李啟泉， 孫長紅， 劉書鋒

(1.中原工學院 材料與化工學院， 河南 鄭州 451191； 2.鄭州職業(yè)技術學院 材料工程系， 河南 鄭州 450010；3.鄭州博特硬質材料有限公司， 河南 鄭州 450001； 4.信陽市德福鵬新材料有限公司， 河南 信陽 464000；5.信陽市德隆超硬材料有限公司， 河南 信陽 464000； 6.河南省金剛石工具技術國際聯(lián)合實驗室， 河南 鄭州 451191；7.河南省金剛石碳素復合材料工程技術研究中心， 河南 鄭州 451191)

氮化硼(BN)從化學結構上看，是由硼和氮兩種化學元素化合而成的，氮化硼是一種綜合性能非常優(yōu)越的無機非金屬化合物，具有高導熱、自潤滑、高硬度、不導電等特性。六方氮化硼(hBN)主要用作導熱助劑、潤滑劑，添加到聚合物復合材料或化妝品中，也用作電子澆注口模材料、功能陶瓷器件、立方氮化硼(cBN)的前驅體、過濾或高導熱纖維等。不同形態(tài)和結構的氮化硼可以制備各種各樣的復合材料，從而進一步擴展了氮化硼的應用空間。近年來，中原工學院張旺璽課題組[1]對氮化硼及其復合材料進行了深入的研究，王艷芝等[2]曾對氮化硼系列材料進行了系統(tǒng)的闡述。本文闡述聚晶氮化硼復合材料及其用作刀具的研究發(fā)展概況，主要介紹氮化硼的多樣性、聚晶氮化硼復合材料的制備、聚晶氮化硼刀具的發(fā)展歷程和應用情況。

1 氮化硼的多樣性

1.1 hBN微晶

從硼和氮組成的氮化硼晶體結構來看，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溫燒結和高溫燒結兩種方法。低溫燒結一般以窯爐式設備生產居多，國內長期以來大多采用低溫燒結法制備hBN微晶。這種合成方法會產生大量的副產物，需要用酸中和，用純凈水洗凈。隨著環(huán)保要求越來越嚴格，采用該工藝的企業(yè)生產大多難以為繼。近年來，高溫燒結法發(fā)展很快，國內多仿照德國專利技術，采用中頻感應爐進行燒結合成hBN微晶。hBN微晶一般應用于燒結制備氮化硼陶瓷制品或功能器件。與氧化鋁、碳化硅相比，氮化硼越經高溫處理其純度越高、活性越低，高溫燒結更困難。為了提高氮化硼的燒結特性，常常加入燒結助劑，但是加入助劑燒結得到的陶瓷器件性能和功能會受到嚴重影響，所以需要進一步研究高純度hBN陶瓷微晶的制備技術、形態(tài)調控方法、燒結特性改進工藝。為了獲得高活性的hBN陶瓷微晶，田亮等[3]以硼砂和三聚氰胺為原料，采用NaCl/KCl作為熔鹽介質，在900～1 200 ℃利用熔鹽熱處理進行氮化制備，得到了片狀顆粒hBN，粒徑為50～200 nm。hBN陶瓷的成型加工、高溫燒結及制品性能與hBN微晶的晶粒形態(tài)、粒徑大小、粒徑分布、雜質含量、密度等密切相關。

1.2 hBN納米片

hBN的結構類似于石墨烯的片層結構，hBN也可以經機械剝離或化學處理制備得到類似于石墨烯的片層hBN，該片層hBN因此又被稱為“白色石墨烯”。張旺璽等[4]曾對hBN納米片的制備方法、性能和應用進行綜述，并指出了研發(fā)hBN納米片的發(fā)展方向。hBN納米片的基礎理論和應用研究會較快地發(fā)展，其應用領域會進一步開拓。

1.3 cBN超硬材料

hBN經高溫高壓處理可以轉變成cBN，hBN向cBN晶型轉變的過程一般要有金屬Li或Mg或這兩種金屬的氮化物做觸媒，工業(yè)生產中合成壓力為5 GPa，溫度在1 500 ℃左右，保溫時間為10～15 min[5]。美國在1957年首次合成cBN，我國于1966年成功實現(xiàn)了cBN的合成。目前，我國是cBN生產大國，2017年和2018年產量分別達到6.3和5.4億克拉。cBN是產能僅次于金剛石的超硬材料，其硬度略低于金剛石，莫氏硬度為9.8～10，顯微硬度為71 540～98 000 MPa。cBN主要應用于砂輪、刀具等超硬材料工具，在功能性方面的開發(fā)應用還未實現(xiàn)產業(yè)化。

