简析四大材料刀具的性能与选择方法（二）

　　2.3金刚石

　　金刚石是目前已知矿物材料中硬度最高、热传导性最好的物质，与各种金属、非金属材料配对摩擦的磨损量仅为硬质合金的1/50～1/800，是制作切削刀具最理想的材料。然而，天然单晶金刚石仅用于制作首饰及某些有色金属的超精密加工。刀具用人造大颗粒单晶金刚石尽管目前DeBeers公司、住友电工等均已工业化生产，但还没有进入大量应用阶段。

　　金刚石刀具的切削刃非常锋利(这对切下极小断面的切屑是很重要的)，刃部粗糙度很小，摩擦系数又低，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量高。加工有色金属时，表面粗糙度可达到Ra0.012µm，加工精度可达到IT5级以上。

　　金刚石刀具有三种：天然单晶金刚石刀具、整体人造聚晶金刚石刀具、金刚石复合刀具。天然金刚石刀具由于成本较高等原因，在实际生产中应用较少。人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成。金刚石复合刀片是在硬质合金基体上经过高温、高压等先进工艺烧结一层约0.5～1µm厚的金刚石，这种材料是以硬质合金做基体，其机械性能、热传导性和膨胀系数都近似于硬质合金，基体上的人造多晶金刚石磨料中的金刚石晶体呈不规则排列，其硬度和耐磨性在各个方向都是均匀的。

　　聚晶金刚石(简称PCD)是由经过筛选的人造金刚石微晶体在高温高压下烧结而成。在烧结过程中，由于添加剂的加入，使金刚石晶体间形成以TiC、SiC、Fe、Co和Ni等为主要成分的结合桥。金刚石晶体以共价键的结合形成牢固地嵌于结构桥构成的坚强骨架中，使PCD的强度和韧性都大大提高，其硬度约为9000HV，抗弯强度为O.21～0.48GPa，导热系数为20.9J/cm·sµ℃，热膨胀系数为3.1×10-6/℃。现在使用的聚晶金刚石刀具大多是PCD与硬质合金基体烧结形成的复合体，即在硬质合金基体上烧结上一层PCD。PCD的厚度一般为0.5mm和0.8mm，由于底层为硬质合金，焊接方便；又由于PCD结合桥的导电性，使得PCD便于切割加工成各种形状，制成各种刀具，成本远远低于天然金刚石。

　　聚晶金刚石(PCD)可加工各种有色金属和极耐磨的高性能非金属材料，如铝、铜、镁及其合金，硬质合金，纤维增强塑料，金属基复合材料，木材复合材料等。PCD刀具材料中金刚石晶粒平均尺寸不同，对性能产生的影响也不同，晶粒尺寸越大，其耐磨性越高。在相近的刃口加工量下，晶粒尺寸越小，则刃口质量越好。选用晶粒尺寸为10～25µm的PCD刀具，可以500～1500m/min的高速切削Si含量12～18%的硅铝合金，晶粒尺寸8～9µm的PCD加工Si含量小于12%的铝合金。超精密加工，则应选用晶粒尺寸小的PCD刀具。PCD的耐磨性在超过700℃时会减弱，因其结构中含有金属Co，会促进“逆向反应”即由金刚石向石墨转变。PCD有较好的断裂韧性，可以进行断续切削，可以以2500m/min的高速端铣Si含量10%的铝合金。

　　可利用金刚石材料的高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数实现有色金属及耐磨非金属材料的高精度、高效率、高稳定性和高表面光洁度加工。在切削加工有色金属时，PCD刀具的寿命是硬质合金刀具的几十倍甚至几百倍，是目前铝活塞精密加工的理想刀具。例如：精车活塞环槽、精镗活塞销孔、精车活塞外圆、精车活塞顶面等工序。

　　2.4立方氮化硼

　　聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN微粉与少量粘结相(Co，Ni或TiC、TiN、Al203)在高温高压下加入催化剂烧结而成的。它具有很高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(1300～1500℃)，优良的化学稳定性、比金刚石刀具高得多的热稳定性(达1400℃)和导热性，低的摩擦系数，但其强度较低。与金刚石相比，PCBN的突出优点是热稳定性高得多，可达1200℃(金刚石为700～800℃)，可承受较高的切削速度；另一个突出优点是化学惰性大，与铁族金属在1200～1300℃下也不起化学反应，可用于加工钢铁。因此，PCBN刀具主要用于高效加工黑色难加工材料。

　　PCBN刀具除了具有以上的特点外，还有以下几项优点：①硬度高，特别适合于加工从前只能磨削的HRC50以上的淬硬钢、HRC35以上的耐热合金和HRC30以下而其它刀具很难加工的灰口铸铁。②与硬质合金刀具相比，切削速度高，可实现高速高效切削。③耐磨性好，刀具耐用度高(为硬质合金刀具的10～100倍)，能获得较好的工件表面质量，实现以车代磨。不足之处在于PCBN刀具的抗冲击性能较硬质合金差，因此，使用时应注意提高工艺系统的刚性，尽量避免冲击切削。

　　PCBN可制成整体的刀片，也可与硬质合金结合制成复合刀片。PCBN复合刀片是在硬质合金基体上烧结一层0.5～1.0mm厚的PCBN，其性能兼有较好的韧性和较高的硬度及耐磨性。

　　PCBN的性能主要与CBN的粒度、CBN的含量及结合剂种类有关，按其组织大致可分为两大类：一类是由CBN晶粒直接结合而成，CBN含量高(70%以上)，硬度高，适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工；另一类是以CBN晶粒为主体，通过陶瓷结合剂(主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al203等)烧结而成，这类PCBN中CBN含量低(70%以下)，硬度低，适用于切削加工淬硬钢。

　　2.5陶瓷

　　陶瓷刀具材料的主要优点是：

　　有很高的硬度与耐磨性，常温硬度达91～95HRC；

　　有很高的耐热性，在1200℃高温下硬度为80HRC；而且高温条件下抗弯强度、韧性降低极少；

　　有很高的化学稳定性，陶瓷与金属亲和力小，高温抗氧化性能好，即使在熔化温度下也不与钢相互作用。因而刀具的粘结、扩散、氧化磨损较少；

　　有较低的摩擦系数，切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤。

　　陶瓷刀的缺点是：

　　脆性大，强度与韧性低，抗弯强度只有硬质合金的1/2～1/5，因此使用时必须选择合适的几何参数与切削用量；避免承受冲击负荷，以防崩刃与破损；此外，陶瓷刀导热率低，仅为硬质合金的1/2～1/5，热膨胀系数却比硬质合金高10～30%，抗热冲击性较差。

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