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五种超硬刀具材料的性能特点分析(上)

关键词 超硬刀具 , 超硬材料|2022-10-19 09:39:09|技术信息|来源 中国超硬材料网
摘要 超硬刀具材料指可用作刀具切削加工的超硬材料。目前主要可分为两大类:一类是金刚石切削刀具材料;另一类是立方氮化硼切削刀具材料。目前已经在应用或正在试验中的超硬刀具材料的主要品种有以下...

       超硬刀具材料指可用作刀具切削加工的超硬材料。目前主要可分为两大类:一类是金刚石切削刀具材料;另一类是立方氮化硼切削刀具材料。目前已经在应用或正在试验中的超硬刀具材料的主要品种有以下五种。

(1)天然和人工合成大单晶金刚石

(2)聚晶金刚石(PCD)和聚晶金刚石复合刀片(PDC)

(3)CVD 金刚石

(4)聚晶立方氮化硼(PCBN)

(5)CVD 立方氮化硼涂层

       今天先来讲前两种。

       1、天然和人工合成大单晶金刚石

       天然金刚石是无内部晶界的均匀晶体结构,使刀具刃口理论上可达到原子级的平直度与锋利度,切削能力强、精度高、切削力小。天然金刚石的硬度、抗磨损与抗腐蚀性和化学稳定性保证了刀具的超长寿命,能保证持续长久的正常切削,并减少由于刀具磨损对被加工零件精度的影响,其较高的导热系数又可降低切削温度和零件的热变形。天然大单晶金刚石的优良特性可满足精密及超精密切削对刀具材料的大多数要求。虽然其价格昂贵,却仍被公认为是理想的精密及超精密刀具材料,可被广泛地应用于加工原子核反应堆及其他高技术领域的各种反射镜、导弹和火箭中的导航陀螺、计算机硬盘基片、加速器电子枪的超精密加工,以及传统手表零件、首饰、制笔、有包金属装饰件的精密加工等。此外,还可用于制造眼科、脑外科手术刀,超薄生物刀片等医用刀具。当前高温高压技术的发展使得制备出具有一定尺寸的大单晶金刚石成为可能。这种金刚石刀具材料的优点在于其尺寸、形状和性能都具有良好的一致性,这在天然金刚石产品中是不能实现的。由于大尺寸天然金刚石货源稀缺,价格昂贵,人工合成大颗粒单晶金刚石刀具材料在超精密切削加工方面作为天然大单晶金刚石的替代品,其应用必将会得到迅速发展。

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       2、聚晶金刚石(PCD)和聚晶金刚石复合刀片(PDC)

       与大单晶金刚石相比作为刀具材料的聚晶金刚石(PCD)及聚晶金刚石复合刀片(PDC)具有以下优点:

       (1)晶粒呈无序排列,各向同性,无解理面。因而它不像大单晶金刚石那样在不同晶面上的强度、硬度及耐磨性有很大的差别,以及因解理面的存在而呈脆性。

(2)具有较高的强度,特别是PDC刀具材料由于有硬质合金基体的支撑而具有较高的抗冲击强度,在冲击较大时只会产生小晶粒破碎,而不会像单晶金刚石那样大块崩缺,因而用PCD或PDC刀具不仅可用来精密切削加工和普通半精密加工。而且还可用作较大切削用量的粗加工和断续加工(如铣削等),这大大扩充了金刚石刀具材料的使用范围。

       (3)可制取大块PDC刀具坯料,满足大型加工刀具如铣刀的需要。

       (4)可以制成特定形状以适应于不同加工的需要。由于PDC刀具坯料大型化和加工技术如电火花、激光切割技术的提高,三角形、人字形、山墙形以及其他各种异形刀坯均可加工成形。为适应特殊切削刀具的需要还可设计成包裹式、夹芯式与花卷式PDC刀具坯料。

       (5)可以设计或预测产品的性能,赋予产品必要的特点以适应它的特定用途。如选择细粒度的PDC刀具材料可使刀具的刃口质量提高;粗粒度的PDC刀具材料可使刀具的耐用度提高等。

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       总之,随着PCD、PDC刀具材料的研究进展,PCD、 PDC刀具的应用已迅速扩展到许多制造工业领域,广泛应用于有色金属(铝、铝合金、铜、铜合金、镁合金、锌合金等)、硬质合金、陶瓷、非金属材料(塑料、硬质橡胶、碳棒、木材、水泥制品等)、复合材料(如纤维增强塑料CFRP、金属基复合材料MMCs等)的切削加工,尤其是在汽车和木材加工工业,已成为传统硬质合金的高性能替代产品。  

       本期文章仅为上半部分,下期知识科普我们会继续讲述其他三种超硬刀具的性能特点,感兴趣的朋友记得关注!

参考文献:《PDC超硬复合刀具材料及其应用》邓福铭,陈启武著

 

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