近年來PcBN的技術進步及國內遇到的瓶頸問題①

呂 智，林 峰，謝志剛，王進保，劉 燕

（1.中國有色桂林礦產地質研究院，桂林，541004；2.國家特種礦物材料工程技術研究中心，桂林，541004；3.廣西超硬材料重點實驗室，桂林，541004）

1 概述

現代制造業的快速發展和對高速切削、硬態加工、高穩定性加工及干式切削等先進切削加工理念研究的不斷深入，以及CNC加工技術的迅猛發展和數控機床的普遍使用，使得可實現高效率、高穩定性、長壽命加工的超硬刀具日益受到重視和關注。憑借著超強的切削效率和長壽命等性能優勢，PcBN超硬刀具已成為現代切削加工中不可缺少的工具［1－2］。據有關機構研究分析［3］：2011年全球超硬材料刀具市場規模達550億元（含PCD刀具），歐洲、北美、日本等國家PcBN刀具起步早，發展相對成熟，呈快速增長態勢，而國內近年來的市場規模增長更為迅速（見圖1）。

圖1 近10多年PcBN刀具的市場規模Fig.1 The market size of PcBN cutting tools in recent 10years

國外企業占據全球復合超硬材料市場份額的96%左右（見圖2），且高度集中，僅元素六、DI、住友、日進、Mega Diamond、東明、Dennis Tools等7家企業就占據全球刀具復合片市場份額的90%（見圖3），而元素六、DI、日進、住友、Mega Diamond等5家知名公司的超硬刀具占據全球刀具市場份額的89%，（見圖4）。全球刀具復合片市場國外壟斷的局面已形成。

圖2 2011年國內外復合超硬材料市場份額Fig.2 The domestic and foreign composite superhard materials market share in 2011

圖3 全球刀具復合片市場份額Fig.3 Global market share of tool composite sheet

圖4 2011年全球超硬刀具市場份額Fig.4 The global superhard cutting tool market share in 2011

圖5 2011年國內各類復合超硬材料比例Fig.5 Domestic various superhard composite material ratio in 2011

2011年國內復合超硬材料市場規模約67億元［3］，其中刀具復合片約占15%，約10.05億元（見圖5）。

近年來我國數控機床等高速、高精加工設備得到了快速增長，并為國內超硬刀具的市場份額的跳躍式增長提供了條件。鄧福銘認為［4］幾年之后中國刀具超硬材料的市場前景可以達到600億，是一個潛力很大的市場。

本文就近年來國內外PcBN的技術現狀、取得的重要進展、國內研究生產遇到的瓶頸問題進行簡述，并對今后的努力方向進行展望。

2 國外技術現狀

國外超硬刀具材料的發展具有以下特點：產品系列化、質量優化、晶粒兩極化、性能均一化，適用于不同加工對象的規格品種不斷增加。在合成技術方面，cBN粒度使用呈兩極化、結合劑使用呈增韌化的趨勢明顯。為了提高PcBN刀具的耐磨性、抗沖擊韌性和可加工性，國外知名公司紛紛推出cBN粒度在2μm甚至0.5μm以下的細粒度產品，日本住友的BN300使用的cBN粒度為0.5μm、Element Six的DBN45使用的cBN粒度為1μm，日本三菱公司MB835使用的cBN粒度小于1μm，俄羅斯微硼公司已對外宣布成功合成出納米級的PcBN復合片［5］，而DI公司的BZN7000S使用的cBN粒度為15μm，該產品中cBN濃度高且粒徑較大，含有陶瓷結合劑，這種組成為該材料提供了非常突出的斷裂韌性、耐磨性和化學穩定性。瑞典Seco公司的Secomax cBN170是世界上第一款使用陶瓷晶須進行強化的新型材質PcBN產品（已獲專利），SecomaxTM cBN500則采用全新且擁有專利的粘結相，顯著改善了cBN顆粒與顆粒間的粘結性，達到了增韌之目的。在PcBN材料片徑方面，目前國外超硬刀具材料的供貨規格一般在Φ50以上，Element Six公司可穩定提供 Φ57的PcBN產品和Φ101.6的cBN純燒結體AMB90，其中心點與邊緣點的耐磨性和熱性能指標偏差控制在30%以內，基本均勻一致［2］；DI公司供應的PcBN復合片的規格為Φ58；日本住友供應的PcBN復合片的規格為Φ64。這種大尺寸的超硬刀具材料對刀具制造商來說成本低、易加工，可根據需求切割成任意的形狀，更適合于大批量使用。

