超硬刀具材料的研究現(xiàn)狀及應用

1、超硬刀具材料的研究現(xiàn)狀及應用單位：哈爾濱理工大學機械動力工程學院作者：張慧萍發(fā)布時間：2015-4-14 14:56:26硬材料是一種重要的工程材料，通常是指硬度達到莫氏硬度最高值10 或接近10 的材料， 主要應用于復合材料、無機非金屬材料、硬質(zhì)合金的加工1-2 。此外，某些超硬材料在光學、電學、熱學方面也具有一些特殊性能，而成為一種重要的功能材料。目前常見的超硬材料有金剛石（天然金剛石和人造金剛石）、立方氮化硼等。超硬材料通常由超硬材料顆粒與結(jié)合劑組成。超硬材料的性能與結(jié)合劑的性能緊密相關(guān)，選擇或者合成高性能的結(jié)合劑，對于超硬材料的制備與應用具有重大意義。超硬材料盡管物質(zhì)成分、構(gòu)成較少，但

2、制品種類繁多，用途非常廣泛3 。我國超硬材料發(fā)展到今天已經(jīng)走過近50 年歷史。近半個世紀以來，中國超硬材料制品無論在產(chǎn)品還是技術(shù)的層面，都取得了巨大的進步，并且呈現(xiàn)出傳統(tǒng)產(chǎn)品穩(wěn)步發(fā)展不淘汰，新一代高附加值產(chǎn)品不斷突破的局面。典型超硬材料研究現(xiàn)狀1 天然金剛石天然金剛石是在地殼深處結(jié)晶形成的，存在于地表下深度為100300km的金伯利巖中。最適宜的結(jié)晶條件是壓力57GPa，溫度12001800 。天然金剛石完全按結(jié)晶學定律生長，巖漿在深部時，溫度、壓力皆高。此時，天然金剛石完全按結(jié)晶學定律生長，以硅為結(jié)晶基底,活化碳沉積形成晶胞,逐漸擴大,為反核晶 ,有時可長成厚板狀。天然金剛石分為寶石級（鉆石

3、）和工業(yè)級。天然金剛石最早在印度發(fā)現(xiàn)，后來主要產(chǎn)地是南非和俄羅斯的西伯利亞。我國是天然金剛石極為匱乏的國家，僅在山東(含蘇北 )、遼寧發(fā)現(xiàn)了小型天然金剛石原生礦，在湖南發(fā)現(xiàn)了小型河流沖積型金剛石礦床，但這些遠遠滿足不了高速發(fā)展的工業(yè)需要。圖 1 所示為我國發(fā)現(xiàn)的最大天然金剛石。圖 1天然金剛石天然金剛石晶體是各向異性特征明顯的材料，用X 射線從不同角度照射晶體表面會出現(xiàn)不同的衍射圖案，而根據(jù)不同晶面的特征圖案即可選擇合適的晶面。許多學者對晶面的預選法進行了研究：Decker 等提出了 X 射線預選晶面的方法，并采用掃描和透射電子顯微鏡對刀具質(zhì)量和使用進行跟蹤、對比4 。袁哲俊等亦提出了近似原理

4、的天然金剛石晶體的激光晶面定向方法2。Ikawa 等提出基于赫茲壓痕試驗并結(jié)合紅外吸收（ infrared absorption ， IRA ）和電子自旋共振技術(shù)（electron spinesonance， ESR）來篩選天然金剛石晶體，他們認為 IRA 和 ESR 值越小，金剛石晶體表面的壓痕微硬度越高，刀具耐磨損性能也越佳5-6 。利用上述晶面預選法， 有學者又進一步提出了基于摩擦系數(shù)的晶面優(yōu)選法7 和基于切削試驗的逆向優(yōu)選晶面方法 8-10 。宗文俊等提出了基于天然金剛石晶體動態(tài)微觀抗拉強度的晶面篩選方法，并建立了刀具耐磨損性能的各向異性評價因子11。宗文俊等首次提出了基于納米氧化銅的

