淺談超硬刀具材料的發(fā)展與應(yīng)用

1、淺談超硬刀具材料的開(kāi)展與應(yīng)用摘要隨著材料工業(yè)及精細(xì)機(jī)械工業(yè)的開(kāi)展，精細(xì)切削、超精細(xì)切削和難切削材料使用的增多，超硬刀具材料的應(yīng)用日益廣泛。本文通過(guò)分析超硬刀具材料的開(kāi)展?fàn)顩r，對(duì)主要品種的應(yīng)用進(jìn)展討論。關(guān)鍵詞超硬刀具刀具材料金剛石一、超硬刀具材料開(kāi)展概況超硬刀具材料是指天然金剛石及硬度、性能與之相近的人造金剛石和bn(立方氮化硼)。由于天然金剛石價(jià)格比較昂貴，所以消費(fèi)上大多采用人造聚晶金剛石(pd)、聚晶立方氮化硼(pbn)以及它們的復(fù)合材料。早在20世紀(jì)50年代，美國(guó)就利用人造金剛石微粉和bn微粉在高溫、高壓、觸媒和結(jié)合劑的作用下燒結(jié)成尺寸較大的聚晶塊作為刀具材料。之后，南非戴比爾斯(debe

2、e)公司、前蘇聯(lián)和日本也相繼研制成功。20世紀(jì)70年代初又推出了金剛石或bn和硬質(zhì)合金的復(fù)合片，它們是在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)或壓制一層0.51的pd或pbn而成，從而解決了超硬刀具材料抗彎強(qiáng)度低、鑲焊困難等問(wèn)題，使超硬刀具的應(yīng)用進(jìn)入實(shí)用階段。我國(guó)超硬刀具材料的研究與應(yīng)用開(kāi)始于上個(gè)世紀(jì)70年代，并于1970年在貴陽(yáng)建造了我國(guó)第一座超硬材料及制品的專業(yè)消費(fèi)廠第六砂輪廠，從19701990年整整20年中，超硬材料年產(chǎn)量從僅46萬(wàn)克拉增至3500萬(wàn)克拉。上個(gè)世紀(jì)90年代前后，不少超硬材料消費(fèi)專業(yè)廠從國(guó)外引進(jìn)成套的超硬材料合成設(shè)備及技術(shù)，使產(chǎn)量得以迅速進(jìn)步，至1997年，我國(guó)人造金剛石年產(chǎn)量就已到達(dá)5億克

3、拉左右，bn年產(chǎn)量達(dá)800萬(wàn)克拉，躍居世界超硬材料消費(fèi)大國(guó)之首。金剛石具有極高的硬度和耐磨性，其顯微硬度可達(dá)10000hv，是刀具材料中最硬的材料。同時(shí)它的摩擦系數(shù)小，與非鐵金屬無(wú)親和力，切屑易流出，熱導(dǎo)率高，切削時(shí)不易產(chǎn)生積屑瘤，加工外表質(zhì)量好，能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、末燒結(jié)的硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強(qiáng)的復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨的木材(尤其是實(shí)心木和膠合板等復(fù)合材料)。金剛石的缺點(diǎn)是韌性差，熱穩(wěn)定性低。700一800時(shí)容易碳化，故不適于加工鋼鐵材料。因?yàn)樵诟邷叵妈F原子容易與碳原子作用而使其轉(zhuǎn)化為石墨構(gòu)造。此外，用它切削鎳基合

4、金時(shí)，同樣也會(huì)迅速磨損。二、超硬刀具的主要品種及應(yīng)用目前，在世界上已經(jīng)應(yīng)用或正在試驗(yàn)中的超硬刀具材料的主要品種有以下幾種。1.天然和人工合成大單晶金剛石單晶金剛石有天然金剛石(nd)和人工合成金剛石兩種。單晶金剛石用于制作切削刀具必須是大顆粒的(質(zhì)量大于0.1g，最小徑長(zhǎng)不得小于3)。nd是目前礦物中最硬的物質(zhì)，其顯微硬度可達(dá)10000hv，耐磨性好，而且切削刃非常鋒利，刃部粗糙度值小，摩擦因數(shù)低，抗黏結(jié)性好，熱導(dǎo)率高，切削時(shí)不易黏刀及產(chǎn)生積屑瘤，加工外表質(zhì)量好。天然金剛石的硬度、抗磨損與抗腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性保證了刀具的超長(zhǎng)壽命，能保證持續(xù)長(zhǎng)久的正常切削，并減少由于刀具磨損對(duì)被加工零件的影響；

5、其較高的導(dǎo)熱系數(shù)又可降低切削溫度和零件的熱變形。天然大單晶金剛石的優(yōu)良特性可滿足精細(xì)及超精細(xì)切削對(duì)刀具材料的大多數(shù)要求，雖然其價(jià)格昂貴卻仍被公認(rèn)為是理想的精細(xì)及超精細(xì)切削工具材料?？蓮V泛地應(yīng)用于加工原子核反響堆及其它高技術(shù)領(lǐng)域的各種反射鏡、導(dǎo)彈和火箭中的地航陀螺、計(jì)算機(jī)硬盤基片，加速器電子槍的超精細(xì)加工以及傳統(tǒng)手表零件、首飾、制筆、有色金屬裝飾件的精細(xì)加工等。此外，還可以用于制造醫(yī)用刀具。nd的缺點(diǎn)主要是與鐵族元素接觸時(shí)有化學(xué)反響，在700800時(shí)將碳化(即石墨化)，一般不適于加工鋼鐵材料。2.聚晶金剛石和聚晶金剛石復(fù)合刀片pd又稱金剛石燒結(jié)體，它是在高溫、高壓下，通過(guò)鈷等金屬結(jié)合劑將許多金剛