圖6 納米級PcBNFig.6 Nanometer PcBN

產品的系列化是國外超硬刀具材料發展的主要方向之一，他們開發出了適合不同加工方式、不同加工材料、不同加工領域的產品，拓寬了超硬刀具材料的應用領域，提高了市場競爭能力。DI公司推出的BZN6100、BZN8200是原有產品BZN6000、BZN8100的換代產品，而新推出的BZN7000S則是一種純cBN燒結體，由于其具有非常突出的斷裂韌性、耐磨性和化學穩定性，因此特別適合加工鎳鉻冷硬鑄鐵、硬鑄鐵、高鉻合金鋼、珠光體灰鑄鐵以及粉末冶金等。瑞典Seco公司為了滿足鎳基合金零件精加工嚴格的表面粗糙度、公差和切削長度等要求，推出了具有晶須強化的PcBN—Secomax cBN170，該公司還推出了一款專為白口鑄鐵加工而發明的新材質PcBN—SecomaxTM cBN500，它采用全新且擁有專利的粘結相，顯著改善了顆粒與顆粒的粘結性，并使PcBN具備極佳的cBN顆粒分布，其適用于高鉻硬鐵、冷硬鑄鐵、錳鋼、硬鋼等難加工材料的車削和銑削加工。2011年Nano cBN歐洲科學中心在Imtex 2011展會（在印度舉行的東南亞最重要的展會之一）展示了其最新產品 MBR6010、MBR6020、MBR7010，這是一種使用納米技術制備的新一代立方氮化硼（cBN）—納米級立方氮化硼（Nano cBN）合成的納米cBN復合材料（見圖6），其硬度甚至超過了合成金剛石，并保留了其特有的抗沖擊性和耐高溫性，能有效地粗加工硬質材料和超硬質材料，在加工列立特硬質合金，鎢鉻鉆合金及其它硬質材料和磨損材料時表現出明顯的優勢［6］。住友電工推出的為車削加工硬度HRC50以上的模具鋼和軸承鋼而專門設計的立方氮化硼（cBN）新牌號—BN2000，其耐熱性大幅提高，尤其是其耐磨損性與耐崩損性得到前所未有的提高，在精加工淬火鋼時，壽命比該公司以前產品提高30%～100%［7］。類似產品還有美國 Kenametal公司的KD420、日本京瓷公司的 KBN30S等。目前，Element Six公司的PcBN有5個系列，DI公司的BZN系列產品有6個系列，日本住友的PcBN產品有7個系列。

近年來，國外的PcBN刀具制造技術也取得了明顯進步。三菱材料工具推出的“雙刃”cBN長頸半徑立銑刀cBN－2XLRB（見圖7），為了便于排出切屑而優化了刀頭形狀，因此可長時間且穩定地進行加工［8］。德國Becker金剛石刀具公司推出的一種PcBN可轉位刀片，PcBN含量達95%，在車削如燒結金屬、鑄鐵、鈦合金時刀具壽命可提高30%～50%，該刀片還可用于加工特別硬而韌的材料（如Stellite 20）。該公司PcBN刀片的另一個特點是“三明治”式的設計，即在硬質合金基體的兩面都有PcBN的聚晶層，與一般的復合片相比有30%的成本優勢［9］。山特維克可樂滿也推出了新的cBN（立方氮化硼）刀片系列。這些刀片是為了淬硬鋼零件加工時的高質量表面以及高生產率加工而開發的。具有新型Safe－Lok（安全鎖）結構的CB7015刀片，在連續和輕微斷續條件下進行精加工，即使使用高的切削速度，也可以提供可預測的性能。Safe－Lok（安全鎖）多角技術采用機械鎖定cBN刀片并使其遠離高溫切削區域的工藝，因此提供了優于常規刀尖結構的強度和安全性。在切削臺階、退刀槽和其它仿形切削時，較大的cBN切削刃提供了更好的功能，全新的CB7015刀片將加工高硬度材料（58－65HRc）所需要的高性能和可靠性成功地結合在一起［10］。

圖7 cBN－2XLRBFig.7 cBN－2XLRB

3 國內技術現狀及遇到的瓶頸問題

國內PcBN刀具材料的研究雖然起步較早，但由于國產六面頂壓機與國外兩面頂壓機相比存在性能、腔體和控制系統的差異，由此其發展相當緩慢，近年來由于合成設備大型化進程的加快，產品片徑得到一定程度的擴大，有的企業已研制出片徑（毛坯）達Φ50的PcBN，但產品質量并沒有得到明顯的提高，與國外產品還存在較大的差別，國內原有的阻礙PcBN刀具材料合成技術和刀具制備技術進步的瓶頸問題依然存在，并沒有得到根本解決。

