超硬刀具材料

1、發(fā)展概況編輯國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r早在50年代，美國(guó)就利用人造金剛石微粉和人造CBN微粉在高溫、高壓、觸媒和結(jié)合劑的作用下燒結(jié)成尺寸較大的聚晶塊作為刀具材料。之后，南非戴比爾（DeBeers）公司、前蘇聯(lián)和日本也相繼研制成功。70年代初又推出了金剛石或CBN和硬質(zhì)合金的復(fù)合片，它們是在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)或壓制一層0.5mm1mm的PCD或PCBN而成，從而解決了超硬刀具材料抗彎強(qiáng)度低、鑲焊困難等問(wèn)題，使超硬刀具的應(yīng)用進(jìn)入實(shí)用階段。目前，又出現(xiàn)了人工合成大單晶金剛石，以及用CVD（化學(xué)氣相沉積）法制出的金剛石薄膜涂層和金剛石厚膜等功能性材料，大大拓寬了超硬刀具材料的應(yīng)用領(lǐng)域。中國(guó)發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)超硬刀具材料的

2、研究與應(yīng)用開始于70年代，并于1970年在貴陽(yáng)建造了我國(guó)第一座超硬材料及制品的專業(yè)生產(chǎn)廠第六砂輪廠，從19701990年整整20年中，超硬材料年產(chǎn)量?jī)H從46萬(wàn)克拉增至3500萬(wàn)克拉。90年代前后不少超硬材料生產(chǎn)專業(yè)廠從國(guó)外引進(jìn)了成套的超硬材料合成設(shè)備及技術(shù)，產(chǎn)量得到迅速增加，至1997年我國(guó)人造金剛石年產(chǎn)量就已達(dá)到5億克拉左右，CBN年產(chǎn)量達(dá)800萬(wàn)克拉，躍居世界上超硬材料生產(chǎn)大國(guó)之首。3應(yīng)用背景編輯隨著材料工業(yè)及精密機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，精密切削、超精密切削和難切削材料使用的增多，超硬刀具材料的應(yīng)用日益廣泛。超硬材料刀具具有工效高、使用壽命長(zhǎng)和加工質(zhì)量好等特點(diǎn)，過(guò)去主要用于精加工，近幾年來(lái)由于改進(jìn)

3、了人造超硬刀具材料的生產(chǎn)工藝，控制了原料純度和晶粒尺寸，采用了復(fù)合材料和熱壓工藝等，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，除適于一般的精加工和半精加工外，還可用于粗加工，被國(guó)際上公認(rèn)為是當(dāng)代提高生產(chǎn)率最有希望的刀具材料之一。利用超硬材料加工鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金等零件，其切削速度可比硬質(zhì)合金高一個(gè)數(shù)量級(jí)，刀具壽命可比硬質(zhì)合金高幾十、甚至幾百倍。同時(shí)它的出現(xiàn)，還使傳統(tǒng)的工藝概念發(fā)生變化，利用超硬刀具常?？芍苯右攒嚒姶ィɑ驋伖猓?，對(duì)淬硬零件加工，可用單一工序代替多道工序，大大縮短工藝流程。4本質(zhì)編輯人工合成單晶金剛石的尺寸、形狀和性能都具有良好的一致性，目前由于高溫高壓的技術(shù)日趨成熟，能夠制備具有一定尺寸的人

4、工合成單晶金剛石，De Beers公司和美國(guó)生產(chǎn)的合成單晶金剛石顆粒尺寸可達(dá)9-10mm,使其在生產(chǎn)中應(yīng)用迅速發(fā)展。尤其在加工高耐磨的層狀木板時(shí)，其性能要優(yōu)于PCD金剛石，不會(huì)引起刃口過(guò)早鈍化。人造聚晶金剛石(PCD)人造聚晶金剛石復(fù)合片(PCD/CC)PCD又稱金剛石燒結(jié)體，是在高溫超高壓條件下，通過(guò)鈷等金屬結(jié)合劑將金剛石微粉聚合成的多晶體材料。其硬度雖低于天然單晶金剛石，但它是隨機(jī)取向的金剛石晶粒的聚合，屬各向同性，用作刀具時(shí)可以任意取向刃磨，無(wú)需像ND必須選用最佳的解理面作為前刀面。在切削時(shí)，切削刃對(duì)意外損壞不很敏感，抗磨損能力也很強(qiáng)，可長(zhǎng)時(shí)間保持鋒利的切削刃，加工時(shí)可采用很高的切削速度

