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超硬刀具材料未來是否有市場

http://www.twesms.com 2015年09月19日

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。超硬材料刀具具有工效高、使用壽命長和加工質(zhì)量好等特點，過去主要用于精加工，近幾年來由于改進了人造超硬刀具材料的生產(chǎn)工藝，控制了原料純度和晶粒尺寸，采用了復(fù)合材料和熱壓工藝等，應(yīng)用范圍不斷擴大，除適于一般的精加工和半精加工外，還可用于粗加工，被國際上公認(rèn)為是當(dāng)代提高生產(chǎn)率最有希望的刀具材料之一。利用超硬材料加工鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金等零件，其切削速度可比硬質(zhì)合金高一個數(shù)量級，刀具壽命可比硬質(zhì)合金高幾十、甚至幾百倍。同時它的出現(xiàn)，還使傳統(tǒng)的工藝概念發(fā)生變化，利用超硬刀具常常可直接以車、銑代磨(或拋光)，對淬硬零件加工，可用單一工序代替多道工序，大大縮短工藝流程。

超硬刀具材料發(fā)展概況

超硬刀具材料是指天然金剛石及硬度、性能與之相近的人造金剛石和CBN(立方氮化硼)。由于天然金剛石價格比較昂貴，所以生產(chǎn)上大多采用人造聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)，以及它們的復(fù)合材料。

早在50年代，美國就利用人造金剛石微粉和人造CBN微粉在高溫、高壓、觸媒和結(jié)合劑的作用下燒結(jié)成尺寸較大的聚晶塊作為刀具材料。之后，南非戴比爾(DeBeers)公司、前蘇聯(lián)和日本也相繼研制成功。70年代初又推出了金剛石或CBN和硬質(zhì)合金的復(fù)合片，它們是在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)或壓制一層0.5mm～1mm的PCD或PCBN而成，從而解決了超硬刀具材料抗彎強度低、鑲焊困難等問題，使超硬刀具的應(yīng)用進入實用階段。目前，又出現(xiàn)了人工合成大單晶金剛石，以及用CVD(化學(xué)氣相沉積)法制出的金剛石薄膜涂層和金剛石厚膜等功能性材料，大大拓寬了超硬刀具材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

我國超硬刀具材料的研究與應(yīng)用開始于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1970～1990年整整20年中，超硬材料年產(chǎn)量僅從46萬克拉增至3500萬克拉。90年代前后不少超硬材料生產(chǎn)專業(yè)廠從國外引進了成套的超硬材料合成設(shè)備及技術(shù)，產(chǎn)量得到迅速發(fā)展，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，躍居世界上超硬材料生產(chǎn)大國之首。

超硬刀具材料性能

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。

CBN的硬度僅次于金剛石(可達(dá)8000HV～9000HV)，并且熱穩(wěn)定性高(達(dá)1250℃～1350℃)，對鐵族元素化學(xué)惰性大，抗粘結(jié)能力強，而且用金剛石砂輪即可磨削開刃，故適于加工各種淬硬鋼、熱噴涂材料、冷硬鑄鐵和35HRC以上的鈷基和鎳基等難切削材料。

超硬刀具材料應(yīng)用前景廣闊

超硬刀具材料是一種先進的刀具材料，在生產(chǎn)中有著廣闊的應(yīng)用前景。人造超硬刀具材料，目前單晶的向粗顆粒、高強度、多功能方向發(fā)展。美國GE公司現(xiàn)可工業(yè)生產(chǎn)出6克拉重的人造金剛石(約10mm)，最大顆粒達(dá)11.14克拉重。PCD則向大直徑、細(xì)粒度、高抗沖擊、高熱穩(wěn)定性方向發(fā)展。

PCD最大直徑已可達(dá)74mm，然后用激光切割成所需的任何形狀。PCD顆粒的商品尺寸為2～25μm；顆粒越細(xì)，切削刃的質(zhì)量越好；顆粒越大，刀具使用壽命越長。DeBeers公司生產(chǎn)的PCBN產(chǎn)品，最大直徑為101.6mm，可加工70HRC的高硬度材料。此外，據(jù)英國專利介紹，英國還研制出一種在PCD和PCBN刀片外表面上用CVD法沉積一層鎳、銅、鈦、鈷、鉻、鉭的混合物，以及氮化鈦或碳化鈦的防護涂層，其耐磨性可比普通PCD和PCBN刀片高4倍。

CVD金剛石薄膜和厚膜是近幾年新研制出的功能性材料，盡管至今生產(chǎn)還未形成規(guī)模，但因其性能優(yōu)異，有著廣泛的用途。

天然和人工合成的單晶金剛石，以及PCD和TFD之間存在著相互交叉的應(yīng)用領(lǐng)域，它們在一定程度上能相互補充，須根據(jù)不同具體情況，特別是性能價格比加以選用。預(yù)計在新世紀(jì)，超硬刀具材料CBN和金剛石將得到更多的應(yīng)用，可能會發(fā)現(xiàn)制造出嶄新的刀具材料的品種，具有更優(yōu)異的性能。據(jù)Lellond公司介紹，他們開發(fā)了一種由陶瓷+CBN的超硬復(fù)合材料，它兼有陶瓷和CBN兩種材料的優(yōu)點，是高速加工高硬耐磨鑄鐵的理想材料。又如，用石墨原料合成的金剛石聚晶體，而當(dāng)今的金剛石為C12，已有研究，同位素C13和C60則更為堅硬。前幾年，武漢大學(xué)研制出一種C₃N₄/TiN薄膜，亦具有超硬材料性質(zhì)，用其涂覆在高速鋼鉆頭上，可使鉆頭壽命大大提高。可以預(yù)料，今后隨著各種新型難切削材料應(yīng)用的增多，必將促進超硬刀具材料進一步的發(fā)展與應(yīng)用。

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