| 超硬刀具材料的本质 |
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| 日期：2007-8-26 11:40:36 人气：71 [大 中 小] |
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别为2、10和25微米。晶粒尺寸越大，耐磨性越好，但刃口质量稍差，难以制成高精度刀具。相反，用细晶粒PCD制成的刀具、刃口质量好。
为提高PCD刀片的韧性和可焊性，通常将PCD与硬质合金复合做成复合刀片(PCD/CC)，即以硬质合金为基底，在其表面烧结或压制一层0.5-1mm厚的PCD而成。这种复合刀片（又称压层刀片）的抗弯强度与硬质合金基本一致，而工作表面的硬度接近整体PCD，且可焊性好，重磨容易，成本低，故应用广泛。PCD/CC常用焊或机夹方式制作刀具。英国Smith公司研制多层金刚石复合片，其顶层金刚石浓度为100%，往下逐步下降，同时硬质合金逐渐增加，到衬底全部为硬质合金。这种复合片的强度高，抗冲击性能好，特别适用於吃刀量大、有冲击载荷的加工使用。日本住友电工公司采用铁基合金作基体，所制造的金刚石复合片钻头因PCD与钢刀体有亲和作用，可保证复合片与刀体的连结更为牢固。
必须指出，PCD刀具的刃口锋利性和加工的工件表面质量均不如ND，同时其可加工性很差，磨削比小，难以根据刀头的几何形状任意成形，至今还不能方便地制造带断屑槽的可转位PCD刀片和立铣刀等几何形状复杂的产品。
聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶立方氮化硼复合片(PCBN/CC)
PCBN或PCBN/CC制造方法与PCD或PCD/CC相似，是以CBN为原料，经高温高压制成聚晶立方氮化硼或其复合片(PCBN/CC)。PCBN/CC的性能兼有较好的韧性和较高的硬度及耐磨性，抗弯强度可达1.47GPa，可经多次重磨使用。
PCBN的性能与CBN的粒度、含量及结合剂种类有关，按其组织大致可分为两大类∶一类是由CBN晶粒直接结合而成，CBN含量多（70%以上），硬度高，适用於耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工；另一类是以CBN晶粒为主体，通过陶瓷结合剂（主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al2O3等）烧结而成，这类PCBN中CBN含量少（70%以下），硬度低，适用於淬硬钢的切削加工。
CVD金刚石
PCD、PCBN和人工合成单晶金刚石均是在高温高压下合成的，而CVD金刚石是在低压(< 0.1MPa)下制备的。
CVD金刚石有两种形式∶CVD薄膜涂层(CD)和CVD厚膜(TFD)。
CD是用CVD工艺，在硬质合金基体（常用K类合金）上沉积一层厚度约10-30微米，由多晶组成的膜状金刚石而成。因基体易於制成复杂形状，故适用於几何形状复杂的刀具。据报道，美国和日本等国家已相继推出了CD的丝锥、钻头、立铣刀和带断屑槽的可转位刀片（如瑞典Sandvik公司的CD1810和美国Kennametal公司的KCD25牌号）等产品，用於有色金属和非金属材料的高速精密加工，刀具寿命比未涂层的硬质合金刀具提高近十倍，有些甚至数十倍。
TFD是沉积厚度可达1mm的无衬底金刚石厚膜，根据需要再将厚膜切割成一定的大小，然后焊在硬质合金刀片上使用。
TFD有很好的综合性能，它没有天然金刚石各向异性的缺点，由於不用金属结合剂，杂质含量低，纯度接近100%，故硬度和热导率比PCD更高，摩擦因数更小，化学稳定性更好，可采用比PCD刀具更高的切削速度，韧性和强度则稍低於PCD。外国已有TFD的商品供应。TFD未来可取代昂贵的天然金刚石刀具或PCD金刚石刀具。表1列出了TFD、PCD和人工合成单晶金刚石三者性能的对比。
电镀金刚石或电镀CBN
电镀金刚石或电镀CBN是以金属镍和钴等作结合剂，利用电镀工艺把金刚石或CBN的细小颗粒包镶在一定尺寸和几何形状的刀具基体表面，再经适当修磨制成。此法制造工艺简单，只需要电镀设备即可。例如，郑州磨料磨具磨削研究所和山东蓬莱金刚石工具厂等生产的电镀金刚石或电镀CBN铰刀属於这类刀具。使用表明，用其可成功地加工尺寸精度和几何形状精度都小於2Mm、表面粗糙度达Ra0.2-0.1微米的孔。例如，广泛用於液压随动系统和燃油系统精密偶件的阀孔，目前生产上最终工序大多以这种铰刀加工。
超硬材料的国际新趋势
超硬刀具材料是一种先进的刀具材料，在生产中有着广阔的应用前景。人造超硬刀具材料，目前单晶的向粗颗粒、高强度、多功能方向发展。美国GE公司现可工业生产6克拉重的人造金刚石（约10mm），最大颗粒达11.14克拉重。PCD则向大直径、细粒度、高抗冲击、高热稳定性方向发展。PCD最大直径已可达74mm，然后用激光切割成所需的形状。PCD颗粒的商品尺寸为2-25微米；颗粒越细，切削刃的质量越好；颗粒越大，刀具使用寿命越长。De Beers公司PCBN产品的最大直径达101.6mm，可加工70HRC的高硬度材料。此外，据英国专利介绍，英国还研制在PCD和PCBN刀片外表面用CVD法沉积一层镍、铜、钛、钴、铬、钽的混合物，以及氮化钛或碳化钛的防护涂层，其耐磨性可比普通PCD和PCBN刀片高4倍。
CVD金刚石薄膜和厚膜是近年新研制的功能性材料，尽管至今生产还未形成规模，但因性能优异，有广泛的用途，今后必将高速发展。
天然和人工合成的单晶金刚石，以及PCD和TFD之间存在相互交叉的应用领域，在一定程度上能相互补充，须根据不同具体情况，特别是性能价格比加以选用。预计超硬刀具材料CBN和金刚石将得到更多的应用，未来可能会发现和制造出崭新的刀具材料品种，具有更优异的性能。据Lellond公司介绍，他们开发一种由陶瓷＋CBN的超硬复合材料，兼有陶瓷和CBN两种材料的优点，是高速加工高硬耐磨铸铁的理想材料。又如，用石墨原料合成的金刚石聚晶体，而当今的金刚石为C12；已有研究，同位素C13和C60则更为坚硬。前几年，武汉大学研制的C3N4/TiN薄膜具有超硬材料性质，涂覆在高速钢钻头，可使钻头寿命大大提高。可以预料，随 各种新型难切削材料应用增多，今后必将促进超硬刀具材料的发展与应用。 |
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| 出处：本站原创 作者：佚名 | |
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