立方氮化硼晶体（共7篇）
立方氮化硼晶体 篇1
摘要：立方氮化硼晶体是一种有着众多优异物理性质的光学材料, 由于其晶体结构为闪锌矿结构, 可产生二阶非线性光学效应。该文依据立方氮化硼晶体的外形特征, 设计实验方案, 采用参考倍频法测量了立方氮化硼的二阶非线性光学极化率, 为立方氮化硼的二阶非线性光学效应的应用奠定了基础。
关键词：立方氮化硼晶体,二阶非线性光学效应,倍频法,二阶非线性光学极化率
立方氮化硼晶体是一种Ⅲ~Ⅴ族化合物材料, 有着非常优异的物理性质。它在硬度和热导率上只略低于金刚石, 其热稳定性极佳, 只有温度超过1200 ℃时立方氮化硼晶体才会被氧化。立方氮化硼是一种宽禁带材料, 其禁带宽度约为6.3 e V[1], 可以在合成过程掺杂某些的杂质, 使其成为N型或者P型的材料。立方氮化硼的吸收边约为197 nm, 整个可见光、红外和大部分的紫外波段都是透明的, 纯净的立方氮化硼晶体无色透明[2]因此, 它也被视作一种良好的光学材料。
立方氮化硼晶体的晶体结构为闪锌矿结构, 宏观对称性属于点群。依据非线性光学理论可知, 立方氮化硼晶体可以产生二阶非线性光学效应。目前人们研究立方氮化硼的非线性光学性质的报道非常少, 因此设计实验, 采用参考倍频法测量了立方氮化硼晶体的二阶非线性光学极化率。
1 实验方案的理论推导
采用与立方氮化硼同种晶格结构的、相同的通光方向的磷化镓材料作为参考材料, 选用Q开关Nd:YAG脉冲激光器作为测量系统的光源来进行立方氮化硼的二阶非线性光学极化率的测量。利用基频光与倍频光的对比关系, 通过与磷化镓对比即可得到关于立方氮化硼与磷化镓二阶非线性光学极化率的比例关系, 由于磷化镓的二阶非线性光学极化率是己知的, 并且所需要的其它数据是己知的或可测定的, 从而求得立方氮化硼的二阶非线性光学极化率。
依据倍频理论知[3], 在小信号近似的条件下, 倍频光和基频光的强度满足下式:
这里L为晶体的通光长度; deff为有效非线性系数;∆k =k2ω-2kω; 将∆k描写为折射率和波长的函数, 可得∆k =k2ω-2kω=4π (n2ω-nω) λω, 把这一式子带入 (1) 式中, 得到:
为测量立方氮化硼的二阶非线性光学极化率, 需采用与其晶体结构相同且通光方向相同、二阶非线性光学极化率已知的晶体材料。依据这一原则, 选择磷化镓作为对比材料进行试验。为方便起见, 立方氮化硼的参数仍采用原式, 磷化镓的参数采用加上标'来表示, 因而可以得到立方氮化硼与磷化镓的有效非线性系数之间的关系如下式所示。
根据上式, 只需测量三个物理量即可得到立方氮化硼的二阶非线性光学极化率, 这三个量分别是立方氮化硼的通光长度、磷化镓的通光长度、立方氮化硼和磷化镓的倍频光强度的比值。
2 实验设计
理想的c BN晶体是正八面体形状, 各个面均为{111}面。但是实验中采用的立方氮化硼晶体为发育不完全的正八面体, 裸露在外的面都是{111}面, 上下两面较大, 侧面为不规则的小面, 且侧面与上下底面不垂直, 实验中所用样品很小, 尺寸约为0.2 mm×0.2 mm×0.1 mm, 其实际形状如图1所示。
根据理论分析的结果知, 该实验中应满足以下三个条件才能完成对立方氮化硼的二阶非线性光学极化率的测量:一是通光方向相同, 即沿着相同的晶向入射;二是由于倍频光的强度与入射的基频光的偏振方向有关系, 因此, 必须使得入射到这两种晶体内的基频光偏振相同;三是在测量立方氮化硼及磷化镓的倍频光强时必须采用同一套光路。在该实验中, 选用磷化镓为对比材料, 其通光面与立方氮化硼同为[111]面, 这使得第一条满足;由于该实验的通光都是正入射, 即垂直于通光面入射, 所以以入射线为轴线, 绕轴线旋转样品, 使之倍频光强度最大之时, 则可保证立方氮化硼与磷化镓的偏振角度达到相同, 这使得第二条满足;在实验中将光路调好之后, 测量立方氮化硼和磷化镓的倍频光强度之时都不改变光路, 第三条也可以保证。
波长为1064 nm的调Q脉冲Nd:YAG激光器作为实验中的光源使用。前一个聚焦透镜的目的是聚焦入射光束以提高单位面积上的光功率, 使得倍频效应更显著。后一个聚焦透镜的作用是使出射的光束转变为平行光。待测晶体所放置的位置应在聚焦透镜的焦点上。由于透过待测晶体的光包含有基频光和倍频光, 而要测量的量只是倍频光, 因此, 必须要把基频光与倍频光在空间上分开, 故此光路中使用了三棱镜来进行分光, 从出射光中将倍频光分离出来, 光路中的遮光板将基频光的光束遮住, 仅允许倍频光通过。用硅光电探测器和示波器来测量倍频光的相对光强。
3 实验结果及结果分析
采用上述的实验方案和光路分别对立方氮化硼和磷化镓晶体进行倍频实验, 测得的倍频光相对光强如表1所示。
该实验中, 实验是建立在基频光和倍频光的折射率近似相等的条件上的。事实上基频光和倍频光的折射率不相等, 这样近似的结果会使得测得的二阶非线性系数存在偏差。未来将设计实验测量基频光和倍频光的折射率, 从而利用式计算立方氮化硼的二阶非线性系数, 使误差减小。该测试方法也可以推广用于其他具有二阶非线性光学效应晶体的二阶非线性极化率的测量。
参考文献
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[2]K.L.Barth, A.Lunk and J.Ulmer, Influence of the deposition parameters on boron nitride growth mechanisms in a hollow cathode arc evaporation device, urf[J].Coat.Technol., 1997-96-103.
[3]石顺祥, 陈国夫.非线性光学[M].西安电子科技大学出版社, 2003.
[4]张铁臣, 邹广田.立方氮化硼[M].长春:吉林大学出版社, 1993.
