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一文了解金剛石種類和應用

發布者:admin 時間:2019-06-19 11:24:00
金剛石刀具的種類與選用
引言
  目前世界上金剛石的年耗量大約以8%~10%的速度增長,有人預言, 21世紀將是金剛石全面應用的時代。我國對人造金剛石的研究與應用20世紀70年代,并于1969年在貴陽建造了第1個人造金剛石及其制品的專業生產廠——第六砂輪廠。從1970~1990年,人造金剛石年產量從46萬克拉增至3 500萬克拉。20世紀90年代前后,從國外引進了先進設備及金剛石生產技術,產量迅速增長,1997年我國人造金剛石年產量已達到5億克拉左右,生產量位居世界首位。
 
  金剛石是碳的同素異形體,是目前已知的最硬物質,其顯微硬度可達HV10 000,作為刀具材料,也是目前最硬的,并已得到廣泛應用。在合適的切削加工條件下,金剛石刀具比高速鋼、硬質合金、陶瓷和聚晶立方氮化硼等刀具的使用壽命都要長。特別是用金剛石刀具切削加工銅、鋁等有色金屬和非金屬耐磨材料時特別有效,其切削速度可比硬質合金刀具高一個數量級,例如銑削鋁合金的切削速度為3 000~4 000m /m in,甚至可達7 000m /m in;且這時的金剛石刀具使用壽命也比硬質合金刀具高幾十、甚至幾百倍。金剛石刀具不但可用于一般的車、鏜、銑削,還成功地用于精密孔的加工,圖1~圖3為常用的幾種金剛石刀具。

金剛石刀具材料的性能
 
  金剛石不但有極高的硬度和耐磨性,而且切削刃非常鋒利,刃部粗糙度值小,摩擦因數低,抗黏結性好,熱導率高,切削時不易黏刀及產生積屑瘤,加工表面質量好。加工有色金屬時,表面粗糙度值可達Rz0. 1~0. 05μm,加工精度可達IT5(孔IT6)級以上,能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料,如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、未燒結的硬質合金、各種纖維和顆粒加強的復合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨木材(尤其是實心木和膠合板、MDF等復合材料)。
  金剛石的缺點是韌性差,熱穩定性低,與鐵族元素接觸時有化學反應(4C+ 3Fe→Fe3C4),在700~800℃時將碳化(即石墨化),一般不適于加工鋼鐵材料。此外,金剛石刀具刃磨困難,價格昂貴。表1中列出了金剛石刀具與硬質合金的特性對比。


金剛石刀具的種類與選用
 
  金剛石刀具的種類較多,可分為:單晶金剛石刀具、聚晶金剛石(PCD)、聚晶金剛石復合片(PCD /CC )、CVD金剛石刀具和電鍍金剛石刀具。
 
  單晶金剛石刀具
  單晶金剛石有天然的(ND)和人工合成的2種。
 
  單晶金剛石用作切削刀具必須是大顆粒的,一般其質量要大于0. 1 g,其最小直徑和長度均不得小于3mm,單晶金剛石刀具主要用于對表面粗糙度、幾何形狀精度和尺寸精度有較高要求的精密加工領域。
  天然單晶金剛石是金剛石中最耐磨的材料它本身質地細密,經過精細研磨,切削刃的刃口圓弧半徑可小到0. 010~0. 002μm。但天然單晶金剛石較脆,其結晶各向異性,不同晶面或同一晶面不同方向的晶體硬度均有差異,在進行刃磨和使用時必須選擇合適的方向,使用條件較為苛刻,且資源有限,價格十分昂貴。天然單晶金剛石刀具主要用于某些有色金屬的超精密切削加工或用于黃金首飾的生產加工中。
人工合成單晶金剛石的尺寸、形狀和性能都具有良好的一致性,目前由于高溫、高壓技術日趨成熟,能夠制備一定尺寸的人工合成單晶金剛石,南非De Beers公司和美國生產的合成單晶金剛石顆粒尺寸可達9~10mm,使人工合成單晶金剛石的應用在工業生產中得到了迅速的發展。尤其在加工高耐磨的層狀木板時,其切削性能要優于PCD金剛石,不會引起刃口的過早鈍化。
 
