【超硬刀具材料】超硬刀具材料有哪些 超硬刀具主要材料
超硬刀(dao)具材料是指與天然(ran)金(jin)剛石的硬度、性能相(xiang)近的人造金(jin)剛石和(he)CBN(立方氮化(hua)硼(peng))。由于天然(ran)金(jin)剛石(shi)價格(ge)比較昂貴(gui),所以生產上大多采用人造聚晶金(jin)剛石(shi)(PCD)、聚晶立(li)方氮化(hua)硼(PCBN),以及它們的復合材料。
材質及規格
1、圓管(guan):1~2032mm 厚度(du):0.15~12mm
2、方管:5*5~300*300mm 厚度:0.3~8.0mm
3、矩形管:5*10~200*300 mm 厚度:0.3~8.0 mm
4、橢圓管:10*20~125*300mm 厚(hou)度:0.4~6.0mm
5、平橢管:10*20~63*172mm 厚度:0.4~6.0mm
6、花管:15.9~88.9mm 厚度:0.7~2.0mm
7、角(jiao)鋼:15*15~100*100mm 厚度(du):0.8~6.0mm
8、扁(bian)鋼10*20~100*200 mm 厚度:0.8~6.0mm
不銹鋼板(ban)材質(zhi)及規格(ge):201、202、304、304L、316L、321、430等。
寬*長:
1000mm*2000mm 厚度0.3mm~85mm
1220mm*2440mm 厚度(du)0.3mm~85mm
1204mm*3050mm 厚度0.3mm~85mm
1500mm*6000mm 厚度0.3mm~85mm本質
人工合成(cheng)單晶(jing)金(jin)剛石的尺(chi)寸(cun)、形狀和性能都具有良(liang)好的一(yi)致性,目前由于高溫高壓的技術日趨成(cheng)熟,能夠制備具有一(yi)定尺(chi)寸(cun)的人工合成(cheng)單晶(jing)金(jin)剛石,De Beers公司和美(mei)國生(sheng)產的合成(cheng)單晶金剛石顆粒尺寸可達(da)9-10mm,使其(qi)在生產(chan)中應(ying)用迅速發(fa)展。尤其(qi)在加工高(gao)耐磨的層狀(zhuang)木板時,其(qi)性能要優于PCD金剛石,不(bu)會引起刃(ren)口過早鈍化。
人造聚晶金剛石(PCD)
PCD又稱金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)燒結體,是在高溫(wen)超(chao)高壓條件下,通過(guo)鈷(gu)等(deng)金(jin)屬結合劑將金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)微粉聚(ju)(ju)合成的多晶體材料。其硬度雖(sui)低于天然單(dan)晶金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi),但它是隨機取向(xiang)的金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)晶粒的聚(ju)(ju)合,屬各向(xiang)同性,用作刀具(ju)時(shi)可(ke)以(yi)任(ren)意取向(xiang)刃磨,無(wu)需像ND必(bi)須(xu)選用最佳的(de)解理面作為前刀面。在切(qie)(qie)削時,切(qie)(qie)削刃對(dui)意外損壞不很敏感(gan),抗(kang)磨損能力也很強,可長時間保持鋒利的(de)切(qie)(qie)削刃,加工時可采用很高(gao)的(de)切(qie)(qie)削速度(du)和較大的(de)吃刀量(例如在車(che)削(xue)(xue)或鏜削(xue)(xue)鋁合(he)金、黃(huang)銅、青銅及其合(he)金時,切(qie)削(xue)(xue)速(su)度為(wei)300-1000m/min,進(jin)給量為0.05-0.5mm/r,吃刀量可達(da)10mm),使用壽命一(yi)般(ban)高于硬質合金(WC基(ji))刀具10-500倍,而且(qie)PCD原料來(lai)源豐富(fu),其(qi)價格只有ND的(de)幾十分之一至十幾分之一,因此應用廣泛(fan),成為(wei)傳統WC刀具的高(gao)性能(neng)替(ti)代(dai)品。
PCD的性能與金(jin)剛石的晶粒(li)尺寸及(ji)結合(he)劑的含量有關。De Beers公司生(sheng)產的PCD刀片有002、010和025幾種,晶(jing)粒(li)的平均尺寸分別為(wei)2、10和25微(wei)米。晶粒尺寸越大,耐磨性越好,但(dan)刃口質量稍差,難以制(zhi)成高(gao)精度(du)刀(dao)具(ju)。相反,用細(xi)晶粒PCD制成的(de)刀具、刃口質量好。