立方氮化硼晶体 篇2
1963年, 我国笫一颗人造金刚石试制成功以后, 进入了中间试验, 为了赶超世界先进水平, 填补我国在这方面的空白, 在人造金刚石中间试验进行的同时, 又开始了立方氮化硼的试制工作。王光祖与卢飞雄一起, 在理化研究室用硅碳棒管状炉, 开展了以硼酸为初始原料, 通氮气试制六方氮化硼的工作, 并成功获得了纯度很高的白色六方氮化硼结晶体, 这预示立方氮化硼的研发工作已经启动了。
1966年的整个试验工作是在300吨两面顶压机上进行的。先后进行了合成用组装件的制备, 低压下的测温试验等, 初步确定了功率与温度的关系, 为合成立方氮化硼的工艺控制提供了依据。经过多次试验于1966年11 月10 日试验成功。合成压力为5.5GPa, 触媒为镁粉, 配比为Mg∶BN=1∶3。经X光检定, 1# (1650℃) 、2# (高于1650℃) 的样品中均有立方氮化硼物相。这是我国笫一颗立方氮化硼的诞生, 以后经过多次试验, 都能获得立方氮化硼 (cBN) 。
为了扩大超高压高温领域合成新型材料的成果, 根据国家科委人工晶体七年科研规划及磨料磨具行业有关规划中研制立方氮化硼的安排, 对立方氮化硼的生成条件及其使用性能, 于1967年4月至1968年6月, 又进一步进行了试验研究。
通过试验得出:
(1) 试棒成型压力与气孔率的关系。
(2) 确定了六方氮化硼与镁两者合适的配比。
(3) 确定了以碳管作为加热体的间接加热方式。
(4) 压力、温度、时间等因素对合成转化率的影响。
(5) 制订了立方氮化硼的分选处理工艺。
(6) 合成工艺参数:试棒尺寸 (Φ8.5×13) mm, 压力6~6.5GPa, 温度1700℃~1800℃, 保温时间2~3min。
(7) 单次产量约1.5克拉, 转化率约40%
(8) 产品经X射线分析, 晶胞常数a=3.616A, 与文献数据a=3.615A吻合。比重3.470±0.005g/cm3, 化学分析总硼量41.32%, B2O30.25%, 产品确定为立方氮化硼, 为黑色不完整晶体。
(9) 制备了立方氮化硼微粉和研磨膏, 对硬质合金工件进行研磨、抛光, 对宝石轴承进行穿孔、精扩孔, 与金刚石微粉和研磨膏相比, 加工光洁度接近, 但效率仅金刚石的一半。鉴于立方氮化硼加工硬脆高硬材料的切削性能不及金刚石, 当时未找到合适的使用对象, 该品种未得到发展。
随着我国社会主义建设的发展, 近年来, 军工、机械、工具等部门的难加工金属材料的种类越来越多, 为了适应这种情况, 在1967年至1968年试验工作的基础上, 我们进一步探讨了立方氮化硼的生成条件, 对原料产地、触媒及其用量、合成压力等参数进行了优选试验, 并对温度控制、保温时间等因素进行了探讨, 制订了立方氮化硼的合成工艺条件。
立方氮化硼试生产合成工艺如下:
合成设备:DS-023型铰式六面顶压机
原材料:六方氮化硼 (天津红旗化工厂产一级或二级品)
触媒:镁粉 (101厂产, 粒度100#~200#, 纯度99%)
触媒用量:六方氮化硼与镁粉重量比9∶1
叶蜡石立方体: (28×28×28) mm
试棒直径: (Φ9.3×13) mm
合成压力:5.9GPa
表压50MPa时加温, 温度控制, 保温时间为2min, 合成棒砸开后断面呈白色筛带黑点到发亮的黑色。
在上述合成条件下平均单产量约1.5克拉, 其中粒度≥150#的约占50%, 粒度80#样品的抗压强度约15~20N。
试生产的立方氮化硼多为不完整黑色晶体 (透光下观察为深咖啡色, 半透明) , 较大晶体尺寸为300!m, 样品的物理-机械性能为:
显微硬度:649.2~934.0MPa
热稳定性:1340℃ (空气介质中)
比重:3.465~3.485g/cm3
当时由于合成时顶砧寿命较高, 原材料能充分利用, 分选提纯费用较低, 因此, 立方氮化硼的生产成本略低于或大体接近JR1 型人造金刚石, 可以投入工业生产[1]。
以上内容具体见“立方氮化硼的试制”项目报道全文。
2 发展
自1966年我国立方氮化硼试制成功以后的二十多年中, 虽然取得了一定成绩, 但总体来说其发展是很不理想的。当时国内生产立方氮化硼的单位有:笫六砂轮厂、哈尔滨砂轮厂、天津宝坻232厂、辽宁金刚石厂、北京燕郊金刚石工业公司、郑州磨料磨具磨削研究所等[2]。
在中国, cBN这个超硬材料家族的小弟比他的老兄金刚石晚出生三年, 在五十年的发展中经历了若干发展阶段, 产业不断发展壮大, 技术水平不断提高, 产量越来越高, 市场占有率越来越大, 现已成为世界立方氮化硼生产的大国并正在成为强国[3,4]。
中国cBN单晶生产厂家较为集中, 90%以上的产量主要集中在河南省的郑州中南杰特超硬材料有限公司、河南富耐克超硬材料有限公司, 这两家公司都在郑州国家高新技术开发区内[5]。
以国内上述三家为代表的厂家生产的基本产品系列为例 (表1) , 基本品种数量已多于国外公司, 如果加上派生或定制等因素品种则更多。同时, 从可供粒度来看, 一些可供粒度达20/30, 从400/500到20/30形成种类齐全, 能够满足不同使用要求的系列化cBN单晶产品。而今, 我国cBN单晶产品体系比较完善, 而且产品性能、价格及供货等占有一定的优势, 有望进一步得到发展。国产cBN的强劲发展给国际市场带来强烈的冲击, 中国产品所占份额不断提升, 国外生产厂家近年来也随之增加了品种。
这一阶段从1967 年至1980 年代中期大约20年, 是缓慢发展期。
1966年立方氮化硼在我国问世后, 由于当时技术稳定性限制、加之基础工业薄弱, 机械工业落后, 工业需求不如金刚石那么迫切。到1970年也仅在部分刀具的加工中得到了一定的应用。用于立方氮化硼触媒合成材料仅有单一的金属镁, 合成技术和生产发展非常缓慢, 只能生产一种灰黑色、晶型差如“煤渣”状的I型产品;合成腔体小, 最大腔体直径只有Φ14mm;产量低、合成稳定性差。从事cBN试验及生产的也仅有寥寥几个国营单位, 如郑州磨料磨具磨削研究所、第六砂轮厂、第二砂轮厂等。到1980年, 10年间全国立方氮化硼总产量才仅为60余万克拉, 产量及应用水平与国外差距明显。但到了1983年, 第六砂轮厂立方氮化硼cBN-Ⅰ型单次产量达2.4克拉以上, 150#以粗比例达64%以上, 80# 抗压强度达到20N以上, 为我国生产cBN微粉、cBN刀具、cBN磨具提供了优质原料, 这才为给行业的技术发展打下了基础。
这一阶段从上世纪80年代中期到90年代中期, 大约10年。
进入1980年代, 随着改革开放以及汽车、航空航天、机械电子、微电子等工业的发展, 都为我国立方氮化硼的发展注入了新的活力。对外技术交流开始活跃, 与日本、美国、前苏联等国技术交流频繁。
1983年日本国立无机材质研究所福长修来郑州三磨所访问, 作了立方氮化硼合成的技术讲座及技术交流, 对新型化合物触媒、如何合成好的立方氮化硼晶体等内容做了专题讲解。
1987年同为无机材质研究所的远腾忠来到郑州三磨所作立方氮化硼合成技术报告, 指出合成高品级的立方氮化硼必须用高纯度的复合触媒如Mg3B2N4、Ca3B2N4、Sr3B2N4、Ba3B2N4等, 并在铰链式六面顶压机上进行了合成试验, 这对我国的研究启发很大。
郑州三磨所、吉林大学、中科院长春应用化学研究所等几个骨干科研单位, 开始重视和加大对立方氮化硼合成技术研究的投入。通过对原材料、触媒及合成技术等进行开发研究, 采用新的触媒陆续取得进展, 取得了一系列科研成果, 合成出了各种色泽的高品级立方氮化硼, 并逐渐由实验室向小批量中试过渡。在这期间出现了一批强有力的团队, 他们是:
郑州三磨所王光祖教授等的研究团队。王光祖教授指导研究生张相法开展了六方氮化硼性能对立方氮化硼合成影响的系统研究、研制新型氮硼化物触媒、合成出琥珀色及黑色等品种的立方氮化硼。1991年及1993年王光祖教授、张相法研究生等, 在第六届和第七届全国高压学术讨论会上报告了包括:“六方氮化硼结晶度对立方氮化硼合成的影响”、“Mg-BN系中B2O3对cBN晶体生长的影响”、“国内外几种典型hBN的性能特点”、“高温高压下水白色cBN晶体的合成”、“高压高温下hBN的再结晶”等的研究成果;还有徐国泰高级工程师、刘祥慧工程师的生产及科研团队, 开展镁基多元合金触媒的研究, 1989年12月优质cBN合成系统工艺通过机械部科技成果鉴定, 黑色Ⅱ型cBN投入生产。
吉林大学张铁臣教授、马文俊讲师等的研究团队, 在1991年和1993年第六届和第七届全国高压学术研讨会上集中报告了包括:“不同颜色立方氮化硼的合成及耐热性的研究”、“大颗粒立方氮化硼单晶的合成”、“六角氮化硼的氧化特性对立方氮化硼合成的影响”、“立方氮化硼合成中的金属膜”、“Me-B-N (Me=Mg、Ca) 体系中cBN的生长机制”、“MgO对使用Mg系触媒合成cBN的影响”、“Mg-B-N系中毫米级单晶的合成”、“高压合成cBN的颜色”、“提高立方氮化硼产量的一种新的组装方式”等论文及研究成果。
中科院长春应用化学研究所闫学伟研究员、崔硕景研究员等的研究团队, 1988年发表了“高压合成立方氮化硼的新触媒材料”的论文, 这是国内第一篇有关合成立方氮化硼用新触媒材料Mg3B2N4及Ca3B2N4的论文, 其后续研究成果及样品在庐山全国立方氮化硼行业研讨会和在第六届、第七届全国高压学术研讨会上发布, 包括:“高压高温下hBN-cBN转化行为的研究”、“立方氮化硼的振动光谱与反射光谱的研究”、“立方氮化硼高压合成腔体中压力和温度的分布、动态过程及其对产物影响的研究”、“乳白色立方氮化硼的高压合成”等研究成果。
3 壮大
这一阶段从20世纪90年代中期到目前为止, 是中国cBN大发展时期。
1990年8月8 人民日报记者报道, 中科院长春应用化学研究所近年来已研制出具有成熟生产工艺, 达到国内领先水平的黑色立方氮化硼Ⅱ产品, 其他填补了国内空白的还有琥珀色立方氮化硼Ⅱ产品, 在实验室条件下合成的黄色立方氮化硼Ⅱ型和棕色立方氮化硼Ⅳ型产品, 单颗粒抗压强度分别达到20世纪80年代国际水平。
1991年9月《磨料磨具与磨削》杂志报道, 郑州磨料磨具磨削研究所对立方氮化硼进行了多年的试验, 解决了一系列技术难题, 取得了突破性进展, 立方氮化硼质量达到80年代末水平。
20世纪90年代末, 大腔体降低了生产成本, 加上六方氮化硼原料价格降低, cBN价格下降。张相法、张奎等研发了 Φ25mm腔体高韧性cBN的合式成技术, 并在河南黄河集团公司投入生产, 单产达到12克拉以上, 产品以较好的性价比出口日本等市场。
进入21世纪, 六面顶压机的大型化及其控制技术的自动化, 两大基础材料———六方氮化硼及触媒的深入研究, 合成工艺技术的逐渐完善, 立方氮化硼生产集群发展等;加之, 汽车工业、航天航空工业的高速发展, 日益强劲的对立方氮化硼及其磨具、刀具的需求动力, 都为立方氮化硼进入21世纪的大发展起了呜锣开道, 推波助澜的作用。
河南省富耐克超硬材料股份有限公司的前身是始建于1988年的河南省武陟县超硬材料厂, 由郑州三磨所技术转让开始生产cBN, 1995年迁往郑州高新区, 是我国新一轮cBN发展大潮中涌现出的较早的cBN专业生产企业。该公司凭借其出色的经营能力, 以很高的性价比开始将产品打入国际市场, 本世纪初数年其产品曾经一度供不应求, 因而采用寻求代加工扩充产能的手段, 现在产量超过1亿克拉。
郑州中南杰特超硬材料有限公司是2000年由张奎等和河南中南机械厂 (中南钻石股份有限公司的前身) 合作成立的。成熟的技术与老牌军工企业扎实的经营风格相结合, 从2001年进入市场就开始了一年一个台阶的发展历程, 经过10年的发展, 产量已超过1亿克拉。
直至2007年, 颗粒40mesh以上的cBN单晶国内还不能批量生产, 40/50mesh的虽有少量生产, 但比例不高、品级低、强度不高, 不能满足一些高效强力磨削的要求, 而用户特别是国外用户对粗粒度cBN需求的持续增长。所以, 解决合成粗颗粒cBN的生产技术难题, 将大幅度提高我国cBN生产技术水平, 拓展cBN的市场应用。
张相法、张奎等人通过对原材料、触媒合成工艺多方面的系统研究, 证明采用 Φ40mm腔体进行具有生产价值的粗粒度cBN合成是可行的, 合成的30/60粗粒完整格形单晶所占比例接近70%, 静压强度较高, 已进入批量工业化生产阶段, 并为下一步合成粗粒度比例更高的cBN的晶体打下了良好的基础[6]。
郑州磨料磨具磨削研究所在我国立方氮化硼产业化的建立与发展中起到了孵化器、播种机的作用, 功不可没, 将永载超硬材料发展史册。
4 梦圆
因为梦想, 所以我们创造;因为创造, 所以我们进步;因为进步, 所以我们产生新的梦想……
cBN大单晶的培育技术、用CVD法培育功能性cBN晶体的技术及其在电、光、热方面的研究等均落后于国际同行, 以及纳米cBN等前沿技术及其产品的开发与应用研究直接关系行业发展后劲。
(1) cBN大单晶的培育
由于诸多条件如腔体内温度压力的均衡稳定, 触媒特性等的影响, 通常合成的cBN晶体粒径都很小, 一般尺寸在0.5mm以下。大尺寸的cBN单晶则是研究其晶体热、电、光等基本性能所必须的。同时大尺寸的cBN单晶还是制备性能优异的单晶刀具、热沉、高温半导体器件乃至特殊光学所必需的。
(2) 立方氮化硼薄膜是薄膜技术在立方氮化硼合成领域的重要发展, 并成为新的研究热点, 为cBN开辟了一个全新的应用领域。cBN经过几十年的发展, 只是在作为工程材料的应用方面卓有成效, 并成为当今的发展主流, 可是在作为功能材料方面的应用则具有潜在的前景, 等待人们去探索, 去开发, 去应用。
(3) 研究表明, 可以完全脱离原有转变模式, 用含硼和氮的化合物或用硼单质和氮的化合物化学反应制备cBN晶体。2012 年燕山大学田永君教授等采用一种具有特殊结构的洋葱氮化硼为前驱物成功地合成出透明的纳米孪晶结构立方氮化硼, 孪晶的平均厚度仅为3.8nm, 其硬度达到甚至超过人工合成的金刚石单晶, 断裂韧性高于商用硬质合金, 抗氧化温度高于立方氮化硼单晶本身。这些优异的综合性能表明纳米孪晶结构立方氮化硼是一种工业界期盼已久的刀具材料。
(4) 爆炸法是使hBN在爆炸冲击波的高压高温作用下相变产生wBN和cBN的方法。这个方法产生的压力很高, 但设备简单, 成本低, 所得产品粒度大多为亚微米和纳米量级。它具既有较高的硬度, 又具有较好韧性的特点, 是用来制造研磨膏和进行抛光的理想之材。
(5) 与传统的制备cBN的方法相比, 水热法合成cBN具有成本低, 反应过程易于监控, 污染少, 反应体系均匀性好诸多优点, 特别是对大晶体的生长十分有利。水热法制备cBN微晶成功, 为cBN的制备开辟了一种新的技术路线。
5 尾声
经过50 年的发展, 我国不仅成为cBN生产大国, 而且也是cBN生产强国了。随着我国的工业化进程不断加快, 立方氮化硼产品及其应用方面会取得更大进展;在大颗粒粒cBN研究领域及其应用和纳米孪晶结构立方氮化硼研究领域会有更大突破;我国cBN的产量会不断增加, 产品性能的稳定性更加成熟;国外对我国的cBN需求会不断增加:随着我国航天航空、汽车制造工业高速的发展, cBN工具的应用发展速度将会加快。
五十年的坎坷征程, 铸就了超硬人攻坚克难, 知难而进, 勇往直前, 敢为人先的大无畏精神!
