超硬刀具材料应用调查与研究

合肥通用职业技术学院毕业论文题目系别班级姓名学号指导教师二0年月日指导老师评语综合评分摘要超硬刀具材料应用调查与研究目录内容摘要………………………………………….关键字…………………………………………第1章超硬刀具材料的简介1.1.超硬刀具材料的概括1.2.超硬刀具材料的应用背景1.3超硬刀具材料的性能特点1.4超硬刀具材料的应用前景第2章超硬刀具材料的种类及应用2.1．天然和人工合成大单晶金刚石2.2．聚晶金刚石和聚晶金刚石复合刀片2.3．CVD金刚石2.4．聚晶立方氮化硼第3章超硬刀具材料的研究第1章超硬刀具材料的简介1.1超硬刀具材料的概括超硬刀具材料是指与天然金刚石的硬度、性能相近的人造金刚石和CBN（立方氮化硼）金刚石价格比较昂贵，所以生产上大多采用人造聚晶金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN），以及它们的复合材料。早在50年代，美国就利用人造金刚石微粉和人造CBN微粉在高温、高压、触媒和结合剂的作用下烧结寸较大的聚晶块作为刀具材料。之后，南非戴比尔（DeBeers）公司、前苏联也相继研制成功。70年代初又推出了金刚石或CBN和硬质合金，它们是在硬质合金基体上烧结或压制一层0.5mm～1mm的PCD或PCBN而成，从而解决了超硬刀具材料拉弯强度困难等问题，使超硬刀具的应用进入实用阶段。目前，又出现了人工合成大单晶石，以及用CVD（相沉积）法制出的金刚石薄膜涂层和金刚石厚膜等功能性材料，大大拓宽了超硬刀具材料的应用领域。我国超硬刀具材料的研究与应用开始于70年代，并于1970年在贵阳建造了我国第一座超硬材料专业生产厂——第六砂轮从1970～1990年整整20年中，超硬材料年产量仅从46万克拉增至3500万克拉。90年代前后不少超硬材料生产专业厂从国外引进了成套的超硬材料合成设备及技术，产量得到迅速增加，至1997年我国人造金刚石年产量就已达到5亿克拉左右，CBN年产量达800万克拉，跃居世界上超硬材料生产大国之首。1.2超硬刀具材料的应用背景随着材料工业及精密机械工业精密切削、超精密切削和难切削材料使用的增多，超硬刀具材料的应用日益广泛。超硬材料刀具具有工效高、使用寿命质量好等特点，过去主要用于精加工，近几年来由于改进了人造超硬刀具材料的生产工艺，控制了原料纯度和晶粒尺寸，采用了复合材料和热压工艺等，应用范围不断扩大，除适于一般的精加工和半精加工外，还可用于粗加工，被国际上公认为是当代提高生产率最有希望的刀具材料之一。利用超硬材料加工钢、铸铁、有色金属及其合金等零件，其切削速度可比硬质合金高一个数量级，刀具寿命可比硬质合金高几十、甚至几百倍。同时它的出现，还使传统的工艺概念发生变化，利用超硬刀具常常可直接以车、铣代磨（或抛光），对淬硬零件加工，可用单一工序代替多道工序，大大缩短工艺流程。1.3超硬刀具材料大的性能特点金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率削时不易产生积屑瘤表面质量好。能有效地加工非铁金属材料和非金属材料等有色金属及其合金、陶瓷、末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材（尤其是实心木和胶合板材料）。金刚石的缺点是韧性差，热稳定性低。700℃～800℃时容易碳化，故不适于加工钢铁材料。因为在高温下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构。此外，用它切削镍基合金也会迅速磨损。CBN的硬度仅次于金刚石（可达8000HV～9000HV），并且热稳定性高（达1250℃～1350℃），对铁族元素化学惰性大，抗粘结能力强，而且用金刚石砂轮刃，故适于加工各种淬硬钢、热喷涂材料、冷硬铸铁和35HRC以上的钴基和镍基等难切削材料。1.4超硬刀具材料的应用前景超硬刀具材料是一种先进的刀具材料，在生产中有着广阔的应用前景。人造超硬刀具材料，目前单晶的向粗颗粒、高强度、多功能方向发展。美国GE公司现可工业生产出6克拉重的人造金刚石（约10mm），最大颗粒达11.14克拉重。PCD则向大直径、细粒度抗冲击、高热稳定性方向发展。PCD最大直径已可达74mm，然后用激光切割成所需的任何形状。PCD颗粒的商品尺寸为2μm～25μm；颗粒越细，切削刃的质量越好；颗粒越大，刀具使用寿命越长。DeBeers公司生产的PCBN产品，最大直径为101.6mm，可加工70HRC的高硬度材料。此外，据英国专利介绍，英国还研制出一种在PCD和PCBN刀片外表面VD法沉积一层镍、铜、钛、钴、铬、钽的混合物，以及氮化钛钛的防护涂层，其耐磨性可比普通PCD和PCBN刀片高4倍。CVD金刚石薄膜和厚膜是近几年新研制出的功能性材料，尽管至今生产还未形成规模，但因其性能优异，有着广泛的用途。天然和人工合成的单晶金刚石，以及PCD和TFD在着相互交叉的应用领域，它们在一定程度上能相互补充，须根据不同具体情况，特别是性能价格比加以选用。预计在新世纪，超硬刀具材料CBN和金刚石将得到更多的应用，可能会发现制造出崭新的刀具材料的品种，具有更优异的性能。