首先是原材料質量及質量穩定性無法控制。國產PcBN材料的合成大都使用國產原材料，國內用于合成PcBN的粉料純度與國外粉料相比普遍相差一個數量級。目前，國內生產用的大部分微粉純度都在99%左右，而國外生產用的微粉純度可控制在99.8%以上。國內用于合成PcBN材料的硬質合金基體的質量與國外使用的硬質合金基體的質量也有明顯的差別，圖8中a為國外某產品的硬質合金基體的顯微組織，b為國內產品的改進型硬質合金基體的顯微組織，c為國內一般產品的硬質合金基體的顯微組織。國內使用的葉蠟石及其組件的質量更是無法控制，且其質量穩定性難以檢測，就葉蠟石塊而言，一般的使用廠家只檢測其外觀完整性及尺寸，可能有的企業還檢測其密度，但這對穩定控制PcBN的質量要求來說是遠遠不夠的。

圖8 國內外PcBN合成用硬質合金基體的顯微組織Fig.8 Microstructure of cemented carbide substrate used by the PcBN synthesis

其次是合成腔體擴大后合成壓力及溫度均勻化技術有待改善。我們曾對國內外企業生產的PcBN刀具材料的性能均勻性進行過系統的分析研究，據我們檢測：國外著名PcBN刀具材料供應商提供的直徑50.8以上的產品性能均勻、穩定，其顯微硬度的最大差值可控制在15%之內，而國內生產的PcBN刀具材料直徑大于Φ20以上的產品，其性能均勻性就變得較差，有的產品中心與邊緣的磨耗比差（或硬度）甚至超過30%。

第三是工藝技術精細控制程度有待提高。總的說來，國內PcBN合成工藝控制屬于粗放型控制，PcBN研究、生產企業比較注重合成工藝的精細控制，使用的工藝方法較為成熟，但往往忽略PcBN生產整個流程的其它工序工藝的精細控制，一旦產品出現質量問題，就無法追蹤，難以判斷導致產品質量事故的影響因素，從而最終導致其批量產品的質量穩定性不足。

第四是產品系列化研究工作有待加強。目前國內PcBN刀具材料產品尚未形成系列，我國具有規模的PcBN刀具材料生產廠家很少，僅有幾家可商品化提供PcBN刀具材料的專業廠商，其產品單一，且國內PcBN刀具材料供應商提供的產品基本是按原材料的粒度或結合劑加入量來分類的，供應商對以不同粒度或不同結合劑加入量合成的PcBN刀具材料的性能和其切削加工性能的對應關系知之甚少，無法指導自己的客戶更好地使用產品。而國外PcBN材料基本以加工目的來分類，針對性很強，基本能夠滿足不同材質難加工材料的粗、半精、精加工的要求。

總的來說，近年來國內PcBN復合片的發展不是很順利，但整體式PcBN刀片發展迅速。整體式PcBN刀片可進行斷續加工，且遇到夾砂、白口不崩刃，特別適合粗加工、半精加工，甚至吃刀深度沒有太大限制，理論上可吃滿整個刀片。整體式PcBN刀片不但可以在普通、笨重的機床上進行重載、斷續、低速加工，亦可用在數控車床和加工中心的高速加工。

4 促進國內PcBN技術進步的創新思路

4.1 使用更高等級的原材料

在原料粉末的選用上，合理選用原材料和選用等級更高的粉料合成PcBN是獲得性能優異PcBN刀具材料的必要條件。這包括選用粒度更小（亞微米級甚至納米級）的cBN和粘接劑微粉以及使用純度更高的cBN和粘接劑微粉。在合適的工藝下，粉料的粒度越小，PcBN的韌性越高，這可有效解決國內PcBN硬度有余而韌性不足的問題，目前納米粉料在歐美的PcBN產品上已得到成功使用。cBN和粘接劑微粉的純度越高，合成的PcBN的雜質含量就越低，有利于大幅度提高耐熱性和質量穩定性，這對穩定PcBN產品應有顯著效果。比如住友電工提高cBN燒結體中所含陶瓷結合材料的純度后，就大幅提高了耐熱性，使得其新品BN2000的耐磨損性與耐崩損性得到前所未有的提高，在精加工淬火鋼時，壽命比該公司以前產品提高30%～100%［9］?？梢钥紤]使用一些新的粘接劑來改善PcBN的性能，如：Al2O3、TaC、HfC等，這些微粉或提高PcBN的致密性，或提高PcBN的強度和韌性，或改善PcBN的燒結性能，通過我們的檢測發現，在日本住友、三菱等公司的產品中發現有Hf，Al2O3等成分。選用質量更好的硬質合金可有效改善PcBN產品中cBN層與硬質合金層的互相滲透程度，利于提高PcBN的強度和韌性。PcBN生產廠家無法控制購進的葉蠟石及其組件的質量，但是可以通過加強檢測和分類處理的方式加以控制，也可把其影響降至最低。

