超硬刀具材料的发展与应用

    常用刀具材料有高速钢、硬质合金和陶瓷，它们的主要硬质成分是碳化物、氮化物和氧化物。例如，高速钢是加入了合金成分（如W、Mo等）的碳化铁；硬质合金的主要成分是WC、TiC、TiCN等；陶瓷则是Al2O3和Si3N4。这些化合物的硬度最高达到3000HV，若加上粘接物质，其总体硬度则在2000HV以下。对于某些难加工材料的加工，具有上述硬度的刀具材料已不能胜任。于是超硬刀具材料便应运而生，在20世纪的后50年中得到了很大的发展。超硬材料的化学成分及其形成硬度的规律与其他刀具材料不同：立方氮化硼是非金属硼化物，晶体结构为面心立方；而金刚石则由碳元素转化而成，其晶体结构与立方氮化硼相似，它们的硬度大大高于传统刀具材料。近年来又出现了一种新型超硬刀具材料——氮化碳，其硬度亦与立方氮化硼相近。?
    1．超硬刀具材料的发展过程?
    几千年前，人类就已经发现和使用天然金刚石；而人造金刚石的制造和应用则是20世纪后半世纪的事。氮化硼是人造材料，其发展过程与人造金刚石大体同步。?
    人造金刚石以往多在高温、高压（热压法）条件下形成，称为PCD，后来又出现了其他制造方法。PCD人造金刚石的研究始于1940年，1954年美国正式宣告人造金刚石研制成功，并于1957年开始工业生产。瑞典也于1962年开始人造金刚石的工业生产。到1969年，全世界人造金刚石产量为4000万克拉(当时天然金刚石年产量为4400万克拉)。1963年中国研制成功PCD，到1996年中国人造金刚石产量已达2.4亿克拉，出口量达6～8.5千万克拉。21世纪初，中国人造金刚石最高年产量已达10亿克拉以上，居全世界首位。近年来亦有外国公司年产人造金刚石达1亿克拉以上。?
    1957年，美国GE公司压出立方氮化硼（CBN）单晶粉；70年代初制成聚晶PCBN刀具。1972年，前苏联亦制成PCBN刀具。1966年中国研制成功单晶CBN；稍后，聚晶PCBN研制成功。
    近年来，国内又采用化学气相沉积（CVD）法制成人造金刚石。如北京天地公司已能够制造和销售各种CVD金刚石制品。?
    十几年前，美国物理学家A M Lin和M L Cohen应用分子工程理论，设计出新型超硬无机化合物氮化碳（CxNy）。我国武汉大学王仁卉教授也对7种结构的C3N4粉末衍射谱进行过计算；武汉大学吴大维教授等用dc反应磁控溅射法在不同刀具上沉积C3N4薄膜，取得了较大的进展。?
    2.超硬刀具材料的种类?
    超硬刀具材料(尤其是金刚石)的种类较多。?
    立方氮化硼包括：CBN单晶粉，可用于制作磨料、磨具；PCBN聚晶片及聚晶复合片，可用于制作切削刀具及其他工具。?
    金刚石分为天然金刚石（ND）与人造金刚石。人造金刚石包括：PCD单晶粉，用于制作磨料、磨具；PCD单晶粒，可做刀具，并可作为光学、电子高科技原材料；PCD聚晶片及聚晶复合片，用于制作切削工具及其他工具。此外，还有人造CVD金刚石厚膜与薄膜，可用于刀具、工具制造和光学、电子方面的应用。?
    在刀具或其他工具上可以通过涂制CxNy薄膜（厚3～5μm），成为涂层刀具（工具）。
    3.超硬刀具材料的制造方法?
    人造超硬刀具材料的制造方法有很多种，这里主要介绍热压法和气相沉积法。?
    (1)热压法?
