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超硬刀具(科普)

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超硬刀具是現代工程材料的加工在硬度方面提出的更高要求而應運而生,20世紀的后40年中有了較大的發展。超硬材料的化學成分及其形成硬度的規律與其他刀具材料不同,立方氮化硼是非金屬的硼化物,晶體結構為面心立方體;而金剛石由碳元素轉化而成,其晶體結構與立方氮化硼相似。它們的硬度大大高于其他物質。

超硬刀具

現代刀具材料高速鋼、硬質合金、陶瓷的主要硬質成分是碳化物、氮化物、氧化物。例如,高速鋼是加入了合金成份(W、Mo等)的碳化鐵;硬質合金主要是碳化物、氮化物和碳氮化物:陶瓷則是氧化物和氮化物。這些化合物的硬度最高達3000HV,加上粘結物質其總體硬度在2000HV以下。對于現代工程材料的加工,在某些情況下,上述刀具材料的硬度已不敷使用,于是超硬刀具材料便應運而生,20世紀的后40年中有了較大的發展。超硬材料的化學成分及其形成硬度的規律與其他刀具材料不同,立方氮化硼是非金屬的硼化物,晶體結構為面心立方體;而金剛石由碳元素轉化而成,其晶體結構與立方氮化硼相似。它們的硬度大大高于其他物質。 在幾千年前,人類就已經發現和使用天然金剛石;而人造金剛石的制造和應用則是上一個世紀中的事。氮化硼都是人造的。在20世紀后期,人造金剛石和立方氮化硼兩種超硬材料得到了飛躍的發展。

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年美國正式宣告此種金剛石研制成功,1957年開始工業生產。瑞典于1953年宣告成功,1962年開始工業生產。到1969年,全世界人造金剛石產量為4000萬克拉(carat);當時天然金剛石年產量為4400萬克拉。1963年中國宣告PCD制造成功。1996年,中國人造金剛石產量達2.4億克拉,出口6~8.5千萬克拉。90年代末,中國年產量達5億克拉,居全世界首位。最大的外國公司年產人造金剛石近年也達1億克拉以上。

1957年,美國GE公司壓出CBN(立方氮化硼)單晶粉,70年代初,制成聚晶的PCBN刀具。1972年,蘇聯亦制成PCBN刀具。1966年,中國研制成功單晶CBN。稍后,制成PCBN。

近年,又以化學氣相沉積(CVD)法制成人造金剛石。

超硬刀具材料的種類

超硬刀具材料,尤其是金剛石,其種類較多。

立方氮化硼有CBN單品粉,用于制作磨具;還有PCBN聚晶片及PCBN聚晶復合片,用于制作刀具及其他工具。立方氮化硼是人造的。

金剛石分天然金剛石(ND)與人造金剛石。人造金剛石有PCD單晶粉,用于制作磨具;PCD單晶粒,可做刀具;PCD聚晶片及聚晶復合片,用于制作刀具及其他工具;CVD金剛石薄膜及厚膜,可用于制作刀具、工具,并可作為光學、電子高科技原材料。

超硬刀具材料的制造方法

人造超硬刀具材料的制造方法很多,這里主要介紹熱壓法和氣相沉積法。

熱壓法制造金剛石和立方氮化硼所用的設備是六面頂或兩面頂的液壓機。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,加入結合劑Ni、Si、Co等;壓制CBN單晶粉的原料為六方氮化硼(HBN)粉;壓制PCBN聚晶片的原料為CBN單晶粉,同時需分別置人觸媒劑與結合劑。

加壓過程中的壓力與升壓、終壓有所不同,葉蠟石腔體中的壓力與頂錘部的壓力也不一樣。溫度是腔溫。時間是加熱時間、保溫時間與降溫時間等過程的總和,對于各種壓機,這些參數將有所不同,本文給出的數據只是一個大概的數字。 類似熱壓法制造PCD,還有“爆炸法”,在容器中利用炸藥爆炸產生高溫高壓,而使石墨轉化為金剛石。爆炸法的工藝和產品質量均不易控制,故很少正式使用。

CVD法是一種氣相沉積法。屬于這種工作原理在非金剛石基底上沉積金剛石的方法很多,如“熱絲法CVD法”、“電子增強CVD法”、“微波PCVD法”、“射頻PCVD法”、“直流PCVD法”、“直流電弧PCVD法”、“直流等離子體噴射CVD法”、“電子回旋共振PCVD法”、“火焰燃燒法”、“準分子激光CVD法”等?!盁峤zCVD法”最為常用。

