超硬材料和硬質金屬

1、刀具材料應具備的基本性能1.高硬度和高耐磨性: 刀具材料的硬度必須高于被加工材料的硬度才能切下金屬，這是刀具材料必備的基本要求，現(xiàn)有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削條件較復雜，材料的耐磨性還決定于它的化學成分和金相組織的穩(wěn)定性。 2.足夠的強度與沖擊韌性 強度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎與刀桿折斷所應具備的性能。一般用抗彎強度來表示。沖擊韌性是指刀具材料在間斷切削或有沖擊的工作條件下保證不崩刃的能力，一般地，硬度越高，沖擊韌性越低，材料越脆。硬度和韌性是一對矛盾，也是刀具材料所應克服的一個關鍵。 3.高耐熱性 耐熱性又稱紅硬性，是衡量刀具材料性能的

2、主要指標。它綜合反映了刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強度、抗氧化、抗粘結和抗擴散的能力。4.良好的工藝性和經(jīng)濟性 為了便于制造，刀具材料應有良好的工藝性，如鍛造、熱處理及磨削加工性能。當然在制造和選用時應綜合考慮經(jīng)濟性。當前超硬材料及涂層刀具材料費用都較貴，但其使用壽命很長，在成批大量生產(chǎn)中，分攤到每個零件中的費用反而有所降低。因此在選用時一定要綜合考慮。如何選購鉆石：外形美觀（凈度高，顏色白，切工好），性價比高。金剛石刀具為什么不適合加工鐵基材料用金剛石刀具加工鐵系材料，金剛石表面碳元素易與切屑、切割表面發(fā)生粘附，導致刀具不鋒利，引起加工區(qū)域溫度升高，溫度一高，加之有空氣中的氧氣，金剛石

3、就容易發(fā)元素碳化，宏觀表現(xiàn)為金剛石石墨化。刀具材料的種類1.高速鋼：高速鋼特別適用于制造結構復雜的成形刀具，孔加工刀具例如各類銑刀、拉刀、齒輪刀具、螺紋刀具等；由于高速鋼硬度，耐磨性，耐熱性不及硬質合金，因此只適于制造中、低速切削的各種刀具。 高速鋼按其性能分成兩大類：普通高速鋼和高性能高速鋼。2.硬質合金：硬質合金大量應用在剛性好，刃形簡單的高速切削刀具上，隨著技術的進步，復雜刀具也在逐步擴大其應用。3.涂層刀具材料：硬質合金或高速鋼刀具通過化學或物理方法在其上表面涂覆一層耐磨性好的難熔金屬化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，而又不降低其韌性。4.其它刀具材料：（1）陶瓷刀具：是以氧化鋁（Al

4、2O3）或以氮化硅（Si3N4）為基體，再添加少量金屬，在高溫下燒結而成的一種刀具材料。 （2）人造金剛石：它是碳的同素異形體，是目前最硬的刀具材料，顯微硬度達10000HV。影響材料硬度的因素：晶體結構，價鍵測量刀具材料硬度的兩種基本方式：洛氏，維氏。洛氏硬度與維氏硬度區(qū)別：1.洛氏硬度（HR） 洛氏硬度（Rockwell hardness）是美國人洛克維爾于1919年提出。試驗方法是用一個頂角為120度的金剛石圓錐體或直徑為1.59mm/3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕深度求出材料的硬度。根據(jù)實驗材料硬度的不同，可分為三種不同標度來表示： HRA 是采用60Kg載荷

