隨著材料工業(yè)及精密機械工業(yè)的發(fā)展,精密切削、超精密切削和難切削材料使用的增多,超硬刀具材料的應用日益廣泛。超硬材料刀具具有工效高、使用壽命長和加工質量好等特點,過去主要用于精加工,近幾年來由于改進了人造超硬刀具材料的生產工藝,控制了原料純度和晶粒尺寸,采用了復合材料和熱壓工藝等,應用范圍不斷擴大,除適于一般的精加工和半精加工外,還可用于粗加工,被國際上公認為是當代提高生產率最有希望的刀具材料之一。利用超硬材料加工鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金等零件,其切削速度可比硬質合金高一個數(shù)量級,刀具壽命可比硬質合金高幾十、甚至幾百倍。
一、 超硬刀具材料發(fā)展概況
超硬刀具材料是指天然金剛石及硬度、性能與之相近的人造金剛石和CBN(立方氮化硼)。由于天然金剛石價格比較昂貴,所以生產上大多采用人造聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN),以及它們的復合材料。 早在50年代,美國就利用人造金剛石微粉和人造CBN微粉在高溫、高壓、觸媒和結合劑的作用下燒結成尺寸較大的聚晶塊作為刀具材料。之后,南非戴比爾(DeBeers)公司、前蘇聯(lián)和日本也相繼研制成功。70年代初又推出了金剛石或CBN和硬質合金的復合片,它們是在硬質合金基體上燒結或壓制一層0.5mm~1mm的PCD或PCBN而成,從而解決了超硬刀具材料抗彎強度低、鑲焊困難等問題,使超硬刀具的應用進入實用階段。目前,又出現(xiàn)了人工合成大單晶金剛石,以及用CVD(化學氣相沉積)法制出的金剛石薄膜涂層和金剛石厚膜等功能性材料,大大拓寬了超硬刀具材料的應用領域。
我國超硬刀具材料的研究與應用開始于70年代,并于1970年在貴陽建造了我國第一座超硬材料及制品的專業(yè)生產廠——第六砂輪廠,從1970~1990年整整20年中,超硬材料年產量僅從46萬克拉增至3500萬克拉。90年代前后不少超硬材料生產專業(yè)廠從國外引進了成套的超硬材料合成設備及技術,產量得到迅速發(fā)展,至1997年我國人造金剛石年產量就已達到5億克拉左右,CBN年產量達800萬克拉,躍居世界上超硬材料生產大國之首。 二、 超硬刀具材料性能
金剛石的缺點是韌性差,熱穩(wěn)定性低。700℃~800℃時容易碳化,故不適于加工鋼鐵材料。因為在高溫下鐵原子容易與碳原子作用而使其轉化為石墨結構。此外,用它切削鎳基合金時,同樣也會迅速磨損。 CBN的硬度僅次于金剛石(可達8000HV~9000HV),并且熱穩(wěn)定性高(達1250℃~1350℃),對鐵族元素化學惰性大,抗粘結能力強,而且用金剛石砂輪即可磨削開刃,故適于加工各種淬硬鋼、熱噴涂材料、冷硬鑄鐵和35HRC以上的鈷基和鎳基等難切削材料。
三、超硬刀具材料應用前景廣闊
超硬刀具材料是一種先進的刀具材料,在生產中有著廣闊的應用前景。人造超硬刀具材料,目前單晶的向粗顆粒、高強度、多功能方向發(fā)展。美國GE公司現(xiàn)可工業(yè)生產出6克拉重的人造金剛石(約10mm),最大顆粒達11.14克拉重。PCD則向大直徑、細粒度、高抗沖擊、高熱穩(wěn)定性方向發(fā)展。
天然和人工合成的單晶金剛石,以及PCD和TFD之間存在著相互交叉的應用領域,它們在一定程度上能相互補充,須根據(jù)不同具體情況,特別是性能價格比加以選用。預計在新世紀,超硬刀具材料CBN和金剛石將得到更多的應用,可能會發(fā)現(xiàn)制造出嶄新的刀具材料的品種,具有更優(yōu)異的性能。據(jù)富耐克公司介紹,他們開發(fā)了一種新型CBN超硬刀具,它兼有陶瓷和CBN兩種材料的優(yōu)點,是高速加工高硬耐磨鑄鐵的理想材料??梢灶A料,今后隨著各種新型難切削材料應用的增多,必將促進超硬刀具材料進一步的發(fā)展與應用。