超硬材料和硬质金属.docx

1、超硬材料和硬质金属刀具材料应具备的基本性能1.高硬度和高耐磨性 :刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属， 这是刀具材料 必备的基本要求，现有刀具材料硬度都在 60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好， 但由于切削条件较复杂， 材料的耐磨性还决定于它的化学成分和 金相组织的稳定性。2.足够的强度与冲击韧性强度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能。 一般用抗弯强度来表示。 冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的 工作条件下保证不崩刃的能力，一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越 脆。硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。3.高耐热性耐热性又

2、称红硬性， 是衡量刀具材料性能的主要指标。 它综合反映了刀具 材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力。4.良好的工艺性和经济性为了便于制造，刀具材料应有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加工 性能。 当然在制造和选用时应综合考虑经济性。 当前超硬材料及涂层刀具材 料费用都较贵，但其使用寿命很长，在成批大量生产中，分摊到每个零件中 的费用反而有所降低。因此在选用时一定要综合考虑。如何选购钻石：外形美观（净度高，颜色白，切工好） ，性价比高。金刚石刀具为什么不适合加工铁基材料 用金刚石刀具加工铁系材料， 金刚石表面碳元素易与切屑、 切割表面发生粘 附，导致刀具不锋利，引起

3、加工区域温度升高，温度一高，加之有空气中的 氧气，金刚石就容易发元素碳化，宏观表现为金刚石石墨化。刀具材料的种类1.高速钢： 高速钢特别适用于制造结构复杂的成形刀具， 孔加工刀具例如各 类铣刀、拉刀、齿轮刀具、螺纹刀具等；由于高速钢硬度，耐磨性，耐热性 不及硬质合金，因此只适于制造中、低速切削的各种刀具。 高速钢按其性 能分成两大类：普通高速钢和高性能高速钢。2.硬质合金：硬质合金大量应用在刚性好，刃形简单的高速切削刀具上，随 着技术的进步，复杂刀具也在逐步扩大其应用。3.涂层刀具材料： 硬质合金或高速钢刀具通过化学或物理方法在其上表面涂 覆一层耐磨性好的难熔金属化合物， 既能提高刀具材料的耐

4、磨性， 而又不降 低其韧性。4.其它刀具材料：(1)陶瓷刀具：是以氧化铝( AI2O3)或以氮化硅(Si3N4)为基体，再添 加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。( 2)人造金刚石：它是碳的同素异形体，是目前最硬的刀具材料，显微硬 度达 10000HV。影响材料硬度的因素：晶体结构，价键测量刀具材料硬度的两种基本方式：洛氏，维氏。 洛氏硬度与维氏硬度区别：1.洛氏硬度( HR)洛氏硬度（ Rockwell hardness ）是美国人洛克维尔于 1919 年提出。试验方 法是用一个顶角为 120 度的金刚石圆锥体或直径为 1.59mm/3.18mm 的钢球， 在一定载荷下压入被测材料表

5、面， 由压痕深度求出材料的硬度。 根据实验材 料硬度的不同， 可分为三种不同标度来表示： HRA 是采用 60Kg 载荷和钻石 锥压入被测工件测试工件硬度， 用于硬度极高的材料， 例如： 硬质合金； HRB 是采用 100Kg 载荷和直径 1.59mm/3.18mm 淬硬的钢球求得的硬度， 用于硬度 较低的材料，例如：退火钢、 铸铁、各种退火钢、正火钢、软钢、部分不 锈钢及较硬的铜合金等； HRC 是采用 150Kg 载荷和钻石锥压入被测工件测试 工件的硬度，用于硬度很高的材料，例如：淬火钢、回火钢、调质钢和部分 不锈钢等， 是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。 三种标尺的初始压力 均为 9

6、8.07N （ 10Kgf） ，最后根据压痕深度计算硬度值。标尺 A 使用的是球锥菱形压头，然后加压至 588.4N（ 60Kgf ）；标尺 B 使用的是直径为 1.588mm （1/16 英寸）的钢球作为压头，然后加压至 980.7N （100Kgf ），因此标尺 B适用于较软的材料检测，标尺 C 适用于较硬的材料检测。2.维氏硬度（ Vickers hardness ）是表示材料硬度的一种标准，由英国科 学家维克斯首先提出，表示为 HM以49.03980.7N的负荷，将相对面夹角 为 136的方锥形金刚石压入器压材料表面 , 保持规定时间后，用材料压痕 凹坑的表面积除以负荷值， 即为材料的

