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超硬刀具
超硬刀具材料是指比陶瓷材料更硬的刀具材料。
主要分两类五种：
1.金刚石类
包括：天然和人工合成单晶金刚石、聚晶金刚石(PCD)及其复合片（PDC）、CVD金刚石三种。
2.立方氮化硼类
包括：聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD立方氮化硼涂层。
其中以人造金刚石复合片(PCD)刀具及立方氮化硼复合片(PCBN)刀具占主导地位。
许多切削加工概念，如绿色加工、以车代磨、以铣代磨、硬态加工、高速切削、干式切削等都因超硬刀具的应用而起，故超硬刀具已成为切削加工中不可缺少的重要手段。PCD和PCBN刀具已广泛应用于机械加工的各个行业，如汽车零部件的切削加工，强化木地板的加工等，极大地促进了切削加工及先进制造技术的飞速发展。
二、超硬刀具材料发展史
时间 超硬材料 公司 方法 指标 用途
1955 人造金刚石 GE 高温高压 磨料
1957 立方氮化硼 GE 高温高压 磨料
1977 PCD，PCBN GE 高温高压 刀具
1995 人造单晶金刚石 5MM 刀具
人造单晶CBN 刀具
类金刚石膜 刀具
金刚石薄膜 CVD 刀具
金刚石厚膜 CVD 2.3MM 刀具
三、金刚石、超硬材料的特性与作用
众所周知，金刚石材料的成分是碳，金刚石与铁系有亲和力，切削过程中，金刚石的导热性优越，散热快，但是要注意切削热不宜高于700度，否则会发生石墨化现象，工具会很快磨损。因为金刚石在高温下和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，所以，金刚石不能用于加工黑色金属只能用在有色金属和非金属材料上，而CBN即使在1000度的高温下，切削黑色金属也完全能胜任。已成为未来难加工材料的主要切削工具材料。一般超硬材料指的是人造金刚石、人造CBN。这两种材料的同时存在，起到了互补的作用、可以覆盖当前与今后发展的各种新型材料的加工，对整个切削加工领域极为有利。
1．PCD
金刚石烧结体（PCD）的出现，在许多方面代替了天然单晶金刚石。PCD与天然金刚石比较，价格便宜，且刃磨远比天然金刚石方便，所以其应用、推广特别迅速。在大量涌现的新材料中，大部分都是难加工材料，如高硅铝合金，汽车发动机的活塞大量采用这种材料。一般，含硅量低于10%的铝合金，用硬质合金切削工具即可，但含硅量超过10%,就只能借助PCD。当前采用的高硅铝合金含硅量均在12%以上，有的已达18%以上，所以非PCD莫属。
但是，由于PCD的种类很多，有合理选择的必要。其粒度、浓度等都会影响到硬度、耐磨性等性能。因此，在应用中也必须根据被加工材料的种类。硬度等特性来考虑合理的各种参数。PCD在国内外的生产已十分普及，但是质量有较大的差异，因此在价格上出入很大。
2．PCBN
立方氮化硼烧结体（PCBN）是CBN颗粒与结合剂一起烧结而成，硬度仅次于金刚石，与黑色金属无亲和力。但是，PCBN不适于切削一般的钢件。PCBN刀具材料性能如下：
（1） 具有较高的硬度和耐磨性。
BN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近，因此具有与金刚石相近的硬度和强度。CBN微粉的显微影度为HV8000-9000，其烧结体PCBN的硬度为HV3000-5000。
（2） 具有很高的热稳定性。
CBN的耐热性可达1400-1500℃，PCBN在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。
（3） 具有优良的化学稳定性。
由于PCBN耐高温，在大气和水蒸气中，在900℃以下无任何变化 且稳定，甚至在1300℃时，和Fe、Ni、Co等也几乎没有反应，更不会像金刚石那样急剧磨损，这时它仍能保持硬质合金的硬度，因此，它不仅能切削淬火过的钢零件或冷硬铸铁，而且能被广泛应用于高速或超高速的切削工作上。
（4） 具有较好的导热性。
在各类刀具材料中，CBN的导热性仅次于金刚石，大大高于硬质合金，而且随着温度的升高，PCBN的导热系数是增加的。
（5） 具有较好的摩擦系数。
与不同材料间的摩擦系数CBN为0.1-0.3,硬质合金为0.4-0.6,随着切削速度的提高, 摩擦系数是减小的。
3．超硬材料涂层切削工具
CVD、PVD等技术的出现，是切削工具领域中的一次重大的革命。它的出现立即引起了机械制造领域的巨大反响，理想的切削工具应当是既有硬的表面，又有高的韧性，涂层技术便达到了这个目标。
最早的涂层材料都是陶瓷性质的物质，如TiN、TiC、Al2O3等，近年来，涂层技术又有了很大的发展。超硬材料涂层正在得到全面应用，许多产品相继出现在市场上。超硬材料涂层的发展，使整个现有的切削工具的性能都明显得到了提高，面对当前大量涌现的难加工材料，这些新发展的涂层技术将有巨大的适应能力，前景相当喜人?br> 超硬材料涂层的种类共有三大类，即类金刚石、金刚石和CBN。这些涂层材料均为纯金刚石或纯CBN,所以硬度与沉积的材料是相同的，和PCD与PCBN相比，因不含结合剂，所以硬度、耐磨性等均有较大的提高。
金刚石涂层和CBN涂层的性能与原材料是相同的，只是薄膜而已，使用时与陶瓷涂层类同。
4.厚膜金刚石
金刚石薄膜的合成技术和应用研究在全球范围发展极为迅速，形成了"金刚石薄膜热"。在这十多年内，气相合成的方法发展到二十多种，一般沉积的速度每小时只1～2um,如何加快沉积速度一直是人们研究的课题。在近期沉积速度发展到了100um/h以上，最高达到930um/h。我们称之为厚膜金刚石。厚膜金刚石是纯金刚石，其硬度接近天然金刚石，而PCD、PCDN是金刚石粉与结合剂混合在一起烧结而成，因此硬度受到结合剂的影响，其硬度不如前者。我国已成功地掌握了这门技术，最大的沉积厚度达到了2.3mm。现在已商品化，进入了国际先进行列。
厚膜金刚石不同于PCD之处是没有结合剂，是纯金刚石，所以它的硬度高得多，与天然金刚石不同，它具有各向同性，成本低，因此在许多方面将取代PCD。用作拔丝模将是均匀磨损，因此拔丝的线材质量明显优于天然金刚石模具。如果沉积质量进一步提高，在超精密加工中也有取代天然金刚石的可能，因此颇受超精密领域的重视。
总之，金刚石和超硬材料由于性能优越，应用不断地在扩大，已从金属加工发展到了光学玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等传统加工难进行的领域，对各种工业的发展将起到巨大的推动作用，前景十分广阔。 |
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