5、和鉆石錐壓入被測工件測試工件硬度，用于硬度極高的材料，例如：硬質合金；HRB 是采用100Kg載荷和直徑1.59mm/3.18mm淬硬的鋼球求得的硬度，用于硬度較低的材料，例如：退火鋼、 鑄鐵、各種退火鋼、正火鋼、軟鋼、部分不銹鋼及較硬的銅合金等；HRC 是采用150Kg載荷和鉆石錐壓入被測工件測試工件的硬度，用于硬度很高的材料，例如：淬火鋼、回火鋼、調質鋼和部分不銹鋼等，是金屬加工行業(yè)應用最多的硬度試驗方法。三種標尺的初始壓力均為98.07N（10Kgf)，最后根據(jù)壓痕深度計算硬度值。標尺A使用的是球錐菱形壓頭，然后加壓至588.4N（60Kgf）；標尺B使用的是直徑為1.588mm（1/1

6、6英寸）的鋼球作為壓頭，然后加壓至980.7N（100Kgf），因此標尺B適用于較軟的材料檢測，標尺C適用于較硬的材料檢測。 2. 維氏硬度（Vickers hardness）是表示材料硬度的一種標準，由英國科學家維克斯首先提出，表示為HV。以49.03980.7N的負荷,將相對面夾角為136°的方錐形金剛石壓入器壓材料表面,保持規(guī)定時間后，用材料壓痕凹坑的表面積除以負荷值，即為材料的維氏硬度值。它適用于較大工件和較深表面層的硬度測定。維氏硬度尚有小負荷維氏硬度，試驗負荷1.96149.03N，它適用于較薄工件、工具表面或鍍層的硬度測定；顯微維氏硬度，試驗負荷<1.961N，適

7、用于金屬箔、極薄表面層的硬度測定3. 洛氏硬度適合硬度較高的金屬，比如熱處理后的各種合金鋼等。洛氏硬度對材料表面有一定要求.維維氏硬度適合精確測量微區(qū)的硬度，通常用來檢測金屬滲碳后有效硬化層。維式硬度要求測試表面平整度非常高，必須為拋光過的表面才行。4. 維氏硬度試驗測量范圍較寬，從較軟材料到超硬材料，幾乎涵蓋各種材料。洛氏硬度操作簡便，可直接讀數(shù)，且壓痕較小，適用于批量、成品生產(chǎn)，但需多點測試，才能保證精度。金剛石晶體結構：立方結構，共價鍵物理性質：顏色：由雜志決定，含微量硼為褐色，含Ni，Mn呈黃綠色，含氮呈黃色 密度：3.51525g/cm3 硬度：HV=105N/mm2各向異性（111

8、）>(110)>(100) 其他性質：高楊氏模量、低壓縮系數(shù)、高熔點、高導熱率、低比熱、低熱膨脹系數(shù)化學性質：化學穩(wěn)定性：常溫穩(wěn)定；高溫純氧>600反應；高溫空氣>740反應 石墨化：真空和惰性氣氛>1500；有氮氣參與1000 與過渡金屬的化學作用：溶解C：過渡族金屬（Fe、Co、Ni、Mn及Pt系金屬） 形成強碳化物：W、V、Ti、Ta、Zr等。金剛石合成方法：直接轉變、熔媒法、外延生長法。合成壓力與溫度特點：靜態(tài)高壓高溫法、動態(tài)（超）高壓高溫法、動態(tài)低壓（常壓）高溫法、靜壓觸媒法（壓力5-7GPa、1300-1700）金剛石合成機理：1.固相轉變說：2700

9、，13GPa。石墨直接轉變?yōu)榻饎偸?。金屬觸媒作用石墨轉變金剛石（1200，5-7GPa）2.溶劑說：碳和金屬在高壓高溫條件下所形成的溶液對石墨是不飽和的，對金剛石的過飽和。3.溶劑-催化說：石墨和觸媒在高溫高壓下作用互相溶解，在碳原子表面形成金屬薄膜，碳原子進入金屬薄膜，然后在薄膜內(nèi)觸媒作用下，結構逐漸發(fā)生重排，以金剛石析出。金剛石合成原料：1.石墨：Ø 較高石墨化程度（>90%）；Ø 高密度，有一定分布均勻的氣氛（28%），促進分散溶解；Ø 純度高，有害雜質盡可能消除。2.觸媒材料：Ø 對碳的溶解度和擴散系數(shù)要大，不形成穩(wěn)定的碳化物，合金化