7、维氏硬度值。 它适用于较大工件和较 深 表 面 层 的 硬 度 测 定 。 维 氏 硬 度 尚 有 小 负 荷 维 氏 硬 度 ， 试 验 负 荷 1.96149.03N ，它适用于较薄工件、工具表面或镀层的硬度测定；显微维氏 硬度，试验负荷 90%）；高密度，有一定分布均匀的气氛（ 28%），促进分散溶解； 纯度高，有害杂质尽可能消除。2.触媒材料：对碳的溶解度和扩散系数要大，不形成稳定的碳化物，合金化活性好，易于催化碳原子 sp2向sp3转化晶格常数接近金刚石，与碳的共晶温度低，比电阻值大 晶粒度大小均匀，与石墨相匹配3.传压介质叶腊石：四面体 Si2连续层状结构含水硅铝酸盐： Al 2O

8、 4Si2 Ho高密度，有一定分布均匀的气孔（ 28%） 叶腊石在高温高压下相变引起体积收缩、引起内部压力下降、摩擦力增 加，加入氯化钠。白云石等形成符合传压介质。金刚石应用：1.金刚石磨具：利用金刚石磨削、研磨或抛光的工具 粘结剂：树脂、金属和陶瓷等提高寿命及精度2.金刚石锯切工具：圆锯片和圆绳锯3.金刚石钻头4.单晶金刚石刀具聚晶金刚石的性质：高硬度、好的耐磨性摩擦系数小 热膨胀系数小 与有色金属和非金属材料的亲和性小聚晶金刚石的应用：1.聚晶金刚石刀具加工对象：非铁金属（ Al 及合金、铜及合金、硬质合金、钛、镁等各种有 色金属及合金） 、非金属材料（木材、增强塑料、橡胶、石墨、陶瓷）

9、优点：聚晶金刚石层晶粒呈无序排列，各向同性，无解理面PCDPCD复合片有硬质合金衬底支撑，既弥补了 PCD虽度差的缺点，又使 焊接性差的问题迎刃而解可制备不同尺寸以及复杂异形刀坯材料刀具的选择：PCD的性能与金刚石的晶粒尺寸及结合剂的含量有关， 结合剂越多，硬度越差。晶粒尺寸越大，耐磨性越好，但刃口质量稍差，难以制成高精度刀具。相反，用细晶粒 PCD制成的刀具、刃口质量好。PCD粒度的选择与刀具加工条件有关，如设计用于精加工或超精加工的刀 具时，应选用细晶粒的 PCD粗晶粒PCD刀具则可用于一般的粗加工2.聚晶金刚石拉丝模3.聚晶金刚石钻头 金刚石涂层制备：通常条件下， 石墨的生长速率远大于金

10、刚石的生长速率其竞争生长使石墨覆 盖了任何可能形成的金刚石晶核。 过饱和氢和碳气氛的混合气体等离子体活 化的作用下，在衬底上沉积金刚石。提高形核密度： 金刚石形核的有利位置是高能的表面缺陷及各种类金刚石结 构的碳基团族或衬底研磨留下的磨料颗粒（金刚石研磨膏）。对基体进行表面预处理如用金刚石研磨膏或其他磨料机械研磨或超声处 理、离子注入或在基体上形成蹲便和缺陷等；对基体施加偏；沉积过渡层。氮气的作用：使其激活、离化成氢原子，有助于有机气体碳化物的离解，以利用产生 活性的甲基原子团的化学反应有利于稳定金刚石的 sp 键，不利于形成石墨的 sp 键氢原子对膜层中生成的石墨具有很强的刻蚀作用，可以除去

11、膜层中的石 墨保留膜层中的金刚石。涂层制备方法：火焰法：沉积速率高、面积小、石墨含量高（直流、微波、射频）等离子体法：沉积温度 1400C）、化学惰性、高热导率等化学性质：化学稳定性：抗氧化想 1400 C,化学惰性热稳定性BN晶体结构：六方氮化硼h:石墨类似结构菱方氮化硼r :具有六方氮化硼相同性质，易于向 CBN转变立方氮化硼C:类似金刚石晶体结构纤锌矿氮化硼 w: 个平面是硼原子，一个平面是氮原子。合成机理:溶剂学说：hBN溶于由hBN与触媒形成的中间相中，由于 CBN在中间相中的溶解度小于hBN故而形成CBN的过饱和溶液，使得CBN以井体的形式在过饱 和溶液中析出固相转变学说：hBN不

