超硬材料網

　　目前，在世界上已知的材料中，金剛石和立方氮化硼是最硬的兩種材料。由于它們的硬度大大超出其它材料的數倍，因而人們將這兩種材料稱為超硬材料。金剛石由于性能優越，應用不斷地在擴大，已從金屬加工發展到了光學玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等傳統加工難進行的領域，對各種工業的發展將起到巨大的推動作用，金剛石工具的前景十分廣闊。
　　一、概述
　　超硬刀具材料是指比陶瓷材料更硬的刀具材料。包括：單晶金剛石、聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD金剛石等。超硬刀具主要是以金剛石和立方氮化硼為材料制作的刀具，其中以人造金剛石復合片(PCD)刀具及立方氮化硼復合片(PCBN)刀具占主導地位。許多切削加工概念，如綠色加工、以車代磨、以銑代磨、硬態加工、高速切削、干式切削等都因超硬刀具的應用而起，故超硬刀具已成為切削加工中不可缺少的重要手段。隨著科技的進步，制造業的高速發展，CNC加工技術的迅猛發展以及數控機床的普遍使用，超硬刀具的生產及應用也越來越廣泛。PCD和PCBN刀具已廣泛應用于機械加工的各個行業，如汽車零部件的切削加工，強化木地板的加工等，極大地促進了切削加工及先進制造技術的飛速發展
　　三、金剛石、超硬材料的特性與作用
　　眾所周知，金剛石材料的成分是碳，金剛石與鐵系有親和力，切削過程中，金剛石的導熱性優越，散熱快，但是要注意切削熱不宜高于700度，否則會發生石墨化現象，工具會很快磨損。因為金剛石在高溫下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會發生反應，與黑色金屬(鐵碳合金)在加工中會發生化學磨損，所以，金剛石不能用于加工黑色金屬只能用在有色金屬和非金屬材料上，而CBN即使在1000oC的高溫下，切削黑色金屬也完全能勝任。已成為未來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。這兩種材料的同時存在，起到了互補的作用、可以覆蓋當前與今后發展的各種新型材料的加工，對整個切削加工領域極為有利。
　　1．PCD
　　金剛石燒結體（PCD）的出現，在許多方面代替了天然單晶金剛石。PCD與天然金剛石比較，價格便宜，且刃磨遠比天然金剛石方便，所以其應用、推廣特別迅速。在大量涌現的新材料中，大部分都是難加工材料，如高硅鋁合金，汽車發動機的活塞大量采用這種材料。一般，含硅量低于10%的鋁合金，用硬質合金切削工具即可，但含硅量超過10%,就只能借助PCD。當前采用的高硅鋁合金含硅量均在12%以上，有的已達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、濃度等都會影響到硬度、耐磨性等性能。因此，在應用中也必須根據被加工材料的種類。硬度等特性來考慮合理的各種參數。PCD在國內外的生產已十分普及，但是質量有較大的差異，因此在價格上出入很大。
　　2．PCBN
　　立方氮化硼燒結體（PCBN）是CBN顆粒與結合劑一起燒結而成，硬度僅次于金剛石，與黑色金屬無親和力。但是，PCBN不適于切削一般的鋼件。PCBN刀具材料性能如下：
　?。?）具有較高的硬度和耐磨性。
　　CBN晶體結構與金剛石相似，化學鍵類型相同，晶格常數相近，因此具有與金剛石相近的硬度和強度。CBN微粉的顯微影度為HV8000-9000，其燒結體PCBN的硬度為HV3000-5000。
　　（2）具有很高的熱穩定性。
　　CBN的耐熱性可達1400-1500℃，PCBN在800℃時的硬度還高于陶瓷和硬質合金的常溫硬度。
　?。?）具有優良的化學穩定性。
　　由于PCBN耐高溫，在大氣和水蒸氣中，在900℃以下無任何變化且穩定，甚至在1300℃時，和Fe、Ni、Co等也幾乎沒有反應，更不會像金剛石那樣急劇磨損，這時它仍能保持硬質合金的硬度，因此，它不僅能切削淬火過的鋼零件或冷硬鑄鐵，而且能被廣泛應用于高速或超高速的切削工作上。
　?。?）具有較好的導熱性。
　　在各類刀具材料中，CBN的導熱性僅次于金剛石，大大高于硬質合金，而且隨著溫度的升高，PCBN的導熱系數是增加的。
　?。?）具有較好的摩擦系數。
　　與不同材料間的摩擦系數CBN為0.1-0.3,硬質合金為0.4-0.6,隨著切削速度的提高,摩擦系數是減小的。