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五种超硬刀具材料的性能特点分析(下)

关键词 超硬刀具 , 超硬材料|2022-10-20 09:44:45|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

       今天接着讲后面三种。

       3、CVD 金刚石

       人工合成大单晶金刚石,PCD、PDC均是在高温高压下合成的,而CVD金刚石是在低压下制备的。含碳气体和氢气的混合物在高温和低于大气压的压力下被激发分解,形成活性金刚石碳原子在基体上沉积交互生长成聚晶金刚石(也可以控制沉积生长条件沉积生长金刚石单晶或准单晶)。

       CVD金刚石由于是不含任何金属催化剂的纯金刚石,因此它的热稳定性接近天然金刚石。同高温高压人工合成聚晶金刚石一样,CVD聚晶金刚石晶粒也呈无序排列,无脆性解理面而呈各向同性。

       实际上CVD金刚石包括三类:第一种是在适当基体上沉积的CVD金刚石涂层(包括类金刚石DLC涂层);第二种是沉积厚度达1mm的无支撑的CVD金刚石厚膜;第三种是在金刚石晶种上外延生长的CVD金刚石单晶膜或准单晶膜。

       由于CVD金刚石涂层刀具采用刀片基体直接置放在CVD沉积腔体中沉积生长而成,它与PCD、PDC刀具相比,具有刀具形状可复杂、成本低、一片多刀刃等优点。尽管如此,由于CVD金刚石涂层刀片存在金刚石涂层与基体之间结合强度低以及对有CVD金刚石涂层的刃口进行研磨处理时容易分层剥落的缺陷。因此,目前在CVD金刚石涂层制备领域的大部分工作都在致力于对它的研究。尽管国外已有CVD金刚石涂层刀具产品推向市场,但到目前为止CVD金刚石涂层的应用市场还不是很大。

       恰恰相反,CVD金刚石厚膜可以通过特殊的但简便易行的技术钎焊到所要求的基体上。然而这种钎焊强度远低于PDC材料中金刚石层与硬质合金层之间的结合强度。当它用于断续切削这种高要求的机加工时,其界面的连接就显得很脆弱。若能解决CVD金刚石厚膜的钎焊强度问题,那么CVD金刚石厚膜刀具材料将能在整个机械加工领域同PDC材料竞争。它与PDC相比,主要优点是其热稳定性更好,缺点是晶粒间的内聚强度低,内应力大、相对脆性大和不导电性。特别是缺乏导电性,阻碍了它对电火花(EDM)切割、抛光加工技术的应用。而该技术在金刚石刀具加工业,尤其是木材刀具的刃磨和重刃磨上得到了广泛地应用。近来能用EDM加工的CVD金刚石厚膜材料已经研制成功,大大促进了CVD金刚石厚膜刀具的应用。

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       4、聚晶立方氮化硼(PCBN

       由于单晶CBN的粒径小,而且单晶CBN存在易劈裂的“解理面",不能直接用于制造切削刀具。因此工业上切削刀具用的大多数是聚晶立方氮化硼(PCBN)。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具按其成分和制造方法可分为整体聚晶立方氮化硼烧结体(简称PCBN烧结体)和聚晶立方氮化硼复合刀片(简称PCBN复合刀片)。

       PCBN是由无数细小无序排列的CBN单晶组成的,无解理面,宏观上无方向性,这会使劈裂的影响大大减小,而且会随着切削刀具的磨损连续地露出新鲜的晶体。PCBN与PCD、PDC刀具材料有着相似的结构与性质,但耐磨性比PCD、PDC要差。由于PCBN具有良好的抗化学腐蚀性,且在1200℃的高温下,表现出很好的热稳定性,因此刀具尖端的相对高温不会对它产生任何不利的影响,相反它还能在切削硬质铁合金时起到加速切削的作用。近年来,随着CNC(计算机数控)加工技术的迅猛发展以及数控机床的普遍使用,可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的PCBN刀具的应用也日益普及,同时还引入了许多先进的切削加工概念,如高速切削、硬态加工、以车代磨、干式切削等。PCBN刀具材料已成为现代切削加工中不可缺少的重要刀具材料。

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       5、CVD 立方氮化硼涂层

       由于CVD立方氮化硼涂层理论上讲可以不刃磨刀片对铁基材料进行机械切削加工,因而这种刀具材料极具吸引力(因为通常80%的金属工件含有铁),然而与CVD金刚石涂层不同的是,金刚石涂层是由单一元素组成,而CVD立方氮化硼涂层是化合物,包括化学计量在内的众多问题都使得它的生长工艺更为复杂。实际上所有的CVD立方氮化硼涂层都是多相微晶材料。同高质量的CVD金刚石涂层相比,CVD立方氮化硼涂层更像“类金刚石涂层(DLC)”。经过多年的研究,发展CVD立方氮化硼涂层刀具的应用是很有前途的。

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       显然上述各种不同品种的超硬刀具材料的性能之间能互相补充。

       如金刚石刀具的主要缺点是热稳定性差。当切削温度超过700~800℃时,它就会发生同素异晶转变成为石墨,而完全失去硬度。含钴粘结剂的聚晶金刚石的热稳定性比单晶金刚石更差。另外,金刚石与铁有很强的化学亲和力。在高温下金刚石的碳原子会扩收到铁中而溶解于铁基体中与铁容易发生化学反应生成Fe3C4。因此,金刚石刀具一般不适合加工黑色金属,而主要用于加工各种有色金属,各种陶瓷、水泥制品、石材、木材等非金属材料,各种复合材料等。

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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