全面介绍立方氮化硼性质及在磨具方面的应用

发表于 讨论求助 2020-04-17 18:40:50


立方氮化硼的性质

1.立方氮化硼的物理性质

  

纯净的CBN是无色透明的。由于原料纯度及合成工艺的影响,可呈现黑色、褐色、琥珀色、橘黄色、黄色等。CBN的理论密度为3.48g/cm³,实际密度3.39~3.44g/cm³.常压下CBN的熔点在3000℃左右;10.5MPa压力下,熔点在3220℃左右。室温下的热传导率为1.3KW·K-1·m-1,导热性也很好。其热膨胀系数为3.5X10-6K-1,也较小,但稍高于金刚石。CBN的折射率为2.117,电阻率为102~1010Ω·cm,介电常数为4.5。

  

2.立方氮化硼的机械性质

  

强度:抗压强度为7.2GPa,抗弯强度为294MPa。中国国家标准规定,对于70/80粒度,I型CBN的单颗粒抗压强度不低于19.6N,II型CBN的单颗粒抗压强度不低于27.44N。

  

3.立方氮化硼的化学性质

  

立方氮化硼的化学组成为43.6%B和56.4%N。主要杂质有SiO2、B2O3、Al2O3、Fe、Mg、Ca等。

  

立方氮化硼的热稳定性和对铁族元素及其合金的化学惰性明显优于金刚石。金刚石在500~700℃时就开始氧化,且由于反应产物是气体(CO2),金刚石的破坏会继续直到消耗完为止。CBN在800℃以上开始与空气或氧气发生作用生成B2O3!

  

CBN的硬度虽比金刚石低,但由于其与含铁黑色金属的化学惰性和较好的热稳定性,使其金属磨除率达到金刚石的10倍,很快地解决了淬火钢等硬而韧的难磨金属材料的加工问题。这也是CBN得以较快发展的原因。


立方氮化硼在磨具方面的应用

由于立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异,不仅能胜任难磨材料的加工,提高生产率,有利于严格控制工件的形状和尺寸精度,还能有效地提高工件的磨削质量,显著提高磨后工件的表面完整性,因而提高了零件的疲劳强度,延长了使用寿命,增加了可靠性,加上立方氮化硼磨料生产过程在能源消耗和环境污染方面比普通磨料生产好,所以,扩大立方氮化硼磨料磨具的生产和应用是机械工业发展的必然趋势。

  

与金刚石相似,立方氮化硼磨料也可以分别用树脂结合剂、金属结合剂、陶瓷结合剂制成不同的磨具。


  

与其他结合剂CBN磨具相比,陶瓷结合剂CBN磨具具有如下特性

  

(1)陶瓷结合剂CBN磨具具有可控的气孔率。气孔对磨削钢铁的CBN磨具是非常重要的  陶瓷结合剂CBN磨具表面的气孔能够为磨屑提供容屑和排屑空间,有利于磨屑从磨削区排除而避免磨具的堵塞和由此而产生的摩擦热。磨具表面的气孔同时能为冷却液提供通道,式冷却液在磨削接触区及其附近广泛分布,因而使磨削温度降低,减少或避免了磨削烧伤。

  

(2)陶瓷结合剂CBN磨具的开放式结构使磨粒能够最佳暴露突出而保证磨具具有极好的自由切削性能和高的工件材料去除速率。磨具磨削能力小,比磨削能低,磨削性能好。

  

(3)陶瓷结合剂良好的耐热性能使CBN磨料的高热稳定性得到充分利用,磨具使用寿命较长,而树脂结合剂在200℃左右就不能有效地保持磨粒。

  

(4)陶瓷结合剂CBN磨具热膨胀系数较小,刚性好,磨削时让刀小,适合高精度低粗糙度磨削。

  

(5)陶瓷结合剂CBN磨具容易修整,修正和修锐可一次完成,维护费用较低。

  

(6)陶瓷结合剂CBN磨具自锐性较好,修整间隔较长,减少了修整频度。

  

(7)陶瓷结合剂CBN磨具化学稳定性好,对磨削液的适应范围较广。

  

(8)陶瓷结合剂CBN磨具磨削工件表面完整性好,工件质量高,使用寿命长。

  

