超硬刀具材料的本质

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内容摘要:超硬刀具材料在国际上公认为当代提高生产效率最有潜质的刀具材料之一，其发展潜力十分深厚。本文向读者介绍该材料的本质、发展概况、各产品的特点及应用、前景。潜质优厚的刀具材料超硬材料刀具具有工效高、使用寿命长和加工质量好等特点，过去主要用於精加工，近几年由於改进人造超硬刀具材料的生产工艺，控制了原料纯度和晶粒尺寸，采用了复合材料和热压工艺等，应用范围不断扩大，除一般的精加工和半精加工外，还可用於粗加工，在国际上公认为当代提高生产效率最有潜质的刀具材料之一。利用超硬材料加工钢、铸铁、有色金属及其合金等零件，其切削速度可比硬质合金高一个数量级（例如铣削可达3000m/min），刀具寿命可比硬质合金高几十、甚至几百倍。
& r5 y, J5 m1 P) K# ^4 H4 ^超硬刀具材料在国际上公认为当代提高生产效率最有潜质的刀具材料之一，其发展潜力十分深厚。本文向读者介绍该材料的本质、发展概况、各产品的特点及应用、前景。

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潜质优厚的刀具材料

超硬材料刀具具有工效高、使用寿命长和加工质量好等特点，过去主要用於精加工，近几年由於改进人造超硬刀具材料的生产工艺，控制了原料纯度和晶粒尺寸，采用了复合材料和热压工艺等，应用范围不断扩大，除一般的精加工和半精加工外，还可用於粗加工，在国际上公认为当代提高生产效率最有潜质的刀具材料之一。利用超硬材料加工钢、铸铁、有色金属及其合金等零件，其切削速度可比硬质合金高一个数量级（例如铣削可达3000m/min），刀具寿命可比硬质合金高几十、甚至几百倍。同时它的出现，还使传统的工艺概念发生变化，利用超硬刀具可直接以车、铣代磨（或抛）对淬硬零件加工，可用单一工序代替多道工序，大大缩短工艺流程。在生产时用於一般的车、镗和铣削加工，更成功地用於精密孔的加工。
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超硬刀具材料的发展概况
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5 q. k# \$ u5 b# j% @) B超硬刀具材料是指天然金刚石及硬度、性能相近的人造金刚石和CBN（立方氮化硼）。由於天然金刚石的价格比较昂贵，所以生产上大多采用人造聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)及其复合材料。
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早在50年代，美国已利用人造金刚石微粉和人造CBN微粉在高温、高压、触媒和结合剂的作用下，烧结成尺寸较大的聚晶块，并作为刀具材料。南非戴比尔(De Beers)公司、前苏联和日本也相继研制成功。70年代初推出金刚石或CBN和硬质合金的复合片，是在硬质合金基体上烧结或压制一层0.5-1mm的PCD或PCBN，从而解决超硬刀具材料抗弯强度低、镶焊困难等问题，使超硬刀具的应用进入实用阶段。目前，又出现人工合成大单晶金刚石，以及用CVD（化学气相沉积）法制出的金刚石薄膜涂层和金刚石厚膜等功能性材料，大大拓宽超硬刀具材料的应用领域。

中国超硬刀具材料的研究与应用开始於七十年代，并於1970年在贵阳建造第一座超硬材料及制品的专业生产厂―第六砂轮厂。但中国超硬材料生产速度发展缓慢，从1970-1990年整整20年中，超硬材料年产量仅从46万克拉增至3500万克拉。九十年代前后，不少超硬材料生产专业厂从国外引进成套的超硬材料合成设备及技术，产量才得到迅速发展，1997年中国人造金刚石年产量已达5亿克拉左右，CBN年产量达800万克拉，跃居世界超硬材料生产大国之首。目前中国不少工厂，例如长春一汽集团公司、东风汽车集团公司和上海大众汽车有限公司等，已在生产中广泛使用PCD、PCBN等超硬材料刀具，对提高工效、保证产品质量起着重要作用。

超硬刀具材料性能

金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000HV，是刀具材料中最硬的材料。其摩擦因数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好。加工有色金属时，表面粗糙度可达Ra0.012微米，加工精度可达IT5（孔IT6）级以上，能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、未烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材（尤其是实心木和胶合板、MDF等复合材料）。

金刚石的缺点是韧性差，热稳定性低，700-800度时容易碳化，不适於加工钢铁材料。因为在高温下铁原子容易与碳原子作用，使其转化为石墨结构。此外，以它切削镍基合金时也会迅速磨损。

CBN的硬度仅次於金刚石（可达8000-9000HV），热稳定性高（达1250-1350度)，对铁族元素化学惰性大，抗黏结能力强，用金刚石砂轮即可磨削开刃，适合加工各种淬硬钢、热喷涂材料、冷硬铸铁和35HRC以上的钴基和镍基等难加工材料。
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& a' q9 `, z$ X$ o1 `单晶金刚石

