随着科技的不断发展,对一些更坚固、更轻、更耐磨材料的需求也在不断增加,在现代工业尤其是汽车工业及航空航天工业中,复合材料及耐磨有色金属材料被大量使用,而采用普通刀具加工这类材料却难以胜任,如高硅铝合金,纤维增强塑料,金属基复合材料及强化木地板等。因此,超硬材料切削刀具的应用随之越来越多。但作为切削刀具材料,目前常用的主要有工具钢(碳素工具钢、合金工具钢),高速钢,硬质合金,陶瓷等。
超硬材料主要是指金刚石、立方氮化硼等,超硬材料刀具目前主要有单晶金刚石刀具（MC）,高温高压合成的聚晶金刚石(PCD)刀具,化学气相沉积(CVD)的金刚石刀具,高温高压合成的聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具等,像PCBN与PCD相关知识笔者已经详细介绍过了，大家可以查看往期作品详细了解，下面笔者仅对超硬刀具的特性及应用做补充讲解。
MCD单晶金刚石刀具单晶金刚石是迄今为止所发现的最硬、热传导率最好的材料。单晶金刚石材料质地致密,经过精细研磨,切削刃口质量极好,刃口半径可达0.01~0.μm,再加上它与被加工材料间的摩擦系数小,与非铁金属无亲和力,切削易排出,切削的工件表面呈连续状。但由于单晶金刚石具有解理面,在受冲击时会出现脆性,易被破坏,并且单晶金刚石用于制作切削刀具必须是大颗粒(重量大于0.1g,长度大于3mm),且其价格昂贵,因此,对其设计制造要求较高,特别是定向、固接、研磨等。单晶金刚石切削刀具主要用于表面光洁度、几何形状和尺寸精度有极高要求的超精密加工(尺寸精度0.1μm~1.0μm、表面粗糙度≤0.01μm)的应用领域,如陀螺仪、反射镜、多面镜、磁盘以及其他刀具暂不能解决的其它领域。
聚晶金刚石PCD刀具PCD是由金刚石微粉与其相关结合剂在高温高压下烧结而成的,PCD与单晶金刚石相比,其硬度低于单晶金刚石,但由于金刚石晶粒是无序排列,比单晶金刚石具有良好的韧性、且各向同性。PCD与硬质合金相比,耐磨性为硬质合金的多倍,硬度为硬质合金的2~4倍,而其寿命则为硬质合金的几十至数百倍。
PCD的特性,在很大程度上受金刚石微粉的粒度和含量的影响。PCD的耐磨性和抗弯强度多与金刚石烧结体中金刚石微粉的平均粒径有着密切关系。粒度越粗,PCD的耐磨性越好,但抗弯强度低,易崩刃,很难制作高精度的切削刃;粒度越细,PCD的刃口越锋利,抗弯强度好,但耐磨性下降了。并且由于金刚石与含铁、钴或镍的金属在正常加工温度下,易发生化学反应,所以一般不宜用金刚石刀具加工铁系金属,钴基、镍基合金,主要用于加工有色金属及非金属。PCD在许多制造工业领域,尤其是汽车和木材加工工业,成为传统的硬质合金刀具的高性能替代产品。
PCBN刀具CBN是自然界中不存在的物质,是由六方氮化硼转化而成,CBN也有单晶和多晶之分,单晶CBN的硬度仅次于金刚石,因难以制成大颗粒的单晶,目前主要用于制造磨具。聚晶CBN(PCBN)的制造方法及特点大致同PCD。其硬度高(努氏硬度30~40GPa)、耐磨性好、且各向同性,主要用于制作切削刀具。
与金刚石相比,CBN的突出优点是热稳定性比金刚石高得多,可达℃~℃(金刚石仅℃~℃),且在℃的高温下,硬度也高于常温下的硬质合金和陶瓷材料,因此PCBN刀具可成倍提高切削速度,进行高速切削和干式切削,成倍提高加工效率,降低加工成本。
CBN的另一突出优点是化学稳定性好,与铁族金属在℃~℃下也不起化学反应,与金刚石刀具形成互补,用于加工黑色金属,进行硬态切削,实现以车代磨,缩短加工周期。
PCBN材料的性能主要与CBN的含量、粒度及结合剂的种类有关。按其组织大致可分为两类:一类是Cο等作粘结相,高CBN含量、高硬度、高热传导率的PCBN,主要用于粗加工,切削高硬度合金钢、耐磨铸铁、硬质合金等较优。另一类是以陶瓷作粘结相,低CBN含量、细粒度、耐高温的PCBN,主要用于精加工,切削材料以淬火钢、模具钢、轴承钢等为主。
CVD金刚石刀具CVD金刚石是采用化学气相沉积的方法制备的一种全晶质多晶纯金刚石材料。CVD金刚石膜由于是纯金刚石材料,几乎不含杂质,晶体完整性好,其硬度、热稳定性、热导率等高于高温高压合成的聚晶金刚石,接近单晶金刚石。但由于CVD金刚石多为多晶体结构,所以CVD金刚石的性能介于PCD和单晶金刚石之间。
CVD金刚石用于制作切削刀具,目前大致可分成二种:一是它呈膜状附着于基体表面,厚度在0.03mm以内,称为CVD金刚石薄膜,例如可以沉积到如铁、立铣刀、可转位机夹刀等刀具上,但由于受结合强度、切削刃口易圆弧化等因素的制约,目前仍多为研发,没有得到广泛的应用。
另一种是它可以脱离基体,沉积厚度达1mm左右的CVD金刚石厚膜,经机械处理、高温钎焊到刀体上制成切削刀具,多称CVD金刚石厚膜刀具。由于CVD金刚石厚膜属多晶纯金刚石,因此其性能介于PCD和单晶金刚石之间,既有单晶金刚石的高硬度、高热导率、不导电、低摩擦系数、易排屑、不易产生切削瘤,同时也具有PCD的各向同性,易生产制造等。但CVD金刚石刀具的锋利性不如单晶金刚石刀具,抗冲击韧性不如PCD刀具。
本次关于几款超硬刀具的介绍就到这里了，点个
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