為提高PCD刀片的韌性和可焊性,通(tong)常將PCD與硬質合金(jin)復合做成復合刀片(PCD/CC),即以硬質合金為基底,在(zai)其表面(mian)燒結或(huo)壓制一層0.5-1mm厚的PCD而成。這種(zhong)復合(he)刀片(又稱壓層刀片)的(de)抗彎強(qiang)度與硬(ying)質合金(jin)基(ji)本(ben)一(yi)致,而工作表面的(de)硬(ying)度接(jie)近整體PCD,且可焊性好(hao),重磨容易,成本低,故應用(yong)廣泛。PCD/CC常用(yong)焊或機夾方式制(zhi)作刀具。英國Smith公司研制多層金剛石(shi)復合(he)片,其頂層金剛石(shi)濃度為100%,往下逐步下降,同時硬質合金(jin)逐漸增(zeng)加(jia),到襯底全部為硬質合金(jin)。這(zhe)種復合片的(de)(de)強度(du)高,抗沖擊性能好,特(te)別適用于吃刀(dao)量(liang)大、有沖擊載荷(he)的(de)(de)加(jia)工(gong)使用。日本住(zhu)友電(dian)工(gong)公司采用鐵(tie)基合金(jin)作(zuo)基體,所(suo)制(zhi)造(zao)的(de)(de)金(jin)剛石復合片鉆頭(tou)因PCD與(yu)鋼刀體(ti)有(you)親和作用,可保證(zheng)復(fu)合片(pian)與(yu)刀體(ti)的連結(jie)更為牢(lao)固(gu)。
必須指出,PCD刀具的刃口鋒利性和加工的工件表面質量均不如ND,同(tong)時其可(ke)加工性很差,磨削比小(xiao),難(nan)以根據刀頭的幾(ji)何形狀任意成形,至今(jin)還(huan)不能方便地制造帶斷(duan)屑(xie)槽的可(ke)轉位(wei)PCD刀片和立銑刀等幾何形狀復雜(za)的產品。
聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶立方氮化硼(peng)復合片(PCBN/CC)PCBN或PCBN/CC制造(zao)方法與PCD或PCD/CC相似,是(shi)以(yi)CBN為原料(liao),經(jing)高溫高壓制(zhi)成聚(ju)晶立方(fang)氮化硼或(huo)其復合片(PCBN/CC)。PCBN/CC的性(xing)能兼有較好的韌性(xing)和較高(gao)的硬(ying)度及耐(nai)磨性(xing),抗彎強(qiang)度可達1.47GPa,可經多(duo)次重磨使用(yong)。
PCBN的性(xing)能與CBN的粒度、含量及結合(he)劑種(zhong)類有關,按其組織大致可分為兩大類∶一類是由CBN晶(jing)粒直(zhi)接結(jie)合而(er)成,CBN含(han)量多(70%以上),硬(ying)度高(gao),適用于耐(nai)熱合金(jin)(jin)、鑄(zhu)鐵和鐵系燒(shao)結金(jin)(jin)屬的(de)切(qie)削加工;另(ling)一類是以CBN晶粒為主體,通過陶瓷(ci)結(jie)合劑(主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al2O3等)燒結而成,這類PCBN中CBN含量(liang)少(70%以下),硬度低,適用于(yu)淬硬鋼的切削(xue)加(jia)工。
CVD金剛石
PCD、PCBN和人工合成(cheng)(cheng)單晶金剛石均是在(zai)高(gao)溫高(gao)壓下合成(cheng)(cheng)的(de),而CVD金剛石(shi)是在(zai)低壓(ya)下合成的(de)
CVD金剛石有兩種(zhong)形式∶CVD薄膜涂層(ceng)(CD)和CVD厚(hou)膜(TFD)。
CD是(shi)用CVD工藝,在硬(ying)質合金基體(常用K類合金)上沉積一層厚度(du)約10-30微米,由(you)多晶(jing)組成(cheng)的膜狀(zhuang)金剛(gang)石而成(cheng)。因基(ji)體(ti)易于制成(cheng)復雜形狀(zhuang),故適用于幾何形狀(zhuang)復雜的刀具。據報(bao)道(dao),美國和日本等國家已相繼推出了CD的(de)絲錐(zhui)、鉆頭(tou)、立銑(xian)刀和帶斷(duan)屑槽的(de)可(ke)轉位刀片(如瑞(rui)典Sandvik公司的CD1810和美國Kennametal公司(si)的KCD25牌號)等產品,用于有色(se)金(jin)屬和非金(jin)屬材料的高速精密加工,刀具壽命比未涂層的硬質合(he)金(jin)刀具提高近十(shi)倍,有些甚(shen)至數十(shi)倍。