据Lellond，他们开发了一种由陶瓷＋CBN的超硬复合材料，它兼有陶瓷和CBN两种材料的优点，是高速加工高硬耐磨铸铁的理想材料。又如，用石墨原料合成的金刚石聚晶体，而当今的金刚石为C12，已有研究，同位素C13和C60坚硬。前几年，武汉大学研制出一种C3N4/TiN具有超硬材料性质，用其涂覆在高速钢提高。可以预料，今后随着各种新型难切削材料应用的增多，必将促进硬刀具材料进一步的发展与应用第2章超硬刀具材料材料的种类及应用2.1天然和人工合成大单晶金刚石单晶金刚石有天然金刚石(ND)和人工合成金刚石两种。单晶金刚石用于制作切削刀具必须是大颗粒的(质量大于0.1g，最小径长不得小于3mm)。ND是目前已知矿物中最硬的物质，其显微硬度可达10000HV，耐磨性好，而且切削刃非常锋利，刃部粗糙度值小，摩擦因数低，抗黏结性好，热导率高，切削时不易黏刀及产生积屑瘤，加工表面质量好。天然金刚石的硬度、抗磨损与抗腐蚀性和化学稳定性保证了刀具的超长寿命，能保证持续长久的正常切削，并减少由于刀具磨损对被加工零件的影响；其较高的导热系数又可降低切削温度和零件的热变形。天然大单晶金刚石的优良特性可满足精密及超精密切削对刀具材料的大多数要求，虽然其价格昂贵却仍被公认为是理想的精密及超精密切削工具材料。可广泛地应用于加工原子核反应堆及其它高技术领域的各种反射镜、导弹和火箭中的地航陀螺、计算机硬盘基片，加速器电子枪的超精密加工以及传统手表零件、首饰、制笔、有色金属装饰件的精密加工等。此外，还可以用于制造医用刀具。ND的缺点主要是与铁族元素接触时有化学反应，在700～800℃时将碳化(即石墨化)，一般不适于加工钢铁材料。2.2聚晶金刚石和聚晶金刚石复合刀片PCD又称金刚石烧结体，它是在高温、高压下，通过钴等金属结合剂将许多金刚石单晶粉聚晶成的多晶体材料。虽其硬度稍低于天然单晶金刚石，但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合，属各向同性，无解理面。因而它不像大单晶金刚石那样在不同晶面上的强度、硬度及耐磨性有很大的差别，以及因解理面的存在而呈脆性。在切削时，切削刃对意外损坏不很敏感，抗磨损能力也较强，可长时间保持锋利的切削刃，加工时可采用很高的切削速度和较大的背吃刀量，使用寿命一般高于WC基硬质合金刀具10～50倍，而且PCD原料来源丰富，其价格只有ND的几十分之一至十几分之一，PCD刀具具有极高的硬度及寿命、很低的摩擦系数、锋利的刀刃、优异的导热性和低膨胀系数等特点，现已成为传统WC基硬质合金刀具的高性能替代品。聚晶金刚石复合片(PDC)刀具材料是在PCD研究的基础上发展起来的。硬质合金作为PCD的基体材料既有好的韧性和一定的硬度，同时又具有可焊性以及与PCD的某种兼容性。所以它既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有硬质合金的韧性和可焊性之优点。2.3CVD金刚石CVD金刚石是在低压下制备的，它不同于大单晶金刚石，而PCD、PDC是在高温高压下合成的。CVD金刚石包括三类：第一种是在适当基体上沉积的CVD金刚石涂层(包括类金刚石DLC涂层)；第二种是沉积厚度达1mm的无支撑的CVD金刚石厚膜；第三种是在金刚石晶种上外延生长的CVD金刚石单晶膜或准单晶膜。CVD金刚石由于是不含任何金属催化剂的纯金刚石，因此它的热稳定性接近天然金刚石。同高温高压人工合成聚晶金刚石一样，CVD聚晶金刚石晶粒也呈无序排列，无脆性解理面而呈各向同性。CVD涂层刀具与PCD、PDC刀具相比，具有刀具形状复杂、成本低、一片多刀刃等优点。然而，也存在金刚石涂层与基体之间结合强度低以及对有CVD金刚石涂层的刃口进行研磨处理时容易分层剥落的缺陷。到目前为止，CVD金刚石的应用市场还不大；CVD金刚石厚膜与PDC相比，主要优点是其热稳定性好，缺点是晶粒间的内聚强度低，内应力大、相对脆性大和不导电性。特别是缺乏导电性，阻碍了它在电火花(EDM)切割、抛光加工技术中的应用。而该项技术在金刚石刀具加工业，尤其是在木材加工用刀具的生产和修整上得到了广泛应用。2.4聚晶立方氮化硼目前，市场上聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具按成分和制造方法可分为3种：整体聚晶立方氮化硼刀具、聚晶立方氮化硼复合片以及电镀立方氮化硼刀具。它具有极高的硬度与耐磨性，具有很高的耐热性，具有良好的化学稳定性和导热性，摩擦系数也较低，PCBN与PCD、PDC刀具材料有着相似的结构与性质，但耐磨性比PCD、PDC要差。然而PCBN具有良好的抗化学腐蚀性，且在1200℃的高温下，表现出良好的热稳定性。目前50%的PCBN刀具用于汽车制造业，包括用于加工汽车发动机箱体、刹车盘、传动轴、气缸孔、发动机进出气阀座等，另外，约20%用于重型设备(如轧辊)的加工。近年来，随着计算机加工技术的迅猛发展以及数控机床普遍使用，可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的PCBN刀具的应用也日益普及，同时还引入了许多先进的切削加工概念，如高速切削、硬态加工、以车代磨、干式切削等。PCBN刀具材料已成为现代切削加工中不可缺少的重要的刀具材料。