1.4 聚晶立方氮化硼

聚晶立方氮化硼(PcBN)是以適當粒度cBN微晶或微粉破碎料為主要原料，添加或不添加黏結劑，再經高溫高壓燒結制備得到。PcBN的特性與所采用cBN的粒度及粒度分布、含量高低、黏結劑的種類及用量、燒結工藝條件等有關。這種PcBN是cBN的聚集體，主要應用于機械加工刀具領域。在遇到金剛石刀具不能加工的材料時，往往就需要采用PcBN刀具，因為有些材料采用金剛石工具加工時，會發(fā)生化學反應，如金剛石刀具加工鐵系材料，金剛石表面碳元素易與切削、切割表面發(fā)生粘附，導致刀具不鋒利，引起加工區(qū)域溫度升高，如果溫度升高，加之空氣中有氧，金剛石就容易發(fā)生表面炭化，宏觀表現(xiàn)為金剛石石墨化。而PcBN刀具加工鐵系材料則不存在這樣的情況。

2 聚晶氮化硼復合材料的制備

2.1 高壓燒結

采用傳統(tǒng)的高壓高溫法制備的PcBN屬于這一類。很顯然，雖然高壓高溫法成功制備了PcBN，并成功用于刀具的生產，但是這種方法存在一定的缺點，主要表現(xiàn)為生產工藝復雜、制備要求的高壓條件苛刻，高壓腔體的狹小限制了這一類聚晶氮化硼復合材料的制備尺寸，生產成本高，難以實現(xiàn)自動化合成。

2.2 低壓燒結

一般的陶瓷燒結并不需要特別高的壓力，而聚晶氮化硼同樣屬于陶瓷材料。工業(yè)上已經有陶瓷刀具成功應用的實例，因此可以設想采用低壓燒結制備聚晶氮化硼復合材料，聚晶氮化硼也可以用作加工刀具材料，這是一個未獲得充分研究的發(fā)展方向。梁寶巖等[6，7]以cBN，Ti3AlC2和Ti3SiC2粉為原料，分別采用放電等離子體燒結[6]和微波燒結[7]技術制備了cBN/Ti3AlC2，cBN/Ti3SiC2復合材料，并研究了cBN粒度和含量對復合材料結構和性能的影響。材料的微觀結構決定材料的性能，材料的結構不僅受組成化學成分的控制，同時也受材料加工制備過程和工藝條件的影響。因此，如何制備得到理想的致密度高、硬度高、鋒利度高的聚晶氮化硼復合材料，還需要深入研究。

3 聚晶氮化硼刀具的應用

3.1 聚晶氮化硼刀具的發(fā)展歷程

以鄭州博特硬質材料有限公司的PcBN刀具發(fā)展情況為例，可以略窺隨著現(xiàn)代智能制造和數(shù)控機床的發(fā)展，PcBN刀具恰逢其時地誕生和快速發(fā)展狀況。以下是鄭州博特硬質材料有限公司的大致發(fā)展歷程。

2002年，鄭州博特硬質材料有限公司在鄭州高新區(qū)注冊成立。

2003年，整體燒結聚晶立方氮化硼[8]刀片問世；整體燒結PcBN刀片取代陶瓷刀片應用在工業(yè)泵行業(yè)；整體燒結PcBN刀片取代涂層刀片應用于高速精加工制動盤。

2004年，整體燒結PcBN刀片取代涂層刀片高效加工軋輥；在大齒輪硬齒面(HRC62)的斷續(xù)加工上，PcBN整體燒結刀片以車代磨，大大提高了加工效率。

2005年，整體燒結PcBN刀片用于精加工淬火后的軸承；PcBN復合焊接刀片成功應用于滾珠絲杠精加工，并廣泛推廣。

2006年，PcBN整體燒結刀片以車代磨，成功應用于風電設備和工程機械用回轉支承軸承的滾道精加工。

2008年，整體燒結PcBN刀片高速(粗精一體化)加工制動盤，極大地提高了加工效率。

2009年，整體燒結PcBN刀片高速銑削鑄鐵柴油發(fā)動機，效率提高5倍；整體復合PcBN刀片研制成功；取代磨削，整體雙面復合PcBN刀片在齒輪精加工、齒輪軸硬車切槽方面試驗成功。

2010年，取代涂層刀片，整體燒結PcBN刀片高速面銑汽車變速箱箱體；整體燒結PcBN刀片高速精加工滾珠絲杠。

2012年，PcBN整體雙面復合刀片以車代磨，硬車汽車傳動軸，大幅提高效率，并獲得極好的表面光潔度；公司成功研發(fā)新型cBN單晶磨料并投入生產；PcBN刀片專用陶瓷結合劑金剛石砂輪研制成功并批量生產。

