超硬刀具材料在國際上公認(rèn)為當(dāng)代提高生產(chǎn)效率最有潛質(zhì)的刀具材料之一龄寞，其發(fā)展?jié)摿κ稚詈窳竿１疚南蜃x者介紹該材料的本質(zhì)、發(fā)展概況醇蝴、各產(chǎn)品的特點(diǎn)及應(yīng)用宣肚、前景。

　　潛質(zhì)優(yōu)厚的刀具材料

　　超硬材料刀具具有工效高推吼、使用壽命長(zhǎng)和加工質(zhì)量好等特點(diǎn)好阎，過去主要用於精加工，近幾年由於改進(jìn)人造超硬刀具材料的生產(chǎn)工藝夺疹，控制了原料純度和晶粒尺寸柄豹，采用了復(fù)合材料和熱壓工藝等，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大应康，除一般的精加工和半精加工外橱狗，還可用於粗加工，在國際上公認(rèn)為當(dāng)代提高生產(chǎn)效率最有潛質(zhì)的刀具材料之一坝贿。利用超硬材料加工鋼夭私、鑄鐵、有色金屬及其合金等零件爬搓，其切削速度可比硬質(zhì)合金高一個(gè)數(shù)量級(jí)(例如銑削可達(dá)3000m/min)添镜，刀具壽命可比硬質(zhì)合金高幾十、甚至幾百倍唠鹅。同時(shí)它的出現(xiàn)窿锉，還使傳統(tǒng)的工藝概念發(fā)生變化，利用超硬刀具可直接以車膝舅、銑代磨(或拋)對(duì)淬硬零件加工嗡载，可用單一工序代替多道工序，大大縮短工藝流程仍稀。在生產(chǎn)時(shí)用於一般的車洼滚、鏜和銑削加工，更成功地用於精密孔的加工技潘。

　　超硬刀具材料的發(fā)展概況

　　超硬刀具材料是指天然金剛石及硬度遥巴、性能相近的人造金剛石和CBN(立方氮化硼)。由於天然金剛石的價(jià)格比較昂貴享幽，所以生產(chǎn)上大多采用人造聚晶金剛石(PCD)铲掐、聚晶立方氮化硼(PCBN)及其復(fù)合材料拾弃。

　　早在50年代，美國已利用人造金剛石微粉和人造CBN微粉在高溫迹炼、高壓砸彬、觸媒和結(jié)合劑的作用下，燒結(jié)成尺寸較大的聚晶塊斯入，并作為刀具材料。南非戴比爾(De Beers)公司芳窟、前蘇聯(lián)和日本也相繼研制成功万僚。70年代初推出金剛石或CBN和硬質(zhì)合金的復(fù)合片，是在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)或壓制一層0.5-1mm的PCD或PCBN抬爷，從而解決超硬刀具材料抗彎強(qiáng)度低或祖、鑲焊困難等問題，使超硬刀具的應(yīng)用進(jìn)入實(shí)用階段留嫩。目前凰彼，又出現(xiàn)人工合成大單晶金剛石，以及用CVD(化學(xué)氣相沉積)法制出的金剛石薄膜涂層和金剛石厚膜等功能性材料絮檀，大大拓寬超硬刀具材料的應(yīng)用領(lǐng)域葛昏。

　　中國超硬刀具材料的研究與應(yīng)用開始於七十年代，并於1970年在貴陽建造第一座超硬材料及制品的專業(yè)生產(chǎn)廠―第六砂輪廠卜陵。但中國超硬材料生產(chǎn)速度發(fā)展緩慢绝鸡，從1970-1990年整整20年中，超硬材料年產(chǎn)量?jī)H從46萬克拉增至3500萬克拉开贼。九十年代前后舰褪，不少超硬材料生產(chǎn)專業(yè)廠從國外引進(jìn)成套的超硬材料合成設(shè)備及技術(shù)，產(chǎn)量才得到迅速發(fā)展疏橄，1997年中國人造金剛石年產(chǎn)量已達(dá)5億克拉左右占拍，CBN年產(chǎn)量達(dá)800萬克拉，躍居世界超硬材料生產(chǎn)大國之首捎迫。目前中國不少工廠晃酒，例如長(zhǎng)春一汽集團(tuán)公司、東風(fēng)汽車集團(tuán)公司和上海大眾汽車有限公司等立砸，已在生產(chǎn)中廣泛使用PCD掖疮、PCBN等超硬材料刀具，對(duì)提高工效颗祝、保證產(chǎn)品質(zhì)量起著重要作用浊闪。

