栗正新-超硬材料及超硬刀具发展

1、超硬刀具的发展与应用，李正信教授，河南工业大学，2012年10月，超硬车刀的发展，2，概述，超硬刀具制造技术概述，3，刀具的发展，18世纪后期，耐热200，切削速度6-10米/分钟的碳素工具钢刀具被用于加工瓦特蒸汽机的汽缸孔。1861年，英国第一个制备耐热约300，切削速度20米/分钟的合金工具钢刀具1898年，美国人成功开发了高速钢刀具，其耐热性约为500，切削速度为30-40米/分钟。高速钢刀具的出现引发了金属切削的第一次革命，新的高速机床出现了。1925年，德国人首次发明了硬质合金刀具，它的耐热性约为600-800，切削速度为40-200米/分钟。硬质合金工具的出现引发了金属切削的又一次

2、革命。20世纪30年代，陶瓷工具出现了，但它们没有被广泛使用。20世纪50年代以后，它们逐渐发展起来。目前，耐热温度达到1100-1400，切割速度为500-1000米/分钟。20世纪50年代，美国通用电气公司首次合成了人造金刚石和立方氮化硼。立方氮化硼的硬度接近金刚石，耐热温度达到1400-1500。20世纪70年代初，通用电气公司成功开发了聚晶金刚石(PCD)刀片。目前，聚晶金刚石刀片已经在许多场合取代了天然钻石。4。刀具的发展。示例：加工直径为100毫米、长度为500毫米的碳素钢棒。1890年，使用碳素工具钢工具花了100分钟。1910年，使用高速钢刀需要26分钟。目前，使用硬质合金工具

3、需要1.5分钟。现在，使用陶瓷或PCBN刀具，小于1.0分钟。5、刀具性能、硬度和耐磨性：刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求高于60HRC。工具材料的硬度越高，耐磨性越好。强度和韧性：刀具材料应具有高强度和韧性，以承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃。耐热性：刀具材料具有良好的耐热性，能承受较高的切削温度，并具有良好的抗氧化性。工艺性能和经济性：刀具材料应具有良好的锻造性能、热处理性能、焊接性能、加工性能等。追求高性价比。数控刀具应具有高可靠性：数控加工速度和高度自动化要求刀具具有高可靠性。数控刀具应具有较高的耐热性、抗热震性和良好的高温力学性能。刀具可快速更换：数控刀具

4、要求互换性好、更换快、尺寸调整方便、安装可靠，以减少更换刀具造成的停顿时间。采用多功能复合刀具：一种数控刀具可以完成不同工序的零件加工，减少换刀次数，节省时间，减少刀具数量和库存，便于管理。比较不同材料的刀具性能，总结，刀具材料1、高速钢2、硬质合金3、涂层刀具4、陶瓷刀具5、金刚石刀具6、立方氮化硼、高速钢、高速钢是一种添加了较多合金元素如钨、铬、钒和钼的高合金刀具钢，具有良好的综合性能。它的强度和韧性是传统刀具材料中最高的。高速钢的制造工艺简单，容易磨出锋利的刀刃；锻造和热处理变形很小，现在它们仍然在复杂工具的制造中占据主导地位，例如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮工具和成形工具。普通高速钢，如W

5、18Cr4V，广泛用于制造各种复杂的工具。切割速度一般不太高，切割普通钢材时为40-60m/min。高性能高速钢，如W12Cr4V4Mo，是在普通高速钢中加入一定量的碳、钒、钴、铝等元素冶炼而成。其耐久性是普通高速钢的1.5-3倍。粉末冶金高速钢是20世纪70年代投入市场的一种高速钢。其强度和韧性分别提高了30%-40%和80%高速钢也有一些缺陷，如耐磨性和耐热性差。B族、B族和B族金属的硬质合金、碳化物、氮化物和硼化物通过添加诸如钴和镍的结合金属在高温下烧结。由于其高硬度和熔点，它被称为硬质合金。在各种刀具材料的发展中，硬质合金起着主导作用。硬质合金的性能不断提高，应用领域不断扩大，已经成为

6、切削加工的主要刀具材料，对提高切削效率起到了重要的推动作用。涂层刀具，高速钢基体上的刀具涂层主要是氮化钛，通常采用PVD法进行涂层，一般用于钻头、丝锥、铣刀、滚刀等复杂刀具。涂层厚度为几微米，涂层硬度可达80HRC，相当于普通硬质合金的硬度。耐用性可提高2-5倍，切割速度可提高20%-40%。涂层刀具是近20年来出现的一种新型刀具材料，是刀具发展的重要突破，是解决刀具材料硬度、耐磨性、强度和韧性之间矛盾的有效措施。涂层刀具是通过在具有良好韧性的硬质合金或高速钢刀具基体上涂覆一层具有高耐磨性的难熔金属化合物而获得的。常用的涂层材料包括碳化钛、锡和氧化铝。20世纪70年代初，在硬质合金基体上首次涂