    用热压法制造金刚石和立方氮化硼所用的设备为六面顶或两面顶的液压机。压制单晶超硬材料，需将原料置于叶蜡石的腔体中。压制PCD单晶粉的原料是石墨片，石墨片与触媒剂Ni—Mn片层叠置于腔体中；压制PCD聚晶片的原料是PCD单晶粉，加入结合剂Ni、Si、Co等。压制CBN单晶粉的原料为六方氮化硼（HBN）；压制PCBN聚晶片的原料为CBN单晶粉，同时需置入触媒剂与结合剂。故压制单晶与聚晶制品，需先后分两次进行。热压时腔温约为1600℃～1900℃，顶锤部压力约为5000～6000MPa，加热与施压时间约为几分钟至十几分钟。对于单晶与聚晶、PCD与CBN制品，在不同的压机上，上述数据有一定的差异。?
    (2)气相沉积法?
    用气相沉积法制造金刚石，有“热丝CVD法”、“直流等离子体喷射CVD法”、“火焰燃烧法”等。?
    “热丝CVD法”用得较多。原料为乙醇、甲烷、氢气等，在炉内形成金刚石的碳结构，沉积在基体（衬底）上，形成厚膜（厚度在0.5～0.6mm以上）；将厚膜与基体分离；将膜切割成一定形状的小块；再将其钎焊在硬质合金上形成复合刀片或刀具。若制造CVD薄膜金刚石刀具，则用同样的方法在刀具（如钻头、立铣刀）上直接沉积金刚石薄膜即可，膜厚仅10μm左右。
    在刀具上涂覆CxNy薄膜，用dc反应磁控溅射法进行，实际上也是一种气相沉积方法。
    4.超硬刀具材料的性能?
    各种超硬刀具材料的性能数据测试尚不够全面，现将收集到的较为可靠的数据列入表1。
    表1.各种超硬刀具材料的性能
    性能－天然金刚石－PCD金刚石－CVD金刚石－PCBN－CxNy－对比物质
    硬度（HV）－10000－～8000－～9000－～5000－4000～5000－硬质合金：1100～1800
    热导率（W·m-1K-1）－2000－/－/－1300－/－紫铜：393；硬质合金：35～75
    杨氏模量（GPa）－1000－/－/－750－/－WC：650；TiC：330
    密度（g·cm-3）－3.52－/－/－3.48－/－/
    线膨胀系数（×10-6K-1）－1－/－/－2.1～2.3－/－硬质合金:5～7
    断裂韧性（MPa·m0.5）－3.4－/－/－3.2～3.5－/－陶瓷:7～9
    其他性能－在空气中约660℃开始石墨化；铁元素能催进石墨化，在酸、碱中都不受浸蚀－/－/－在空气中到1300℃都不分解，与铁族元素呈惰性，在酸中不受浸蚀－在空气中高温下化学性质稳定，与刀具间附着力良好－/
    由表1可见，金刚石的硬度最高，PCBN和CxNy次之，均远远高于其他刀具材料；超硬刀具材料的导热性好，杨氏模量高，密度、线膨胀系数和断裂韧性都较小。但金刚石的化学性能不如PCBN和CxNy稳定。
    6.超硬刀具材料的应用范围?
    立方氮化硼具有高硬度、高热稳定性，对铁族元素呈惰性，故最适合切削下列工件材料：各种淬硬钢，包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等；各种冷硬铸铁和耐磨铸铁；各种铁基、镍基、钴基和其他热喷涂（焊）零件。
    金刚石具有更高的硬度及其他优异性能。用它制作的刀具，应用范围很广泛，可以加工各种难加工材料和非难加工材料。因为金刚石刀具(尤其是天然金刚石刀具)的切削刃可以磨得十分锋利，切削刃钝圆半径能达纳米级，因此特别适用于对有色金属(主要是铜、铝及其合金)进行超精密切削加工。金刚石刀具能切削纯钨、工程陶瓷、硬质合金、工业玻璃、石墨与各种塑料以及各种复合材料(包括金属基与非金属基纤维增强和颗粒增强的复合材料)。金刚石还可用于制作牙科、骨科所用医疗器械工具，以及用于木材、石材加工的刀具和工具。金刚石和立方氮化硼单晶粉大量用于制作磨料、磨具、磨膏、砂布、砂纸等。金刚石还大量用于制作拉丝模、砂轮修正器和石油、地矿部门的钻探钻头，还可用于制作各种耐磨件。?