5、天然金剛石晶體真空熱化學腐蝕原創(chuàng)工藝 12 。天然金剛石晶體以硬度高、耐磨損、化學惰性良好等特性而廣泛用作超精密切削加工的刀具材料。因此天然金剛石刀具的刃磨技術(shù)一直是研究的熱點。經(jīng)過多年的研究，已有很多種刃磨方法被提出12 。孫濤等在突破機械研磨技術(shù) 7080nm 的精度極限方面，對天然金剛石刀具的機械研磨技術(shù)進行了深入研究 13 ；日本學者 Miyamoto 等于 1990 年提出了離子束拋光加工天然金剛石刀具的方法 10 ，不僅提高了天然金剛石刀具的刃磨精度，而且將其用于超精密車削軟材料，同時利用 SEM （ Scanning Electron Microscope ，掃描 1415本學者

6、 Haisma 提出了無損傷機械化學拋光法；德國學者Khnle 和 Weis 提出了化學輔助機械拋光加工方法 16 ； Zaitsev等提出用熱化學方法拋光加工金剛石晶體17 ，隨后該方法被Weima等用于金剛石刀具的刃磨 18 ；另外Malshe等提出的激光刻蝕等加工方法19 ，但是激光刻蝕精度不高，目前在業(yè)內(nèi)用于金剛石刀具粗加工。我國當前廣泛采用機械刃磨技術(shù)來制造天然金剛石刀具。為了給天然金剛石刀具的使用壽命延長提供一種全新的技術(shù)方法，真空熱化學腐蝕新工藝，用于后處理機械刃磨工藝加工的天然金剛石晶體。目前已經(jīng)提出了基于納米氧化銅的2 人造金剛石人造金剛石的很多研究工作始于天然金剛石。人造金

7、剛石產(chǎn)品可按照晶形、顏色、粒度、沖擊強度、高溫強度等多項指標進行分級。晶形完整、色淺透明、粒徑較大、強度較高者，稱為高品級產(chǎn)品。人造金剛石包括：寶石級大單晶、工業(yè)用單晶金剛石、燒結(jié)體、復合體、人造卡邦、金剛石微粉、金剛石薄膜、納米級金剛石。工業(yè)生產(chǎn)金剛石的主要方法是利用石墨為原料，鎳鈷等觸媒金屬為催化劑，在大約 5GPa 和 1700K高溫高壓條件下將石墨轉(zhuǎn)化生成金剛石，如圖2 所示。 SDA 和 DSN 系列產(chǎn)品是馳名中外的人造金剛石高品級產(chǎn)品的代表。的圖 2人造金剛石產(chǎn)品2011 年中國人造金剛石產(chǎn)量為 110 億 ct，占全球總產(chǎn)量的石強國邁進。 1963 年 11 月，我國第一顆人造金

8、剛石誕生；美國90%，已是金剛石大國，并且正在向金剛G. E. Co 公司在全球來說都是一個生產(chǎn)人造金剛石實力極強的大公司，而且擁有金剛石發(fā)明權(quán)，但在2003 年 12 月已被 Littlejohn & Co （LLC ）股份投資公司所收購（新公司Diamond Innovations 簡稱為 D. I. Co. ）。英 -南非 De Beers 的建立和發(fā)展起源于在南非開采出天然金剛石，而后成為全球的一霸。后來由于美國發(fā)明了人造金剛石，為了鞏固其金剛石行業(yè)的壟斷地位則大量發(fā)展了人造金剛石，在前幾年已曾經(jīng)進行了資產(chǎn)改組，現(xiàn)簡稱為六元素公司。業(yè)內(nèi)權(quán)威人士多數(shù)認為20032004 年中國人造金剛石

