超硬材料刀具的發(fā)展與應(yīng)用

超硬材料刀具的發(fā)展與應(yīng)用

鉆石是世界上最堅(jiān)硬的材料，疊層氮化鉀（cbn）的硬度低于鉆石。硅氮晶體的氮原子和硼原子以sp3的形式混合形成cbn，具有類(lèi)似于鉆石結(jié)構(gòu)的鉆石和戰(zhàn)艦。鉆石和cbn統(tǒng)稱(chēng)為超硬材料。超硬材料廣泛應(yīng)用于鋸切手、研磨工具、鉆孔工具和切割刀。鉆石在高溫下氧化，尤其是鐵系元素的親水性好，不適合用黑鐵礦代替金屬。20世紀(jì)50年代，由美國(guó)通用電氣（ge）合成的首次中國(guó)產(chǎn)品經(jīng)歷了20多年的曲折發(fā)展。到20世紀(jì)90年代，由于一系列的快速發(fā)展，中國(guó)生產(chǎn)的cbn樣品在中國(guó)仍能滿(mǎn)足需求。中國(guó)生產(chǎn)的cbn不僅滿(mǎn)足了快速發(fā)展的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，而且近年來(lái)發(fā)展迅速。除了滿(mǎn)足快速發(fā)展的中國(guó)市場(chǎng)外，中國(guó)生產(chǎn)的cbn不僅滿(mǎn)足了食品領(lǐng)域的需求，而且還通過(guò)高質(zhì)量、高壓的加壓精制而成。根據(jù)聚晶硅單級(jí)制造的重要功能，我國(guó)開(kāi)發(fā)的“高質(zhì)量數(shù)控機(jī)械和基礎(chǔ)制造設(shè)備”的主要主題之一明確表示，要研究快速溶機(jī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。我正在等待。開(kāi)發(fā)出用于合理切割航空鈦合金和耐熱合金材料的先進(jìn)制造設(shè)備。本文主要介紹了cbn和nbn的合成、性能和應(yīng)用。1粗粒度的合成目前,cBN單晶的合成主要是由靜態(tài)高壓觸媒法合成,通常以六方氮化硼(hBN)和不同的觸媒為原料,在高溫(1400～1800℃)和高壓(4～8GPa)下合成cBN單晶粉,顏色多為黑色或琥珀色.國(guó)內(nèi)最早合成的cBN采用金屬鎂作為觸媒,后來(lái)主要采用金屬氮硼化物.用氮硼化物合成的cBN顏色淺,多為淡黃色、琥珀色或無(wú)色透明晶體,晶形完整、晶面光滑、單顆?？箟簭?qiáng)度較高.為使合成條件降低,吉曉瑞等采用化學(xué)反應(yīng)直接成核生長(zhǎng)cBN,可以實(shí)現(xiàn)在較低的溫度和壓力下合成cBN.最近幾年發(fā)展起來(lái)的激光誘導(dǎo)等離子體法,主要用于研究亞穩(wěn)相納米晶cBN.為滿(mǎn)足對(duì)粗粒度cBN的高增長(zhǎng)需求,張相法等研究了高品級(jí)粗顆粒立方氮化硼的合成技術(shù),通過(guò)對(duì)原材料、觸媒及合成工藝諸方面的系統(tǒng)分析,采用ϕ40mm腔體進(jìn)行粗粒度cBN合成,30～60粒度完整晶形單晶所占比例接近70%.cBN的主要性能如下:具有高的硬度和熱穩(wěn)定性,顯微硬度僅次于人造金剛石;其熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于人造金剛石,在高溫下仍能保持足夠高的力學(xué)性能和硬度,具有很好的紅硬性;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,具有高的抗氧化能力,化學(xué)穩(wěn)定性好,與金剛石相比尤其好,在高達(dá)1100～1300℃的溫度下也不與鐵族元素起化學(xué)反應(yīng),因此特別適合于加工黑色金屬材料;導(dǎo)熱系數(shù)比金剛石小,但比硬質(zhì)合金高,具有良好的導(dǎo)熱性;抗彎強(qiáng)度高;作為磨具材料,使用壽命長(zhǎng)、耐磨性好.