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至今日超硬刀具材料的本质

发布时间:2021-08-27 20:41:51 阅读: 来源:冲压模厂家

超硬刀具材料的本质

超硬刀具材料在国际上公认为当代提高生产效率最有潜质的刀具材料之一,其发展潜力十分深厚。本文向读者介绍该材料的本质、发展概况、各产品的特点及应用、前景。

潜质优厚的刀具材料

超硬材料刀具具有工效高、使用寿命长和加工质量好等特点,过去主要用於精加工,近几年由於改进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,除一般的精加工和半精加工外,还可用於粗加工,在国际上公认为当代提高生产效率最有潜质的刀具材料之一。利用超硬材料加工钢、铸铁、有色金属及其合金等零件,其切削速度可比硬质合金高一个数量级(例如铣削可达3000m/1. 如在测试进程中显示不正常或中横梁不移动min),刀具寿命可比硬质合金高几十、甚至几百倍。同时它的出现,还使传统的工艺概念发生变化,利用超硬刀具可直接以车、铣代磨(或抛)对淬硬零件加工,可用单一工序代替多道工序,大大缩短工艺流程。在生产时用於一般的车、镗和铣削加工,更成功地用於精密孔的加工。

超硬刀具材料的发展概况

超硬刀具材料是指天然金刚石及硬度、性能相近的人造金刚石和CBN(立方氮化硼)。由於天然金刚石的价格比较昂贵,所以生产上大多采用人造聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)及其复合材料。

早在50年代,美国已利用人造金刚石微粉和人造CBN微粉在高温、高压、触媒和结合剂的作用下,烧结成尺寸较大的聚晶块,并作为刀具材料。南非戴比尔(De Beers)公司、前苏联和日本也相继研制成功。70年代初推出金刚石或CBN和硬质合金的复合片,是在硬质合金基体上烧结或压制一层0.mm的PCD或PCBN,从而解决超硬刀具材料抗弯强度低、镶焊困难等问题,使超硬刀具的应用进入实用阶段。目前,又出现人工合成大单晶金刚石,以及用CVD(化学气相沉积)法制出的金刚石薄膜涂层和金刚石厚膜等功能性材料,大大拓宽超硬刀具材料的应用领域。

中国超硬刀具材料的研究与应用开始於七十年代,并於1970年在贵阳建造第一座超硬材料及制品的专业生产厂―第六砂轮厂。但中国超硬材料生产速度发展缓慢,从年整整20年中,超硬材料年产量仅从46万克拉增至3500万克拉。九十年代前在中国便可减少6400万吨以上CO2和SO2的排放后,不少超硬材料生产专业厂从国外引进成套的超硬材料合成设备及技术,产量才得到迅速发展,1997年中国人造金刚石年产量已达5亿克拉左右,CBN年产量达800万克拉,跃居世界超硬材料生产大国之首。目前中国不少工厂技术研发、生产及销售的多地区协作日益加强,例如长春还会出现出更有特点的新型螺杆和特殊单螺杆挤出机一汽集团公司、东风汽车集团公司和上海大众汽车有限公司等,已在生产中广泛使用PCD、PCBN等超硬材料刀具,对提高工效、保证产品质量起着重要作用。

超硬刀具材料性能

金刚石具有极高的硬度和耐磨性,其显微硬度可达10000HV,是刀具材料中最硬的材料。其摩擦因数小,与非铁金属无亲和力,切屑易流出,热导率高,切削时不易产生积屑瘤,加工表面质量好。加工有色金属时,表面粗糙度可达Ra0.012微米,加工精度可达IT5(孔IT6)级以上,能有效地加工非铁金属材料和非金属材料,如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、未烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材(尤其是实心木和胶合板、MDF等复合材料)。

金刚石的缺点是韧性差,热稳定性低,度时容易碳化,不适於加工钢铁材料。因为在高温下铁原子容易与碳原子作用,使其转化为石墨结构。此外,以它切削镍基合金时也会迅速磨损。

CBN的硬度仅次於金刚石(可达HV),热稳定性高(达度),对铁族元素化学惰性大,抗黏结能力强,用金刚石砂轮即可磨削开刃,适合加工各种淬硬钢、热喷涂材料、冷硬铸铁和35HRC以上的钴基和镍基等难加工材料。

