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超硬刀具材料的發(fā)展與應(yīng)用
發(fā)布時間：2017-01-09
隨著各種新型工件材料及涂層的應(yīng)用和發(fā)展，傳統(tǒng)刀具材料，如高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷等常不能滿足難加工材料的加工需求，天然和人造單晶金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)和聚晶立方氮化硼(PCBN)等超硬刀具材料因具有很高的高溫硬度、耐磨性和熱化學(xué)穩(wěn)定性，為高硬度材料的切削加工提供了最基本的前提條件，并且在生產(chǎn)中取得了明顯效益。本文主要闡述了超硬刀具材料(PCD和PCBN)的發(fā)展、性能特點及應(yīng)用。
1、超硬刀具材料的發(fā)展及研究現(xiàn)狀
人們用天然金剛石制作刀具已有千年以上歷史，人們掌握了人工合成單晶金剛石和金剛石粉的技術(shù)并將其制成聚晶金剛石(PCD)，又發(fā)明了化學(xué)氣相沉積方法(CVD)制成了金剛石涂層及膜片并使其成為刀具材料。目前，國際上著名的人造金剛石復(fù)合片生產(chǎn)商主要有英國的DeBeers公司、美國的GE公司、日本的住友電工株式會社等。PCD刀具的應(yīng)用范圍已由初期的車削加工向鉆削、銑削加工擴(kuò)展。日本UNION公司和旭DIAMOND公司合作開發(fā)了金剛石涂層硬質(zhì)合金立銑刀，其耐磨性是公司原有產(chǎn)品的20倍。金剛石復(fù)合片合成技術(shù)也得到了較大發(fā)展，DeBeers公司已推出了直徑為74mm、層厚為0.3mm的聚晶金剛石復(fù)合片。國內(nèi)PCD刀具市場隨著刀具技術(shù)水平的發(fā)展也不斷擴(kuò)大。目前中國第一汽車集團(tuán)已有100多個PCD車刀試用點，許多人造地板企業(yè)也采用PCD刀具進(jìn)行木制品加工。PCD刀具的應(yīng)用進(jìn)一步推動了對其設(shè)計與制造技術(shù)的研究。PCD刀具的加工范圍已從傳統(tǒng)的金屬切削加工擴(kuò)展到石材加工、木材加工、金屬基復(fù)合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。PCBN是在20世紀(jì)70年代末期緊隨著PCD發(fā)展起來的一種用于加工硬質(zhì)鐵合金的材料。其具有良好的抗化學(xué)腐蝕性，且在高達(dá)1200的溫度下表現(xiàn)出很好的熱穩(wěn)定性，因此，在刀具尖端的相對高溫不會對它產(chǎn)生任何不利的影響，相反還能在切削硬質(zhì)鐵合金時起到加速切削的作用；同磨削相比，使用PCBN無論在技術(shù)上還是在經(jīng)濟(jì)上都更為有效。在大多數(shù)情形下，PCBN表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的刀具材料如WC和陶瓷更優(yōu)良的性能。
2、超硬刀具材料的性能特點
1)較高的硬度和耐磨性
金剛石刀具具有硬度高、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好和耐磨性好等特性，可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。由于聚晶金剛石(PCD)的結(jié)構(gòu)是取向不一的細(xì)晶粒金剛石燒結(jié)體，雖然加入了結(jié)合劑，其硬度及耐磨性仍低于單晶金剛石。表1給出了各種刀具的硬度值，PCD的硬度可達(dá)8000HV，為硬質(zhì)合金的8~12倍；CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石類似，因此具有與金剛石相近的硬度和強(qiáng)度；CBN微粉的顯微硬度為8000~9000HV，其燒結(jié)體PCBN的硬度一般為3000~5000HV。
根據(jù)材料的耐磨性和強(qiáng)度，給出了各種刀具材料排序的結(jié)果，如圖1所示。可以看出，金剛石尤其是以純單晶形式存在的金剛石耐磨性最高。但是由于它具有解理面，在受沖擊時往往會表現(xiàn)出脆性，容易被破壞，在所有材料中強(qiáng)度最低。PCBN表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的刀具材料如陶瓷更優(yōu)良的性能，其耐磨性僅次于金剛石材料，強(qiáng)度同陶瓷接近，但耐磨性比PCD要差。PCBN在切削耐磨材料中耐磨性分別為硬質(zhì)合金刀具的50倍，涂層硬質(zhì)合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。
2)較好的導(dǎo)熱性
在各類刀具材料中，金剛石的導(dǎo)熱性最高，PCD的導(dǎo)熱系數(shù)為700W/mK，為硬質(zhì)合金的1.5~9倍，甚至高于PCBN和銅，因此PCD刀具傳遞熱量迅速；CBN的導(dǎo)熱性僅次于金剛石，是紫銅的3.2倍，是硬質(zhì)合金的20倍，立方氮化硼與陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)比率為37.1，熱擴(kuò)散率比值為65.5，而且隨著溫度的升高，PCBN的導(dǎo)熱系數(shù)是增加的，而氧化鋁的系數(shù)是降低的，PCBN刀具導(dǎo)熱系數(shù)高，可使刀尖處溫度降低，減小刀具的磨損，有利于加工精度的提高[5]。