5、和較大的吃刀量(例如在車削或鏜削鋁合金、黃銅、青銅及其合金時(shí)，切削速度為300-1000m/min,進(jìn)給量為0.05-0.5mm/r,吃刀量可達(dá)10mm),使用壽命一般高于硬質(zhì)合金(WC基)刀具10-500倍，而且PCD原料來(lái)源豐富，其價(jià)格只有ND的幾十分之一至十幾分之一，因此應(yīng)用廣泛，成為傳統(tǒng)WC刀具的高性能替代品。PCD的性能與金剛石的晶粒尺寸及結(jié)合劑的含量有關(guān)。De Beers公司生產(chǎn)的PCD刀片有002、010和025幾種，晶粒的平均尺寸分別為2、10和25微米。晶粒尺寸越大，耐磨性越好，但刃口質(zhì)量稍差，難以制成高精度刀具。相反，用細(xì)晶粒PCD制成的刀具、刃口質(zhì)量好。為提高PCD刀片的

6、韌性和可焊性，通常將PCD與硬質(zhì)合金復(fù)合做成復(fù)合刀片(PCD/CC),即以硬質(zhì)合金為基底，在其表面燒結(jié)或壓制一層0.5-1mm厚的PCD而成。這種復(fù)合刀片(又稱壓層刀片)的抗彎強(qiáng)度與硬質(zhì)合金基本一致，而工作表面的硬度接近整體PCD，且可焊性好，重磨容易，成本低，故應(yīng)用廣泛。PCD/CC常用焊或機(jī)夾方式制作刀具。英國(guó)Smith公司研制多層金剛石復(fù)合片，其頂層金剛石濃度為100%,往下逐步下降，同時(shí)硬質(zhì)合金逐漸增加，到襯底全部為硬質(zhì)合金。這種復(fù)合片的強(qiáng)度高，抗沖擊性能好，特別適用于吃刀量大、有沖擊載荷的加工使用。日本住友電工公司采用鐵基合金作基體，所制造的金剛石復(fù)合片鉆頭因PCD與鋼刀體有親和作用

7、，可保證復(fù)合片與刀體的連結(jié)更為牢固。必須指出，PCD刀具的刃口鋒利性和加工的工件表面質(zhì)量均不如ND,同時(shí)其可加工性很差，磨削比小，難以根據(jù)刀頭的幾何形狀任意成形，至今還不能方便地制造帶斷屑槽的可轉(zhuǎn)位PCD刀片和立銑刀等幾何形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶立方氮化硼復(fù)合片(PCBN/CC)PCBN或PCBN/CC制造方法與PCD或PCD/CC相似，是以CBN為原料，經(jīng)高溫高壓制成聚晶立方氮化硼或其復(fù)合片(PCBN/CC)。PCBN/CC的性能兼有較好的韌性和較高的硬度及耐磨性，抗彎強(qiáng)度可達(dá)1.47GPa,可經(jīng)多次重磨使用。PCBN的性能與CBN的粒度、含量及結(jié)合劑種類有關(guān)，按其組

8、織大致可分為兩大類一類是由CBN晶粒直接結(jié)合而成，CBN含量多(70%以上),硬度高，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結(jié)金屬的切削加工；另一類是以CBN晶粒為主體，通過(guò)陶瓷結(jié)合劑(主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al2O3等)燒結(jié)而成，這類PCBN中CBN含量少(70%以下),硬度低，適用于淬硬鋼的切削加工。CVD金剛石PCD、PCBN和人工合成單晶金剛石均是在高溫高壓下合成的，而CVD金剛石是在低壓下合成的CVD金剛石有兩種形式CVD薄膜涂層(CD)和CVD厚膜(TFD)。CD是用CVD工藝，在硬質(zhì)合金基體(常用K類合金)上沉積一層厚度約10-30微米，由多晶組成的膜狀金剛石而成。因基體

9、易于制成復(fù)雜形狀，故適用于幾何形狀復(fù)雜的刀具。據(jù)報(bào)道，美國(guó)和日本等國(guó)家已相繼推出了CD的絲錐、鉆頭、立銑刀和帶斷屑槽的可轉(zhuǎn)位刀片(如瑞典Sandvik公司的CD1810和美國(guó)Kennametal公司的KCD25牌號(hào))等產(chǎn)品，用于有色金屬和非金屬材料的高速精密加工，刀具壽命比未涂層的硬質(zhì)合金刀具提高近十倍，有些甚至數(shù)十倍。TFD是沉積厚度可達(dá)1mm的無(wú)襯底金剛石厚膜，根據(jù)需要再將厚膜切割成一定的大小，然后焊在硬質(zhì)合金刀片上使用。TFD有很好的綜合性能，它沒有天然金剛石各向異性的缺點(diǎn)，由于不用金屬結(jié)合劑，雜質(zhì)含量低，純度接近100%,故硬度和熱導(dǎo)率比PCD更高，摩擦因數(shù)更小，化學(xué)穩(wěn)定性更好，可采用

