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超硬刀具材料的发展与应用

 2013年09月02日14:15 

  常用刀具材料有高速钢、硬质合金和陶瓷,它们的主要硬质成分是碳化物、氮化物和氧化物。例如,高速钢是加入了合金成分分是wc、tic、ticn等;陶瓷则是al2o3和si3n4。这些化合物的硬度最高达到3000hv,若加上粘接物质,其总体硬度则在2000hv以下。对于某些难加工材料的加工,具有上述硬度的刀具材料已不能胜任。于是超硬刀具材料便应运而生,在20世纪的后50年中得到了很大的发展。超硬材料的化学成分及其形成硬度的规律与其他刀具材料不同:立方氮化硼是非金属硼化物,晶体结构为面心立方;而金刚石则由碳元素转化而成,其晶体结构与立方氮化硼相似,它们的硬度大大高于传统刀具材料。近年来又出现了一种新型超硬刀具材料——氮化碳,其硬度亦与立方氮化硼相近。

  几千年前,人类就已经发现和使用天然金刚石;而人造金刚石的制造和应用则是20世纪后半世纪的事。氮化硼是人造材料,其发展过程与人造金刚石大体同步。

  人造金刚石以往多在高温、高压现了其他制造方法。pcd人造金刚石的研究始于1940年,1954年美国正式宣告人造金刚石研制成功,并于1957年开始工业生产。瑞典也于1962年开始人造金刚石的工业生产。到1969年,全世界人造金刚石产量为4000万克拉1963年中国研制成功pcd,到1996年中国人造金刚石产量已达2.4亿克拉,出口量达6~8.5千万克拉。21世纪初,中国人造金刚石最高年产量已达10亿克拉以上,居全世界首位。近年来亦有外国公司年产人造金刚石达1亿克拉以上。

  十几年前,美国物理学家a m lin和m l cohen应用分子工程理论,设计出新型超硬无机化合物氮化碳种结构的c3n4粉末衍射谱进行过计算;武汉大学吴大维教授等用

  金刚石分为天然金刚石d单晶粉,用于制作磨料、磨具;pcd单晶粒,可做刀具,并可作为光学、电子高科技原材料;pcd聚晶片及聚晶复合片,用于制作切削工具及其他工具。此外,还有人造

  和立方氮化硼所用的设备为六面顶或两面顶的液压机。压制单晶超硬材料,需将原料置于叶蜡石的腔体中。压制pcd单晶粉的原料是石墨片,石墨片与触媒剂ni—mn片层叠置于腔体中;压制pcd聚晶片的原料是pcd单晶粉,加入结合剂ni、si、co等。压制cbn单晶粉的原料为六方氮化硼n单晶粉,同时需置入触媒剂与结合剂。故压制单晶与聚晶制品,需先后分两次进行。热压时腔温约为1600℃~1900℃,顶锤部压力约为5000~6000mpa,加热与施压时间约为几分钟至十几分钟。对于单晶与聚晶、

  “热丝cvd法”用得较多。原料为乙醇、甲烷、氢气等,在炉内形成金刚石的碳结构,沉积在基体mm以上);将厚膜与基体分离;将膜切割成一定形状的小块;再将其钎焊在硬质合金上形成复合刀片或刀具。若制造

  其他性能-在空气中约660℃开始石墨化;铁元素能催进石墨化,在酸、碱中都不受浸蚀-/-/-在空气中到1300℃都不分解,与铁族元素呈惰性,在酸中不受浸蚀-在空气中高温下化学性质稳定,与刀具间附着力良好-/

  由表1可见,金刚石的硬度最高,pcbn和cxny次之,均远远高于其他刀具材料;超硬刀具材料的导热性好,杨氏模量高,密度、线膨胀系数和断裂韧性都较小。但金刚石的化学性能不如

  立方氮化硼具有高硬度、高热稳定性,对铁族元素呈惰性,故最适合切削下列工件材料:各种淬硬钢,包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等;各种冷硬铸铁和耐磨铸铁;各种铁基、镍基、钴基和其他热喷涂度及其他优异性能。用它制作的刀具,应用范围很广泛,可以加工各种难加工材料和非难加工材料。因为金刚石刀具分锋利,切削刃钝圆半径能达纳米级,因此特别适用于对有色金属。金刚石刀具能切削纯钨、工程陶瓷、硬质合金、工业玻璃、石墨与各种塑料以及各种复合材料复合材料)。金刚石还可用于制作牙科、骨科所用医疗器械工具,以及用于木材、石材加工的刀具和工具。金刚石和立方氮化硼单晶粉大量用于制作磨料、磨具、磨膏、砂布、砂纸等。金刚石还大量用于制作拉丝模、砂轮修正器和石油、地矿部门的钻探钻头,还可用于制作各种耐磨件。

  大部分能用金刚石刀具切削的难加工材料立方氮化硼刀具也能加工,但一般立方氮化硼刀具的使用寿命低于金刚石刀具。

  氮化碳涂层厚度很小,尚不能制成复合片或厚膜涂层,因此其应用范围受到很大限制;但c3n4涂层高速钢麻花钻有着良好的切削性能。

  作者曾用各种超硬刀具车削各种工件材料,进行了大量切削试验,借以对比各种刀具材料的切削性能,并探讨超硬刀具材料的切削机理。本文中仅列入了少量的试验曲线与数据,作为例证。

  由pcbn与pcd刀具的磨损曲线可见,pcbn刀具加工淬硬钢效果很好,在较高的切削速度下有较长的刀具寿命。pcd刀具则因前述的化学作用而迅速磨损。作者还曾用硬质合金ys8和si3n4基复合陶瓷刀具车削过上述淬硬钢,用44m/

  由钻头磨损曲线可见,高速钢麻花钻经c3n4涂层后,刀具寿命提高8~9倍,效果显著。作者还曾用c3n4涂层硬质合金刀片车削过淬硬钢和调质钢,虽有一定效果,但尚不够理想。

  半个世纪以来,pcd和pcbn超硬刀具材料迅猛发展,但其制造工艺和刃磨、研磨技术尚有不足,人们对它们性能的认识和使用经验也嫌不够,今后应加强研究,使之能够发挥更大的作用。近年,cvd金刚石厚膜、薄膜和cxny涂层材料得到开发,但技术尚不够成熟。通过深入研究,不断改进性能,上述超硬刀具材料必将有更为广阔的应用前景。

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