立方氮化硼刀具特点及应用设计

论文题目：立方氮化硼刀具特点及应用设计

姓名严成坤

学院机械工程

专业冶金系

年级2013级

学号S***********

2013年11月25日

目录

立方氮化硼刀具特点及应用设计

摘要：

立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料，它具有优良的物理力学性能，具有硬度高、韧性好、热稳定性高和化学惰性大等特点。因此在切削加工的各个方面表现

出了优异的切削性能,特别适宜于加工各种淬硬钢、冷硬铸铁等难加工材料。本文

介绍CBN刀具材料的切削性能,以及在加工过程中的使用特点和应该注意的问题，

为在机械加工行业推广奠定基础。

关键词：

CBN(立方氮化硼)；PCBN（聚晶立方氮化硼）；刀具；材料；切削性能

Cubic Boron nitride Cutting Tool Characteristics and

Application Design

Abstract: Cubic boron nitride (CBN) is a pure synthetic material, which has such excellent physical and mechanical properties as high hardness, good toughness, high thermal stability and chemical inertness etc. Therefore, in various aspects of cutting it showed excellent performance, and is particularly suitable for processing all kinds of hardened steel, cast iron and other hard materials processing. This paper introduces the cutting performance of CBN tool materials, as well as how to use this tool and the problems that should be paid attention to during the process, for the purpose of laying a foundation to its application in mechanical processing.

Key Words:cubic boron nitride; polycrystalline cubic boron nitride; cutting tool;

material; cutting performance

1 引言

立方氮化硼(Cubic Boron Nitride简称CBN)由于具有高硬度，高耐磨性，低摩擦系数，高热传导率、良好的耐热性和化学稳定性等这些独特的特性组合，使其成为加工各类铁族金属材料的有效工具，并被誉为“过去半个世纪提高工业生产率的最大贡献之一”。CBN的优异性能，特别是在汽车发动机制造行业，CBN 已在工业发达国家得到了较为普遍的应用和迅速的发展。目前美国、欧洲、日本的汽车发动机轴类零件（曲轴、凸轮轴）的精加工几乎普及了CBN砂轮磨削，我国从90年代至今，一直在从事这方面的研究工作，其数控磨床的制造CBN刀

具的制造均取得了一些阶段成果，但是CBN刀具的研磨和刃磨要求技术特别高，所以本课题拟开发出一台刃磨和研磨CBN刀具的装置，对提高CBN刀具的应用有一定促进作用。

2 CBN刀具概述

立方氮化硼（cubic boron nitride）：立方结构的氮化硼,分子式为BN,其晶体结构类似金刚石,硬度略低于金刚石，为HV72000～98000兆帕,常用作磨料和刀具材料。1957年,美国的R.H.温托夫首先研制成立方氮化硼。但至今尚未发现天然的立方氮化硼。

CBN是超硬材料之一，它是氮化硼的化合物，是在越50Kbr的高压及1700℃的高温下形成的，它的硬度仅次于金刚石。

2.1 CBN性能特点

1 CBN硬度大

CBN是现阶段最硬的材料之一，其微观硬度大约为(8000～9000HV)，仅次于金刚石(9000～10000HV)的硬度，CBN的晶体结构与金刚石相似，也属面心立方晶系，不仅晶格常数（a=3.615A）相近（金刚石a=3.567A），且晶体中化学键的类型也相同。原子都由共价键连接。CBN的共价键是饱和的，键的方向性和结合力都很强，具有接近金刚石的硬度和抗压强度。CBN微粉的显微硬度为HV8000—9000。在加工淬硬钢及灰铸铁时，CBN刀具的耐磨性比硬度合金、陶瓷和金刚石刀具都高得多。有一定的韧性，它不仅可用于加工强硬的铸铁，还可加工强度大、硬度高及热敏性高的钢件或其它合金材料。表1列出了一些坚硬物质的硬度值，以供比较。

表1 一些坚硬物质的硬度及熔点

材料名称显微硬度HV 熔点/℃

金刚石（C）10000 3750

CBN 8000～9000 >3300

Si3N45000 1900

Al2O32500～3000 2050

TiC 3200 3140

WC 2400 2870

2 CBN热稳定性好

CBN的耐热性可达1400～1500℃，在高温1200℃下仍可保持硬度不变，比

金刚石的耐热性(700～800℃) 几乎高出一倍，CBN在1370℃以上才由立方晶格而开始转化。CBN在不同温度下的硬度比A1203+TiC陶瓷及硬质合金都高。CBN 具有抵抗周期性高温作用的能力，由于CBN的这一特性，用来高速加工高温合金(如高镍或高钴基耐热合金)时，CBN刀具的切削速度可以为硬质合金的4～6倍。

CBN和金刚石不一样，CBN是化学惰性特别大的物质，在中性的，还原性的气体中，对酸碱都是稳定的。与碳只是在2000℃时才起反应，它与铁系元素亲和力小，直到1200～1300℃时也不易与铁系元素起化学反应。金刚石的热稳定性欠佳，在700～800℃就开始碳化，形成C02而完全失去硬度。且易于与铁系元素起反应，因此金刚石刀具不适宜于加工钢铁材料。CBN没有金刚石的这个缺点，故能加工许多以前不能加工的硬质材料。

研究表明，CBN与各种材料的粘接和扩散作用比硬质合金小得多。CBN有很高的抗氧化能力，在1000℃时也不会产生氧化现象，但是CBN在高温下与水要起化学反应（CBN+3H2O→H3BO3+NH3）。由于水解作用，造成大量CBN被磨损。因此在湿式切削时，要注意选择切削液。在高温下切削时，一般采用干切削。

与碳元素的亲和力小，所以十分适宜于加工黑色金属，而能保持较高的耐用度，聚晶立方氮化硼（PCBN）可用于切削加工，多用于难加工材料的切削加工，但CBN最为广泛应用于切削加工。

3 CBN具有良好的导热性

CBN的导热性虽赶不上金刚石，但都大大高于高速钢、陶瓷和硬质合金。CBN刀具的导热系数随温度的提高而增加，而氧化铝陶瓷刀具的导热系数随温度的提高而减少，在高温下，二者的导热系数相差极大。单从这点看，CBN刀具高速切削性能应优于氧化铝陶瓷刀具。

4 CBN刀具具有较低的摩擦系数

CBN刀具与淬火钢的摩擦系数约为0.2—0.3，由于摩擦系数较小，可相应减少切削力和降低切削温度。

5 CBN线(膨)胀系数较小

由表2可见，CBN的线(膨)胀系数较小，可以保证足够的加工精度。

表2 几种材料的线（膨）胀系数

材料金刚石CBN WC TiC

线（膨）胀系数 3.1×10-6 4.7×10-6 5.1×10-67.6×10-6

由于CBN上述优良特性，使它能成为一种优异的刀具材料，但十全十美的刀具材料是没有的，每一种刀具材料都有其合理的应用范围和使用条件。CBN 刀具也是这样，由于它价格昂贵，其合理使用显得尤为重要。

2.2 CBN结构原理