很長(zhǎng)一段時(shí)間里，立方氮化硼被認(rèn)為在自然界不存在，直至2009年，美國(guó)加州大學(xué)河濱分校、勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和來(lái)自中國(guó)、德國(guó)科研機(jī)構(gòu)的同行一起，在中國(guó)青藏高原南部山區(qū)地下約306公里深處古海洋地殼的富鉻巖內(nèi)找到了這種礦物，其在大約1300攝氏度高溫、118430個(gè)大氣壓的高壓條件下形成了晶體。

什么是CBN（立方氮化硼）？

立方氮化硼CBN(CubicBoron Nitride)是20世紀(jì)50年代首先由美國(guó)通用電氣(GE)公司利用人工方法在高溫高壓條件下合成的人造立方氮化硼刀具（CBN刀具），其硬度僅次于金剛石而遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它材料，因此它與金剛石統(tǒng)稱(chēng)為超硬材料。立方氮化硼是由六方氮化硼和觸媒在高溫高壓下合成的，是繼人造金剛石問(wèn)世后出現(xiàn)的又一種新型產(chǎn)品。

20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)、中國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家才相繼研制成功作為切削刀具的CBN燒結(jié)體——聚晶立方氮化硼PCBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)。從此，PCBN以它優(yōu)越的切削性能應(yīng)用于切削加工高硬度鐵、鋼件等黑色金屬材料。

PCBN刀具的結(jié)合劑可歸納為3大類(lèi)：

金屬結(jié)合劑，如Ti、Co、Ni. Cu、Cr、W等金屬或合金，在高溫下易軟化，影響刀具壽命； 

陶瓷結(jié)合劑，如Al2O3耐高溫，但沖擊韌性差，刀具易崩刃和破損；

金屬陶瓷結(jié)合劑，如碳化物、氮化物、硼化物等與Co、Ni等形成的固溶體等，解決了上述兩類(lèi)結(jié)合劑之不足。

CBN（立方氮化硼）刀具材料的性能、特點(diǎn)

具有很高的硬度和耐磨性

CBN單晶顯微硬度為8000~9000HV，是目前已知的第二高硬度物質(zhì)，PCBN復(fù)合片的硬度一般為3000~5000HV。

具有很高的熱穩(wěn)定性和高溫硬度

CBN的耐熱性可達(dá)1400~1500°C，在1300°C時(shí)不發(fā)生氧化，在800°C時(shí)的硬度為Al2O3/TiC陶瓷的常溫硬度。因此能高速切削高硬度的鋼鐵材料及耐熱合金，刀具的粘結(jié)與擴(kuò)散磨損較小。

有較好的導(dǎo)熱性，與鋼鐵的摩擦因數(shù)較小

抗彎強(qiáng)度與斷裂韌性介于陶瓷與硬質(zhì)合金之間

熱穩(wěn)定性大大高于人造金剛石，在1300℃時(shí)仍可切削，具有很高的抗氧化能力，在1000℃時(shí)也不產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，鐵元素的化學(xué)惰性也遠(yuǎn)大于人造金剛石，與鐵系材料在1200至1300℃高溫時(shí)也不易起化學(xué)作用，但在1000℃左右時(shí)會(huì)與水產(chǎn)生水解作用，造成大量CBN被磨耗，因此用PCBN刀具濕式切削時(shí)需注意選擇切削液種類(lèi)。

由于立方氮化硼材料的一些列優(yōu)點(diǎn)，使它能對(duì)淬硬鋼、冷硬鑄鐵進(jìn)行粗加工與半精加工。同時(shí)還能高速切削高溫合金、熱噴涂材料等難加工材料。

CBN（立方氮化硼）刀具的分類(lèi)和結(jié)構(gòu)

立方氮化硼也可與硬質(zhì)合金燒結(jié)為一體，這種立方氮化硼燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度可達(dá)1.47GPa，能經(jīng)多次重磨使用。立方氮化硼刀具有兩種：整體聚晶立方氮化硼刀具和立方氮化硼復(fù)合刀片。立方氮化硼復(fù)合刀片是在硬質(zhì)合金燒結(jié)體燒結(jié)一層厚度約為0.5mm的立方氮化硼而成。

整體式

鑲嵌式

復(fù)合式

CBN刀具的應(yīng)用

按加工材質(zhì)劃分

高硬度鑄鐵（硬度HSD75以上），如高鉻鑄鐵、合金鑄鐵、鎳硬鑄鐵、白口鑄鐵等材質(zhì)。典型零部件有軋輥、工業(yè)泵。

高硬度鋼件（硬度HRC45以上），如高錳鋼、高速鋼、淬火鋼等。典型零部件包括軋臼壁、高速鋼軋輥、淬硬齒輪/齒輪軸、軸承、滾珠絲杠、模具等。

普通灰鑄鐵（HT150/200/250/300）

如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、剎車(chē)盤(pán)、制動(dòng)鼓、皮帶輪、離合器壓盤(pán)等均屬于普通灰鑄鐵。