原料為乙醇(酒精)、氫氣和甲烷,熱絲為Ta絲或W絲。加熱到2000~2500℃高溫的熱絲及在熱絲和基體間施加電壓而形成的等離子體,使氫分子與含碳氣體分子離解,形成原子態氫和能夠形成SP3鍵的碳氫基團。該基團在有原子氫的作用下在適當溫度的基體表面經歷吸附的化學過程,去氫而形成金剛石的碳結構??刂茻峤z的溫度及施加電壓和電流密度,特別是氣體的組成、生長容器的壓力和基體溫度,即能有效地控制膜生長的速率和成膜質量。

在基體(襯底)上成厚膜后,需使膜與基體分離,并切割成一定形狀的小塊,再將小塊釬焊在硬質合金上形成復合刀片或刀具。

若制造CVD薄膜金剛石刀具,則在刀具直接沉積金剛石薄膜即可,膜厚僅為10μm左右。而厚膜的厚度能達0.5~0.6mm以上。

超硬刀具材料的性能

超硬材料具有優異的機械性能、物理性能和其他性能,其中有些性能很適合于刀具。

具有很高的硬度

天然金剛石的硬度達10000HV;CBN的硬度達7500HV。與其他硬物質相比,SiC硬度為3000~3500HV,A12O3為2700HV,TiC為2900~3200HV,WC為2000HV,Si3N4為2700~3200HV;作為刀具材料用的硬質合金,其硬度僅為1100~1800HV。

具有很好的導熱性

人然金剛石的熱導率達2000W?m-1?K-1,CBN的熱導率達1300W?m-1?K-1。紫銅的導熱性很好,其熱導率僅為393W?m-1?K-1;純鋁為226W?m-1?K-1,故金剛石與CBN的熱導率分別是紫銅的5倍和3.5倍,是純鋁的8倍和5倍。硬質合金的熱導率僅為35~75W?m-1?K-1。

具有很高的楊氏模量

天然金剛石的楊氏模量達1000GPa,CBN的楊氏模量在720GPa。而SiC、Al2O3、WC、TiC的楊氏模量僅分別為390、350、650、330GPa。物質的楊氏模量大就是剛性好。

具有很小的熱膨脹

天然金剛石的線膨脹系數為1×10-6/K,CBN的線膨脹系數為(2.1~2.3)×10-6/K。而硬質合金的線膨脹系數為(5~7)×10-6/K。

具有較小的密度

天然金剛石的密度為3.52g/cm3,CBN的密度為3.48g/cm3。與Al2O3、Si3N4的密度接近。

具有較低的斷裂韌性

天然金剛石的斷裂韌性為3.4MPa?m0.5,CBN與之接近。陶瓷刀具材料的斷裂韌性在各種刀具材料中是屬于較低者,然尚能達7~9MPa?m0.5。故金剛石與CBN性脆,是其弱點。

化學性質

CBN熱穩定性好,在大氣中達1300~1500℃不分解。對鐵族元素呈惰性;在酸中不受滲蝕,在堿中約300℃時即受浸蝕;與過熱的水蒸汽也能起作用。金剛石在常溫下化學性質穩定;在氧氣中約660℃開始石墨化,鐵族元素特別是鐵元素能催進石墨化;在酸、堿中都不受浸蝕。

電學性質

純凈的不含雜質的金剛石是絕緣體,室溫下電阻率在1016Ω?cm以上。只有摻人了其他元素后,才顯出半導體特性。同Si、Ce、As等半導體材料相比,金剛石具有非常寬的禁帶,小的介電常數,高的載電子遷移率,大的電擊穿強度,說明金剛石是一種性能優良的寬禁帶高溫(>500℃)半導體材料。天然金剛石無磁性;人造金剛石中若含有Ni、Co、Fe等觸媒雜質,則具有磁性,雜質越多,磁性越強。

光學性質

金剛石具有很高的折射率和強的散光性,還具有優良的透光性能,能透過很寬的波段。某些金剛石在紫外區、可見區直至遠紅外區的大部波段(O.22~2.5μm)都是透明的。

以上超硬材料所具備的優異或特異的性能和性質,決定了它們有著廣闊用途。

與天然金剛石(ND)相比,人造聚晶金剛石(PCD)的硬度、楊氏模量和熱導率稍低,斷裂韌性、熱膨脹率稍高。人造CVD金剛石的各種性能則介于ND與PCD之間,更接近于天然金剛石。例如,天然金剛石的硬度達10000HV,PCD約為8000HV,CVD金剛石可達9000HV。

