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聚晶立方氮化硼材料的性能及其应用
李 丹 刘 进 胡 娟 张书霞 寇自力
四川大学
摘 要:介绍了聚晶立方氮化硼合成工艺的特点、材料的性能特征及其主要应用领域。关键词:聚晶立方氮化硼, 合成工艺
Performance and Application of Polycrystalline C ub ic Boron Nitride
Li Dan Liu Jin Hu Juan et al
Abstract:The characteristic of synthesis technology of the polycrystalline cubic boron nitride, its performance and main ap -plication field are i ntroduced.
Keywords:PCBN,
synthesis
1 引言
立方氮化硼材料是1957年由美国通用电器公司首次人工合成的新型无机材料, 是继人造金刚石问世之后人工合成的硬度仅次于金刚石的超硬材料。它具有高的硬度、热稳定性和化学惰性, 以及
良好的透红外性等优异性能[2], 因此对合成立方氮化硼的研究已成为材料研究领域的一个热点。目前合成立方氮化硼材料的主要方法有高温高压法、气相沉积法、水热法等。高温高压法是传统的在高温高压下利用立方氮化硼的热稳定区合成立方氮化硼的方法; 行。气相沉积是一种利用C VD 方法合成CB N 膜的技术; 水热法是在低温低压条件下在水溶液中利用反应耦合效应合成立方氮化硼微晶的方法[3], 这种情况下合成的是纳米级的立方氮化硼晶体材料, 应用领域具有局限性, 并且该项技术目前的发展还不成熟。由于高温高压合成立方氮化硼材料的技术相对发展已经成熟完善, 目前国内外仍然主要采用这种方法合成立方氮化硼材料。
单晶立方氮化硼的颗粒很小, 由于受高压腔体以及合成工艺等方面的限制, 很难得到高质量的大颗粒立方氮化硼单晶[4], 目前人工合成的单晶立方氮化硼的最大粒径为3mm 左右。目前已有前苏联、中国、美国、英国等国家相继研制成功聚晶立方氮化硼。聚晶立方氮化硼可以分为整体PCB N 烧结块和带硬质合金基体的PCB N 复合片。整体PCB N 烧结块是由无数细小的CB N 颗粒在高温高压下烧结而成, PCB N 复合片是由CBN 层与硬质合金基体在高温高压下烧结而成。多晶体的结构使聚晶立方氮
:[5]
[1]
化硼具有各向同性, 克服了单晶存在解理面的缺陷; 同时PCBN 具有与硬质合金基体相近的抗冲击韧性[5-6]。这些优点使聚晶立方氮化硼的应用很广泛, 特别是作为刀具材料在切削加工方面发挥了极大的作用, 被广泛应用于汽车、机床、航空航天、石油地质、仪器仪表、家具制造等领域。PCB N 刀具可以实现以车代磨, 其刀具寿命比硬质合金刀具寿命提高几十倍到几百倍。随着科技的进步和技术水平的提高, 它的应用领域将会不断地扩大。 2 聚晶立方氮化硼的合成工艺目前应用比较广泛的是带粘结剂的聚晶立方氮化硼复合片。虽然整体PCB N 烧结块克服了立方氮化硼单晶颗粒小以及各向异性的缺点, 但它作为刀具在连接和焊接时存在一定问题, 因为整体PCB N 烧结体不易被通常的焊料所浸润粘接, 难以直接进行焊接。聚晶立方氮化硼复合片则在焊接方面具有优势[7]。
聚晶立方氮化硼作为刀具材料, 其质量好坏直接影响到聚晶立方氮化硼刀具的切削效率和使用寿命。为了得到高质量的聚晶立方氮化硼, 在合成的过程中应注意以下问题。
211 粘结剂
聚晶立方氮化硼是立方氮化硼颗粒和一定比例的粘结剂在高温高压下烧结而成的。粘结剂在合成聚晶立方氮化硼的过程中起着重要作用, 加入适量的粘结剂可以降低烧结温度和压力, 并改善烧结体的性能[8]。在选择粘结剂的时候一般要遵从以下几点:¹线膨胀系数尽可能与立方氮化硼接近, 以降低温差应力; º粘结剂与氮或硼元素应有强烈的化学亲和性, 从而可以提高粘结强度; »可以牢固连接硬
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属材料(如耐磨铸铁与淬硬钢) 时, 粘结剂的含量对切削效果影响很大, 因此制造粘结剂含量高的聚晶立方氮化硼时, 粘结剂应具有较高的硬度与韧性。
