刀具-超硬刀具材料發(fā)展與應用解析_研究報告

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超硬刀具材料的發(fā)展與應用。

一、超硬刀具材料發(fā)展概況

超硬刀具材料是指天然金剛石及硬度、性能與之相近的人造金剛石和CBN（立方氮化硼）。由于天然金剛石價格比較昂貴，所以生產(chǎn)上大多采用人造聚晶金剛石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）以及它們的復合材料。

早在20世紀50年代，美國就利用人造金剛石微粉和CBN微粉在高溫、高壓、觸媒和結合劑的作用下燒結成尺寸較大的聚晶塊作為刀具材料。之后，南非戴比爾斯（DEBEEM）公司、前蘇聯(lián)和日本也相繼研制成功。20世紀70年代初又推出了金剛石或CBN和硬質合金的復合片，它們是在硬質合金基體上燒結或壓制一層0.5MM～1MM的PCD或PCBN而成，從而解決了超硬刀具材料抗彎強度低、鑲焊困難等問題，使超硬刀具的應用進入實用階段。

我國超硬刀具材料的研究與應用開始于上個世紀70年代，并于1970年在貴陽建造了我國第一座超硬材料及制品的專業(yè)生產(chǎn)廠第六砂輪廠，從1970—1990年整整20年中，超硬材料年產(chǎn)量從僅46萬克拉增至3500萬克拉。上個世紀90年代前后，不少超硬材料生產(chǎn)專業(yè)廠從國外引進成套的超硬材料合成設備及技術，使產(chǎn)量得以迅速提高，至1997年，我國人造金剛石年產(chǎn)量就已達到5億克拉左右，CBN年產(chǎn)量達800萬克拉，躍居世界超硬材料生產(chǎn)大國之首。

金剛石具有極高的硬度和耐磨性，其顯微硬度可達10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同時它的摩擦系數(shù)小，與非鐵金屬無親和力，切屑易流出，熱導率高，切削時不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質量好，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、末燒結的硬質合金、各種纖維和顆粒加強的復合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨的木材（尤其是實心木和膠合板等復合材料）。

金剛石的缺點是韌性差，熱穩(wěn)定性低。700一800℃時容易碳化，故不適于加工鋼鐵材料。因為在高溫下鐵原子容易與碳原子作用而使其轉化為石墨結構。此外，用它切削鎳基合金時，同樣也會迅速磨損。

二、超硬刀具的主要品種及應用

目前，在世界上已經(jīng)應用或正在試驗中的超硬刀具材料的主要品種有以下幾種。

1、天然和人工合成大單晶金剛石

單晶金剛石有天然金剛石（ND）和人工合成金剛石兩種。單晶金剛石用于制作切削刀具必須是大顆粒的（質量大于0.1G，最小徑長不得小于3MM）。ND是目前已知礦物中最硬的物質，其顯微硬度可達10000HV，耐磨性好，而且切削刃非常鋒利，刃部粗糙度值小，摩擦因數(shù)低，抗黏結性好，熱導率高，切削時不易黏刀及產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質量好。天然金剛石的硬度、抗磨損與抗腐蝕性和化學穩(wěn)定性保證了刀具的超長壽命，能保證持續(xù)長久的正常切削，并減少由于刀具磨損對被加工零件的影響；其較高的導熱系數(shù)又可降低切削溫度和零件的熱變形。天然大單晶金剛石的優(yōu)良特性可滿足精密及超精密切削對刀具材料的大多數(shù)要求，雖然其價格昂貴卻仍被公認為是理想的精密及超精密切削工具材料�？蓮V泛地應用于加工原子核反應堆及其它高技術領域的各種反射鏡、導彈和火箭中的地航陀螺、計算機硬盤基片，加速器電子槍的超精密加工以及傳統(tǒng)手表零件、首飾、制筆、有色金屬裝飾件的精密加工等。此外，還可以用于制造醫(yī)用刀具。ND的缺點主要是與鐵族元素接觸時有化學反應，在700～800℃時將碳化（即石墨化），一般不適于加工鋼鐵材料。