但是,單晶立方氮化硼晶粒尺寸小,各向異性,存在容易劈裂的解理面,脆性大,極容易發(fā)生解理破損.2組織黏結(jié)劑對(duì)pcbn性能的影響采用合適粒度的cBN單晶粉,在有無(wú)黏結(jié)劑的情況下,經(jīng)高溫(1500～2000℃)和高壓(5～9GPa)燒結(jié)成聚晶立方氮化硼.合成PcBN用cBN原料的晶粒尺寸及凈化處理、真空除氧、粒度、黏結(jié)劑的化學(xué)成分及配比,以及合成的溫度、壓力、組裝方式等合成工藝條件,都對(duì)PcBN的性能和產(chǎn)品品質(zhì)產(chǎn)生重要的影響.謝輝等研究了cBN含量對(duì)PcBN復(fù)合片性能的影響,發(fā)現(xiàn)以TiN和Al為黏結(jié)劑,隨著cBN含量的增加,PcBN復(fù)合片電阻率增大、硬度增大.為了加強(qiáng)cBN晶粒間的鍵接,合成PcBN通常加入一定比例的黏結(jié)劑,金屬及其合金組成的金屬基黏結(jié)劑能對(duì)提高PcBN的韌性起到良好的作用,但高溫下黏結(jié)劑容易軟化,對(duì)耐磨性不利;而陶瓷作為黏結(jié)劑,雖能解決高溫下的軟化問(wèn)題,但PcBN抗沖擊性能差、壽命短.現(xiàn)在多采用陶瓷與金屬或金屬合金組成的混合型黏結(jié)劑.黏結(jié)劑的選用最終對(duì)PcBN的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生重要影響.黏結(jié)劑應(yīng)有較高的熱穩(wěn)定性,與氮或硼元素有強(qiáng)烈的化學(xué)親和特性,而在高溫時(shí)又不能與被加工對(duì)象材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng);當(dāng)黏結(jié)劑含量較高時(shí),黏結(jié)劑更應(yīng)具有較高的硬度和韌性.以Si3N4晶須為輔助黏結(jié)劑合成PcBN時(shí),Si3N4晶須在PcBN復(fù)合片中以板條狀存在,起到鏈接cBN的橋梁作用,在一定程度上提高了PcBN的強(qiáng)度和斷裂韌性.PcBN具有cBN的大部分性能,克服了cBN單晶晶面方向性解理的缺點(diǎn).此外,PcBN還具有以下特殊性能:(1)高硬度.PcBN刀具的硬度僅次于金剛石,大大高于硬質(zhì)合金和陶瓷刀具,因此可以加工硬度為HRC60以上的淬硬鋼、鑄鐵和硬質(zhì)合金.(2)高耐磨性.PcBN的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金和陶瓷,其刀具的使用壽命通常是陶瓷刀具的3～5倍,硬質(zhì)合金刀具的5～15倍.(3)高化學(xué)惰性.PcBN與鐵族元素及其合金材料在1200～1300℃時(shí)不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng),克服了聚晶金剛石刀具與鐵的化學(xué)親和性;具有較高的抗氧化能力,對(duì)各種材料的粘結(jié)、擴(kuò)散作用比硬質(zhì)合金小得多.(4)高熱穩(wěn)定性.PcBN的耐熱性可以達(dá)到1400℃,比金剛石刀具(700～800℃)高得多.經(jīng)使用證明1100℃以上的切削溫度仍能維持高鋒利的切削性能,適合于干式切削.(5)高導(dǎo)熱性.在各類(lèi)刀具材料中,PcBN的導(dǎo)熱系數(shù)是79.54W/(m·k),僅次于金剛石,遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于硬質(zhì)合金,且隨著溫度的升高,PcBN的導(dǎo)熱性能提高.但在溫度高于1000℃時(shí),PcBN容易與水反應(yīng),因此切削時(shí)不易用水或含水潤(rùn)滑劑作冷卻液,必須合理選用冷卻液和切削溫度等工藝條件.(6)低摩擦系數(shù).