超硬刀具材料的性能

    金剛石硬度和耐磨性極高，其顯微硬度可達(dá)10000HV，是刀具材料中最硬的材料。金剛石的摩擦系數(shù)小，與非鐵金屬無(wú)親和力，切屑易流出，熱導(dǎo)率高，切削時(shí)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、未燒結(jié)的硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強(qiáng)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(shí)心木和膠合板等復(fù)合材料)。?

    金剛石的缺點(diǎn)是韌性差，熱穩(wěn)定性低。700℃～800℃時(shí)易碳化，故不適合加工鋼鐵材料。因?yàn)樵诟邷叵拢F原子易與碳原子作用而使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)。此外，用它來(lái)加工鎳基合金，刀具會(huì)迅速磨損。?

    立方氮化硼(CBN)的硬度僅次于金剛石，硬度可達(dá)8000HV～9000HV，并且熱穩(wěn)定性高(達(dá)1250℃～1350℃)，對(duì)鐵族元素化學(xué)惰性大，抗粘結(jié)能力強(qiáng)，而且用金剛石砂輪即可磨削開(kāi)刃，所以適合于加工各種淬硬鋼、熱噴涂材料、冷硬鑄鐵和硬度為35HRC以上的鈷基和鎳基難加工材料。?

    超硬刀具材料發(fā)展現(xiàn)狀

    由于天然金剛石價(jià)格昂貴，所以在生產(chǎn)中多數(shù)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。?

    美國(guó)在五十年代就利用人造金剛石微粉和人造立方氮化硼(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。而后，南非DeBeers公司、前蘇聯(lián)和日本也相繼研制成功。七十年代初，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(qiáng)度低、釬焊困難等問(wèn)題，使超硬刀具的應(yīng)用進(jìn)入實(shí)用階段。目前，又出現(xiàn)了人工合成大單晶金剛石(SCD)，以及用CVD法制出的金剛石薄膜涂層和金剛石厚膜等功能性材料，極大地拓寬了超硬刀具材料的應(yīng)用領(lǐng)域。?

    我國(guó)超硬刀具材料的研究與應(yīng)用始于七十年代，從1970～1990年，超硬材料年產(chǎn)量從46萬(wàn)克拉增至3500萬(wàn)克拉。九十年代前后，很多超硬材料專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠家從國(guó)外引進(jìn)了成套的超硬材料合成設(shè)備及技術(shù)生產(chǎn)人造金剛石，使其產(chǎn)量猛增。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1997年，我國(guó)人造金剛石的年產(chǎn)量達(dá)5億克拉，立方氮化硼的年產(chǎn)量為800萬(wàn)克拉。1999年，人造金剛石年產(chǎn)量達(dá)7.5億克拉，至2000年猛增至12億克拉，成為世界超硬材料生產(chǎn)大國(guó)。?

    超硬刀具材料發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景

    目前，單晶的人造超硬刀具材料正向粗顆粒、高強(qiáng)度、多功能方向發(fā)展。美國(guó)GE公司現(xiàn)可生產(chǎn)6克拉重的人造金剛石(約10mm)，最大顆粒重量11?14克拉。聚晶金剛石(PCD)則向大直徑、細(xì)顆粒、抗沖擊力強(qiáng)、高熱穩(wěn)定性方向發(fā)展。目前生產(chǎn)的最大直徑已達(dá)74mm，可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(zhǎng)。DeBeers公司生產(chǎn)的PCBN產(chǎn)品，最大直徑為101.6mm，可加工硬度為70HRC的高硬度材料。美國(guó)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TiN或TiC的防護(hù)涂層，其耐磨性比普通PCD和PCBN刀片高4倍。?

    CVD金剛石薄膜和厚膜是近年來(lái)新研制開(kāi)發(fā)的功能性材料，至今尚未形成生產(chǎn)規(guī)模。但因其性能優(yōu)良，所以有廣泛的用途。?

    天然和人工合成的單晶金剛石以及PCD和TED之間存在著相互交叉的應(yīng)用領(lǐng)域，它們?cè)谝欢ǔ潭壬夏芟嗷パa(bǔ)充，應(yīng)根據(jù)不同的具體情況，特別是性能價(jià)格比加以選用。預(yù)計(jì)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，雖將可能開(kāi)發(fā)出性能更為優(yōu)異的新的超硬刀具材料。據(jù)報(bào)道，Lellond公司開(kāi)發(fā)了一種由陶瓷+CBN的超硬復(fù)合材料，具有陶瓷和CBN兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，是高速加工高硬耐磨鑄鐵的理想材料；又開(kāi)發(fā)了用石墨原料合成的金剛石聚晶體；目前開(kāi)發(fā)的C12、C13和C60金剛石材料的硬度更高。幾年前，武漢大學(xué)研制出一種C3N4/TiN薄膜，將其涂覆在高速鋼鉆頭上，可使鉆頭壽命大大提高。