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立方氮化硼的分化性子与利用概述

立方氮化硼的分化性子与利用概述

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【择要】:
立方氮化硼的分化性子与利用概述

立方氮化硼的分化性子与利用概述

  郑州磨料磨具磨削研讨所 王光祖

  郑州中南杰特超硬资料无限公司 张相法 张奎

  择要:CBN是氮化硼四种失常中的高压相。1957年由GE公司的R.H.Wentorf起首在HPHT前提和触媒到场下,由类石墨的氮化硼(HBN)转变而成的。这类晶体迄今在天然界中还不被发明,因此只要野生的产物。CBN的硬度仅次于金刚石,但其热不变性和化学惰性却优于金刚石,是一种用于加工硬韧资料的超等磨料。现阶段在产业中首要用于建造磨具和刀具。

  1. 弁言

  自1957年R.H.Wentorf领先试制胜利CBN以来,20世纪60-70年月初,苏联、德国、中国、日本和英国接踵分化出列国的第一颗CBN。CBN因为具备优良的化学物感性子,如具备仅次于金刚石的高硬度、高热不变性和化学惰性,作为超硬磨料在不同业业的加工范畴取得普遍的利用,此刻更是成为汽车、航天航空、机器电子、微电子等不可或缺的首要资料,因此取得各产业发财国度的极大正视。

  分化CBN除静态高压触媒法外,另有静态打击和蔼相堆积法,可是迄今已完成范围化出产的唯一静态高压触媒法,这类方式在上述方式中,分化工艺手艺是最为成熟的,颠末几十年的成长已有系列化、公用化产物,根基上可知足古代科技和古代产业高速成长的请求。我国CBN分化研讨使于20世纪60年月,在分化出第一颗天然金刚石以后,郑州磨料磨具磨削研讨所的年青手艺职员于1966年接纳静态高压触媒法胜利的分化出中国第一颗CBN,厥后在长达20年的时候内,国际CBN分化手艺停止迟缓,只能出产一种CBN产物-通俗玄色CBN。20世纪80年月末和90年月初是我国CBN研讨的活泼期,郑州磨料磨具磨削研讨所、中科院长春利用化学研讨所和吉林大学等经由进程与美国、日本等国度的手艺交换,CBN分化手艺研讨取得严重停顿,分化出高档第的玄色、虎魄色、棕色CBN,并慢慢从实验室向小范围出产过渡。20世纪90年月前期国际起头范围化出产较高档第的CBN产物,产物品种不时增添,产物品德不时进步,CBN分化手艺及其产物的利用均取得本色性停顿。今朝,我国不只是年产超亿克拉CBN的出产大国,并且也是出口大国,其出口量占整年总产量的80%以上。

  2. CBN的分化

  超高压低温装配,六方氮化硼为(HBN),碱金属、碱土金属及其氮化物、硼化物和氮硼化物是分化CBN所必须的根基前提。

  超高压装配:GE公司,DeBeers公司接纳的是年轮式两砧面装配、苏联接纳的是双凹砧装配、中国接纳的是铰式六面砧装配,其感化是供给CBN分化所须要的高压与低温。

  六方氮化硼是分化CBN的根基质料,经由进程研讨得悉,HBN的GI值和

  B2O3对CBN的分化P-T区及晶体品德都有着较着的影响。

  触媒用于分化CBN的触媒品种良多。

  如(1).碱金属、碱土金属与合金,典范资料为:Li、Ca、Mg

  (2).Li、Ca、Mg的氮化物:Li3N、Ca3N2、Mg3N2;硼化物:MgB2、Li3BN3 、Ca2B2N4、 Mg3B2N4,这是一类利用最多的增添剂。在HBN-Mg体系中因为Mg在分化进程中天生MgB2使得分化的CBN晶体的色彩为玄色,在HBN和氮化物或硼化物体系中,因为分化腔内绝对前者富氮,以是分化CBN晶体的色彩通俗为黄色。

  (3).氧化物,如CuO、MgO,晶体呈金黄色或橘红色,杂质含量与插手氧化物有关,晶体不法则,色彩庞杂。

  (4).盐类,如NH4NO3、(NH4)2B2O7、NaF、LiHF2、CaF2

  (5).碱类,如KOH、NaOH、Mg(OH)2

  (6).酸类,如H3BO3

  (7).水,用水作触媒分化CBN晶粒细,红色,转化率高达100%。在HPHT下,水对HBN有激烈的分化感化,因为BN的分化,在体系中活性高的B、N原子数目增添,会增进已组成的CBN晶核的疾速成长,如在水到场下,CBN晶体在Mg+HBN体系中在几分钟内疾速成长达1mm以上。

