金剛石和超硬材料的應(yīng)用與展望
1 概述
2 金剛石、超硬材料的特性與作用
3 金剛石及超硬材料應(yīng)用中的注意事項(xiàng)
- 天然單晶金剛石
- 在當(dāng)前的超精密加工中疙岂,天然單晶金剛石的切削工具已是必不可少坡疼。它可獲得極為鋒利的切削刃,其刃口圓弧半徑可以達(dá)到連掃描電子顯微鏡(SEM)也無(wú)法檢測(cè)的程度衣陶。據(jù)日本大阪大學(xué)井川直哉教授介紹柄瑰,最小可達(dá)2~4nm,這是當(dāng)前的最高水平,是通過(guò)切削獲得的厚為1nm的切屑推算出來(lái)的剪况。1986年日本專門成立了一個(gè)金剛石刀尖評(píng)價(jià)委員會(huì)教沾,來(lái)解決刀尖的測(cè)量問(wèn)題蒲跨,直至今天仍然沒(méi)有很好解決,只是從0.05μm提高到2~4nm详囤。1992年?yáng)|芝機(jī)械的淺井昭一也曾提出過(guò)利用掃描隧道顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)進(jìn)行檢測(cè)的建議财骨,但是并沒(méi)有再報(bào)道過(guò)镐作,我國(guó)華中理工大學(xué)精儀系在1996年報(bào)道了用AFM取得了進(jìn)展藏姐,這是可喜的成就。
- 金剛石切削工具的刃磨该贾,雖已有不小的成就羔杨。但仍然是以經(jīng)驗(yàn)為主,依舊是一個(gè)有待解決的課題杨蛋。金剛石切削工具的幾何參數(shù)也許是實(shí)踐不足兜材,所以迄今還有待探索。一般其前角為0°蛹段,后角為5~6°猖生,其端部有兩種,一是圓弧捞书,另一為直°線妥尘,后者有時(shí)稱為修光刃,其長(zhǎng)度根據(jù)被加工材料來(lái)選擇佣锁。圓弧車刀在切削過(guò)程中的調(diào)整比較簡(jiǎn)單郊蹈,而平刃的調(diào)整相對(duì)而言是很費(fèi)時(shí)的。如果應(yīng)用在高精度的曲面加工中擎津,圓弧的刃磨要求就很嚴(yán)格房肿,它精度的優(yōu)劣會(huì)復(fù)印在曲面上。據(jù)資料表明朵聪,日本大阪金剛石制作所在數(shù)年前就能達(dá)到R±0.05μm,英國(guó)則更高暗环,達(dá)到R±0.02μm。
- 切削過(guò)程中亮花,金剛石的導(dǎo)熱性優(yōu)越副瀑,散熱快,但是要注意切削熱不宜高于700℃曹体,否則會(huì)發(fā)生石墨化現(xiàn)象俗扇,工具會(huì)很快磨損。因?yàn)榻饎偸诟邷叵潞蚖箕别、Ta铜幽、Ti、Zr串稀、Fe除抛、Ni狮杨、Co、Mn到忽、Cr橄教、Pt等會(huì)發(fā)生反應(yīng)。
- 金剛石燒結(jié)體(PCD)
- PCD 的出現(xiàn)喘漏,在許多方面代替了天然單晶金剛石护蝶。PCD與天然金剛石比較,價(jià)格便宜塞补,且刃磨遠(yuǎn)比天然金剛石方便青烙,所以其應(yīng)用、推廣特別迅速喻丐。在大量涌現(xiàn)的新材料中冕店,大部分都是難加工材料,如高硅鋁合金腔水,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞大量采用這種材料嘁压。一般,含硅量低于10%的鋁合金已堆,用硬質(zhì)合金切削工具即可爆踱,但含硅量超過(guò) 10%,就只能借助PCD。當(dāng)前采用的高硅鋁合金含硅量均在12%以上圈机,有的已達(dá)18%以上歉活,所以非PCD莫屬。
