超硬刀具材料研究的进展

2021年11月16日 来源:

超硬刀具材料研究的进展

天然和合成单晶金刚石

天然和人工合成的单晶金刚石一般是按照应用领域进行产品分类,它们都能用作切削刀具、修磨机和拉丝模具。它们都被设计成为用于对表面光洁度、几何形状和尺寸有较高要求的精密加工应用领域。单晶金刚石刀具切削的工件表面呈连续状,而聚晶金刚石刀具切削的工件表面呈现出微米量级的不连续状态,工件表面的状况或多或少与金刚石刀具材料的晶粒尺寸有关,尽管对工件和加工刀具的精密特性需进行认真考虑,但有一个总的原则,那就是要求金属表面光洁度优于2.225μm的情形需用单晶金刚石刀具和具有高刚性和高质量支架的机加工工具。

天然金刚石早已被证明可成功应用于这些领域。然而,当前高温高压技术的发展使得制备出具有一定尺寸的人工合成单晶金刚石成为可能,目前最大尺寸可达8mm。采用高压技术制备金刚石的典型例子是De Beers MONODITE系列。人工合成单晶金刚石刀具的粗坯是沿着平行于2b型合成金刚石的面或沿一个厚2mm边缘长度达8mm的薄片所提供的平面锯开所制得。这种工程材料的优点在于其尺寸、形状和性能都具有良好的一致性,这在天然产品中是不可能实现的。另外各种尺寸尤其是大尺寸天然金刚石的缺乏、不同金刚石品质的区别以及对金刚石的选择、取向和刀具尖端的预处理等专业技巧的要求都对天然金刚石的价格因素产生重要影响,从而大大限制了它在更广泛领域的应用。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。

成都工研科技的

焊接式天然单晶金刚石刀具

聚晶金刚石

金刚石刀具的应用已迅速扩展到许多制造工业领域,尤其是在汽车和木材加工工业,成为传统的WC刀具的高性能替代产品。作为一种公认价格低廉且可用刃口长度达72mm的产品,PCD的应用发展速度很快。

PCD的性能主要依赖于它的应用场合所涉及的加工过程,但选择适当的牌号或晶粒尺寸也会对其性能产生影响。标准牌号包括222,222和225三种,它们初始晶粒平均尺寸分别为2、22、25μm。总的来说,牌号越大,其耐磨性越好;在相接近的刃口加工量下,牌号越小,其刃口质量越好。

金刚石刀具在层状木材地板加工中的应用

近年来,人工合成单晶金刚石的一个新应用领域是木材加工业,这主要是它具有高度耐磨性。PCD刀具在木材加工中早已应用于MDF和粗纸板的机械加工,当前对表面有氧化铝涂层的高度耐磨层状木地板的需求量越来越大,但是在研磨这种木板边缘时对包括PCD在内的刀具提了特殊的要求,因为木板耐磨层会引起刃口的钝化,导致氧化铝耐磨层的碎裂。所以刀具必须经常修整,直至重新研磨或更换,这势必导致很长的停工时间。据报道,在该领域应用时,人工合成单晶金刚石的性能优于PCD。

化学气相沉积金刚石

PCD、PCBN和人工合成单晶金刚石均是在高温和高压下合成的,而CVD金刚石是在低压下制备的。碳基气体和氢气的混合物在高温和低于大气压的压力下分解形成金刚石沉积在基体上。沉积出的是交互生长极好的聚晶金刚石,它呈柱状结构且非常致密。随着生长条件的不同,CVD金刚石也呈现出不同的晶粒尺寸和结构。CVD金刚石不需金属催化剂,因此它的热稳定性接近天然金刚石。

可以根据需要对晶粒尺寸和沉积技术进行选择。例如在非刀具的应用场合,如热控制和光学视窗,对CVD金刚石的性能要求明显不同于切削刀具。根据不同的应用需要选择不同的CVD沉积工艺可以合成出晶粒尺寸和表面形貌差别很大的聚晶金刚石。由于对刀具的性能要求是多种多样的,所以可能要多种不同晶粒尺寸的CVD金刚石才能满足各种应用的需要。