9、生產(chǎn)能力已可達4050 億 ct 且生產(chǎn)量約為35 億 ct 左右。制造中國的高品質(zhì)人造金剛石是很多超硬材料專家為之奮斗一生的事業(yè)，特別是在探礦工程界，從20 世紀 6070 年代開始就為“粗顆粒高強度 ”而拼搏著。經(jīng)過幾代人的努力，到了21 世紀初，已經(jīng)有了快速發(fā)展。我國利用國產(chǎn)六面頂壓機生產(chǎn)高檔金剛石的技術(shù)難關(guān)已經(jīng)突破，金剛石單晶產(chǎn)品達到了國外高檔產(chǎn)品水平 (指高品質(zhì)生產(chǎn)工藝的指標，從 2003 年不足 10%提高到 2004 年的 40%以上或更高 )，因此今后將會是對其技術(shù)的提高和完善以及普及和應用階段。所以說近期是金剛石單晶技術(shù)全面提升的新時期。3 立方氮化硼很長一段時間里， 立方氮

10、化硼被認為在自然界不存在，直至2009 年，美國加州大學河濱分校勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家和來自中國、德國科研機構(gòu)的同行一起，在中國青藏高原南部山區(qū)地下約306km深處古海洋地殼的富鉻巖內(nèi)找到了這種礦物，其在大約1300高溫、 118430 個大氣壓的高壓條件下形成了晶體。該團隊以中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所教授方青松的名字將新礦物命名為qingsongite（后綴ite表示礦物）。國際礦物學協(xié)會在2013 年 8 月正式承認了這是一種新的礦物 立方氮化硼。 其原子結(jié)構(gòu)與金剛石中的碳原子結(jié)構(gòu)類似，因此它具有高密度的特性,硬度可媲美鉆石，常被用作磨料和刀具材料。立方氮化硼的優(yōu)越性能20 主要體

11、現(xiàn)在以下幾個方面。（ 1）化學惰性優(yōu)于金剛石：立方氮化硼的硬度僅次于金剛石，但其化學惰性更優(yōu)于金剛石，它不與鐵族金屬及其合金反應，而且抗氧化性能比金剛石好得多。（ 2）更耐高溫。（ 3）轉(zhuǎn)化率更高，成本更低，性能更優(yōu)。（ 4）更不受面積、形狀和尺寸影響。針對立方氮化硼的這一優(yōu)越特性，目前已經(jīng)有許多學者對其進行了研究。梁寶巖等21 采用 Al/C/TiO2/CBN （各組粉體中，CBN 質(zhì)量分數(shù)均為10%）粉體為原料，通過原位反應燒結(jié)技術(shù)，制備Al/TiC/Al2O3金屬陶瓷復合結(jié)合劑立方氮化硼（CBN ）材料。 2004 年 Benko 等以磨料級立方氮化硼（ ABN-300 ）和 Ti3Si

12、C2 為原料，在 7GPa 的高壓下制備 Ti3SiC2- 立方氮化硼（ CBN ）復合材料，并且研究這種新型超硬復合材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能2 。目前立方氮化硼磨具21 廣泛應用于地質(zhì)勘探、石材、機械、汽車及國防工業(yè)等各個領(lǐng)域，產(chǎn)品已形成系列化，品種規(guī)格比較齊全。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優(yōu)異，不僅能勝任難磨材料的加工，提高生產(chǎn)率，且有利于嚴格控制工件的形狀和尺寸精度，還能有效地提高工件的磨削質(zhì)量，顯著提高磨后工件的表面完整性，因而提高了零件的疲勞強度，延長了使用壽命，增加了可靠性，再加上立方氮化硼磨料生產(chǎn)過程在能源消耗和環(huán)境污染方面比普通磨料生產(chǎn)更少，所以，擴大立方氮化硼磨具的生產(chǎn)和應用是機

