标题：超硬刀具材料
超硬刀具材料
金刚石金刚石是目前世界上已发现的最硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性等性能，在有色金属和非金属加工中得到广泛的应用，尤其  超硬刀具材料在铝和硅铝合金高速切削加工中，如轿车发动机缸体、缸盖、变速箱和各种活塞等的加工中，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具。近年来，由于数控机床的普及和数控加工技术的高速发展，可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具的应用日渐普及。金刚石刀具现在和将来都是数控加工中不可缺少的重要刀具。
立方氮化硼(CBN) 立方氮化硼是氮化硼的同素异构体，其结构与金刚石相似，硬度高达8000～9000HV，耐热度达1400℃，耐磨性好。近年来开发的多晶立方氮化硼(PCBN)是在高温高压下将微细的CBN颗粒通过结合相烧结在一起的多晶材料，既能胜任淬硬钢(45~65HRC)、轴承钢(60~64HRC)、高速钢(63~66HRC)、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削加工。陶瓷刀具陶瓷刀具是最有发展潜力的刀具之一，目前已引起世界工具界的重视。在工业发达的德国，约70%加工铸件的工序是由陶瓷刀具来完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%~10%。由于数控机床、高效无污染切削、被加工材料硬等因素，迫使刀具材料必须更新换代，陶瓷刀具正是顺乎潮流，不断改革创新，在Al2O3陶瓷基体中添加20%~30%的SiC晶液制成晶须增韧陶瓷材料，SiC晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹扩展方向的障碍物，使刀具的韧性大幅度提高，是一种很有发展前途的刀具材料。为了提高纯氧化铝陶瓷的韧性，加入含量小于10%的金属，构成所谓金属陶瓷，这类刀具材料具有强大的生命力，正以强劲势头向前发展，也许将来会自成一系，成为刀具材料家族新成员。 陶瓷刀具的主要原料是Al2O3、SiO2、碳化物等，它们是地壳中最富足的资源，发展此类刀具不存在原料来源问题。因此，开发应用陶瓷刀具有重要的战略意义和深远的历史意义。 由于切削加工机床和切削技术的突飞猛进，迫使刀具被动式同步。刀具材料的发展趋势，是向着高效率、高速度、高寿命方向发展。在各种刀具材料的发展中，硬质合金(包括涂层硬质合金)一枝独秀；HSS将进一步萎缩；HSS-E增幅缓慢；HSS-PM将有长足的进步；DH还会继续膨胀扰乱市场，不过好景不长;超硬刀具材料有广阔的发展空间，将继续扩大应用比例。形成了以硬质合金为主线，各种材料既有独特的优点和应用范围，又互相发展、互相竞争，又相互有所取代补充的整体格局。
超硬刀具材料发展概况
国外发展状况早在50年代，美国就利用人造金刚石微粉和人造CBN微粉在高温、高压、触媒和结合剂的作用下烧结成尺寸较大的聚晶块作为刀具材料。之后，南非戴比尔（DeBeers）公司、前苏联和日本也相继研制成功。70年代初又推出了金刚石或CBN和硬质合金的复合片，它们是在硬质合金基体上烧结或压制一层0.5mm～1mm的PCD或PCBN而成，从而解决了超硬刀具材料抗弯强度低、镶焊困难等问题，使超硬刀具的应用进入实用阶段。目前，又出现了人工合成大单晶金刚石，以及用CVD（化学气相沉积）法制出的金刚石薄膜涂层和金刚石厚膜等功能性材料，大大拓宽了超硬刀具材料的应用领域。中国发展状况我国超硬刀具材料的研究与应用开始于70年代，并于1970年在贵阳建造了我国第一座超硬材料及制品的专业生产厂－－第六砂轮厂，从1970～1990年整整20年中，超硬材料年产量仅从46万克拉增至3500万克拉。90年代前后不少超硬材料生产专业厂从国外引进了成套的超硬材料合成设备及技术，产量得到迅速增加，至1997年我国人造金刚石年产量就已达到5亿克拉左右，CBN年产量达800万克拉，跃居世界上超硬材料生产大国之首。
超硬刀具材料应用背景
随着材料工业及精密机械工业的发展，精密切削、超精密切削和难切削材料使用的增多，超硬刀具材料的应用日益广泛。
超硬材料刀具具有工效高、使用寿命长和加工质量好等特点，过去主要用于精加工，近几年来由于改进了人造超硬刀具材料的生产工艺，控制了原料纯度和晶粒尺寸，采用了复合材料和热压工艺等，应用范围不断扩大，除适于一般的精加工和半精加工外，还可用于粗加工，被国际上公认为是当代提高生产率最有希望的刀具材料之一。利用超硬材料加工钢、铸铁、有色金属及其合金等零件，其切削速度可比硬质合金高一个数量级，刀具寿命可比硬质合金高几十、甚至几百倍。同时它的出现，还使传统的工艺概念发生变化，利用超硬刀具常常可直接以车、铣代磨（或抛光），对淬硬零件加工，可用单一工序代替多道工序，大大缩短工艺流程。
超硬刀具材料的本质
人工合成单晶金刚石的尺寸、形状和性能都具有良好的一致性，目前由于高温高压的技术日趋成熟，能够制备具有一定尺寸的人工合成单晶金刚石，De Beers公司和美国生产的合成单晶金刚石颗粒尺寸可达9-10mm,使其在生产中应用迅速发展。尤其在加工高耐磨的层状木板时，其性能要优于PCD金刚石，不会引起刃口过早钝化。人造聚晶金刚石(PCD)人造聚晶金刚石复合片(PCD/CC)