　　超硬刀具材料性能

　　金剛石具有極高的硬度和耐磨性，其顯微硬度可達(dá)10000HV螺戳，是刀具材料中最硬的材料搁宾。其摩擦因數(shù)小折汞，與非鐵金屬無親和力，切屑易流出使谋，熱導(dǎo)率高整诈，切削時(shí)不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量好度攘。加工有色金屬時(shí)恒晋，表面粗糙度可達(dá)Ra0.012微米，加工精度可達(dá)IT5(孔IT6)級(jí)以上嘱杆，能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料止歇，如銅、鋁等有色金屬及其合金杭嚷、陶瓷翘辑、未燒結(jié)的硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強(qiáng)的復(fù)合材料嚣咕、塑料溜信、橡膠、石墨绷咳、玻璃和各種耐磨的木材(尤其是實(shí)心木和膠合板幸双、MDF等復(fù)合材料)。

　　金剛石的缺點(diǎn)是韌性差涯捻，熱穩(wěn)定性低浅妆，700-800度時(shí)容易碳化，不適於加工鋼鐵材料障癌。因?yàn)樵诟邷叵妈F原子容易與碳原子作用凌外，使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)。此外涛浙，以它切削鎳基合金時(shí)也會(huì)迅速磨損康辑。

　　CBN的硬度僅次於金剛石(可達(dá)8000-9000HV)，熱穩(wěn)定性高(達(dá)1250-1350度)轿亮，對(duì)鐵族元素化學(xué)惰性大疮薇，抗黏結(jié)能力強(qiáng)，用金剛石砂輪即可磨削開刃我注，適合加工各種淬硬鋼按咒、熱噴涂材料、冷硬鑄鐵和35HRC以上的鈷基和鎳基等難加工材料但骨。

　　單晶金剛石

　　單晶金剛石可分為天然金剛石(ND)和人工合成金剛石励七。單晶金剛石用於制作切削刀具必須是大顆粒(質(zhì)量大於0.1g，最小徑長(zhǎng)不得小於3mm)籍纸。

　　ND是目前已知礦物中最硬的物質(zhì)剿夫。它本身質(zhì)地細(xì)密渊妨，經(jīng)過精細(xì)研磨，刃口半徑可達(dá)0.01-0.002微米姓拂。但ND較脆夕涧，其結(jié)晶各向異性，不同晶面或同一晶面不同方向的晶體硬度均有差異寒肋，在進(jìn)行刃磨和使用時(shí)必須選擇合適的方向刹讹。由於其使用條件苛刻，加上ND資源有限沃铣，價(jià)格昂貴尘斧，至今使用較少，目前僅用於某些有色金屬如銅及銅合金和金暴彻、銀、銠等貴重金屬特殊零件的高速超精密加工莱衍，如錄相機(jī)磁盤冬魏、光學(xué)平面鏡、多面鏡乍狐、二次曲面鏡等赠摇。

　　人工合成單晶金剛石的尺寸、形狀和性能都具有良好的一致性浅蚪，目前由於高溫高壓的技術(shù)日趨成熟藕帜，能夠制備具有一定尺寸的人工合成單晶金剛石，De Beers公司和美國生產(chǎn)的合成單晶金剛石顆粒尺寸可達(dá)9-10mm惜傲，使其在生產(chǎn)中應(yīng)用迅速發(fā)展洽故。尤其在加工高耐磨的層狀木板時(shí)，其性能要優(yōu)於PCD金剛石盗誊，不會(huì)引起刃口過早鈍化时甚。