10、比PCD刀具更高的切削速度，韌性和強(qiáng)度則稍低于PCD。外國(guó)已有TFD的商品供應(yīng)。TFD未來(lái)可取代昂貴的天然金剛石刀具或PCD金剛石刀具。電鍍金剛石或電鍍CBN電鍍金剛石或電鍍CBN是以金屬鎳和鈷等作結(jié)合劑，利用電鍍工藝把金剛石或CBN的細(xì)小顆粒包鑲在一定尺寸和幾何形狀的刀具基體表面，再經(jīng)適當(dāng)修磨制成。此法制造工藝簡(jiǎn)單，只需要電鍍?cè)O(shè)備即可。例如，鄭州磨料磨具磨削研究所和山東蓬萊金剛石工具廠等生產(chǎn)的電鍍金剛石或電鍍CBN鉸刀屬于這類刀具。使用表明，用其可成功地加工尺寸精度和幾何形狀精度都小于2Mm、表面粗糙度達(dá)Ra0.2-0.1微米的孔。例如，廣泛用于液壓隨動(dòng)系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)精密偶件的閥孔，目前生產(chǎn)

11、上最終工序大多以這種鉸刀加工。5性能特點(diǎn)編輯金剛石具有極高的硬度和耐磨性，其顯微硬度可達(dá)10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同時(shí)它的摩擦系數(shù)小，與非鐵金屬無(wú)親和力，切屑易流出，熱導(dǎo)率高，切削時(shí)不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量好。能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、末燒結(jié)的硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強(qiáng)的復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨的木材（尤其是實(shí)心木和膠合板等復(fù)合材料）。金剛石的缺點(diǎn)是韌性差，熱穩(wěn)定性低。700800時(shí)容易碳化，故不適于加工鋼鐵材料。因?yàn)樵诟邷叵妈F原子容易與碳原子作用而使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)。此外，用它切削鎳基合金時(shí)，同樣也會(huì)迅速磨損

12、。CBN的硬度僅次于金剛石（可達(dá)8000HV9000HV），并且熱穩(wěn)定性高（達(dá)12501350），對(duì)鐵族元素化學(xué)惰性大，抗粘結(jié)能力強(qiáng)，而且用金剛石砂輪即可磨削開刃，故適于加工各種淬硬鋼、熱噴涂材料、冷硬鑄鐵和35HRC以上的鈷基和鎳基等難切削材料。6應(yīng)用前景編輯超硬刀具材料是一種先進(jìn)的刀具材料，在生產(chǎn)中有著廣闊的應(yīng)用前景。人造超硬刀具材料，目前單晶的向粗顆粒、高強(qiáng)度、多功能方向發(fā)展。美國(guó)GE公司現(xiàn)可工業(yè)生產(chǎn)出6克拉重的人造金剛石（約10mm），最大顆粒達(dá)11.14克拉重。PCD則向大直徑、細(xì)粒度、高抗沖擊、高熱穩(wěn)定性方向發(fā)展。PCD應(yīng)用前景PCD最大直徑已可達(dá)74mm，然后用激光切割成所需的任

13、何形狀。PCD顆粒的商品尺寸為2m25m；顆粒越細(xì)，切削刃的質(zhì)量越好；顆粒越大，刀具使用壽命越長(zhǎng)。DeBeers公司生產(chǎn)的PCBN產(chǎn)品，最大直徑為101.6mm，可加工70HRC的高硬度材料。此外，據(jù)英國(guó)專利介紹，英國(guó)還研制出一種在PCD和PCBN刀片外表面上用CVD法沉積一層鎳、銅、鈦、鈷、鉻、鉭的混合物，以及氮化鈦或碳化鈦的防護(hù)涂層，其耐磨性可比普通PCD和PCBN刀片高4倍。CVD應(yīng)用前景CVD金剛石薄膜和厚膜是近幾年新研制出的功能性材料，盡管至今生產(chǎn)還未形成規(guī)模，但因其性能優(yōu)異，有著廣泛的用途。天然和人工合成的單晶金剛石，以及PCD和TFD之間存在著相互交叉的應(yīng)用領(lǐng)域，它們?cè)谝欢ǔ潭壬夏芟嗷パa(bǔ)充，須根據(jù)不同具體情況，特別是性能價(jià)格比加以選用。預(yù)計(jì)在新世紀(jì)，超硬刀具材料CBN和金剛石將得到更多的應(yīng)用，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)制造出嶄新的刀具材料的品種，具有更優(yōu)異的性能。據(jù)Lellond公司介