超硬刀具材料的性能

    金剛石硬度和耐磨性極高，其顯微硬度可達10000HV，是刀具材料中最硬的材料。金剛石的摩擦系數小，與非鐵金屬無親和力，切屑易流出，熱導率高，切削時不易產生積屑瘤，加工表面質量好。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、玻璃和各種耐磨的木材(尤其是實心木和膠合板等復合材料)。?

    金剛石的缺點是韌性差，熱穩定性低。700℃～800℃時易碳化，故不適合加工鋼鐵材料。因為在高溫下，鐵原子易與碳原子作用而使其轉化為石墨結構。此外，用它來加工鎳基合金，刀具會迅速磨損。?

    立方氮化硼(CBN)的硬度僅次于金剛石，硬度可達8000HV～9000HV，并且熱穩定性高(達1250℃～1350℃)，對鐵族元素化學惰性大，抗粘結能力強，而且用金剛石砂輪即可磨削開刃，所以適合于加工各種淬硬鋼、熱噴涂材料、冷硬鑄鐵和硬度為35HRC以上的鈷基和鎳基難加工材料。?

    超硬刀具材料發展現狀

    由于天然金剛石價格昂貴，所以在生產中多數采用人造聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)以及它們的復合材料。?

    美國在五十年代就利用人造金剛石微粉和人造立方氮化硼(CBN)微粉在高溫高壓、觸媒和結合劑的作用下燒結成尺寸較大的聚晶塊作為刀具材料。而后，南非DeBeers公司、前蘇聯和日本也相繼研制成功。七十年代初，又推出了金剛石或CBN和硬質合金的復合片，它們是在硬質合金基體上燒結或壓制一層0.5mm～1mm的PCD或PCBN而成，從而解決了超硬刀具材料抗彎強度低、釬焊困難等問題，使超硬刀具的應用進入實用階段。目前，又出現了人工合成大單晶金剛石(SCD)，以及用CVD法制出的金剛石薄膜涂層和金剛石厚膜等功能性材料，極大地拓寬了超硬刀具材料的應用領域。?

    我國超硬刀具材料的研究與應用始于七十年代，從1970～1990年，超硬材料年產量從46萬克拉增至3500萬克拉。九十年代前后，很多超硬材料專業生產廠家從國外引進了成套的超硬材料合成設備及技術生產人造金剛石，使其產量猛增。據統計，1997年，我國人造金剛石的年產量達5億克拉，立方氮化硼的年產量為800萬克拉。1999年，人造金剛石年產量達7.5億克拉，至2000年猛增至12億克拉，成為世界超硬材料生產大國。?

    超硬刀具材料發展趨勢及應用前景

    目前，單晶的人造超硬刀具材料正向粗顆粒、高強度、多功能方向發展。美國GE公司現可生產6克拉重的人造金剛石(約10mm)，最大顆粒重量11?14克拉。聚晶金剛石(PCD)則向大直徑、細顆粒、抗沖擊力強、高熱穩定性方向發展。目前生產的最大直徑已達74mm，可用激光切割成所需的任何形狀。PCD顆粒的商品尺寸為2～25μm；顆粒越細，切削刃的質量越好；顆粒越大，刀具使用壽命越長。DeBeers公司生產的PCBN產品，最大直徑為101.6mm，可加工硬度為70HRC的高硬度材料。美國研制出一種在PCD和PCBN刀片外表面上用CVD法沉積一層鎳、銅、鈦、鈷、鉻、鉭的混合物，以及TiN或TiC的防護涂層，其耐磨性比普通PCD和PCBN刀片高4倍。?

    CVD金剛石薄膜和厚膜是近年來新研制開發的功能性材料，至今尚未形成生產規模。但因其性能優良，所以有廣泛的用途。?

    天然和人工合成的單晶金剛石以及PCD和TED之間存在著相互交叉的應用領域，它們在一定程度上能相互補充，應根據不同的具體情況，特別是性能價格比加以選用。預計在新世紀，超硬刀具材料CBN和金剛石將得到更多的應用，雖將可能開發出性能更為優異的新的超硬刀具材料。據報道，Lellond公司開發了一種由陶瓷+CBN的超硬復合材料，具有陶瓷和CBN兩種材料的優點，是高速加工高硬耐磨鑄鐵的理想材料；又開發了用石墨原料合成的金剛石聚晶體；目前開發的C12、C13和C60金剛石材料的硬度更高。幾年前，武漢大學研制出一種C3N4/TiN薄膜，將其涂覆在高速鋼鉆頭上，可使鉆頭壽命大大提高。