超硬刀具材料的發(fā)展與應(yīng)用

    常用刀具材料有高速鋼、硬質(zhì)合金和陶瓷，它們的主要硬質(zhì)成分是碳化物、氮化物和氧化物。例如，高速鋼是加入了合金成分（如W、Mo等）的碳化鐵；硬質(zhì)合金的主要成分是WC、TiC、TiCN等；陶瓷則是Al2O3和Si3N4。這些化合物的硬度最高達(dá)到3000HV，若加上粘接物質(zhì)，其總體硬度則在2000HV以下。對于某些難加工材料的加工，具有上述硬度的刀具材料已不能勝任。于是超硬刀具材料便應(yīng)運(yùn)而生，在20世紀(jì)的后50年中得到了很大的發(fā)展。超硬材料的化學(xué)成分及其形成硬度的規(guī)律與其他刀具材料不同：立方氮化硼是非金屬硼化物，晶體結(jié)構(gòu)為面心立方；而金剛石則由碳元素轉(zhuǎn)化而成，其晶體結(jié)構(gòu)與立方氮化硼相似，它們的硬度大大高于傳統(tǒng)刀具材料。近年來又出現(xiàn)了一種新型超硬刀具材料——氮化碳，其硬度亦與立方氮化硼相近。?
    1．超硬刀具材料的發(fā)展過程?
    幾千年前，人類就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和使用天然金剛石；而人造金剛石的制造和應(yīng)用則是20世紀(jì)后半世紀(jì)的事。氮化硼是人造材料，其發(fā)展過程與人造金剛石大體同步。?
    人造金剛石以往多在高溫、高壓（熱壓法）條件下形成，稱為PCD，后來又出現(xiàn)了其他制造方法。PCD人造金剛石的研究始于1940年，1954年美國正式宣告人造金剛石研制成功，并于1957年開始工業(yè)生產(chǎn)。瑞典也于1962年開始人造金剛石的工業(yè)生產(chǎn)。到1969年，全世界人造金剛石產(chǎn)量為4000萬克拉(當(dāng)時天然金剛石年產(chǎn)量為4400萬克拉)。1963年中國研制成功PCD，到1996年中國人造金剛石產(chǎn)量已達(dá)2.4億克拉，出口量達(dá)6～8.5千萬克拉。21世紀(jì)初，中國人造金剛石最高年產(chǎn)量已達(dá)10億克拉以上，居全世界首位。近年來亦有外國公司年產(chǎn)人造金剛石達(dá)1億克拉以上。?
    1957年，美國GE公司壓出立方氮化硼（CBN）單晶粉；70年代初制成聚晶PCBN刀具。1972年，前蘇聯(lián)亦制成PCBN刀具。1966年中國研制成功單晶CBN；稍后，聚晶PCBN研制成功。
    近年來，國內(nèi)又采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法制成人造金剛石。如北京天地公司已能夠制造和銷售各種CVD金剛石制品。?
    十幾年前，美國物理學(xué)家A M Lin和M L Cohen應(yīng)用分子工程理論，設(shè)計出新型超硬無機(jī)化合物氮化碳（CxNy）。我國武漢大學(xué)王仁卉教授也對7種結(jié)構(gòu)的C3N4粉末衍射譜進(jìn)行過計算；武漢大學(xué)吳大維教授等用dc反應(yīng)磁控濺射法在不同刀具上沉積C3N4薄膜，取得了較大的進(jìn)展。?
    2.超硬刀具材料的種類?
    超硬刀具材料(尤其是金剛石)的種類較多。?
    立方氮化硼包括：CBN單晶粉，可用于制作磨料、磨具；PCBN聚晶片及聚晶復(fù)合片，可用于制作切削刀具及其他工具。?
    金剛石分為天然金剛石（ND）與人造金剛石。人造金剛石包括：PCD單晶粉，用于制作磨料、磨具；PCD單晶粒，可做刀具，并可作為光學(xué)、電子高科技原材料；PCD聚晶片及聚晶復(fù)合片，用于制作切削工具及其他工具。此外，還有人造CVD金剛石厚膜與薄膜，可用于刀具、工具制造和光學(xué)、電子方面的應(yīng)用。?
    在刀具或其他工具上可以通過涂制CxNy薄膜（厚3～5μm），成為涂層刀具（工具）。
    3.超硬刀具材料的制造方法?
    人造超硬刀具材料的制造方法有很多種，這里主要介紹熱壓法和氣相沉積法。?
    (1)熱壓法?
