PCD﹑PCBN刀具材料及刀具涂层

精品文档 1欢迎下载 PCDPCD PCBNPCBN 刀具材料及刀具涂层刀具材料及刀具涂层 一 一 PCDPCD 二十世纪七十年代 人们利用高压合 成技术合成了聚晶金刚石 PCD 解决了 天然金刚石数量稀少 价格昂贵的问题 使金刚石刀具的应用范围扩展到航空 航 天 汽车 电子 石材等多个领域 金刚石刀具具有硬度高 抗压强度高 导热性及耐磨性好等特性 可在高速切削 中获得很高的加工精度和加工效率 金刚 石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决 定的 在金刚石晶体中 碳原子的四个价 电子按四面体结构成键 每个碳原子与四 个相邻原子形成共价键 进而组成金刚石 结构 该结构的结合力和方向性很强 从 而使金刚石具有极高硬度 由于聚晶金刚 石 PCD 的结构是取向不一的细晶粒金刚 石烧结体 虽然加入了结合剂 其硬度及 耐磨性仍低于单晶金刚石 但由于 PCD 烧 结体表现为各向同性 因此不易沿单一解 理面裂开 精品文档 2欢迎下载 PCD 刀具材料的主要性能指标 PCD 的硬度可达 8000HV 为硬质合金的 80 120 倍 PCD 的导热系数为 700W mK 为硬质合金的 1 5 9 倍 甚至 高于 PCBN 和铜 因此 PCD 刀具热量传递迅 速 PCD 的摩擦系数一般仅为 0 1 0 3 硬质合金的摩擦系数为 0 4 1 因此 PCD 刀具可显著减小切削力 PCD 的热膨胀系数仅为 0 9 10 6 1 18 10 6 仅相当于硬质合金的 1 5 因此 PCD 刀具热变形小 加工精度高 PCD 刀具与有色金属和非金属材料间的 亲和力很小 在加工过程中切屑不易粘结 在刀尖上形成积屑瘤 PCD 刀具的应 用 工业发达国家对 PCD 刀具的研究开展 较早 其应用已比较成熟 自 1953 年在瑞 典首次合成人造金刚石以来 对 PCD 刀具 切削性能的研究获得了大量成果 PCD 刀具 的应用范围及使用量迅速扩大 目前 国 际上著名的人造金刚石复合片生产商主要 精品文档 3欢迎下载 有英国 De Beers 公司 美国 GE 公司 日本住友电工株式会社等 据报道 1995 年一季度仅日本的 PCD 刀具产量即达 10 7 万把 PCD 刀具的应用范围已由初期的车削 加工向钻削 铣削加工扩展 由日本一家 组织进行的关于超硬刀具的调查表明 人 们选用 PCD 刀具的主要考虑因素是基于 PCD 刀具加工后的表面精度 尺寸精度及刀具 寿命等优势 金刚石复合片合成技术也得 到了较大发展 De Beers 公司已推出 了直径 74mm 层厚 0 3mm 的聚晶金刚石复 合片 国内 PCD 刀具市场随着刀具技 术水平的发展也不断扩大 目前中国第一 汽车集团已有一百多个 PCD 车刀使用点 许多人造板企业也采用 PCD 刀具进行木制 品加工 PCD 刀具的应用也进一步推动了对 其设计与制造技术的研究 国内的清华大 学 大连理工大学 华中理工大学 吉林 工业大学 哈尔滨工业大学等均在积极开 展这方面的研究 国内从事 PCD 刀具研发 生产的有上海舒伯哈特 郑州新亚 南京 精品文档 4欢迎下载 蓝帜 深圳润祥 成都工具研究所等几十 家单位 目前 PCD 刀具的加工范围已从传 统的金属切削加工扩展到石材加工 木材 加工 金属基复合材料 玻璃 工程陶瓷 等材料的加工 通过对近年来 PCD 刀具应 用的分析可见 PCD 刀具主要应用于以下两 方面 难加工有色金属材料的加工 用 普通刀具加工难加工有色金属材料时 往 往产生刀具易磨损 加工效率低等缺陷 而 PCD 刀具则可表现出良好的加工性能 如用 PCD 刀具可有效加工新型发动机活塞 材料 过共晶硅铝合金 对该材料加工 机理的研究已取得突破 难加工非金属 材料的加工 PCD 刀具非常适合对石材 硬 质碳 碳纤维增强塑料 CFRP 人造板材 