- 但是偏戳,由于PCD的種類很多莉歼,有合理選擇的必要。其粒度攻泼、濃度等都會(huì)影響到硬度火架、耐磨性等性能。因此忙菠,在應(yīng)用中也必須根據(jù)被加工材料的種類何鸡。硬度等特性來(lái)考慮合理的各種參數(shù)。由于其具有各向同性牛欢,耐磨性比較好骡男,加工成拔絲模甚至優(yōu)于天然單晶金剛石。
- PCD在國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)已十分普及傍睹,但是質(zhì)量有較大的差異隔盛,因此在價(jià)格上出入很大。國(guó)內(nèi)曾用美國(guó)超細(xì)粒度的GE公司的刀片拾稳,在PneumoPreci~sion的SMG325超精密機(jī)床上做了切削試驗(yàn)吮炕,曾達(dá)到接近鏡面的表面粗糙度腊脱。
- 立方氮化硼燒結(jié)體(PCBN)
- PCBN 是CBN顆粒與結(jié)合劑一起燒結(jié)而成,耐高溫龙亲,硬度僅次于金剛石陕凹,與黑色金屬無(wú)親和力。從發(fā)展的角度來(lái)看吻讽,許多新材料需用PCBN來(lái)加工贸薇。比如汽車變速箱的齒輪采用了PCBN的齒輪滾刀,不僅獲得高生產(chǎn)率缚扩,且明顯的提高了質(zhì)量痕豺,加工面甚至變成了鏡面亏铃。據(jù)資料表明闪妓,PCBN滾切過(guò)的齒輪表面由于硼的滲入,硬度也變高穴眼。這是哈工大的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的甚庇。由于PCBN耐高溫,在大氣和水蒸氣中没赔,在900℃以下無(wú)任何變化且穩(wěn)定葵嗦,甚至在1300℃時(shí),和Fe取铃、Ni英品、Co等也幾乎沒(méi)有反應(yīng),更不會(huì)像金剛石那樣急劇磨損族壳,這時(shí)它仍能保持硬質(zhì)合金的硬度憔辫,因此,它不僅能切削淬火過(guò)的鋼零件或冷硬鑄鐵仿荆,而且能被廣泛應(yīng)用于高速或超高速的切削工作上贰您。
- 但是,PCBN不適于切削一般的鋼件拢操,因此锦亦。選擇工具時(shí)必須注意。采購(gòu)時(shí)必須考慮到其粒度令境、濃度杠园。
- PCBN的幾何形狀也有特殊性,一般切削刃需要倒棱成-30°或圓弧舔庶,以防護(hù)刀尖破損抛蚁。
- 生產(chǎn)PCBN的廠商不少,國(guó)外主要的有美國(guó)的GE公司栖茉、日本的住友電氣(株)篮绿、DIJET(黛杰)孵延、英國(guó)的DeBeers等,國(guó)內(nèi)主要有成都工具研究所羽剪、貴州第六砂輪廠茸例、桂林地質(zhì)研究所等。
- 超硬材料涂層切削工具
- CVD殴燃、PVD等技術(shù)的出現(xiàn)偷逆,是切削工具領(lǐng)域中的一次重大的革命。它的出現(xiàn)立即引起了機(jī)械制造領(lǐng)域的巨大反響斯荒,理想的切削工具應(yīng)當(dāng)是既有硬的表面卤索,又有高的韌性,涂層技術(shù)便達(dá)到了這個(gè)目標(biāo)挨狡。