    用熱壓法制造金剛石和立方氮化硼所用的設(shè)備為六面頂或兩面頂?shù)囊簤簷C(jī)。壓制單晶超硬材料，需將原料置于葉蠟石的腔體中。壓制PCD單晶粉的原料是石墨片，石墨片與觸媒劑Ni—Mn片層疊置于腔體中；壓制PCD聚晶片的原料是PCD單晶粉，加入結(jié)合劑Ni、Si、Co等。壓制CBN單晶粉的原料為六方氮化硼（HBN）；壓制PCBN聚晶片的原料為CBN單晶粉，同時需置入觸媒劑與結(jié)合劑。故壓制單晶與聚晶制品，需先后分兩次進(jìn)行。熱壓時腔溫約為1600℃～1900℃，頂錘部壓力約為5000～6000MPa，加熱與施壓時間約為幾分鐘至十幾分鐘。對于單晶與聚晶、PCD與CBN制品，在不同的壓機(jī)上，上述數(shù)據(jù)有一定的差異。?
    (2)氣相沉積法?
    用氣相沉積法制造金剛石，有“熱絲CVD法”、“直流等離子體噴射CVD法”、“火焰燃燒法”等。?
    “熱絲CVD法”用得較多。原料為乙醇、甲烷、氫氣等，在爐內(nèi)形成金剛石的碳結(jié)構(gòu)，沉積在基體（襯底）上，形成厚膜（厚度在0.5～0.6mm以上）；將厚膜與基體分離；將膜切割成一定形狀的小塊；再將其釬焊在硬質(zhì)合金上形成復(fù)合刀片或刀具。若制造CVD薄膜金剛石刀具，則用同樣的方法在刀具（如鉆頭、立銑刀）上直接沉積金剛石薄膜即可，膜厚僅10μm左右。
    在刀具上涂覆CxNy薄膜，用dc反應(yīng)磁控濺射法進(jìn)行，實際上也是一種氣相沉積方法。
    4.超硬刀具材料的性能?
    各種超硬刀具材料的性能數(shù)據(jù)測試尚不夠全面，現(xiàn)將收集到的較為可靠的數(shù)據(jù)列入表1。
    表1.各種超硬刀具材料的性能
    性能－天然金剛石－PCD金剛石－CVD金剛石－PCBN－CxNy－對比物質(zhì)
    硬度（HV）－10000－～8000－～9000－～5000－4000～5000－硬質(zhì)合金：1100～1800
    熱導(dǎo)率（W·m-1K-1）－2000－/－/－1300－/－紫銅：393；硬質(zhì)合金：35～75
    楊氏模量（GPa）－1000－/－/－750－/－WC：650；TiC：330
    密度（g·cm-3）－3.52－/－/－3.48－/－/
    線膨脹系數(shù)（×10-6K-1）－1－/－/－2.1～2.3－/－硬質(zhì)合金:5～7
    斷裂韌性（MPa·m0.5）－3.4－/－/－3.2～3.5－/－陶瓷:7～9
    其他性能－在空氣中約660℃開始石墨化；鐵元素能催進(jìn)石墨化，在酸、堿中都不受浸蝕－/－/－在空氣中到1300℃都不分解，與鐵族元素呈惰性，在酸中不受浸蝕－在空氣中高溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與刀具間附著力良好－/
    由表1可見，金剛石的硬度最高，PCBN和CxNy次之，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他刀具材料；超硬刀具材料的導(dǎo)熱性好，楊氏模量高，密度、線膨脹系數(shù)和斷裂韌性都較小。但金剛石的化學(xué)性能不如PCBN和CxNy穩(wěn)定。
    6.超硬刀具材料的應(yīng)用范圍?
    立方氮化硼具有高硬度、高熱穩(wěn)定性，對鐵族元素呈惰性，故最適合切削下列工件材料：各種淬硬鋼，包括碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、軸承鋼、模具鋼等；各種冷硬鑄鐵和耐磨鑄鐵；各種鐵基、鎳基、鈷基和其他熱噴涂（焊）零件。
    金剛石具有更高的硬度及其他優(yōu)異性能。用它制作的刀具，應(yīng)用范圍很廣泛，可以加工各種難加工材料和非難加工材料。因為金剛石刀具(尤其是天然金剛石刀具)的切削刃可以磨得十分鋒利，切削刃鈍圓半徑能達(dá)納米級，因此特別適用于對有色金屬(主要是銅、鋁及其合金)進(jìn)行超精密切削加工。金剛石刀具能切削純鎢、工程陶瓷、硬質(zhì)合金、工業(yè)玻璃、石墨與各種塑料以及各種復(fù)合材料(包括金屬基與非金屬基纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料)。金剛石還可用于制作牙科、骨科所用醫(yī)療器械工具，以及用于木材、石材加工的刀具和工具。金剛石和立方氮化硼單晶粉大量用于制作磨料、磨具、磨膏、砂布、砂紙等。金剛石還大量用于制作拉絲模、砂輪修正器和石油、地礦部門的鉆探鉆頭，還可用于制作各種耐磨件。?
