高速切削刀具材料的进展和未来

evapuck

　　机械加工发展的总趋势是高效率、高精度、高柔性和强化环境意识。在机械加工领域，切(磨)削加工是应用最广泛的加工方法。高速切削是切削加工的发展方向，已成为切削加工的主流。它是先进制造技术的重要共性关键技术。推广应用高速切削技术将大幅度提高生产效率和加工质量并降低成本。高速切削技术的发展和应用决定于机床和刀具技术的进步，其中刀具材料的进步起决定性的作用。研究表明，高速切削时，随着切削速度的提高，切削力减小，切削温度上升很高，达到一定值后上升逐渐趋缓。造成刀具损坏最主要的原因是切削力和切削温度作用下的机械摩擦、粘结、化学磨损、崩刃、破碎以及塑性变形等磨损和破损，因此高速切削刀具材料最主要的要求是高温时的力学性能、热物理性能、抗粘结性能、化学稳定性(氧化性、扩散性、溶解度等)和抗热震性能以及抗涂层破裂性能等。基于这一要求，近20多年来，发展了一批适于高速切削的刀具材料，可在不同切削条件下，切削加工各种工件材料。目前，可以2500～5000m/min的高速切削铝合金(Si含量≤12%，大于12%的为500～1500m/min)：以500～1500m/min切削铸铁：300～1000m/min切削钢：100～400m/min切削淬硬钢、耐热合金：90～200m/min切削钛合金等。当然人们还期待着以超高切削速度进行加工而获得更好的效果。




　　2国外高速切削刀具材料的进展和应用




　　高速切削时，对不同的工件材料选用与其合理匹配的刀具材料和允许的切削条件，才能获得最佳的切削效果。据此，针对目前生产中广泛应用的铝合金、铸铁、钢及合金和耐热合金等的高速切削，已发展的刀具材料主要有：金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂层刀具和TiC(N)基硬质合金刀具(金属陶瓷)等。




　　金刚石刀具




　　金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。天然金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数。但由于价格昂贵，加工、焊接都非常困难，除少数特殊用途外(如手表精密零件、光饰件和首饰雕刻等加工)，很少作为切削工具应用在工业中。随着高技术和超精密加工日益发展，例如微型机械的微型零件，原子核反应堆及其它高技术领域的各种反射镜、导弹或火箭中的导航陀螺，计算机硬盘芯片、加速器电子枪等超精密零件的加工，单晶天然金刚石能满足上述要求。近年来开发了多种化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护气氛钎焊金刚石技术，使天然金刚石刀具的制造过程变得比较简易，因此，在超精密镜面切削的高技术应用领域，天然金刚石起到了重要作用。




　　20世纪50年代利用高温高压技术人工合成金刚石粉以后，70年代制造出金刚石基的切削刀具即聚晶金刚石(PCD)，PCD晶粒呈无序排列状态，不具方向性，因而硬度均匀。它有很高的硬度(8000～12000HV)和导热性，低的热胀系数，高的弹性模量和较低的摩擦系数，刀刃非常锋利。它可加工各种有色金属和极耐磨的高性能非金属材料，如铝、铜、镁及其合金、硬质合金、纤维增塑材料、金属基复合材料、木材复合材料等。PCD刀具所含金刚石晶粒平均尺寸不同，对性能产生的影响也不同，晶粒尺寸越大，其耐磨性越高。在相近的刃口加工量下，晶粒尺寸越小，则刃口质量越好。例如，选用晶粒尺寸10～25μm的PCD刀具，可以500～1500m/min的高速粒尺寸8～9μm的PCD加工Si含量小于12%的铝合金：晶粒尺寸4～5μm的PCD加工塑料、木材等。而超精密加工，则应选用晶粒尺寸小的PCD刀具。通常PCD刀具是烧结成金刚石-硬质合金复合刀片焊接在刀体上使用。利用超高压装置，在5～6万个大气压，1400～1600℃的高温下，可人工合成形状整齐、杂质非常少的单晶金刚石，质量均匀稳定，结晶面非常清晰，识别容易。它具有所有物质中最高的导热率及与天然金刚石同等以上的强度。目前最大尺寸可达8mm。这种单晶金刚石的尺寸、形状和性能的良好一致性，在天然金刚石产品中是不可能实现的。它具有比PCD更好的耐磨性。PCD的耐磨性超过700℃时会减弱，因其结构中含有金属Co，它会促进“逆向反应”即由金刚石向石墨转变。但有较好的断裂韧性，可以进行断续切削。例如，可以2500m/min的高速端铣Si含量10%的铝合金。当前，人工合成单晶金刚石刀具材料的应用得到了迅速的发展，其新应用领域是木材加工业。对表面有氧化铝涂层的高耐磨层状木地板需求量越来越大。加工时，木板耐磨层会引起刃口钝化，导致氧化铝耐磨层碎裂，必须经常磨刀或更换刀片，而人工单晶金刚石性能显著优于PCD刀具。