7、覆一层碳化钛(TiC)后，普通硬质合金的切削速度从80m/min提高到180m/min。1976年，碳化钛-氧化铝双涂层硬质合金出现，切削速度提高到250米/分钟。1981年，碳化钛-氧化铝-氮化钴三层硬质合金再次出现，切削速度提高到300米/分钟。硬质合金涂层是在硬质合金基体上涂覆一层厚度为几微米至十微米以上的高耐磨和难熔金属化合物，具有良好的韧性，通常使用化学气相沉积(CVD)。中国株洲硬质合金厂生产的涂层硬质合金涂层厚度为9um，表面硬度为25004200HV。陶瓷刀具，陶瓷可能引发继高速钢和硬质合金之后的第三次切削革命。陶瓷刀具具有硬度高(HRA9195)、强度高(抗弯强度750 10

8、00兆帕)、耐磨性好、化学稳定性好、附着力好、摩擦系数低、价格低廉等优点。此外，陶瓷工具在高温下也具有高硬度，并且在120下硬度达到HRA80。常用的有：氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷和晶须增韧陶瓷。陶瓷工具，其可以处理难以或不可能用传统工具处理的硬质材料，例如硬度为HRC65的各种硬化钢和硬化铸铁，从而消除退火处理所消耗的功率；因此，它还可以提高工件的硬度，延长机械设备的使用寿命；它不仅能对高硬度材料进行粗加工和精加工，还能对毛坯进行铣削、刨削、断续切削和粗加工，具有很大的冲击力；刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证了加工工件的小锥度和高精度；它可以高速切

9、削或实现“车铣代替磨削”。切割效率比传统刀具高3-10倍，达到节省工时、动力和机床30-70%以上的效果。1981年，国际硬物质科学会议认为硬度大于1000HV的物质可称为硬物质，能加工硬质合金(硬度16001800HV)、刚玉(2000HV)和碳化硅(2200HV)等物质的材料称为超硬材料。金刚石和立方碳化硼。极高的硬度，因此它们统称为超硬材料，具有高硬度、良好的耐磨性、良好的导热性和低热膨胀系数等优异性能。晶体形式：天然钻石的晶体形式是八面体，其次是菱形十二面体、立方体及其多面体。根据不同的合成条件，合成的晶型菱形十二面体、八面体、立方体、金刚石、单晶金刚石、聚晶金刚石(PCD)、化学气相

10、沉积金刚石、合成工艺：高温高压法、爆炸法性能特点：各向异性适用范围：砂轮、锯片等领域最常见，合成工艺：高温高压法性能特点：各向同性适用范围：切削工具、石油钻头、修整工具、拉丝合成工艺：化学气相沉积性能特点：宏观上一般各向同性。适用范围：刀具、修边工具、拉丝模、耐磨装置等。高档化学气相沉积金刚石已经在电子器件、航空航天、精密制造等领域大放异彩。合成金刚石的方法有：1)高温高压法(HTHP法)；2)化学气相沉积法(化学气相沉积法)；4)爆炸合成金刚石纳米粉；4)金属溶剂热解还原催化合成金刚石；六面印刷机；2)双面压制；石墨金刚石 g=g金刚石-g石墨0；模拟自然过程，使石墨在高温高压环境下转变为金

11、刚石。钻石和石墨之间有一道能量屏障。通过克服这种能量障碍，石墨可以转变成钻石。目前，主要有以下理论：(1)溶剂理论认为所用的金属(合金)起碳溶剂的作用；催化理论被认为是催化剂；固相转变理论强调石墨晶体在简单的变形后可以形成金刚石晶体，而不会破坏键和分裂。金刚石工具，金刚石材料的成分是碳，金刚石与铁系列有亲和力。在切削过程中，金刚石具有优良的导热性和快速的散热性，当切削热高于700度时会发生石墨化。金刚石与钨、钽、钛、锆、铁、镍、钴、锰、铬、铂等反应。在高温下，在加工过程中与黑色金属(铁-碳合金)发生化学磨损。钻石不用于加工黑色金属。聚晶金刚石是由金刚石微粉与金属结合剂(如钴、镍等)聚合而成的多

12、晶材料。)。金刚石被广泛应用于切削加工或金刚石复合片研制成功后。金刚石复合片的硬度低于单晶金刚石，但属于各向同性材料。聚晶金刚石具有导电性，易于切割和成型，其成本远低于天然金刚石。聚晶金刚石原料丰富，价格仅为天然金刚石的十分之一。聚晶金刚石工具比天然金刚石工具使用更广泛。大多数聚晶金刚石刀片是用硬质合金基体烧结的复合刀片，即在硬质合金基体上烧结一层厚度约为0.7毫米的聚晶金刚石。这种刀片的强度与硬质合金基本相同，硬度接近整个聚晶金刚石，具有良好的焊接性，易于再磨，成本低。金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性：金刚石的显微硬度为HV10000，这是自然界中最坚硬的物质。天然金刚石的耐磨性是硬质合金的