6、石單晶粉聚晶成的多晶體材料。雖其硬度稍低于天然單晶金剛石，但它是隨機(jī)取向的金剛石晶粒的聚合，屬各向同性，無(wú)解理面。因此它不像大單晶金剛石那樣在不同晶面上的強(qiáng)度、硬度及耐磨性有很大的差異，以及因解理面的存在而呈脆性。在切削時(shí)，切削刃對(duì)意外損壞不很敏感，抗磨損才能也較強(qiáng)，可長(zhǎng)時(shí)間保持鋒利的切削刃，加工時(shí)可采用很高的切削速度和較大的背吃刀量，使用壽命一般高于基硬質(zhì)合金刀具1050倍，而且pd原料來(lái)源豐富，其價(jià)格只有nd的幾非常之一至十幾分之一，pd刀具具有極高的硬度及壽命、很低的摩擦系數(shù)、鋒利的刀刃、優(yōu)異的導(dǎo)熱性和低膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為傳統(tǒng)基硬質(zhì)合金刀具的高性能替代品。聚晶金剛石復(fù)合片(pd)刀

7、具材料是在pd研究的根底上開(kāi)展起來(lái)的。硬質(zhì)合金作為pd的基體材料既有好的韌性和一定的硬度，同時(shí)又具有可焊性以及與pd的某種兼容性。所以它既具有金剛石的硬度和耐磨性，又具有硬質(zhì)合金的韌性和可焊性之優(yōu)點(diǎn)。3.vd金剛石vd金剛石是在低壓下制備的，它不同于大單晶金剛石，而pd、pd是在高溫高壓下合成的。vd金剛石包括三類：第一種是在適當(dāng)基體上沉積的vd金剛石涂層(包括類金剛石dl涂層)；第二種是沉積厚度達(dá)1的無(wú)支撐的vd金剛石厚膜；第三種是在金剛石晶種上外延生長(zhǎng)的vd金剛石單晶膜或準(zhǔn)單晶膜。vd金剛石由于是不含任何金屬催化劑的純金剛石，因此它的熱穩(wěn)定性接近天然金剛石。同高溫高壓人工合成聚晶金剛石一樣

8、，vd聚晶金剛石晶粒也呈無(wú)序排列，無(wú)脆性解理面而呈各向同性。vd涂層刀具與pd、pd刀具相比，具有刀具形狀復(fù)雜、本錢低、一片多刀刃等優(yōu)點(diǎn)。然而，也存在金剛石涂層與基體之間結(jié)合強(qiáng)度低以及對(duì)有vd金剛石涂層的刃口進(jìn)展研磨處理時(shí)容易分層剝落的缺陷。到目前為止，vd金剛石的應(yīng)用市場(chǎng)還不大；vd金剛石厚膜與pd相比，主要優(yōu)點(diǎn)是其熱穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是晶粒間的內(nèi)聚強(qiáng)度低，內(nèi)應(yīng)力大、相對(duì)脆性大和不導(dǎo)電性。特別是缺乏導(dǎo)電性，阻礙了它在電火花(ed)切割、拋光加工技術(shù)中的應(yīng)用。而該項(xiàng)技術(shù)在金剛石刀具加工業(yè)，尤其是在木材加工用刀具的消費(fèi)和修整上得到了廣泛應(yīng)用。4.聚晶立方氮化硼目前，市場(chǎng)上聚晶立方氮化硼(pbn)刀具

9、按成分和制造方法可分為3種：整體聚晶立方氮化硼刀具、聚晶立方氮化硼復(fù)合片以及電鍍立方氮化硼刀具。它具有極高的硬度與耐磨性，具有很高的耐熱性，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性，摩擦系數(shù)也較低，pbn與pd、pd刀具材料有著相似的構(gòu)造與性質(zhì)，但耐磨性比pd、pd要差。然而pbn具有良好的抗化學(xué)腐蝕性，且在1200的高溫下，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。目前50%的pbn刀具用于汽車制造業(yè)，包括用于加工汽車發(fā)動(dòng)機(jī)箱體、剎車盤、傳動(dòng)軸、氣缸孔、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出氣閥座等，另外，約20%用于重型設(shè)備(如軋輥)的加工。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)加工技術(shù)的迅猛開(kāi)展以及數(shù)控機(jī)床普遍使用，可實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長(zhǎng)壽命加工的pbn刀具的應(yīng)用也日益普及，同時(shí)還引入了許多先進(jìn)的切削加工概念，如高速切削、硬態(tài)加工、以車代磨、干式切削等。pbn刀具材料已成為現(xiàn)代切削加工中不可缺少的重