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      超硬刀具材料的有關(guān)情況分析

      發(fā)布時(shí)間:2024-09-22
      超硬刀具材料的性能
      金剛石硬度和耐磨性*,其顯微硬度可達(dá)10000hv,是刀具材料中zui硬的材料。金剛石的摩擦系數(shù)小,與非鐵金屬無親和力,切屑易流出,熱導(dǎo)率高,切削時(shí)不易產(chǎn)生積屑瘤,加工表面質(zhì)量好。能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料,如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、未燒結(jié)的硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強(qiáng)的復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨的木材(尤其是實(shí)心木和膠合板等復(fù)合材料)。

      金剛石的缺點(diǎn)是韌性差,熱穩(wěn)定性低。700℃~800℃時(shí)易碳化,故不適合加工鋼鐵材料。因?yàn)樵诟邷叵?,鐵原子易與碳原子作用而使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)。此外,用它來加工鎳基合金,刀具會(huì)迅速磨損。

      立方氮化硼(cbn)的硬度僅次于金剛石,硬度可達(dá)8000hv~9000hv,并且熱穩(wěn)定性高(達(dá)1250℃~1350℃),對(duì)鐵族元素化學(xué)惰性大,抗粘結(jié)能力強(qiáng),而且用金剛石砂輪即可磨削開刃,所以適合于加工各種淬硬鋼、熱噴涂材料、冷硬鑄鐵和硬度為35hrc以上的鈷基和鎳基難加工材料。
      超硬刀具材料發(fā)展現(xiàn)狀
      由于天然金剛石價(jià)格昂貴,所以在生產(chǎn)中多數(shù)采用人造聚晶金剛石(pcd)、聚晶立方氮化硼(pcbn)以及它們的復(fù)合材料。

      美國在五十年代就利用人造金剛石微粉和人造立方氮化硼(cbn)微粉在高溫高壓、觸媒和結(jié)合劑的作用下燒結(jié)成尺寸較大的聚晶塊作為刀具材料。而后,南非debeers公司、前蘇聯(lián)和日本也相繼研制成功。七十年代初,又推出了金剛石或cbn和硬質(zhì)合金的復(fù)合片,它們是在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)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(qiáng)度低、釬焊困難等問題,使超硬刀具的應(yīng)用進(jìn)入實(shí)用階段。目前,又出現(xiàn)了人工合成大單晶金剛石(scd),以及用cvd法制出的金剛石薄膜涂層和金剛石厚膜等功能性材料,極大地拓寬了超硬刀具材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
      我國超硬刀具材料的研究與應(yīng)用始于七十年代,從1970~1990年,超硬材料年產(chǎn)量從46萬克拉增至3500萬克拉。九十年代前后,很多超硬材料專業(yè)生產(chǎn)廠家從國外引進(jìn)了成套的超硬材料合成設(shè)備及技術(shù)生產(chǎn)人造金剛石,使其產(chǎn)量猛增。據(jù)統(tǒng)計(jì),1997年,我國人造金剛石的年產(chǎn)量達(dá)5億克拉,立方氮化硼的年產(chǎn)量為800萬克拉。1999年,人造金剛石年產(chǎn)量達(dá)7.5億克拉,至2000年猛增至12億克拉,成為世界超硬材料生產(chǎn)大國。

      超硬刀具材料發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景
      目前,單晶的人造超硬刀具材料正向粗顆粒、高強(qiáng)度、多功能方向發(fā)展。美國ge公司現(xiàn)可生產(chǎn)6克拉重的人造金剛石(約10mm),zui大顆粒重量1114克拉。聚晶金剛石(pcd)則向大直徑、細(xì)顆粒、抗沖擊力強(qiáng)、高熱穩(wěn)定性方向發(fā)展。目前生產(chǎn)的zui大直徑已達(dá)74mm,可用激光切割成所需的任何形狀。pcd顆粒的商品尺寸為2~25μm;顆粒越細(xì),切削刃的質(zhì)量越好;顆粒越大,刀具使用壽命越長。debeers公司生產(chǎn)的pcbn產(chǎn)品,zui大直徑為101.6mm,可加工硬度為70hrc的高硬度材料。美國研制出一種在pcd和pcbn刀片外表面上用cvd法沉積一層鎳、銅、鈦、鈷、鉻、鉭的混合物,以及tin或tic的防護(hù)涂層,其耐磨性比普通pcd和pcbn刀片高4倍。
      cvd金剛石薄膜和厚膜是近年來新研制開發(fā)的功能性材料,至今尚未形成生產(chǎn)規(guī)模。但因其性能優(yōu)良,所以有廣泛的用途。

      天然和人工合成的單晶金剛石以及pcd和ted之間存在著相互交叉的應(yīng)用領(lǐng)域,它們在一定程度上能相互補(bǔ)充,應(yīng)根據(jù)不同的具體情況,特別是性能價(jià)格比加以選用。預(yù)計(jì)在新世紀(jì),超硬刀具材料cbn和金剛石將得到更多的應(yīng)用,雖將可能開發(fā)出性能更為優(yōu)異的新的超硬刀具材料。據(jù)報(bào)道,lellond公司開發(fā)了一種由陶瓷+cbn的超硬復(fù)合材料,具有陶瓷和cbn兩種材料的優(yōu)點(diǎn),是高速加工高硬耐磨鑄鐵的理想材料;又開發(fā)了用石墨原料合成的金剛石聚晶體;目前開發(fā)的c12、c13和c60金剛石材料的硬度更高。幾年前,武漢大學(xué)研制出一種c3n4/tin薄膜,將其涂覆在高速鋼鉆頭上,可使鉆頭壽命大大提高。
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