13、械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。超硬材料的應用范圍金剛石的硬度更高，其他性能也較為優(yōu)異。它可以加工各種難加工材料和非難加工材料，因為金剛石刀具的切削刃可以加工得很鋒利 ,切削刃鈍圓半徑能達納米級 ,因此特別適用于對有色金屬進行超精密切削加工。金剛石刀具能切削純鎢、工程陶瓷、硬質(zhì)合金、工業(yè)玻璃、石墨與各種塑料以及各種復合材料。金剛石還可用于制作牙科、骨科所用醫(yī)療器械工具，以及用于木材、石材加工的刀具和工具。金剛石和立方氮化硼單晶粉大量用于制作磨料、磨具、磨膏、砂布、砂紙等。金剛石還大量用于制作拉絲模、砂輪修正器和石油、地礦部門的鉆探鉆頭 ,還可用于制作各種耐磨件。立方氮化硼有著高硬度、高熱穩(wěn)定性的特點 ,

14、最適合切削各種淬硬鋼 ,包括合金工具鋼、碳素工具鋼、高速鋼、軸承鋼、模具鋼等和各種冷硬鑄鐵還有耐磨鑄鐵，以及各種鐵基、鎳基、鈷基和其他熱噴涂零件。大部分能用金剛石刀具切削的難加工材料，如硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃、復合材料等，用立方氮化硼刀具也可加工，但立方氮化硼刀具的使用壽命低于金剛石刀具。立方氮化硼刀具熱穩(wěn)定性高，高速切削硬質(zhì)材料時金屬有軟化效應，適合高速干式切削。典型超硬材料制品由金剛石的自身特性決定，金剛石刀具的主要特點有高硬度、耐磨損、低膨脹系數(shù)、高導熱率、大彈性模量、低摩擦因數(shù)、極小刀刃鈍圓半徑和平滑刃口等。高精度天然金剛石刀具主要包括金剛石車刀和金剛石銑刀，廣泛用于毫米級、微米到亞微米

15、、甚至納米級的超精密加工。聚晶金剛石（ PCD）是由微米尺寸的人造金剛石微粉在高溫高壓條件下燒結(jié)而成。自人造金剛石研制成功以來，對聚晶金剛石（PCD）刀具切削性能的研究取得了大量成果，PCD 刀具的應用范圍及使用量迅速擴大。目前，國際上知名的人造金剛石復合片生產(chǎn)商主要有英國De Beers 公司、美國 GE 公司、日本住友電工株式會社等。據(jù)報道，1995 年一季度僅日本的 PCD 刀具產(chǎn)量即達10.7 萬把。 PCD 刀具的應用范圍已由初期的車削加工向鉆削、銑削加工擴展。 日本一家組織進行的關(guān)于超硬刀具的調(diào)查表明：人們選用 PCD刀具的主要考慮因素是基于PCD 刀具加工后的表面精度、 尺寸精度

16、及刀具壽命等優(yōu)勢。金剛石復合片合成技術(shù)也得到了較大發(fā)展， De Beers 公司已推出了直徑 74mm、層厚 0.3mm 的聚晶金剛石復合片。 圖 3 為 PCD 刀具及 PCD 復合刀片。圖 3 PCD 刀具及 PCD 復合刀片通過對近年來PCD 刀具應用的分析可見，PCD 刀具主要應用于以下2 方面 1 。（ 1）難加工有色金屬材料的加工：用普通刀具加工難加工有色金屬材料時，往往產(chǎn)生刀具易磨損、加工效率低等缺陷，而 PCD 刀具則可表現(xiàn)出良好的加工性能。如用 PCD 刀具可有效加工新型發(fā)動機活塞材料 過共晶硅鋁合金（對該材料加工機理的研究已取得突破）。（ 2）難加工非金屬材料的加工： PC

17、D 刀具非常適合對石材、硬質(zhì)碳、碳纖維增強塑料（ CFRP）、人造板材等難加工非金屬材料的加工。如華中理工大學 1990 年實現(xiàn)了用 PCD 刀具加工玻璃；目前強化復合地板及其他木基板材（如 MDF ）的應用日趨廣泛，用 PCD 刀具加工這些材料可有效避免刀具易磨損等缺陷。人造金剛石滾輪 22 的研制成功推動了緩進給磨削的發(fā)展?？荡好返?22 研究了天然金剛石滾輪制造與修整問題。然而，就其人造金剛石滾輪的應用范圍、使用壽命、生產(chǎn)效率而言，它有很多不足之處。而天然金剛石滾輪是成型修整工具的發(fā)展方向，在許多方面都優(yōu)于人造金剛石滾輪。目前國內(nèi)外采用 3 種制造金剛石滾輪的方法，即外鍍法、粉末冶金燒結(jié)