2013年，整體燒結PcBN刀片在空氣壓縮機行業(yè)試驗成功并推廣；整體復合PcBN刀片成功應用在傳動軸行業(yè)。

2014年，公司推出整體焊接PcBN刀片。

2015年，成功開拓國外市場。

2016年，采用整體立方氮化硼刀片，成功開拓發(fā)動機銑削市場，大幅提高加工效率。

2017年，河南省發(fā)改委批復成立了“河南省超硬復合材料合成技術及高端刀具工程研究中心”。

2018年，鄭州博特硬質材料有限公司入選鄭州市“專精特新”中小企業(yè)。

鄭州博特硬質材料有限公司是高新技術企業(yè)，主要從事超硬刀具、超硬磨具和立方氮化硼磨料的研發(fā)、生產、銷售和服務。公司是國內PcBN專業(yè)化生產歷史最長、綜合實力最強的超硬刀具制造商，是國內“高速重切削”的開創(chuàng)者。公司的生產經營理念是：

為刀具制造商提供材料(刀坯)；

為刀具經銷商提供產品(刀片)；

為吾產品用戶提供服務(方案)。

3.2 應用實例

以鄭州博特硬質材料有限公司為例，目前國內超硬材料公司能向市場提供毛坯、半成品和成品，年產量已達240萬片。PcBN刀片刀具結構形式主要分為4種，即PcBN整體燒結刀片、PcBN復合焊接刀片、PcBN整體焊接刀片、PcBN整體復合刀片，見表1，不同結構刀片具有不同的參數(shù)見表2。

表1 PcBN刀片材料結構形式及切削應用

注：L為刀片有效切削長度

加工實例一：渣漿泵的高效加工，對比加工情況見表3。采用干切方式整體PcBN車削渣漿泵葉輪和護套粗、精車，工件名稱及材質為高含鉻鉬的耐磨鑄鐵。PcBN的耐磨性是陶瓷刀片的5～10倍?？紤]到刀片崩刃因素，實際加工葉輪時，PcBN使用壽命是陶瓷刀片的100倍左右。

表2 PcBN材料牌號及應用舉例

注：BT為整體復合和復合焊接式；BTS為整體燒結和整體焊接式

表3 陶瓷刀具和PcBN刀具加工渣漿泵的參數(shù)

惡劣的切削條件：渣漿泵葉輪和護套毛坯硬度HRC48～65，表面有夾渣、沙眼和氣孔。

傳統(tǒng)加工工藝：毛坯→退火→硬質合金(抗彎強度高)刀具粗加工，去掉表層夾渣、沙眼和氣孔→淬火→陶瓷刀具精加工。加工工藝煩瑣，生產周期長，加工成本高，切削效率低。

使用整體PcBN刀片后的工藝：渣漿泵葉輪和護套毛坯→硬化處理，一次裝夾→PcBN刀具直接粗、精加工成型一次完成。

整體PcBN刀具加工渣漿泵葉輪和護套，不僅是加工領域的一次變革，也是鑄段件制造加工工藝的一次變革，其鋒利度增加許多。

加工實例二：高速切削冷硬鑄鐵軋輥與合金軋輥，對比加工情況見表4。整體PcBN硬車軋輥干切，工件名稱及材質：軋輥(冷硬、合金鑄鐵)。加工工序：粗、精車(粗車時，陶瓷刀片無法使用，而PcBN刀具可高速切削，大幅提高生產效率)。刀具壽命：PcBN刀片的壽命是陶瓷刀片的5～10倍，效率提高4倍以上。

表4 陶瓷刀具和PcBN刀具硬車軋輥的對比參數(shù)

加工實例三：制動盤粗精一體化方案，對比加工情況見表5。整體PcBN車削制動盤、轂，加工工序：粗、精車。工件名稱及材質：制動盤、轂(合金鑄鐵)。刀具壽命：PcBN刀具的壽命是涂層刀片的10倍以上，效率提高2～5倍。

表5 不同刀具車削制動盤和轂的對比參數(shù)

