加工金屬基復(fù)合材料用的金剛石

    金屬基復(fù)合材料的性能與加工方法 

    復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)成份不同的物質(zhì)，經(jīng)人工合成的多相材料。這種材料既保持了單一組份材料的特點，又使各組份之間取長補短、互相協(xié)同，形成優(yōu)於原有材料的特性。  
  
    復(fù)合材料由基體相和增強相組成。前者是基本成份，并起黏結(jié)作用；後者起提高硬度、強度、剛度和耐磨性的作用。而在輕質(zhì)、韌性的金屬基體(多用鋁或鋁合金)中加入硬質(zhì)顆粒增強材料(如SiC、AlN、Al2O3等)而制成的金屬基復(fù)合材料，具有密度小、比強度和比彈性模量高、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫和抗疲勞性好、耐磨性和抗振性強、以及制備工藝簡單等優(yōu)點，所以目前已廣泛地用於汽車發(fā)動機缸套、活塞等耐磨零件和機械、冶金、軸承、交通運輸、化工、建筑以及航空航天等工業(yè)部門。但金屬基復(fù)合材料的加工性差，盡管目前開發(fā)了不少新的加工方法，如電火花加工、激光加工和高壓水射流加工等方法，但由於設(shè)備比較昂貴和加工質(zhì)量不高等原因，所以傳統(tǒng)的機械加工(包括：車、鉆、銑、沖、鉸、鏜和磨等)仍是當(dāng)前加工的主要手段。金剛石是世界上最硬的物質(zhì)，其顯微硬度可達10000HV，耐磨性極好，切削刃非常鋒利，刃部粗糙度值小，摩擦因數(shù)低，抗黏結(jié)性好，熱導(dǎo)率高，切削時不易黏刀及產(chǎn)生積屑瘤，用其加工金屬基復(fù)合材料具有工效高、刀具壽命長和加工質(zhì)量好等特點，故應(yīng)用最廣。圖1所示為用PCD（聚晶人造金剛石）刀具鉆加工20％SiCP的鋁基復(fù)合材料螺旋泵殼的應(yīng)用實例。  

    金屬基復(fù)合材料切削加工性特點  

    通常人們將金屬基復(fù)合材料歸屬于“難加工材料”，實際上加工時它形成短切屑，且基體一般為鋁合金，切削溫度低，故切削加工性很好；主要是其內(nèi)加入的顆粒增強材料的硬度很高，如SiC的硬度高達3000-3500HV。硬質(zhì)顆粒分布在基體中，猶如砂輪中的磨粒一樣會對刀具的切削刃起刮磨和沖擊作用，使切削刃很快磨損。硬質(zhì)顆粒的硬度愈高、顆粒的尺寸愈大、顆粒的數(shù)量愈多，則刀具磨損愈快。因此，用傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具很難進行加工，刀具壽命很低或根本無法使用。 

    日本學(xué)者曾用硬質(zhì)合金刀具(牌號K10)車削含硅量為16%-18%的A390過共晶硅鋁合金及鑄鐵，同樣切削條件下前者刀具只切削幾分鐘就在刀具前後刀面上產(chǎn)生嚴(yán)重的磨粒磨損而失效，其壽命不足切削鑄鐵的1/3。將被切削材料換成SiC晶須增強鋁合金，結(jié)果是刀具磨損比切削高硅鋁合金還要快得多。如用涂層硬質(zhì)合金刀具加工，復(fù)合材料中的硬質(zhì)顆粒仍會很快將涂層磨穿并迅速擴展到硬質(zhì)合金基體中而使刀具失效。金剛石是世界上已知的最硬物質(zhì)，實際使用證明，它是加工金屬基復(fù)合材料的最佳刀具材料。用金剛石加工金屬基復(fù)合材料，其切削速度可達800~1000m/min，刀具壽命可比硬質(zhì)合金高幾倍、甚至幾十倍，而且加工表面粗糙度數(shù)值小，可達Ra0.025-0.012µm。這是因為金剛石不但硬度高(可達10000HV)，耐磨性好，可長時間保持鋒利的切削刃，刃部粗糙度值小，并且摩擦因數(shù)低，抗黏結(jié)性好，熱導(dǎo)率高，切削時不易黏刀及產(chǎn)生積屑瘤，故加工表面質(zhì)量也遠比其它刀具要好。
    正確選用金剛石的品種 

    聚晶金剛石與硬質(zhì)合金復(fù)合刀片(PCD/CC) 

