超硬刀具材料发展概况
超硬刀具材料的性能
金刚石硬度和耐磨性极高,其显微硬度可达10000HV,是刀具材料中最硬的材料。金刚石的摩擦系数小,与非铁金属无亲和力,切屑易流出,热导率高,切削时不易产生积屑瘤,加工表面质量好。能有效地加工非铁金属材料和非金属材料,如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、未烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材(尤其是实心木和胶合板等复合材料)。
金刚石的缺点是韧性差,热稳定性低。700℃～800℃时易碳化,故不适合加工钢铁材料。因为在高温下,铁原子易与碳原子作用而使其转化为石墨结构。此外,用它来加工镍基合金,刀具会迅速磨损。
立方氮化硼(CBN)的硬度仅次于金刚石,硬度可达8000HV～9000HV,并且热稳定性高(达1250℃～1350℃),对铁族元素化学惰性大,抗粘结能力强,而且用金刚石砂轮即可磨削开刃,所以适合于加工各种淬硬钢、热喷涂材料、冷硬铸铁和硬度为35HRC以上的钴基和镍基难加工材料。
超硬刀具材料发展现状
由于天然金刚石价格昂贵,所以在生产中多数采用人造聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)以及它们的复合材料。
美国在五十年代就利用人造金刚石微粉和人造立方氮化硼(CBN)微粉在高温高压、触媒和结合剂的作用下烧结成尺寸较大的聚晶块作为刀具材料。而后,南非De Beers公司、前苏联和日本也相继研制成功。七十年代初,又推出了金刚石或CBN和硬质合金的复合片,它们是在硬质合金基体上烧结或压制一层0.5mm～1mm的PCD或PCBN而成,从而解决了超硬刀具材料抗弯强度低、钎焊困难等问题,使超硬刀具的应用进入实用阶段。目前,又出现了人工合成大单晶金刚石(SCD),以及用CVD法制出的金刚石薄膜涂层和金刚石厚膜等功能性材料,极大地拓宽了超硬刀具材料的应用领域。
我国超硬刀具材料的研究与应用始于七十年代,从1970～1990年,超硬材料年产量从46万克拉增至3500万克拉。九十年代前后,很多超硬材料专业生产厂家从国外引进了成套的超硬材料合成设备及技术生产人造金刚石,使其产量猛增。据统计,1997年,我国人造金刚石的年产量达5亿克拉,立方氮化硼的年产量为800万克拉。1999年,人造金刚石年产量达7.5亿克拉,至2000年猛增至12亿克拉,成为世界超硬材料生产大国。
超硬刀具材料发展趋势及应用前景
目前,单晶的人造超硬刀具材料正向粗颗粒、高强度、多功能方向发展。美国GE公司现可生产6克拉重的人造金刚石(约10mm),最大颗粒重量1114克拉。聚晶金刚石(PCD)则向大直径、细颗粒、抗冲击力强、高热稳定性方向发展。目前生产的最大直径已达74mm,可用激光切割成所需的任何形状。PCD颗粒的商品尺寸为2～25μm；颗粒越细,切削刃的质量越好；颗粒越大,刀具使用寿命越长。De Beers公司生产的PCBN产品,最大直径为101.6mm,可加工硬度为70HRC的高硬度材料。美国研制出一种在PCD和PCBN刀片外表面上用CVD法沉积一层镍、铜、钛、钴、铬、钽的混合物,以及TiN或TiC的防护涂层,其耐磨性比普通PCD和PCBN刀片高4倍。
CVD金刚石薄膜和厚膜是近年来新研制开发的功能性材料,至今尚未形成生产规模。但因其性能优良,所以有广泛的用途。
天然和人工合成的单晶金刚石以及PCD和TED之间存在着相互交叉的应用领域,它们在一定程度上能相互补充,应根据不同的具体情况,特别是性能价格比加以选用。预计在新世纪,超硬刀具材料CBN和金刚石将得到更多的应用,虽将可能开发出性能更为优异的新的超硬刀具材料。据报道,Lellond公司开发了一种由陶瓷+CBN的超硬复合材料,具有陶瓷和CBN两种材料的优点,是高速加工高硬耐磨铸铁的理想材料；又开发了用石墨原料合成的金刚石聚晶体；目前开发的C12、C13和C60金刚石材料的硬度更高。几年前,武汉大学研制出一种C3N4/TiN薄膜,将其涂覆在高速钢钻头上,可使钻头寿命大大提高。
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