3)較好的化學(xué)穩(wěn)定性
由于碳對鐵有親和作用，特別在高溫下，金剛石能同鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此金剛石通常不適合用來機(jī)加工鐵及其合金工件，很大程度上制約了金剛石的應(yīng)用。CBN的化學(xué)惰性特別大，在1200~1300時也不與鐵系材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與碳在2000才發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；在中性、還原性的氣體中，對酸、堿都是穩(wěn)定的，其對各種材料的粘結(jié)、擴(kuò)散作用比硬質(zhì)合金小得多，因此PCBN刀具特別適合加工鋼鐵材料。
4)較低的摩擦因數(shù)PCD和CBN與不同材料間的摩擦因數(shù)一般僅為0.1~0.3(硬質(zhì)合金的摩擦因數(shù)為0.4~1)，隨著切削速度的提高，摩擦因數(shù)是減小的。因此超硬刀具可顯著減小切削力、減小切削變形、提高加工表面質(zhì)量。
5)較好的熱穩(wěn)定性PCD的熱膨脹系數(shù)為0.9*10.6~1.18*10.6，僅相當(dāng)于硬質(zhì)合金的1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高；PCBN在800時的硬度還高于陶瓷和硬質(zhì)合金的常溫硬度，可用比硬質(zhì)合金刀具高3~5倍的速度高速切削高溫合金和淬硬鋼。
3、超硬刀具材料的應(yīng)用
超硬刀具材料可應(yīng)用于汽車工業(yè)、航天航空、機(jī)械制造業(yè)，實現(xiàn)高速、高效切削。通過近年來PCD刀具的應(yīng)用分析，PCD刀具主要應(yīng)用于以下2個方面：
1)難加工有色金屬材料的加工。用普通刀具加工，往往產(chǎn)生刀具磨損、效率低等缺陷，而PCD刀具則可表現(xiàn)出良好的加工性能，而且可以實現(xiàn)鑄、鍛毛坯件的高速、高效加工，一次性完成粗、精磨削，尤其適用于成形、仿形及定尺寸的精密磨削，可使磨削質(zhì)量和磨削效率得到數(shù)倍乃至數(shù)十倍的提高；
2)難加工非金屬材料的加工。PCD刀具非常適合對石材、硬質(zhì)碳、碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)、人造板材等難加工非金屬材料的加工。硬質(zhì)合金硬度高、耐磨性強(qiáng)，用超硬材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳化硅和剛玉磨料加工硬質(zhì)合金工件，可防止工件表面燒傷、微裂紋、缺口或變質(zhì)層過深等缺陷，提高加工效率和節(jié)約磨削成本。通過分析，CBN和PCBN刀具的應(yīng)用表現(xiàn)在下面幾個方面：
1)硬態(tài)加工，以車代磨。PCBN刀具具有極高的硬度及紅硬性，可獲得良好的表面粗糙度，采用PCBN刀具車削淬硬鋼可實現(xiàn)以車代磨。如汽車、摩托車齒輪孔的加工，材料多為20CrMnTi，滲碳淬火，硬度為60~62HRC，精度IT6，表面粗糙度0.8m。傳統(tǒng)工藝為：機(jī)加工->熱處理->磨削。采用超硬刀具以車代磨的工藝為：粗加工->熱處理->精加工。磨削工藝每班僅能加工100個小齒輪，而新工藝采用PCBN刀具車削，每班能加工400個小齒輪；
2)高速切削，高穩(wěn)定性加工。在汽車發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線上，灰鑄鐵缸體的缸孔精加工是關(guān)鍵工序之一，要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度值小、穩(wěn)定性好；由于生產(chǎn)線加工節(jié)拍快，所以要求切削速度高，刀具壽命長。采用PCBN刀具即可實現(xiàn)發(fā)動機(jī)缸孔的高速切削及高穩(wěn)定性加工。其典型切削參數(shù)為：V=500m/min；進(jìn)給量f=0.2~0.4mm/r；吃刀深度ap=0.2~0.7mm；加工表面粗糙度Ra<=1.6um；刀具壽命>1000件；
3)干式切削，清潔化加工。采用PCBN刀具加工含硼鑄鐵缸套，切削參數(shù)V=200m/min；f=0.1mm/r；ap=0.2~1mm；加工表面粗糙度Ra<=1.6um，精度IT6，二次刃磨間刀具壽命>100件，可實現(xiàn)以車代磨。由于采用干式切削，避免了切(磨)削液及砂輪灰對環(huán)境的污染，切屑可回收再利用，符合清潔化生產(chǎn)要求。
4、結(jié)語
目前，超硬刀具因其良好的加工質(zhì)量在制造業(yè)得到了有效的應(yīng)用。隨著刀具理論研究的日益深入及其應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步推廣，PCD和PCBN刀具在超硬刀具領(lǐng)域的地位將日益重要，其應(yīng)用范圍也將進(jìn)一步拓展。可以預(yù)期，超硬刀具的應(yīng)用范圍將迅速擴(kuò)大。
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