與其他刀具材料相比,PcBN摩擦系數(shù)低.PcBN與不同材料間的摩擦系數(shù)為0.1～0.3,而硬質(zhì)合金為0.4～0.6,而且隨著切削速度的提高,摩擦系數(shù)呈減小趨勢(shì),從而使切削力減小,并減少刀屑粘刀現(xiàn)象.(7)高速切削特性和高加工精度.由于PcBN具有高硬度、高耐磨性、高傳熱效率以及優(yōu)異的高溫性能等,可以認(rèn)為,PcBN刀具是迄今世界上最能滿(mǎn)足要求的首選工具.3氮化硼纖維材料20世紀(jì)60年代,人們開(kāi)始對(duì)氮化硼纖維進(jìn)行研究.由于氮化硼纖維兼具氮化硼材料和纖維材料各自所有的特性,引起了人們極大的興趣,氮化硼纖維被認(rèn)為在核工業(yè)、電子和新型復(fù)合材料等方面具有很好的應(yīng)用前景.氮化硼纖維的制備主要有2種方法:一種是化學(xué)轉(zhuǎn)化法,另一種是有機(jī)前驅(qū)體法.于宏林等采用化學(xué)轉(zhuǎn)化法,以硼酸為原料,分別在氮?dú)夂桶睔鈿夥障碌苽涞鹄w維,纖維拉伸強(qiáng)度為1400MPa,彈性模量為120GPa,可以用作復(fù)合材料的增強(qiáng)材料.高性能氮化硼纖維的制備主要采用有機(jī)前驅(qū)體法,如沈春英等以三聚氰胺和硼酸為原料,用濕化學(xué)法合成纖維狀前驅(qū)體,經(jīng)氮化制備氮化硼纖維;鄒曉蓉等以硼氫化鋰和硫酸銨為原料合成了氮化硼前驅(qū)體環(huán)硼氮烷,經(jīng)保溫固化得到聚硼氮烷,將聚硼氮烷在熔融紡絲機(jī)上紡絲可以得到連續(xù)性較好的纖維;曹義苗等以三氯化硼與氯化銨為原料首先合成三氯環(huán)硼氮烷,然后將三氯環(huán)硼氮烷和三氯化硼與甲胺反應(yīng)制得三氯環(huán)硼氮烷的衍生物(CH3NH)3N3B3H3和B(NHCH3)3單體,經(jīng)縮合反應(yīng)得到氮化硼纖維前驅(qū)體,熔融紡絲后可以得到連續(xù)性較好,長(zhǎng)約40cm、直徑為45μm的具有一定柔韌性的白色纖維,纖維透波性好;張銘霞等研究了氮化硼纖維的微觀結(jié)構(gòu)與纖維力學(xué)性能的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)纖維的模量與晶體取向有一定的關(guān)系:低模量的纖維微觀結(jié)構(gòu)通常是由納米晶體的無(wú)序排列和無(wú)定形區(qū)域組成,而高模量的纖維是由內(nèi)消旋—六方相晶體沿纖維軸向有序排列組成,一般地說(shuō),當(dāng)微觀結(jié)構(gòu)排列順序提高時(shí),結(jié)晶度就會(huì)提高.氮化硼纖維作為一種新型高溫陶瓷纖維,具有不同尋常的綜合性能,如耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、優(yōu)異的介電性能,以及與材料界面的化學(xué)相容性.它與陶瓷、金屬或樹(shù)脂基材料復(fù)合制成各種復(fù)合材料,可以應(yīng)用于冶金、電子、核工業(yè)和航空航天等領(lǐng)域.4聚晶金剛石和聚晶反射鋼刀具的加工(1)用作磨具材料.小顆粒的cBN單晶主要用作磨具材料.cBN磨具是借助于結(jié)合劑的作用將cBN磨粒粘結(jié)成具有一定幾何形狀的制品.作為一種超硬材料磨具,cBN磨具用于磨削加工,屬于新興的先進(jìn)制造技術(shù),既能用于鐵基材料的加工,也能用于非鐵金屬材料的加工,在金屬材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍比金剛石磨具更廣.立方氮化硼磨具對(duì)于黑色金屬,特別是硬度高、韌性大、高溫時(shí)強(qiáng)度高和熱傳導(dǎo)率低的材料,具有良好的磨削性能,其金屬磨除率是金剛石的10倍,解決了硬而韌難磨材料的加工問(wèn)題.立方氮化硼磨具用于高速高效磨削和珩磨加工,可使磨削效率大大提高;其磨削精度高,砂輪壽命長(zhǎng),節(jié)約了砂輪更換修整、機(jī)床調(diào)整和工件檢測(cè)等許多輔助時(shí)間.