18、法、內(nèi)鍍法。為了發(fā)展金剛石滾輪的科研成果和進一步增加經(jīng)濟效益，提出研制天然金剛石滾輪課題。超硬材料發(fā)展前景超硬材料是一門高新技術(shù)，而且它的研制成功對整個國民經(jīng)濟將產(chǎn)生深遠的影響，是一項新的產(chǎn)業(yè)化革命，被廣泛應用于諸多行業(yè)。超硬材料制品將朝系列化、標準化、專業(yè)化、高品質(zhì)、多元化方向發(fā)展，各生產(chǎn)企業(yè)將形成自己的產(chǎn)品特色和市場定位。我國是超硬材料生產(chǎn)大國，而不是強國，怎樣把超硬材料產(chǎn)業(yè)大國構(gòu)建為強國，乃是全行業(yè)今后奮斗的目標和方向。近年來， 超硬材料行業(yè)得到了政策的大力支持，是 “十二五 ”規(guī)劃中被列為重點發(fā)展的行業(yè)。目前全國金剛石行業(yè)已形成了以深入研究新工藝為特征的新高潮，專業(yè)化、精細化生產(chǎn)特殊產(chǎn)

19、品的企業(yè)比例明顯增加，因此金剛石行業(yè)的競爭將更為激烈，需全面迎接挑戰(zhàn)并且走自主創(chuàng)新與跨越式發(fā)展之路?？v觀國外高精度金剛石刀具制造的成功案例， 首選技術(shù)方案是機械刃磨技術(shù)。 但是以我國目前現(xiàn)有的機械刃磨技術(shù)來制造高精度金剛石刀具，仍存在一些技術(shù)難題。參考文獻1 趙秀香 ,曹唯飛 ,郭衛(wèi)華 .超硬材料刀具的特性及應用 .金剛石與磨料磨具工程 , 2005(4):65-67.2 Yuan Z J, He J C,Yao Y X. The optimum crystal plane of natural diamond tool forprecision machining. Annals of th

20、e CIRP,1992,41(1):605-6083 羅錫裕 .超硬材料的發(fā)展.新材料產(chǎn)業(yè) , 2000(9):35-38.4 韓躍新 .礦石預處理及預選關(guān)鍵技術(shù)研究/中國冶金礦山企業(yè)協(xié)會. 2013 中國冶金礦山科技大會會刊 .中國冶金礦山企業(yè)協(xié)會 , 2013:25-28.5 萬建松 ,岳珠峰 . 采用壓痕實驗獲得材料性能的研究現(xiàn)狀.實驗力學 , 2002(2):131-139.6 趙鳳行 .電子自旋共振信號捕獲技術(shù)的研究D. 西寧 :青海師范大學, 2010.7 劉岳 . 天然金剛石刀具的真空熱化學腐蝕處理技術(shù)D. 哈爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學, 2013.8 宗文俊 ,李增強 ,胡振江 ,等 .天然金剛石晶體的真空熱化學腐蝕工藝.哈爾濱工業(yè)大學學報 , 2013(3):31-34.9 檀財旺 .鎂/鋼激光熔釬焊接特性及界面合金調(diào)控技術(shù)研究D. 哈爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學, 2014.10 董軍 . 陽離子聚合物和雙季銨鹽粘土穩(wěn)定劑的合成及性能研究D. 青島 :中國海洋大學, 2009.11 宗文俊 . 高精度金剛石刀具的機械刃磨技術(shù)及其切削性能優(yōu)化研究D. 哈爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學