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官方微信摘要 1.緒言1954年通用電器公司研發部門成功地合成了人造金剛石，此后于1957年又成功地合成了CBN。合成金剛石及CBN已成了不可或缺的研磨材料。現在由于超高壓合成技術的進步，這些產...
1. 緒言
1954年通用電器公司研發部門成功地合成了人造金剛石，此后于1957年又成功地合成了CBN。合成金剛石及CBN已成了不可或缺的研磨材料。現在由于超高壓合成技術的進步，這些產品已在全世界大量生產。這種金剛石和cBN粉末通過在更大的超高壓下燒結成所需的形狀，生產出了全新的工具材料。時下這些被稱之為PCD(金剛石聚晶)或PCBN(立方氮化硼聚晶)的超高壓燒結工具材料用于切削工具、掘進工具和耐磨工具，不光是在機械加工方面，在其它方面也占有重要地位。
2. CBN燒結體工具材料的開發
2.1 CBN燒結體的種類
CBN的基本特性與用作其它的工具材料的物質的比較示于表1。CBN的硬度和強度雖不如金剛石，但在高溫下卻更穩定，但高溫下與鐵系材料的反應也小。 表1 一些硬材料的特征 材 料 比 重 楊氏模量 維氏硬度 熱量系數 熱膨漲系數
金剛石 3.52 99 79000 5.0 3.1
CBN 3.48 71 4500 3.1 4.7
WC 15.8 70 1700-2400 0.29 5.1
TiC 4.92 46 3200 0.08 0.09
Al2O3 3.98 42 3000 0.015-0.10 8.5
因而，對于鋼和鑄鐵的磨削加工來說，相對于過去的磨料，高性能、經久耐用的cBN磨料具有更廣泛的用途。
上世紀70年代，在超高壓下對CBN進行燒結，研制出比硬質合金和陶瓷工具等性能更優的切削工具材料。通用電器用少量Co-Al合金作結合劑，進行了燒結體的研制開發。
在獲取CBN聚晶體的試驗中，若僅用CBN粉末為起始原料，在通常用于金剛石合成的5～6GPa個大氣壓的壓力下無法進行燒結。因而，可用以下方法進行必要的降壓處理：用六面體BN原料的情況下，在由六面體BN向立方BN進行相轉移的同時進行燒結，及在沖擊加壓法合成的由微細的一次粒子組成的WBN(鉛鋅礦型BN)作原料時，在WBN向立方BN轉移的同時進行燒結。用這些方法得到的燒結體硬度極高，但作為工具材料，還缺乏必要的韌性。這可能是向CBN的相轉移不徹底或粒間的不純物的影響所致。
另一方面，通用電器公司開發的CBN燒結體是以CBN粉末為原料，在超高壓下，將WC-Co硬質合金和Al與CBN放置在一起，從而使CBN粉末在浸于 Co-Al熔體的情況下燒結而成,CBN的含量約占容積的約85%。另外，Co-Al起到了六面體BN→立方BN的合成觸媒的功能。燒結體中的Co-W- B-C系的化合物(與WC-Co硬質合金相類似)。該燒結體作為鑄鐵和耐熱合金的切削工具，現在仍在廣泛使用。但對淬火鋼等鋼的切削來說，其耐磨損性能尚未達到實用化的程度。
2.2 CBN-TiN(TiC)-Al系燒結體的開發
CBN在鋼和鑄鐵的高性能磨削方面，也取得成功。但是，在用于切削加工時，在與被切削材料的反應和在高溫下的穩定性方面仍存在問題，這是因為切削與磨削不同，切削刃將持續地暴露于高溫之下。因而，住友公司以TiC、TiN等耐熱性化合物為結合劑，進行了CBN燒結體的研發。
現以CBN-TiN燒結體為例，將這類材料的基本情況敘述如下。在制法上，將CBN粉末(平均粒徑3μ以下)粉末按一定比例(CBN含量在燒結體中占 30～80體積%)混合，脫氣處理后，用超高壓裝置在壓力約5GPa、溫度約1400℃下進行燒結。將得到的燒結體焊接在硬質合金的基底上進行切削試驗。