10、16; 活性好，易于催化碳原子sp2向sp3轉化Ø 晶格常數(shù)接近金剛石，與碳的共晶溫度低，比電阻值大Ø 晶粒度大小均勻，與石墨相匹配3.傳壓介質Ø 葉臘石：四面體SiO2連續(xù)層狀結構含水硅鋁酸鹽：Al2O3·4SiO2·H2OØ 高密度，有一定分布均勻的氣孔（28%）Ø 葉臘石在高溫高壓下相變引起體積收縮、引起內(nèi)部壓力下降、摩擦力增加，加入氯化鈉。白云石等形成符合傳壓介質。金剛石應用：1.金剛石磨具：利用金剛石磨削、研磨或拋光的工具Ø 粘結劑：樹脂、金屬和陶瓷等Ø 提高壽命及精度2.金剛石鋸切工具：圓鋸片

11、和圓繩鋸3.金剛石鉆頭4.單晶金剛石刀具聚晶金剛石的性質：Ø 高硬度、好的耐磨性Ø 摩擦系數(shù)小Ø 熱膨脹系數(shù)小Ø 與有色金屬和非金屬材料的親和性小聚晶金剛石的應用：1. 聚晶金剛石刀具加工對象：非鐵金屬（Al及合金、銅及合金、硬質合金、鈦、鎂等各種有色金屬及合金）、非金屬材料（木材、增強塑料、橡膠、石墨、陶瓷）優(yōu)點：l 聚晶金剛石層晶粒呈無序排列，各向同性，無解理面l PCD復合片有硬質合金襯底支撐，既彌補了PCD強度差的缺點，又使PCD焊接性差的問題迎刃而解l 可制備不同尺寸以及復雜異形刀坯材料刀具的選擇：l PCD的性能與金剛石的晶粒尺寸及結合劑的含

12、量有關，結合劑越多，硬度越差。晶粒尺寸越大，耐磨性越好，但刃口質量稍差，難以制成高精度刀具。相反，用細晶粒PCD制成的刀具、刃口質量好。l PCD粒度的選擇與刀具加工條件有關，如設計用于精加工或超精加工的刀具時，應選用細晶粒的PCD。粗晶粒PCD刀具則可用于一般的粗加工2. 聚晶金剛石拉絲模3. 聚晶金剛石鉆頭金剛石涂層制備：通常條件下，石墨的生長速率遠大于金剛石的生長速率其競爭生長使石墨覆蓋了任何可能形成的金剛石晶核。過飽和氫和碳氣氛的混合氣體等離子體活化的作用下，在襯底上沉積金剛石。提高形核密度：金剛石形核的有利位置是高能的表面缺陷及各種類金剛石結構的碳基團族或襯底研磨留下的磨料顆粒（金剛

13、石研磨膏）。l 對基體進行表面預處理如用金剛石研磨膏或其他磨料機械研磨或超聲處理、離子注入或在基體上形成蹲便和缺陷等；l 對基體施加偏；l 沉積過渡層。氮氣的作用：l 使其激活、離化成氫原子，有助于有機氣體碳化物的離解，以利用產(chǎn)生活性的甲基原子團的化學反應l 有利于穩(wěn)定金剛石的sp3鍵，不利于形成石墨的sp2鍵l 氫原子對膜層中生成的石墨具有很強的刻蝕作用，可以除去膜層中的石墨保留膜層中的金剛石。涂層制備方法：l 火焰法：沉積速率高、面積小、石墨含量高l （直流、微波、射頻）等離子體法：沉積溫度<700，沉積速率較快，沉積面積大，但設備費用及涂層成本高l 熱絲法：燈絲電流加熱，離化氣體，