单晶金刚石可分为天然金刚石(ND)和人工合成金刚石。单晶金刚石用於制作切削刀具必须是大颗粒（质量大於0.1g，最小径长不得小於3mm）。
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( x% F( X  R1 o! ]& l. k3 gND是目前已知矿物中最硬的物质。它本身质地细密，经过精细研磨，刃口半径可达0.01-0.002微米。但ND较脆，其结晶各向异性，不同晶面或同一晶面不同方向的晶体硬度均有差异，在进行刃磨和使用时必须选择合适的方向。由於其使用条件苛刻，加上ND资源有限，价格昂贵，至今使用较少，目前仅用於某些有色金属如铜及铜合金和金、银、铑等贵重金属特殊零件的高速超精密加工，如录相机磁盘、光学平面镜、多面镜、二次曲面镜等。
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人工合成单晶金刚石的尺寸、形状和性能都具有良好的一致性，目前由於高温高压的技术日趋成熟，能够制备具有一定尺寸的人工合成单晶金刚石，De Beers公司和美国生产的合成单晶金刚石颗粒尺寸可达9-10mm，使其在生产中应用迅速发展。尤其在加工高耐磨的层状木板时，其性能要优於PCD金刚石，不会引起刃口过早钝化。
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人造聚晶金刚石(PCD)和人造聚晶金刚石复合片(PCD/CC)

PCD又称金刚石烧结体，是在高温超高压条件下，通过钴等金属结合剂将金刚石微粉聚合成的多晶体材料。其硬度虽低於天然单晶金刚石，但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合，属各向同性，用作刀具时可以任意取向刃磨，无需像ND必须选用最佳的解理面作为前刀面。在切削时，切削刃对意外损坏不很敏感，抗磨损能力也很强，可长时间保持锋利的切削刃，加工时可采用很高的切削速度和较大的吃刀量（例如在车削或镗削铝合金、黄铜、青铜及其合金时，切削速度为300-1000m/min，进给量为0.05-0.5mm/r，吃刀量可达10mm），使用寿命一般高於硬质合金（WC基）刀具10-500倍，而且PCD原料来源丰富，其价格只有ND的几十分之一至十几分之一，因此应用广泛，成为传统WC刀具的高性能替代品。

PCD的性能与金刚石的晶粒尺寸及结合剂的含量有关。De Beers公司生产的PCD刀片有002、010和025几种，晶粒的平均尺寸别为2、10和25微米。晶粒尺寸越大，耐磨性越好，但刃口质量稍差，难以制成高精度刀具。相反，用细晶粒PCD制成的刀具、刃口质量好。
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  p/ m3 h, [+ N& F* w为提高PCD刀片的韧性和可焊性，通常将PCD与硬质合金复合做成复合刀片(PCD/CC)，即以硬质合金为基底，在其表面烧结或压制一层0.5-1mm厚的PCD而成。这种复合刀片（又称压层刀片）的抗弯强度与硬质合金基本一致，而工作表面的硬度接近整体PCD，且可焊性好，重磨容易，成本低，故应用广泛。PCD/CC常用焊或机夹方式制作刀具。英国Smith公司研制多层金刚石复合片，其顶层金刚石浓度为100%，往下逐步下降，同时硬质合金逐渐增加，到衬底全部为硬质合金。这种复合片的强度高，抗冲击性能好，特别适用於吃刀量大、有冲击载荷的加工使用。日本住友电工公司采用铁基合金作基体，所制造的金刚石复合片钻头因PCD与钢刀体有亲和作用，可保证复合片与刀体的连结更为牢固。
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必须指出，PCD刀具的刃口锋利性和加工的工件表面质量均不如ND，同时其可加工性很差，磨削比小，难以根据刀头的几何形状任意成形，至今还不能方便地制造带断屑槽的可转位PCD刀片和立铣刀等几何形状复杂的产品。
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4 _! m' Q4 J# E聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶立方氮化硼复合片(PCBN/CC)

6 \1 P6 q. [  f2 b; b1 yPCBN或PCBN/CC制造方法与PCD或PCD/CC相似，是以CBN为原料，经高温高压制成聚晶立方氮化硼或其复合片(PCBN/CC)。PCBN/CC的性能兼有较好的韧性和较高的硬度及耐磨性，抗弯强度可达1.47GPa，可经多次重磨使用。
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PCBN的性能与CBN的粒度、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含量多（70%以上），硬度高，适用於耐热合金、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、Al2O3等）烧结而成，这类PCBN中CBN含量少（70%以下），硬度低，适用於淬硬钢的切削加工。

