超硬刀具材料――金刚石和立方氮化硼

　　1  前言   

　　随着现代科技的发展，各种新型工件材料得到了发展和应用。其中有不少是难加工材料，且其加工精度与技术条件的要求越来越高。传统的刀具材料，如高速钢、硬质合金、陶瓷等常不能满足上述加工的需要，而必须采用超硬材料刀具。   

　　由于超硬刀具材料与被加工材料之间的摩擦系数很小，制成刀具时能够刃磨、研磨出极其锋利的切削刃。故超硬材料刀具可以进行精密切削与超精密切削。在这一方面，金刚石刀具尤为突出，人们常用金刚石刀具对有色金属及其合金进行超精密切削。   

　　利用超硬材料刀具有高硬度、高杨氏模量、高导热性能与低摩擦、低热膨胀的特点，故可切削各种硬材料和难加工材料。但是，除考虑超硬刀具材料与被加工材料之间机械、物理性能和匹配以外，还应注意它们之间化学性能的匹配。   

　　本文中将阐明PCPN刀具加工淬硬钢与冷硬铸铁的优越性，和金刚石刀具不能切削淬硬钢的原因，并列出切削试验数据。   

　　本文还将介绍超硬材料刀具切削难加工材料(如纯Mo、纯W数种硬脆非铁质金属与非金属材料以及复合材料等)的情况，列出切削试验数据，分析切削机理。

　　2  聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬钢

　　用PCBN刀具车削淬硬钢T10A(60～63HRC)，并与人造金刚石(PCD)、硬质合金YS8、Si3N4基复合陶瓷刀具进行对比。

　　切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，ν=84m/min

　　刀具几何参数：γ0=0°，α0=8°

　　PCBN：κr =45°，λs=0°，rε=0.5mm，bγ1=0.2mm，γ01=-20°

　　PCD：rε=4mm，λs =0°，bγ1=0.2mm，γ01=-20° 

　　不加切削液。

　　切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，0=44m/min

　　刀具几何参数：γ0=-8°，α0=8°，κr =45°，λs =-4°，rε=0.5mm。不加切削液。

　　在切削速度高达ν=84m/min时，PCBN的后刀面磨损量大为减缓。切削时间近30min，VB=0.25～0.3mm。但PCD刀具急剧磨损。因为在700℃以上，金刚石在Fe元素的催化作用下转化为石墨而失去了硬度。金刚石中的C元素易向淬硬钢工件方面扩散，降低刀具的硬度。在700～800~C温度下，它也能产生氧化反应：   

　　C+O→CO

　　CO+O→CO2

　　作者还用PCBN刀具车削淬硬合金钢CrMnB(60～64HRC)，切削用量、刀具几何参数同上，但切削速度从18m/min到150m/min范围内变化，分为6档，得到6条磨损曲线；然后规定磨钝标准为VBs=0.2mm。   

　　其泰勒(Taylor)方程：ν=11000/T1.84

　　虽然6把PCBN刀具的切削数据比较分散，但仍有刀具耐用度随切削速度提高而降低的规律。但m=1.84，比一般刀具的m值大得多，说明切削速度在18～150m/min范围内对刀具耐用度的影响很小。

　　3  聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具车削冷硬铸铁

　　用PCBN刀具车削球墨冷硬铸铁(含C 2.8～3.5％，Mn 0.4～1.0％，Si 0.3～3.2％)，硬度为58～68HS。

　　切削用量：αp=O.3mm，f=0.22mm/r，v=-60m/min

　　刀具几何参数：γ0=-3°，α0=8°，κr =84°，λs =0°，rε=0.6mm，bγ1=O.25mm，γ01=-15°，不加切削液。   

　　若用硬质合金YG6X刀具车削冷硬铸铁，切削速度只能采用6～10m/min，其刀具耐用度和加工效率均比PCBN刀具低得多。

　　在工业工程与机械制造中，黑色金属特别是钢、铁用量最大，故PCBN在钢、铁的硬切削中能发挥重大作用。PCBN刀具正可补金刚石刀具之不足。

　　4  超硬刀具切削纯钼、纯钨

　　用CVD金刚石厚膜刀具车削纯钼棒，硬度为125HBS。

　　切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，v=32.3～64m/min

　　切削试验中：兼用硬质合金813作对比。

　　刀具几何角度：

　　CVD γ0=-5°，α0=7°，κr =45°，λs =3°，rε=0.5mm

　　813 γ0=30°，α0=9°，κr =90°，λs =O°，rε=0.3mm

　　不用切削液。

　　CVD厚膜金刚石刀具用两种切削速度：第一种：ν=64m/min，与813对比，此时CVD刀具磨损甚快。第二种：ν=32.3m/min，也不如813。

　　硬质合金813刀具用ν=64m/min车削纯钼时，刀具磨损比CVD金刚石刀具慢得多，CVD金刚石刀具的切削速度降低到32.3m/min时，也不能改变这一状况。好像金刚石刀具的高硬度不起作用。有人认为，制造纯钼时，可能渗入了少量的碳元素，而形成了钼的碳化物，其硬度很高(Mn2C为74HRA)；还可能形成钼的氮化物和氧化物。从而使金刚石刀具在加工中容易磨损。还有人认为金刚石与Mo能产生化学反应，改变了刀具表面层与刀尖部分的性质，使刀具磨损加快。作者倾向于后一种解释。总之，金刚石刀具不适合切削纯钼；生产中钼的加工常使用硬质合金刀具。

　　再用CVD金刚石与PCBN刀具车削纯钨棒(硬度350HBS)，兼与硬质合金YS8刀具作对比。

　　切削用量：αp=0.1mm，f=0.04mm/r，ν=2.99m/min

　　刀具几何参数：

　　CVD γ0=-5°，α0=8°，κr =75°，rε=O.5mmγ0=O°，α0=8°，κr =75°，rε=0.5mm，bγ=0.2mm，γ01=-15°

　　CBN

　　YS8 γ0=20°，α0=8°，κr =75°，rε=0.5mm。不用切削液。

　　纯钨是很难加工的。切削速度仅为2.99m/min时，YS8刀具很快磨损失效。CVD金刚石与PCBN刀具尚可胜任；但当切削速度提高后，CVD金刚石刀具的使用寿命也不是很长，且前刀面产生月牙洼磨损。有人认为，钨元素易与碳元素化合形成高硬度的WC(2000HV)，导致刀具磨损，甚至还有其他化学作用。那么，PCBN刀具的切削机理又是如何？故金刚石与立方氮化硼刀具加工钼、钨的切削机理尚待进一步探讨。

　　CVD金刚石厚膜刀具车削纯钨

　　当VBs=0.05mm时，在ν=15～20范围内，

　　Taylor方程为ν=18/T0.726

　　当VBs=0.07mm时，

　　taylor方程为ν=50/T0.88

　　方程中的T的指数值亦远远大于一般刀具。一般刀具，其指数仅为0.2左右

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。