陶瓷结合剂CBN磨具一般由CBN磨料、辅助磨料、结合剂三类物质构成。因此磨具制造一定要充分考虑各组成之间的物理和化学相容性。其中结合剂是陶瓷结合剂CBN磨具制造的首要关键。用于CBN磨具制造的陶瓷结合剂应达到以下要求。

  

①结合剂耐火度及烧成温度要较低。为了避免磨料性能劣化,CBN磨具制造应选用低温陶瓷结合剂制造。从国内外情况来看,都采用低于1000℃的烧成温度。

  

②结合剂的强度要高。磨具在磨削过程中,会受到各种应力,如张应力、热应力、振动应力、切削应力等。如果磨具不具有足够的强度,就很难进行使用。特别是磨具在高速旋转时离心力很大,使磨具中产生很大的张应力。若磨具强度不够,就会使磨具破裂。陶瓷结合剂CBN磨具的强度,主要由结合剂的性能、磨具的结构、磨具制备工艺等因素决定。结合剂本身的强度是关键,它很大程度上决定着磨具强度的高低和使用性能。随着世界上的高速高效磨削技术的发展,CBN磨具的使用速度一般都较高,因而对结合剂强度有较高的要求。

  

③结合剂的热膨胀系数与磨料的热膨胀系数要相匹配。要使CBN磨具在制造和使用过程中不开裂,必须保证各组成之间具有较好的热膨胀匹配性。只有这样,磨具在经受温度变化时,各部分膨胀或收缩才能保持一致,不容易产生裂纹、开裂而影响磨具的强度。由于CBN磨料的热膨胀系数较低,比普通磨料小,因而要求结合剂的热膨胀系数也相应较小,从而保证磨料与结合剂之间的牢固结合。

  

④高温润湿性要好、结合剂对磨料的高温润湿性能的好坏,直接影响着结合剂与磨料的结婚状况的好坏,也直接影响着结合剂对磨料的把持强度。结合剂对磨料的高温润湿性的好坏是关系到两者能否产生良好结合的先决条件之一。如果结合剂对磨粒的高温润湿性很差,在烧成时结合剂很难流铺到磨粒表面,这样结合剂就不能将磨粒包裹住,就不能形成良好的黏结,从而会导致磨具强度较低,磨粒容易脱落。因此,为了保证磨料与结合剂之间的良好黏结,结合剂必须有较好的高温润湿性。

  

⑤结合剂与磨料之间应无明显的化学反应。要保证CBN磨料固有的高硬度、耐磨损等优良特性,CBN磨料与陶瓷结合剂、辅助磨料之间都不能发生明显的化学反应。因为一旦有化学反应发生必然有新物质生产,这些新物质的生成必然是以CBN磨料的消耗为代价,必定造成CBN这类昂贵材料的损失。

  

⑥结合剂要有合适的高温流动性。结合剂的高温流动性也对CBN磨具的强度及制备工艺有较大的影响。若结合剂流动性过低,则结合剂黏度大,不易流动,不易均匀地分布于磨粒之间,因而会影响结合剂和磨粒之间的结合状况,不能保证磨具应有的机械强度;相反,若结合剂流动性过大,则结合剂黏度过低,很容易从磨粒间流出并造成制品变形。因此结合剂要有合适的流动性。

  

具有较好的导热性。为了将磨削热尽快传递转移和避免工件烧伤,结合剂尽可能具有较好的导热性,从而提高磨具整体的导热性能,有利于磨削区域的冷却。


陶瓷结合件CBN磨具作为一类高速、高效、高精度、低磨削成本、低环境污染的高性能磨具产品,代表了当今磨具产品的一个主要发展方向,应用前景十分广阔。目前,已经用于汽车、轴承、机床、工具、空调、飞机等许多领域的部件磨削加工中。典型的应用有汽车曲轴磨削、凸轮轴磨削、连杆磨削、轴承内孔、轴承沟道的磨削;机床导轨的磨削;空调、冰箱压缩机的磨削;飞机发动机叶片等部件的磨削等,极大地提高了加工效率、加工精度和部件使用寿命。




往期回顾:

1、超硬材料涂附磨具的发展现状研究

2、切削难加工材料对刀具性能和材料的选择

3、【收藏+转发】史上最全改进电镀金刚石工具性能的方法

4、电镀金刚石刀具切割石材磨损实验




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