半个世纪的艰苦卓绝耕耘, 培养了我们众人拾柴火焰高的团结协作的高尚风范。
美好的未来不是梦, 需要我们去创新、创新、再创新。
钻石时代的曙光正在冉冉升起, 呀!多么灿烂辉煌、绚丽多彩的时光将降临人间。
让我们满怀豪情为庆贺我国立方氮化硼五十华诞共同挥毫泼墨, 将我国立方氮化硼在研发、生产与应用中所铸就的光辉业绩, 永远铭记在我国超硬材料工业的发展史册中。
共同放声高歌, 我国的立方氮化硼不仅在产量上是世界生产大国, 而且在质量是生产强国。
共同高举酒杯, 祝愿我国的立方氮化硼产业未来的发展, 更加绚丽多彩, 璀璨辉煌。
摘要：在人造金刚石中间试验进行的同时, 开始了立方氮化硼的试制工作。中国笫一颗立方氮化硼于1966年11月10日在第一机械工业部郑州磨料磨具磨削研究所第六研究室研制成功。标志中国超硬材料发展史上又一高科技产品的诞生。经过五十年的发展, 我国不仅是世界立方氮化硼的生产大国, 而且也是生产强国。
关键词：立方氮化硼,诞生,发展与壮大
参考文献
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立方氮化硼磨具新近探究综述 篇3
1 磨削力与比磨削能
镍基高温合金是一种典型的难加工材料,由于具有优良的高温强度、热稳定性及抗热疲劳性,被广泛应用于航空、宇航、船舶及化学工业中。在航空工业中,主要用于发动机的热端部件,例如涡轮叶片、涡轮加力燃烧室及涡轮传动轴等。
高速磨削是通过提高砂轮线速度来达到提高磨削效率和磨削质量的加工方法。高速磨削可大幅度提高磨削生产效率,延长砂轮使用寿命,降低磨削表面粗糙度值,减小磨削力和工件受力变形,提高工件加工精度,降低磨削温度,实现对难磨材料的高性能加工。对普通材料而言,磨削速度达100m/s以上称为高速磨削。在磨削难加工材料时,磨削速度达80m/s即被认为是高速磨削。虽然存在烧伤和裂纹的问题,但实践证明,如果选用合适的磨削用量和冷却条件,高速磨削的优势将会非常明显。
钱源等[1]采用陶瓷cBN砂轮、电镀砂轮、钎焊cBN砂轮进行了高速磨削难加工材料试验,并针对磨削力与比磨削能进行了重点研究。
钎焊cBN砂轮为该题组自主研制的单层砂轮,其结构为镶块式。单个镶块其磨粒为有序排列,排布方式为直排,磨粒间距为1mm。
而在相同的磨削用量条件下,钎焊cBN砂轮的比磨削能最小,主要原因是钎焊砂轮的磨粒为有序排布,相邻两排磨粒之间的距离较大,砂轮不容易堵塞,磨削力较小,因此可以充分发挥cBN磨粒切削能力强的优势,进一步发挥高速磨削技术的潜力。
2 克难之星
钛合金以其比其他材料强度高、抗腐蚀性好、耐高温、疲劳强度高等优异性能在世界航空航天领域得到广泛应用。但由于钛合金体存在导热系数小、弹性模量小、回弹量大等材料特性,导致其属于典型的难加工材料,其磨削加工一直是钛合金机械加工领域的难题。钛合金表面极易发生黏附,磨削力与磨削温度极高,磨削表面质量难以控制。针对钛合金磨削加工的特性,众多学者开展了积极研究[2,3]。西北工业大学任敬心,张小福[4,5,6]等对钛合金磨削砂轮及冷却液的选择进行了大量探究实验,研究表明,水基冷却液对钛合金磨削具有较好冷却效果,陶瓷结合剂cBN砂轮是钛合金磨削较为理想的工具。宋贵亮[2]等开展了单颗cBN磨粒高速磨削实验研究,初步探究了高速磨削机理。
伴随着飞机长寿命结构件钛合金损伤容限设计需求,新一代损伤容限钛合金备受关注。TC4钛合金作为一种中强度损伤容限钛合金,具有优异的综合材料匹配性能,被广泛应用于波音客机及F—22、C-17等新一代飞机的零部件中。
为充分发挥高速磨削技术在钛合金材料加工领域的优势,系统探究钛合金的高速磨削力、磨削温度和磨削表面形态对实现钛合金高品质磨削加工具有非常重要的意义。胥军[3]等通过探究得出如下结论:
(1)采用陶瓷结合剂cBN砂轮高速磨削加工钛合金材料具有可行性。
(2)砂轮线速度为60~80m/s时,磨削表面质量良好;当砂轮线速度提高至100m/s后,磨削表面出现大量凃覆物,产生网状微裂纹等热损伤缺陷。
(3)砂轮线速度和磨削深度对磨削力、磨削温度和磨削表面形态影响显著,而工作台速度对其影响不明显。当砂轮线速度达100m/s后,磨削区冷却效果变差,磨削温度急剧升高。
(4)高速磨削钛合金时,砂轮线速度不宜超过80m/s;选择较小的磨削深度和较大工作台速度,不仅可保证工件磨削加工表面质量,还可提高加工效率。
3 磨损形式
电镀cBN砂轮作为典型的超硬磨粒砂轮其成型工艺简单且在磨削加工过程中无需整形和修锐。但是,由于其磨料层仅有一层,当磨粒发生磨损以后,无后续磨粒的补充,而且随着砂轮磨损的进行,砂轮底貌也发生一定程度的变化进而影响被磨工件的表面质量。
目前,关于电镀cBN砂轮的磨损研究主要集中在30~40m/s的低速条件下,已取得显著成果。李峰,苏宏华[4]等,针对高速磨削的特点,采用80/100目的电镀cBN砂轮进行了120m/s高速条件下磨削镍基高温合金GH4169的砂轮磨削试验研究。研究发现,随着工件材料去除体积的增加,磨削力呈现初期快速增加,随后平稳增加的变化趋势,并且顺磨与逆磨的法向力差值在平稳磨削阶段随着砂轮的磨损程度增加将逐渐加大。当砂轮线速度为120m/s,工件材料去除率为3m3/(mms)时,通过三维体视显微镜观察,发现砂轮的磨损形式以磨粒的磨耗磨损为主。
4 磨粒有序多孔
陈珍珍等[5]针对高温合金高效磨削过程中的烧伤问题,基于氧化铝空心球造孔与钎焊技术,研制了多层磨粒有序排布的多孔cBN砂轮。
多孔cBN砂轮由砂轮基体、砂轮工作层和过渡层三部分组成。
磨削烧伤的抑制对策,主要从磨削热的产生和疏导这两方面来入手。首先,为减少磨削弧区热产生,主要通过提高砂轮的锋利度及优化磨削工艺降低磨削比能。丁文锋等[6]成功研制单层磨粒有序排布钎焊cBN砂轮,并应用于高效磨削铸造镍基高温合金K424。目前,单层砂轮存在寿命有限,修整困难等问题。
针对高效砂轮磨损严重问题,Y HASUDA等人采用金属结合剂cBN砂轮磨削高温合金,实现的磨削比高达200,但由于修整困难而限制了其推广应用。其次,在磨削热疏导方面,高温合金在缓进给磨削中易产生突发烧伤,很大程度上是由于不充分的冷却液所产生的,其中,包括冷却液加注方式不合理以及砂轮气孔率不高等因素。因此,新型的大气孔多层磨粒有序排列多孔cBN砂轮应运面生。与普通多孔砂轮不同之处在于,该型砂轮工作层内的闭孔结构有利于提高砂轮强度。砂轮表面大气孔在深切磨削过程中,既能提供充分的容屑空间,又能使切屑从气孔中及时排出,防止砂轮堵塞。
研究结果表明,大切深磨削时,添加石墨块导流,可明显改善磨削弧区冷却效果,抑制工件烧伤,砂轮最大材料去除率可提高3倍以上;当材料去除率为2mm/(mm.s)时,随着磨削速度的提高,磨削温度先下降后上升,越过临界磨削速度100m/s,磨削温度则呈下降趋势;不烧伤磨削温度均维持在100℃以下。高速磨削时在切深0.2mm下,砂轮可实现最大材料去除率为20mm3/(mm.s)。
5 表面粗糙度
轴承被誉为装备制造的“心脏”部件,2015年,我国轴承产量将达到280亿套,但是,我国高挡轴承仍大量依靠进口。轴承加工精度是影响产品质量的关键因素之一,轴承内、外圈和滚动体三个零件的加工,直接决定着轴承的精度。砂轮是轴承磨削加工的关键工具,既决定轴承精度和表面质量,也决定磨削工序节能、环保和效率。
在国内,由于砂轮性价比和应用两大因素的限制,加上环保意识不强,大部分企业仍然使用普通砂轮加工轴承零件。与普通(碳化硅、刚玉)砂轮相比,cBN砂轮加工效率可提高近一倍、使用寿命提高约100倍、修整间隔延长近200倍、废渣减少约90%、工人劳动强度大幅度减小,资源节约,环境友好,尽管cBN砂轮单位体积价格高近100倍,但仍然具有诱人的应用前景和重要的研究价值。
cBN砂轮的应用技术在相当程度上影响了加工工件的效果。磨削参数的优化是应用技术的重要内容之一,既影响轴承加工精度,又影响加工效率。轴承内圆磨削加工的主要技术指标包括:表面粗糙度、锥度、椭圆度、壁厚差、振纹和烧伤等。实验过程中发现,当成功满足产品不烧伤、无振纹,能达到大规模生产效率和耐用性的要求后,表面粗糙度这一技术指标最难攻克。
