PCDPCBN刀具材料及刀具涂层.docx

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PCDPCBN刀具材料及刀具涂层

PCD﹑PCBN刀具材料及刀具涂层

（一）PCD

二十世纪七十年代，人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石（PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。

金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。

金刚石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决定的。

在金刚石晶体中，碳原子的四个价电子按四面体结构成键，每个碳原子与四个相邻原子形成共价键，进而组成金刚石结构，该结构的结合力和方向性很强，从而使金刚石具有极高硬度。

由于聚晶金刚石（PCD）的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。

但由于PCD烧结体表现为各向同性，因此不易沿单一解理面裂开

PCD刀具材料的主要性能指标：

①PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的80～120倍；②PCD的导热系数为700W/mK，为硬质合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和铜，因此PCD刀具热量传递迅速；③PCD的摩擦系数一般仅为0.1～0.3（硬质合金的摩擦系数为0.4～1），因此PCD刀具可显著减小切削力；④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10-6～1.18×10-6，仅相当于硬质合金的1/5，因此PCD刀具热变形小，加工精度高；⑤PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。

PCD刀具的应用:

工业发达国家对PCD刀具的研究开展较早，其应用已比较成熟。

自1953年在瑞典首次合成人造金刚石以来，对PCD刀具切削性能的研究获得了大量成果，PCD刀具的应用范围及使用量迅速扩大。

目前，国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国DeBeers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。

据报道，1995年一季度仅日本的PCD刀具产量即达10.7万把。

PCD刀具的应用范围已由初期的车削加工向钻削、铣削加工扩展。

由日本一家组织进行的关于超硬刀具的调查表明：

人们选用PCD刀具的主要考虑因素是基于PCD刀具加工后的表面精度、尺寸精度及刀具寿命等优势。

金刚石复合片合成技术也得到了较大发展，DeBeers公司已推出了直径74mm、层厚0.3mm的聚晶金刚石复合片。

国内PCD刀具市场随着刀具技术水平的发展也不断扩大。

目前中国第一汽车集团已有一百多个PCD车刀使用点，许多人造板企业也采用PCD刀具进行木制品加工。

PCD刀具的应用也进一步推动了对其设计与制造技术的研究。

国内的清华大学、大连理工大学、华中理工大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等均在积极开展这方面的研究。

国内从事PCD刀具研发、生产的有上海舒伯哈特、郑州新亚、南京蓝帜、深圳润祥、成都工具研究所等几十家单位。

目前，PCD刀具的加工范围已从传统的金属切削加工扩展到石材加工、木材加工、金属基复合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。

通过对近年来PCD刀具应用的分析可见，PCD刀具主要应用于以下两方面：

①难加工有色金属材料的加工：

用普通刀具加工难加工有色金属材料时，往往产生刀具易磨损、加工效率低等缺陷，而PCD刀具则可表现出良好的加工性能。

如用PCD刀具可有效加工新型发动机活塞材料——过共晶硅铝合金（对该材料加工机理的研究已取得突破）。

②难加工非金属材料的加工：

PCD刀具非常适合对石材、硬质碳、碳纤维增强塑料（CFRP）、人造板材等难加工非金属材料的加工。

如华中理工大学1990年实现了用PCD刀具加工玻璃；目前强化复合地板及其它木基板材（如MDF）的应用日趋广泛，用PCD刀具加工这些材料可有效避免刀具易磨损等缺陷。

（二）PCBN

CBN具有较高的硬度、化学惰性及高温下的热稳定性，因此作为磨料CBN砂轮广泛用于磨削加工中。

由于CBN具有优于其它刀具材料的特性因此人们一开始就试图将其应用于切削加工，但单晶CBN的颗粒较小，很难制成刀具，且CBN烧结性很差，难于制成较大的CBN烧结体，直到20世纪70年代，前苏联、中国、美国、英国等国家才相继研制成功作为切削刀具的CBN烧结体——聚晶立方氮化硼PCBN（PolycrystallineCubicBoronNitride）。

从此，于切削加工的各个领域，尤其在高硬度材料、难加工材料的切削加工中更是独树一帜。

经过30多年的开发应用，现在已出现了用以加工不同材料的PCBN刀质。

PCBN刀具的切削性能

　　由于CBN晶体与金刚石晶体都属闪锌矿型，且晶格常数相近，化学键类型相同，因而CBN具有接近金刚石的硬度和抗压强度，又因为其是由N、B原子所组成，因此具有比金刚石更高的热稳定性和化学惰性。

PCBN刀具材料主要性能如下：

具有很高的硬度和耐磨性

　　CBN单晶的显微硬度为HV8000～9000，是目前已知的第二高硬度的物质，PCBN复合片的硬度一般为HV3000～5000。

因此用于加工高硬度材料时具有比硬质合金及陶瓷更高的耐磨性，能减少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性，尤其适用于自动化程度高的设备中，可以减少换刀调刀辅助时间，使其效能得到充分发挥。

具有很高的热稳定性和高温硬度

　　CBN的耐热性可达1400～1500℃，在800℃时的硬度为Al2O3/TiC陶瓷的常温硬度，因此，当切削温度较高时，会使被加工材料软化，与刀具间硬度差增大，有利于切削加工进行，而对刀具寿命影响不大。

具有较高的化学稳定性

　　CBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃时也不产生氧化现象，与铁系材料在1200～1300℃时也不发生化学反应，但在1000℃左右时会与水产生水解作用，造成大量CBN被磨耗，因此用PCBN刀具湿式切削时需注意选择切削液种类。

