机电之家主页电工园地资料加工工艺资料加工工艺根底 超硬刀具资料的研讨进展

　　跟着金刚石和立方氮化硼刀具商场的继续增长，原资料供货商的技能也在不断地开展。曩昔40年的开展标明：对刀具制作商来说，天然金刚石不再是日益开展的超硬资料系列中仅有能够选用的资料。 1导言 天然金刚石作为切削刀具已有几百年的前史了。在本世纪五十年代人工组成金刚石磨粒的呈现之后，七十年代制作出了第二类金刚石基的切削刀具，即选用高压组成技能制备的聚晶金刚石(PCD)。直到八十年代末，这两类金

　　跟着金刚石和立方氮化硼刀具商场的继续增长，原资料供货商的技能也在不断地开展。曩昔40年的开展标明：对刀具制作商来说，天然金刚石不再是日益开展的超硬资料系列中仅有能够选用的资料。

　　天然金刚石作为切削刀具已有几百年的前史了。在本世纪五十年代人工组成金刚石磨粒的呈现之后，七十年代制作出了第二类金刚石基的切削刀具，即选用高压组成技能制备的聚晶金刚石(PCD)。直到八十年代末，这两类金刚石仍是仅有的运用于制作有特定刃口的切削刀具的商用金刚石资料。天然和人工组成的金刚石资料的刀具加工之间彼此穿插很少，不能彼此弥补运用。PCD适用于一切一般的机械加工，但对一些有特别要求的抛光工艺，如制备Al2O3镜面时，往往不能满足需求，在这种场合下只要运用单晶天然金刚石刀具才干到达所需求的外表光洁度的尺度公役。

　　现在，跟着新式超硬刀具产品的呈现，能够挑选的地步也更大了。这些新产品包含：组成金刚石大颗粒单晶、由化学气相堆积制备的聚晶金刚石薄膜和无衬底的金刚石厚膜。这些产品在整个金刚石刀具资料尚处于开展的初期阶段，但从中能够显着看出往后的开展趋势。

　　CVD金刚石和PCVD金刚石-化学气相堆积（低压）聚晶金刚石（以涂层方式的薄膜和自在的可钎焊的无衬底厚膜）

　　众所周知，因为碳对铁有亲和效果，特别在高温下，金刚石能同铁发生化学反应，因而金刚石一般不适合用来机加工铁及其合金工件。这大大约束了金刚石的运用，因为一般80%的金属工件含有铁（这便是聚晶立方氮化硼-PCBN呈现的原因）。可是跟着对更巩固、更轻质和更耐磨资料需求的添加，在现代工业特别是轿车工业中有色金属资料和复合资料被很多运用，并且它们正变得越来越重要。关于极耐磨的高功能资料，如纤维增强的塑料、高Si铝合金、金属基复合资料（MMCs），乃至耐磨的木材复合资料，从经济视点考虑，一般只能选用金刚石东西进行加工。

　　图1依据资料的耐磨性和断裂韧性，给出了各种刀具资料进行排序的成果。抱负的刀具资料应是坐落该图右上角的资料，既具有极好耐磨性有利于延伸刀具运用寿命，又具有高断裂韧性使得它能承受高切削力。可是在耐磨性和断裂韧性间只能挑选其一，一般有较好断裂韧性的刀具资料如高速钢往往没有很好的耐磨性，而具有杰出耐磨性的资料如陶瓷资料往往断裂韧性不是很好。硬质合金资料既有杰出的耐磨性又有好的断裂韧性，因而它的这些功能能够解说硬质合金资料在作为刀具资料时的广泛适用性和重要性。

　　金刚石，特别是以纯单晶方式存在的金刚石，是迄今为止所发现的最耐磨的资料。可是因为它具有解理面，在受冲击时往往会表现出脆性，简单被损坏。单晶金刚石的断裂韧性比聚晶金刚石的均匀值要低，这儿所指的聚晶金刚石包含PCD金刚石（含金属钴）和CVD金刚石（不含金属）。

　　单晶金刚石比聚晶金刚石具有更好的耐磨性。如图1中竖向的长方形所示，PCD的耐磨性在超越700℃的温度下会削弱。这是因为PCD结构中存在金属钴，它会促进逆向反应，即由金刚石向石墨的改变。可是这种热稳定性的下降是极为稀有的，因为不管是在刀具制作仍是运用进程中刀具温度都很难到达700℃的高温。别的PCD具有挨近某一商标WC的断裂韧性，因而它乃至适用于存在高冲击的操作进程，如铣削和接连式的切削操作。