刘泓等[7]采用正交实验研究砂轮磨削过程中各种磨削参数对轴承内圆表面粗糙度的影响规律,为生产过程中不同工况下磨削参数的调整提供了参考依据。
影响表面粗糙度的因素很多,最明显的是磨料的粒度。
6 弧区冷却液动压力
冷却液在控制工件表面热损伤方面起了关键性作用。其冷却作用有利于弧区热量的疏导。研究表明,冷却液将疏导弧区最大比例的热量;其润滑作用有利于降低砂轮与工件之间的摩擦而产生的热量;其冲洗外作用有利于将磨屑排出磨削弧区,避免划伤加工表面。
冷却液在磨削过程中发挥的作用不仅与其本身的物理化学特性有关,而且还依赖于整个磨削系统,特别是砂轮的构造与冷却液的供应方式。Malkin[8]应用泵的工作原理分析旋转的多孔砂轮将磨削液引入磨削弧区的现象,结果表明,冷却液出口速度、喷嘴的位置以及砂轮的孔隙率是影响冷却液有效流量的关键因素。
张志伟[9]等人使用陶瓷cBN砂轮高效磨削镍基高温合金,分析磨削工艺参数和空气挡板对弧区压力的影响,并结合工件表面烧伤现象,以及弧区压力和热流密度得出该磨削系统的合理磨削速度范围。
实验表明,磨削工艺参数中,磨削速度对弧区冷却液动压力的影响最大,压力值随着磨削速度的提高呈先升后下降的趋势;使用空气挡板可在一定磨削速度范围内提高弧区冷却液动压力。最后基于弧区压力与热流密度的关系,分析了磨削速度对工件表面烧伤的影响。该结果可从充分发挥冷却液效果,并从避免磨削烧伤的角度为磨削速度的选择提供依据。
7 热管砂轮
由于高温合金自身热性能差,在其的磨削加工过程中极易出现磨削高温,从而产生工件表面烧伤,砂轮磨损快以及加工效率低等问题[16,17]。传统观点认为,只要尽可能多地向磨削弧区注入冷却介质,便可确保磨削低弧区的换热效果,降低磨削温度。基于上述思路,现已开发出了众多磨削冷却技术与方法[18,19]。但是随着砂轮线速度、磨削深度和材料去除率的不断提高,磨弧区的面积逐渐增大,磨削弧区密闭程度逐渐升高,致使冷却介质越来越难以进入磨削弧区。因此,探索新的在高效磨削加工过程中的快速疏导磨削热的方法,强化磨削弧区换热,成为避免高温合金材料出现磨削烧伤,进而提高其磨削加工效率的关键。
热管是一种具有极高传热能力的元件,其传热能力已经远远超过任何一种已知金属。正是基于这一特性,国外早在上世纪80年代就有将热管技术应用在车削、钻削等加工领域的报道。相关结果表明,利用热管的传热作用可以有效降低车削、钻削加工区域的温度,同时延长工具的使用寿命[10,11]。但在磨削加工领域,国内相关学者则先于国外提出了利用热管技术进一步强化磨削弧区换热的构想,并已开展了一些探索性的研究工作[12,13]。
设计制作一种能够用于磨削的热管砂轮,并通过开展磨削高温合金GH4169实验,验证热管砂轮在降低磨削弧区温度和防止工件烧伤等方面的效果,这种新的方法,对于在高效磨削时避免GH4169工件烧伤和进一步提高其磨削加工效率,有着十分重要的意义。
从制造工艺的角度出发,使用传统机械加工(车削、铣削、磨削等)方法显然是不能制作出上述热管砂轮的。因此,该砂轮的基体结构只有通过焊接盖板和钢基体,随后再进行精加工得以实现。
对于热管在制作过程中抽真空的要求,一般情况下,要求获得的真空度范围在10×10-1~1.0×10-4Pa,其目的是为了尽可能减少管内不可凝结性的气体。因此,在制作热管砂轮时对其内部环形管腔的真空度要求低于5.0×10-2Pa。
为了保证砂轮整体结构强度,在砂轮基体冷凝端薄壁处一周设置了12小段的加强筋结构。
赫青山,傅玉灿[14]等的实验结果表明,在相同的实验条件下,当使用无热管的普通砂轮时,在磨削弧区会产生高温,而使用热管砂轮时可以有效将磨削温度维持在100℃以下,避免工件烧伤。
8 单层钎焊cBN砂轮
航空齿轮工作在高温、重载、腐蚀性强等恶劣环境中,需要具有良好的抗腐蚀性能和很高的表面硬度来抵抗磨损;同时,心部要有良好的断裂韧性来抵抗运行过程的冲击;此外,还需要具有优秀的高温硬度。为满足这种需求,美国在20世纪90年代开发了CSS-42L钢,它不仅具有耐高温、抗冲击和耐腐蚀等优良特性,还能通过表面热处理改善表面状态,在航空、宇航、船舶及化学工业中具有广阔的应用前景。
但其本身优异的材料特性也给其磨削加工带来了很大的困难。磨削CSS-42L时,其高强度使磨削过程消耗更多的能量,而这些能量的90%以上都转化成磨削热,同时,由于其高合金含量导致的低热导率(室温下CSS-42L坯热导率为15.3W/(m.℃)),使得磨削区产生的热量不易导出。因此,在使用普通磨料磨削CSS-42L时,存在着磨削力大、温度高、工具损耗快等问题,加工质量不易保证。
超硬材料(金刚石和cBN)工具凭借其优异的性能在加工领域,尤其是难加工材料的磨削加工领域,表现出明显的优势。特别是cBN硬度可与金刚石媲美,而热稳定性远高于金刚石。与铁族金属又具有较大的化学惰性。因此,cBN工具在各种高强度钢、高温合金等难加工材料的加工中极具发展潜力,并获得一定的应用[15,16,17,18]。
开展单层钎焊cBN砂轮磨削CSS-42L钢的研究,可以进一步扩展单层cBN砂轮的应用,同时也为CSS-42L钢的实际磨削加工提供有益参考。
为此,杨长勇等[19]人,采用单层钎焊cBN砂轮切入式磨削CSS-42L钢,分析不同磨削条件下的磨削力、温度和比磨削能等的变化规律,并与白刚玉砂轮进行了对比。他们的研究结果表明,磨削深度对磨削力和磨削温度的影响最为明显,而工件速度的影响不明显。相同情况下,采用单层钎焊cBN砂轮磨削CSS-421时的磨削力、温度、比能都低于白刚玉砂轮,亦即在切入式磨削CSS-421钢时,单层钎焊cBN砂轮的磨削加工性能优于白刚玉砂轮。
9 高效研磨技术
电控柴油机喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件,其作用的完善与否,直接影响柴油机燃烧性能以及废气的最终排放。随着国家环境要求越来越严及喷油器喷油压力越来越大,对喷油器密封性的要求也越来越高。喷油器中间体是保证喷油器密封性及可靠性的重要零部件之一,且有较高的几何精度和表面粗糙度要求。日前采用传统研磨的加工方法,存在加工效率低、加工成本高、加工精度和加工质量不稳定等缺点。
为了满足喷油器中间体高精度、高效率、低成本的研磨加工要求,吴耀宇,刘冬敏[20]等首先选用强度高、韧性好、热稳定性好的cBN280型,其粒度采用微粉级(10~20μm)cBN做磨料,选择适当浓度cBN,经过配料———成型———干燥———烧结———检验———整形等工序做成陶瓷cBN丸片。再将丸片粘在金属磨盘上,形成磨具的切削部分,最后把磨具固定到研磨机上。
整个研磨过程分预研、研磨、精研三个阶段并一次完成。在预研阶段,其主要作用是剔除零件表面毛刺,减小零件之间的高度误差。在研磨阶段,顷恒压控制,单位压力为0.05~012MPa,可根据工件数量的多少调整此过程的压力值,其加工余量为15~30μm,研磨时间约为30~70s;在精研阶段,压力逐渐降低,此时的加工余量控制在3~5μm以内。
研究的结论是:
(1)较好地解决了传统的散粒磨料慢速研磨中存在的缺点。其最大特点是能显著提高研磨加工效率,降低环境污染,保证了加工精度和表面质量的稳定性。
(2)可以通过丸片与研磨盘的制造、控制不同浓度和硬度的陶瓷cBN丸片在磨盘中的分布状态,使磨盘研磨过程中磨损均匀,保证了加工精度和表面质量的稳定性。
(3)研磨技术综合了陶瓷cBN磨具加工的高效率、长寿命和研磨加工的高精度的优势,在保证研磨加工精度和质量的同时,提高加工效率、降低了加工成本、使研磨技术进一步实用化。
(4)在保证加工表面质量的前提下(Ra003~005μm),材料去除率可达15~25μm/min,其研磨效率约为相同加工条件下传统游离磨料加工的10倍,工序成品合格率99%以上,与同类进口产品相比,加工成本降低65%以上。
结语
