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      五種超硬刀具材料的性能特點分析(下)

      關鍵詞 超硬刀具 , 超硬材料|2022-10-20 09:44:45|技術信息|來源 中國超硬材料網
      摘要 超硬刀具材料指可用作刀具切削加工的超硬材料。目前主要可分為兩大類:一類是金剛石切削刀具材料;另一類是立方氮化硼切削刀具材料。目前已經在應用或正在試驗中的超硬刀具材料的主要品種有以下...

             超硬刀具材料指可用作刀具切削加工的超硬材料。目前主要可分為兩大類:一類是金剛石切削刀具材料;另一類是立方氮化硼切削刀具材料。目前已經在應用或正在試驗中的超硬刀具材料的主要品種有以下五種。

      (1)天然和人工合成大單晶金剛石

      (2)聚晶金剛石(PCD)和聚晶金剛石復合刀片(PDC)

      (3)CVD 金剛石

      (4)聚晶立方氮化硼(PCBN)

      (5)CVD 立方氮化硼涂層

             今天接著講后面三種。

             3、CVD 金剛石

             人工合成大單晶金剛石,PCD、PDC均是在高溫高壓下合成的,而CVD金剛石是在低壓下制備的。含碳氣體和氫氣的混合物在高溫和低于大氣壓的壓力下被激發分解,形成活性金剛石碳原子在基體上沉積交互生長成聚晶金剛石(也可以控制沉積生長條件沉積生長金剛石單晶或準單晶)。

             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。

             實際上CVD金剛石包括三類:第一種是在適當基體上沉積的CVD金剛石涂層(包括類金剛石DLC涂層);第二種是沉積厚度達1mm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金剛石單晶膜或準單晶膜。

             由于CVD金剛石涂層刀具采用刀片基體直接置放在CVD沉積腔體中沉積生長而成,它與PCD、PDC刀具相比,具有刀具形狀可復雜、成本低、一片多刀刃等優點。盡管如此,由于CVD金剛石涂層刀片存在金剛石涂層與基體之間結合強度低以及對有CVD金剛石涂層的刃口進行研磨處理時容易分層剝落的缺陷。因此,目前在CVD金剛石涂層制備領域的大部分工作都在致力于對它的研究。盡管國外已有CVD金剛石涂層刀具產品推向市場,但到目前為止CVD金剛石涂層的應用市場還不是很大。

             恰恰相反,CVD金剛石厚膜可以通過特殊的但簡便易行的技術釬焊到所要求的基體上。然而這種釬焊強度遠低于PDC材料中金剛石層與硬質合金層之間的結合強度。當它用于斷續切削這種高要求的機加工時,其界面的連接就顯得很脆弱。若能解決CVD金剛石厚膜的釬焊強度問題,那么CVD金剛石厚膜刀具材料將能在整個機械加工領域同PDC材料競爭。它與PDC相比,主要優點是其熱穩定性更好,缺點是晶粒間的內聚強度低,內應力大、相對脆性大和不導電性。特別是缺乏導電性,阻礙了它對電火花(EDM)切割、拋光加工技術的應用。而該技術在金剛石刀具加工業,尤其是木材刀具的刃磨和重刃磨上得到了廣泛地應用。近來能用EDM加工的CVD金剛石厚膜材料已經研制成功,大大促進了CVD金剛石厚膜刀具的應用。

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             4、聚晶立方氮化硼(PCBN

             由于單晶CBN的粒徑小,而且單晶CBN存在易劈裂的“解理面",不能直接用于制造切削刀具。因此工業上切削刀具用的大多數是聚晶立方氮化硼(PCBN)。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具按其成分和制造方法可分為整體聚晶立方氮化硼燒結體(簡稱PCBN燒結體)和聚晶立方氮化硼復合刀片(簡稱PCBN復合刀片)。

             PCBN是由無數細小無序排列的CBN單晶組成的,無解理面,宏觀上無方向性,這會使劈裂的影響大大減小,而且會隨著切削刀具的磨損連續地露出新鮮的晶體。PCBN與PCD、PDC刀具材料有著相似的結構與性質,但耐磨性比PCD、PDC要差。由于PCBN具有良好的抗化學腐蝕性,且在1200℃的高溫下,表現出很好的熱穩定性,因此刀具尖端的相對高溫不會對它產生任何不利的影響,相反它還能在切削硬質鐵合金時起到加速切削的作用。近年來,隨著CNC(計算機數控)加工技術的迅猛發展以及數控機床的普遍使用,可實現高效率、高穩定性、長壽命加工的PCBN刀具的應用也日益普及,同時還引入了許多先進的切削加工概念,如高速切削、硬態加工、以車代磨、干式切削等。PCBN刀具材料已成為現代切削加工中不可缺少的重要刀具材料。

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             5、CVD 立方氮化硼涂層

             由于CVD立方氮化硼涂層理論上講可以不刃磨刀片對鐵基材料進行機械切削加工,因而這種刀具材料極具吸引力(因為通常80%的金屬工件含有鐵),然而與CVD金剛石涂層不同的是,金剛石涂層是由單一元素組成,而CVD立方氮化硼涂層是化合物,包括化學計量在內的眾多問題都使得它的生長工藝更為復雜。實際上所有的CVD立方氮化硼涂層都是多相微晶材料。同高質量的CVD金剛石涂層相比,CVD立方氮化硼涂層更像“類金剛石涂層(DLC)”。經過多年的研究,發展CVD立方氮化硼涂層刀具的應用是很有前途的。

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             顯然上述各種不同品種的超硬刀具材料的性能之間能互相補充。

             如金剛石刀具的主要缺點是熱穩定性差。當切削溫度超過700~800℃時,它就會發生同素異晶轉變成為石墨,而完全失去硬度。含鈷粘結劑的聚晶金剛石的熱穩定性比單晶金剛石更差。另外,金剛石與鐵有很強的化學親和力。在高溫下金剛石的碳原子會擴收到鐵中而溶解于鐵基體中與鐵容易發生化學反應生成Fe3C4。因此,金剛石刀具一般不適合加工黑色金屬,而主要用于加工各種有色金屬,各種陶瓷、水泥制品、石材、木材等非金屬材料,各種復合材料等。

      參考文獻:《PDC超硬復合刀具材料及其應用》鄧福銘,陳啟武著

       

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