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鄭州華晶金剛石股份有限公司

超硬工具的時代來了

關鍵詞 超硬工具|2010-03-08 00:00:00|來源 中國超硬材料網
摘要 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。金剛石由于性能優越,應用不斷地在擴大,已從金...

  目前,在世界上已知的材料中,金剛石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。金剛石由于性能優越,應用不斷地在擴大,已從金屬加工發展到了光學玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等傳統加工難進行的領域,對各種工業的發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合片(PCD)刀具及立方氮化硼復合片(PCBN)刀具占主導地位。許多切削加工概念,如綠色加工、以車代磨、以銑代磨、硬態加工、高速切削、干式切削等都因超硬刀具的應用而起,故超硬刀具已成為切削加工中不可缺少的重要手段。隨著科技的進步,制造業的高速發展,CNC加工技術的迅猛發展以及數控機床的普遍使用,超硬刀具的生產及應用也越來越廣泛。PCD和PCBN刀具已廣泛應用于機械加工的各個行業,如汽車零部件的切削加工,強化木地板的加工等,極大地促進了切削加工及先進制造技術的飛速發展
  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,金剛石的導熱性優越,散熱快,但是要注意切削熱不宜高于700度,否則會發生石墨化現象,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等會發生反應,與黑色金屬(鐵碳合金)在加工中會發生化學磨損,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,起到了互補的作用、可以覆蓋當前與今后發展的各種新型材料的加工,對整個切削加工領域極為有利。
  1.PCD
  金剛石燒結體(PCD)的出現,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,且刃磨遠比天然金剛石方便,所以其應用、推廣特別迅速。在大量涌現的新材料中,大部分都是難加工材料,如高硅鋁合金,汽車發動機的活塞大量采用這種材料。一般,含硅量低于10%的鋁合金,用硬質合金切削工具即可,但含硅量超過10%,就只能借助PCD。當前采用的高硅鋁合金含硅量均在12%以上,有的已達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,在應用中也必須根據被加工材料的種類。硬度等特性來考慮合理的各種參數。PCD在國內外的生產已十分普及,但是質量有較大的差異,因此在價格上出入很大。
  2.PCBN
  立方氮化硼燒結體(PCBN)是CBN顆粒與結合劑一起燒結而成,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:
 ?。?)具有較高的硬度和耐磨性。
  CBN晶體結構與金剛石相似,化學鍵類型相同,晶格常數相近,因此具有與金剛石相近的硬度和強度。CBN微粉的顯微影度為HV8000-9000,其燒結體PCBN的硬度為HV3000-5000。
 ?。?)具有很高的熱穩定性。
  CBN的耐熱性可達1400-1500℃,PCBN在800℃時的硬度還高于陶瓷和硬質合金的常溫硬度。
 ?。?)具有優良的化學穩定性。
  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定,甚至在1300℃時,和Fe、Ni、Co等也幾乎沒有反應,更不會像金剛石那樣急劇磨損,這時它仍能保持硬質合金的硬度,因此,它不僅能切削淬火過的鋼零件或冷硬鑄鐵,而且能被廣泛應用于高速或超高速的切削工作上。
 ?。?)具有較好的導熱性。
  在各類刀具材料中,CBN的導熱性僅次于金剛石,大大高于硬質合金,而且隨著溫度的升高,PCBN的導熱系數是增加的。
 ?。?)具有較好的摩擦系數。
  與不同材料間的摩擦系數CBN為0.1-0.3,硬質合金為0.4-0.6,隨著切削速度的提高,摩擦系數是減小的。
 

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