　　目前正在研究和开发化学气相沉积CVD金刚石，沉积出的是交互生长极好的PCD，呈柱状结构且非常致密。随着生长条件的不同，CVD金刚石也呈现不同的晶粒尺寸和结构，它不需金属催化剂，因此它的热稳定性接近天然金刚石。根据不同的应用要求，可选择不同的CVD沉积工艺以合成出晶粒尺寸和表面形貌差别很大的PCD。作为刀具的CVD金刚石因其应用不同，要求有多种不同的晶粒尺寸。CVD金刚石制成两种形式：一种是在基体上沉积厚度小于30μm的薄层膜(CVD薄膜)：另一种是沉积厚度达1mm的无衬底的金刚石厚层膜(CVD厚膜)。目前CVD薄膜金刚石应用不多。CVD厚膜可以通过特殊的但简易可行的技术钎焊在基体上，但要保证钎焊点的强度。它与PCD相比，热稳定性好但脆性较高，且不导电。不能用于放电加工(EDM)技术中。CVD厚膜金刚石在木材加工刀具和修整刀具中得到推广应用。由于CVD厚膜金刚石的高纯度和高的耐磨性和热稳定性，在高耐磨性材料的高速切削加工领域具有很大的潜力。目前可用于EDM切削的CVD厚膜金刚石刀具材料也已制造成功，还有待于继续试验和评价。CVD厚膜金刚石目前的成本较高，随着技术的发展，成本逐渐降低，它将是PCD有力的竞争对手。




　　三种主要金刚石刀具材料——PCD、CVD厚膜和人工合成单晶金刚石各自的性能特点为：PCD焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高，抗磨损性和刃口质量居中，抗腐蚀性最差。CVD厚膜抗腐蚀性最好，机械磨削性、刃口质量和断裂韧性和抗磨损性居中，可焊接性差。人工合成单晶金刚石刃口质量，抗磨损性和抗腐蚀性最好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性最差。




　　金刚石刀具是目前高速切削(2500～5000m/min)铝合金较理想的刀具材料，但由于碳对铁的亲和作用，特别是在高温下，金刚石能与铁发生化学反应，因此它不宜于切削铁及其合金工件。




　　立方氮化硼




　　立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料。它是20世纪50年代末用制造金刚石相似的方法合成的第二种超硬材料——CBN微粉。由于CBN的烧结性能很差，直至70年代才制成立方氮化硼烧结块(聚晶立方氮化硼PCBN)，它是由CBN微粉与少量粘结相(Co、Ni或TiC、TiN、Al2O3)在高温高压下烧结而成。CBN是氮化硼的致密相，有很高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(1300～1500℃)，优良的化学稳定性(远优于金刚石)和导热性，低的摩擦系数。PCBN与Fe族元素亲和性很低，所以它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。PCBN组织中各微小晶粒呈无序排列，硬度均匀，没有方向性，具有一致的耐磨性和抗冲击性，克服CBN易解理和各向异性缺点。CBN含量、晶粒尺寸和粘结相等会影响PCBN的性能。CBN含量高，PCBN的硬度和导热性高，CBN晶粒尺寸大，其抗破损性就弱，刀刃锋利性就差，金属材料Co、Ni作粘结相时，PCBN有较好的韧性和导电性，陶瓷材料作粘结相时，则有较好的热稳定性。目前多将0.5mm左右的PCBN层直接烧结或钎焊在硬质合金基体上，做成PCBN复合片，有利于提高强度，可焊性也好，便于制造PCBN刀具。




