超硬刀具材料的性能

金剛石硬度和耐磨性極高,其顯微硬度可達10000HV,是刀具材料中最硬的材料。金剛石的摩擦系數(shù)小,與非鐵金屬無親和力,切屑易流出,熱導(dǎo)率高,切削時不易產(chǎn)生積屑瘤,加工表面質(zhì)量好陆赋。能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料,如銅肥照、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷歹河、未燒結(jié)的硬質(zhì)合金掩浙、各種纖維和顆粒加強的復(fù)合材料、塑料秸歧、橡膠厨姚、石墨、玻璃和各種耐磨的木材(尤其是實心木和膠合板等復(fù)合材料)键菱。

金剛石的缺點是韌性差,熱穩(wěn)定性低谬墙。700℃～800℃時易碳化,故不適合加工鋼鐵材料。因為在高溫下,鐵原子易與碳原子作用而使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)经备。此外,用它來加工鎳基合金,刀具會迅速磨損育另。

立方氮化硼(CBN)的硬度僅次于金剛石,硬度可達8000HV～9000HV,并且熱穩(wěn)定性高(達1250℃～1350℃),對鐵族元素化學惰性大,抗粘結(jié)能力強,而且用金剛石砂輪即可磨削開刃,所以適合于加工各種淬硬鋼、熱噴涂材料刺盏、冷硬鑄鐵和硬度為35HRC以上的鈷基和鎳基難加工材料缤币。

超硬刀具材料發(fā)展現(xiàn)狀

由于天然金剛石價格昂貴,所以在生產(chǎn)中多數(shù)采用人造聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)以及它們的復(fù)合材料锡迅。

美國在五十年代就利用人造金剛石微粉和人造立方氮化硼(CBN)微粉在高溫高壓旬敞、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。而后,南非De Beers公司单葡、前蘇聯(lián)和日本也相繼研制成功深境。七十年代初,又推出了金剛石或CBN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0.5mm～1mm的PCD或PCBN而成,從而解決了超硬刀具材料抗彎強度低、釬焊困難等問題,使超硬刀具的應(yīng)用進入實用階段雳梧。目前,又出現(xiàn)了人工合成大單晶金剛石(SCD),以及用CVD法制出的金剛石薄膜涂層和金剛石厚膜等功能性材料,極大地拓寬了超硬刀具材料的應(yīng)用領(lǐng)域旅雇。

我國超硬刀具材料的研究與應(yīng)用始于七十年代,從1970～1990年,超硬材料年產(chǎn)量從46萬克拉增至3500萬克拉。九十年代前后,很多超硬材料專業(yè)生產(chǎn)廠家從國外引進了成套的超硬材料合成設(shè)備及技術(shù)生產(chǎn)人造金剛石,使其產(chǎn)量猛增托逝。據(jù)統(tǒng)計,1997年,我國人造金剛石的年產(chǎn)量達5億克拉,立方氮化硼的年產(chǎn)量為800萬克拉跃旁。1999年,人造金剛石年產(chǎn)量達7.5億克拉,至2000年猛增至12億克拉,成為世界超硬材料生產(chǎn)大國。

超硬刀具材料發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景

目前,單晶的人造超硬刀具材料正向粗顆粒萤皂、高強度撒穷、多功能方向發(fā)展。美國GE公司現(xiàn)可生產(chǎn)6克拉重的人造金剛石(約10mm),最大顆粒重量1114克拉裆熙。聚晶金剛石(PCD)則向大直徑端礼、細顆粒、抗沖擊力強入录、高熱穩(wěn)定性方向發(fā)展蛤奥。目前生產(chǎn)的最大直徑已達74mm,可用激光切割成所需的任何形狀。PCD顆粒的商品尺寸為2～25μm；顆粒越細,切削刃的質(zhì)量越好凡桥；顆粒越大,刀具使用壽命越長蟀伸。De Beers公司生產(chǎn)的PCBN產(chǎn)品,最大直徑為101.6mm,可加工硬度為70HRC的高硬度材料。美國研制出一種在PCD和PCBN刀片外表面上用CVD法沉積一層鎳唬血、銅望蜡、鈦、鈷拷恨、鉻脖律、鉭的混合物,以及TiN或TiC的防護涂層,其耐磨性比普通PCD和PCBN刀片高4倍。

CVD金剛石薄膜和厚膜是近年來新研制開發(fā)的功能性材料,至今尚未形成生產(chǎn)規(guī)模漩叶。但因其性能優(yōu)良,所以有廣泛的用途苹衰。

天然和人工合成的單晶金剛石以及PCD和TED之間存在著相互交叉的應(yīng)用領(lǐng)域,它們在一定程度上能相互補充,應(yīng)根據(jù)不同的具體情況,特別是性能價格比加以選用。預(yù)計在新世紀,超硬刀具材料CBN和金剛石將得到更多的應(yīng)用,雖將可能開發(fā)出性能更為優(yōu)異的新的超硬刀具材料狞朦。據(jù)報道,Lellond公司開發(fā)了一種由陶瓷+CBN的超硬復(fù)合材料,具有陶瓷和CBN兩種材料的優(yōu)點,是高速加工高硬耐磨鑄鐵的理想材料棘爱；又開發(fā)了用石墨原料合成的金剛石聚晶體；目前開發(fā)的C12澎矗、C13和C60金剛石材料的硬度更高柜棠。幾年前,武漢大學研制出一種C3N4/TiN薄膜,將其涂覆在高速鋼鉆頭上,可使鉆頭壽命大大提高。

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