    PCD/CC是加工金屬基復(fù)合材料使用最廣泛的一種金剛石。它是在強度和韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，在其表面燒結(jié)或壓制一層0.5-1mm厚的聚晶金剛石PCD而成。這種復(fù)合刀片的抗彎強度與硬質(zhì)合金基本相同，而工作表面的硬度接近整體聚晶金剛石PCD，且可焊性好，重磨容易，成本低。典型的聚晶金剛石與硬質(zhì)合金復(fù)合刀片為平板狀或片狀，然後用激光切割成刀片所需形狀和大小。PCD/CC常用焊或機夾方式，制作成車、鉆、銑、沖、鉸、鏜和鋸等各種切削刀具。PCD/CC的性能與金剛石晶粒尺寸大小有關(guān)。De Beers公司生產(chǎn)的PCD刀片有002、010和025幾種，晶粒的平均尺寸分別為2µm、10µm和25µm。晶粒尺寸愈大，金剛石體積的聚集度增加，使耐磨性愈好，刀具壽命愈高，但切削刃的刃口質(zhì)量稍差，難以制成高精度刀具。相反，細晶粒刀具，切削刃的刃口鈍圓半徑(一般PCD刀具的1-2)，加工表面質(zhì)量好。因而目前聚晶的晶粒不斷細化，并已有1痠、甚至有0.5痠以下的細晶。為此，應(yīng)綜合考慮刀具的壽命和加工表面質(zhì)量選擇合適品級的聚晶金剛石與硬質(zhì)合金復(fù)合刀片。 

    CVD金剛石 

    CVD金剛石是一種高抗磨性的純金剛石材料，不含結(jié)合劑，它是在低壓(<0.1MPa)下制備的。CVD金剛石有兩種形式：CVD薄膜涂層(CD)和CVD厚膜(TFD)。 

    CD是用CVD (化學(xué)氣相沉積)工藝，在硬質(zhì)合金基體(常用K類合金)上沉積一層厚度小於50µm(通常為10~30µm)，由多晶組成的膜狀金剛石而成。使用表明，CD金剛石涂層刀具不適合用於加工金屬基復(fù)合材料，因為復(fù)合材料中的硬質(zhì)顆粒在很短時間內(nèi)就會將刀具表面的涂層磨穿。 

    TFD是沉積厚度可達3-5mm的無襯底金剛石厚膜，根據(jù)需要再將厚膜切割成一定形狀的小塊，然後焊在硬質(zhì)合金上形成復(fù)合刀片或刀具。 

    TFD有很好的綜合性能，它沒有天然金剛石各向異性的缺點，由於沒有金屬結(jié)合劑，雜質(zhì)含量低，純度接近100％，故硬度和熱導(dǎo)率比PCD更高，摩擦因數(shù)更小，化學(xué)穩(wěn)定性更好，用其加工金屬基復(fù)合材料的性能相當(dāng)好。 

    所示為用PCD與TFD兩種金剛石加工40% SiCP A356MMC材料時的刀具磨損曲線。圖2試驗時采用的切削條件為：切削速度400m/min，進給量為0.05mm/r，背吃刀量(切削深度)0.5mm，加切削液。由圖2中可知，加工40% SiCP 金屬基復(fù)合材料，使用厚膜金剛石TFD的效果最好；PCD025次之，PCD002刀具的使用壽命最低。表1為De Beers公司推薦的用聚晶金剛石品級SYNDITE 025刀片加工金屬基復(fù)合材料時的切削參數(shù)。研究表明，隨著切削速度的提高和進給量的減少，加工表面粗糙度數(shù)值Ra將減少，而背吃刀量對Ra的影響并不顯著。故精加工時，切削速度應(yīng)取表1中較大的數(shù)值，進給量取小值。 

    用金剛石加工金屬基復(fù)合材料，可以干切削，也可濕式切削。但因金剛石的熱穩(wěn)定性低，在700-800℃時它將碳化(即石墨化)，使刀具壽命急劇降低。如用切削液濕式切削，可使切削溫度降低，使刀具壽命增加。但在刀具切入工件前就應(yīng)澆注切削液直到切削完畢為止，切削液必須連續(xù)供給，不能時斷時續(xù)，否則容易引起刀具破損或崩刃。同理，在切削過程中還應(yīng)盡量避免中途停車或變換切削用量。 
    結(jié)論 

    金剛石是加工金屬基復(fù)合材料的最佳刀具材料。加工40% SiCP 金屬基復(fù)合材料，使用厚膜金剛石TFD的效果最好；PCD次之； 

    金剛石晶粒尺寸大小對刀具的壽命和加工表面質(zhì)量有直接影響。晶粒尺寸愈大，金剛石耐磨性愈好，刀具壽命愈高，但加工表面質(zhì)量稍差；反之，細晶粒刀具有較好的加工表面質(zhì)量； 

    切削速度和進給量對加工表面粗糙度有直接影響。切削速度愈高和進給量愈小，加工表面粗糙度數(shù)值Ra將減少，而背吃刀量對Ra的影響并不顯著。