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聚晶立方氮化硼（PCBN）的发展与应用

1、前言

聚晶立方氮化硼（PCBN）是以硬质合金为基底，上面铺放一层立方氮化硼（CBN）单晶细粉

（0.5～1.6mm厚）加粘结剂经高温（1400～2600℃）、高压（7～9Gpa）下压制而成的聚晶

刀具材料。

聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具主要用论语必背100句 于数控机床、多用途机床、自动线、专用高速机床、

柔性生产单元或柔性生产系统对淬火钢、模具钢、硬度为HRC45~68的冷硬铸铁、淬硬锻造

钢件；硬度值为HRC45~65的镍镉冷硬耐磨铸铁件；渗碳氮化或渗碳火焰淬火的淬硬件；硬

度值接近HRC60的淬硬冷拔钢件；白口铸铁或压铸件；合金钢、工具钢、热喷涂、焊材料进

行精加工和半精加工，同时能高速切削HRC35以上钴基和镍基高温合金、热喷涂材料、硬质

合金、陶瓷及其他难加工材料，可进行高速车削、铣削、镗削、钻（铰）削等，使用车、铣

代替磨削的最主要的刀具。

PCBN刀具的硬度仅次于金刚石，大大高于陶瓷刀具和硬质合金刀具，因而可加工HRC60

以上的淬火钢、灰口铁、白口铁以及硬度高达HRC70以上的YG5、YG20、YG25硬质合金，其

寿命为陶瓷刀具的3－5倍、硬质合金刀具的5－15倍。高耐磨性和长寿命大大提高了工件

的加工精度，减少了换刀和磨刀的次数，提高了工效。

目前国内CBN磨料的制备技术已趋于成熟。解决PCBN刀具的关键技术成为“超硬材料行业”