随着高速、超高速数控磨床的出现,高速cBN砂轮更焕发出新的活力,取代普通刚玉砂轮,在机械加工中得到广泛应用,是一种具有高精度、高效率、低消耗、低生产成本、低污染、自动化程度高等优异性能的磨具,是现代先进磨削加工工具的发展方向。
高速陶瓷cBN砂轮单片原材料消耗仅为刚玉砂轮的1/56;而加工相同工件高速陶瓷cBN砂轮原材料制造的能源消耗仅为陶瓷结合剂刚玉砂轮的1/62,而且高速陶瓷cBN砂轮是低温烧成,在制造过程中更为节能。
由于高速cBN砂轮的磨料消耗极少,产生的磨削产物也极少,使用高速cBN砂轮加工所产生的金属磨屑可以直接回收利用,而刚玉砂轮加工的消耗是高速cBN砂轮的700余倍,其磨削物大量留于磨屑中,使得磨屑的回收利用极为困难,实际生产中基本作为废弃物处理,对环境大为不利。
由于高速cBN砂轮耐用度较高,修整频次很小,而刚玉砂轮修整频次是高速cBN砂轮的100倍左右,因此使用高速cBN砂轮,使得砂轮修整中所产生的粉尘污染降为极低。
摘要：发展立方氮化硼磨具,是实现现代机械制造工业技术水平可持续提升走向高端的必由之路。因此,吸引了国内外广大科技工作者的关注。文章将就他们对立方氮化硼磨具技术发展的新近探究做一综述。从探究的结果不难看出,为了避免高速磨削所产生的高温对工件表面烧伤的风险,而提出了新型立方氮化硼磨具结构设计的新思路,不仅解决了镍基高温合金等难加材料的加工难题,而且还具有节能、消除环境污染等绿色发展的功效。
立方氮化硼的性能和应用 篇4
1.1 立方氮化硼的结构
cBN具有类似金刚石的晶体结构, 晶格常数相近 (金刚石为0.3567nm, cBN为0.3615nm) , 且晶体中的结合键基本相同, 即都是沿四面体杂化轨道形成的共价键, 在cBN的晶体结构, 若以碳原子 (C) 置换氮 (N) 和硼 (B) 原子, 便形成金刚石的晶体结构。
cBN最典型的几何形状是正四面体晶面与负四面体晶面的结合, 常见的形态有:四面体、假八面体、假六面体 (扁平的四面体) [1]。根据cBN的B、N表面腐蚀的显微结构, 四面体的cBN晶体可分为两种:一种是硼四面体, 即四个表面是硼表面;另一种是氮四面体, 即四个表面是氮表面。二者的特征不同。
1.2 立方氮化硼的性能
1.2.1 硬度
立方氮化硼莫氏硬度为9.7 (金刚石10) , 维氏硬度为7500 (金刚石10000) , 仅次于金刚石。超硬材料 (立方氮化硼与立方金刚石) 的共价键“键角”为109°28′。正是这个109°28′共价键键角, 使得立方氮化硼与立方金刚石具有最高的硬度而被称为超硬材料。
冯士光[2]认为超硬材料存在“三取向”10928定律, 即: (1) 当体系处于平衡稳定态时, 109°28′是力学领域结构强度最高的取向; (2) 当体系平衡稳定遭到破坏而处于不稳定状态时, 109°28′是“应力能”自发高效地释放时阻力最小的“途径”取向, 而裂纹走向即内在应力能释放取向的外在表征; (3) 109°28′是空间结构高效、低耗的最优化取向。
1.2.2 强度
强度是cBN产品分级和评定其质量的重要指标[3]。影响单晶强度的因素包括应力状态的特点、亚结构、尺寸、晶形、内部和表面存在的裂纹及其它缺陷。在脆性状态中, 单晶强度与结晶块的散射角大小成正比, 而散射角是亚结构的重要特征之一。亚结构对cBN强度特性的影响研究表明, 当块状晶体散射角增加到一定值 (1°~2.5°) 时, 发现强度有提高的趋势。当散射角更大时, 块状晶体强度明显地降低到接近集合体的强度;复杂断层结构的块状单晶体具有最高的强度。
1.2.3 导热性
cBN有很好的导热性, 其导热系数 (79.54 w/m·k) 虽赶不上金刚石 (146.5 w/m·k) , 但大大高于高速钢 (16.7~25.1 w/m·k) 和硬质合金 (20.33~80.77 w/m·k) 。随着切削速度的提高, cbn的导热系数也逐渐增高, 这有利于降低切削区的温度而减少扩散磨损。
1.2.4 热稳定性和化学稳定性
cBN具有很高的热稳定性, 可承受1200℃以上的切削温度, 并且cBN的化学惰性大, 在中性、还原性气体介质中对酸和碱具有很高的化学稳定性。cBN具有很高的抗氧化能力, 在1000℃时也不会发生氧化现象[4]。真空中, 温度至1550℃才发生从cBN至hBN的相变。cBN对于铁、钢和氧化环境具有化学惰性, 在氧化时形成一薄层氧化硼, 此氧化物为涂层提供了化学稳定性, 因此它在加工硬的铁材、灰铸铁时耐热性也极为优良。
立方氮化硼的耐热性主要是由它的成份及结构决定的。立方氮化硼虽然与金刚石具有相似的结构, 但金刚石表面的碳原子键未饱和, 在高温 (720℃以上) 条件下, 这些未饱和的表面碳原子易与氧原子结合生成碳的氧化物而逸出晶体, 使晶体逐渐剥离而解体。而立方氮化硼晶体表面为氮、硼原子所覆盖, 硼原子的电子层结构为1s22s22p1, 可提供三个成键电子, 使晶体表面的硼原子的价键处于饱和状态没有空悬键, 因而在金刚石氧化温度下仍处于相对热稳定状态[5]。
正是由于氮化硼的这些特异的性质, 人们在生长氮化硼晶体材料方面做了很多工作, 进行了不懈的努力, 尤其是立方氮化硼的制备。1957年, Wentorf首次利用高温高压方法, 以六方氮化硼为原料, 通过相变得到立方氮化硼。从此有关立方氮化硼的合成研究形成了材料研究领域的一个热点[6]。
2 立方氮化硼的应用
cBN由于其优异的性能在材料加工领域发挥着日益重要的作用。目前cBN主要用作磨具和刀具。
2.1 立方氮化硼磨具
cBN磨具是用不同类型的结合剂将cBN磨料粘接在一起并制成一定形状的一种工具, 具有极高的使用寿命, 被称作“半永久性磨具”。可分为金属结合剂磨具、树脂结合剂磨具、电镀结合剂磨具、陶瓷结合剂磨具四类。这四种磨具中, 以陶瓷结合剂模具发展最快。在世界范围内, 陶瓷结合剂cBN磨具的比例已由80年代的4%上升到目前50%以上, 呈迅速增长之势[7]。这是由于陶瓷cBN磨具磨削效率高, 形状保持性好, 耐用度高, 易于修整, 砂轮使用寿命长, 因而成为高效、高精度磨削的首选磨具。
cBN磨具应用领域不断扩大, 已推广到轴承、汽车、机床、压缩机等行业中普通黑色金属材料的加工。使用过程中大余量粗精磨一次完成, 使磨削工件表面呈压应力状态从而提高工件20%~30%的使用寿命, 综合降低磨削成本10%以上。近年来国内进口成套cBN磨削技术呈快速增长之势, 国产cBN磨具的制造和应用技术进入高水平和快速发展的新阶段。
2.2 立方氮化硼刀具
由于受cBN制造技术的限制, 目前制造直接用于切削刀具大颗粒的cBN仍很困难, 为此PCBN (Polycrystalline cubic boron nitride) 聚晶cBN得到了很快发展。PCBN是在高温高压下将微细的cBN材料通过结合相烧结在一起的多晶材料, 其组织中各微小晶粒呈无序排序, 硬度均匀、没有方向性, 克服了单晶cBN易解理和各向异性等不足。
PCBN刀具有3种结构形式:整体PCBN刀具、PCBN复合刀片及电镀立方氮化硼刀具, 以PCBN复合刀片应用最为广泛。PCBN复合刀片是在强度和韧性较好的硬质合金基体上烧结或压制一层0.5~1mm厚的PCBN而成的, 解决了cBN刀片抗弯强度低和焊接困难等问题, 既能胜任淬硬钢、轴承钢、高速钢、工具钢、冷硬铸铁的粗车和精车, 又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削加工, 是实现以车代磨的最佳刀具之一。
参考文献
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[4]Jacobson, S.M.Nathan, N.B.Gregory, R.T.Darren, E.Richard.Hightemperature oxidation of boron nitride:II, boron nitride layers in composites[J].Journal of the American Ceramic Society, 1999, 82 (6) :1473-1482.
