超硬材料刀具简介

超硬材料刀具简介株洲钻石切削刀具股份有限公司1超硬材料刀具简介超硬材料概念及种类超硬材料的性质超硬材料/硬质合金复合片的制备超硬材料/硬质合金复合片的特点超硬刀具的制造方法超硬刀具的应用超硬材料刀具的使用须知用户指南请与我联系2超硬材料的概念及种类聚晶金刚石(Poly-CrystallineDiamond--PCD)和聚晶立方氮化硼(PolycrystallineCubicBoronNitride--PCBN)统称为超硬材料。1954年美国通用电气公司采用高温高压的方法成功地合成了人造金刚石。我国从1961年开始设计制造超高压高温装置，1963年合成出第一颗人造金刚石，1965年投入工业生产。3超硬材料的性质-金刚石众所周知，金刚石是目前地球上最硬的物质，莫氏硬度为10。金刚石与其他某些物质硬度对比列于表1中：金刚石被加热到某温度所发生的状态及力学性能取决于金刚石的品质及其加热介质。表2为金刚石在不同介质条件下受热升温时所发生的状态。4表1：金刚石与某些材料的硬度硬度金刚石氮化硼碳化钨刚玉黄玉石英碳化硼诺氏硬度（Mpa）70000450001880020000/82027500显微硬度（Mpa）100000800001730020600142701120040000莫氏硬度10//987/5

各种金刚石及其制品，所加工对象的硬度相当高，在加工过程中往往要产生大量的热。也就是说，工作环境温度往往是比较高的，有时瞬时温度会高。如果金刚石制品的使用温度超过其热稳定温度其强度就会急剧的下降。因此，工作温度必须控制在金刚石的热稳定温度以下。金刚石的热稳定性是评价质量、性能优劣的重要指标之一。6表2：金刚石在不同介质下受热时的状态

温度°K介质状态993氧气开始氧化1123空气开始氧化1023-1073铁或铁基合金

碳溶解于铁1073-1873真空或惰性气体石墨化2373真空或惰性气体全部转化为石墨7金刚石与金属之间的作用金刚石与几乎所有的金属之间都有较高的界面能，因而难以实现有效的浸润与粘结。金刚石在700℃以上与纯铁接触，就很容易被氧化或石墨化，被石墨化的碳原子几乎全部扩散到铁中，在它们之间可以产生比较强的结合力。8超硬材料的性质-立方氮化硼氮化硼有三种结构：六方氮化硼（HBN），其结构类似于石墨；密排六方氮化硼（WBN），其结构类似于六方金刚石；立方氮化硼（CBN），立方晶系，类似于立方金刚石。不同的BN结构决定了它们具有不同的性质，用于切削刀具的通常是指立方氮化硼（CBN）。9立方氮化硼（CBN）的性能一、基本性能

CBN最具特色的性质是其高的硬度及高的导热性，这与金刚石是相似的，人们常常把CBN和金刚石的性质进行比较，表3为CBN与金刚石的性质。与金刚石相比，CBN的硬度、导热系数都低，这一方面是因为B-N之间的结合具有离子性（约22%）；另一方面是由于该离子在热激发时产生稍微大的晶格自由度，提高了向HBN逆转变的温度，使CBN有较高的耐热性和大的冲击热阻。10表3：CBN及金刚石的性质

性质CBN金刚石晶体结构闪锌矿型金刚石型晶体常数nm0.36150.356696原子间距nm0.157(B-N)0.154(C-C)密度g/cm33.483.515显微硬度MPa46000-84000>88200弹性模量MPa7.12x1051.07x105压缩性m2/N2.4-3.7x10-122.3x10-12导热系数W/cm.K13(20°C)20线膨胀系数1/°C4.3x10-6(700°C)4.5x10-6(750℃)11

二、CBN的稳定性与金刚石相比，CBN的稳定性要好得多，这是由材料本身的性质所决定的。CBN的稳定性还与其它许多条件有关。甚至在高于1300°C的温度下与铁接触仍然是稳定的。12金刚石的合成广义上讲，金刚石的合成就是用人工的方法在高温高压下使非金刚石结构的碳转变为金刚石结构的碳。13CBN的合成高密度的BN相（CBN）在自然界中还没有发现，它主要是靠人工合成。通常，在CBN稳定的高温高压条件下进行，也有的是在CBN亚稳定区进行。主要有触媒法、直接转化法以及气相沉积法等。14聚晶金刚石/硬质合金复合材料人造金刚石聚晶的发展始60年代初期，1964年美国GE公司首次申请了以某些金属添加剂使金刚石之间产生结合的美国专利。1966年，英联邦DeBeers公司用金属作粘结剂制成了金刚石聚晶。但一般认为，GE公司1970年公布，1972-1973年正式商品生产的Compax具有划时代的意义。自此以后，得到快速的发展。15金刚石/硬质合金复合片