　　PCBN刀坯从组织上看，大致有两种。一种是高含量PCBN(CBN，质量80%～90%)，以CBN晶粒之间直接结合为主，具有高硬度、高导热性。另一种是低CBN含量的PCBN，它是用少量金属或陶瓷粘结相牢固地结合起来的，有较好的强度和韧性。一般较低CBN含量(50%～65%)的PCBN刀具适于精加工45～65HRC的淬硬钢，高含量(80%～90%)的适于加工镍铬铸铁，粗和半粗断续切削淬硬钢，高速切削铸铁，加工硬质合金、烧结金属和重合金等。选择合适CBN含量的PCBN刀具可以在500～1500m/min高速下加工铸铁，在100～400m/min下加工45～65HRC的淬硬钢，在100～200m/min下加工耐热合金。但不宜加工以铁素体和45HRC以下的钢及合金钢、合金铸铁、耐热合金，特别不宜于加工35HRC以下的工件。涂层CBN刀具尚在研究中。




　　陶瓷刀具




　　陶瓷刀具为高速切削最重要的刀具材料之一。目前各国陶瓷刀片生产数量占可转位刀片的比例约为：美国3%～5%，俄罗斯5%～7%，日本7%～9%，德国9%～12%，英国、法国、瑞典等也在大力推广应用。由于现代陶瓷刀具原材料、组分和制备工艺取得了长足进步，近5年来，陶瓷刀具的销售额增长率达20%。国际上现已发展的陶瓷刀具主要是氧化铝基(Al2O3)和氮化硅基(Si3N4)两大系列，添加各种各样的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物，形成不同品种的氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具。现有40多个品种，200多个牌号，其中氧化铝基为25种多，氮化硅基的近15种。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，其硬度达93～95HRA，耐磨性好，适于加工50～65HRC的高硬度材料，如冷硬铸铁和淬硬钢。高温性能好，在1200℃的高温下仍能进行切削。具有良好的抗粘结性能，Al2O3与金属的亲和力小，它与多种金属的相互反应能力比很多碳化物、氮化物、硼化物都低，不容易与金属产生粘结，化学稳定性好，Al2O3在铁中的溶解率约为WC的1/5，扩散磨损小，Al2O3的抗氧化能力特别好，即使刀刃处于炽热状态，也能长时间连续使用，适于高速切削。陶瓷刀具的摩擦系数也低于硬质合金。Al2O3基陶瓷刀具的主要缺点是强度和断裂韧性较低，脆性较大，导热性差，抗热震性不高。但几十年来，在提高陶瓷刀具的力学性能上做了大量卓有成效的研究工作，如采用热压和热等静压工艺，加入各种增韧补强相，如在Al2O3中加入金属碳化物、氮化物、硼化物及纯金属和晶须等，如Al2O3+TiC、Al2O3+ZrO2、Al2O3+SiCw(晶须)、Al2O3+TiN，Al2O3+TiCN等，有的在这些组合陶瓷刀具中加入少量Mo、Ni等金属和稀土元素改善陶瓷刀具的性能。氧化铝基陶瓷刀具可以高速切削钢、铸铁及其合金等，Al2O3+SiCw适于加工镍基合金。





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poxiangzi

能不能说说PCD、PCBN在应用上有什么不同？