CVD金刚石
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" l1 I8 t; i" f) DPCD、PCBN和人工合成单晶金刚石均是在高温高压下合成的，而CVD金刚石是在低压(< 0.1MPa)下制备的。
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9 Y" u- `/ C) bCVD金刚石有两种形式∶CVD薄膜涂层(CD)和CVD厚膜(TFD)。
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" R9 h* B( P5 x: _* A) KCD是用CVD工艺，在硬质合金基体（常用K类合金）上沉积一层厚度约10-30微米，由多晶组成的膜状金刚石而成。因基体易於制成复杂形状，故适用於几何形状复杂的刀具。据报道，美国和日本等国家已相继推出了CD的丝锥、钻头、立铣刀和带断屑槽的可转位刀片（如瑞典Sandvik公司的CD1810和美国Kennametal公司的KCD25牌号）等产品，用於有色金属和非金属材料的高速精密加工，刀具寿命比未涂层的硬质合金刀具提高近十倍，有些甚至数十倍。
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; z  _& L4 B" Y$ p( S- D0 H! U5 ZTFD是沉积厚度可达1mm的无衬底金刚石厚膜，根据需要再将厚膜切割成一定的大小，然后焊在硬质合金刀片上使用。

TFD有很好的综合性能，它没有天然金刚石各向异性的缺点，由於不用金属结合剂，杂质含量低，纯度接近100%，故硬度和热导率比PCD更高，摩擦因数更小，化学稳定性更好，可采用比PCD刀具更高的切削速度，韧性和强度则稍低於PCD。外国已有TFD的商品供应。TFD未来可取代昂贵的天然金刚石刀具或PCD金刚石刀具。表1列出了TFD、PCD和人工合成单晶金刚石三者性能的对比。
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电镀金刚石或电镀CBN
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+ ^/ c! }! E# n6 u( l9 H( G2 ^电镀金刚石或电镀CBN是以金属镍和钴等作结合剂，利用电镀工艺把金刚石或CBN的细小颗粒包镶在一定尺寸和几何形状的刀具基体表面，再经适当修磨制成。此法制造工艺简单，只需要电镀设备即可。例如，郑州磨料磨具磨削研究所和山东蓬莱金刚石工具厂等生产的电镀金刚石或电镀CBN铰刀属於这类刀具。使用表明，用其可成功地加工尺寸精度和几何形状精度都小於2Mm、表面粗糙度达Ra0.2-0.1微米的孔。例如，广泛用於液压随动系统和燃油系统精密偶件的阀孔，目前生产上最终工序大多以这种铰刀加工。
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超硬材料的国际新趋势

超硬刀具材料是一种先进的刀具材料，在生产中有着广阔的应用前景。人造超硬刀具材料，目前单晶的向粗颗粒、高强度、多功能方向发展。美国GE公司现可工业生产6克拉重的人造金刚石（约10mm），最大颗粒达11.14克拉重。PCD则向大直径、细粒度、高抗冲击、高热稳定性方向发展。PCD最大直径已可达74mm，然后用激光切割成所需的形状。PCD颗粒的商品尺寸为2-25微米；颗粒越细，切削刃的质量越好；颗粒越大，刀具使用寿命越长。De Beers公司PCBN产品的最大直径达101.6mm，可加工70HRC的高硬度材料。此外，据英国专利介绍，英国还研制在PCD和PCBN刀片外表面用CVD法沉积一层镍、铜、钛、钴、铬、钽的混合物，以及氮化钛或碳化钛的防护涂层，其耐磨性可比普通PCD和PCBN刀片高4倍。

; J! L+ H) t# kCVD金刚石薄膜和厚膜是近年新研制的功能性材料，尽管至今生产还未形成规模，但因性能优异，有广泛的用途，今后必将高速发展。
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天然和人工合成的单晶金刚石，以及PCD和TFD之间存在相互交叉的应用领域，在一定程度上能相互补充，须根据不同具体情况，特别是性能价格比加以选用。预计超硬刀具材料CBN和金刚石将得到更多的应用，未来可能会发现和制造出崭新的刀具材料品种，具有更优异的性能。据Lellond公司介绍，他们开发一种由陶瓷＋CBN的超硬复合材料，兼有陶瓷和CBN两种材料的优点，是高速加工高硬耐磨铸铁的理想材料。又如，用石墨原料合成的金刚石聚晶体，而当今的金刚石为C12；已有研究，同位素C13和C60则更为坚硬。前几年，武汉大学研制的C3N4/TiN薄膜具有超硬材料性质，涂覆在高速钢钻头，可使钻头寿命大大提高。可以预料，随　各种新型难切削材料应用增多，今后必将促进超硬刀具材料的发展与应用。