　　人造聚晶金剛石(PCD)和人造聚晶金剛石復(fù)合片(PCD/CC)

　　PCD又稱金剛石燒結(jié)體，是在高溫超高壓條件下哈踱，通過鈷等金屬結(jié)合劑將金剛石微粉聚合成的多晶體材料荒适。其硬度雖低於天然單晶金剛石，但它是隨機(jī)取向的金剛石晶粒的聚合开镣，屬各向同性刀诬，用作刀具時(shí)可以任意取向刃磨，無需像ND必須選用最佳的解理面作為前刀面常籍。在切削時(shí)健吃，切削刃對(duì)意外損壞不很敏感，抗磨損能力也很強(qiáng)茉油，可長(zhǎng)時(shí)間保持鋒利的切削刃另款，加工時(shí)可采用很高的切削速度和較大的吃刀量(例如在車削或鏜削鋁合金石沸、黃銅、青銅及其合金時(shí)询嘹，切削速度為300-1000m/min庵动，進(jìn)給量為0.05-0.5mm/r，吃刀量可達(dá)10mm)呜谓，使用壽命一般高於硬質(zhì)合金(WC基)刀具10-500倍暮课，而且PCD原料來源豐富，其價(jià)格只有ND的幾十分之一至十幾分之一洼荡，因此應(yīng)用廣泛椎吼，成為傳統(tǒng)WC刀具的高性能替代品。

　　PCD的性能與金剛石的晶粒尺寸及結(jié)合劑的含量有關(guān)下质。De Beers公司生產(chǎn)的PCD刀片有002姓建、010和025幾種，晶粒的平均尺寸分別為2缤苫、10和25微米速兔。晶粒尺寸越大，耐磨性越好活玲，但刃口質(zhì)量稍差涣狗，難以制成高精度刀具。相反舒憾，用細(xì)晶粒PCD制成的刀具镀钓、刃口質(zhì)量好。

　　為提高PCD刀片的韌性和可焊性镀迂，通常將PCD與硬質(zhì)合金復(fù)合做成復(fù)合刀片(PCD/CC)丁溅，即以硬質(zhì)合金為基底，在其表面燒結(jié)或壓制一層0.5-1mm厚的PCD而成招拙。這種復(fù)合刀片(又稱壓層刀片)的抗彎強(qiáng)度與硬質(zhì)合金基本一致唧瘾，而工作表面的硬度接近整體PCD，且可焊性好别凤，重磨容易禀丁，成本低，故應(yīng)用廣泛乃描。PCD/CC常用焊或機(jī)夾方式制作刀具跨基。英國Smith公司研制多層金剛石復(fù)合片，其頂層金剛石濃度為100%斯凑，往下逐步下降肾俯，同時(shí)硬質(zhì)合金逐漸增加，到襯底全部為硬質(zhì)合金蛀颓。這種復(fù)合片的強(qiáng)度高乡纸，抗沖擊性能好扛聂，特別適用於吃刀量大、有沖擊載荷的加工使用坪秒。日本住友電工公司采用鐵基合金作基體栏付，所制造的金剛石復(fù)合片鉆頭因PCD與鋼刀體有親和作用，可保證復(fù)合片與刀體的連結(jié)更為牢固煞嫩。

　　必須指出组弥，PCD刀具的刃口鋒利性和加工的工件表面質(zhì)量均不如ND，同時(shí)其可加工性很差逗爹，磨削比小亡嫌，難以根據(jù)刀頭的幾何形狀任意成形，至今還不能方便地制造帶斷屑槽的可轉(zhuǎn)位PCD刀片和立銑刀等幾何形狀復(fù)雜的產(chǎn)品掘而。

　　聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶立方氮化硼復(fù)合片(PCBN/CC)