14、在襯底偏壓作用下生成金剛石，設備簡單，成本低，沉積面積大，適合工業(yè)化生產(chǎn)。熱絲法：u 沉積溫度：5000-1000，過低生成類金剛石（DLC），過高生成無定型碳和石墨u 氣源成分：含碳氫（CH2、C2H2、C3H3OH）和氫氣構成的混合氣體，氣體中碳含量在0.1%-10%之間。過低，降低金剛石涂層的形核密度和生長速率；過高，石墨相增加u 氣體溫度：促進氣體活化，成為熱等離子體狀態(tài)u 襯底偏壓：增加沉積離子能量u 氣體壓強：過高、過低均會促進石墨相的形成1.PCD合成選用Co做粘結劑:Co使PCD易于粘結，隨著合成的進行，Co粉會擴散至表面易于除去粘結劑，殘留在PCD中的Co很少。2.在金剛石表

15、面沉積能得到更大的金剛石嗎？a.沉積時應力較大，涂層會脫落。b.即使未脫落，也難以得到純凈的金剛石涂層。3.鋼刀具基體主要問題：1.沉積涂層時，活化的含碳氣體和鐵基襯底基礎時，因鐵對碳的形成有強的催化作用，促進sp2雜化的無定型碳和石墨的生長；2.碳在鐵基材料中的擴散系數(shù)高，易在表面附近生成鐵的碳化物，使襯底表面變脆，嚴重降低其使用性能；3.金剛石涂層和鐵基襯底有如前所述的含碳層以及金剛石和鐵基材料的熱導率差別很大，降低涂層和鐵基材料的結合強度。解決辦法：過渡層：CrN、SiC、AlN、TiN、滲碳（氮、鉻、硅、鋁）等硬質合金基體主要問題：1.硬質合金的粘結相Co對碳有較高的固溶度，只是金剛石

16、涂層不易形核；2.Co（其他過渡層金屬）促進石墨相形成，降低結合強度；3.熱膨脹系數(shù)不匹配，結合強度差。解決辦法：1.用酸溶液侵蝕去除表面Co層2.添加過渡層3.采用低Co或無Co性質合金4.激光處理：表面粗糙化和選擇性蒸發(fā)Co5.化學熱處理：滲硼，形成硼化物過渡層4.類金剛石的適用溫度和原因：a.在高溫下，sp3會向sp2轉化，且sp3含量越高，轉化速度越快b.含H的穩(wěn)定性更差，100便開始轉化5.人造金剛石的生成條件及觸媒加入后的條件？2700，13GPa；1200-1700，5-7GPa。6.什么叫做聚晶金剛石PCD？細晶粒金剛石（單晶金剛石微粉副產(chǎn)品）和粘結劑通過高溫高壓方法燒結7.金

17、剛石涂層中H的作用？a.使其激活，離化成氫原子；b.有利于穩(wěn)定金剛石sp3鍵；c.刻蝕石墨相金剛石涂層應用：ü 刀具：硬度高、模量高、摩擦系數(shù)低ü 半導體器件：好的電絕緣體ü 光學應用：透射光譜帶寬，抗輻射損傷性強，促進氣體活化，成為等離子態(tài)。ü 熱學：熱導率最高的材料類金剛石涂層：分類：非晶碳（a-C）；含氫的非晶碳（a-C：H）；四面體非晶碳（ta-C）與金剛石涂層相比，DLC是非晶態(tài)，沒有晶界，所以涂層相當光滑致密，沒有晶界缺陷，可以作為很好的耐腐蝕涂層。DLC可在常溫沉積，DLC涂層內(nèi)應力大，與基體結合差，因此厚度不能太厚，特別是在鐵基材料和硬質

