金剛石和超硬材料的應(yīng)用
[ 發(fā)布日期：2009/5/4 10:12:44 ] 瀏覽人數(shù)： 3777
自1955年美國(guó)GE公司采用高溫高壓的方法獲得人造金剛石以來(lái)，引起全世界的關(guān)切，尤其是對(duì)缺乏天然金剛石礦藏的國(guó)家具有巨大的吸引力。1957年以高溫高壓的方法合成了立方氮化硼(CBN)。這些人造材料大大地豐富了材料寶庫(kù)，特別有利于切削工具的發(fā)展。當(dāng)時(shí)這些材料在機(jī)械http://www.stonebuy.com/machine/加工領(lǐng)域的主要用途是作磨料。經(jīng)過(guò)20多年的努力，1977年GE公司又成功地開(kāi)發(fā)了金剛石燒結(jié)體(PCD)和CBN燒結(jié)體(PCBN)，并制造成刀片，使人造超硬材料的用途進(jìn)一步擴(kuò)展，由磨削擴(kuò)展到了切削。
更可喜的是大顆粒的單晶金剛石和單晶CBN的合成，為取代天然金剛石創(chuàng)造了條件。據(jù)資料表明，當(dāng)前已經(jīng)合成的人造單晶金剛石中，最大的竟重達(dá)34.2克拉，但是要實(shí)際應(yīng)用尚有待進(jìn)一步的研究、探索，而且現(xiàn)在的成本也昂貴。
我國(guó)在人造金剛石方面的發(fā)展也十分迅速，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1993年全世界的產(chǎn)量為9億克拉，而我國(guó)已達(dá)到2.1～2.3億克拉，居世界首位。這表明我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的潛力相當(dāng)大。這門技術(shù)的發(fā)展為推動(dòng)超硬材料在我國(guó)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了前提。
化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)技術(shù)的突破，對(duì)切削工具的發(fā)展來(lái)說(shuō)是一次革命，先是涂復(fù)各種陶瓷材料，而今發(fā)展到了類金剛石膜、金剛石膜、和CBN膜的超硬材料的涂層。這種發(fā)展幾乎使所有切削工具相應(yīng)地提高了表面硬度。而今氣相沉積技術(shù)依然在發(fā)展，就金剛石而言，已從薄膜向厚膜擴(kuò)展，其沉積的速度由一般的每小時(shí)數(shù)微米發(fā)展到了最大每小時(shí)0.93mm。
今天科技在飛速發(fā)展，新材料大量涌現(xiàn)，其中相當(dāng)一部分是高合金鋼、高硅鋁合金、高強(qiáng)度的復(fù)合材料、這些都屬于難切削材料，如宇航工業(yè)常用的Inconel718鎳基合金即為一例。
1 由于超硬材料的發(fā)展，便大大緩解了這些材料難加工的局面。
當(dāng)前，工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家已將這些新材料的研究成果迅速地應(yīng)用到了制造行業(yè)，從而提高了生產(chǎn)率，特別是歐美和日本。我國(guó)雖然在這方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是在提高和應(yīng)用上存在著相當(dāng)大的差距。面對(duì)21世紀(jì)的挑戰(zhàn)，人造金剛石、人造CBN等超硬材料必將發(fā)揮出巨大的作用，人們可以拭目以待。
2 金剛石、超硬材料的特性與作用
天然單晶金剛石是世界上最硬的物質(zhì)，所以作為磨料和切削工具，其性能是無(wú)與倫比的，以金剛石車刀為例，其刃口圓弧半徑可以刃磨到連掃描電子顯微鏡也無(wú)法檢測(cè)，直到現(xiàn)在還沒(méi)有一種材料能取而代之，利用它來(lái)切削加工，往往可以直接獲得鏡面，當(dāng)前被廣泛地應(yīng)用于儀表、電子、光學(xué)等領(lǐng)域，成為不可缺少的切削工具的材料，但是因成本昂貴，刃磨需要高超的技藝，所以一直妨礙其廣泛的應(yīng)用。
超硬材料由于性能優(yōu)越，應(yīng)用不斷地在擴(kuò)大，已從金屬加工發(fā)展到了光學(xué)玻璃加工、石材http://www.stonebuy.com/加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等傳統(tǒng)加工難進(jìn)行的領(lǐng)域。
天然單晶金剛石，由于具有各向異性，因此各晶面的硬度相差甚大，在刀具刃磨時(shí)，擇其軟的一面作為研磨面，而將其硬的面作為前刀面或后刀面，這給研磨帶來(lái)了有利的條件，因其各向異性，所以在使用中，必須考慮到晶面的合理選擇，例如，硬度計(jì)的壓砧，在使用中，利用壓入或彈跳來(lái)衡量被測(cè)材料的硬度，但由于工作面的硬度不同，結(jié)果也各異，當(dāng)然采用硬的面，有利于延長(zhǎng)壽命，又如天然金剛石制造的拔絲模，由于孔的工作面由各晶面構(gòu)成，因此硬度不一致，磨損便不均勻，同時(shí)會(huì)給線材的圓截面造成應(yīng)力差異，硬度不勻，而影響使用，金剛石燒結(jié)體和厚膜金剛石，由于各向同性，在這類產(chǎn)品http://www.stonebuy.com/sample/上運(yùn)用就變得非常有利。
PCD、PCBN,因其晶粒不同，濃度不同，性能也就不同，必須合理選擇。
厚膜金剛石是純金剛石，其硬度接近天然金剛石，而PCD、PCDN是金剛石粉與結(jié)合劑混合在一起燒結(jié)而成，因此硬度受到結(jié)合劑的影響，其硬度不如前者。