　　另一种超硬聚晶资料是聚晶立方氮化硼（PCBN）。PCBN是在本世纪70年代晚期紧跟着PCD后开展起来的一种用于加工硬质铁合金的资料。PCBN具有杰出的抗化学腐蚀性，且在高达1200℃的温度下表现出很好的热稳定性。因而在刀具顶级的相对高温不会对它发生任何晦气的影响，相反它还能在切削硬质铁合金时起到加快切削的效果。特别是同磨削比较，运用PCBN不管在技能上仍是在经济上都是更为有利。在大多数景象下，PCBN表现出比传统的刀具资料如WC和陶瓷更优秀的功能。图1标明PCBN是耐磨性仅次于金刚石的资料，其断裂韧性同陶瓷挨近，但其耐磨性比PCD要差。

　　刀具资料的另一个重要功能是它的热导率，因为它对点评刀具的归纳加工功率和刀具的稳定性起着十分重要的效果。金刚石能敏捷将热量从刀具顶级传递到刀体内部然后有利于保持严密公役，削减金刚石呈现热损害的或许性。

　　如图2所示，同其他刀具资料如WC和PCBN，乃至铜比较一切金刚石刀具资料均毫无例外为热的良导体。金刚石实践热导率跟着它的纯度、结构和取向改变而改变（因而存在最大值和最小值）。高纯度金刚石--Ⅱ型天然金刚石，很少用于工业范畴，往往局限于在高技能运用范畴运用。对大多数工业用处来说，更多运用1a型天然金刚石和人工组成的1b型金刚石。因为人工组成的PCD具有杂乱的结构，如结构中存在溶剂或催化剂金属，使得聚晶金刚石刀具资料的热导率比单晶金刚石低，但它仍闪现出优异的热学功能。

　　PCBN的热导率比金刚石要低。规划用来对铁基工件进行粗加工的CBN含量较高的刀具的热导率大约是规划用于抛光处理的CBN含量较低的刀具的两倍。这是因为后者陶瓷粘结剂（热绝缘相）含量较高的原因。

　　天然和人工组成的单晶金刚石大概是依照运用范畴进行产品分类最简洁的办法，它们都能用作切削刀具、修磨机和拉丝模具。它们都被规划用于对外表光洁度、几许形状和尺度有较高要求的精细加工运用范畴。单晶金刚石刀具切削的工件外表呈接连状，而聚晶金刚石刀具切削的工件外表呈现出微米量级的不接连情况，工件外表的情况或多或少与金刚石刀具资料的晶粒尺度有关。虽然对工件和加工刀具的精细特性需进行仔细考虑，但有一个总的准则，即要求金属外表光洁度优于0.025μm的景象需用单晶金刚石刀具和具有高刚性和高质量支架的机加工东西。

　　天然金刚石早已被证明可成功运用于这些范畴。可是当时高温高压技能的开展使得制备出具有必定尺度的人工组成单晶金刚石成为或许，现在最大尺度可达8mm（0.35英寸）。选用高压技能制备金刚石的典型比如是DeBeersMONODITE系列。人工组成单晶金刚石刀具的粗坯是沿着平行于1b型组成金刚石的{100}面或沿一个厚2mm，边际长度达8mm的薄片所供给的平面锯开所制得。这种工程资料的长处在于其尺度、形状和功能都具有杰出的共同性，这在天然产品中是不或许完成的。别的各种尺度特别是大尺度天然金刚石的缺少、不同金刚石质量的差异以及对金刚石的挑选、取向和刀具顶级的预处理等专业技巧的要求都对天然金刚石的价格要素发生重要影响，然后大大约束了它在更广泛范畴的运用。当时人工组成单晶金刚石刀具资料的运用得到了敏捷的开展。

　　跟着PCD的开展，如DeBeersSYNDITE系列产品，金刚石刀具的运用已敏捷扩展到许多制作工业范畴，特别是轿车和木材加工工业，成为传统的WC刀具的高功能代替产品。作为一种共同认可的、价格低廉且可用刃口长度达70mm的产品，PCD的运用开展十分敏捷。

　　PCD的功能首要依赖于它的运用场合和所触及的加工进程，但挑选恰当的商标或晶粒尺度也会对其功能发生影响。规范商标包含002，010和025几种，它们初始晶粒均匀尺度分别为2，10和25μm。总的来说，商标越大，其耐磨性越好，在相挨近的刃口加工量下，商标越小则刃口质量越好。

　　近年来人工组成单晶金刚石的一个新运用范畴是木材加工业，这首要依赖于它的高度耐磨性而不是它传统的外表抛光才干。PCD刀具在木材加工业中早已运用于MDF和粗纸板的机械加工，当时对外表有氧化铝涂层的高度耐磨层状木地板的需求越来越大，可是在研磨这种木板边际时对包含PCD在内的刀具提出了特别的要求，因为木板耐磨层会引起刃口的钝化，导致氧化铝耐磨层的碎裂。因而刀具有必要常常修整，直至从头研磨或替换，这必定导致很长的罢工时刻。据报道在该范畴运用时，人工组成单晶金刚石的功能优于PCD。