18、合金基體。（1.基體表面預處理，清潔拋光，Ar離子刻蝕等；2.碳化物過渡層或梯度結構；3.多層涂層。）類金剛石涂層性能：ü 力學性能：硬度、模量（sp3和sp2的比例）、結合強度、摩擦磨損、內(nèi)應力、耐腐蝕性能。ü 熱穩(wěn)定性能：H釋放：含H30%在空氣中。100開始，400完全析出；真空400開始，800完全 a-C涂層sp3和sp2轉化：隨sp3鍵降低而降低，含80% sp3鍵1000穩(wěn)定，含60% sp3鍵400開始石墨化 添加Si可阻止金剛石涂層石墨化。立方氮化硼（cBN）物理性質：ü 顏色：由雜質決定ü 密度：3.48g/cm3ü 硬度：

19、HV72-98GPaü 晶體結構：與金剛石相同ü 其他性質：良好的熱穩(wěn)定性（>1400）、化學惰性、高熱導率等化學性質：ü 化學穩(wěn)定性：抗氧化想>1400，化學惰性ü 熱穩(wěn)定性BN晶體結構：ü 六方氮化硼h：石墨類似結構ü 菱方氮化硼r：具有六方氮化硼相同性質，易于向CBN轉變ü 立方氮化硼c：類似金剛石晶體結構ü 纖鋅礦氮化硼w：一個平面是硼原子，一個平面是氮原子。合成機理：溶劑學說：hBN溶于由hBN與觸媒形成的中間相中，由于cBN在中間相中的溶解度小于hBN故而形成cBN的過飽和溶液，使得cBN以

20、井體的形式在過飽和溶液中析出固相轉變學說：hBN不經(jīng)融化由固相直接轉變?yōu)閏BN，7GPa壓力下溫度降至900PcBN的性質：硬度：HV3000-5000熱穩(wěn)定性：1400抗氧化性：>1000導熱性：僅次于PCD，隨溫度升高增加摩擦系數(shù)：切削速率提高，摩擦系數(shù)減小PcBN合成方法1.直接轉化法由單晶cBN直接聚結形成聚晶立方氮化硼所需的溫度和壓力相當高，在無粘結劑條件下合成PcBN需要在8GPa和1800-2200的條件下進行合成。2.燒結法用單晶cBN粉在添加結合劑（鈷、鎳、TiC、TiN、Al/Al2O3、ALN等）的情況下高壓高溫燒結方式（5-6GPa和1200-1500）結合劑選用

21、原則：² 低熔點原則：熔融的結合劑在溫度超過熔點不多和高壓作用下，仍保留有序結構并能滲透到各cBN晶粒間，與cBN晶粒有良好的濕潤性，有利于與cBN晶面充分接觸而擴大燒結面；² 與cBN粒子起適量反應形成硬度高、熱導性好、耐磨的高熔點化合物原則；² 結合劑中應含有能消除氧或其他雜質對cBN的污染；² 能填充cBN晶粒間的間隙，阻礙或抑制cBN顆粒燒結對成長，特別是在制造用于加工PcBN刀具材料時，阻礙和抑制超細cBN晶粒的長大很是重要。PcBN應用：1.整體PcBN刀具 2. PcBN復合刀具 立方氮化硼涂層制備方法：真空蒸鍍；濺射；離子鍍；離子束震動沉

22、積；CVD涂層結構：² 非晶層：a-BN² t-BN過渡層：六角（h-）BN或石墨結構BN² c-BN主要問題：² 結合強度低、涂層直接脫落。解決：高的基體偏壓提高涂層應力，沉積過渡層² 生長的涂層厚度薄。解決：h-BN（B4C或B）靶+N2、Ar或者兩者的混合氣體² 非c-BN相存在（底層sp2涂層存在）² 成分偏離化學配比² 成核和生長機理不清楚涂層性能：² 硬度：一般獲得的非晶涂層為-C3N4和a-C3N4的混合結構，最高硬度達到73GPa。-C3N4的含量越高，硬度越大。C、N比也會影響其硬度。² 低的摩擦性能² 高的抗腐蝕性和耐熱性多層涂層是由兩種或兩種以上具有不同成