12、经融化由固相直接转变为 cBN, 7GPa压力下温度降至900 CPCB N的性质：硬度: HV3000-5000热稳定性: 1400C抗氧化性: 1000C导热性：仅次于 PCD随温度升高增加摩擦系数:切削速率提高，摩擦系数减小PCBN合成方法1.直接转化法由单晶CBN直接聚结形成聚晶立方氮化硼所需的温度和压力相当高， 在无粘结剂条件下合成 PCBN需要在8GPa和1800-2200 C的条件下进行合成。2.烧结法用单晶CBN粉在添加结合剂（钻、镍、 TiC、TiN、AI/AI 2Q、ALN等）的情 况下高压高温烧结方式（5-6GPa和1200-1500 C）结合剂选用原则：低熔点原则：熔融

13、的结合剂在温度超过熔点不多和高压作用下，仍保留 有序结构并能渗透到各 cBN 晶粒间，与 cBN 晶粒有良好的湿润性，有利 于与CBN晶面充分接触而扩大烧结面；与CBN粒子起适量反应形成硬度高、热导性好、耐磨的高熔点化合物原则；结合剂中应含有能消除氧或其他杂质对 CBN的污染；能填充CBN晶粒间的间隙，阻碍或抑制 CBN颗粒烧结对成长，特别是在 制造用于加工PCBN刀具材料时，阻碍和抑制超细 CBN晶粒的长大很是重要。PCBN应用：1.整体PCBN刀具2. PCBN 复合刀具立方氮化硼涂层制备方法： 真空蒸镀； 溅射； 离子镀； 离子束震动沉积； CVD 涂层结构：非晶层： a-BNt-BN过

14、渡层：六角（h-）BN或石墨结构BNC-BN主要问题：结合强度低、涂层直接脱落。解决：高的基体偏压提高涂层应力，沉积过渡层生长的涂层厚度薄。解决：h-BN（ B4C或B）靶+N2、Ar或者两者的混合气体非 c-BN 相存在（底层 sp2 涂层存在）成分偏离化学配比成核和生长机理不清楚涂层性能： 硬度：一般获得的非晶涂层为 -C3N4 和 a-C3N4 的混合结构，最高硬度达 到73GPa -CsN4的含量越高，硬度越大。 C N比也会影响其硬度。低的摩擦性能高的抗腐蚀性和耐热性多层涂层是由两种或两种以上具有不同成分或结构的涂层在垂直于涂层一 维方向上相互交替沉积生长而形成的多层结构。调制周期：

15、纳米多层涂层中每相邻的两层形成一个基本的重复单元。调制比：在一个重复单元中，调制层 A厚度和调制层B厚度的比值通常将调制周期小于 IOOnm的多层涂层称为纳米多层涂层。纳米多层膜强化理论：1.模量差理论和位错的层内滑移： 在具有不同剪切模量的材料中， 为位错线 能量不同。在多层膜中，位错将停留在具有低剪切模量的材料涂层中，只有 在外应力作用下才能使其进入具有高模量的调制层内， 也就是说位错穿过界 面时将受到映向位错对其施加的映向力作用。2.Hall-Petch 强化理论：用于解释多晶中晶粒尺寸和强度的关系，多层涂 层的变形随着位错在层内的运动随着涂层厚度的减小， 层内位移数量也减小， 开动这些

16、位移所需的应力相应地减小。 当层厚大于某一临界值后， 在存在晶 格失配的多层膜中将会产生位错阵列， 位错阵列对位错运动的阻滞导致材料 强度增加。3.共格应变理论： 多层涂层间因点阵错配而产生的共格应变是导致硬度升高的主要原因。超点阵涂层种类：同构纳米多层涂层：涂层的两种组成材料的晶体结构相同 同构纳米多层涂层膜调制层间很容易形成共格界面，但是在高温时会发 生很快的层间扩散，从而导致多层涂层硬度增量的消失。异构纳米多层涂层：涂层的两种组成材料的晶体结构不同异构纳米多层涂层满足共格条件时，也常形成低能共格界面，这种异构共格界面对其高温下的结构稳定性有重要意义，然而当两调制材料的晶 格错错配度较大时，共格界面就难以形成。共格界面的形成：界面能：晶体结构、晶体错配度应变能：厚度增加而增加TiAlN 是目前应用最广泛的切削刀具涂层材料。性能：硬度： -30GPa热稳定性：1000 C抗氧化温度：850 C