  聚晶金剛石及其復合刀片(PCD /CC)
 
  PCD是在高溫、高壓下,利用鈷等金屬結合劑將許多金剛石單晶粉聚晶成多晶體材料。其硬度雖然稍低于單晶金剛石,但它是隨機取向的金剛石晶粒的聚合,屬各向同性,用作切削刀具時可以任意取向刃磨,而無需像刃磨天然金剛石(ND)那樣必須選用最佳的解理面作為前刀面。而且PCD原料來源豐富,其價格只有ND的幾十分之一至十幾分之一。在切削時,切削刃對意外損壞不很敏感,抗磨損能力也較強,可長時間保持鋒利的切削刃,加工時可采用很高的切削速度和較大的切深,例如在車削或鏜削鋁合金、黃銅、青銅及其合金時,切削速度為300~1 000m /m in,進給量為0. 05~0. 5mm /r,切深可達10mm,使用壽命一般高于WC基硬質合金刀具10~500倍,已成為傳統WC基硬質合金刀具的高性能替代品。為提高PCD刀片的韌性和可焊性,可用硬質合金為基底,在其表面燒結或壓制一層0. 5~1mm厚的PCD而組成金剛石復合刀片(PCD /CC)。PCD /CC可用釬焊或機夾方式制作刀具。由于其可焊性好,重磨容易,成本低,故應用廣泛。英國Sm ith公司研制的多層金剛石復合刀片,其頂層金剛石濃度為100%,往內逐步下降,同時硬質合金逐漸增加,到襯底全部為硬質合金。這種復合刀片的強度高,抗沖擊性能好,特別適用于大切深、有沖擊載荷的加工使用。日本住友電工公司采用鐵基合金作基體,所制造的金剛石復合刀片鉆頭因PCD與鋼刀體有親和作用,可保證復合刀片與刀體的連結更為牢固。
 
  PCD的性能與金剛石晶粒尺寸大小及結合劑的含量有關。DeBeers公司生產的PCD復合刀片有002、010和025幾種,晶粒的平均尺寸分別為2μm、10μm和25μm。晶粒尺寸越大,耐磨性越好,刀具壽命越高,但切削刃較粗糙,刃口質量差;中晶粒(如De Beers公司生產的010)一般作為機械加工的通用牌號;細晶粒刀具的切削刃的刃口鈍圓半徑r小(一般PCD刀具的r= 1~2μm),易加工出良好的零件表面紋理,加工表面質量好。因而目前聚晶的晶粒不斷細化,并已有1μm,甚至有0. 5μm以下的細晶,需根據粗、精加工等不同工序的要求,選用不同大小的晶粒。但我國學者研究證實,聚晶體刀具在微量切削時,具有“多點切削、單點成形”的特點,因此只要采取一定的工藝措施,用粗晶粒(70~30μm)聚晶刀具也同樣有可能切出超精密的加工表面。因金剛石與鐵之間有化學反應,故一般不推薦PCD刀具加工黑色金屬材料,但PCD刀具可用來加工含鐵的雙金屬復合材料。例如,美國一家汽車配件廠用PCD復合刀片制作的直徑為H305mm機夾盤銑刀加工鋁和鑄鐵的雙金屬氣缸體時,切削速度為305 m /m in,每齒進給量為0. 1 mm,切深為5mm,加工5 000個氣缸體后,刀片才需轉位1次。需要指出,PCD刀具的刃口鋒利性和加工表面質量均不如ND,同時其可加工性差,磨削比小,刀頭刃形難以任意成形,至今還不能方便地制造帶斷屑槽可轉位刀片和立銑刀等幾何形狀復雜的產品。
 