用作聚晶立方氮化硼粘结剂的材料很多, 大致可以归结为三类:(1) 金属粘结剂, 由金属或合金组成(如铝、钛、钴、镍等) ; (2) 陶瓷粘结剂, 主要有氮化物、碳化物、硼化物等; (3) 金属陶瓷粘结剂, 由陶瓷与金属或金属合金按一定配比组成[7]。
用金属作粘结剂的聚晶立方氮化硼通常CBN 含量高、韧性好, 导热性优于用陶瓷作粘结剂的聚晶立方氮化硼, 但金属通常在700e -800e 的温度下就会软化, 高温时金属的软化效应会导致聚晶立方氮化硼的耐磨性下降。金属和立方氮化硼的线膨胀系数相差较大, 高温时会导致立方氮化硼结构的变化, 从而使红硬性下降。陶瓷的熔点相对较高, 高温时不会产生软化效应, 用陶瓷作粘结剂的聚晶立方氮化硼具有较高的耐高温磨损和较强的抗化学磨损性能。但陶瓷在高温时导热性差, 易使切削温度集中在被加工材料上并使之软化, 因此适合于淬硬钢的切削加工。金属陶瓷粘结剂则兼具了纯金属和纯陶瓷粘结剂两者的优点, 目前正在发展和推广中[10]。在合成聚晶立方氮化硼时, 要根据加工对象的不同材料来选择合适的粘结剂。
212 立方氮化硼的含量
立方氮化硼的含量直接影响聚晶立方氮化硼的硬度。立方氮化硼含量越高, 聚晶立方氮化硼的硬度越高。通常情况下聚晶立方氮化硼的硬度为3000HV-5000HV 。聚晶立方氮化硼中立方氮化硼含量与其硬度关系如图1所示。立方氮化硼的含量一般在40%-95%之间[11], 当立方氮化硼含量超过95%时, 烧结性能变差, 并且耐磨性大大降低[12]。
[9]
工具技术
氮化硼颗粒越细小, 聚晶立方氮化硼耐磨性越好, 抗压强度越高, 但细粒度的立方氮化硼不容易烧结。立方氮化硼颗粒尺寸越大, 聚晶立方氮化硼抗机械磨损的能力就越强, 而抗破损性能就越弱, 用此制作的切削刀具的刃口锋利性就越差。试验表明, 把粒度不同的立方氮化硼颗粒按一定比例混合使用, 会提高聚晶立方氮化硼的质量。在原料中加入很少量细粒度的立方氮化硼微粒会增加刀具的综合性能。
214 烧结工艺
聚晶立方氮化硼烧结过程中的主要参数为压力、温度和烧结时间。烧结要控制在立方氮化硼的热稳定区。在烧结过程中温度一般用加热功率来标志。由于烧结的最佳功率值和立方氮化硼向六方氮化硼逆转化的功率值很接近, 所以可选择的烧结温度范围很窄, 一般为1400e ~1600e , 压力的范围大约为510~710GPa, 保温时间大约为2~30分钟。另外高压腔体内温度分布的不均匀对聚晶立方氮化硼的质量和性能也有影响, 所以尽量设计/满腔转化0高压腔, 从而使腔体内温度的分布尽量均匀[14]。 3 聚晶立方氮化硼的性能特点
聚晶立方氮化硼不仅具备了立方氮化硼的优良品质, 而且带基体的复合片还具备硬质合金的抗冲击韧性。聚晶的晶粒呈无序排列, 各向同性, 不存在解理面, 不像单晶立方氮化硼在不同晶面上的强度及耐磨性存在很大的差异, 克服了单晶解理面的存在而导致的易脆弱性。
311 较高的硬度、耐磨性和抗冲击性
聚晶立方氮化硼的硬度仅次于金刚石, 远远高于陶瓷和硬质合金的硬度, 耐磨性很高[15]。在加工高硬度材料时表现极佳, 如在加工淬硬钢时, 其耐用度是硬质合金的10~50倍。此外, 聚晶立方氮化硼刀具的抗冲击性也远远高于陶瓷刀具。
312 高的热稳定性
聚晶立方氮化硼在高达1200e 的温度下还表现出良好的热稳定性, 而且在800e 的高温下硬度也高于常温下的硬质合金和陶瓷材料。图2所示为聚晶立方氮化硼刀具在高温下的硬度。聚晶立方氮化硼刀具在1000e 以下不会出现氧化现象, 因此切削时刀具尖端的相对高温不会对它产生不利的影响, 相反还能在切削硬质合金时起到加速切削的作用。
1 [16]
[13]
图1 CBN 含量与硬度的关系
213 立方氮化硼的粒度
立方氮化硼颗粒的尺寸大小对聚晶立方氮化硼
