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鄭州華晶金剛石股份有限公司

立方氮化硼刀具詳解

關鍵詞 立方氮化硼 , 刀具|2019-09-30 09:56:50|來源 中國超硬材料網
摘要 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地...

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。

什么是CBN(立方氮化硼)?

立方氮化硼CBN(CubicBoron 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人造立方氮化硼刀具(CBN刀具),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的又一種新型產品。

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20世紀70年代,前蘇聯、中國、美國、英國等國家才相繼研制成功作為切削刀具的CBN燒結體——聚晶立方氮化硼PCBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)。從此,PCBN以它優越的切削性能應用于切削加工高硬度鐵、鋼件等黑色金屬材料。

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PCBN刀具的結合劑可歸納為3大類:

金屬結合劑,如Ti、Co、Ni. Cu、Cr、W等金屬或合金,在高溫下易軟化,影響刀具壽命; 

陶瓷結合劑,如Al2O3耐高溫,但沖擊韌性差,刀具易崩刃和破損;

金屬陶瓷結合劑,如碳化物、氮化物、硼化物等與Co、Ni等形成的固溶體等,解決了上述兩類結合劑之不足。

CBN(立方氮化硼)刀具材料的性能、特點

具有很高的硬度和耐磨性

CBN單晶顯微硬度為8000~9000HV,是目前已知的第二高硬度物質,PCBN復合片的硬度一般為3000~5000HV。

具有很高的熱穩定性和高溫硬度

CBN的耐熱性可達1400~1500°C,在1300°C時不發生氧化,在800°C時的硬度為Al2O3/TiC陶瓷的常溫硬度。因此能高速切削高硬度的鋼鐵材料及耐熱合金,刀具的粘結與擴散磨損較小。

有較好的導熱性,與鋼鐵的摩擦因數較小

抗彎強度與斷裂韌性介于陶瓷與硬質合金之間

熱穩定性大大高于人造金剛石,在1300℃時仍可切削,具有很高的抗氧化能力,在1000℃時也不產生氧化現象,鐵元素的化學惰性也遠大于人造金剛石,與鐵系材料在1200至1300℃高溫時也不易起化學作用,但在1000℃左右時會與水產生水解作用,造成大量CBN被磨耗,因此用PCBN刀具濕式切削時需注意選擇切削液種類。

由于立方氮化硼材料的一些列優點,使它能對淬硬鋼、冷硬鑄鐵進行粗加工與半精加工。同時還能高速切削高溫合金、熱噴涂材料等難加工材料。

CBN(立方氮化硼)刀具的分類和結構

立方氮化硼也可與硬質合金燒結為一體,這種立方氮化硼燒結體的抗彎強度可達1.47GPa,能經多次重磨使用。立方氮化硼刀具有兩種:整體聚晶立方氮化硼刀具和立方氮化硼復合刀片。立方氮化硼復合刀片是在硬質合金燒結體燒結一層厚度約為0.5mm的立方氮化硼而成。

整體式

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鑲嵌式

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復合式

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CBN刀具的應用

按加工材質劃分

高硬度鑄鐵(硬度HSD75以上),如高鉻鑄鐵、合金鑄鐵、鎳硬鑄鐵、白口鑄鐵等材質。典型零部件有軋輥、工業泵。

高硬度鋼件(硬度HRC45以上),如高錳鋼、高速鋼、淬火鋼等。典型零部件包括軋臼壁、高速鋼軋輥、淬硬齒輪/齒輪軸、軸承、滾珠絲杠、模具等。

普通灰鑄鐵(HT150/200/250/300)

如發動機缸體、缸蓋、剎車盤、制動鼓、皮帶輪、離合器壓盤等均屬于普通灰鑄鐵。

其他難加工材料

如粉末冶金、高溫合金材料、及鎳基、鐵基、鈷基等高硬度堆焊、噴焊、激光熔覆、熱噴涂材料等。

按應用行業劃分

礦山機械行業

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鋼鐵軋輥行業

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航空航天行業

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能源行業

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汽車行業

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CBN刀具的應用

重載切削

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高速切削

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以車代磨

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干式切削

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CBN刀具的切削參數

常規切削參數

粗加工時,應盡量保證較高的金屬切除率和必要的刀具耐用度,故一般優先選擇盡可能大的切削深度ap,其次選擇較大的進給量f,最后根據刀具耐用度要求,確定合適的切削速度。精加工時,首先應保證工件的加工精度和表面質量要求,故一般選用較小的進給量f和切削深度ap,而盡可能選用較高的切削速度υc。

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車削加工的計算公式

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銑削加工的計算公式

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CBN刀具的優勢

從使用角度來判斷

抗沖擊性能好,特別是粗加工領域,使用時不崩刃,不碎裂,這是CBN刀具使用安全性的最基本保證。

耐磨性能好,高效加工的同時,能夠低成本的代替硬質合金刀具和陶瓷刀片,這是CBN刀具使用經濟型的保證。

從制造角度來判斷

高純度、高凈化率的原材料、可靠規范的胚體合成工藝,這兩項直接決定CBN刀具性能。當然,這也是市場上CBN刀具價格參差不齊的最大原因。

磨加工,由于CBN刀具不像硬質合金刀片具備復雜槽型和涂層,性能主要取決于刀具胚體性能,而磨加工的工藝和精度直接決定切削時的微觀性能。所以采用周邊磨床刀具成本雖然提高不少,但是CBN刀具的質量和耐用度都會上一個檔次。

除了尺寸精度和表面質量外,CBN刀具生產過程中,最容易產生廢品的是電鏡檢測下的微觀缺陷。刃口處肉眼看不到的微觀缺陷是CBN刀具使用過程中崩刃口的導火索,容易造成使用時出現刀具扎刀問題。

CBN刀具的磨損形式

連續切削中的磨損形式

后刀面磨損

最常見的磨損形式,是刀具與工件材料中的硬粒子摩擦形成的,磨損嚴重則會致使被加工工件的表面粗糙度和尺寸精度超差,需替換新的CBN刀片。

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月牙洼磨損

發生在刀片的前刀面,是由工件材料和切削刀具之間的化學反應造成的。月牙洼磨損會導致切屑處理惡化,影響已加工表面質量,而且過大的月牙洼磨損會削弱切削刃并可能導致斷裂。

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壓力面磨損

主要原因是因為切削速度太快,進給量太大,刀具后角太小而造成壓力面磨損。

邊界磨損

主要原因是主偏角太大,進給量太大,切削速度太低造成邊界磨損。

斷續切削中的破損形式

崩刃

這是CBN刀具斷續加工鋼和鑄鐵時常見的一種破損形式。它是在切削刃上產生的小缺口,刀刃上幾個小缺口或被崩掉一小塊。如微崩刃的刀具在允許的磨損限度內還能斷續切削,超差則需更換。

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剝落

銑削鋼和鑄鐵端面時,在前刀面上常出現的貝殼狀剝落。出現此類情況,可通過提高切削速度、降低進給量,使用有負倒棱、刃口經過鈍化處理的刀片。

斷裂

斷續切削工件時常發生的破損形式,這是由于斷續切削高硬度工件時沖擊載荷過大,短時間切削后發生的早期破損,雖然切削條件適當,但切削較長時間后,沒有及時換刀,由于刀具材料疲勞就發生了大塊的斷裂。

裂紋

CBN刀具在長時間斷續切削后,有因機械沖擊而引起的平行于切削刃的機械疲勞裂紋,也有因熱沖擊而引起的垂直于或傾斜與切屑刃的裂紋。當這些裂紋不斷擴展合并后,就引起刀刃碎裂或斷裂。

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