等难加工非金属材料的加工 如华中理工 大学 1990 年实现了用 PCD 刀具加工玻璃 目前强化复合地板及其它木基板材 如 MDF 的应用日趋广泛 用 PCD 刀具加工这 些材料可有效避免刀具易磨损等缺陷 二二 PCBNPCBN 精品文档 5欢迎下载 CBN 具有较高的硬度 化学惰性及高温 下的热稳定性 因此作为磨料 CBN 砂轮广 泛用于磨削加工中 由于 CBN 具有优于其 它刀具材料的特性因此人们一开始就试图 将其应用于切削加工 但单晶 CBN 的颗粒 较小 很难制成刀具 且 CBN 烧结性很差 难于制成较大的 CBN 烧结体 直到 20 世纪 70 年代 前苏联 中国 美国 英国等国 家才相继研制成功作为切削刀具的 CBN 烧 结体 聚晶立方氮化硼 PCBN Polycrystalline Cubic Boron Nitride 从此 于切削加工的各个领域 尤其在高硬度材料 难加工材料的切削加 工中更是独树一帜 经过 30 多年的开发应 用 现在已出现了用以加工不同材料的 PCBN 刀质 P PC CB BN N 刀刀具具的的切切削削性性能能 由于 CBN 晶体与金刚石晶体都属闪锌 矿型 且晶格常数相近 化学键类型相同 因而 CBN 具有接近金刚石的硬度和抗压强 度 又因为其是由 N B 原子所组成 因此 精品文档 6欢迎下载 具有比金刚石更高的热稳定性和化学惰性 PCBN 刀具材料主要性能如下 具具有有很很高高的的硬硬度度和和耐耐磨磨性性 CBN 单晶的显微硬度为 HV8000 9000 是目前已知的第二高硬度 的物质 PCBN 复合片的硬度一般为 HV3000 5000 因此用于加工高硬度材料 时具有比硬质合金及陶瓷更高的耐磨性 能减少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸 分散性 尤其适用于自动化程度高的设备 中 可以减少换刀调刀辅助时间 使其效 能得到充分发挥 具具有有很很高高的的热热稳稳定定性性和和高高温温硬硬度度 CBN 的耐热性可达 1400 1500 在 800 时的硬度为 Al2O3 TiC 陶瓷的常温硬 度 因此 当切削温度较高时 会使被加 工材料软化 与刀具间硬度差增大 有利 于切削加工进行 而对刀具寿命影响不大 具具有有较较高高的的化化学学稳稳定定性性 精品文档 7欢迎下载 CBN 具有很高的抗氧化能力 在 1000 时也不产生氧化现象 与铁系材料 在 1200 1300 时也不发生化学反应 但但 在在 10001000 左右时会与水产生水解作用左右时会与水产生水解作用 造 成大量 CBN 被磨耗 因此用 PCBN 刀具湿式 切削时需注意选择切削液种类 一般情况 下 湿切对 PCBN 刀具寿命无明显提高 所 以使用用 PCBNPCBN 刀具时往往采用干切方式刀具时往往采用干切方式 具具有有良良好好的的导导热热性性 CBN 材料的导热系数低于金刚石但大大 高于硬质合金 并且随着切削温度的提高 PCBN 刀具的导热系数不断增大 因此可使 刀尖处热量很快传出 有利于工件加工精 度的提高 具具有有较较低低的的摩摩擦擦系系数数 CBN 与不同材料的摩擦系数在 0 1 0 3 之间 大大低于硬质合金的摩擦 系数 0 4 0 6 而且随摩擦速度及正压 力的增大而略有减小 因此低的摩擦系数 及优良的抗粘结能力 使 CBN 刀具切削时 不易形成滞留层或积屑瘤 有利于加工表 精品文档 8欢迎下载 面质量的提高 PCBN 刀具应用 1 用 PCBN 刀具精车淬硬钢 2 用 PCBN 刀具加工硬铸铁及高速切削 灰铸铁 3 难加工材料切削加工 奥氏体不锈钢 45HRC 高温合金钢 高锰钢 高强度钢及高镍合金 0 三 刀具涂层材料 三 刀具涂层材料 1 涂层的特性 1 硬度 涂层带来的高表面硬度是提高刀具寿 命的最佳方式之一 一般而言 材料或表 面的硬度越高 刀具的寿命越长 