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如何正确选用金刚石刀具材料

返回列表 来源: 发布日期: 2019.04.10

核心提示:金刚石材料的 目前被广泛应用于生产制造中。本文介绍了近十几年来正在迅速发展的金刚石切削刀具材料的性能、品种,幷针对不同类的金刚石材料刀具的性能优劣,作出了选用建议。
  金刚石是碳的同素异形体,是目前已知的最硬物质,其显微硬度可达10,000HV,同时也是目前硬度最高的刀具材料。在合适的加工条件下,金刚石刀具相比高速钢、硬质 合金、陶瓷和聚晶立方氮化硼刀具的使用寿命更长。用它加工铜、铝等有色金属和非金属耐磨材料时的切削速度比硬质合金刀具高出一个数量级(例如铣削铝合金的切削速度为3000~4000m/min,高的甚至可达7500m/min),使用寿命是硬质合金刀具的几十甚至几百倍。金刚石刀具过去主要用于精加工,近十几年来通过改进生产工艺,控制原料纯度和晶粒尺寸,采用复合材料和热压工艺等,其脆性有了重大改进,韧性提高,使用可靠性显着改善,已经可以作为常规刀具在生产中应用,对提高工效、保证产品质量起着重要作用。
  金刚石刀具材料的性能优劣
   金刚石的硬度和耐磨性极高、切削刃非常锋利、刃部粗糙度值小、摩擦因数低、抗粘结性好、热导率高、切削时不易粘刀及产生积屑瘤、加工表面质量好。在加工有色金属时,表面粗糙度值可达R0.10?0.05μ m,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,与铁族元素接触时有化学反应(4C+3Fe →Fe3C4),在700~800℃时将碳化(即石墨化),一般不适用於加工钢铁材料。用它切削镍基合金时,同样也会迅速磨损。所以通常不推荐金刚石刀具加工高熔点金属及合金。此外,金刚石刀具刃磨困难,价格昂贵。表1中列出了金刚石刀具与硬质合金刀具二者性能的比较。
  金刚石刀具材料的品种分类
  金刚石刀具材料分为单晶金刚石(有天然和人造两种,天然单晶金刚石价格昂贵,部分被人造单晶金刚石替代)、人造聚晶金刚石(PCD)和人造聚晶金刚石与硬质合金复合刀片(PCD/CC)以及CVD金刚石。
  单晶金刚石
  单晶金刚石用作切削刀具必须是大颗粒的(质量大於0.1g,最小径长不得小於3mm) ,主要用于表面粗糙度、几何形状精度和尺寸精度有较高要求的精密和超精密加工应用领域。
  天然单晶金刚石是金刚石中最耐磨的材料。它本身质地细密,经过精细研磨,切削刃的刃口钝圆半径可小到0.008~0.005μm。但天然单晶金刚石较脆,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。由於使用条件苛刻,加上天然单晶金刚石资源有限,价格十分昂贵,所以生产上大多采用PCD、PCD/CC和CVD金刚石刀具。天然单晶金刚石主要用於某些有色金属的超精密切削加工或黄金首饰的生产中。
  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, 目前由于高温高压技术日趋成熟,能够制备一定尺寸的人工合成单晶金刚石,尤其在加工高耐磨的层状木板时,其性能要优于PCD金刚石,不会引起刃口过早钝化。
  人造聚晶金刚石(PCD)和人造聚晶金刚石与硬质合金复合刀片(PCD/CC)
  PCD是在高温(约1800℃)、高压(5~6MPa)下,利用钴等金属结合剂将许多金刚石单晶粉聚晶成多晶体材料,其硬度虽稍低于单晶金刚石,但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合,属各向同性,用作切削刀具时可以任意取向刃磨,无需像天然金刚石那样必须选用最佳的解理面作为前刀面。在切削时,切削刃对意外损坏很不敏感,抗磨损能力也较强,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背吃刀量(吃深),使用寿命一般高于WC基硬质合金刀具10~500倍,而且由於PCD中金属结合剂具有导电性,使得PCD便于切割成形,且原料来源丰富,其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一,已成为传统WC基硬质合金刀具的高性能替代品。
  为提高PCD刀片的韧性和可焊性,以硬质合金为基底,在其表面烧结或压制一层0.5~1mm厚的PCD而组成金刚石复合刀片(PCD/CC)。PCD/CC可用焊或机夹方式制作刀具。由于其可焊性好,重磨容易,成本低,故应用广泛。须指出的是,PCD和PCD/CC刀具的刃口锋利性和加工表面质量均不如单晶金刚石,同时其可加工性差,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可转位刀片和立铣刀等几何形状复杂的产品。
  CVD金刚石
  CVD金刚石是一种高抗磨性的纯金刚石材料,不含结合剂,它是在低压(﹤0.1MPa)下制备的。CVD金刚石主要有CVD薄膜涂层(CD)和CVD厚膜(TFD)两种形式。
  CD是用CVD(化学气相沈积)工艺,在硬质合金基体(常用K类合金)上沈积一层厚度约10~30μm,由多晶组成的膜状金刚石而成。因基体易于制成复杂形状,故适用于几何形状复杂的刀具,如丝锥、 钻头、立铣刀和带断屑槽可转位刀片等。国际工具巿场上已有CD刀具的产品,如瑞典Sandvik公司的CD1810和美国Kennametal公司的KCD25,主要用于有色金属及非金属材料的高速精密加工,刀具寿命比未涂层的硬质合金刀具提高近十倍甚至数十倍。但CD刀具不适于加工金属一类复合材料,因为复合材料中的硬质颗粒在很短时间内就会将刀具表面一层涂层磨穿,所以尽管CD刀具的价格比同类PCD刀具要低,但由于金刚石薄膜与基体材料间的粘着力较小,于是限制了它的广泛应用。
  金刚石刀具材料的性能优劣

  TFD是沈积厚度达1mm以上甚至几mm(De Beers公司沈积厚度可达5mm)的无衬底金刚石厚膜,根据需要再将厚膜切割成一定形状的小块,然後焊在硬质合金上形成复合刀片或刀具。TFD有很好的综合性能,它没有天然金刚石各向异性的缺点,由于没有金属结合剂,杂质含量低,纯度接近100%,故硬度和热导率比PCD更高(参照表1), 摩擦因数更小,化学稳定性更好,可采用比PCD刀具更高的切削速度,但韧性则稍低於PCD,由於不导电的缘故,故不能用於放电加工(EDM)技术中。TFD已在木材加工刀具和修整刀具上得到了广泛应用。国外已有TFD的产品(如De Beers公司的DIAFILM品牌)。尽管目前TFD刀具的价格较贵,但随着制造工艺的完善,今後TFD有望替代昂贵的天然金刚石刀具及部分PCD刀具。表2中列出了PCD、TFD和人工合成单晶金刚石三者性能的对比。
  由表2可知,PCD 、TFD(CVD厚膜)和人工合成单晶金刚石三者性能上各有特点, 在一定程度上能相互补充,可以根据不同具体情况以及其性价比加以选用。

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