超硬刀具材料的应用与前景

浅谈超硬刀具材料的应用与前景

摘要：本文全面介绍了超硬刀具材料（pcd，cbn和pcbn方面）的应用与前景，阐述了3种材料的性能特点以及它们在不同领域及加工材料方面的切削应用。同时对超硬刀具材料的广阔前景做出了客观的设想。

关键词：超硬材料；刀具；应用；前景

中图分类号：th142 文献标识码：a 文章编号：1007-9599 （2013）05-0146-03

一、引言

近年来，由于汽车和飞机制造业的大发展，大量应用轻型材料（a1—si，a1—mg合金）、复合材料等。目前这些材料常用硬质合金刀具来铣削，而当切削速度升高以后会导致硬质合金刀具的磨损加剧，为了保证刀具的耐用度，零件的铣削加工往往是在较低切速（粗加工30m/min，精加工100m/min）下进行的，加工效率低（材料去除率3～13cm3/min）。因此，在轻型材料零件的制造过程中切削加工性很差，具体表现为：

（1）加工效率低；

（2）刀具磨损严重；

（3）加工精度和表面质量不稳定。

图1给出了刀具材料的发展史与切削加工高速化的关系，毋庸置疑，寻求一种高速，高效、低成本的加工方法已成为目前关注的研究热点。

随着超硬材料（聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼）刀具进入到机械加工领域，逐渐显现出其优越的加工性能，其超长的使用寿命、极高的加工质量以及所带来的极高的生产效率是其它任何材料的刀

具所无法比拟的。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。

二、超硬刀具材料的性能特点

1981年国际硬物质科学会议认为，硬度大于1000hv的物质均可称为硬物质，能加工诸如硬质合金（硬度1600—1800hv）、刚玉（2000hv）、碳化硅（2200hv）等这一类物质的材料称为超硬材料。通常所说的超硬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）2种材料，由于天然金刚石市场价格十分高，所以，目前我国生产超硬刀具时大多采用聚晶立方氮化硼（pcbn）、人造聚晶金刚石（pcd）以及它们之间的复合材料。超硬刀具材料具有以下性能特点：

（1）高的硬度。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。表1给出了各种刀具的硬度值，pcd的硬度可达8000hv，为硬质合金的8～12倍；cbn晶体结构与金刚石类似，因此具有与金刚石相近的硬度和强度；cbn微粉的显微硬度为8000～9000hv，其烧结体pcbn 的硬度一般为3000～5000hv。

（2）高的耐磨性。刀具材料应有好的抵抗磨损的能力，它取决于材料的力学性能，化学成分和组织结构刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。一般刀具硬度越高，耐磨性越好。刀具金相组织中硬质点（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性。刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。（表2给出了不同刀具材料的耐磨性比较）。

（3）足够的强度和韧性。刀具材料必须具有足够的强度和韧性以抵抗冲击与振动。如车削45钢，在背吃刀量ap=4㎜，进给量f=0.5㎜/r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000n，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。一般刀具材料的韧性用冲击韧度ak表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。

（4）高的耐热性。在高温下保持较高的硬度、耐磨性、强度和韧性的能力（表3给出了各种刀具材料的高温硬度比较）。

（5）良好的导热性和工艺性。热导率越大，越有利于提高刀具的使用寿命；线膨胀系数小，则可减小热变形；为了便于制造，须有较好的锻造性能、热处理性能、焊接性能、加工性能等，而且要追求高的性能价格比（表4给出了各种刀具材料的力学性能比较）。（6）具有较低的摩擦系数。低的摩擦系数可以导致切削时切削力小，切削温度降低，加工表面质量提高（表5给出了各材料刀具加工工具加工质量比较）。

表5 各材料刀具加工工件质量精度

三、超硬刀具材料的应用

（一）金刚石刀具

金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加工已有数百年历史。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，使得人造金刚石发展加快，除用高温高压以石墨作原料烧结金刚石外，现在也有不少人开发常温常压用纯甲烷制造金刚石的新工艺（图2人造金刚石及pcd的制备）。

这种高硬的材料会在金属切削领域的应用主要体现在以下两方面：

（1）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）。（图3pcd刀具应用领域）。

（2）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。（图4pcd木工刀具主要加工对象分布）如现代汽车变速箱因减轻重量和多功能化的要

求，越来越多地采用压铸铝合金来制造，其上设置有许多阶梯状的成型孔，这些孔对表面粗糙度、圆度、圆柱度、同心度、无毛刺等质量要求非常严格。为满足高效、高精度加工成型孔的需要，日本公司开发了一种pcd成型阶梯铰刀。选用优质pcd刀片材料，用高精度成形磨削技术来保证切削刃形状，获得优良一致的尺寸精度和表面粗糙度，使所有切削刃在不同加工负荷下具有优良的切削性能。

但众所周知，金刚石在高温下和w、ta、ti、zr、fe、ni、co、mn、cr、pt等会发生反应，与黑色金属（铁碳合金）在加工中会发生化学磨损，金刚石不用于加工黑色金属。

（二）立方氮化硼（cbn）

立方氮化硼是继人造金刚石之后出现的又一种超硬材料。它的特点是：硬度仅次于人造金刚石（可达8000hv～9000hv），耐磨性好、热稳定性高，可耐1300℃～1500℃的高温。此外，具有良好的导热性和较小的摩擦系数。（表6给出了立方氮化硼与人造金刚石的物理机械比较）目前cbn单晶的制备一般采用高温高压法（图5给出了cbn的制备方法）。

立方氮化硼刀具能以加工普通钢和铸铁的切削速度切削淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金等，从而大大提高生产率。当精车淬硬零件时，其加工精度与表面质量足以代替磨削。据美国有关文章报导，以车代磨使工件光洁度始终保持16um。在正常条件下，光洁度能达到6～8um。目前，以车代磨这种新工艺正在许多工业部门采用，如汽车