13、80-120倍，人造金刚石的耐磨性是硬质合金的60-80倍。各向异性：单晶金刚石晶体与工件材料之间的硬度、耐磨性、显微强度、磨削难度和摩擦系数在不同晶面和取向上有很大差异。因此，在设计和制造单晶金刚石工具时，必须正确选择晶体取向。它的摩擦系数很低：金刚石和一些有色金属之间的摩擦系数比其他工具低，大约是硬质合金工具的一半，通常在0.1到0.3之间。低摩擦系数可以降低切削温度和切削力。刃口非常锋利：金刚石刀具的刃口可以磨得非常锋利，天然单晶金刚石刀具的钝半径可以达到纳米，可以进行超薄切削和超精密加工。金刚石的热导率是硬质合金的1.5-9倍，是铜的2-6倍。由于导热系数高，切削热容易散失，切削温度低

14、。低热膨胀系数：金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/10。因此，金刚石刀具不会产生很大的热变形，这对于高直径精密加工刀具尤为重要从20世纪70年代末到80年代初，化学气相沉积金刚石首次出现在日本。目前，化学气相沉积金刚石薄膜产品的直径和厚度已经超过110毫米，并且日趋成熟。化学气相沉积金刚石工具不仅直接冲击无涂层硬质合金工具和陶瓷工具的市场，而且成为目前已经商业化的金刚石工具的有力竞争对手。一种是在衬底上沉积厚度小于50 m的薄膜，即化学气相沉积金刚石薄膜涂层工具。另一种方法是在没有衬底的情况下沉积厚达1毫米的金刚石厚膜，即化学气相沉积金刚石厚膜焊接工具，如果需要的话，可以将其

15、钎焊在衬底上。金刚石工具应用，用于加工有色金属及其合金。80%以上的聚晶金刚石工具用于加工汽车、摩托车行业的硅铝合金零件，如铝合金活塞裙、销孔、缸体、变速箱等。由于这些零件的硅含量高(超过12%)，并且是批量生产的，因此刀具的使用寿命很高，并且PCD刀具的寿命比硬质合金刀具长得多，后者是后者的几十倍甚至几百倍。加工高硅铝合金时，除聚晶金刚石外，所有刀具在短时间内磨损严重，不能继续切削。聚晶金刚石刀具也非常适合加工难加工的非金属材料(如木材、人造板、层压地板、碳纤维增强塑料、石墨、陶瓷、石材等)。)。金刚石刀具的应用，使用单晶金刚石刀具，可以在超精密车床上实现镜面加工。目前，金刚石刀具可以实现纳

16、米切削厚度的连续稳定切削。钻石的热稳定性差。当切削温度达到800时，它将失去硬度。金刚石工具不适合加工钢铁材料，因为金刚石与铁有很强的化学亲和力，铁原子在高温下很容易与碳原子相互作用，将它们转变成石墨结构。聚晶金刚石刀具的应用领域分布、聚晶金刚石木工刀具的主要加工对象分布、立方氮化硼与金刚石的物理机械性能比较、立方氮化硼与PCBN的性能、高硬度和耐磨性：立方氮化硼具有与金刚石相似的晶体结构和晶格常数，因此具有与金刚石相似的硬度。立方氮化硼微粉的显微硬度为HV80009000，PCBN烧结体的硬度达到HV30005000。切削耐磨材料时，其耐磨性是硬质合金刀具的50倍，涂层硬质合金刀具的30倍。

17、PCBN特别适合加工以前只能磨削的高硬度材料，实现了“以车代磨”。它具有很高的热稳定性：立方氮化硼的耐热性可达1400 1500，几乎是金刚石的两倍(700 800)，因此PCBN刀具可以高速切削淬硬钢，比硬质合金刀具高3 5倍。优异的化学稳定性：CBN化学惰性，在1200-1300时与铁基材料无化学反应，但在2000时仅与碳反应。立方氮化硼具有很高的抗氧化能力，在1000时不会发生氧化。因此，PCBN刀具广泛用于高速或超高速切削。它具有良好的导热性：尽管立方氮化硼的导热性赶不上金刚石，但PCBN的导热性仅次于金刚石，远远高于高速钢和硬质合金。立方氮化硼的导热系数是铜的3.2倍，是硬质合金的20倍。摩擦系数低：立方氮化硼与不同材料的摩擦系数约为0.1 0.3，远小于硬质合金的摩擦系数(0.4 0.6)。低摩擦系数可以降低切削力、切削温度，提高加工表面质量。立方氮化硼单晶和PCBN多晶的制备技术，立方氮化硼刀具的制备技术，以及PCBN刀具、PCBN刀具的应用，非常适用于干切削、硬态和高速