4.2 對混合原材料進行預處理

國內PcBN產品質量穩定性差的原因除原料微粉品質差和合成工藝不合理外，混料不均勻也是主要影響因素之一。對混合原材料進行預處理可以實現各種粉料的充分混合，防止結合劑在PcBN中的富集和偏析，PcBN的組織均勻性因此能得到大幅度提高，性能穩定性隨之也得以提高。圖9為國內某公司進行混合原材料預處理前、后產品的顯微組織。

4.3 補償合成腔體中壓力、溫度分布

PcBN片徑擴大后，與小直徑產品的合成相比，生產難度明顯增加，較大的合成腔體空間會導致腔體內壓力差、溫度差的增大以及需要更長的燒結時間，這需要更穩定的腔體組裝設計，確保較長的穩定燒結時間，避免出現“過燒”或“欠燒”的現象。采用腔體徑向溫度補償技術及軸向壓力補償技術，可以有效地增加合成腔體中的發熱量，提高燒結的均勻性。而博士帽導電鋼碗以及復合型粉壓圈的采用，可有效減少合成腔體內熱量的散失。

4.4 精細控制生產工藝

相信PcBN生產企業都已經制定嚴謹的PcBN生產工藝流程和制度，但由于生產人員對生產技術的掌握程度不同，其對生產工藝的控制效果也大相徑庭，我們進行高檔制品研發、生產的經驗告訴我們，真正實現了生產工藝的精細控制，不但可以大幅度提高產品的成品率，更重要的是產品質量的穩定性得到有效改善。

圖9 國內某公司進行混合原材料預處理前后的產品的顯微組織Fig.9 The microstructure of products before and after mixing raw materials processing by domestic company

4.5 加強基礎研究工作，加速PcBN產品系列化進程

國內PcBN產品的系列化工作任重而道遠。國內開展PcBN產品的系列化工作已有多年，但由于國內開展該項工作的研究院所、大專院校不多，而生產企業又沒有這方面的技術實力，因而導致國內PcBN產品的應用基礎研究不夠深入、不夠系統，而且國內研究院所、大專院校的應用基礎研究與生產企業的技術應用對接不盡順暢，致使這些年來國內PcBN產品的系列化工作成效甚微，因此，國內必須加強PcBN產品的系列化基礎研究工作，加速PcBN產品系列化進程，滿足國內對不同材料的加工要求。

5 結束語

21世紀機械加工技術正朝著高精度、高效率、柔性化和自動化方向飛躍發展，新型技術設備和數控機床以及性能極為優良的新材料應用日益廣泛，為具有卓越的抗沖擊性、耐磨性、化學穩定性等特點的超硬材料刀具的應用提供了廣闊的市場空間。

我國是cBN材料生產大國，但在PcBN材料及其刀具的研究開發和應用方面遠遠落后于發達國家。這既是我國PcBN材料面臨的挑戰，更是我國PcBN材料發展的機遇。因此，在PcBN材料及刀具的研究開發上，國內要投入更多資金和技術力量，對制約其發展的技術瓶頸進行攻關，盡快突破我國PcBN材料質量關，首先要占據國內的市場。

受國家政策的影響，預計未來幾年我國汽車產量增速將保持在7%左右（中性預測），加之生產工藝的升級，PcBN刀具對其它生產工具的替代比例會提高。我國的滾動軸承產量，年復合增長率約為8%左右，隨著工業的迅速發展，預計滾動軸承的未來增速約20%左右，這將會帶動PcNB刀具的快速發展［3］。

［1］M.W.Cook，P.K.Bossom.Trends and recentdevelopments in the material manufacture and cutting tool application of polycrystalline diamondand polycrystalline cubic boron nitride［J］.Internationaljournal of refractory metals＆hard materi－als，18（2000）：147－15.

［2］劉瑞平，鄧福銘.國外PcBN刀具材料度應用發展現狀［J］.工業金剛石，2009（1）：11－18.

［3］陳金龍.超硬材料行業研究報告［R］.和君數據庫，2012.04.

［4］磨料磨具商務在線.中國刀具超硬材料場景－－訪中國礦業大學超硬刀具材料研究所所長鄧福銘［N］.2010.

［5］微硼科技有限公司.走進中國［R］.數控機床市場，2009（11）：12－13.

［6］Nano歐洲科學中心中國代表處.國際機床網－MyCIMT.com［EB］.詳文參考：http：／／cn.mycimt.com／2011／1212／44634.html.

［7］住友電氣工業株式會社網站［EB］.新聞發布，2010年4月8日.

［8］國際機床網－MyCIMT.com［EB］.詳文參考：http：／／cn.mycimt.com／2011／1125／44480.html.

［9］國際機床網－MyCIMT.com［EB］.詳文參考：http：／／cn.mycimt.com／2011／1126／44490.html.

［10］山特維克可樂滿（中國）有限公司［EB］.詳文參考：http：／／www.coromant.sandvik.com／cn.