    大部分能用金剛石刀具切削的難加工材料(如硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃、復(fù)合材料等)，用立方氮化硼刀具也能加工，但一般立方氮化硼刀具的使用壽命低于金剛石刀具。?
    氮化碳涂層厚度很小，尚不能制成復(fù)合片或厚膜涂層，因此其應(yīng)用范圍受到很大限制；但C3N4涂層高速鋼麻花鉆有著良好的切削性能。?
    7.超硬刀具材料的切削試驗示例?
    作者曾用各種超硬刀具車削各種工件材料，進(jìn)行了大量切削試驗，借以對比各種刀具材料的切削性能，并探討超硬刀具材料的切削機(jī)理。本文中僅列入了少量的試驗曲線與數(shù)據(jù)，作為例證。?
    (1)車削淬硬鋼T10A（60-63HRC）?
    刀具材料：PCD，PCBN；?
    切削用量：ap＝0.1mm，f＝0.05mm/r，v＝84m/min；?
    刀具幾何參數(shù)：γo＝0°,αo＝8°；?
    PCBN：κr=45°，λ5=0°，rε＝0.5mm，br＝0.2mm，γo1＝-20°；?
    PCD：rε＝4mm，λ5＝0°，br1＝0.2mm，rε＝-20°；?
    干切。?
    由PCBN與PCD刀具的磨損曲線可見，PCBN刀具加工淬硬鋼效果很好，在較高的切削速度下有較長的刀具壽命。PCD刀具則因前述的化學(xué)作用而迅速磨損。作者還曾用硬質(zhì)合金YS8和Si3N4基復(fù)合陶瓷刀具車削過上述淬硬鋼，用44m/min的切削速度，其刀具壽命尚不及PCBN刀具的一半。
    (2)車削纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料GFRP?
    刀具：CVD厚膜與薄膜的金剛石，PCBN，Si3N4基復(fù)合陶瓷HDM3，硬質(zhì)合金YS8；?
    切削用量：ap＝0.3mm，f＝0.1mm/r，v＝80m/min；?
    刀具幾何參數(shù)：略；?
    干切。?
    由刀具磨損曲線可見，CVD金剛石刀具壽命最長，PCBN刀具次之。因?qū)�GFRP的加工有一定難度，故硬質(zhì)合金和陶瓷刀具雖能使用，但磨損較快。
    作者曾用CxNy薄膜車刀加工過GFRP，效果也很好，其壽命接近PCBN刀具。?
    (3)車削SiC顆粒增強(qiáng)的No.3復(fù)合材料?
    SiC顆粒：粒度28μm，wt20%；?
    基體材料：ZL109；?
    刀具：PCBN，CVD厚膜金剛石，硬質(zhì)合金YG6；?
    切削用量：ap＝0.3mm，f＝0.1mm/r，v＝70m/min；?
    刀具幾何參數(shù)：略；?
    干切。?
    由刀具磨損曲線可見，CVD厚膜金剛石刀具的壽命遙遙領(lǐng)先，PCBN也很好，而YG6不堪使用。因SiC顆粒有沖擊作用，故CVD薄膜金剛石和CxNy薄膜涂層刀具的加工效果都不好。
    (4)鉆削高強(qiáng)度鋼38CrNi3MoVA（HRC36～40）?
    麻花鉆：高速鋼W6Mo5Cr4V2、未涂層標(biāo)準(zhǔn)鉆頭與C3N4涂層鉆頭,6mm；
    切削用量：f＝0.13mm/r，v＝10m/min；?
    干切。?
    由鉆頭磨損曲線可見，高速鋼麻花鉆經(jīng)C3N4涂層后，刀具壽命提高8～9倍，效果顯著。作者還曾用C3N4涂層硬質(zhì)合金刀片車削過淬硬鋼和調(diào)質(zhì)鋼，雖有一定效果，但尚不夠理想。
    8.結(jié)語?
    半個世紀(jì)以來，PCD和PCBN超硬刀具材料迅猛發(fā)展，但其制造工藝和刃磨、研磨技術(shù)尚有不足，人們對它們性能的認(rèn)識和使用經(jīng)驗也嫌不夠，今后應(yīng)加強(qiáng)研究，使之能夠發(fā)揮更大的作用。近年，CVD金剛石厚膜、薄膜和CxNy涂層材料得到開發(fā)，但技術(shù)尚不夠成熟。通過深入研究，不斷改進(jìn)性能，上述超硬刀具材料必將有更為廣闊的應(yīng)用前景。