超硬刀具材料的发展与应用

1、第九届中国国际机床展览会上看到更多具有自主知识产权的、具有国际水平的国产量具量仪展品,为把我国从“制造大国”建成“制造强国”,让我们全行业共同努力。“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”,仅以此与中国量具量仪行业同仁共勉!参考文献1羡一民.第六届中国国际机床展览会(CIMT99量仪展品概述.工具技术,2000(22谢华锟.第七届中国国际机床展览会(CIMT2001量仪展品技术评述.工具技术,2001(73谢华锟.第八届中国国际机床展览会(CIMT2003量仪展品述评.工具技术,2003(74谢华锟.CIMT2003量具展品点评.WMEM,2003(125相关公司样本、CIMT展览会会刊第一作者:谢

2、华锟,研究员级高级工程师,成都工具研究所,610051成都市超硬刀具材料的发展与应用于启勋北京理工大学摘要:对立方氮化硼和金刚石等超硬刀具材料的发展过程、种类、性能、制造方法和应用范围作了全面介绍,同时介绍了近来发明的新型超硬刀具材料氮化碳(C x N y,并通过切削试验对几种超硬刀具材料的切削性能进行了比较分析。关键词:超硬刀具材料,立方氮化硼,金刚石,氮化碳,切削加工Development and Application of Ultrahard Cutting Tool MaterialYu QixunA bstract:The development process,kinds,pro

3、perties,manufacture method and application area of cubic boron nitride,dia-mond and other ultrahard materials are overall introduced.Meanwhile a new kind of ultrahard tool materialC x N y invented in re-cent years is introd uced.The cutting properties of several ultrahard tool materials are compared

4、 and analyzed through cutting tests.Keywords:ultrahard cutting tool material,cubic boron nitride,diamond,carbon nitride,cutting machining1引言常用刀具材料有高速钢、硬质合金和陶瓷,它们的主要硬质成分是碳化物、氮化物和氧化物。例如,高速钢是加入了合金成分(如W、Mo等的碳化铁;硬质合金的主要成分是WC、TiC、TiCN等;陶瓷则是Al2O3和Si3N4。这些化合物的硬度最高达到3000HV,若加上粘接物质,其总体硬度则在2000HV 以下。对于某些难加工材料的

5、加工,具有上述硬度的刀具材料已不能胜任。于是超硬刀具材料便应运而生,在20世纪的后50年中得到了很大的发展。超硬材料的化学成分及其形成硬度的规律与其他刀具材料不同:立方氮化硼是非金属硼化物,晶体结构为面心立方;而金刚石则由碳元素转化而成,其晶体结构与立方氮化硼相似,它们的硬度大大高于传统刀具材料。近年来又出现了一种新型超硬刀具材料氮化碳,其硬度亦与立方氮化硼相近。本文将阐述上述三类超硬刀具材料的发展过程、种类、性能、制造方法和应用范围。2超硬刀具材料的发展过程几千年前,人类就已经发现和使用天然金刚石;而人造金刚石的制造和应用则是20世纪后半世纪的事。氮化硼是人造材料,其发展过程与人造金刚石大体

6、同步。人造金刚石以往多在高温、高压(热压法条件下形成,称为PCD,后来又出现了其他制造方法。PCD人造金刚石的研究始于1940年,1954年美国正式宣告人造金刚石研制成功,并于1957年开始工业生产。瑞典也于1962年开始人造金刚石的工业生产。到1969年,全世界人造金刚石产量为4000万克拉(当时天然金刚石年产量为4400万克拉。1963年中国研制成功PCD,到1996年中国人造金刚石产量已达2.4亿克拉,出口量达68.5千万克拉。21世纪初,中国人造金刚石最高年产量已达10亿克拉以上,居全世界首位。近年来亦有外国公司年产人造金刚石达1亿克拉以上。1957年,美国GE公司压出立方氮化硼(CB

7、N单晶粉;70年代初制成聚晶PCB N刀具。1972年,前编辑:兴顺金刚石选型机联系电话:135*苏联亦制成PCB N 刀具。1966年中国研制成功单晶CBN ;稍后,聚晶PCBN 研制成功。近年来,国内又采用化学气相沉积(CVD 法制成人造金刚石。如北京天地公司已能够制造和销售各种C VD 金刚石制品。十几年前,美国物理学家A M Lin 和M L Cohen 应用分子工程理论,设计出新型超硬无机化合物氮化碳(C x N y 。我国武汉大学王仁卉教授也对7种结构的C 3N 4粉末衍射谱进行过计算;武汉大学吴大维教授等用dc 反应磁控溅射法在不同刀具上沉积C 3N 4薄膜,取得了较大的进展。3

