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1、PCD﹑PCBN刀具材料及刀具涂層（一）PCD二十世紀(jì)七十年代，人們利用高壓合成技術(shù)合成了聚晶金剛石（PCD），解決了天然金剛石數(shù)量稀少、價(jià)格昂貴的問題，使金剛石刀具的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個領(lǐng)域。金剛石刀具具有硬度高、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性及耐磨性好等特性，可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。金剛石刀具的上述特性是由金剛石晶體狀態(tài)決定的。在金剛石晶體中，碳原子的四個價(jià)電子按四面體結(jié)構(gòu)成鍵，每個碳原子與四個相鄰原子形成共價(jià)鍵，進(jìn)而組成金剛石結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的結(jié)合力和方向性很強(qiáng)，從而使金剛石具有極高硬度。由于聚晶金剛石（PCD）的結(jié)構(gòu)是取向不一的細(xì)晶粒金剛石燒
2、結(jié)體，雖然加入了結(jié)合劑，其硬度及耐磨性仍低于單晶金剛石。但由于PCD燒結(jié)體表現(xiàn)為各向同性，因此不易沿單一解理面裂開PCD刀具材料的主要性能指標(biāo)：①PCD的硬度可達(dá)8000HV，為硬質(zhì)合金的80～120倍；②PCD的導(dǎo)熱系數(shù)為700W/mK，為硬質(zhì)合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和銅，因此PCD刀具熱量傳遞迅速；③PCD的摩擦系數(shù)一般僅為0.1～0.3（硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)為0.4～1），因此PCD刀具可顯著減小切削力；④PCD的熱膨脹系數(shù)僅為0.9×10-6～1.18×10-6，僅相當(dāng)于硬質(zhì)合金的1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高；⑤PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親
3、和力很小，在加工過程中切屑不易粘結(jié)在刀尖上形成積屑瘤。PCD刀具的應(yīng)用:工業(yè)發(fā)達(dá)國家對PCD刀具的研究開展較早，其應(yīng)用已比較成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金剛石以來，對PCD刀具切削性能的研究獲得了大量成果，PCD刀具的應(yīng)用范圍及使用量迅速擴(kuò)大。目前，國際上著名的人造金剛石復(fù)合片生產(chǎn)商主要有英國DeBeers公司、美國GE公司、日本住友電工株式會社等。據(jù)報(bào)道，1995年一季度僅日本的PCD刀具產(chǎn)量即達(dá)10.7萬把。PCD刀具的應(yīng)用范圍已由初期的車削加工向鉆削、銑削加工擴(kuò)展。由日本一家組織進(jìn)行的關(guān)于超硬刀具的調(diào)查表明：人們選用PCD刀具的主要考慮因素是基于PCD刀具加工后的表面
4、精度、尺寸精度及刀具壽命等優(yōu)勢。金剛石復(fù)合片合成技術(shù)也得到了較大發(fā)展，DeBeers公司已推出了直徑74mm、層厚0.3mm的聚晶金剛石復(fù)合片。國內(nèi)PCD刀具市場隨著刀具技術(shù)水平的發(fā)展也不斷擴(kuò)大。目前中國第一汽車集團(tuán)已有一百多個PCD車刀使用點(diǎn)，許多人造板企業(yè)也采用PCD刀具進(jìn)行木制品加工。PCD刀具的應(yīng)用也進(jìn)一步推動了對其設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的研究。國內(nèi)的清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、華中理工大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等均在積極開展這方面的研究。國內(nèi)從事PCD刀具研發(fā)、生產(chǎn)的有上海舒伯哈特、鄭州新亞、南京藍(lán)幟、深圳潤祥、成都工具研究所等幾十家單位。目前，PCD刀具的加工范圍已從傳統(tǒng)的
5、金屬切削加工擴(kuò)展到石材加工、木材加工、金屬基復(fù)合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。通過對近年來PCD刀具應(yīng)用的分析可見，PCD刀具主要應(yīng)用于以下兩方面：①難加工有色金屬材料的加工：用普通刀具加工難加工有色金屬材料時，往往產(chǎn)生刀具易磨損、加工效率低等缺陷，而PCD刀具則可表現(xiàn)出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型發(fā)動機(jī)活塞材料——過共晶硅鋁合金（對該材料加工機(jī)理的研究已取得突破）。②難加工非金屬材料的加工：PCD刀具非常適合對石材、硬質(zhì)碳、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）、人造板材等難加工非金屬材料的加工。如華中理工大學(xué)1990年實(shí)現(xiàn)了用PCD刀具加工玻璃；目前強(qiáng)化復(fù)合地板及其它木
6、基板材（如MDF）的應(yīng)用日趨廣泛，用PCD刀具加工這些材料可有效避免刀具易磨損等缺陷。(二)PCBNCBN具有較高的硬度、化學(xué)惰性及高溫下的熱穩(wěn)定性，因此作為磨料CBN砂輪廣泛用于磨削加工中。由于CBN具有優(yōu)于其它刀具材料的特性因此人們一開始就試圖將其應(yīng)用于切削加工，但單晶CBN的顆粒較小，很難制成刀具，且CBN燒結(jié)性很差，難于制成較大的CBN燒結(jié)體，直到20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)、中國、美國、英國等國家才相繼研制成功作為切削刀具的CBN燒結(jié)體——聚晶立方氮化硼PCBN(PolycrystallineCubicBoronNitride)。從此，于切削加工的各個領(lǐng)域，尤其在高硬度材料、
7、難加工材料的切削加工中更是獨(dú)樹一幟。經(jīng)過30多年的開發(fā)應(yīng)用，現(xiàn)在已出現(xiàn)了用以加工不同材料的PCBN刀質(zhì)。PCBN刀具的切削性能 由于CBN晶體與金剛石晶體都屬閃鋅礦型，且晶格常數(shù)相近，化學(xué)鍵類型相同，因而CBN具有接近金剛石的硬度和抗壓強(qiáng)度，又因?yàn)槠涫怯蒒、B原子所組成，因此具有比金剛石更高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性。PCBN刀具材料主要性能如下：具有很高的硬度和耐磨性 CBN單晶的顯微硬度為HV8000～9000，是目前已知的第二高硬度的物質(zhì)，PCBN復(fù)合片的硬度一般
