栗正新-超硬材料及超硬刀具发展

超硬材料刀具发展及应用栗正新教授河南工业大学2012.10Developmentofsuper-hardturningtool超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院2Outline刀具概述超硬材料超硬材料刀具的制备技术超硬材料刀具发展趋势超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院3刀具发展18世纪后期，碳素工具钢刀具，耐热温度为200℃，切削速度6-10m/min，加工瓦特蒸汽机气缸孔和端面，需要大约1个月时间。1861年英国人首先制备出合金工具钢刀具，耐热温度达到300℃左右，切削速度20m/min。1898年美国人研制成功高速钢刀具，耐热温度达到500℃左右，切削速度30-40m/min。高速钢刀具的出现，引起了金属切削加工的第一次革命，新型高速机床随之出现。1925年德国人首先发明了硬质合金刀具，耐热温度达到600-800℃左右，切削速度40-200m/min。硬质合金刀具的出现，引起了金属切削加工的又一次革命。20世纪30年代，出现陶瓷刀具，但并未得到广泛应用，50年代以后，逐步发展，目前，耐热温度达到1100-1400℃，切削速度500-1000m/min。20世纪50年代美国GE公司首先合成人造金刚石和CBN，CBN硬度接近金刚石，耐热温度达到1400-1500℃。自20世纪70年代初美国GE公司研制成功聚晶金刚石(PCD)刀片，目前，在很多场合下已经替代了天然金刚石。超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院4刀具发展实例：加工直径为100mm，长度500mm的碳钢棒。1890年，用碳素工具钢刀具，需要100min。1910年，用高速钢刀具，需要26min。现在，用硬质合金刀具，需要1.5min。现在，用陶瓷或PCBN刀具，小于1.0min。超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院5刀具性能硬度和耐磨性：刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。强度和韧性：刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃。耐热性：刀具材料的耐热性要好，能承受高的切削温度，具备良好的抗氧化能力。工艺性能和经济性：刀具材料应具备好的锻造性能、热处理性能、焊接性能、加工性能等，而且要追求高的性能价格比。数控刀具应具有高的可靠性：数控加工速度和自动化程度高，要求刀具应具有很高的可靠性。数控刀具应具有高的耐热性、抗热冲击性能和良好的高温力学性能。刀具能实现快速更换：数控刀具要求刀具互换性好，更换迅速，尺寸调整方便，安装可靠，以减少因更换刀具而造成的停顿时间。采用多功能及复合刀具：一种数控刀具能完成零件不同工序的加工，减少换刀次数，节省时间，减少刀具的数量和库存量，便于管理。超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院不同材料刀具性能比较超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院概述刀具材料1、高速钢2、硬质合金3、涂层刀具4、陶瓷刀具5、金刚石刀具6、立方氮化硼超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院高速钢高速钢是一种加人了较多的钨、铬、钒、钼等合金元素的高合金工具钢，有良好的综合性能。其强度和韧性是传统刀具材料中最高的。高速钢的制造工艺简单，容易刃磨成锋利的切削刃；锻造、热处理变形小，目前在复杂的刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中，仍占有主要地位。普通高速钢，如W18Cr4V,广泛用于制造各种复杂刀具。其切削速度一般不太高，切削普通钢料时为40—60m／min。高性能高速钢，如W12Cr4V4Mo是在普通高速钢中再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素冶炼而成的。它的耐用度为普通高速钢的1．5—3倍粉末冶金高速钢是70年代投入市场的一种高速钢，其强度与韧性分别提高30％一40％和80％一90％．耐用度可提高2—3倍。目前我国尚处于试验研究阶段，生产和使用尚少。高速钢也存在耐磨性、耐热性较差等缺陷超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院硬质合金ⅣB、ⅤB、ⅥB族金属的碳化物、氮化物、硼化物等，加入钴、镍等粘结金属，高温烧结。由于硬度和熔点特别高，统称为硬质合金在各种刀具材料的发展中，硬质合金起着主导作用。硬质合金的性能不断改进，应用面不断扩大，成为切削加工的主要刀具材料，对推动切削效率的提高起到了重要作用。超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院涂层刀具在高速钢基体上刀具涂层多为TiN，常用物理气相沉积法(PVD法)涂覆，一般用于钻头、丝锥、铣刀、滚刀等复杂刀具上，涂层厚度为几微米，涂层硬度可达80HRC，相当于一般硬质合金的硬度，耐用度可提高2—5倍，切削速度可提高20％一40％。超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院涂层刀具涂层刀具是近20年出现的一种新型刀具材料，是刀具发展中的一项重要突破，是解决刀具材料中硬度、耐磨与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。涂层刀具是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN和Al2O3等。本世纪70年代初首次在硬质合金基体上涂覆一层碳化钛(TiC)后，把普通硬质合金的切削速度从80m／min提高到180m/min1976年又出现了碳化钛—氧化铝双涂层硬质合金，把切削速度提高到250m／min。1981年又出现了碳化钛—氧化铝—氮化钴三涂层硬质合金，使切削速度提高到300m／min。超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院涂层刀具硬质合金的涂层是在韧性较好的硬质合金基体上，涂覆一层几微米至十几微米厚的高耐磨、难熔化的金属化合物，一般采用化学气相沉积法(CVD法)。我国株洲硬质合金厂生产的涂层硬质合金的涂层厚度可达9um，表面硬度可达2500—4200HV。超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院陶瓷刀具陶瓷可能继高速钢、硬质合金以后引起切削加工的第3次革命。陶瓷刀具具有高硬度(HRA91~95)、高强度(抗弯强度为750~1000MPa)，耐磨性好，化学稳定性好，抗粘结性能良好，摩擦系数低且价格低廉等优点。