金刚石/硬质合金复合片（PolycrystallineDiamondComposite–PDC）是将金刚石聚晶复合到硬质合金上的一种超硬材料，它集金刚石的高硬度与硬质合金的高强度于一体，同时具有易焊接及聚晶金刚石的特点。人造金刚石聚晶及复合片一出现就显示出强大的生命力，这是由它的下列特点所决定的；16金刚石/硬质合金复合片的特点金刚石晶粒呈无序排列状态，因而其性能，特别是硬度及解理面各向同性。具有较高的强度，特别是抗冲击强度及耐磨性。可以制成特定的形状。可以设计或预测产品的性能，赋予产品必要的特点，从而适应它的特殊用途。17金刚石/硬质合金复合片的生产金刚石聚晶及复合片有以下几种生产方法：一种是生长法，在高温高压条件下，以石墨及触媒为原料，与完成石墨向金刚石转变的同时合成出聚晶或复合片。另一种是烧结法，它是以金刚石微粉和粘结剂为原料，在金刚石稳定区的高温高压条件下合成聚晶或复合片。18CBN/YG复合体

CBN具有一系列的优异性能，首先受到机加工界的极大关注。CBN的重要用途包括用作刀具和磨具材料。CBN刀具机加工难加工的材料效果良好，用于高精度加工硬度高（如淬火钢HRC60)、粘性大（如镍基高温合金）、高温强度高、热传导率低的铁族金属及合金时具有如下特点：19CBN/YG复合体的特点高的金属切削去除率；单位消耗量小，有利于实现加工自动化；加工表面质量高，无烧伤和裂纹，光洁度高，从而使工件耐用度提高30-50%；与普通刀具比较，切削速度大大提高，提高了生产效率；加工时可不用冷却液；实际的加工成本大大降低。20超硬刀具制造方法

21PCD超硬材料刀具的应用主要用于加工有色金属和非金属。对于铝、高硅铝合金、铜、锰、镁、铅、钛等有色金属都有很好的切削能力。广泛用于汽车、摩托车发动机的活塞、轮毂、轴瓦、连杆、光学仪器、电动机行业。是加工耐磨非金属材料如：硬纸板、木材、陶瓷、玻璃、玻璃纤维花岗岩、石墨、尼纶、强化塑料的理想刀具。22选择PCD刀具考虑的因素加工后的表面光洁度；尺寸精度；刀具寿命；生产效率；生产总成本。23YCD011焊接刀片24YCB011数控刀片25PCD刀具应用举例（1）

加工方式材料切削用量刀片种类效果精铣汽车缸体AlSi7Cu4Mg铝合金切削速度：800M/min进给量：0.08mm/齿铣刀齿数：12切削深度：0.5mm用冷却液YCD01112x1211°后角采用硬质合金刀具每个刃只能加工25个工件，使用PCD刀具可以加工500个工件。26PCD刀具应用举例（2）

加工方式材料切削用量刀片种类效果精镗轴承孔座AlSi7Cu4Mg铝合金切削速度：250M/min进给量：0.08mm/r切削深度：0.5mm用冷却液YCD011刀尖圆弧：0.8mm11°后角采用硬质合金刀具每个刃只能加工75个工件，使用PCD刀具可以加工3000个工件。27PCD刀具应用举例（3）

加工方式材料切削用量刀片种类效果精镗汽车缸套BSi490LM25(6.5-7.5%Si)切削速度：312M/min进给量：0.09mm/r切削深度：0.5mm用冷却液YCD011采用硬质合金刀具每个刃只能加工75个工件，使用PCD刀具可以加工3000个工件。28PCD刀具应用举例（4）

加工方式材料切削用量刀片种类效果粗镗汽缸缸盖9%硅铝合金切削速度1500M/min进给量：0.13mm/r切削深度：5mm用冷却液YCD0114°前角采用硬质合金刀具每个刃只能加工75个工件，使用PCD刀具可以加工3000个工件。29PCD刀具应用举例（5）

加工方式材料切削用量刀片种类效果精车刹车盘20%碳化硅铝合金切削速度：300M/min进给量：0.35mm/r切削深度：1mm不用冷却液YCD011RNMN090300F采用硬质合金刀具无法加工，使用PCD刀具可以顺利加工。30PCD刀具应用举例（6）

加工方式材料切削用量刀片种类效果精车发动机皮带轮LM24铝合金切削速度：350M/min进给量：0.05mm/r切削深度：0.5mm用冷却液YCD0116°后角0°前角采用硬质合金刀具每个刃只能加工80个工件，使用PCD刀具可以加工2500个工件。31PCD刀具应用举例（7）

加工方式材料切削用量刀片种类效果精铣相机胶卷导轨13%硅铝合金切削速度：940M/min进给量：0.04mm/r切削深度：0.05mm不用冷却液YCD01110°后角0°前角加工效率是硬质合金的6倍，Ra=0.15ų32PCBN超硬材料刀具的应用主要用于加工黑色金属。最适合于各种硬度HRC45以上的淬硬钢(碳素钢、轴承钢、模具钢、高速钢等）；珠光体灰口铸铁（钒钛铸铁）；冷硬铸铁；高温合金（镍、钴基合金）；表面喷涂及堆焊的加工。可以车代磨、干式切削，利于环境保护。33YCB011数控刀片34YCB011数控刀片35YCB011数控刀片36YCB011数控刀片37