圖1所示是整體PcBN車削制動盤的工序圖。粗精一體化方案的優(yōu)勢增強：

a.刀具結構設計合理；

b.更長更穩(wěn)定的刀具壽命；

c.更高的刀片硬度，帶來更強的耐磨性，適合粗精加工；

d.大切深、更高切削速度，帶來更高效的加工；

e.制動盤尺寸波動更小。

(a) 工序一 (b) 工序二 圖1 整體PcBN車削制動盤的工序圖

3.3 產品質量和生產設備保證

3.3.1 穩(wěn)定可靠的cBN原料供應

信陽市德隆超硬材料有限公司經過多年技術攻關，研發(fā)了PcBN刀具專用cBN單晶。DL-6800產品如圖2所示。cBN為深棕色單晶，形狀不規(guī)則，自銳性好、熱穩(wěn)定性較好。該公司是專業(yè)的cBN微粉制造和加工企業(yè)，對微粉粒度分布、雜質含量、晶型、性能等提出嚴格要求，每批原材料都要進行指標檢測。

3.3.2 多年實踐總結的PcBN材料制備和控制技術

a.通過特殊的預處理工藝[9]，提高粉末表面活性，使得材料更容易燒結致密，結合強度更高；

b.無塵化操作過程，保證粉末純凈度；

c.國內首家研制PcBN整體燒結材料，對PcBN材料配方設計有獨到見解；

d.多年PcBN材料超高壓燒結經驗，固化了合成工藝和流程控制，系統(tǒng)掌握了環(huán)境因素對材料燒結的影響，可有針對性地調整工藝，穩(wěn)定材料性能。

圖3為PcBN材料的掃描電鏡圖像。

圖2 cBN的光學顯微鏡圖像

(a) (b)圖3 PcBN材料的掃描電鏡圖像

3.3.3 PcBN刀片的粗、精磨更高效，更穩(wěn)定

a.根據(jù)多年PcBN刀具磨削經驗，制定了合理的磨削工藝流程和控制指標，為精磨提供保障；

b.磨削砂輪選配合理，通過不同粒度、不同結合劑砂輪，使磨削效率和表面質量統(tǒng)一；

c.全自動數(shù)控周邊磨床，結合多年實踐總結的磨削工藝，保障了刀片尺寸和刃口質量的一致性和穩(wěn)定性。

3.3.4 瑞士進口全自動數(shù)控刀片周邊磨床

a.定位精度：<0.003；

b.重復的定位精度：<0.002；

c.操作員工經過嚴格選擇，員工穩(wěn)定，都有5年以上操作經驗。

PcBN生產所用的磨床見圖4。

圖4 PcBN生產所用的磨床(車間局部圖)

4 結語與展望

(1) PcBN質量的好壞和性能的高低，學術上常用聚晶氮化硼復合材料的磨耗比來進行判斷。研究發(fā)現(xiàn)，這一判斷方法在刀具加工應用時存在著問題。實際上，PcBN材料的磨耗比高，不意味著該復合材料更耐磨，也并不能保證刀具切削加工的高壽命。金剛石聚晶復合材料比PcBN聚晶的磨耗比高幾倍甚至十幾倍，提高被測復合材料磨耗比是很容易的事情，但提高PcBN的綜合加工性能是非常復雜的，在優(yōu)化PcBN復合材料的配方設計和改進制造工藝時，一定要針對特定的被加工對象而定制。

(2) 聚晶氮化硼復合材料的合成有高壓燒結和低壓燒結兩種方法。高壓燒結已經應用于PcBN刀具生產，而低壓燒結在制備大塊體尺寸的聚晶氮化硼復合材料時更有優(yōu)勢，應加快低壓燒結技術的研發(fā)。采用低壓燒結技術制備PcBN復合材料，研究該材料用作刀具的適宜的被加工對象，有針對性地開發(fā)能替代硬質合金、工具鋼或其他陶瓷的刀具。

(3) 目前針對PcBN制定了行業(yè)標準，主要涉及刀片規(guī)格和尺寸。實際上PcBN刀片的切削或銑削加工應用工況是很復雜的，不僅涉及PcBN刀具的材料和刀片尺寸，還受裝夾工況、環(huán)境因素、被加工材料和操作者經驗等的影響，需要因事施刀，提供匹配專用的有技術含量和豐富加工經驗的用刀整體方案。

(4) PcBN刀具的競爭越來越激烈，甚至出現(xiàn)了無序競爭，產品利潤空間不斷壓縮。行業(yè)應鼓勵有序競爭，保護知識產權，不應讓仿冒產品招搖過市。對企業(yè)來說，核心的任務還是要加大技術創(chuàng)新力度，在聚晶氮化硼復合材料質量保證、刀具精準設計、產品智能制造、企業(yè)管理和營銷信息系統(tǒng)化等方面加強產學研合作，開展相關基礎理論和應用研究，積極培養(yǎng)專業(yè)技術人才，提高企業(yè)的核心競爭力。