燒結體的硬度隨cBN含量的增高而增大。但切削淬火鋼時的工具壽命與CBN含量并不呈直線關系，而是在CBN含量在60體積%時壽命最長，而在80體積%時卻大為下降。切削硬質合金時的磨損曲線如圖所示。在切削這種含極高硬度成分的材料時，CBN含量高的燒結體磨損小。
夏本等曾對用CBN含量不同的CBN-TiN系燒結體切削淬火鋼時的磨損特性發表了研究成果。據此研究，在切削HRC60的淬火鋼時，CBN含量為60體積%的工具壽命最長。被切削材料硬度在HRC35以上的淬火鋼時，被切削材料硬度越高，工具壽命越長。
2.3 CBN燒結體工具的應用
由于CBN-TiN(TiC)系燒結體的開發成功，使得過去要依賴磨削加工的淬火鋼的切削加工成為可行。現在CBN燒結體工具最大的用途是汽車零部件等的淬火鋼的切削。
近年來，cBN燒結體工具在鑄鐵高速切削方面的應用也引起了人們的關注。可以高速旋轉的機械加工中心的開發成功，現已經可以將加工速度提高到 1000m/min以上。在這種高速旋轉條件下，工具的切削刃溫度達到1000℃左右。像硬質合金這種具金屬結合劑的工具因耐熱性不足，壽命極短。因而需要用到耐熱性優良的陶瓷或CBN工具。CBN工具的切削速度在1500m/min時工具壽命達到峰值。關于切削速度對工具壽命的影響問題，需考慮幾個關鍵因素，新谷等就cBN工具切削刃的粘附物與工具壽命的關系作了分析。據研究，被切削材料鑄鐵中所含的Al以氧化物形式粘附于CBN工具的切削刃，對工具的磨損產生影響。
CBN燒結體工具作為淬火鋼、鑄鐵、耐熱合金及其它難切削材料的切削工具，市場范圍正在逐漸擴大。另外，出于環保目的，也要求進行干式機械加工，或由磨削加工轉變為切削加工。在此背景下，CBN燒結體工具越來越受關注。
1954年通用電器公司研發部門成功地合成了人造金剛石，此后于1957年又成功地合成了CBN。合成金剛石及CBN已成了不可或缺的研磨材料。現在由于超高壓合成技術的進步，這些產品已在全世界大量生產。這種金剛石和cBN粉末通過在更大的超高壓下燒結成所需的形狀，生產出了全新的工具材料。時下這些被稱之為PCD(金剛石聚晶)或PCBN(立方氮化硼聚晶)的超高壓燒結工具材料用于切削工具、掘進工具和耐磨工具，不光是在機械加工方面，在其它方面也占有重要地位。
2. CBN燒結體工具材料的開發
2.1 CBN燒結體的種類
CBN的基本特性與用作其它的工具材料的物質的比較示于表1。CBN的硬度和強度雖不如金剛石，但在高溫下卻更穩定，但高溫下與鐵系材料的反應也小。 表1 一些硬材料的特征 材 料 比 重 楊氏模量 維氏硬度 熱量系數 熱膨漲系數
金剛石 3.52 99 79000 5.0 3.1
CBN 3.48 71 4500 3.1 4.7
WC 15.8 70 1700-2400 0.29 5.1
TiC 4.92 46 3200 0.08 0.09
Al2O3 3.98 42 3000 0.015-0.10 8.5
因而，對于鋼和鑄鐵的磨削加工來說，相對于過去的磨料，高性能、經久耐用的cBN磨料具有更廣泛的用途。
上世紀70年代，在超高壓下對CBN進行燒結，研制出比硬質合金和陶瓷工具等性能更優的切削工具材料。通用電器用少量Co-Al合金作結合劑，進行了燒結體的研制開發。
