浅析机械加工中超硬材料刀具的发展与应用

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 浅析机械加工中超硬材料刀具的发 展与应用 摘 要随着材料工业及精密机械 工业的发展，精密切削、超精密切削和 难切削材料使用的增多，超硬刀具材料 的应用日益广泛。本文通过分析超硬刀 具材料的发展状况，对主要品种的应用 进行探讨。 中国论文网 /1/view-12796793.htm 关键词 超硬刀具刀具材料金刚 石 中图分类号：G64 文献标识码： A 文章编号： 1009-914X（2015）19- 0235-01 1 超硬刀具材料发展概况 超硬刀具材料是指天然金刚石及 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 硬度、性能与之相近的人造金刚石和 CBN（立方氮化硼） 。由于天然金刚石 价格比较昂贵，所以生产上大多采用人 造聚晶金刚石（PCD） 、聚晶立方氮化 硼（PCBN）以及它们的复合材料。 早在 20 世纪 50 年代，美国就利 用人造金刚石微粉和 CBN 微粉在高温、 高压、触媒和结合剂的作用下烧结成尺 寸较大的聚晶块作为刀具材料。之后， 南非戴比尔斯（DeBeem）公司、前苏 联和日本也相继研制成功。20 世纪 70 年代初又推出了金刚石或 CBN 和硬质 合金的复合片，它们是在硬质合金基体 上烧结或压制一层 0.5mm1mm 的 PCD 或 PCBN 而成，从而解决了超硬 刀具材料抗弯强度低、镶焊困难等问题， 使超硬刀具的应用进入实用阶段。 我国超硬刀具材料的研究与应用 开始于上个世纪 70 年代，并于 1970 年 在贵阳建造了我国第一座超硬材料及制 品的专业生产厂第六砂轮厂，从 19701990 年整整 20 年中，超硬材料 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 年产量从仅 46 万克拉增至 3500 万克拉。 上个世纪 90 年代前后，不少超硬材料 生产专业厂从国外引进成套的超硬材料 合成设备及技术，使产量得以迅速提高， 至 1997 年，我国人造金刚石年产量就 已达到 5 亿克拉左右，CBN 年产量达 800 万克拉，跃居世界超硬材料生产大 国之首。 金刚石具有极高的硬度和耐磨性， 其显微硬度可达 i0000HV，.是刀具材料 中最硬的材料。同时它的摩擦系数小， 与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热 导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工 表面质量好，能有效地加工非铁金属材 料和非金属材料，如铜、铝等有色金属 及其合金、陶瓷、末烧结的硬质合金、 各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、 橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材 （尤其是实心木和胶合板等复合材料）： 金刚石的缺点是韧性差，热稳定 性低。700-800 时容易碳化，故不适 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 于加工钢铁材料。因为在高温下铁原子 容易与碳原子作用而使其转化为石墨结 构。此外，用它切削镍基合金时，同样 也会迅速磨损。 2 超硬刀具的主要品种及应用 目前，在世界上已经应用或正在 试验中的超硬刀具材料的主要品种有以 下几种。 2.1 天然和人工合成大单晶金刚 石 单晶金刚石有天然金刚石 （ND）和人工合成金刚石两种；单晶 金刚石用于制作切削刀具必须是大颗粒 的（质量大于 0.1g 最小径长不得小于 3mm） 。ND 是目前已知矿物中最硬的物 质，其显微硬度可达 10000HV，耐磨性 好，而且切削刃非常锋利，刃部粗糙度 值小，摩擦因数低，抗黏结性好，热导 率高，切削时不易黏刀及产生积屑瘤， 加工表面质量好。天然金刚石的硬度、 抗磨损与抗腐蚀性和化学稳定性保证了 刀具的超长寿命，能保证持续长久的正 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 常切削，并减少由于刀具磨损对被加工 零件的影响；其较高的导热系数又可降 低切削温度和零件的热变形。