眾所周知，金剛石與鐵系有親和力，只能用在有色金屬和非金屬材料上，而CBN即使在1000℃的高溫下，切削黑色金屬也完全能勝任。已成為未來(lái)難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剛石、人造CBN。這兩種材料的同時(shí)存在，起到了互補(bǔ)的作用、可以覆蓋當(dāng)前與今后發(fā)展的各種新型材料的加工，對(duì)整個(gè)切削加工領(lǐng)域極為有利。
金剛石切削工具的高精度刃磨需要高超的技藝，為了獲得更高精度的切削刃口圓弧半徑，特別是精度小于0.05μm以下的，對(duì)研磨機(jī)提出了相當(dāng)嚴(yán)格的要求，必須有極高回轉(zhuǎn)精度的主軸軸系，老式研磨機(jī)已不適應(yīng)，更多的開(kāi)始采用空氣軸承作為支承，研磨盤必須能在機(jī)床上加以修平，使其端面跳動(dòng)控制在 0.5μm以下。PCD和PCBN的刃磨相對(duì)而言比較容易，因?yàn)橛捕认鄬?duì)比較低，用金剛石砂輪就能勝任，而厚膜金剛石則不同，其硬度接近天然金剛石，并且是各向同性的，所以刃磨比較困難。
近來(lái)，金剛石切削工具的刃磨已引起人們的關(guān)切，新的刃磨方案相繼提出，其中熱化學(xué)方法介紹頗多，如日本東京工業(yè)大學(xué)吉川昌范教授用加熱到 800℃的鑄鐵盤來(lái)實(shí)施。在加速研磨的設(shè)想方面認(rèn)為，研磨工作量的70%在粗研，所以可以用熱化學(xué)方法先去除大部分的留量，然后再精研，可大幅度提高金剛石刃磨的工效。
3 金剛石及超硬材料應(yīng)用中的注意事項(xiàng)
天然單晶金剛石
在當(dāng)前的超精密加工中，天然單晶金剛石的切削工具已是必不可少。它可獲得極為鋒利的切削刃，其刃口圓弧半徑可以達(dá)到連掃描電子顯微鏡 (SEM)也無(wú)法檢測(cè)的程度。據(jù)日本大阪大學(xué)井川直哉教授介紹，最小可達(dá)2～4nm,這是當(dāng)前的最高水平，是通過(guò)切削獲得的厚為1nm的切屑推算出來(lái)的。 1986年日本專門成立了一個(gè)金剛石刀尖評(píng)價(jià)委員會(huì)，來(lái)解決刀尖的測(cè)量問(wèn)題，直至今天仍然沒(méi)有很好解決，只是從0.05μm提高到2～4nm。
1992年?yáng)|芝機(jī)械http://www.stonebuy.com/machine/的淺井昭一也曾提出過(guò)利用掃描隧道顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)進(jìn)行檢測(cè)的建議，但是并沒(méi)有再報(bào)道過(guò)，我國(guó)華中理工大學(xué)精儀系在1996年報(bào)道了用AFM取得了進(jìn)展，這是可喜的成就。
金剛石切削工具的刃磨，雖已有不小的成就。但仍然是以經(jīng)驗(yàn)為主，依舊是一個(gè)有待解決的課題。金剛石切削工具的幾何參數(shù)也許是實(shí)踐不足，所以迄今還有待探索。一般其前角為0°，后角為5～6°，其端部有兩種，一是圓弧，另一為直線，后者有時(shí)稱為修光刃，其長(zhǎng)度根據(jù)被加工材料來(lái)選擇。圓弧車刀在切削過(guò)程中的調(diào)整比較簡(jiǎn)單，而平刃的調(diào)整相對(duì)而言是很費(fèi)時(shí)的。如果應(yīng)用在高精度的曲面加工中，圓弧的刃磨要求就很嚴(yán)格，它精度的優(yōu)劣會(huì)復(fù)印在曲面上。據(jù)資料表明，日本大阪金剛石制作所在數(shù)年前就能達(dá)到R±0.05μm,英國(guó)則更高，達(dá)到R±0.02μm。
切削過(guò)程中，金剛石的導(dǎo)熱性優(yōu)越，散熱快，但是要注意切削熱不宜高于700℃，否則會(huì)發(fā)生石墨化現(xiàn)象，工具會(huì)很快磨損。因?yàn)榻饎偸诟邷叵潞蚖、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會(huì)發(fā)生反應(yīng)。
金剛石燒結(jié)體(PCD)
PCD的出現(xiàn)，在許多方面代替了天然單晶金剛石。PCD與天然金剛石比較，價(jià)格便宜，且刃磨遠(yuǎn)比天然金剛石方便，所以其應(yīng)用、推廣特別迅速。在大量涌現(xiàn)的新材料中，大部分都是難加工材料，如高硅鋁合金，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞大量采用這種材料。一般，含硅量低于10%的鋁合金，用硬質(zhì)合金切削工具即可，但含硅量超過(guò)10%,就只能借助PCD。當(dāng)前采用的高硅鋁合金含硅量均在12%以上，有的已達(dá)18%以上，所以非PCD莫屬。
但是，由于PCD的種類很多，有合理選擇的必要。
其粒度、濃度等都會(huì)影響到硬度、耐磨性等性能。因此，在應(yīng)用中也必須根據(jù)被加工材料的種類。硬度等特性來(lái)考慮合理的各種參數(shù)。由于其具有各向同性，耐磨性比較好，加工成拔絲模甚至優(yōu)于天然單晶金剛石。
PCD在國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)已十分普及，但是質(zhì)量有較大的差異，因此在價(jià)格上出入很大。國(guó)內(nèi)曾用美國(guó)超細(xì)粒度的GE公司的刀片，在PneumoPreci～sion的SMG325超精密機(jī)床上做了切削試驗(yàn)，曾達(dá)到接近鏡面的表面粗糙度。
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