超硬刀具材料的发展与应用

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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。
　　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。
　　“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。　　
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。
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。
　　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。　　
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。　　        
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。