1. 緒言
　　 1954年通用電器公司研發(fā)部門成功地合成了人造金剛石，此后于1957年又成功地合成了CBN。合成金剛石及CBN已成了不可或缺的研磨材料。現(xiàn)在由于超高壓合成技術(shù)的進(jìn)步，這些產(chǎn)品已在全世界大量生產(chǎn)。這種金剛石和cBN粉末通過在更大的超高壓下燒結(jié)成所需的形狀，生產(chǎn)出了全新的工具材料。時下這些被稱之為PCD(金剛石聚晶)或PCBN(立方氮化硼聚晶)的超高壓燒結(jié)工具材料用于切削工具、掘進(jìn)工具和耐磨工具，不光是在機(jī)械加工方面，在其它方面也占有重要地位。
　　 2. CBN燒結(jié)體工具材料的開發(fā)
　　 2.1 CBN燒結(jié)體的種類
　　 CBN的基本特性與用作其它的工具材料的物質(zhì)的比較示于表1。CBN的硬度和強(qiáng)度雖不如金剛石，但在高溫下卻更穩(wěn)定，但高溫下與鐵系材料的反應(yīng)也小。 表1 一些硬材料的特征 材 料 比 重 楊氏模量 維氏硬度 熱量系數(shù) 熱膨漲系數(shù)
　　 金剛石 3.52 99 79000 5.0 3.1
　　 CBN 3.48 71 4500 3.1 4.7
　　 WC 15.8 70 1700-2400 0.29 5.1
　　 TiC 4.92 46 3200 0.08 0.09
　　 Al2O3 3.98 42 3000 0.015-0.10 8.5
　　 因而，對于鋼和鑄鐵的磨削加工來說，相對于過去的磨料，高性能、經(jīng)久耐用的cBN磨料具有更廣泛的用途。
　　 上世紀(jì)70年代，在超高壓下對CBN進(jìn)行燒結(jié)，研制出比硬質(zhì)合金和陶瓷工具等性能更優(yōu)的切削工具材料。通用電器用少量Co-Al合金作結(jié)合劑，進(jìn)行了燒結(jié)體的研制開發(fā)。
　　 在獲取CBN聚晶體的試驗中，若僅用CBN粉末為起始原料，在通常用于金剛石合成的5～6GPa個大氣壓的壓力下無法進(jìn)行燒結(jié)。因而，可用以下方法進(jìn)行必要的降壓處理：用六面體BN原料的情況下，在由六面體BN向立方BN進(jìn)行相轉(zhuǎn)移的同時進(jìn)行燒結(jié)，及在沖擊加壓法合成的由微細(xì)的一次粒子組成的WBN(鉛鋅礦型BN)作原料時，在WBN向立方BN轉(zhuǎn)移的同時進(jìn)行燒結(jié)。用這些方法得到的燒結(jié)體硬度極高，但作為工具材料，還缺乏必要的韌性。這可能是向CBN的相轉(zhuǎn)移不徹底或粒間的不純物的影響所致。
　　 另一方面，通用電器公司開發(fā)的CBN燒結(jié)體是以CBN粉末為原料，在超高壓下，將WC-Co硬質(zhì)合金和Al與CBN放置在一起，從而使CBN粉末在浸于 Co-Al熔體的情況下燒結(jié)而成,CBN的含量約占容積的約85%。另外，Co-Al起到了六面體BN→立方BN的合成觸媒的功能。燒結(jié)體中的Co-W- B-C系的化合物(與WC-Co硬質(zhì)合金相類似)。該燒結(jié)體作為鑄鐵和耐熱合金的切削工具，現(xiàn)在仍在廣泛使用。但對淬火鋼等鋼的切削來說，其耐磨損性能尚未達(dá)到實用化的程度。
　　 2.2 CBN-TiN(TiC)-Al系燒結(jié)體的開發(fā)
　　 CBN在鋼和鑄鐵的高性能磨削方面，也取得成功。但是，在用于切削加工時，在與被切削材料的反應(yīng)和在高溫下的穩(wěn)定性方面仍存在問題，這是因為切削與磨削不同，切削刃將持續(xù)地暴露于高溫之下。因而，住友公司以TiC、TiN等耐熱性化合物為結(jié)合劑，進(jìn)行了CBN燒結(jié)體的研發(fā)。
　　 現(xiàn)以CBN-TiN燒結(jié)體為例，將這類材料的基本情況敘述如下。在制法上，將CBN粉末(平均粒徑3μ以下)粉末按一定比例(CBN含量在燒結(jié)體中占 30～80體積%)混合，脫氣處理后，用超高壓裝置在壓力約5GPa、溫度約1400℃下進(jìn)行燒結(jié)。將得到的燒結(jié)體焊接在硬質(zhì)合金的基底上進(jìn)行切削試驗。
　　 燒結(jié)體的硬度隨cBN含量的增高而增大。但切削淬火鋼時的工具壽命與CBN含量并不呈直線關(guān)系，而是在CBN含量在60體積%時壽命最長，而在80體積%時卻大為下降。切削硬質(zhì)合金時的磨損曲線如圖所示。在切削這種含極高硬度成分的材料時，CBN含量高的燒結(jié)體磨損小。
　　 夏本等曾對用CBN含量不同的CBN-TiN系燒結(jié)體切削淬火鋼時的磨損特性發(fā)表了研究成果。據(jù)此研究，在切削HRC60的淬火鋼時，CBN含量為60體積%的工具壽命最長。被切削材料硬度在HRC35以上的淬火鋼時，被切削材料硬度越高，工具壽命越長。
　　 2.3 CBN燒結(jié)體工具的應(yīng)用
　　 由于CBN-TiN(TiC)系燒結(jié)體的開發(fā)成功，使得過去要依賴磨削加工的淬火鋼的切削加工成為可行。現(xiàn)在CBN燒結(jié)體工具最大的用途是汽車零部件等的淬火鋼的切削。
　　 近年來，cBN燒結(jié)體工具在鑄鐵高速切削方面的應(yīng)用也引起了人們的關(guān)注。可以高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械加工中心的開發(fā)成功，現(xiàn)已經(jīng)可以將加工速度提高到 1000m/min以上。在這種高速旋轉(zhuǎn)條件下，工具的切削刃溫度達(dá)到1000℃左右。像硬質(zhì)合金這種具金屬結(jié)合劑的工具因耐熱性不足，壽命極短。因而需要用到耐熱性優(yōu)良的陶瓷或CBN工具。CBN工具的切削速度在1500m/min時工具壽命達(dá)到峰值。關(guān)于切削速度對工具壽命的影響問題，需考慮幾個關(guān)鍵因素，新谷等就cBN工具切削刃的粘附物與工具壽命的關(guān)系作了分析。據(jù)研究，被切削材料鑄鐵中所含的Al以氧化物形式粘附于CBN工具的切削刃，對工具的磨損產(chǎn)生影響。
　　 CBN燒結(jié)體工具作為淬火鋼、鑄鐵、耐熱合金及其它難切削材料的切削工具，市場范圍正在逐漸擴(kuò)大。另外，出于環(huán)保目的，也要求進(jìn)行干式機(jī)械加工，或由磨削加工轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢骷庸ぁＴ诖吮尘跋拢珻BN燒結(jié)體工具越來越受關(guān)注。