超硬材料刀具的特性及应用研究

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1、超硬材料刀具的特性及应用研究2008-05-2920:41:09

2、分类：机械行业

3、字号订阅重庆工商大学机电一体化王兵［摘要］:材料是人类社会生活的物质基础，也是一切技术发展的物质基础。在刀具材料领域中，超硬材料因其特殊的性能而具有非常重耍的地位，起着其他材料不可种代的作用，并得到曰益广泛的应用。本文就其主要介绍了两种超硬材料刀具聚晶金刚石PCD刀具和聚晶立方氮化硼PCBN的特性及应用。［关键词］:聚晶金刚石PCD刀具聚晶立方氮化硼PCBN刀具引言聚品金刚石利立方氮化硼是继人工合成金刚石后出现的利用高温高压技术获

4、得的第二种超硬材料。用它來制作刀具，可以获得高的切削速度、很高的刀具耐磨性和耐热性。用它切削一般刀具很难切削的难切削材料，而受到国内外的重视和较为广泛的应用。根据1988年统计，世界工具市场中，立方氮化硼复合片刀具的费用估计为3.9亿美元，其中汽车行业占50%,重型机械行业占28%。我国早在60年代后就成功研制成立方氮化硼和以它为基础的聚晶复合片。尽管我国对超换刀具材料开发较早，但山于种种原因，至今应用面还很窄。其主要原因是对它的特:点、性能应用范围：宣传与推广的不够，对它的应用后其经济效益宣传不够而不被重视。

5、所以加強对超硬刀具材料的推广与应用，促进金屈切削技术水平的提高与发展，以适应科学技术发展的需耍，适应现代化的需.一、聚晶金刚石（PCD）刀具1.1PCD刀具的发展金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加工已冇数百年历史。在刀具发展历程中，从十九世纪末到二十世纪中期，刀具材料以高速钢为主要代表；1927年德国首先研制出硬质合金刀具材料并获得广泛应用；二十世纪五十年代，瑞典和美国分别合成出人造金刚石，切削刀具从此步入以超硬材料为代表的时期。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

6、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。1.2PCD刀具的特性金刚石刀具具有破度高、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，进而组成金刚右结构，该结构的结合力和方向性很强，从而使金刚石具冇极高硬度。由于聚品金刚石（PCD）的结构是取向不一的细品粒金刚石烧结体，虽然加入了结合剂，其硕

7、度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于PCD烧结体农现为各向同性，因此不易沿单一解理面裂开。PCD刀具材料的主要性能指标：①PCD的硬度可达8000HV,为硬质合金的80-120倍；②PCD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；③PCD的燎擦系数一般仅为0.1〜0.3（攸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；④PCD的热膨胀系数仅为0.9x10-6-1.18x10-6仅和当于硕质合金的1/5,因此PCD刀具热变形小，加工耕度

8、高；⑤PCD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。1.1PCD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來，对PCD刀具切削性能的研究获得了大暈成果，PCD）｝具的应用范围及使用暈迅速扩大。目前，国际上苦名的人造金刚石复合片生产商主耍有英国DeBeers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。据报道，1995年一季度仅日木的PCD刀具产量即达10.7力把。PCD刀具的应用范囤己山初期的车削加工向钻

9、削、铳削加工扩展。由日木一家组织进行的关于超碾刀具的调查表明：人们选用PCD刀具的主要考虑因素是基于PCD刀具加工后的衣而精度、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人发展，DeBeers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适技术的研究。国内的清华大学、大连理工大学、华中理工大学、吉

10、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、南京蓝帜、深圳润祥、成都工具研究所等儿十家单位。II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：①难加工有色金属材料的加工：用普通刀具加