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售额的增长情况[19]。聚晶立方氮化硼刀具适合加工各种难加工材料:各种淬硬钢(碳工钢、合金钢、轴承钢、模具钢和高速钢等高硬度淬硬钢零件) 、各种喷涂(焊) 材料、耐磨铸铁类材料、高温合金, 还可用于钛合金、纯镍、纯钨以及其它材料的加工(如图5所示) [20]。CBN 含量高的聚晶立方氮化硼具有高的导热性和韧性, 一般用作粗加工淬硬钢和珠光体铸铁的刀具材料; CB N 含量低的聚晶立方氮化硼具有相对低的导热性和高的抗压强度及红硬性, 一般用作加工淬硬钢的刀具材料。由于聚晶立方氮化硼刀具材料高温下硬度损失不大, 故非常适合于高速加工高硬度材料。最具代表性的是硬态切削中的以车代磨技术, 可获得以往只有磨削加工才能得到的加工水平。
聚晶立方氮化硼具有优异的化学稳定性, 与铁族金属在1200e ~1300e 的高温下也不起化学反应, 在酸中不受侵蚀, 300e 左右在碱中才会被侵蚀。其对各种材料的粘结、扩散作用比硬质合金小得多, 因此聚晶立方氮化硼刀具特别适合加工钢铁材料[17
。
图2 高温下聚晶立方氮化硼刀具的硬度
314 导热性良好
聚晶立方氮化硼材料的导热系数低于金刚石的导热系数, 是硬质合金的20倍[18]。而且随着切削温度的提高, 聚晶立方氮化硼的导热系数是增大的, 而氧化铝的导热系数是减小的(如图3所示) [16], 因此聚晶立方氮化硼刀具的刀尖处热量可以很快传出去,
有利于加工精度和抗机械磨损能力的提高。
图4 1985~1997年PCBN 刀具全球销售额增长情况
图5 PCBN 刀具的应用领域
图3 聚晶立方氮化硼刀具的导热系数
聚晶立方氮化硼复合片具有良好的韧性、高耐磨性和对铁族金属的化学稳定性, 成为加工镍铬冷硬铸铁、高铬铁和渗钢铁之类硬质黑色金属材料的一种新型刀具材料[21]。目前开发的一种整体式聚晶立方氮化硼刀片不仅可以用于车削加工, 而且在铣削工件时也表现非常好, 使超硬材料不能用于铣削加工的难题得到了突破[22]。这种刀片在铣削工件时不仅可以提高产品的加工质量, 而且生产效率非常高, 使用寿命的延长使得单位制造成本大幅降, 315 摩擦系数较低
立方氮化硼与不同材料的摩擦系数在011~013之间, 远小于硬质合金的摩擦系数(014~016) , 而且随摩擦速度及正压力的增大而稍有减小[16]。 4 聚晶立方氮化硼的主要应用
聚晶立方氮化硼主要用作加工黑色金属的刀具材料。聚晶立方氮化硼刀具的生产及应用发展极
快
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工具技术
5 结语
未来机械切削加工的主流将是干式切削、硬态加工和高速切削相结合的具有效率高、能耗低、节约资源、减少污染的绿色切削, 而聚晶立方氮化硼刀具的优点表明其最符合绿色切削的要求
[23]
8 方啸虎. 超硬材料基础与标准. 北京:中国建材工业出版社, 1998
9 苟清泉. 人造金刚石合成机理. 成都:成都科技大学出版社, 1986
10 E Benko, P Klimczyk, et al. CB N -Ti 3SiC 2composites. Diamond and Releated M aterials, 2004. (13) :521
11 杜国臣. PCBN 刀具的切削性能及应用. 组合机床与自动化加工技术, 2004, (7) :94
12 刘一波, 屠厚泽, 陈庆寿. 聚晶立方氮化硼刀具及其制造技术综述. 地质与勘探, 1996. 32. (4) :61
13 刘书锋. CBN 微粉粒度对合成PCBN 的影响. 工具技术14 屠厚泽. 聚晶立方氮化硼切削刀具的研究现状及其发展. 探矿工程, 1995, (2) :16
15 侯世香, 高开运等. PCBN 刀具的特点及实际应用. 现代制
参考文献
造工程, 2002, (5) :28
16 刘献礼, 肖 露等. PCBN 刀具的发展性能及应用. 现代制造工程, 2002, (1) :38
17 文东辉, 刘献礼, 胡荣生. PCBN 刀具的硬态切削加工原理. 机电工程, 2001, 18(6) :77
18 宋昌才. PCD 与PCBN 刀具在精密与超精密加工中的应用. 江苏理工大学学报, 2001, 22. (4) :55
19 寇自力. 超硬刀具的发展与应用. 工具技术, 2000, 34(8) :620 朱从容. PCBN 刀具及其应用. 机械设计与制造工程. 2001, 30(2) :66