一般情况下，湿切对PCBN刀具寿命无明显提高，所以使用PCBN刀具时往往采用干切方式。

具有良好的导热性

　　CBN材料的导热系数低于金刚石但大大高于硬质合金，并且随着切削温度的提高，PCBN刀具的导热系数不断增大，因此可使刀尖处热量很快传出，有利于工件加工精度的提高。

具有较低的摩擦系数

CBN与不同材料的摩擦系数在0.1～0.3之间，大大低于硬质合金的摩擦系数（0.4～0.6），而且随摩擦速度及正压力的增大而略有减小。

因此低的摩擦系数及优良的抗粘结能力，使CBN刀具切削时不易形成滞留层或积屑瘤，有利于加工表面质量的提高。

PCBN刀具应用

1用PCBN刀具精车淬硬钢

2用PCBN刀具加工硬铸铁及高速切削灰铸铁

3难加工材料切削加工

奥氏体不锈钢（45HRC）、高温合金钢、高锰钢、高强度钢及高镍合金0

（三）刀具涂层材料

1.涂层的特性：

（1）硬度

　　涂层带来的高表面硬度是提高刀具寿命的最佳方式之一。

一般而言，材料或表面的硬度越高，刀具的寿命越长。

氮碳化钛（TiCN）涂层比氮化钛（TiN）涂层具有更高的硬度。

由于增加了含碳量，使TiCN涂层的硬度提高了33%，其硬度变化范围约为Hv3000～4000（取决于制造商）。

表面硬度高达Hv9000的CVD金刚石涂层在刀具上的应用已较为成熟，与PVD涂层刀具相比，CVD金刚石涂层钨钢铣刀具的寿命提高了10～20倍。

金刚石涂层的高硬度和切削速度可比未涂层刀具提高2～3倍的能力使其成为非铁族材料切削加工的不错选择。

（2）耐磨性

　　耐磨性是指涂层抵抗磨损的能力。

虽然某些工件材料本身硬度可能并不太高，但在生产过程中添加的元素和采用的工艺可能会引起刀具切削刃崩裂或磨钝。

　　（3）表面润滑性

　　高摩擦系数会增加切削热，导致涂层寿命缩短甚至失效。

而降低摩擦系数可以大大延长刀具寿命。

细腻光滑或纹理规则的涂层表面有助于降低切削热，因为光滑的表面可使切屑迅速滑离前刀面而减少热量的产生。

与未涂层刀具相比，表面润滑性更好的涂层刀具还能以更高的切削速度进行加工，从而进一步避免与工件材料发生高温熔焊。

　　（4）氧化温度

　　氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。

氧化温度值越高，对在高温条件下的切削加工越有利。

虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层，但事实证明它在高温加工中要比TiCN有效得多。

TiAlN涂层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具与切屑之间形成一层氧化铝，氧化铝层可将热量从刀具传入工件或切屑。

与高速钢刀具相比，硬质合金刀具的切削速度通常更高，这就使TiAlN成为硬质合金刀具的首选涂层，硬质合金钻头和立铣刀通常采用这种PVDTiAlN涂层。

　　（5）抗粘结性

　　涂层的抗粘结性可防止或减轻刀具与被加工材料发生化学反应，避免工件材料沉积在刀具上。

在加工非铁族金属（如铝、黄铜等）时，刀具上经常会产生积屑瘤（BUE），从而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。

一旦被加工材料开始粘附在刀具上，粘附就会不断扩大。

例如，用成型丝锥加工铝质工件时，加工完每个孔后丝锥上粘附的铝都会增加，以至最后使得丝锥直径变得过大，造成工件尺寸超差报废。

具有良好抗粘结性的涂层甚至在冷却液性能不良或浓度不足的加工场合也能起到很好的作用。

　　2.常用的涂层

（1）氮化钛涂层（TiN）

　　TiN是一种通用型PVD涂层，可以提高刀具硬度并具有较高的氧化温度。

该涂层用于高速钢切削刀具或成形工具可获得很不错的加工效果。

（2）氮碳化钛涂层（TiCN）

　　TiCN涂层中添加的碳元素可提高刀具硬度并获得更好的表面润滑性，是高速钢刀具的理想涂层。

　　（3）氮铝钛或氮钛铝涂层（TiAlN/AlTiN）

　　TiAlN/AlTiN涂层中形成的氧化铝层可以有效提高刀具的高温加工寿命。

主要用于干式或半干式切削加工的硬质合金刀具可选用该涂层。

根据涂层中所含铝和钛的比例不同，AlTiN涂层可提供比TiAlN涂层更高的表面硬度，因此它是高速加工领域又一个可行的涂层选择。

　　4）氮化铬涂层（CrN）

　　CrN涂层良好的抗粘结性使其在容易产生积屑瘤的加工中成为首选涂层。

涂覆了这种几乎无形的涂层后，高速钢刀具或硬质合金刀具和成形工具的加工性能将会大大改善。

　（5）金刚石涂层（Diamond）

　　CVD金刚石涂层可为非铁金属材料加工刀具提供最佳性能，是加工石墨、金属基复合材料（MMC）、高硅铝合金及许多其它高磨蚀材料的理想涂层（注意：

纯金刚石涂层刀具不能用于加工钢件，因为加工钢件时会产生大量切削热，并导致发生化学反应，使涂层与刀具之间的粘附层遭到破坏）。

　　适用于硬铣、攻丝和钻削加工的涂层各不相同，分别有其特定的使用场合。

此外，还可以采用多层涂层，此类涂层在表层与刀具基体之间还嵌入了其它涂层，可以进一步提高刀具的使用寿命。

　　3.涂层的成功应用

　　实现涂层的高性价比应用可能取决于许多因素，但对于每种特定的加工应用而言，通常只有一种或几种可行的涂层选择。

涂层及其特性的选择是否正确可能就意味着加工性能明显提高与几乎没有改善之间的区别。

切削深度、切削速度和冷却液都可能对刀具涂层的应用效果产生影响。