TFD是沉(chen)積(ji)厚(hou)度可(ke)達1mm的無襯底(di)金(jin)(jin)剛石厚(hou)膜,根據需要(yao)再(zai)將厚(hou)膜切割(ge)成一定的大小,然后焊在硬(ying)質合金(jin)(jin)刀片上使用。
TFD有很好的綜合(he)(he)性(xing)能(neng),它沒有天然金剛石(shi)各向(xiang)異(yi)性(xing)的缺點,由于不用金屬結合(he)(he)劑,雜質含量低,純度接近(jin)100%,故硬度和熱導率(lv)比(bi)PCD更高(gao),摩擦因數(shu)更小,化學穩定性更好,可采(cai)用(yong)比PCD刀(dao)具更高(gao)的切削速度(du),韌性和強度(du)則稍低于PCD。外國已有TFD的商品供應。TFD未來可取代昂貴的(de)天然金剛石(shi)刀具或PCD金剛石刀具。
電鍍金剛石或電鍍CBN
電(dian)鍍金剛(gang)石或電(dian)鍍CBN是以金(jin)屬鎳和(he)鈷(gu)等作結合劑,利(li)用電鍍工藝把金(jin)剛石或CBN的(de)細小(xiao)顆粒包(bao)鑲在(zai)一定尺(chi)寸(cun)和(he)幾何形狀的(de)刀(dao)具基體表面,再(zai)經適當修磨(mo)制成。此法制造(zao)工(gong)藝簡(jian)單(dan),只(zhi)需要(yao)電(dian)鍍設備(bei)即可。例(li)如,鄭州磨(mo)料(liao)磨(mo)具磨(mo)削研究所和(he)山東蓬(peng)萊金(jin)剛石(shi)(shi)工(gong)具廠等(deng)生產的(de)電(dian)鍍金(jin)剛石(shi)(shi)或電(dian)鍍CBN鉸刀(dao)屬于這類刀(dao)具。使用表明,用其(qi)可成功(gong)地加工(gong)尺寸(cun)精(jing)度(du)和幾何形狀精(jing)度(du)都小于2Mm、表(biao)面粗糙度達Ra0.2-0.1微米的孔。例如(ru),廣泛用于液壓隨動系統和(he)燃(ran)油系統精密偶件的閥(fa)孔,目(mu)前生產上最終(zhong)工序大多以這種鉸刀(dao)加工。
性能特點
金剛石具有(you)極高的硬度和耐(nai)磨性(xing),其顯微硬度可達10000HV,是刀具(ju)材(cai)(cai)(cai)料(liao)中最硬(ying)的(de)材(cai)(cai)(cai)料(liao)。同時(shi)它的(de)摩擦(ca)系數(shu)小,與非鐵(tie)金(jin)屬無(wu)親和力,切屑易流出,熱(re)導(dao)率高(gao),切削時(shi)不易產生(sheng)積屑瘤(liu),加工表面質量好。能有效(xiao)地加工非鐵(tie)金(jin)屬材(cai)(cai)(cai)料(liao)和非金(jin)屬材(cai)(cai)(cai)料(liao),如銅、鋁等有色金(jin)屬及其合(he)(he)金(jin)、陶瓷(ci)、末(mo)燒結的(de)硬(ying)質合(he)(he)金(jin)、各(ge)種纖(xian)維和顆(ke)粒加強的(de)復合(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)、塑料(liao)、橡膠(jiao)、石墨、玻(bo)璃和各(ge)種耐磨的(de)木材(cai)(cai)(cai)(尤其是實(shi)心木和膠(jiao)合(he)(he)板等復合(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao))。
金剛石的缺點是韌性(xing)差,熱穩定性(xing)低。700℃~800℃時容易碳(tan)化,故(gu)不適(shi)于加(jia)工鋼鐵材料。因為(wei)在高溫下鐵原(yuan)子(zi)容易與碳(tan)原(yuan)子(zi)作用而使其轉化為(wei)石墨結構。此(ci)外,用它(ta)切削鎳基合金(jin)時,同樣(yang)也會迅速(su)磨損。
CBN的(de)硬度僅次于金剛(gang)石(可(ke)達(da)8000HV~9000HV),并且熱(re)穩定性高(gao)(達1250℃~1350℃),對(dui)鐵(tie)族元(yuan)素化學惰性大,抗(kang)粘結(jie)能力強,而且用金剛石砂輪(lun)即可磨(mo)削開刃,故(gu)適于加工各種淬硬(ying)鋼(gang)、熱噴涂材料、冷硬(ying)鑄鐵(tie)和35HRC以上的鈷基和(he)鎳基等難切削材(cai)料(liao)。