不仅如此，陶瓷刀具还具有很高的高温硬度，1200°C时硬度达到HRA80。常用的有：氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷和晶须增韧陶瓷。超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院陶瓷刀具可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料，例如硬度达HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁，因而可免除退火加工所消耗的电力；并因此也可提高工件的硬度，延长机器设备的使用寿命；不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工；刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度；可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高3-10倍，达到节约工时、电力、机床数30-70%或更高的效果。超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院1981年国际硬物质科学会议认为，硬度大于1000HV的物质均可称为硬物质能加工诸如硬质合金（硬度1600—1800HV）、刚玉（2000HV）、碳化硅（2200HV）等这一类物质的材料称为超硬材料。金刚石和立方碳化硼。极高的硬度，所以统称为超硬材料，具有硬度高、耐磨和热传导性能好、热膨胀系数低等优异性能。物质金刚石CBNB4CWC碳化硅刚玉黄玉石英Knoop硬度（GPa）704527.518.828-3316-20－0.82莫氏硬度109.5－－9.25987物质金刚石WCB4C刚玉钢抗压强度（MPa）88573520207025001270超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院晶形：天然金刚石的晶体形态常见为八面体，其次为菱形十二面体、立方体及其聚形。人造金刚石根据合成条件的不同，晶形可分为八面体、立方体或者立方、八面体聚形等，其中以后一种最为常见。产品中常出现各种连生晶体，不规则晶体以及各种结晶缺陷。菱形十二面体晶形正八面体晶形立方体晶形超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院金刚石单晶金刚石聚晶金刚石（PCD）CVD金刚石合成工艺：高温高压法、爆炸法性能特点：各向异性应用范围：砂轮、锯片等领域最常见合成工艺：高温高压法性能特点：各向同性应用范围：刀具、石油钻头、修整工具、拉丝模、耐磨器件等合成工艺：化学气相沉积法性能特点：宏观一般为各向同性应用范围：刀具、修整工具、拉丝模、耐磨器件等，高品级CVD金刚石已经在电子器件、航空航天、精密制造等领域大放光彩超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院人工合成金刚石的方法1、高温高压法（HTHP法）2、化学气相沉积法（CVD法）3、炸药爆炸合成金刚石纳米粉4、金属溶剂热解还原催化合成金刚石六面顶压机两面顶压机石墨→金刚石ΔG=G金刚石－G石墨0超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院模拟自然过程让石墨在高温高压的环境下转变成金刚石。金刚石与石墨之间存在着能量势垒,克服这个能量势垒，就能使石墨转化成金刚石。目前主要有下述几种学说：溶剂学说认为所用金属(合金)起着碳的溶剂作用；催化学说则认为是一种催化剂；固相转变学说则强调石墨晶体无需断键解体，经过简单形变就形成金刚石晶体。超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院金刚石刀具金刚石材料的成分是碳，金刚石与铁系有亲和力，切削过程中，金刚石的导热性优越，散热快，切削热高于700度会发生石墨化现象。金刚石在高温下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等会发生反应，与黑色金属(铁碳合金)在加工中会发生化学磨损，金刚石不用于加工黑色金属。超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院PCD刀具PCD是通过金属结合剂(如Co、Ni等)将金刚石微粉聚合而成的多晶体材料。金刚石广泛应用于切削加工还是PCD研制成功以后。PCD的硬度低于单晶金刚石，但PCD属各向同性材料；PCD具有导电性，便于切割成型，成本远低于天然金刚石。PCD原料来源丰富，价格只有天然金刚石的十几分之一，PCD应用远比天然金刚石刀具广泛。大多数PCD刀片都是与硬质合金基体烧结而成的复合刀片，即在硬质合金的基体上烧结一层约0.7mm厚的PCD，这种刀片的强度和硬质合金基本一致，硬度接近整体PCD，可焊性好，重磨容易，成本低。超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院金刚石刀具极高的硬度和耐磨性：金刚石的显微硬度达HV10000，是自然界最硬的物质。具有极高的耐磨性，天然金刚石的耐磨性为硬质合金的80-120倍，人造金刚石的耐磨性为硬质合金的60-80倍。各向异性能：单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件材料之间的摩擦系数等相差很大，因此，设计和制造单晶金刚石刀具时，必须正确选择晶体方向。具有很低的摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其它刀具都低，约为硬质合金刀具的一半，通常在0.1-0.3之间。摩擦系数低可减小切削温度和切削力。刀刃非常锋利：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，天然单晶金刚石刀具刀刃钝园半径可达纳米，能进行超薄切削和超精密加工。具有很高的导热性能：金刚石的导热系数为硬质合金的1.5-9倍，为铜的2-6倍。由于导热系数高，切削热容易散出，切削温度低。热胀系数低：金刚石的热胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/10。因此，金刚石刀具不会产生很大的热变形，这对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说尤为重要。超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院金刚石刀具性能比较超硬材料刀具发展及应用河南工业大学材料学院CVD金刚石刀具CVD金刚石刀具是指用化学气相沉积法(CVD)在异质基体(如硬质合金等)上合成金刚石膜制作的刀具。20世纪70年代末至80年代初，CVD金刚石在日本首先出现，目前，CVD金刚石膜产品直径已超过110mm，厚达毫米级，并日趋成熟。CV