其他難加工材料

如粉末冶金、高溫合金材料、及鎳基、鐵基、鈷基等高硬度堆焊、噴焊、激光熔覆、熱噴涂材料等。

按應(yīng)用行業(yè)劃分

礦山機(jī)械行業(yè)

鋼鐵軋輥行業(yè)

航空航天行業(yè)

能源行業(yè)

汽車(chē)行業(yè)

CBN刀具的應(yīng)用

重載切削

高速切削

以車(chē)代磨

干式切削

CBN刀具的切削參數(shù)

常規(guī)切削參數(shù)

粗加工時(shí)，應(yīng)盡量保證較高的金屬切除率和必要的刀具耐用度，故一般優(yōu)先選擇盡可能大的切削深度ap，其次選擇較大的進(jìn)給量f，最后根據(jù)刀具耐用度要求，確定合適的切削速度。精加工時(shí)，首先應(yīng)保證工件的加工精度和表面質(zhì)量要求，故一般選用較小的進(jìn)給量f和切削深度ap，而盡可能選用較高的切削速度υc。

車(chē)削加工的計(jì)算公式

銑削加工的計(jì)算公式

CBN刀具的優(yōu)勢(shì)

從使用角度來(lái)判斷

抗沖擊性能好，特別是粗加工領(lǐng)域，使用時(shí)不崩刃，不碎裂，這是CBN刀具使用安全性的最基本保證。

耐磨性能好，高效加工的同時(shí)，能夠低成本的代替硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀片，這是CBN刀具使用經(jīng)濟(jì)型的保證。

從制造角度來(lái)判斷

高純度、高凈化率的原材料、可靠規(guī)范的胚體合成工藝，這兩項(xiàng)直接決定CBN刀具性能。當(dāng)然，這也是市場(chǎng)上CBN刀具價(jià)格參差不齊的最大原因。

磨加工，由于CBN刀具不像硬質(zhì)合金刀片具備復(fù)雜槽型和涂層，性能主要取決于刀具胚體性能，而磨加工的工藝和精度直接決定切削時(shí)的微觀性能。所以采用周邊磨床刀具成本雖然提高不少，但是CBN刀具的質(zhì)量和耐用度都會(huì)上一個(gè)檔次。

除了尺寸精度和表面質(zhì)量外，CBN刀具生產(chǎn)過(guò)程中，最容易產(chǎn)生廢品的是電鏡檢測(cè)下的微觀缺陷。刃口處肉眼看不到的微觀缺陷是CBN刀具使用過(guò)程中崩刃口的導(dǎo)火索，容易造成使用時(shí)出現(xiàn)刀具扎刀問(wèn)題。

CBN刀具的磨損形式

連續(xù)切削中的磨損形式

后刀面磨損

最常見(jiàn)的磨損形式，是刀具與工件材料中的硬粒子摩擦形成的，磨損嚴(yán)重則會(huì)致使被加工工件的表面粗糙度和尺寸精度超差，需替換新的CBN刀片。

月牙洼磨損

發(fā)生在刀片的前刀面，是由工件材料和切削刀具之間的化學(xué)反應(yīng)造成的。月牙洼磨損會(huì)導(dǎo)致切屑處理惡化，影響已加工表面質(zhì)量，而且過(guò)大的月牙洼磨損會(huì)削弱切削刃并可能導(dǎo)致斷裂。

壓力面磨損

主要原因是因?yàn)榍邢魉俣忍欤M(jìn)給量太大，刀具后角太小而造成壓力面磨損。

邊界磨損

主要原因是主偏角太大，進(jìn)給量太大，切削速度太低造成邊界磨損。

斷續(xù)切削中的破損形式

崩刃

這是CBN刀具斷續(xù)加工鋼和鑄鐵時(shí)常見(jiàn)的一種破損形式。它是在切削刃上產(chǎn)生的小缺口，刀刃上幾個(gè)小缺口或被崩掉一小塊。如微崩刃的刀具在允許的磨損限度內(nèi)還能斷續(xù)切削，超差則需更換。

剝落

銑削鋼和鑄鐵端面時(shí)，在前刀面上常出現(xiàn)的貝殼狀剝落。出現(xiàn)此類(lèi)情況，可通過(guò)提高切削速度、降低進(jìn)給量，使用有負(fù)倒棱、刃口經(jīng)過(guò)鈍化處理的刀片。

斷裂

斷續(xù)切削工件時(shí)常發(fā)生的破損形式，這是由于斷續(xù)切削高硬度工件時(shí)沖擊載荷過(guò)大，短時(shí)間切削后發(fā)生的早期破損，雖然切削條件適當(dāng)，但切削較長(zhǎng)時(shí)間后，沒(méi)有及時(shí)換刀，由于刀具材料疲勞就發(fā)生了大塊的斷裂。

裂紋

CBN刀具在長(zhǎng)時(shí)間斷續(xù)切削后，有因機(jī)械沖擊而引起的平行于切削刃的機(jī)械疲勞裂紋，也有因熱沖擊而引起的垂直于或傾斜與切屑刃的裂紋。當(dāng)這些裂紋不斷擴(kuò)展合并后，就引起刀刃碎裂或斷裂。