　　PCBN或PCBN/CC制造方法與PCD或PCD/CC相似挟冠，是以CBN為原料，經(jīng)高溫高壓制成聚晶立方氮化硼或其復(fù)合片(PCBN/CC)袍睡。PCBN/CC的性能兼有較好的韌性和較高的硬度及耐磨性圃郊，抗彎強(qiáng)度可達(dá)1.47GPa，可經(jīng)多次重磨使用女蜈。

　　PCBN的性能與CBN的粒度、含量及結(jié)合劑種類有關(guān)色瘩，按其組織大致可分為兩大類∶一類是由CBN晶粒直接結(jié)合而成伪窖，CBN含量多(70%以上)，硬度高居兆，適用於耐熱合金覆山、鑄鐵和鐵系燒結(jié)金屬的切削加工；另一類是以CBN晶粒為主體泥栖，通過陶瓷結(jié)合劑(主要有TiN福互、TiC、TiCN厨刷、AlN鹉鉴、Al2O3等)燒結(jié)而成，這類PCBN中CBN含量少(70%以下)糙枚，硬度低彪选，適用於淬硬鋼的切削加工。

　　CVD金剛石

　　PCD檐伞、PCBN和人工合成單晶金剛石均是在高溫高壓下合成的剂现，而CVD金剛石是在低壓(< 0.1MPa)下制備的。

　　CVD金剛石有兩種形式∶CVD薄膜涂層(CD)和CVD厚膜(TFD)切拳。

　　CD是用CVD工藝茁臀，在硬質(zhì)合金基體(常用K類合金)上沉積一層厚度約10-30微米揩池，由多晶組成的膜狀金剛石而成。因基體易於制成復(fù)雜形狀堆因，故適用於幾何形狀復(fù)雜的刀具泪桥。據(jù)報(bào)道，美國和日本等國家已相繼推出了CD的絲錐溃卡、鉆頭溢豆、立銑刀和帶斷屑槽的可轉(zhuǎn)位刀片(如瑞典Sandvik公司的CD1810和美國Kennametal公司的KCD25牌號(hào))等產(chǎn)品，用於有色金屬和非金屬材料的高速精密加工瘸羡，刀具壽命比未涂層的硬質(zhì)合金刀具提高近十倍漩仙，有些甚至數(shù)十倍。

　　TFD是沉積厚度可達(dá)1mm的無襯底金剛石厚膜犹赖，根據(jù)需要再將厚膜切割成一定的大小队他，然后焊在硬質(zhì)合金刀片上使用。

　　TFD有很好的綜合性能峻村，它沒有天然金剛石各向異性的缺點(diǎn)麸折，由於不用金屬結(jié)合劑，雜質(zhì)含量低粘昨，純度接近100%垢啼，故硬度和熱導(dǎo)率比PCD更高，摩擦因數(shù)更小张肾，化學(xué)穩(wěn)定性更好芭析，可采用比PCD刀具更高的切削速度，韌性和強(qiáng)度則稍低於PCD悟唆。外國已有TFD的商品供應(yīng)傀掘。TFD未來可取代昂貴的天然金剛石刀具或PCD金剛石刀具。表1列出了TFD拗辜、PCD和人工合成單晶金剛石三者性能的對(duì)比圃星。

　　電鍍金剛石或電鍍CBN

　　電鍍金剛石或電鍍CBN是以金屬鎳和鈷等作結(jié)合劑，利用電鍍工藝把金剛石或CBN的細(xì)小顆粒包鑲在一定尺寸和幾何形狀的刀具基體表面烤眉，再經(jīng)適當(dāng)修磨制成丘苗。此法制造工藝簡(jiǎn)單，只需要電鍍?cè)O(shè)備即可子历。例如朦舟，鄭州磨料磨具磨削研究所和山東蓬萊金剛石工具廠等生產(chǎn)的電鍍金剛石或電鍍CBN鉸刀屬於這類刀具。使用表明稻便，用其可成功地加工尺寸精度和幾何形狀精度都小於2Mm投湿、表面粗糙度達(dá)Ra0.2-0.1微米的孔。例如，廣泛用於液壓隨動(dòng)系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)精密偶件的閥孔不从，目前生產(chǎn)上最終工序大多以這種鉸刀加工惜姐。