  化學氣相沉積(CVD)金剛石刀具
 
  CVD金剛石是一種高抗磨性的純金剛石材料,不含結合劑,它是在低于1 000℃的溫度和低壓(<0. 1MPa)條件下制備的。CVD金剛石有2種形式:CVD薄膜(CD)和CVD厚膜(TFD)。CD是用CVD工藝,在硬質合金基體(常用K類合金)上沉積一層厚度小于50μm(通常為10~30μm),由多晶組成的膜狀金剛石而成。因基體易于制成復雜形狀,故適用于幾何形狀復雜的刀具,如絲錐、鉆頭、立銑刀和帶斷屑槽可轉位刀片等。國際工具市場上已有CD刀具的產品(如瑞典Sandvik公司的CD1810和美國Kennametal公司的KCD25等牌號),用于有色金屬及非金屬材料的高速精密加工,刀具壽命比未涂層的硬質合金刀具提高近十倍,有些甚至數十倍。但CD刀具不適于加工帶有硬質顆粒的金屬基復合材料,因為硬質顆粒會在很短時間內將刀具表面涂層磨穿。所以盡管CD刀具的價格比同類PCD刀具要低,且由于金剛石薄膜與基體材料間的黏著力較小,限制了它的廣泛應用,到目前為止,CD刀具的市場份額不是很大。TFD是沉積厚度可達1mm、甚至達5mm(DeBeers公司沉積厚度可達5mm)的無襯底金剛石厚膜,根據需要再將厚膜切割成一定形狀的小塊,然后釬焊到所要求的基體材料上制成刀具使用。TFD由于較好地解決了金剛石膜與基體材料間的黏著力問題,且厚膜刀具刃磨方便,可獲得良好的表面粗糙度和極小的刃口半徑。TFD還有很好的綜合性能,它沒有天然金剛石各向異性的缺點;與PCD相比較,因PCD內含有鈷等金屬結合劑,會降低硬度,對腐蝕敏感(特別是在加工塑料時),鈷在高溫下會加速金剛石向石墨轉變,故PCD適于粗加工和要求刀具有較高斷裂韌性的場合。而TFD為純金剛石材料,不添加任何復合材料,因此具有比PCD更高的硬度、熱導率、致密性、刃口鋒利性、耐磨性(為PCD的1~4倍)、耐高溫性、化學穩定性以及更小的摩擦因數,故可采用比PCD刀具更高的切削速度,韌性則稍低于PCD。且容易在切削中產生微觀裂紋,甚至發展成崩刃。國外、國內都已有TFD的商品,如De Beers公司的DIAFILM品牌,國內北京天地公司超硬材料工具廠生產的TFD產品。盡管目前TFD刀具的價格較貴,但隨著制造工藝的完善,生產成本的降低,今后TFD有望可替代昂貴的天然金剛石刀具及部分PCD刀具。
  TFD、PCD和人工合成單晶金剛石3種人金剛石的性能高低對比排列依次為:
  1)對可焊性、可磨性、韌性和刃口質量而言,應是:PCD→TFD→人工合成單晶金剛石;
  2)對耐磨性、耐腐蝕性而言,應是:人工合成單晶金剛石→TFD→PCD。
  可見3種人造金剛石各有特點,在一定程度上能相互補充,須根據不同具體情況,以及它們的性能價格比加以選用。通常PCD刀具適合于粗加工和要求刀具有較高斷裂韌性的場合,CVD厚膜和單晶金剛石刀具多用于高速精加工和半精加工等場合。
 