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[6]H.Sachdev, M.Strauβ.Investigation of the chemical reactivity and stability of c-BNP[J].Diamond and Related Materials, 1999 (8) :319-324.
立方氮化硼晶体 篇5
早在1957年, 美国研究人员就采用人工方法在高温高压条件下首次合成了立方氮化硼, 但天然的立方氮化硼一直未被发现。直至2009年, 美国加州大学河滨分校、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家和来自中国、德国科研机构的同行一起, 在中国青藏高原南部山区地下约306公里深处古海洋地壳的富铬岩内找到了这种矿物, 其在大约1300摄氏度高温、118430个大气压的高压条件下形成了晶体。
该团队以中国地质科学院地质研究所教授方青松的名字将新矿物命名为qingsongite (词尾ite代表盐类) 。方青松于上世纪70年代在西藏的富铬岩石中首次找到钻石, 同时他还为4种新矿物的发现作出了贡献。
“qingsongite的独特之处在于, 它是第一种被发现是在地球深处极端条件下形成的硼矿物。”参与此项研究的加州大学河滨分校地球科学系的地质学家拉丽莎·杜柏兹奈斯卡亚说:“所有其他已知的硼矿物都是在地球表面找到的。”
立方氮化硼是一种重要的技术材料。其原子结构与金刚石中的碳原子结构类似, 因此它具有高密度的特性, 硬度可媲美钻石, 常被用作磨料和刀具材料。
立方氮化硼硬车刀片相关知识简介 篇6
立方氮化硼刀具(cBN刀具或PcBN刀具)的硬度一般为HV3000~5000,精HV硬度换算HRC相当于HRC95~100,对于HRC50以上高硬度淬火工件高速加工降低成本来讲最为经济划算。目前,立方氮化硼刀具用于黑色金属加工领域,是耐磨性最高的刀具材料,经过论证,立方氮化硼刀片(cBN刀具)的寿命一般是硬质合金刀片和陶瓷刀片的几倍到几十倍,而且随着研究的进步,立方氮化硼刀具(cBN刀具)适应各种高硬度复杂材料的加工,华菱HLcBN新研制的立方氮化硼刀具牌号BN-K10,可以加工HRC70以上硬度的碳化钨,在国内尚属首例;但同时,立方氮化硼刀具相对于硬质合金材料刀片,其脆性大是不争的事实,针对立方氮化硼刀片硬而脆的弱点,华菱超硬HLcBN曾推出的适合断续切削和重载粗加工立方氮化硼刀片牌号,以华菱超硬BN-S20牌号数控刀片为例,它不仅可以断续切削淬硬钢,也可以大余量切除工件的淬硬层,但前提是并没有牺牲刀具的耐磨性,这是与市场上的立方氮化硼刀具最大的不同。 (中国刀具商务网)
立方氮化硼晶体 篇7
超高速磨削加工是先进制造领域最引人关注的高效加工技术之一。超高速磨削有生产效率高、砂轮使用寿命长、磨削表面粗糙度值低、磨削温度低及磨削力和工件受力变形小, 工件加工精度高等特点。
钛合金以其比强度高、耐腐蚀性好、耐高温、疲劳强度高等一系列优异性能在世界航空航天领域得到广泛应用。由于钛合金存在导热系数小、弹性模量小、回弹量大等材料特性, 导致其属于典型难加工材料, 其磨削加工一直是钛合金机械加工领域的难题。为充分发挥高速磨削技术在钛合金材料加工领域的优势, 系统探究钛合金高速磨削力、磨削温度和磨削表面形态对实现钛合金高品质磨削加工具有非常重要的意义。
1 在船舶曲轴磨削中的应用
船舶曲轴是船舶发动机的关键零部件, 被视为船舶柴油机的“心脏”, 对船舶的安全起着至关重要的作用, 其加工质量和加工效率直接影响发动机的质量与成本。为提高曲轴的质量与加工效率, 采用高速陶瓷cBN砂轮加工成为普遍趋势之一。随着我国高速/超高速汽车曲、凸轮轴数控磨床的研制成功, 高速cBN砂轮在相关制造行业得到了推广应用。国家从中长期科学和技术发展的角度出发, 由工信部支持了两项与曲轴高速磨削加工相关的国家科技重大专项项目。基于这两个项目, 鲁涛, 杜雄[1]等介绍了超高速磨削船舶曲轴用陶瓷结合剂cBN砂轮在大型船舶曲轴磨床上的磨削成果, 并以此为契机推动高速超高速陶瓷cBN砂轮在船舶等行业发动机关键零部件加工方面的应用。
他们对陶瓷结合剂cBN砂轮工作层配方和砂轮基体进行优化设计后, 制备了船舶曲轴用cBN砂轮, 并进行了磨削试验研究, 其结论是:
(1) 对于硬度较低、韧性较好、不进行热处理的钢材料, 采用自锐性好、硬度品级的cBN磨料和高份量结合剂、高浓度磨料制作的砂轮工作层, 能够达到对材料进行高速磨削的要求。
(2) 通过对基体进行有限元分析和优化设计, 优化了基体的结构, 使其在满足砂轮对基体力学要求的前提下, 达到了质量最小化, 优化后基体的质量减少了45%。
(3) 砂轮磨削曲轴时, 砂轮的修整方法对砂轮的磨削效果影响较为显著, 砂轮的动平衡量对磨削效果影响较小。砂轮的最佳修整参数为:顺修, 滾轮转速3000r/min, 砂轮转速450r/min, 纵向的移动速度230mm/min。
2 在航空发动机零件高效精密加工中的应用
近几年来, 航空业对发动机性能的要求不断提高, 零件的结构越来越复杂, 所用的材料性能也在不断提高, 加工难度越来越大。高速、高效、高精度的cBN砂轮在航空发动机零件磨削加工中的应用, 可大大提高加工效率和零件的质量, 成为高效精密加工领域研究的方向之一。
航空发动机零件的结构比较复杂, 材质多为钛合金和镍基高温合金。磨削加工中, 通常使用陶瓷刚玉或碳化硅砂轮, 采用平面、外圆或成型磨削工艺, 在低速磨床上进行深切缓进磨削。这种磨削方式材料去除率很低, 砂轮损耗较快, 需要频繁修整, 工件加工质量一致性差。
与传统的磨削工艺相比, 高效精密磨削技术可以有效提高磨削加工效率及加工表面的质量, 实现高的材料去除率。同时作为高效精密磨削加工中的重要工具, cBN砂轮具有导热性好、稳定性好、耐用度高等特点, 特别适合于钛合金、镍基高温合金等难加工材料的加工。所以, 越来越多的专家和学者开始关注cBN砂轮在航空零件高效精密磨削中的应用, 并围绕cBN砂轮在航空领域的应用开展了多方面的研究工作。
郑州磨料磨具磨削研究所有限公司的闫宁, 李学文等[2]通过对cBN砂轮在航空发动机零件的高效磨削进行研究, 在他们的分析中指出:
(1) 在航空发动机零件的加工中, 与普通陶瓷砂轮相比, cBN砂轮具有明显优势及广阔的应用前景。
(2) 航空发动机零件高效精密磨削技术的飞速发展, 推动了cBN砂轮市场的需求, 给cBN砂轮制造厂家带来了前所未有的机遇和挑战。
(3) cBN环砂轮在航空发动机行业的推广应用, 需要航空发动机生产厂家、砂轮厂家及磨床厂家的共同合作, 从而实现产品升级换代, 技术创新。
3 磨削轴承内圆
轴承被誉为装备制造的“心脏”部件, 2015年, 我国轴承产量将达到280亿套, 但是, 我国高档轴承仍大量依靠进口。轴承加工精度是影响产品质量的关键因素之一, 轴承内、外圆和滾动体三个零件的磨削加工, 直接决定着轴承的精度[3]。砂轮是轴承磨削加工的关键工具, 既决定轴承精度和表面质量, 也决定磨削工序节能、环保和效率。在国内, 由于砂轮性价比和应用技术两大因素的限制, 加工环保意识不强, 大部分企业仍然使用普通砂轮加工零件。与普通砂轮相比, cBN砂轮加工效率可提高近一倍、使用寿命提高约100倍、修整间隔延长近200倍、废渣减少约90%、工人劳动强度大幅度降低、资源节约、环境友好, 尽管cBN砂轮单位体积的价格高了近100倍, 但仍有诱人的应用前景和重要的研究价值。
