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        金剛石刀具的發(fā)展方向淺析

        2013-04-29 00:44:03朱曉剛高俊峰張昕張廣城
        電腦迷 2013年9期
        關(guān)鍵詞:金剛石

        朱曉剛 高俊峰 張昕 張廣城

        摘 要 隨著材料工業(yè)及精密機械工業(yè)的發(fā)展,精密切削、超精密切削和難切削材料使用的增多,超硬刀具材料的應(yīng)用日益廣泛。本文通過分析超硬刀具材料的發(fā)展?fàn)顩r,對主要品種的應(yīng)用進(jìn)行探討。

        關(guān)鍵詞 硬質(zhì)刀具 金剛石 復(fù)合刀片

        中圖分類號:TG711 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        1 金剛石刀具材料發(fā)展概況

        我國超硬刀具材料的研究與應(yīng)用開始于上個世紀(jì)70年代,并于1970年在貴陽建造了我國第一座超硬材料及制品的專業(yè)生產(chǎn)廠第六砂輪廠,從1970-l990年整整20年中,超硬材料年產(chǎn)量從僅46萬克拉增至3500萬克拉。上個世紀(jì)90年代前后,不少超硬材料生產(chǎn)專業(yè)廠從國外引進(jìn)成套的超硬材料合成設(shè)備及技術(shù),使產(chǎn)量得以迅速提高,至1997年,我國人造金剛石年產(chǎn)量就已達(dá)到5億克拉左右,CBN年產(chǎn)量達(dá)800萬克拉,躍居世界超硬材料生產(chǎn)大國之首。

        金剛石具有極高的硬度和耐磨性,其顯微硬度可達(dá)10000HV,是刀具材料中最硬的材料。同時它的摩擦系數(shù)小,與非鐵金屬無親和力,切屑易流出,熱導(dǎo)率高,切削時不易產(chǎn)生積屑瘤,加工表面質(zhì)量好,能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料,如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、末燒結(jié)的硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強的復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨的木材(尤其是實心木和膠合板等復(fù)合材料)。

        金剛石的缺點是韌性差,熱穩(wěn)定性低。700—800℃時容易碳化,故不適于加工鋼鐵材料。因為在高溫下鐵原子容易與碳原子作用而使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)。此外,用它切削鎳基合金時,同樣也會迅速磨損。

        2 金剛石刀具的主要品種及應(yīng)用

        目前,在世界上已經(jīng)應(yīng)用或正在試驗中的超硬刀具材料的主要品種有以下幾種。

        2.1 天然和人工合成大單晶金剛石

        單晶金剛石有天然金剛石ND和人工合成金剛石兩種。單晶金剛石用于制作切削刀具必須是大顆粒的(質(zhì)量大于0.1g,最小徑長不得小于3ram)。ND是目前已知礦物中最硬的物質(zhì),其顯微硬度可達(dá)10000HV,耐磨性好,而且切削刃非常鋒利,刃部粗糙度值小,摩擦因數(shù)低,抗黏結(jié)性好,熱導(dǎo)率高,切削時不易黏刀及產(chǎn)生積屑瘤,加工表面質(zhì)量好。天然金剛石的硬度、抗磨損與抗腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性保證了刀具的超長壽命,能保證持續(xù)長久的正常切削,并減少由于刀具磨損對被加工零件的影響;其較高的導(dǎo)熱系數(shù)又可降低切削溫度和零件的熱變形。天然大單晶金剛石的優(yōu)良特性可滿足精密及超精密切削對刀具材料的大多數(shù)要求,雖然其價格昂貴卻仍被公認(rèn)為是理想的精密及超精密切削工具材料。可廣泛地應(yīng)用于加工原子核反應(yīng)堆及其它高技術(shù)領(lǐng)域的各種反射鏡、導(dǎo)彈和火箭中的地航陀螺、計算機硬盤基片,加速器電子槍的超精密加工以及傳統(tǒng)手表零件、首飾、制筆、有色金屬裝飾件的精密加工等。此外,還可以用于制造醫(yī)用刀具。ND的缺點主要是與鐵族元素接觸時有化學(xué)反應(yīng), 在700~800℃時將碳化(即石墨化),一般不適于加工鋼鐵材料。

        2.2 聚晶金剛石和聚晶金剛石復(fù)合刀片

        PCD 又稱金剛石燒結(jié)體,它是在高溫、高壓下,通過鈷等金屬結(jié)合劑將許多金剛石單晶粉聚晶成的多晶體材料。雖其硬度稍低于天然單晶金剛石,但它是隨機取向的金剛石晶粒的聚合,屬各向同性,無解理面。因而它不像大單晶金剛石那樣在不同晶面上的強度、硬度及耐磨性有很大的差別, 以及因解理面的存在而呈脆性。在切削時,切削刃對意外損壞不太敏感,抗磨損能力也較強,可長時間保持鋒利的切削刃,加工時可采用很高的切削速度和較大的背吃刀量,使用壽命一般高于WC基硬質(zhì)合金刀具l0~50倍,而且PCD原料來源豐富,其價格只有ND的幾十分之一至十幾分之一,PCD 刀具具有極高的硬度及壽命、很低的摩擦系數(shù)、鋒利的刀刃、優(yōu)異的導(dǎo)熱性和低膨脹系數(shù)等特點,現(xiàn)已成為傳統(tǒng)WC基硬質(zhì)合金刀具的高性能替代品。聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)fJ具材料是在PCD研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。硬質(zhì)合金作為PCD的基體材料既有好的韌性和一定的硬度,同時又具有可焊性以及與PCD的某種兼容性。所以它既具有金剛石的硬度和耐磨性,又具有硬質(zhì)合金的韌性和可焊性之優(yōu)點。

        2.3 CVD金剛石

        CVD 金剛石是在低壓下制備的,它不同于大單晶金剛石,而PCD、PDC是在高溫高壓下合成的。CVD金剛石包括三類:第一種是在適當(dāng)基體上沉積的CVD 金剛石涂層包括類金剛石DLC涂層1;第二種是沉積厚度達(dá)lmm的無支撐的CVD金剛石厚膜;第三種是在金剛石晶種上外延生長的CVD金剛石單晶膜或準(zhǔn)單晶膜。CVD金剛石由于是不含任何金屬催化劑的純金剛石,因此它的熱穩(wěn)定性接近天然金剛石。同高溫高壓人工合成聚晶金剛石一樣,CVD 聚晶金剛石晶粒也呈無序排列,無脆性解理面而呈各向同性。CVD涂層刀具與PCD、PDC刀具相比,具有刀具形狀復(fù)雜、成本低、一片多刀刃等優(yōu)點。然而,也存在金剛石涂層與基體之間結(jié)合強度低以及對有CVD金剛石涂層的刃口進(jìn)行研磨處理時容易分層剝落的缺陷。

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