(2)用作刀具材料.PcBN克服了cBN單晶易解理和各向異性等不足,主要用于制作刀具材料.PcBN刀具坯料主要有3種:第一種是整體純PcBN燒結(jié)片;第二種是以cBN為耐磨層、以硬質(zhì)合金為襯底層經(jīng)高溫高壓共同燒結(jié)而成的復(fù)合片;第三種是先燒結(jié)制備PcBN刀片坯料,再焊接到硬質(zhì)合金上制備而成的復(fù)合片.用于刀具的材料最早的是高速鋼,以后是硬質(zhì)合金,再發(fā)展到涂層硬質(zhì)合金和陶瓷刀具.隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的進(jìn)步,難加工材料和各種新型復(fù)合材料不斷出現(xiàn),為聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼刀具材料的應(yīng)用提供了廣闊的發(fā)展空間.PcBN對(duì)鐵族金屬及其合金的加工特別有效,從而解決了金剛石工具難以加工鐵族金屬及其合金的問(wèn)題.PcBN特別適合于高速切削加工,如銑刀切削鈦合金速度150～200m/min,切削高溫合金速度80～120m/min;每齒進(jìn)給量0.1～0.2mm/z;車(chē)刀切削鈦合金速度100～120m/min,切削高溫合金速度60～80m/min.在實(shí)現(xiàn)高速切削加工時(shí),應(yīng)充分考慮切削深度和進(jìn)給量的參數(shù)選擇.PcBN刀具可以高精密切削,已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床,適合高硬度材料的切削加工,特別適合加工以前只能磨削加工的高硬度難加工材料,實(shí)現(xiàn)以車(chē)代磨、以銑代磨,能獲得較好的工件表面質(zhì)量,可以省去退火工序,大幅度提高生產(chǎn)效率.PcBN刀具可以實(shí)現(xiàn)硬態(tài)干式切削,加工過(guò)程中省去了切削液的使用,有利于環(huán)境保護(hù)和工人身體健康,可以充分發(fā)揮刀具優(yōu)異的切削性能和金屬軟化作用,明顯提高經(jīng)濟(jì)效益.PcBN在國(guó)外已經(jīng)形成系列化產(chǎn)品,針對(duì)加工材料性能、加工設(shè)備與參數(shù)的不同能生產(chǎn)出不同品級(jí)和牌號(hào)的產(chǎn)品.其發(fā)展趨勢(shì)是尺寸規(guī)格越來(lái)越大,有利于刀具產(chǎn)品性能的穩(wěn)定和生產(chǎn)效率的提高,產(chǎn)品粒度趨于細(xì)化;結(jié)合劑的品種呈現(xiàn)多樣化,與刀具性能的匹配和適應(yīng)性越來(lái)越好.隨著航空航天、城市交通、車(chē)輛制造等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,先進(jìn)的加工制造為高速、高效、高精度的PcBN刀具的廣泛應(yīng)用提供了寬闊的市場(chǎng).(3)用作功能材料.隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,元器件組裝密度和集成度越來(lái)越高,必須克服發(fā)熱器件的散熱問(wèn)題.高導(dǎo)熱性氮化硼可以作為填料制備復(fù)合材料,用于封裝材料,滿(mǎn)足高頻場(chǎng)合發(fā)熱元器件的散熱需求.用氮化硼填充硅橡膠制備導(dǎo)熱復(fù)合材料,隨著cBN含量的增加,復(fù)合材料的熱失重和熱膨脹系數(shù)明顯降低,導(dǎo)熱系數(shù)和耐熱性升高,但對(duì)橡膠的硫化反應(yīng)影響不大.李春華等采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)