单晶金刚石

单晶金刚石可分为天然金刚石(ND)和人工合成金刚石。单晶金刚石用於制作切削刀具必须是大颗粒(质量大於0.1g,最小径长不得小於3mm)。

ND是目前已知矿物中最硬的物质。它本身质地细密,经过精细研磨,刃口半径可达0..002微米。但ND较脆,其结晶各向异性,不同晶面或同一晶面不同方向的晶体硬度均有差异,在进行刃磨和使用时必须选择合适的方向。由於其使用条件苛刻,加上ND资源有限,价格昂贵,至今使用较少,目前仅用於某些有色金属如铜及铜合金和金、银、铑等贵重金属特殊零件的高速超精密加工,如录相机磁盘、光学平面镜、多面镜、二次曲面镜等。

人工合成单晶金刚石的尺寸、形状和性能都具有良好的一致性,目前由於高温高压的技术日趋成熟,能够制备具有一定尺寸的人工合成单晶金刚石,De屈服应力是衡量材料强度的1个重要指标 Beers公司和美国生产的合成单晶金刚石颗粒尺寸可达mm,使其在生产中应用迅速发展。尤其在加工高耐磨的层状木板时,其性能要优於PCD金刚石,不会引起刃口过早钝化。

人造聚晶金刚石(PCD)和人造聚晶金刚石复合片(PCD/CC)

PCD又称金刚石烧结体,是在高温超高压条件下,通过钴等金属结合剂将金刚石微粉聚合成的多晶体材料。其硬度虽低於天然单晶金刚石,但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合,属各向同性,用作刀具时可以任意取向刃磨,无需像ND必须选用最佳的解理面作为前刀面。在切削时,切削刃对意外损坏不很敏感,抗磨损能力也很强,可长时间保持锋利的切削刃,加工时可采用很高的切削速度和较大的吃刀量(例如在车削或镗削铝合金、黄铜、青铜及其合金时,切削速度为m/min,进给量为0..5mm/r,吃刀量可达10mm),使用寿命一般高於硬质合金(WC基)刀具倍,而且PCD原料来源丰富,其价格只有ND的几十分之一至十几分之一,因此应用广泛,成为传统WC刀具的高性能替代品。

PCD的性能与金刚石的晶粒尺寸及结合剂的含量有关。De Beers公司生产的PCD刀片有002、010和025几种,晶粒的平均尺寸分别为2、10和25微米。晶粒尺寸越大,耐磨性越好,但刃口质量稍差,亮点 本土企业亮相自动化专区难以制成高精度刀具。相反,用细晶粒PCD制成的刀具、刃口质量好。

为提高PCD刀片的韧性和可焊性,通常将PCD与硬质合金复合做成复合刀片(PCD/CC),即以硬质合金为基底,在其表面烧结或压制一层0.mm厚的PCD而成。这种复合刀片(又称压层刀片)的抗弯强度与硬质合金基本一致,而工作表面的硬度接近整体PCD,且可焊性好,重磨容易,成本低,故应用广泛。PCD/CC常用焊或机夹方式制作刀具。英国Smith公司研制多层金刚石复合片,其顶层金刚石浓度为100%,往下逐步下降,同时硬质合金逐渐增加,到衬底全部为硬质合金。这种复合片的强度高,抗冲击性能好,特别适用於吃刀量大、有冲击载荷的加工使用。日本住友电工公司采用铁基合金作基体,所制造的金刚石复合片钻头因PCD与钢刀体有亲和作用,可保证复合片与刀体的连结更为牢固。

必须指出,PCD刀具的刃口锋利性和加工的工件表面质量均不如ND,同时其可加工性很差,磨削比小,难以根据刀头的几何形状任意成形,至今还不能方便地制造带断屑槽的可转位PCD刀片和立铣刀等几何形状复杂的产品。

聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶立方氮化硼复合片(PCBN/CC)

PCBN或PCBN/CC制造方法与PCD或PCD/CC相似,是以CBN为原料,经高温高压制成聚晶立方氮化硼或其复合片(PCBN/CC)。PCBN/CC的性能兼有较好的韧性和较高的硬度及耐磨性,抗弯强度可达1.47GPa,可经多次重磨使用。

PCB从进口到本人生产N的性能与CBN的粒度、含量及结合剂种类有关,按其组织大致可分为两大类∶一类是由CBN晶粒直接结合而成,CBN含量多(70%以上),硬度高,适用於耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工;另一类是以CBN晶粒为主体,通过陶瓷结合剂(主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al2O3等)烧结而成,这类PCBN中CBN含量少(70%以下),硬度低,适用於淬硬钢的切削加工。

CVD金刚石

PCD、PCBN和人工合成单晶金刚石均是在高温高压下合成的,而CVD金刚石是在低压(


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