  4  電鍍金剛石刀具
 
  電鍍金剛石刀具是用電鍍金屬鎳、銅和鈷等作結合劑,把大量金剛石的細小顆粒包鑲在一定尺寸和幾何形狀的刀具基體表面上,再經過適當修磨而制成。此法制造工藝簡單,只需要電鍍設備即可。例如,鄭州磨料磨具磨削研究所和山東蓬萊金剛石工具廠等生產的電鍍金剛石鉸刀就屬于這一類刀具。
使用表明,用其可成功地加工尺寸精度和幾何形狀精度都小于2μm、表面粗糙度達Ra0. 4~0. 2μm的孔,且加工出的孔尺寸分散度小。該刀具還具有使用壽命長(平均每把刀具可加工1~2萬個工件)、加工效率高的特點。例如,廣泛用于液壓隨動系統和燃油系統精密偶件的閥孔、機械和精密儀表中各種精密孔,目前生產上的最終工序大多用這種鉸刀加工。
 
  金剛石刀具的非常規應用
 
  通常很少應用金剛石刀具加工灰鑄鐵,以避免金剛石與鑄件中的鐵元素產生化學反應。然而這種情況只有在高溫時才會發生。例如,用PCD刀具切削時,當溫度達到650℃時,金剛石會在空氣中開始氧化,而達到700~800℃時它將石墨化。在低溫時,這些材料之間是不會發生反應的。所以,只要選用低的切削速度,使切削溫度保持在一定范圍內,金剛石刀具是完全可以加工鑄件的,這一點已在圖4 
  中得到證實。目前國內外液壓件廠都成功地用金剛石鉸刀加工液壓分配器殼體上各種精密孔(工件材料為HT300及QT500-7鑄件)。由圖4中可知,只要將切削速度控制在150 m /m in以下,用PCD刀具可以成功地切削這類材料。
 
 
  結語
 
  目前單晶的人造金剛石向粗顆粒、高強度、多功能方向發展。美國GE公司現可工業生產6克拉重的人造金剛石,其粒徑約10 mm,最大顆粒重達11. 14克拉。PCD則向大直徑、細粒度、高抗沖擊、高熱穩定性方向發展。PCD最大直徑已達H74mm,然后用激光切割成所需的形狀。成都工具研究所開發出一種CVLT(化學氣液相處理)技術,可在單晶和聚晶金剛石的表面上形成一層合金膜,該膜可提高金剛石與基體之間焊接浸潤性和黏結強度,從而延長刀具的使用壽命。此外,據英國專利介紹,英國還研制出在PCD刀片上再用CVD法沉積1層鎳、銅、鈦、鉻、鉭、鈷的混合物,以及氮化鈦或碳化鈦的防護涂層,其耐磨性可比普通PCD刀片高3倍。CVD金剛石薄膜和厚膜是近幾年剛研制出的功能性材料,盡管至今生產還未形成規模,但因性能優異,具有廣泛的用途,今后必將高速發展。天然和人工合成單晶金剛石,以及PCD和TFD之間存在相互交叉的應用領域,在一定程度上能相互補充,須根據不同具體情況,特別是性能價格比加以選用。用石墨原料合成的金剛石聚晶體,目前用的金剛石為C12;已有研究應用,同位素C13和C60則更為堅硬??梢灶A料,今后隨著各種新型難切削材料及復合材料應用的增多,必將促進金剛石刀具進一步的發展與應用。雖然金剛石刀具的價格比硬質合金刀具昂貴,但由于其切削性能好,使用壽命長,可以實現以車、銑代磨或拋,減少工序,其性能價格比還是遠低于硬質合金刀具,應大力推廣使用。
  金剛石刀具是一種先進的切削刀具,在生產中有著廣闊的應用前景。目前我國許多工廠,例如長春一汽集團公司、東風汽車集團公司、上海大眾汽車有限公司和江蘇春蘭集團公司等,已在生產中廣泛使用金剛石刀具。當前我國發展金剛石刀具,一方面要重視引進、吸收國外新技術,另一方面要進一步研制出晶粒更細的材料,以提高其致密度,減少刃口鋸齒邊,使其能刃磨得更為鋒利,同時要解決提高金剛石刀具的刃磨效率和質量問題。