  研讨还标明,在HBN- Mg体系中发明,一是CBN晶体色彩不随含氯元素的化合水物资含量的转变而转变一直是玄色,因为在HBN-Mg体系中插手含氯或不含氯的化合物资时,它们的CBN分化不异。因此,在插手含氯元素的化合水物资时,CBN晶体色彩也应当跟着连系水含量的增添变为黄色,但实验成果却不是如许;二是当不加不含氯元素的化合水时,晶体色彩为玄色;当插手少许化合水时,晶体的色彩仍为玄色,但当化合水到达必然含量时,晶体色彩变为黄色,当插手适当的连系水时,将不CBN天生。

  CBN晶体的根基形状为正八面体,因为发育不完全而组成正十四周体,正二十二面体,板状八面体及它们的变形。

  晶体色彩首要由增添剂的品种,分化前提的变更能够转变晶体杂质的含量的几多,从而致使晶体色彩的深浅变更。

  分化中所接纳的增添剂应具备:一是能有用消融立方氮化硼的物资,二是能与六方氮化硼反映天生含氮化硼的中心产物的物资,最好两者兼备。大尺寸的CBN单晶是研讨其热、电、光等根基性子所必须的,同时大尺寸CBN单晶又是制备机能优良的单晶刀具、热沉、低温半导体器件甚至出格光学器件所必须的。因此,对CBN单晶的成长速率的研讨一直是分化CBN晶体,出格是分化大颗粒CBN晶体的首要课题。

  1987年,Mishime等接纳成长金刚石大单晶用的温度梯度法初次在低温下胜利地成长出粒径达3mm 的CBN单晶,以后,在1989年Kagamida等用上述方式,以Li3N2为触媒成长30多个小时取得粒径为2.6mm的CBN单晶。近期Takashi等人经由进程自觉成核与温度梯度相连系的方式,在20h-80h的成长进程中取得了1mm-3mm的CBN单晶。从上述成果不丢脸出,晶体的成长速率都是很低的。张铁臣等用Mg粉为触媒,在HBN-Mg体系中插手适当的水或酒精,在5.5GPa和1550C下,保温8min取得了1.6mm的单晶。

  3. CBN的性子

  Sato等人对CBN的某些性子做了较具体的研讨,列于表1中。

  表1 CBN的性子

(1)晶体

晶体布局 闪锌矿型 金刚石型
对称性 F43m Fd3m
晶格常数(A) 3.615±0.00 13.5667±0.005
原子间距(A) 1.57(B-N) 1.54(C-C)
密度(g/cm3) 3.48 3.315

(2)弹性

显微硬(Kg/cm2) 4695-8600 >9000
弹性模量C11(10-5N/cm2) 71.2×1011(计较值) 10.6×1011
紧缩性(105cm2/N) 0.24-0.37×10-12(计较值) 0.23×10-12【11】(标的目的)

(3)声谱

光学纵波LO 0.1616 eV 1304cm-1 0.154 eV 1240 cm-1
光学横波TO 0.1309 eV 1056 cm-1 0.150 eV 1240 cm-1
声学纵波LA 0.085eV 685 cm-1 0.128 eV 1035 cm-1
声学横波TA 0.043 eV 348 cm-1 0.098 eV 550 cm-1

 

  4. CBN的利用

  今朝,CBN首要用作制作磨具与刀具,便是说用于磨削和切削。

  CBN磨具与通俗磨具(刚玉,碳化硅磨具)比拟,具备磨削尖锐、耐磨性好、加工效力高(便于完成主动化)、加工外表品德优(工件外表内有压应力)、加工精度高、利用寿命长、单元加工本钱低、节能和改良情况等长处,因此它普遍利用于汽车、拖沓机、轴承、机床、齿轮、东西、磨具、航天航空、兵工等很多行业,出格是合用高速钢、耐热钢、不锈钢、热敏资料等硬度高、韧性大、低温强度高、热传导率低的资料的紧密磨削加工。

  陶瓷CBN磨具不只具备切削尖锐、切削力小、出产效力高、利用寿命长、易于整形与修锐、磨削精度高档长处,并且还具备磨削工件温度低、能消弭外表拉应力而发生剩余应力,使工件耐费用进步30%-50%的特色,因此,陶瓷连系剂CBN磨具最近几年来取得异军崛起的成长。

  70年月,因为陶瓷连系剂CBN具备怪异机能而引发人们注重。但初期的陶瓷连系剂CBN磨具首要用于磨削钢;80年月,跟着新型高气孔陶瓷连系剂的开辟,数控机床(CNC)、CBN公用高速机床的成长和柔性制作体系(FMS)的呈现,陶瓷连系剂CBN磨具成为各类CBN磨具中成长最快的一个品种。从1980年至1993年,在天下范围内,CBN磨具的连系剂组成比例中,陶瓷连系剂由4%增添到37%,呈大幅度回升趋向。90年月,因为轻触修整CBN手艺(TDC手艺),辨认切入声发射(AE)手艺和激光修整手艺的利用,小尺寸CBN公用磨床的开辟,CBN磨具的强力规程磨削和超高速磨削取得新的成长,外洋一些公司已不限于接纳45-50m/s的线速率,60-100 m/s的线速率正日趋增添,100m/s以上的高速磨削在慢慢完美,300m/s线速率以上的高速磨削正处在研讨当中。