    大部分能用金刚石刀具切削的难加工材料(如硬质合金、陶瓷、玻璃、复合材料等)，用立方氮化硼刀具也能加工，但一般立方氮化硼刀具的使用寿命低于金刚石刀具。?
    氮化碳涂层厚度很小，尚不能制成复合片或厚膜涂层，因此其应用范围受到很大限制；但C3N4涂层高速钢麻花钻有着良好的切削性能。?
    7.超硬刀具材料的切削试验示例?
    作者曾用各种超硬刀具车削各种工件材料，进行了大量切削试验，借以对比各种刀具材料的切削性能，并探讨超硬刀具材料的切削机理。本文中仅列入了少量的试验曲线与数据，作为例证。?
    (1)车削淬硬钢T10A（60-63HRC）?
    刀具材料：PCD，PCBN；?
    切削用量：ap＝0.1mm，f＝0.05mm/r，v＝84m/min；?
    刀具几何参数：γo＝0°,αo＝8°；?
    PCBN：κr=45°，λ5=0°，rε＝0.5mm，br＝0.2mm，γo1＝-20°；?
    PCD：rε＝4mm，λ5＝0°，br1＝0.2mm，rε＝-20°；?
    干切。?
    由PCBN与PCD刀具的磨损曲线可见，PCBN刀具加工淬硬钢效果很好，在较高的切削速度下有较长的刀具寿命。PCD刀具则因前述的化学作用而迅速磨损。作者还曾用硬质合金YS8和Si3N4基复合陶瓷刀具车削过上述淬硬钢，用44m/min的切削速度，其刀具寿命尚不及PCBN刀具的一半。
    (2)车削纤维增强的复合材料GFRP?
    刀具：CVD厚膜与薄膜的金刚石，PCBN，Si3N4基复合陶瓷HDM3，硬质合金YS8；?
    切削用量：ap＝0.3mm，f＝0.1mm/r，v＝80m/min；?
    刀具几何参数：略；?
    干切。?
    由刀具磨损曲线可见，CVD金刚石刀具寿命最长，PCBN刀具次之。因对GFRP的加工有一定难度，故硬质合金和陶瓷刀具虽能使用，但磨损较快。
    作者曾用CxNy薄膜车刀加工过GFRP，效果也很好，其寿命接近PCBN刀具。?
    (3)车削SiC颗粒增强的No.3复合材料?
    SiC颗粒：粒度28μm，wt20%；?
    基体材料：ZL109；?
    刀具：PCBN，CVD厚膜金刚石，硬质合金YG6；?
    切削用量：ap＝0.3mm，f＝0.1mm/r，v＝70m/min；?
    刀具几何参数：略；?
    干切。?
    由刀具磨损曲线可见，CVD厚膜金刚石刀具的寿命遥遥领先，PCBN也很好，而YG6不堪使用。因SiC颗粒有冲击作用，故CVD薄膜金刚石和CxNy薄膜涂层刀具的加工效果都不好。
    (4)钻削高强度钢38CrNi3MoVA（HRC36～40）?
    麻花钻：高速钢W6Mo5Cr4V2、未涂层标准钻头与C3N4涂层钻头,6mm；
    切削用量：f＝0.13mm/r，v＝10m/min；?
    干切。?
    由钻头磨损曲线可见，高速钢麻花钻经C3N4涂层后，刀具寿命提高8～9倍，效果显著。作者还曾用C3N4涂层硬质合金刀片车削过淬硬钢和调质钢，虽有一定效果，但尚不够理想。
    8.结语?
    半个世纪以来，PCD和PCBN超硬刀具材料迅猛发展，但其制造工艺和刃磨、研磨技术尚有不足，人们对它们性能的认识和使用经验也嫌不够，今后应加强研究，使之能够发挥更大的作用。近年，CVD金刚石厚膜、薄膜和CxNy涂层材料得到开发，但技术尚不够成熟。通过深入研究，不断改进性能，上述超硬刀具材料必将有更为广阔的应用前景。