PCD又称金刚石烧结体，是在高温超高压条件下，通过钴等金属结合剂将金刚石微粉聚合成的多晶体材料。其硬度虽低于天然单晶金刚石，但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合，属各向同性，用作刀具时可以任意取向刃磨，无需像ND必须选用最佳的解理面作为前刀面。在切削时，切削刃对意外损坏不很敏感，抗磨损能力也很强，可长时间保持锋利的切削刃，加工时可采用很高的切削速度和较大的吃刀量(例如在车削或镗削铝合金、黄铜、青铜及其合金时，切削速度为300-1000m/min,进给量为0.05-0.5mm/r,吃刀量可达10mm),使用寿命一般高于硬质合金(WC基)刀具10-500倍，而且PCD原料来源丰富，其价格只有ND的几十分之一至十几分之一，因此应用广泛，成为传统WC刀具的高性能替代品。
PCD的性能与金刚石的晶粒尺寸及结合剂的含量有关。De Beers公司生产的PCD刀片有002、010和025几种，晶粒的平均尺寸分别为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，特别适用于吃刀量大、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，适用于耐热合金、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，适用于淬硬钢的切削加工。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金刚石是在低压下合成的
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。因基体易于制成复杂形状，故适用于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，用于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，由于不用金属结合剂，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，韧性和强度则稍低于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。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铰刀属于这类刀具。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于2Mm、表面粗糙度达Ra0.2-0.1微米的孔。例如，广泛用于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。
超硬刀具材料性能特点
金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好。能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材（尤其是实心木和胶合板等复合材料）。
金刚石的缺点是韧性差，热稳定性低。700℃～800℃时容易碳化，故不适于加工钢铁材料。因为在高温下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构。此外，用它切削镍基合金时，同样也会迅速磨损。
CBN的硬度仅次于金刚石（可达8000HV～9000HV），并且热稳定性高（达1250℃～1350℃），对铁族元素化学惰性大，抗粘结能力强，而且用金刚石砂轮即可磨削开刃，故适于加工各种淬硬钢、热喷涂材料、冷硬铸铁和35HRC以上的钴基和镍基等难切削材料。
超硬刀具材料应用前景
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公司现可工业生产出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应用前景PCD最大直径已可达74mm，然后用激光切割成所需的任何形状。PCD颗粒的商品尺寸为2μm～25μm；颗粒越细，切削刃的质量越好；颗粒越大，刀具使用寿命越长。DeBeers公司生产的PCBN产品，最大直径为101.6mm，可加工70HRC的高硬度材料。此外，据英国专利介绍，英国还研制出一种在PCD和PCBN刀片外表面上用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应用前景CVD金刚石薄膜和厚膜是近几年新研制出的功能性材料，尽管至今生产还未形成规模，但因其性能优异，有着广泛的用途。
天然和人工合成的单晶金刚石，以及PCD和TFD之间存在着相互交叉的应用领域，它们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。预计在新世纪，超硬刀具材料CBN和金刚石将得到更多的应用，可能会发现制造出崭新的刀具材料的品种，具有更优异的性能。据Lellond公司介绍，他们开发了一种由陶瓷+CBN的超硬复合材料，它兼有陶瓷和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，武汉大学研制出一种C3N4/TiN薄膜，亦具有超硬材料性质，用其涂覆在高速钢钻头上，可使钻头寿命大大提高。可以预料，今后随着各种新型难切削材料应用的增多，必将促进超硬刀具材料进一步的发展与应用。