刀具材料PCD

XX大学2014～2015 学年秋季学期研究生课程考试

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论文题目：刀具材料PCD概述

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刀具材料PCD概述

摘要：好的刀具材料是制造出好的刀具的前提，更是加工出好的产品的关键。随着制造业的快速发展，金刚石刀具的生产和应用正在逐年增加。天然金刚石价格昂贵，金刚石广泛应用于切削加工的还是PCD。本文针对刀具材料PCD做了比较系统的论述，主要包括PCD材料的介绍，PCD复合片及刀具的制造技术，PCD 复合片的主要优缺点以及PCD刀具材料的应用。

关键词：PCD；材料；刀具

The overview about cutting tool materials of PCD

Abstract:Good tool material is a prerequisite to create a good tool, it is also a key processing of making a good product .With the sharp development of making industry, production and application of diamond tools is increasing year by year.Natural diamonds are expensive,PCD is widely used in cutting .This paper makes a systematic introduction of tool material PCD,including the introduction of PCD materials ,the manufacturing techniques of PCD composite sheet and tool, the main advantages and disadvantages of PCD composite sheet materials and the application of PCD tools.

Key words:PCD;Materials ; Tool

1引言

随着人类生活、生产水平的提高，高速钢刀具已不能满足高加工效率和高加工质量的新要求。随着制造业的快速发展，金刚石刀具的生产和应用正在逐年增加。人们已经开始寻求性能更高的新型刀具材料[1]。天然金刚石价格昂贵，金刚石广泛应用于切削加工的还是PCD，自20世纪70年代初，采用高温高压合成技术制备的PCD复合片研制成功以后，在很多场合下天然金刚石已经被人造PCD所代替。PCD原料来源丰富，其制造技术已经成熟，而且其价格低廉，只有天然金刚石的几十分之一。如此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。

2刀具材料PCD的介绍

PCD又称人造聚晶金刚石。PCD复合片是由粒度为微米级的金刚石颗粒与钴，镍等金属粉末混合均匀后，在高温高压下，在碳化钨基材上烧结而成的一种新型刀坯材料[2]。PCD复合片不仅具有金刚石高硬度，高耐磨性，高导热性，低摩擦因数，低热膨胀系数等优越性能，同时还具有硬质合金良好的强度和韧性。因此，可切割成所需刀头，将刀头焊接在硬质合金基体上，经过刃磨从而制成切削性能良好的PCD刀具。随着机械制造行业的发展，对被加工工件的质量要求越来越高，许多刀具材料已无法达到所需标准，而原料来源丰富，价格低廉，切削性能优良的PCD材料所制成的刀具却能够满足机械加工的需要，因此PCD材料被越来越广泛的用于机械制造及加工的过程中。但PCD刀具无法刃磨出极其锋利的刃口，很难达到超精密镜面切削，现在工业中还不能方便的制造带有断屑槽的PCD刀片[3]。

3 PCD刀具材料的性能指标

一般刀具材料所应具备的性能主要有：

（1）高硬度和高耐磨性；刀具硬度应高于工件材料的硬度，常温硬度一般在60HRC以上。

耐磨性是指材料抵抗磨损的能力，它与材料硬度、强度和组织结构有关。材料硬度越高，耐磨性越好；组织中碳化物和氮化物等硬质点的硬度越高，颗粒越小，数量越多且分布越均匀，则耐磨性越高。例如：碳素钢的硬度在62HRC；高速钢的硬度在63-70HRC；硬质合金的硬度为89-93HRA[4]。

（2）足够的强度与冲击韧性；切削时刀具要承受较大的切削力、冲击和振动，为避免崩刀和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。刀具材料的抗弯强度大小顺序为：高速钢>

硬质合金>立方氮化硼、金刚石和陶瓷。

（3）足够的高耐热性热硬性和较好的传热性；耐热性是指刀具材料在高温下保持足够的硬度、耐磨性、强度和韧性、抗氧化性、抗粘结性和抗扩散性的能力（亦称为热稳定性）。材料在高温下仍保持高硬度的能力称为热硬性（亦称高温硬度、红硬性），它是刀具材料保持切削能力的必备条件。刀具材料的高温硬度越高，耐热性越好，允许的切削速度越高。刀具材料的热导率大，有利于将切削区的热量传出，降低切削温度[5]。

（4）良好的工艺性和经济性。为了便于刀具加工制造，刀具材料要有良好的工艺性能，如热轧、锻造、焊接、热处理和机械加工等工艺性能。

PCD刀具材料不仅具有这些基本性能，而且具有其它一些优良性能。

3.1 PCD刀具材料的优点：

（1）PCD的硬度可达800HV，为硬质合金的八十至一百二十倍，而且PCD的耐磨性更好。如下图1为PCD与硬质合金刀具的耐磨性比较。

图1硬质合金与PCD刀具耐磨性比较

（2）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，良好的传热性在很大程度上能够延长刀具寿命。

（3）PCD的摩擦系数一般仅为0.1至0.3，而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，从而延长了刀具寿命。

（4）PCD的热膨胀系数小，因此PCD刀具热变形小，加工精度高。刀具热变形越大，加工出的工件表面质量就越差，要想加工出良好加工表面质量的工件就必须严格控制刀具的热变形。

（5）PCD刀具与有色金属和非金属材料的亲和力小，在加工过程中刀尖不易形成积屑瘤。刀具与被加工材料的亲和力小，那么在加工过程中被加工材料就不容易粘接在刀具表面，也就不容易形成积屑瘤。下图2为切削工程中形成的积屑瘤，在很大程度上降低了工件的表面质量。

图2积屑瘤

（6）金刚石刀具的弹性模量大，断裂强度高（比氧化铝高三倍），切削刃钝圆半径值可以磨得很小，不易断裂，能长期保持切削刃的锋利程度[6-8]。