浅谈超硬刀具材料的发展与应用

1、浅谈超硬刀具材料的开展与应用摘要随着材料工业及精细机械工业的开展，精细切削、超精细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开展状况，对主要品种的应用进展讨论。关键词超硬刀具刀具材料金刚石一、超硬刀具材料开展概况超硬刀具材料是指天然金刚石及硬度、性能与之相近的人造金刚石和bn(立方氮化硼)。由于天然金刚石价格比较昂贵，所以消费上大多采用人造聚晶金刚石(pd)、聚晶立方氮化硼(pbn)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bn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(debe

2、e)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bn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0.51的pd或pbn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消费厂第六砂轮厂，从19701990年整整20年中，超硬材料年产量从仅46万克拉增至3500万克拉。上个世纪90年代前后，不少超硬材料消费专业厂从国外引进成套的超硬材料合成设备及技术，使产量得以迅速进步，至1997年，我国人造金刚石年产量就已到达5亿克

3、拉左右，bn年产量达800万克拉，跃居世界超硬材料消费大国之首。金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000hv，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，加工外表质量好，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。700一800时容易碳化，故不适于加工钢铁材料。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构造。此外，用它切削镍基合

4、金时，同样也会迅速磨损。二、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。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3)。nd是目前矿物中最硬的物质，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，加工外表质量好。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常切削，并减少由于刀具磨损对被加工零件的影响；

5、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细及超精细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细及超精细切削工具材料。可广泛地应用于加工原子核反响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细加工以及传统手表零件、首饰、制笔、有色金属装饰件的精细加工等。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响，在700800时将碳化(即石墨化)，一般不适于加工钢铁材料。2.聚晶金刚石和聚晶金刚石复合刀片pd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

6、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，但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合，属各向同性，无解理面。因此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异，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，抗磨损才能也较强，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，使用寿命一般高于基硬质合金刀具1050倍，而且pd原料来源丰富，其价格只有nd的几非常之一至十几分之一，pd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，现已成为传统基硬质合金刀具的高性能替代品。聚晶金刚石复合片(pd)刀

7、具材料是在pd研究的根底上开展起来的。硬质合金作为pd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pd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。3.vd金刚石vd金刚石是在低压下制备的，它不同于大单晶金刚石，而pd、pd是在高温高压下合成的。vd金刚石包括三类：第一种是在适当基体上沉积的vd金刚石涂层(包括类金刚石dl涂层)；第二种是沉积厚度达1的无支撑的vd金刚石厚膜；第三种是在金刚石晶种上外延生长的vd金刚石单晶膜或准单晶膜。vd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

8、，vd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。vd涂层刀具与pd、pd刀具相比，具有刀具形状复杂、本钱低、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vd金刚石涂层的刃口进展研磨处理时容易分层剥落的缺陷。到目前为止，vd金刚石的应用市场还不大；vd金刚石厚膜与pd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(ed)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消费和修整上得到了广泛应用。4.聚晶立方氮化硼目前，市场上聚晶立方氮化硼(pbn)刀具

9、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，pbn与pd、pd刀具材料有着相似的构造与性质，但耐磨性比pd、pd要差。然而pbn具有良好的抗化学腐蚀性，且在1200的高温下，表现出良好的热稳定性。目前50%的pbn刀具用于汽车制造业，包括用于加工汽车发动机箱体、刹车盘、传动轴、气缸孔、发动机进出气阀座等，另外，约20%用于重型设备(如轧辊)的加工。近年来，随着计算机加工技术的迅猛开展以及数控机床普遍使用，可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的pbn刀具的应用也日益普及，同时还引入了许多先进的切削加工概念，如高速切削、硬态加工、以车代磨、干式切削等。pbn刀具材料已成为现代切削加工中不可缺少的重