cBN砂轮应用技术在相当程度上影响了加工工件的效果。实验发现, 当成功满足产品不烧伤、无振纹、能达到大规模生产效果和耐用性要求后, 表面粗糙度这一技术指标最难攻克。在兼顾效率和效果时, 为了使表面粗糙度满足要求, 各种参数如何调整, 调整幅度多大比较合适?刘泓, 刘仲武[4]等采用正交实验研究这一问题。预选砂轮磨削参数的研究区间, 采用正交实验研究砂轮磨削过程中各种磨削参数对轴承内圆表面粗糙度的影响规律[5,6], 为生产过程中不同工况下磨削参数的调整提供了参考依据。
研究的结论是:
(1) 光磨时间和线速度对加工内圆表面粗糙度影响明显, 振荡频率和进给速度对表面粗糙度的影响相对较小。
(2) 正交实验可以一定程度的量化各参数对表面粗糙度的影响幅度。利用这种影响规律, 可在实际生产过程中优化磨削参数。
(3) 正交实验理论分析优化实验参数组合时, 粗糙度值是0.824 5μm, 与实际结果为0.775 4μm~0.837 5μm基本相符, 证明正交实验是一种用于优化磨削参数的合适的研究方法。
4 高速cBN砂轮在机械加工中的应用[7]
陶瓷cBN砂轮, 从原材料生产过程, 砂轮的制造过程及砂轮的使用过程, 对资源和能源的消耗都是极低的, 属于节能型的高技术产品, 是其它磨削工具无法比拟的。
4.1 节约原材料和能源
以加工凸轮轴和曲轴为例进行分析:
(1) 磨削汽车零件———凸轮轴加工
在加工相同的工件条件下, 高速陶瓷cBN砂轮的耐用度是普通陶瓷刚玉砂轮的100倍, 是普通陶瓷刚玉砂轮寿命的44.4倍, 单片原材料消耗仅为普通陶瓷刚玉砂轮的1/56。从实际生产过程来看, 普通砂轮的更换频繁, 修整次数多, 采用高速陶瓷cBN砂轮可替代刚玉砂轮提高生产率30%以上。
(2) 磨削汽车零件———曲轴加工
在砂轮制造过程中, 高速陶瓷结合剂cBN砂轮采用低温结合剂, 烧成温度在900℃左右, 而刚玉砂轮烧成温度在1300℃, 同等重量的砂轮可节约能源消耗近一半。如此算来, 加工同等数量的工件, 在砂轮制造过程中的能源消耗, 普通刚玉砂轮是高速磨陶瓷cBN砂轮的100倍以上。
由于高速cBN砂轮的磨料消耗极少, 产生的磨削产物也极少, 使用高速cBN砂轮加工所产生的金属磨屑可以直接回收利用, 而相同的工件数量, 使用刚玉砂轮进行加工, 刚玉磨料的消耗是高速cBN砂轮的100余倍, 其磨削残留物留于磨屑中, 使得磨屑的回收利用极为困难, 实际生产中基本作为废弃物处理, 对环境保护大为不利。高速cBN砂轮耐用度较高, 修整频次很小, 而刚玉砂轮修整频次是高速cBN砂轮的100倍左右。因此, 使用高速cBN砂轮可以极大地减少砂轮修整次数, 使得砂轮修整中所产生的粉尘污染大幅度降低。
4.2 减少加工工序, 缩短生产周期, 降低生产成本
同样, 以加工凸轮轴和曲轴为例进行分析:
(1) 凸轮轴磨削
实验结果显示, 高速陶瓷cBN砂轮的磨损速度比刚玉砂轮少上百倍, cBN砂轮的磨削生产周期较短, 单片cBN砂轮磨削一根4缸8凸轮轿车凸轮轴仅用2min, 采用双片cBN砂轮的加工效率可以在1min之内完成;而刚玉砂轮则需要3min, cBN砂轮修整时间少, 刚玉砂轮每磨4个凸轮就需要修整, cBN砂轮磨600个凸轮才需修整一次。cBN砂轮较高的生产效率减少了劳动费用和企业管理费用, 综合生产成本比刚玉砂轮磨削降低了60%。
(2) 曲轴磨削
用cBN砂轮磨削一个四缸轿车发动机曲轴轴颈及侧面, 耗时不到1min。而这个过程要去除曲颈上10mm的余量和曲颈端面上3mm的余量, 一片砂轮可以磨削40 000~60 000个工件[8]。采用陶瓷cBN砂轮加工, 不仅节省了车削、车铰等粗加工工序, 同时也缩短了粗、精加工之间所需热处理时间, 使生产周期大为缩短。
5 应用技术研究成果荟萃
徐西鹏[9]等采用SiC、cBN砂轮对TC4进行了缓进给的磨削对比试验, 结果表明, cBN砂轮的磨削性能明显优于SiC砂轮。
徐西鹏[10]等分别采用Al2O3、cBN砂轮对k417航空叶片材料进行了缓进给的磨削对比试验, 结果显示, 与Al2O3砂轮相比, cBN砂轮在磨削效率和耐磨性方面具有很大优势。
傅玉灿[11,12]等针对钛合金的烧伤机理进行了分析, 研究了开槽cBN砂轮深切缓进给磨削钛合金的过程, 采用构造的热源模型, 得到了磨削弧区工件表层温度分布的理论解析式, 并结合表层温度的数据, 证实了开槽cBN砂轮辅以弧区定向高压水射流冲击强化了换热时, 具有良好的冷却效果。
陈琛[13]等采用热管砂轮缓进给深切磨削钛合金试验, 结果表明, 热管砂轮能将磨削弧区聚集的热量, 通过砂轮内部热管的换热作用快速疏导岀去, 从而有效降低磨削热, 避免了工件的烧伤。
郑州三磨所研制的陶瓷cBN砂轮, 采用深切缓进的磨削工艺磨削高温合金榫齿, 与普通陶瓷刚玉砂轮相比, 在切深不变的情况下, 工件的进给速度可由原来的200mm/min增加到600mm/min, 工件表面粗糙度值由原来的Ra0.8~1.6μm降低到04μm。目前, 已有部分规格的cBN砂轮在航空零件缓进深切磨削工艺中得到应用。
邱琦[14]研究了高速/超高速磨削加工原理, 结果表明, 普通磨削是通过磨粒切削刃对材料的剪切作用实现去除材料的目的, 而高速/超高速磨削是通过磨料对材料的高速冲击, 形成一椭圆形的高温高压流动体, 流动体内的流动物质在磨粒的高速挤压下从磨粒的前端溢出来, 同时随磨粒的运动被带出磨削区域, 从而形成磨屑。该技术用于加工钛合金材料为代表的高黏度、高韧性的工件时, 也能获得良好的加工效果。
盛晓敏[15]等, 采用陶瓷cBN砂轮对TiC4钛合金进行了超高速磨削, 当砂轮速度为150m/s、切削深度为18mm时, 材料去除率达到180mm3/ (mm·s) 。
黑华征[16]对钛合金进行了砂轮速度为150m/s的高效成型磨削试验, 材料去除率达到100mm3/ (mm·s) , 结果显示, 工件表面形貌较好, 无烧伤。
6 结语
(1) cBN砂轮是高速磨削技术发展的必要条件, 随着高速/超高速磨削技术的发展, 其在航空发动机零件加工中的应用备受关注。
(2) 近年来, 高效深切磨削技术作为“现代磨削技术发展高峰”, 是缓进给磨削和高速/超高速磨削的完美结合。此磨削技术是加工钛合金材料的一种切实可行的方法, 能极高地提高加工效率, 降低加工成本, 并能得到较好的表面质量。
(3) 近年来, 随着超高速磨削技术的快速发展, 高强度结合剂的制备、砂轮基体优化设计、异型砂轮的成型等关键技术已成为专家学者研究开发的热点。
(4) cBN砂轮在航空发动机行业的推广应用, 需要航空发动机生产厂家、砂轮厂家及磨床厂家的共同合作, 从而实现产品升级换代, 技术创新。
(5) cBN砂轮由于其自身的优异性能, 已有部分规格型号在航空发动机零件磨削加工中得到应用。但是, 如果从砂轮-工艺-磨床的综合性能优化匹配方面考虑, cBN砂轮在航空领域的推广目前还存在诸如磨床性能需要提升, cBN砂轮的匹配性不好等问题。
(6) 使用高速cBN砂轮不仅能有效地减少原材料的消耗, 而且能显著地节约能源。
(7) 高速cBN砂轮具有高效率、高精度、低磨削成本、低环境污染等优势, 代表了今后磨具产品的发展方向, 是实现绿色加工的有效手段。