超硬刀具材料的應用范圍

立方氮化硼具有高硬度、高熱穩定性,對鐵族元素呈惰性,故最適合制作切削下列材料的刀具:

切削各種淬硬鋼,包括碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、軸承鋼、模具鋼等;

切削各種鐵基、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異性能用,它所制作的刀具,應用范圍更為廣泛,可以加工各種難加工材料、非難加工材料;

對有色金屬,主要對銅、鋁及其合金,進行超精密切削加工;因為金剛石刀具,尤其是天然金剛石刀具,其切削刃可以磨得十分鋒利,可以研磨出納米級的鈍圓半徑;

切削純鎢、純鉬;

切削工程陶瓷、硬質合金、工業玻璃;

切削石墨、各種塑料;

切削各種復合材料,包括金屬基與非金屬基的、纖維加強和顆粒加強的;

用于牙科、骨科所用的各種醫療器械工具;

用于各種木材加工刀具和石材加工工具;

……

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。

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。還用于各種耐磨件。

大部分能用金剛石刀具切削的難加工材料,如硬質合金、陶瓷、玻璃、復合材料等,立方氮化硼刀具也能勝任,但一般立方氮化硼刀具的使用壽命低于金剛石刀具。而金剛石刀具不能加工鐵基材料。

超硬刀具材料是指比陶瓷材料更硬的刀具材料。

主要分兩類五種:

1.金剛石類

包括:天然和人工合成單晶金剛石、聚晶金剛石(PCD)及其復合片(PDC)、CVD金剛石三種。

2.立方氮化硼類

包括:聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD立方氮化硼涂層。

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。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。

超硬刀具材料發展史

時間 超硬材料 公司 方法 指標 用途

1955 人造金剛石 GE 高溫高壓 磨料

1957 立方氮化硼 GE 高溫高壓 磨料

1977 PCD,PCBN GE 高溫高壓 刀具

1995 人造單晶金剛石 5MM 刀具

人造單晶CBN 刀具

類金剛石膜 刀具

金剛石薄膜 CVD 刀具

金剛石厚膜 CVD 2.3MM 刀具

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1000度的高溫下,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:

(1) 具有較高的硬度和耐磨性。

BN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。

(2) 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。

(3) 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。

(4) 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。

(5) 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。

3.超硬材料涂層切削工具

CVD、PVD等技術的出現,是切削工具領域中的一次重大的革命。它的出現立即引起了機械制造領域的巨大反響,理想的切削工具應當是既有硬的表面,又有高的韌性,涂層技術便達到了這個目標。

最早的涂層材料都是陶瓷性質的物質,如TiN、TiC、Al2O3等,近年來,涂層技術又有了很大的發展。超硬材料涂層正在得到全面應用,許多產品相繼出現在市場上。超硬材料涂層的發展,使整個現有的切削工具的性能都明顯得到了提高,面對當前大量涌現的難加工材料,這些新發展的涂層技術將有巨大的適應能力,前景相當喜人?br> 超硬材料涂層的種類共有三大類,即類金剛石、金剛石和CBN。這些涂層材料均為純金剛石或純CBN,所以硬度與沉積的材料是相同的,和PCD與PCBN相比,因不含結合劑,所以硬度、耐磨性等均有較大的提高。

金剛石涂層和CBN涂層的性能與原材料是相同的,只是薄膜而已,使用時與陶瓷涂層類同。

4.厚膜金剛石

金剛石薄膜的合成技術和應用研究在全球范圍發展極為迅速,形成了"金剛石薄膜熱"。在這十多年內,氣相合成的方法發展到二十多種,一般沉積的速度每小時只1~2um,如何加快沉積速度一直是人們研究的課題。在近期沉積速度發展到了100um/h以上,最高達到930um/h。我們稱之為厚膜金剛石。厚膜金剛石是純金剛石,其硬度接近天然金剛石,而PCD、PCDN是金剛石粉與結合劑混合在一起燒結而成,因此硬度受到結合劑的影響,其硬度不如前者。我國已成功地掌握了這門技術,最大的沉積厚度達到了2.3mm?,F在已商品化,進入了國際先進行列。

厚膜金剛石不同于PCD之處是沒有結合劑,是純金剛石,所以它的硬度高得多,與天然金剛石不同,它具有各向同性,成本低,因此在許多方面將取代PCD。用作拔絲模將是均勻磨損,因此拔絲的線材質量明顯優于天然金剛石模具。如果沉積質量進一步提高,在超精密加工中也有取代天然金剛石的可能,因此頗受超精密領域的重視。

總之,金剛石和超硬材料由于性能優越,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,前景十分廣闊。

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