　　PCD、PCBN和人工组成单晶金刚石均是在高温文高压下组成的，而CVD金刚石是在低压下制备的。碳基气体和氢气的混合物在高温文低于大气压的压力下分化构成金刚石堆积在基体上。堆积出的是交互成长极好的聚晶金刚石，它呈柱状结构且十分细密。跟着成长条件的不同，CVD金刚石也呈现出不同的晶粒尺度和结构。CVD金刚石不需金属催化剂，因而它的热稳定性挨近天然金刚石。

　　能够依据需求对晶粒尺度和堆积技能进行挑选。例如在非刀具的运用场合，如热操控和光学视窗，对CVD金刚石的功能要求显着不同于切削刀具。依据不同的运用需求挑选不同的CVD堆积工艺能够组成出晶粒尺度和外表描摹不同很大的聚晶金刚石。因为对刀具的功能要求是多种多样的，所以或许要多种不同晶粒尺度的CVD才干满足各种运用的需求。

　　实践上CVD金刚石刀具有两种方式。第一种是在恰当基体上堆积厚度小于30μm的薄层（薄膜），例如ISO刀片和麻花钻头的刃口是两种典型的薄涂层。第二种是堆积厚度达1mm的无衬底的金刚石层（厚膜），假如需求它能够钎焊在基体上。

　　假如要到达对CVD薄膜的堆积和结合强度满足的程度，则基体资料的性质和制备就显得十分重要。直到现在，该项技能仍约束着CVD涂层的制备，因而现在在CVD制备薄膜范畴的大部分作业都致力于对它的研讨。深受欢迎的基体资料是烧结WC，因为不只它的机械功能同金刚石较匹配，并且因为刀具制作者对WC基的刀具资料已十分了解然后乐于承受它。

　　对加有涂层的刀具资料的第二个约束是基体上的涂层必定在刃口上构成倒圆，这将约束涂层的厚度，因而有必要对加有涂层的刃口进行处理，如进行研磨等。

　　恰恰相反，CVD厚膜能够通过特别的但简洁易行的技能钎焊到所要求的基体上。可是这种钎焊点的强度决不等同于PCD强度，在用于接连切削这种高要求的机械加工进程时，这种衔接就显得很软弱。不然的话，CVD金刚石厚膜将能在整个机械加工运用范畴同PCD竞赛。它同PCD比较首要的长处是它的热稳定性更好，缺陷是具有相对高的脆性和不导电性。缺少导电性阻止了它用于放电腐蚀（EDM）切削和加工技能，该项技能在金刚石刀具加工业，特别是在木材加工用刀具的出产和修整上得到了广泛运用。可是能用EDM切削的厚CVD刀具资料现已制作出来了，眼下正在对它进行评价。它潜在的运用范畴还有对高耐磨工件的机械加工，在这种场合首要运用了CVD厚膜中金刚石的高纯度以及由此带来的耐磨性和热稳定性的进步。

　　自1992年后，DeBeers公司以DIAFILM用于电子和光学范畴的无衬底CVD金刚石厚膜的商业品牌出售。

　　显着相对PCD而言，CVD金刚石厚膜的本钱决议它终究将会进入超硬东西工业范畴。现在它的本钱较高，但跟着技能的开展会下降。

　　当谈到涂层时显着应提及CVDCBN，理论上讲以不磨刃刀片对铁基资料进行机械加工极具吸引力。可是与金刚石不同的是，金刚石由单一元素组成，而它是化合物，包含化学计量在内的很多问题都使得它的成长工艺更为杂乱。虽然通过多年研讨，实践上一切的CVDCBN涂层都是多相微晶资料。同高质量的CVD金刚石比较，CVDCBN更象类金刚石碳（DLC）。开展涂有DLC涂层刀具的运用是很有或许的，虽然到现在为止这种运用远景还未显着闪现。

　　显着各种不同金刚石切削刀具方式之间能很好地彼此弥补。可是也存在一些彼此穿插的运用范畴，在这些范畴就需对刀具产品进行挑选。最有或许呈现穿插的有两大类产品：

　　人工组成的单晶金刚石现已开展到一个较为先进的水平，有国际规范对产质量量进行判定。在天然金刚石中较少见大尺度金刚石，而人工组成大尺度金刚石的成功为拓荒新的运用范畴，如在木材加工业，供给了或许。

　　可加工级的CVD金刚石厚膜具有高的机械强度和杰出的热学功能，它的蓬勃开展标明CVD金刚石将在刀具工业中发挥积极效果。组成金刚石代替天然金刚石和CVD金刚石代替PCD的程度都将取决于技能和经济两方面的考虑。价格和功能的联系，刀具制作商和终究用户对CVD金刚石的友爱程度，特别是成型、研磨和钎接的简单程度等都将影响终究成果。可是有一点是清楚明了的，即朝着具有更高出产率和更高切削速度的方向开展。跟着更耐磨和更难加工工件资料的增多，各类金刚石刀具的运用将继续很多地添加。毫无疑问，为到达未来工业经济方针金刚石刀具是一个关键要素。