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金剛石及超硬材料應(yīng)用中的注意事項

[ 發(fā)布日期：2013/5/30 8:42:13 ] 瀏覽人數(shù)： 2727
　　天然單晶金剛石
　　在當(dāng)前的超精密加工中，天然單晶金剛石的切削工具已是必不可少。它可獲得極為鋒利的切削刃，其刃口圓弧半徑可以達到連掃描電子顯微鏡(SEM)也無法檢測的程度。據(jù)日本大阪大學(xué)井川直哉教授介紹，最小可達2～4nm,這是當(dāng)前的最高水平，是通過切削獲得的厚為1nm的切屑推算出來的。1986年日本專門成立了一個金剛石刀尖評價委員會，來解決刀尖的測量問題，直至今天仍然沒有很好解決，只是從0.05um提高到2～4nm。1992年東芝機械http://www.stonebuy.com/machine/的淺井昭一也曾提出過利用掃描隧道顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)進行檢測的建議，但是并沒有再報道過，我國華中理工大學(xué)精儀系在1996年報道了用AFM取得了進展，這是可喜的成就。
　　金剛石切削工具的刃磨，雖已有不小的成就。但仍然是以經(jīng)驗為主，依舊是一個有待解決的課題。金剛石切削工具的幾何參數(shù)也許是實踐不足，所以迄今還有待探索。一般其前角為0°，后角為5～6°，其端部有兩種，一是圓弧，另一為直°線，后者有時稱為修光刃，其長度根據(jù)被加工材料來選擇。圓弧車刀在切削過程中的調(diào)整比較簡單，而平刃的調(diào)整相對而言是很費時的。如果應(yīng)用在高精度的曲面加工中，圓弧的刃磨要求就很嚴格，它精度的優(yōu)劣會復(fù)印在曲面上。據(jù)資料表明，日本大阪金剛石制作所在數(shù)年前就能達到R±0.05um,英國則更高，達到R±0.02um。
　　切削過程中，金剛石的導(dǎo)熱性優(yōu)越，散熱快，但是要注意切削熱不宜高于700℃，否則會發(fā)生石墨化現(xiàn)象，工具會很快磨損。因為金剛石在高溫下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會發(fā)生反應(yīng)。
　　金剛石燒結(jié)體(PCD)
　　PCD的出現(xiàn)，在許多方面代替了天然單晶金剛石。PCD與天然金剛石比較，價格便宜，且刃磨遠比天然金剛石方便，所以其應(yīng)用、推廣特別迅速。在大量涌現(xiàn)的新材料中，大部分都是難加工材料，如高硅鋁合金，汽車發(fā)動機的活塞大量采用這種材料。一般，含硅量低于10%的鋁合金，用硬質(zhì)合金切削工具即可，但含硅量超過10%,就只能借助PCD。當(dāng)前采用的高硅鋁合金含硅量均在12%以上，有的已達18%以上，所以非PCD莫屬。
　　但是，由于PCD的種類很多，有合理選擇的必要。其粒度、濃度等都會影響到硬度、耐磨性等性能。因此，在應(yīng)用中也必須根據(jù)被加工材料的種類。硬度等特性來考慮合理的各種參數(shù)。由于其具有各向同性，耐磨性比較好，加工成拔絲模甚至優(yōu)于天然單晶金剛石。
　　PCD在國內(nèi)外的生產(chǎn)已十分普及，但是質(zhì)量有較大的差異，因此在價格上出入很大。國內(nèi)曾用美國超細粒度的GE公司的刀片，在PneumoPreci～sion的SMG325超精密機床上做了切削試驗，曾達到接近鏡面的表面粗糙度。
　　立方氮化硼燒結(jié)體(PCBN)
　　PCBN是CBN顆粒與結(jié)合劑一起燒結(jié)而成，耐高溫，硬度僅次于金剛石，與黑色金屬無親和力。從發(fā)展的角度來看，許多新材料需用PCBN來加工。比如汽車變速箱的齒輪采用了PCBN的齒輪滾刀，不僅獲得高生產(chǎn)率，且明顯的提高了質(zhì)量，加工面甚至變成了鏡面。據(jù)資料表明，PCBN滾切過的齒輪表面由于硼的滲入，硬度也變高。這是哈工大的實驗所證實的。由于PCBN耐高溫，在大氣和水蒸氣中，在900℃以下無任何變化且穩(wěn)定，甚至在1300℃時，和Fe、Ni、Co等也幾乎沒有反應(yīng)，更不會像金剛石那樣急劇磨損，這時它仍能保持硬質(zhì)合金的硬度，因此，它不僅能切削淬火過的鋼零件或冷硬鑄鐵，而且能被廣泛應(yīng)用于高速或超高速的切削工作上。但是，PCBN不適于切削一般的鋼件，因此。選擇工具時必須注意。采購時必須考慮到其粒度、濃度。
