史最长、综合实力最强的超硬刀具制造商，是国内“高速重切削”的开创者。公司的生产经营理念是：

为刀具制造商提供材料(刀坯)；

为刀具经销商提供产品(刀片)；

为吾产品用户提供服务(方案)。

3.2 应用实例

以郑州博特硬质材料有限公司为例，目前国内超硬材料公司能向市场提供毛坯、半成品和成品，年产量已达240万片。PcBN刀片刀具结构形式主要分为4种，即PcBN整体烧结刀片、PcBN复合焊接刀片、PcBN整体焊接刀片、PcBN整体复合刀片，见表1，不同结构刀片具有不同的参数见表2。

表1 PcBN刀片材料结构形式及切削应用

注：L为刀片有效切削长度

加工实例一：渣浆泵的高效加工，对比加工情况见表3。采用干切方式整体PcBN车削渣浆泵叶轮和护套粗、精车，工件名称及材质为高含铬钼的耐磨铸铁。PcBN的耐磨性是陶瓷刀片的5～10倍。考虑到刀片崩刃因素，实际加工叶轮时，PcBN使用寿命是陶瓷刀片的100倍左右。

表2 PcBN材料牌号及应用举例

注：BT为整体复合和复合焊接式；BTS为整体烧结和整体焊接式

表3 陶瓷刀具和PcBN刀具加工渣浆泵的参数

恶劣的切削条件：渣浆泵叶轮和护套毛坯硬度HRC48～65，表面有夹渣、沙眼和气孔。

传统加工工艺：毛坯→退火→硬质合金(抗弯强度高)刀具粗加工，去掉表层夹渣、沙眼和气孔→淬火→陶瓷刀具精加工。加工工艺烦琐，生产周期长，加工成本高，切削效率低。

使用整体PcBN刀片后的工艺：渣浆泵叶轮和护套毛坯→硬化处理，一次装夹→PcBN刀具直接粗、精加工成型一次完成。

整体PcBN刀具加工渣浆泵叶轮和护套，不仅是加工领域的一次变革，也是铸段件制造加工工艺的一次变革，其锋利度增加许多。

加工实例二：高速切削冷硬铸铁轧辊与合金轧辊，对比加工情况见表4。整体PcBN硬车轧辊干切，工件名称及材质：轧辊(冷硬、合金铸铁)。加工工序：粗、精车(粗车时，陶瓷刀片无法使用，而PcBN刀具可高速切削，大幅提高生产效率)。刀具寿命：PcBN刀片的寿命是陶瓷刀片的5～10倍，效率提高4倍以上。

表4 陶瓷刀具和PcBN刀具硬车轧辊的对比参数

加工实例三：制动盘粗精一体化方案，对比加工情况见表5。整体PcBN车削制动盘、毂，加工工序：粗、精车。工件名称及材质：制动盘、毂(合金铸铁)。刀具寿命：PcBN刀具的寿命是涂层刀片的10倍以上，效率提高2～5倍。

表5 不同刀具车削制动盘和毂的对比参数

图1所示是整体PcBN车削制动盘的工序图。粗精一体化方案的优势增强：

a.刀具结构设计合理；

b.更长更稳定的刀具寿命；

c.更高的刀片硬度，带来更强的耐磨性，适合粗精加工；

d.大切深、更高切削速度，带来更高效的加工；

e.制动盘尺寸波动更小。

(a) 工序一 (b) 工序二 图1 整体PcBN车削制动盘的工序图

3.3 产品质量和生产设备保证

3.3.1 稳定可靠的cBN原料供应

信阳市德隆超硬材料有限公司经过多年技术攻关，研发了PcBN刀具专用cBN单晶。DL-6800产品如图2所示。cBN为深棕色单晶，形状不规则，自锐性好、热稳定性较好。该公司是专业的cBN微粉制造和加工企业，对微粉粒度分布、杂质含量、晶型、性能等提出严格要求，每批原材料都要进行指标检测。

3.3.2 多年实践总结的PcBN材料制备和控制技术

a.通过特殊的预处理工艺[9]，提高粉末表面活性，使得材料更容易烧结致密，结合强度更高；

b.无尘化操作过程，保证粉末纯净度；

c.国内首家研制PcBN整体烧结材料，对PcBN材料配方设计有独到见解；

d.多年PcBN材料超高压烧结经验，固化了合成工艺和流程控制，系统掌握了环境因素对材料烧结的影响，可有针对性地调整工艺，稳定材料性能。

图3为PcBN材料的扫描电镜图像。

图2 cBN的光学显微镜图像

(a) (b)图3 PcBN材料的扫描电镜图像

3.3.3 PcBN刀片的粗、精磨更高效，更稳定

a.根据多年PcBN刀具磨削经验，制定了合理的磨削工艺流程和控制指标，为精磨提供保障；

b.磨削砂轮选配合理，通过不同粒度、不同结合剂砂轮，使磨削效率和表面质量统一；

c.全自动数控周边磨床，结合多年实践总结的磨削工艺，保障了刀片尺寸和刃口质量的一致性和稳定性。

3.3.4 瑞士进口全自动数控刀片周边磨床

a.定位精度：<0.003；

b.重复的定位精度：<0.002；

c.操作员工经过严格选择，员工稳定，都有5年以上操作经验。

PcBN生产所用的磨床见图4。

图4 PcBN生产所用的磨床(车间局部图)

4 结语与展望

(1) PcBN质量的好坏和性能的高低，学术上常用聚晶氮化硼复合材料的磨耗比来进行判断。研究发现，这一判断方法在刀具加工应用时存在着问题。实际上，PcBN材料的磨耗比高，不意味着该复合材料更耐磨，也并不能保证刀具切削加工的高寿命。金刚石聚晶复合材料比PcBN聚晶的磨耗比高几倍甚至十几倍，提高被测复合材料磨耗比是很容易的事情，但提高PcBN的综合加工性能是非常复杂的，在优化PcBN复合材料的配方设计和改进制造工艺时，一定要针对特定的被加工对象而定制。

(2) 聚晶氮化硼复合材料的合成有高压烧结和低压烧结两种方法。高压烧结已经应用于PcBN刀具生产，而低压烧结在制备大块体尺寸的聚晶氮化硼复合材料时更有优势，应加快低压烧结技术的研发。采用低压烧结技术制备PcBN复合材料，研究该材料用作刀具的适宜的被加工对象，有针对性地开发能替代硬质合金、工具钢或其他陶瓷的刀具。

(3) 目前针对PcBN制定了行业标准，主要涉及刀片规格和尺寸。实际上PcBN刀片的切削或铣削加工应用工况是很复杂的，不仅涉及PcBN刀具的材料和刀片尺寸，还受装夹工况、环境因素、被加工材料和操作者经验等的影响，需要因事施刀，提供匹配专用的有技术含量和丰富加工经验的用刀整体方案。

(4) PcBN刀具的竞争越来越激烈，甚至出现了无序竞争，产品利润空间不断压缩。行业应鼓励有序竞争，保护知识产权，不应让仿冒产品招摇过市。对企业来说，核心的任务还是要加大技术创新力度，在聚晶氮化硼复合材料质量保证、刀具精准设计、产品智能制造、企业管理和营销信息系统化等方面加强产学研合作，开展相关基础理论和应用研究，积极培养专业技术人才，提高企业的核心竞争力。