　　超硬材料的國際新趨勢(shì)

　　超硬刀具材料是一種先進(jìn)的刀具材料，在生產(chǎn)中有著廣闊的應(yīng)用前景椿息。人造超硬刀具材料歹袁，目前單晶的向粗顆粒、高強(qiáng)度寝优、多功能方向發(fā)展条舔。美國GE公司現(xiàn)可工業(yè)生產(chǎn)6克拉重的人造金剛石(約10mm)，最大顆粒達(dá)11.14克拉重乏矾。PCD則向大直徑孟抗、細(xì)粒度、高抗沖擊钻心、高熱穩(wěn)定性方向發(fā)展凄硼。PCD最大直徑已可達(dá)74mm，然后用激光切割成所需的形狀捷沸。PCD顆粒的商品尺寸為2-25微米摊沉；顆粒越細(xì)，切削刃的質(zhì)量越好痒给；顆粒越大用六，刀具使用壽命越長(zhǎng)。De Beers公司PCBN產(chǎn)品的最大直徑達(dá)101.6mm红狗，可加工70HRC的高硬度材料托俯。此外，據(jù)英國專利介紹拼固，英國還研制在PCD和PCBN刀片外表面用CVD法沉積一層鎳、銅篙协、鈦今攀、鈷、鉻粟朵、鉭的混合物敲抄，以及氮化鈦或碳化鈦的防護(hù)涂層，其耐磨性可比普通PCD和PCBN刀片高4倍喻秩。

　　CVD金剛石薄膜和厚膜是近年新研制的功能性材料碴验，盡管至今生產(chǎn)還未形成規(guī)模，但因性能優(yōu)異娃肃，有廣泛的用途缕陕，今后必將高速發(fā)展。

　　天然和人工合成的單晶金剛石，以及PCD和TFD之間存在相互交叉的應(yīng)用領(lǐng)域扛邑，在一定程度上能相互補(bǔ)充怜浅，須根據(jù)不同具體情況，特別是性能價(jià)格比加以選用蔬崩。預(yù)計(jì)超硬刀具材料CBN和金剛石將得到更多的應(yīng)用恶座，未來可能會(huì)發(fā)現(xiàn)和制造出嶄新的刀具材料品種，具有更優(yōu)異的性能沥阳。據(jù)Lellond公司介紹跨琳，他們開發(fā)一種由陶瓷＋CBN的超硬復(fù)合材料，兼有陶瓷和CBN兩種材料的優(yōu)點(diǎn)桐罕，是高速加工高硬耐磨鑄鐵的理想材料脉让。又如，用石墨原料合成的金剛石聚晶體冈绊，而當(dāng)今的金剛石為C12侠鳄；已有研究，同位素C13和C60則更為堅(jiān)硬死宣。前幾年枕捺，武漢大學(xué)研制的C3N4/TiN薄膜具有超硬材料性質(zhì)，涂覆在高速鋼鉆頭跷碰，可使鉆頭壽命大大提高壁歧。可以預(yù)料谎后，隨各種新型難切削材料應(yīng)用增多段扛，今后必將促進(jìn)超硬刀具材料的發(fā)展與應(yīng)用。

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)古种，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享袁虽，并不代表本站贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)，也不構(gòu)成任何其他建議绷荔。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布坠髓、編輯整理上傳，對(duì)此類作品本站僅提供交流平臺(tái)茄码，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)都敛。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻、圖片构韵、文字如涉及作品版權(quán)問題周蹭，請(qǐng)第一時(shí)間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容疲恢，以保證您的權(quán)益凶朗！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn瓷胧。