的当务之急。

第一、解决汽车制造业、轴承行业、大型铸、锻件高精加工的关键工具，具有高精度、高

效率、高耐用度、综合成本低的关键刀具材料。

第二、国防工业加工高耐磨合金、喷涂材料必不可少的工具。

第三、具有广泛的市场前景，在机械加工业，可加工各种黑色金属，特别是PCBN可成为

替代硬质合金刀具的新型材料，是硬质合金刀具材料加工综合效益的8－10倍。

第四、可形成较大的产业化基地，年产值达到十亿元以上。

第五、其研究水平可达到国际先进水平，替代进口，并能出口创汇。

2、聚晶立方氮化硼（PCBN）的特性

①高硬度和优良的耐磨性

CBN是人工合成的，其硬度仅次于金刚石，晶粒硬度可达HV8000～HV9000，远远高于陶瓷和

硬质合金。PCBN复合片的硬度(通常为HV3000～HV5000)主要取决于CBN的含量，一般CBN

含量在40%～95%之间。随着CBN含量的增加，PCBN的硬度增加；而耐磨性与CBN含量之间

不是单调关系，不同加工条件下有不同最佳值，加工模具钢时，CBN含量大约为55%时，其

刀具最耐磨。

②立方氮化硼有很高的热稳定性

立方氮化硼的耐热温度高达1400－1500℃，比金刚石的耐热温度（700－800℃）几乎高

一倍。立方氮化硼在1370℃以上才由立方晶体转变为六方晶体而开始软化，用它制作刀具

可以高速切削高温合金，其切削速度比硬质合金刀具高3－5倍。

③立方氮化硼有极强的化学稳定性

立方氮化硼是化学惰性特别大的物质，在中性还原气体介质中，对酸碱都是稳定的，与碳

在2000℃时才起反应，与铁族材料在1200－1300℃时也不起反应。立方氮化硼与各种材料

的粘结和扩散作用比硬质合金小得多，可以用来切削金刚石不能切削的钢铁材料。

④立方氮化硼的导热性能好

立方氮化硼的导热系数为79.54w/m.k,仅次于金刚石（146.5w/m.k）.并且随着温度得体

高立方氮化硼的导热系数逐渐增大，有利于切削区的温度和刀具的扩散磨损。

⑤较低的摩擦系数：PCBN与不同材料的摩擦系数为0.1－0.3，较低的摩擦系数使切削力减

小，切削温度降低，不易产生积屑，有利于提高加工材料的表面质量。

⑥可重磨。PCBN刀具的聚晶切削刃采用先进的镶嵌工艺，镶嵌牢固。可采用粒度180－240

目的人造金刚石树脂砂轮在普通工具磨床上刃磨，方便用户，降低刀具成本。

3、PCBN技术发展趋势

由于CBN的三高性；高硬度、高的热稳定性和高的与铁族元素的惰性，在工业发达国家将

其作为提高及加工工业中的经济效益（节能、高效、精密、自动化）的重要工具材料加以发

展，尤其在军工、宇航、喷涂焊加工工业中更为突出。

由于单晶C鱼我所欲也原文及翻译朗读 BN的粒度小，而且存在易劈裂的“解理面”，不能直接用于制造切削刀具，因

此在工业上作切削刀具大多是聚晶的PCBN，PCBN是由无数细小的CBN单晶构成，PCBN因而

无方向性，会使劈裂的影响大大减少，而且随着切削过程刀具的磨损，会连续露出新鲜的晶

体。

CBN单晶表面有一层致密的氧化硼薄膜，这层薄膜阻碍了CBN晶粒间的直接键合，所以难

得到CBN与CBN之间的直接键合的高强度的PCBN，因而在聚合过程中加入多种结合剂材料

以加强CBN晶粒间的连接。

目前国内外PCBN的结合剂基本有两种类型。第一种是由金属及其合金组成的金属结合剂。

这种结合剂对提高PCBN的韧性起到良好的作用，但在高温条件下结合剂软化，对PCBN的耐

磨性起到副作用。第二类是目前正在发展的陶瓷与金属或金属合金组成的结合剂。因为纯陶

瓷结合剂可以解决高温条件下软化的问题，但这种PCBN抗冲击性能差，寿命短，而由陶瓷

和金属组成的混合机的结合剂，这弥补了纯金属结合剂和纯陶瓷结合剂的各自缺点。

目前世界先进国家如美国G.E.公司，英辛弃疾西江月夜行黄沙道中写作背景 国公司，以及日本住友公司等大公司在

金属陶瓷复合聚晶立方氮化硼PCBN研究与应用方面投入大量的人力和物力，对其进行不断

试验研究。

由G.E.公司研究的BENCompact复合片直径为8.3mm、13.2mm、23.5mm、50.8mm。片的

总厚度分别为1.6mm、3.2mm、4.8mm,其中的PCBN净厚分灯火阑珊处是什么含义 别为0.6mm、1.2mm、1.6mm，适用

于切削高硬度高速钢、冷硬铸铁、超硬耐磨合金等。

由公司研究的AMBORITE和DB80、DB50的PCBN是用CBN的不同粒径、不同含量

和不同粘结剂合成，适用于高速切削淬火钢、高硬度轧辊，加工表面十分光洁。

日本住友电工公司生产的BNX0等PCBN产品都具有优良的耐磨性，其PCBN刀具广泛应用

于切削加工，替代硬质合金刀具，在加工不锈钢方面具有优异的效果。其PCBN刀具用量已

占硬质合金、陶瓷刀具市场的50％。

文献表明陶瓷组分中氧化铝、氮化铝、硼化铝等成分烧结时对提高PCBN的强度有较的效

果，高熔点金属组份可用TiC、TiN、WC、NBe等尤其是以Ti为主的化合物。如除TiC、TiN

外的（TiW）C、TiW、TiTa等加入后对PCB馿组词语 N的抗磨黄生借书说注释及翻译 性和抗破损性都会有所提高。粘结合金

除外可以采用与陶瓷结合剂亲和性好的元素，如用Sb、Sn、Mg、Cu等。稀土元素在