21 X J Ren, et a l . Cutti ng temperatures i n hard turning chromium hard facings wi th PCBN tooling. Journal of M aterials Processin g T echnology 147, (2004) :38
22 左宏森, 王春华. 新型PCB N 工具高效加工难切削黑色金属材料. 中国超硬材料新技术研讨会论文集, 2004, 1223 苗志毅, 冯克明. 绿色切削与PCB N 刀具切削技术. 金刚石与磨料磨具工程, 2004(5)
第一作者:李 丹, 硕士研究生, 四川大学原子与分子物理研究所, 610065成都市
最主要的就是农业和服务业两个相对比较薄弱的领域。中国虽然和东盟、巴基斯坦建立了自由贸易区, 但是仅仅停留在货物贸易上, 对于服务贸易自由化和投资自由化还在谈判中。
有专家表示, 在中国与发展中国家建立自贸区时, 由于中国的服务业领先于其他发展中国家, 发展中国家出于保护本国产业的目的, 均不轻易放开服务贸易, 在商务部今后进行自贸区谈判过程中, 服务贸易自由化和投资自由化将很可能会成为重点的课题。
在谈到自贸区谈判关于国内服务业开放问题时, 易小准认为, 区域经济合作是加快服务业发展的可行性途径, 因为它有试点性质, 只是对少数的国家或者地区做局部的开放, 对不同行业可以分类处理, 有快有慢。
。目前我
国刀具制造技术的发展尚无法完全满足现代制造业对高效刀具的需求, 我国高品级聚晶立方氮化硼刀具仍主要依赖进口。随着工业化的不断发展, 聚晶立方氮化硼材料将会不断得到发展, 聚晶立方氮化硼刀具的应用会越来越广泛, 因此, 需要加大研制开发国产高品级聚晶立方氮化硼刀具的力度。
1 文东辉, 刘献礼等. PCBN 刀具在我国的应用现状与思考.
现代制造工程, 2001, (10) :5
2 Mark P D . Evelyn, T akashi Taniguchi. Elastic properties of translucent polycrystalline cubic boron nitride as characterized by the dynamic resonance method. Diamond and Releated Mater-i als, 1998. (8) :1522
3 于美燕, 崔得良等. 水热法合成立方氮化硼微晶. 化学学
报, 2005. 63(10) :909
4 T K Harris, E J Brookes, C J Taylor. The effect of temperature on the hardness of polycrystalline cubic boron nitride cutting tool material. Refractory Metals and Hard Materials, 2004, (22) :1065 邓福铭, 陈启武. PDC 超硬复合刀具材料及其应用. 北京:
化学工艺出版社, 2003
6 Brooks C A. The Properties of Natural and Synthetic Diamond. London; ed Field JE London Academic, 1992, 51
7 王光祖, 李 刚, 张相法. 立方氮化硼合成与应用. 河南:
河南科技出版社, 1995
中国将建设全球自由贸易区网络
中国商务部副部长易小准在/21世纪论坛0上表示, 中国将会以中国) 东盟自贸区为依托, 加快建立周边的自贸区平台, 同时选择一些重点国家, 向拉美、向非洲、向欧洲辐射, 逐步形成中国在全球的自贸区网络。
目前中国已经达成了4个自由贸易区协定, 包括内地与港澳更紧密经贸关系安排、中国) 东盟自贸区协定、中国) 智利自贸区协定和中国) 巴基斯坦自贸区协定。而现在正在商谈的自贸区有9个, 涉及了27个国家和地区, 涵盖2005年中国对外贸易将近3500亿美元, 占中国外贸总额的四分之一。
然而中国在发展区域经济合作上也面临一些困难, 其中