超硬刀具材料發展展望

隨著材料工業及精密機械工業的發展，精密切削、超精密切削和難切削材料使用的增多，超硬刀具材料的應用日益廣泛。超硬材料刀具具有工效高、使用壽命長和加工品質好等特點，過去主要用於精加工，近幾年來由於改進了人造超硬刀具材料的生產工藝，控制了原料純度和晶粒尺寸，採用了複合材料和熱壓工藝等，應用範圍不斷擴大，除適於一般的精加工和半精加工外，還可用於粗加工，被國際上公認為是當代提高生產率最有希望的刀具材料之一。利用超硬材料加工鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金等零件，其切削速度可比硬質合金高一個數量級，刀具壽命可比硬質合金高幾十、甚至幾百倍。同時它的出現，還使傳統的工藝概念發生變化，利用超硬刀具常常可直接以車、銑代磨（或拋光），對淬硬零件加工，可用單一工序代替多道工序，大大縮短工藝流程。

超硬刀具材料發展概況
超硬刀具材料是指天然金剛石及硬度、性能與之相近的人造金剛石和CBN（立方氮化硼）。由於天然金剛石價格比較昂貴，所以生產上大多採用人造聚晶金剛石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN），以及它們的複合材料。
早在50年代，美國就利用人造金剛石微粉和人造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。之後，南非戴比爾（DeBeers）公司、前蘇聯和日本也相繼研製成功。70年代初又推出了金剛石或CBN和硬質合金的複合片，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、鑲焊困難等問題，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，以及用CVD（化學氣相沉積）法制出的金剛石薄膜塗層和金剛石厚膜等功能性材料，大大拓寬了超硬刀具材料的應用領域。
中國超硬刀具材料的研究與應用開始於70年代，並於1970年在貴陽建造了中國第一座超硬材料及製品的專業生產廠——第六砂輪廠，從1970～1990年整整20年中，超硬材料年產量僅從46萬克拉增至3500萬克拉。90年代前後不少超硬材料生產專業廠從國外引進了成套的超硬材料合成設備及技術，產量得到迅速發展，至1997年我國人造金剛石年產量就已達到5億克拉左右，CBN年產量達800萬克拉，躍居世界上超硬材料生產大國之首。
超硬刀具材料性能
金剛石具有極高的硬度和耐磨性，其顯微硬度可達10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同時它的摩擦係數小，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，加工表面品質好。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、末燒結的硬質合金、各種纖維和顆粒加強的複合材料、塑膠、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複合材料）。
金剛石的缺點是韌性差，熱穩定性低。700℃～800℃時容易碳化，故不適於加工鋼鐵材料。因為在高溫下鐵原子容易與碳原子作用而使其轉化為石墨結構。此外，用它切削鎳基合金時，同樣也會迅速磨損。
CBN的硬度僅次於金剛石（可達8000HV～9000HV），並且熱穩定性高（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，故適於加工各種淬硬鋼、熱噴塗材料、冷硬鑄鐵和35HRC以上的鈷基和鎳基等難切削材料。
超硬刀具材料應用前景廣闊
超硬刀具材料是一種先進的刀具材料，在生產中有著廣闊的應用前景。人造超硬刀具材料，目前單晶的向粗顆粒、高強度、多功能方向發展。美國GE公司現可工業生產出6克拉重的人造金剛石（約10mm），最大顆粒達11.14克拉重。PCD則向大直徑、細粒度、高抗衝擊、高熱穩定性方向發展。
PCD最大直徑已可達74mm，然後用鐳射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，切削刃的品質越好；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70HRC的高硬度材料。此外，據英國專利介紹，英國還研製出一種在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，以及氮化鈦或碳化鈦的防護塗層，其耐磨性可比普通PCD和PCBN刀片高4倍。
CVD金剛石薄膜和厚膜是近幾年新研製出的功能性材料，儘管至今生產還未形成規模，但因其性能優異，有著廣泛的用途。
天然和人工合成的單晶金剛石，以及PCD和TFD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，鬚根據不同具體情況，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，可能會發現製造出嶄新的刀具材料的品種，具有更優異的性能。據Lellond公司介紹，他們開發了一種由陶瓷＋CBN的超硬複合材料，它兼有陶瓷和CBN兩種材料的優點，是高速加工高硬耐磨鑄鐵的理想材料。又如，用石墨原料合成的金剛石聚晶體，而當今的金剛石為C12，已有研究，同位素C13和C60則更為堅硬。前幾年，武漢大學研製出一種C3N4/TiN薄膜，亦具有超硬材料性質，用其塗覆在高速鋼鑽頭上，可使鑽頭壽命大大提高。可以預料，今後隨著各種新型難切削材料應用的增多，必將促進超硬刀具材料進一步的發展與應用。