2、聚晶金剛石和聚晶金剛石復合刀片

PCD又稱金剛石燒結體，它是在高溫、高壓下，通過鈷等金屬結合劑將許多金剛石單晶粉聚晶成的多晶體材料。雖其硬度稍低于天然單晶金剛石，但它是隨機取向的金剛石晶粒的聚合，屬各向同性，無解理面。因而它不像大單晶金剛石那樣在不同晶面上的強度、硬度及耐磨性有很大的差別，以及因解理面的存在而呈脆性。在切削時，切削刃對意外損壞不很敏感，抗磨損能力也較強，可長時間保持鋒利的切削刃，加工時可采用很高的切削速度和較大的背吃刀量，使用壽命一般高于WC基硬質合金刀具10～50倍，而且PCD原料來源豐富，其價格只有ND的幾十分之一至十幾分之一，PCD刀具具有極高的硬度及壽命、很低的摩擦系數(shù)、鋒利的刀刃、優(yōu)異的導熱性和低膨脹系數(shù)等特點，現(xiàn)已成為傳統(tǒng)WC基硬質合金刀具的高性能替代品。聚晶金剛石復合片（PDC）刀具材料是在PCD研究的基礎上發(fā)展起來的。硬質合金作為PCD的基體材料既有好的韌性和一定的硬度，同時又具有可焊性以及與PCD的某種兼容性。所以它既具有金剛石的硬度和耐磨性，又具有硬質合金的韌性和可焊性之優(yōu)點。

3、CVD金剛石

CVD金剛石是在低壓下制備的，它不同于大單晶金剛石，而PCD、PDC是在高溫高壓下合成的。CVD金剛石包括三類：第一種是在適當基體上沉積的CVD金剛石涂層（包括類金剛石DLC涂層）；第二種是沉積厚度達1MM的無支撐的CVD金剛石厚膜；第三種是在金剛石晶種上外延生長的CVD金剛石單晶膜或準單晶膜。CVD金剛石由于是不含任何金屬催化劑的純金剛石，因此它的熱穩(wěn)定性接近天然金剛石。同高溫高壓人工合成聚晶金剛石一樣，CVD聚晶金剛石晶粒也呈無序排列，無脆性解理面而呈各向同性。CVD涂層刀具與PCD、PDC刀具相比，具有刀具形狀復雜、成本低、一片多刀刃等優(yōu)點。然而，也存在金剛石涂層與基體之間結合強度低以及對有CVD金剛石涂層的刃口進行研磨處理時容易分層剝落的缺陷。

到目前為止，CVD金剛石的應用市場還不大；CVD金剛石厚膜與PDC相比，主要優(yōu)點是其熱穩(wěn)定性好，缺點是晶粒間的內聚強度低，內應力大、相對脆性大和不導電性。特別是缺乏導電性，阻礙了它在電火花（EDM）切割、拋光加工技術中的應用。而該項技術在金剛石刀具加工業(yè)，尤其是在木材加工用刀具的生產(chǎn)和修整上得到了廣泛應用。

4、聚晶立方氮化硼

目前，市場上聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具按成分和制造方法可分為3種：整體聚晶立方氮化硼刀具、聚晶立方氮化硼復合片以及電鍍立方氮化硼刀具。它具有極高的硬度與耐磨性，具有很高的耐熱性，具有良好的化學穩(wěn)定性和導熱性，摩擦系數(shù)也較低，PCBN與PCD、PDC刀具材料有著相似的結構與性質，但耐磨性比PCD、PDC要差。然而PCBN具有良好的抗化學腐蝕性，且在1200℃的高溫下，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。目前50％的PCBN刀具用于汽車制造業(yè)，包括用于加工汽車發(fā)動機箱體、剎車盤、傳動軸、氣缸孔、發(fā)動機進出氣閥座等，另外，約20％用于重型設備（如軋輥）的加工。近年來，隨著計算機加工技術的迅猛發(fā)展以及數(shù)控機床普遍使用，可實現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長壽命加工的PCBN刀具的應用也日益普及，同時還引入了許多先進的切削加工概念，如高速切削、硬態(tài)加工、以車代磨、干式切削等。PCBN刀具材料已成為現(xiàn)代切削加工中不可缺少的重要的刀具材料。

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超硬刀具材料發(fā)展與應用解析