　　PCBN的幾何形狀也有特殊性，一般切削刃需要倒棱成-30°或圓弧，以防護刀尖破損。生產(chǎn)PCBN的廠商不少，國外主要的有美國的GE公司、日本的住友電氣(株)、DIJET(黛杰)、英國的DeBeers等，國內(nèi)主要有成都工具研究所、貴州第六砂輪廠、桂林地質(zhì)研究所等。
　　超硬材料涂層切削工具
　　CVD、PVD等技術(shù)的出現(xiàn)，是切削工具領(lǐng)域中的一次重大的革命。它的出現(xiàn)立即引起了機械http://www.stonebuy.com/machine/制造領(lǐng)域的巨大反響，理想的切削工具應(yīng)當(dāng)是既有硬的表面，又有高的韌性，涂層技術(shù)便達到了這個目標(biāo)。
　　最早的涂層材料都是陶瓷性質(zhì)的物質(zhì)，如TiN、TiC、Al23O等，近年來，涂層技術(shù)又有了很大的發(fā)展。超硬材料涂層正在得到全面應(yīng)用，許多產(chǎn)品http://www.stonebuy.com/sample/相繼出現(xiàn)在市場http://www.stonebuy.com/enterprise/FuJian/QuanZhouShi.html上，但國內(nèi)尚處在實驗階段，預(yù)計也會很快突破，超硬材料涂層的發(fā)展，使整個現(xiàn)有的切削工具的性能都明顯得到了提高，面對當(dāng)前大量涌現(xiàn)的難加工材料，這些新發(fā)展的涂層技術(shù)將有巨大的適應(yīng)能力，前景相當(dāng)喜人。
　　超硬材料涂層的種類共有三大類，即類金剛石、金剛石和CBN。這些涂層材料均為純金剛石或純CBN,所以硬度與沉積的材料是相同的，和PCD與PCBN相比，因不含結(jié)合劑，所以硬度、耐磨性等均有較大的提高。
　　金剛石涂層和CBN涂層的性能與原材料是相同的，只是薄膜而已，使用時與陶瓷涂層類同。這里著重介紹類金剛石膜。
　　類金剛石碳(Diamond-LikeCarbon,簡稱DLC)膜具有與金剛石膜相似的優(yōu)異性能，其抗摩擦磨損性能良好，且DLC膜制備工藝日趨成熟，可以在很低的沉積溫度下獲得大面積且表面粗糙度小的DLC膜，而金剛石薄膜則要求較高的沉積溫度(約800℃～1000℃)，因此，許多基體材料受到限制，如高速鋼，而且在大面積上沉積均勻也比較困難，表面也粗糙。因此，DLC膜在許多場合更易獲得應(yīng)用，如可作磁盤的保護膜。
　　在涂層切削工具的使用方面，和陶瓷涂層的一樣，涂層基體也必須作很好的處理。一般基體的硬質(zhì)合金為YG8,其預(yù)處理工藝首先用W1金剛石微粉拋光，再進行表面脫鈷15min,脫鈷液為1:3硝酸水溶液，然后在丙酮中超聲波清洗10min。基體在涂復(fù)之前，清洗的工作極為重要。如果是切削工具，在刃磨中必須保證不能退火。
　　由于超硬材料涂復(fù)的技術(shù)歷史尚短，還處在發(fā)展之中。相信它也會和陶瓷涂層技術(shù)一樣，會更加完善。
　　厚膜金剛石
　　金剛石薄膜的合成技術(shù)和應(yīng)用研究在全球范圍發(fā)展極為迅速，形成了“金剛石薄膜熱”。在這十多年內(nèi)，氣相合成的方法發(fā)展到二十多種，一般沉積的速度每小時只1～2um,如何加快沉積速度一直是人們研究的課題。在近期沉積速度發(fā)展到了100um/h以上，最高達到930um/h。我們稱之為厚膜金剛石。我國東方天地金剛石研究所成功地掌握了這門技術(shù)，最大的沉積厚度達到了2.3mm。現(xiàn)在已商品化，進入了國際先進行列。厚膜金剛石不同于PCD之處是沒有結(jié)合劑，是純金剛石，所以它的硬度高得多，與天然金剛石不同，它具有各向同性，成本低，因此在許多方面將取代PCD。用作拔絲模將是均勻磨損，因此拔絲的線材質(zhì)量明顯優(yōu)于天然金剛石模具。如果沉積質(zhì)量進一步提高，在超精密加工中也有取代天然金剛石的可能，因此頗受超精密領(lǐng)域的重視。

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