  陶瓷CBN磨具作为一类高速、高效、高精度、低磨削本钱、低情况净化的高机能磨具产物,代表了现今磨具产物的一个首要成长标的目的,利用前程非常广漠。产业发财国度陶瓷连系剂CBN磨具利用已由难加工资料扩大到通俗资料,由通俗磨削(内、外圆磨削)扩大到成型磨削、紧密磨削、无意磨削、多缓进给磨削、高速磨削、珩磨等多种磨削情势,利用范畴触及东西、刃具、轴承、拖沓机、摩托车、机床、航天、兵工、陶瓷等很多产业范畴。

  凸轮轴是发念头的首要整机之一,它的加工品德对发念头的熄灭和能源特征有着间接影响。同时,凸轮又是一种非圆磨削的工件,其磨削余量大,出产效力高,资料难磨,精度请求高,加工手艺难度大。十年前,有关利用CBN磨具磨削凸轮的指点只在无限的外洋文献中见到。在大范围产业化出产中利用CBN公用数控凸轮磨床磨削凸轮轴的手艺在某些东方发财国度也方才进入适用阶段。至90年月中期,产业发财国度的大都汽车制作厂均已接纳了CBN磨具磨削凸轮轴,国际首要的轿车出产线上也连续引进了这项手艺。

  产业化国度在研讨CBN磨削手艺的一个明显特色是将CBN磨料、磨具、磨床和磨削工艺作为一个体系工程来停止。如美国在90年月初,为处理凸轮轴的磨削手艺,连系了GE公司(CBN磨料)、Norton公司(磨具)和Landis公司(磨床)三家本行业的顶级公司连系攻关。他们终究因此高速CBN磨具、高速数控CBN公用磨床和CBN磨削工艺一整套手艺供给给了市场,这一经历值得咱们进修。

  为顺应我国经济扶植的须要,自1997年以来铁道部在我国首要铁路支线上停止了五次大提速,铁路机车运转速率由本来的60-80Km/h进步到180-200Km/h,铁路机车速率的进步对钢轨资料提出了更高请求,特别是对钢轨的尺寸磨损请求加倍严酷,经由进程对钢轨的修磨削减了因为转动打仗委靡引发的钢轨毁伤及钢轨正面的磨损,可耽误钢轨的利用寿命0.5-1倍。经由进程开端实验,CBN磨具可望取得利用,若是真是如许,那末将是CBN磨具利用的一个新的经济增加点。

  PCBN资料的机能首要与CBN含量、粒度及连系剂品种有关。按其构造大抵可分为两类:一类是Co等作粘结相,高CBN含量、高硬度、高传热率的PCBN,首要用于粗加工,切削高硬度合金钢、耐磨铸铁、硬质合金等较优;另外一类因此陶瓷作粘结相,低CBN含量、细粒度、耐低温的PCBN,首要用于精加工,切削资料以淬火钢、磨具钢、轴承钢为主。

  PCBN的利用范畴:汽车产业50%,重型机器21%,轴承齿轮业6%,泵业9%,轧辊业5%,别的9%。

  PCBN刀具加工资料:淬火钢65%,铸铁28%,耐热合金7%。

  精磨是轴承精加工最经常使用的加工工艺,跟着PCBN刀具的呈现及数控机床等加工装备精度的进步,以硬态切削来取代磨削完成整机的终究加工已成为淬火轴承钢的一个新的精加工路子。若是将硬态切削与精磨工艺连系起来,则加工一个通俗轴承整机所花的本钱将比在磨床完成粗加工和精加工所花本钱下降40%-60%。

  外洋以美国、德国和英国等为首领先在轴承出产上接纳了硬态切削工艺,其产物的供货周期由本来的半年延长到三个月,经济效益也是本来的5倍以上。比方荷兰的Hembrug公司在MikroturmCNC系列的超精磨床上接纳PCBN刀具精车淬硬后的EN21轴承钢(HRC62)、美国国度规范工艺研讨院Y Kevim Chou和ChrisJ.Evans接纳SumitomoBN系列的PCBN刀具加工AISIM50钢(HRC62-64)、英国DeBeers公司M.A.Fleming博士在DeltaTurn40车床上接纳AMBORITE DBN45刀具车削EN31轴承钢等都完成了PCBN刀具加工淬火钢的纳米切削(Ra83-Ra20nm)。

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