实际上,CVD金刚石刀具有两种形式:第一种是在适当基体上沉积厚度小于32μm的薄层,例如ISO刀片和麻花钻头的刃口是两种典型的薄涂层。第二种是沉积厚度达2mm的无衬底的金刚石层,如果需要的话,它可以钎焊在基体上。

CVD金刚石薄膜

如果要达到对CVD薄膜的沉积和结合强度满意的程度,则基体材料的性质和制备显得非常重要。直至目前,该项技术仍限制着CVD涂层的设备,因此目前在CVD制备薄膜领域的大部分工作都致力于对它的研究。好的基体材料是WC,因为它的机械性能同金刚石较匹配,而且刀具制造商对WC基的刀具材料很熟悉,很愿意用它作为基体材料。

对加有涂层的刀具材料的第二个限制是基体上的涂层必然在刃口上形成倒圆,这将限制涂层的厚度,因而有必要对加有涂层的刃口进行处理。至目前为止,薄膜金刚石产品的市场还不是很大。

CVD金刚石厚膜

与此相反,CVD金刚石厚膜可以通过特殊的、简便易行的技术钎焊在所要求的基体上。然而这种钎焊点的强度决不等同于PCD强度,在用于间断切削这种高要求的机械加工过程时,这种连接就显得很脆弱。不然的话,CVD金刚石厚膜将能在整个机械加工应用领域同PCD竞争。它同PCD相比,其主要优点是它的热稳定性更好,其缺点是较高的脆性和不导电性。缺乏导电性阻碍了它用于放电腐蚀切削和加工技术,该项技术在金刚石刀具加工业,尤其是在木材加工用刀具的生产和修整上得到了广泛应用。但是能用EDM切削的厚CVD刀具材料已经制造出来,目前正在对它进行评估。它潜在的应用领域还有对高耐磨工件的机械加工,在这种场合主要利用了CVD金刚石厚膜中金刚石的高纯度以及由此带来的耐磨性和热稳定性的提高。

目前CVD金刚石厚膜的成本较高,随着技术的发展,其制造成本会逐步降低,并最终会进入超硬工具工业领域。

CVD CBN

CVD CBN与金刚石不同,金刚石由单一元素组成,而它是化合物,包括化学计量在内的众多问题都使它的生长工艺更为复杂。尽管经过多年研究,实际上所有的CVD CBN涂层都是多相微晶材料。同高质量的CVD金刚石相比,CVD CBN更象“类金刚石碳”。发展涂有DLC涂层刀具的应用是很有可能的,尽管到目前为止,这种应用前景还未明显显现。

结论

综上所述,各种不同形式的金刚石切削刀具能很好地相互补充。然而也存在一些相互交叉的应用领域,在这些领域需对刀具产品进行合理选择。最有可能出现交叉应用的有以下两类产品:①天然和人工合成的单晶金刚石;②PCD和CVD金刚石厚膜。

人工合成的单晶金刚石已经发展到一个较为先进的水平,已有国际标准对产品质量进行鉴定。在天然金刚石中,大尺寸金刚石较为少见,而人工合成大尺寸金刚石的成功为开辟新的应用领域提供了可能。

可加工级的CVD金刚石厚膜具有很高的机械强度和良好的热学性能,它的迅速发展表明CVD金刚石将在刀具工业中发挥积极作用。

用合成金刚石替代天然金刚石、用CVD金刚石替代PCD的发展程度都取决于技术和经济两方面的因素。价格和性能的关系、刀具制造商和最终用户对CVD金刚石的信任程度尤其是成型、研磨和钎焊工艺的容易程度等都将影响其发展的最终结果。但有一点是肯定的,那就是必然向更高生产率和更高切削速度的方向发展。随着更耐磨、更难加工的工件材料日益增多,各类金刚石刀具的应用也将持续增加。

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