金剛石和超硬材料的應用（二）

來源：    作者：    發(fā)表時間：2010-01-30 14:43:22   

立方氮化硼燒結體(PCBN)
PCBN是CBN顆粒與結合劑一起燒結而成，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，不僅獲得高生產率，且明顯的提高了質量，加工面甚至變成了鏡面。據資料表立方氮化硼燒結體(PCBN)
PCBN是CBN顆粒與結合劑一起燒結而成，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，不僅獲得高生產率，且明顯的提高了質量，加工面甚至變成了鏡面。據資料表明，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，更不會像金剛石那樣急劇磨損，這時它仍能保持硬質合金的硬度，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，國內主要有成都工具研究所、貴州第六砂輪廠、桂林地質研究所等。
超硬材料涂層切削工具 CVD、PVD等技術的出現，是切削工具領域中的一次重大的革命。它的出現立即引起了機械制造領域的巨大反響，理想的切削工具應當是既有硬的表面，又有高的韌性，涂層技術便達到了這個目標。
最早的涂層材料都是陶瓷性質的物質，如TiN、TiC、Al2O3等，近年來，涂層技術又有了很大的發(fā)展。超硬材料涂層正在得到全面應用，許多產品相繼出現在市場上，但國內尚處在實驗階段，預計也會很快突破，超硬材料涂層的發(fā)展，使整個現有的切削工具的性能都明顯得到了提高，面對當前大量涌現的難加工材料，這些新發(fā)展的涂層技術將有巨大的適應能力，前景相當喜人。
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。一般基體的硬質合金為YG8,其預處理工藝首先用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。
由于超硬材料涂復的技術歷史尚短，還處在發(fā)展之中。相信它也會和陶瓷涂層技術一樣，會更加完善。
厚膜金剛石
金剛石薄膜的合成技術和應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，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1～2µm,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100µm/h以上，最高達到930µm/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，最大的沉積厚度達到了2.3mm。現在已商品化，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，因此拔絲的線材質量明顯優(yōu)于天然金剛石模具。如果沉積質量進一步提高，在超精密加工中也有取代天然金剛石的可能，因此頗受超精密領域的重視。
總之，金剛石和超硬材料的發(fā)展，對各種工業(yè)的發(fā)展將起到巨大的推動作用，前景十分廣闊。
4 問題與展望
每一種切削工具材料在發(fā)展中都會出現一些異常，因此必須不斷探索和研究。
每一種材料均有不同的特性，在使用中應當根據工具和被加工材料的特性，甚至加工條件來選擇合理的加工方法。
眾所周知，金剛石是世界上最硬的物質，作為切削工具是很理想的材料，所以現在應用相當廣泛。但是它與黑色金屬有親和力，并且在700℃左右，會發(fā)生石墨化現象，金剛石的磨損便會加速，所以只適合于切削有色金屬和非金屬材料。但是人們一直在努力打破這種禁區(qū)，比如美國LLNL國家實驗室 Cassteven教授曾采用富有碳的環(huán)境，直接切削黑色金屬，有一定的效果；我國哈工大采用液氮噴淋；以超低溫切削黑色金屬。也同樣取得一定的效果，最近有人認為含一定量硼的金剛石有可能切削黑色金屬，總之在不久的將來，是有可能會有所突破的。
超硬材料涂層的切削工具出現比陶瓷涂層的早，但仍有許多問題待解決，特別是粘接力的強弱，它直接影響到切削工具的壽命。在陶瓷涂層的方面也有這類問題的發(fā)生，如切削工具在涂前的潔凈處理；又如切削工具的刃磨中，不容許刃口退火，不容許留有毛刺，也有采用多涂層的辦法來解決，但是在超硬涂層方面還有待新的發(fā)展。
陶瓷涂層技術的誕生，是切削工具材料的重大發(fā)展，而超硬材料涂層的再次突破，使幾乎所有的切削工具向更理想的領域靠攏。
PCD和PCBN是當前應用比較普遍的切削工具，其技術的發(fā)展仍然受到重視，比如國外的產品，在制造中，用電火花線切割將坯料直接切成規(guī)定的形狀，但是國產的坯料只能先將其硬質合金部分切開，然后切其余部分。一般這類切削工具所能達到的表面粗糙度較低，而應用美國GE公司的細粒度刀片，則可以接近鏡面，主要原因是晶粒粒徑超細化。其界面增大，能獲得更平滑的切削刃。
厚膜金剛石的合成是一次切削工具材料的突破，它的出現將會更多地提供取代當前超精密加工領域中應用的天然金剛石的可能性，這不僅因為它的性能與天然金剛石接近，而且它的成本低。對金剛石礦藏稀少的國家來說，展示了很好的前景。
金剛石沉積的基體在沉積之前，須經過認真的清洗。如果是硬質合金，一般采用的是鈷基硬質合金，它影響金剛石合成時的核發(fā)生密度，密度低，的則沉積質量明顯差，涂層的粘接力就低。所以必須采取腐蝕的辦法去除表層的鈷。
因為鈷在和基材的界面上沉積時，會生成石墨等非金剛石物質和氣孔。很多碳擴散在鈷中，又會成為界面上龜裂生成原因。含鈷的WC燒結的熱膨脹系數為5×10-6/～6×10-6/℃，比金剛石的3.1×10-6/℃大，所以℃合成時，冷卻到常溫，又會成為產生殘余應力的原因。
從這些情況分析，要提高含鈷的硬質合金上沉結金剛石的粘結力，仍然是一個值得探索的課題。最近日本東京工業(yè)大學吉川昌范教授提出，采用放電燒結法，可能制造出不含鈷的WC粉末燒結體，使其沉積的粘結力明顯提高，并且其沉積的金剛石粒徑也小，這都表明沉積的技術正在向更高層次發(fā)展。
人工合成大顆粒單晶金剛石業(yè)已突破，但成本仍然很高，還有待發(fā)展。
總之，超硬材料的發(fā)展必將引發(fā)機械制造的巨大變革，對21世紀無疑將會作出更大的貢獻。