在獲取CBN聚晶體的試驗中，若僅用CBN粉末為起始原料，在通常用于金剛石合成的5～6GPa個大氣壓的壓力下無法進行燒結。因而，可用以下方法進行必要的降壓處理：用六面體BN原料的情況下，在由六面體BN向立方BN進行相轉移的同時進行燒結，及在沖擊加壓法合成的由微細的一次粒子組成的WBN(鉛鋅礦型BN)作原料時，在WBN向立方BN轉移的同時進行燒結。用這些方法得到的燒結體硬度極高，但作為工具材料，還缺乏必要的韌性。這可能是向CBN的相轉移不徹底或粒間的不純物的影響所致。
另一方面，通用電器公司開發的CBN燒結體是以CBN粉末為原料，在超高壓下，將WC-Co硬質合金和Al與CBN放置在一起，從而使CBN粉末在浸于 Co-Al熔體的情況下燒結而成,CBN的含量約占容積的約85%。另外，Co-Al起到了六面體BN→立方BN的合成觸媒的功能。燒結體中的Co-W- B-C系的化合物(與WC-Co硬質合金相類似)。該燒結體作為鑄鐵和耐熱合金的切削工具，現在仍在廣泛使用。但對淬火鋼等鋼的切削來說，其耐磨損性能尚未達到實用化的程度。
2.2 CBN-TiN(TiC)-Al系燒結體的開發
CBN在鋼和鑄鐵的高性能磨削方面，也取得成功。但是，在用于切削加工時，在與被切削材料的反應和在高溫下的穩定性方面仍存在問題，這是因為切削與磨削不同，切削刃將持續地暴露于高溫之下。因而，住友公司以TiC、TiN等耐熱性化合物為結合劑，進行了CBN燒結體的研發。
現以CBN-TiN燒結體為例，將這類材料的基本情況敘述如下。在制法上，將CBN粉末(平均粒徑3μ以下)粉末按一定比例(CBN含量在燒結體中占 30～80體積%)混合，脫氣處理后，用超高壓裝置在壓力約5GPa、溫度約1400℃下進行燒結。將得到的燒結體焊接在硬質合金的基底上進行切削試驗。
燒結體的硬度隨cBN含量的增高而增大。但切削淬火鋼時的工具壽命與CBN含量并不呈直線關系，而是在CBN含量在60體積%時壽命最長，而在80體積%時卻大為下降。切削硬質合金時的磨損曲線如圖所示。在切削這種含極高硬度成分的材料時，CBN含量高的燒結體磨損小。
夏本等曾對用CBN含量不同的CBN-TiN系燒結體切削淬火鋼時的磨損特性發表了研究成果。據此研究，在切削HRC60的淬火鋼時，CBN含量為60體積%的工具壽命最長。被切削材料硬度在HRC35以上的淬火鋼時，被切削材料硬度越高，工具壽命越長。
2.3 CBN燒結體工具的應用
由于CBN-TiN(TiC)系燒結體的開發成功，使得過去要依賴磨削加工的淬火鋼的切削加工成為可行。現在CBN燒結體工具最大的用途是汽車零部件等的淬火鋼的切削。
近年來，cBN燒結體工具在鑄鐵高速切削方面的應用也引起了人們的關注。可以高速旋轉的機械加工中心的開發成功，現已經可以將加工速度提高到 1000m/min以上。在這種高速旋轉條件下，工具的切削刃溫度達到1000℃左右。像硬質合金這種具金屬結合劑的工具因耐熱性不足，壽命極短。因而需要用到耐熱性優良的陶瓷或CBN工具。CBN工具的切削速度在1500m/min時工具壽命達到峰值。關于切削速度對工具壽命的影響問題，需考慮幾個關鍵因素，新谷等就cBN工具切削刃的粘附物與工具壽命的關系作了分析。據研究，被切削材料鑄鐵中所含的Al以氧化物形式粘附于CBN工具的切削刃，對工具的磨損產生影響。
CBN燒結體工具作為淬火鋼、鑄鐵、耐熱合金及其它難切削材料的切削工具，市場范圍正在逐漸擴大。另外，出于環保目的，也要求進行干式機械加工，或由磨削加工轉變為切削加工。在此背景下，CBN燒結體工具越來越受關注。
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