8、超硬刀具材料的种类超硬刀具材料(尤其是金刚石的种类较多。立方氮化硼包括:CB N 单晶粉,可用于制作磨料、磨具;PCB N 聚晶片及聚晶复合片,可用于制作切削刀具及其他工具。金刚石分为天然金刚石(ND 与人造金刚石。人造金刚石包括:PCD 单晶粉,用于制作磨料、磨具;PCD 单晶粒,可做刀具,并可作为光学、电子高科技原材料;PCD 聚晶片及聚晶复合片,用于制作切削工具及其他工具。此外,还有人造CVD 金刚石厚膜与薄膜,可用于刀具、工具制造和光学、电子方面的应用。在刀具或其他工具上可以通过涂制C x N y 薄膜(厚35m ,成为涂层刀具(工具。4超硬刀具材料的制造方法人造超硬刀具材料的制造方法

9、有很多种,这里主要介绍热压法和气相沉积法。 (1热压法用热压法制造金刚石和立方氮化硼所用的设备为六面顶或两面顶的液压机。压制单晶超硬材料,需将原料置于叶蜡石的腔体中。压制PCD 单晶粉的原料是石墨片,石墨片与触媒剂Ni Mn 片层叠置于腔体中;压制PCD 聚晶片的原料是PCD 单晶粉,加入结合剂Ni 、Si 、Co 等。压制CB N 单晶粉的原料为六方氮化硼(HBN ;压制PCB N 聚晶片的原料为CBN 单晶粉,同时需置入触媒剂与结合剂。故压制单晶与聚晶制品,需先后分两次进行,其工艺分别见图1、图2。热压时腔温约为16001900,顶锤部压力约为50006000MPa ,加热与施压时间约为几

10、分钟右墨+Ni -Mn 片56万atm 1600金刚石单晶粉12min(a 压单晶金刚石单晶粉+结合剂56万a tm 1800PCD 聚晶片3min (b 压聚晶图1PCD 金刚石热压工艺HB N 粉+触媒剂56万atm 1600CB N 单晶粉10min(a 压单晶CBN 单晶粉+结合剂56万atm 1800PCBN 聚晶片3min (b 压聚晶图2CBN 热压工艺至十几分钟。对于单晶与聚晶、PCD 与CB N 制品,在不同的压机上,上述数据有一定的差异。(2气相沉积法用气相沉积法制造金刚石,有“热丝C VD 法”、“直流等离子体喷射CVD 法”、“火焰燃烧法”等。“热丝CVD 法”用得较多

11、。原料为乙醇、甲烷、氢气等,在炉内形成金刚石的碳结构,沉积在基体(衬底上,形成厚膜(厚度在0.50.6mm 以上;将厚膜与基体分离;将膜切割成一定形状的小块;再将其钎焊在硬质合金上形成复合刀片或刀具。若制造C VD 薄膜金刚石刀具,则用同样的方法在刀具(如钻头、立铣刀上直接沉积金刚石薄膜即可,膜厚仅10m 左右。热丝CVD 金刚石膜沉积示意图见图3。图3热丝CVD 金刚石膜沉积示意图在刀具上涂覆C x N y 薄膜,用dc 反应磁控溅射法进行,实际上也是一种气相沉积方法。5超硬刀具材料的性能各种超硬刀具材料的性能数据测试尚不够全面,现将收集到的较为可靠的数据列入表1。由表1可见,金刚石的硬度最

12、高,PCB N 和C x N y 次之,均远远高于其他刀具材料;超硬刀具材料的导表1各种超硬刀具材料的性能性能天然金刚石PCD金刚石CVD金刚石PCBN CxN y对比物质硬度(HV1000080009000500040005000硬质合金11001800热导率(W·m-1K-120001300紫铜393;硬质合金3575杨氏模量(GPa1000750WC650;TiC330密度(g·cm-33.523.48线膨胀系数(×10-6K-112.12.3硬质合金57断裂韧性(MPa·m0.53.43.23.5陶瓷79其他性能在空气中约660开始石墨化;铁元素

13、能催进石墨化,在酸、碱中都不受浸蚀在空气中到1300都不分解,与铁族元素呈惰性,在酸中不受浸蚀在空气中高温下化学性质稳定,与刀具间附着力良好热性好,杨氏模量高,密度、线膨胀系数和断裂韧性都较小。但金刚石的化学性能不如PCB N和C x N y 稳定。6超硬刀具材料的应用范围立方氮化硼具有高硬度、高热稳定性,对铁族元素呈惰性,故最适合切削下列工件材料:各种淬硬钢,包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等;各种冷硬铸铁和耐磨铸铁;各种铁基、镍基、钴基和其他热喷涂(焊零件。金刚石具有更高的硬度及其他优异性能。用它制作的刀具,应用范围很广泛,可以加工各种难加工材料和非难加工材料。因为金刚石