氮碳化 钛 TiCN 涂层比氮化钛 TiN 涂层具有 更高的硬度 由于增加了含碳量 使 TiCN 涂层的硬度提高了33 其硬度变化范围约 为 Hv3000 4000 取决于制造商 表面硬 度高达 Hv9000的 CVD 金刚石涂层在刀具上 的应用已较为成熟 与 PVD 涂层刀具相比 CVD 金刚石涂层钨钢铣刀具的寿命提高了 精品文档 9欢迎下载 10 20倍 金刚石涂层的高硬度和切削速 度可比未涂层刀具提高2 3倍的能力使其 成为非铁族材料切削加工的不错选择 2 耐磨性 耐磨性是指涂层抵抗磨损的能力 虽 然某些工件材料本身硬度可能并不太高 但在生产过程中添加的元素和采用的工艺 可能会引起刀具切削刃崩裂或磨钝 3 表面润滑性 高摩擦系数会增加切削热 导致涂层 寿命缩短甚至失效 而降低摩擦系数可以 大大延长刀具寿命 细腻光滑或纹理规则 的涂层表面有助于降低切削热 因为光滑 的表面可使切屑迅速滑离前刀面而减少热 量的产生 与未涂层刀具相比 表面润滑 性更好的涂层刀具还能以更高的切削速度 进行加工 从而进一步避免与工件材料发 生高温熔焊 4 氧化温度 氧化温度是指涂层开始分解时的温度 值 氧化温度值越高 对在高温条件下的 精品文档 10欢迎下载 切削加工越有利 虽然 TiAlN 涂层的常温 硬度也许低于 TiCN 涂层 但事实证明它在 高温加工中要比 TiCN 有效得多 TiAlN 涂 层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可 在刀具与切屑之间形成一层氧化铝 氧化 铝层可将热量从刀具传入工件或切屑 与 高速钢刀具相比 硬质合金刀具的切削速 度通常更高 这就使 TiAlN 成为硬质合金 刀具的首选涂层 硬质合金钻头和立铣刀 通常采用这种 PVD TiAlN 涂层 5 抗粘结性 涂层的抗粘结性可防止或减轻刀具与 被加工材料发生化学反应 避免工件材料 沉积在刀具上 在加工非铁族金属 如铝 黄铜等 时 刀具上经常会产生积屑瘤 BUE 从而造成刀具崩刃或工件尺寸超 差 一旦被加工材料开始粘附在刀具上 粘附就会不断扩大 例如 用成型丝锥加 工铝质工件时 加工完每个孔后丝锥上粘 附的铝都会增加 以至最后使得丝锥直径 变得过大 造成工件尺寸超差报废 具有 精品文档 11欢迎下载 良好抗粘结性的涂层甚至在冷却液性能不 良或浓度不足的加工场合也能起到很好的 作用 2 常用的涂层 1 氮化钛涂层 TiN TiN 是一种通用型 PVD 涂层 可以提高 刀具硬度并具有较高的氧化温度 该涂层 用于高速钢切削刀具或成形工具可获得很 不错的加工效果 2 氮碳化 钛涂层 TiCN TiCN 涂层中添加的碳元素可提高刀具 硬度并获得更好的表面润滑性 是高速钢 刀具的理想涂层 3 氮铝钛或氮钛铝涂层 TiAlN AlTiN TiAlN AlTiN 涂层中形成的氧化铝层可 以有效提高刀具的高温加工寿命 主要用 于干式或半干式切削加工的硬质合金刀具 可选用该涂层 根据涂层中所含铝和钛的 比例不同 AlTiN 涂层可提供比 TiAlN 涂层 精品文档 12欢迎下载 更高的表面硬度 因此它是高速加工领域 又一个可行的涂层选择 4 氮化铬涂层 CrN CrN 涂层良好的抗粘结性使其在容易产 生积屑瘤的加工中成为首选涂层 涂覆了 这种几乎无形的涂层后 高速钢刀具或硬 质合金刀具和成形工具的加工性能将会大 大改善 5 金刚石涂层 Diamond CVD 金刚石涂层可为非铁金属材料加工 刀具提供最佳性能 是加工石墨 金属基 复合材料 MMC 高硅铝合金及许多其它 高磨蚀材料的理想涂层 注意 纯金刚石 涂层刀具不能用于加工钢件 因为加工钢 件时会产生大量切削热 并导致发生化学 反应 使涂层与刀具之间的粘附层遭到破 坏 适用于硬铣 攻丝和钻削加工的涂层 各不相同 分别有其特定的使用场合 此 外 还可以采用多层涂层 此类涂层在表 层与刀具基体之间还