超硬工具的時代到來
目前，在世界上已知的材料中，金剛石和立方氮化硼是最硬的兩種材料。由于它們的硬度大大超出其它材料的數(shù)倍，因而人們將這兩種材料稱為超硬材料。金剛石由于性能優(yōu)越，應(yīng)用不斷地在擴(kuò)大，已從金屬加工發(fā)展到了光學(xué)玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等傳統(tǒng)加工難進(jìn)行的領(lǐng)域，對各種工業(yè)的發(fā)展將起到巨大的推動作用，金剛石工具的前景十分廣闊。
一、概述
超硬刀具材 料是指比陶瓷材料更硬的刀具材料。包括：單晶金剛石、聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD金剛石等。超硬刀具主要是以金剛石和立方 氮化硼為材料制作的刀具，其中以人造金剛石復(fù)合片(PCD)刀具及立方氮化硼復(fù)合片(PCBN)刀具占主導(dǎo)地位。許多切削加工概念，如綠色加工、以車代 磨、以銑代磨、硬態(tài)加工、高速切削、干式切削等都因超硬刀具的應(yīng)用而起，故超硬刀具已成為切削加工中不可缺少的重要手段。隨著科技的進(jìn)步，制造業(yè)的高速發(fā) 展，CNC加工技術(shù)的迅猛發(fā)展以及數(shù)控機(jī)床的普遍使用，超硬刀具的生產(chǎn)及應(yīng)用也越來越廣泛。PCD和PCBN刀具已廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工的各個行業(yè)，如汽車零部件的切削加工，強(qiáng)化木地板的加工等，極大地促進(jìn)了切削加工及先進(jìn)制造技術(shù)的飛速發(fā)展
三、金剛石、超硬材料的特性與作用
眾所周知，金剛石材料的成分是碳，金剛石與鐵系有親和力，切削過程中，金剛石的導(dǎo)熱性優(yōu)越，散熱快，但是要注意切削熱不宜高于700度，否則會發(fā)生石墨化現(xiàn)象，工具會 很快磨損。因為金剛石在高溫下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會發(fā)生反應(yīng)，與黑色金屬(鐵碳合金)在加工中會發(fā)生化學(xué)磨 損，所以，金剛石不能用于加工黑色金屬只能用在有色金屬和非金屬材料上，而CBN即使在1000oC的高溫下，切削黑色金屬也完全能勝任。已成為未來難加工材料的主要切削工具材料。一般超硬材料指的是人造金剛石、人造CBN。這兩種材料的同時存在，起到了互補(bǔ)的作用、可以覆蓋當(dāng)前與今后發(fā)展的各種新型材料 的加工，對整個切削加工領(lǐng)域極為有利。
1．PCD
金剛石燒結(jié)體（PCD）的出現(xiàn)，在許多方面代替了天然單晶金剛石。PCD與天然金剛石比較，價格便宜，且刃磨遠(yuǎn)比天然金剛石方便， 所以其應(yīng)用、推廣特別迅速。在大量涌現(xiàn)的新材料中，大部分都是難加工材料，如高硅鋁合金，汽車發(fā)動機(jī)的活塞大量采用這種材料。一般，含硅量低于10%的鋁 合金，用硬質(zhì)合金切削工具即可，但含硅量超過10%,就只能借助PCD。當(dāng)前采用的高硅鋁合金含硅量均在12%以上，有的已達(dá)18%以上，所以非PCD莫 屬。
但是，由于PCD的種類很多，有合理選擇的必要。其粒度、濃度等都會影響到硬度、耐磨性等性能。因此，在應(yīng)用中也必須根據(jù)被加工材料的種類。硬度等特性來考慮合理的各種參數(shù)。PCD在國內(nèi)外的生產(chǎn)已十分普及，但是質(zhì)量有較大的差異，因此在價格上出入很大。
2．PCBN
立方氮化硼燒結(jié)體（PCBN）是CBN顆粒與結(jié)合劑一起燒結(jié)而成，硬度僅次于金剛石，與黑色金屬無親和力。但是，PCBN不適于切削一般的鋼件。PCBN刀具材料性能如下：
（1）具有較高的硬度和耐磨性。
CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，化學(xué)鍵類型相同，晶格常數(shù)相近，因此具有與金剛石相近的硬度和強(qiáng)度。CBN微粉的顯微影度為HV8000-9000，其燒結(jié)體PCBN的硬度為HV3000-5000。
（2）具有很高的熱穩(wěn)定性。
CBN的耐熱性可達(dá)1400-1500℃，PCBN在800℃時的硬度還高于陶瓷和硬質(zhì)合金的常溫硬度。
（3）具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。
由于PCBN耐高溫，在大氣和水蒸氣中，在900℃以下無任何變化且穩(wěn)定，甚至在1300℃時，和Fe、Ni、Co等也幾乎沒有反 應(yīng)，更不會像金剛石那樣急劇磨損，這時它仍能保持硬質(zhì)合金的硬度，因此，它不僅能切削淬火過的鋼零件或冷硬鑄鐵，而且能被廣泛應(yīng)用于高速或超高速的切削工 作上。
（4）具有較好的導(dǎo)熱性。
在各類刀具材料中，CBN的導(dǎo)熱性僅次于金剛石，大大高于硬質(zhì)合金，而且隨著溫度的升高，PCBN的導(dǎo)熱系數(shù)是增加的。
（5）具有較好的摩擦系數(shù)。
與不同材料間的摩擦系數(shù)CBN為0.1-0.3,硬質(zhì)合金為0.4-0.6,隨著切削速度的提高,摩擦系數(shù)是減小的。
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