14、刀具(尤其是天然金刚石刀具的切削刃可以磨得十分锋利,切削刃钝圆半径能达纳米级,因此特别适用于对有色金属(主要是铜、铝及其合金进行超精密切削加工。金刚石刀具能切削纯钨、工程陶瓷、硬质合金、工业玻璃、石墨与各种塑料以及各种复合材料(包括金属基与非金属基纤维增强和颗粒增强的复合材料。金刚石还可用于制作牙科、骨科所用医疗器械工具,以及用于木材、石材加工的刀具和工具。金刚石和立方氮化硼单晶粉大量用于制作磨料、磨具、磨膏、砂布、砂纸等。金刚石还大量用于制作拉丝模、 砂轮修正器和石油、地矿部门的钻探钻头,还可用于制作各种耐磨件。大部分能用金刚石刀具切削的难加工材料(如硬质合金、陶瓷、玻璃、复合材料等,用立方

15、氮化硼刀具也能加工,但一般立方氮化硼刀具的使用寿命低于金刚石刀具。氮化碳涂层厚度很小,尚不能制成复合片或厚膜涂层,因此其应用范围受到很大限制;但C3N4涂层高速钢麻花钻有着良好的切削性能。7超硬刀具材料的切削试验示例作者曾用各种超硬刀具车削各种工件材料,进行了大量切削试验,借以对比各种刀具材料的切削性能,并探讨超硬刀具材料的切削机理。本文中仅列入了少量的试验曲线与数据,作为例证。(1车削淬硬钢T10A(60-63HR C刀具材料:PCD,PCB N;切削用量:a P=0.1mm,f=0.05mm/r,v=84m/ min;刀具几何参数:o=0°,o=8°PCBN:r=45&

16、#176;,5=0°,r=0.5mm,b r1= 0.2mm,o1=-20°PCD:r=4mm,5=0°,b r1=0.2mm,r=-20°干切。图4所示为PCB N与PCD刀具的磨损曲线。由图4可见,PCB N刀具加工淬硬钢效果很好,在较高的切削速度下有较长的刀具寿命。PCD刀具则因前述的化学作用而迅速磨损。作者还曾用硬质合金YS8和Si3N4基复合陶瓷刀具车削过上述淬硬钢,用44m/min的切削速度,其刀具寿命尚不及PCBN刀具的一半。图4PCD、PC BN刀具车削淬硬钢的后刀面磨损曲线(2车削纤维增强的复合材料GFRP刀具:CVD厚膜与薄膜的金刚石

17、,PCB N,Si3N4基复合陶瓷HDM3,硬质合金YS8;切削用量:a P =0.3mm ,f =0.1mm /r ,v =80m /min ;刀具几何参数:略;干切。 刀具磨损曲线见图5。由图5可见,C VD 金刚石刀具寿命最长,PCBN 刀具次之。因对GFRP 的加工有一定难度,故硬质合金和陶瓷刀具虽能使用,但磨损较快。 图5各类刀具车削GFRP作者曾用C x N y 薄膜车刀加工过GFRP ,效果也很好,其寿命接近PCB N 刀具。(3车削SiC 颗粒增强的No .3复合材料SiC 颗粒:粒度28m ,w t 20%;基体材料:ZL109;刀具:PCB N ,CVD 厚膜金刚石,硬质合

18、金YG6;切削用量:a P =0.3mm ,f =0.1mm /r ,v =70m /min ;刀具几何参数:略;干切。刀具磨损曲线如图6所示。由图6可见,C VD 厚膜金刚石刀具的寿命遥遥领先,PCB N 也很好,而YG6不堪使用。因SiC 颗粒有冲击作用,故CVD 薄膜金刚石和C x N y 薄膜涂层刀具的加工效果都不好。 图6各类刀具车削颗粒增强复合材料(4钻削高强度钢38CrNi3MoVA (3640HRC 麻花钻:高速钢W6Mo5Cr4V2、未涂层标准钻头与C 3N 4涂层钻头, 6mm ;切削用量:f =0.13mm /r ,v =10m /min ;干切。钻头磨损曲线如图7所示。由图7可见,高速钢麻花钻经C 3N 4涂层后,刀具寿命提高89倍,效果显著。作者还曾用C 3N 4涂层硬质合金刀片车削过淬硬钢和调质钢,虽有一定效果,但尚不够理想。图7C 3N 4涂层麻花钻钻孔8结语半个世纪以来,PC