- 最早的涂層材料都是陶瓷性質(zhì)的物質(zhì)斯泥,如TiN、TiC迫赞、Al2O3等啼阵,近年來(lái),涂層技術(shù)又有了很大的發(fā)展扑轮。超硬材料涂層正在得到全面應(yīng)用撤奸,許多產(chǎn)品相繼出現(xiàn)在市場(chǎng)上,但國(guó)內(nèi)尚處在實(shí)驗(yàn)階段喊括,預(yù)計(jì)也會(huì)很快突破胧瓜,超硬材料涂層的發(fā)展,使整個(gè)現(xiàn)有的切削工具的性能都明顯得到了提高郑什,面對(duì)當(dāng)前大量涌現(xiàn)的難加工材料府喳,這些新發(fā)展的涂層技術(shù)將有巨大的適應(yīng)能力,前景相當(dāng)喜人蹦误。
- 超硬材料涂層的種類共有三大類劫拢,即類金剛石、金剛石和CBN强胰。這些涂層材料均為純金剛石或純CBN,所以硬度與沉積的材料是相同的舱沧,和PCD與PCBN相比,因不含結(jié)合劑偶洋,所以硬度熟吏、耐磨性等均有較大的提高。
- 金剛石涂層和CBN涂層的性能與原材料是相同的玄窝,只是薄膜而已蒲龟,使用時(shí)與陶瓷涂層類同。這里著重介紹類金剛石膜讼崔。
- 類金剛石碳(Diamond-LikeCarbon,簡(jiǎn)稱DLC)膜具有與金剛石膜相似的優(yōu)異性能凌宫,其抗摩擦磨損性能良好炫咱,且DLC膜制備工藝日趨成熟,可以在很低的沉積溫度下獲得大面積且表面粗糙度小的DLC膜麻坯,而金剛石薄膜則要求較高的沉積溫度(約800℃~1000℃)投圣,因此,許多基體材料受到限制毙帚,如高速鋼脓脸,而且在大面積上沉積均勻也比較困難,表面也粗糙熔布。因此辐椎,DLC膜在許多場(chǎng)合更易獲得應(yīng)用,如可作磁盤的保護(hù)膜默徘。
- 在涂層切削工具的使用方面恰岳,和陶瓷涂層的一樣,涂層基體也必須作很好的處理。一般基體的硬質(zhì)合金為YG8,其預(yù)處理工藝首先用W1金剛石微粉拋光沐祷,再進(jìn)行表面脫鈷 15min,脫鈷液為1:3硝酸水溶液,然后在丙酮中超聲波清洗10min〈魏停基體在涂復(fù)之前,清洗的工作極為重要累提。如果是切削工具兼耀,在刃磨中必須保證不能退火。
- 由于超硬材料涂復(fù)的技術(shù)歷史尚短炕倘,還處在發(fā)展之中钧大。相信它也會(huì)和陶瓷涂層技術(shù)一樣,會(huì)更加完善罩旋。
- 厚膜金剛石
- 金剛石薄膜的合成技術(shù)和應(yīng)用研究在全球范圍發(fā)展極為迅速啊央,形成了“金剛石薄膜熱”。在這十多年內(nèi)涨醋,氣相合成的方法發(fā)展到二十多種瓜饥,一般沉積的速度每小時(shí)只 1~2μm,如何加快沉積速度一直是人們研究的課題。在近期沉積速度發(fā)展到了100μm/h以上浴骂,最高達(dá)到930μm/h快混。我們稱之為厚膜金剛石。我國(guó)東方天地金剛石研究所成功地掌握了這門技術(shù)能航,最大的沉積厚度達(dá)到了2.3mm〈┗ィ現(xiàn)在已商品化,進(jìn)入了國(guó)際先進(jìn)行列挚蟹。
- 厚膜金剛石不同于 PCD之處是沒(méi)有結(jié)合劑峡徽,是純金剛石蓬甩,所以它的硬度高得多,與天然金剛石不同绣首,它具有各向同性婆崔,成本低,因此在許多方面將取代PCD革襟。用作拔絲模將是均勻磨損十卖,因此拔絲的線材質(zhì)量明顯優(yōu)于天然金剛石模具。如果沉積質(zhì)量進(jìn)一步提高鸭嗡,在超精密加工中也有取代天然金剛石的可能俘伤,因此頗受超精密領(lǐng)域的重視。
4 問(wèn)題與展望
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