YCB011切槽刀38PCBN刀具应用举例（1）

加工方式材料切削用量刀片种类效果精车刹车盘珠光体灰口铸铁HB180-220切削速度：650M/min进给量：0.1mm/r切削深度：0.3mm用冷却液YCB011SNMN120408F采用硬质合金刀具每个刃只能加工80个工件，使用YCB011刀具可以加工500个工件。39PCBN刀具应用举例（2）

加工方式材料切削用量刀片种类效果精车电机外壳珠光体灰口铸铁HB190-230切削速度：565M/min进给量：0.33mm/r切削深度：0.1mm用冷却液YCB0118°后角0°前角负倒棱0.1x20°采用硬质合金刀具寿命为80分钟，使用YCB011刀具寿命为10小时。40PCBN刀具应用举例（3）

加工方式材料切削用量刀片种类效果滚珠丝杆螺纹加工高频淬火钢硬度55-58HRC切削速度：70m/min卡盘速度：4r/min切削深度：4mm齿数：4干式切削YCB011刀尖圆弧半径4mm刀具寿命：7m的滚珠丝杆加工时间：硬车15分钟。若磨削则需时间为8小时。41PCBN刀具应用举例（4）

加工方式材料切削用量刀片种类效果精镗涡轮齿轮箱轴承罩氮化钢硬度64HRC切削速度：260M/min进给量：0.05mm/r切削深度：0.1mm干式切削YCB011TNGA110304T每个零件可节省48小时的磨削时间。42PCBN刀具应用举例（5）

加工方式材料切削用量刀片种类效果精车压力辊高速钢硬度HRC65切削速度：140M/min进给量：0.08mm/r切削深度：0.1mm用冷却液YCB011CNGA120408T表面粗糙度Rz=1.21ųRa=0.19ų43PCBN刀具应用举例（6）

加工方式材料切削用量刀片种类效果精车冲头X165CrMoV12合金硬度HRC64切削速度：150m/min进给量：0.08mm/r切削深度：0.1mm用冷却液YCB011TNGA160408T磨削需要150分钟；车削只需4.5分钟。表面粗糙度：Ra=0.21ų44PCBN刀具应用举例（7）

加工方式材料切削用量刀片种类效果外圆车削钨合金切削速度：80M/min进给量：0.2mm/r切削深度：1.2mm用冷却液YCB011RNMN110308S寿命至少是复合陶瓷或硬质合金涂层刀具的5倍。45PCBN刀具应用举例（8）

加工方式材料切削用量刀片种类效果精车制瓶模具镍基涂层合金硬度HRC40切削速度：200M/min进给量：0.1mm/r切削深度：0.3mm用冷却液YCB011CNGA120408T硬质合金刀具只能加工1个零件，YCB011能加工100个零件。46PCBN切削硬质合金47超硬刀具牌号所用原材料对照

YCD011YCB011YCB012DEBEERSSYNDITE010AMBORITEDBA80AMBORITEDBC5048超硬刀具使用须知本公司采用DeBeers公司生产的PCD和PCBN精制成超硬刀具。有多种牌号和型号可供选择。要求机床刚性好，最好是数控机床或机加工中心等设备。刀具采用刚性高的刀杆夹持，以减少因震动而造成刀具刃口崩缺。在切削加工过程中，不得改变冷却方式。对刀必须在开车后进行，退刀必须在停车前进行。严禁刀尖在工件表面拖出。刀具不锋利或崩缺时，应及时修理。49用户指南株洲钻石切削刀具股份有限公司生产的PCD超硬刀片有YCD011一种材质；PCBN超硬刀片有YCB011和YCB012两种材质。其由在硬质合金基体刀片上焊接超硬材料小角所构成。50PCD切削刀具使用指南主要用于加工有色金属和非金属。广泛用于汽车、摩托车发动机的活塞、轮毂、轴瓦、连杆、光学仪器、电动机行业。是加工耐磨非金属材料如：硬纸板、木材、陶瓷、玻璃、玻璃纤维、石墨、尼纶、强化塑料的理想刀具。51PCBN超硬刀使用指南-YCB011

YCB011为中等晶粒尺寸、较高的PCBN含量（80%）的超硬刀片。其具有极高的抗磨损性。该牌号的超硬刀片适合于硬化钢的半精加工以及珠光体铸铁和冷硬铸铁的粗、精加工。52YCB012

YCB012为细晶粒尺寸、较低的PCBN含量（50%）的超硬刀片。细晶结构使刀片的刃口质量优良。该牌号的超硬刀片最适合于硬化钢的精加工。其具有低的热传导系数，以保持切削区域的温度，以及珠光体铸铁和冷硬铸铁的粗、精加工。高的刃口温度可使产生脆性（形成碎的）切屑。53切削数据硬化钢硬度：45-65H