烧结过程中会起到积极的作用。如加入Y、Dy等的氧化物和氮化物以及Ce、Nd、Gd、Lu等

元素也可以，这些稀土元素与硼化铝和硼化钛一起渗入到CBN晶粒间和陶瓷结合剂中，会促

使聚晶致密，提高PCBN的强度。

由于CBN由高强度的共价键构成，烧结高纯度的CBN结合体是相当困难的，或者说需要更

高的甲骨文汉字对照表大全 压力（大约7GPa）才能得到致密的烧结体。最近XiaoZhengRong的报告指出，渗透到

CBN和WC混合层中的Co在CBN烧结过程中起到重要的影响。XiaoZhengRong和Takaaki

Tsurumi研究了CBN-A1的烧结，和在高温高压烧结过程中的化学反应，研究发现，经过固

态的CBN和熔融态的A1反应，产生了新的物质A1N，A1B2,和-A1B2，烧结过程中观察到

了A1N和A1B2的快速晶粒长大，这将有利于烧结体机械强度。

日本三菱金属公司以陶瓷TiCN-A12O3、TiN-TiCN-TiB2与CBN复合制备PCBN，耐高温性

能好。

刘一波等以A1-TiC0.47-B与CBN掺杂制备PCBN，对燃烧过程中的化学反应进行了初步

研究，发现空山不见人出自哪首诗 A1-Ti燃烧反应形成液相A1Ti3、TiA1、TiA13相并与CBN反应生成A1N、A1B、

TiN、TiB2，同时反应区的高温导致CBN颗粒表面六方化，降低了表面硬度。

王艳辉等以ZrO2（Y2O3）增韧的Si3N4与CBN复合制备PCBN，研究了ZrO2的相变及增韧

机理，发现相变增韧与微裂纹增韧作用相互叠加。

国内主要研究单位郑州磨料磨具磨削研究所、中国地质大学、河南工业大学、燕山大学在

PCBN方面进行了一些研究。其中国内采用A1-TiC-Co或Ni-Co作为PCBN粘合剂取得了一定

的效果。

4、PCBN应用发展趋势

自七十年代中叶PCBN刀具在若干难加工材料的切削实践中获得成功以来，世界先进工业

国家均投入大量的人力物力对其不断地进行着试验研究，当前，各国为PCBN的使用开辟的

新领域有：

①用于精密加工

目前，将经过特殊磨削的PCBN刀具用于超精密车床上，在切削深度为15～20m、进给量

为0.608m／r转的条件下，切削加工表面光洁度可达Rmax＝0.0254m。在一般精密数控

车床上切削不锈钢，可获得Rmax＝0.2m以内的表面粗糙度。

②用于铸铁的高速铣削

在日本、英国和德国均有应用实例，并已显示出较大的优越性，主要有：切削速度高，使

用寿命长而稳定，与陶瓷刀具相比，提高使用寿命20～30倍，切削时工件尺寸精度稳定，

可减少尺寸调整次数，加工表面光洁度良好，可缩短珩磨等下道工序的加工时间。

③用于旋转刀具

PCBN旋转刀具如日本住友公司的Sumiboron绞刀及用于模具和工具修整及精加工的立铣刀

和镗刀。因为PCBN为厚度1.6mm的聚合体，在使用时，必须用焊料将硬质合金基体焊接在

刀体上，可用于PCBN钻头和螺旋齿立铣刀。

④精加工淬硬齿轮

去除螺旋伞齿轮淬火变形量是相当困难的一种加工。目前普遍采用一对齿轮配合研磨或者

用手工逐齿进行修正，不仅耗时长，而且齿距精度不够理想。采用PCBN刀具加工模数为7

的淬硬螺旋伞齿轮，能获得研磨和手工修磨无法得到的齿距精度，合传动噪音可降低2～8

分贝。最近采用PCBN刀具加工模数为4的小型齿轮也取得了良好的效果。

⑤切削陶瓷

陶瓷是继金属材料之后的新一代机械工程材料，但陶瓷的加工问题一直困扰着金属切削界。

目前普遍采用的金刚石砂轮磨削工艺还存在着加工效率低、加工成本高等缺点。日本的研究

的人员采用PCBN刀具、等离子焰加热切削陶瓷，取得了良好的效果，加工效率提高3～10

倍，工件表面粗糙度可达Ra0.6～0.15m。

PCBN刀具的高耐磨性使之特别适用于自动化、控制化生产，而这些生产方式是当今世界

机械加工业发展的趋势，因而CBN刀具的应用是必然的，发展潜力巨大。

（1）市场需求潜力大。

（2）机床等工作条件的更新推动了PCBN刀具应用增长。

（3）PCBN刀具的特性促进使用增长。随着切削速度向高和超高速方向发展以及高速切削工

艺的成熟，会促进PCBN刀具的使用增长。

（4）从成本分析。但从表面价格看，PCBN刀具比其他刀具似乎贵，但从减少机床占用、生

产效率提高、免回火硬加工等综合分析，成本是降低的。且随着进一步科研研究，PCBN刀

具的制造成本降低，性能更新，会使用户更加受益。

中国在超硬材料金刚石与CBN合成制备方面，已成为世界生产大国，大批量出口。CBN磨

料制备，河南已成为了主要基地，郑州高新区富耐克以及南阳中南光学仪器厂，均大批量生

产并出口。但国内难加工材料主要依靠进口美国GE、日本住友、昭和电工的刀具和磨具。

韩国在此领域研究速度很快，河南省在CBN磨料生产、研究方面具有领先地位，开展CBN

制品研究，解决其关键技术及产业化生产已迫在眉睫。应尽快占领国内市场，形成主要生产

基地。

总之，刀具材料一直在不断地更新发展，远无止境。我国也有很多科研部门正在加紧新型

PCBN复合片和PCBN聚合体的研制，与国外的PCBN刀具性能差别也正在缩小，相信不久的

将来一定会带来我国PCBN刀具应用的大发展。