天然大单 晶金刚石的优良特性可满足精密及超精 密切削对刀具材料的大多数要求，虽然 其价格昂贵却仍被公认为是理想的精密 及超精密切削工具材料。可广泛地应用 于加工原子核反应堆及其它高技术领域 的各种反射镜、导弹和火箭中的地航陀 螺、计算机硬盘基片，加速器电子枪的 超精密加工以及传统手表零件、首饰、 制笔、有色金属装饰件的精密加工等。 此外，还可以用于制造医用刀具。ND 的缺点主要是与铁族元素接触时有化学 反应，在 700 800C 时将碳化（即石 墨化） ，一般不适于加工钢铁材料。 2.2 聚晶金刚石和聚晶金刚石复 合刀片 PCD 又称金刚石烧结体，它是在 高温、高压下，通过钴等金属结合剂将 许多金刚石单晶粉聚晶成的多晶体材料。 虽其硬度稍低于天然单晶金刚石，但它 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 是随机取向的金刚石晶粒的聚合，属各 向同性，无解理面。因而它不像大单晶 金刚石那样在不同晶面上的强度、硬度 及耐磨性有很大的差别，以及因解理面 的存在而呈脆性。在切削时，切削刃对 意外损坏不很敏感，抗磨损能力也较强， 可长时间保持锋利的切削刃，加工时可 采用很高的切削速度和较大的背吃刀量， 使用寿命一般高于 WC 基硬质合金刀具 1050 倍，而且 PCD 原料来源丰富， 其价格只有 ND 的几十分之一至十几分 之一，PCD 刀具具有极高的硬度及寿命、 很低的摩擦系数、锋利的刀刃、优异的 导热性和低膨胀系数等特点，现已成为 传统 WC 基硬质合金刀具的高性能替代 品。聚晶金刚石复合片（PDC）刀具材 料是在 PCD 研究的基础上发展起来的。 硬质合金作为 PCD 的基体材料既有好 的韧性和一定的硬度，同时又具有可焊 性以及与 PCD 的某种兼容性。所以它 既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有 硬质合金的韧性和可焊性之优点。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 2.3 CVD 金刚石 CVD 金刚石是在低压下制备的， 它不同于大单晶金刚石，而 PCD、PDC 是在高温高压下合成的。CVD 金刚石 包括三类：第一种是在适当基体上沉积 的 CVD 金刚石涂层（包括类金刚石 DLC 涂层） ；第二种是沉积厚度达 1mm 的无支撑的 CVD 金刚石厚膜；第三种 是在金刚石晶种上外延生长的 CVD 金 刚石单晶膜或准单晶膜。CVD 金刚石 由于是不含任何金属催化剂的纯金刚石， 因此它的热稳定性接近天然金刚石。同 高温高压人工合成聚晶金刚石一样， CVD 聚晶金刚石晶粒也呈无序排列， 无脆性解理面而呈各向同性。CVD 涂 层刀具与 PCD、PDC 刃具相比，具有 刀具形状复杂、成本低、一片多刀刃等 优点。然而，也存在金刚石涂层与基体 之间结合强度低以及对有 CVD 金刚石 涂层的刃口进行研磨处理时容易分层剥 落的缺陷。 到目前为止，CVD 金刚石的应 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 用市场还不大；CVD 金刚石厚膜与 PDC 相比主要优点是其热稳定性好，缺 点是晶粒间的内聚强度低，内应力大、 相对脆性大和不导电性。特别是缺乏导 电性，阻碍了它在电火花（EDM）切割、 抛光加工技术中的应用。而该项技术在 金刚石刀具加工业，尤其是在木材加工 用刀具的生产和修整上得到了广泛应用。 2.4 聚晶立方氮化硼 目前，市场上聚晶立方氮化硼 （PCBN）刀具按成分和制造方法可分 为 3 种：整体聚晶立方氮化硼刀具、聚 晶立方氮化硼复合片以及电镀立方氮化 硼刀具。它具有极高的硬度与耐磨性， 具有很高的耐热性，具有良好的化学稳 定性和导热性，摩擦系数也较低、 PCBN 与 PCD、PDC 刀具材料有着相似 的结构与性质，但耐磨性比 PCD、PDC 要差。然而 PCBN 具有良好的抗化学腐 蚀性，且在 120Q的高温下，表现出 良好的热稳定性，目前 50%的 PCBN 刀 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 具用于汽车制造业，包括用于加工汽车 发动机箱体、刹车盘、传动轴、气缸孔、 发动机进出