金剛石和超硬材料的應(yīng)用（二）
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(wú)親和力。從發(fā)展的角度來(lái)看，許多新材料需用PCBN來(lái)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(wú)親和力。從發(fā)展的角度來(lái)看，許多新材料需用PCBN來(lái)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(guò)的齒輪表面由于硼的滲入，硬度也變高。這是哈工大的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的。由于PCBN耐高溫，在大氣和水蒸氣中，在900℃以下無(wú)任何變化且穩(wěn)定，甚至在1300℃時(shí)，和Fe、Ni、Co等也幾乎沒(méi)有反應(yīng)，更不會(huì)像金剛石那樣急劇磨損，這時(shí)它仍能保持硬質(zhì)合金的硬度，因此，它不僅能切削淬火過(guò)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(shí)必須注意。采購(gòu)時(shí)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(hù)刀尖破損。
生產(chǎn)PCBN的廠商不少，國(guó)外主要的有美國(guó)的GE公司、日本的住友電氣(株)、DIJET(黛杰)、英國(guó)的DeBeers等，國(guó)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(jī)械制造領(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(dá)到了這個(gè)目標(biāo)。
最早的涂層材料都是陶瓷性質(zhì)的物質(zhì)，如TiN、TiC、Al2O3等，近年來(lái)，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)品相繼出現(xiàn)在市場(chǎng)上，但國(guó)內(nèi)尚處在實(shí)驗(yàn)階段，預(yù)計(jì)也會(huì)很快突破，超硬材料涂層的發(fā)展，使整個(gè)現(xiàn)有的切削工具的性能都明顯得到了提高，面對(duì)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(shí)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(jiǎn)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(chǎng)合更易獲得應(yīng)用，如可作磁盤的保護(hù)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(jìn)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?；w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(huì)和陶瓷涂層技術(shù)一樣，會(huì)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(shí)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(dá)到930µm/h。我們稱之為厚膜金剛石。我國(guó)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(dá)到了2.3mm。現(xiàn)在已商品化，進(jìn)入了國(guó)際先進(jìn)行列。
厚膜金剛石不同于PCD之處是沒(méi)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(jìn)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。
總之，金剛石和超硬材料的發(fā)展，對(duì)各種工業(yè)的發(fā)展將起到巨大的推動(dòng)作用，前景十分廣闊。
4 問(wèn)題與展望
每一種切削工具材料在發(fā)展中都會(huì)出現(xiàn)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(yīng)當(dāng)根據(jù)工具和被加工材料的特性，甚至加工條件來(lái)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(zhì)，作為切削工具是很理想的材料，所以現(xiàn)在應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但是它與黑色金屬有親和力，并且在700℃左右，會(huì)發(fā)生石墨化現(xiàn)象，金剛石的磨損便會(huì)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(guó)LLNL國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(guó)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(rèn)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(lái)，是有可能會(huì)有所突破的。
超硬材料涂層的切削工具出現(xiàn)比陶瓷涂層的早，但仍有許多問(wèn)題待解決，特別是粘接力的強(qiáng)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(wèn)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(lái)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(shù)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(lǐng)域靠攏。
PCD和PCBN是當(dāng)前應(yīng)用比較普遍的切削工具，其技術(shù)的發(fā)展仍然受到重視，比如國(guó)外的產(chǎn)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(guó)產(chǎn)的坯料只能先將其硬質(zhì)合金部分切開，然后切其余部分。一般這類切削工具所能達(dá)到的表面粗糙度較低，而應(yīng)用美國(guó)GE公司的細(xì)粒度刀片，則可以接近鏡面，主要原因是晶粒粒徑超細(xì)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(xiàn)將會(huì)更多地提供取代當(dāng)前超精密加工領(lǐng)域中應(yīng)用的天然金剛石的可能性，這不僅因?yàn)樗男阅芘c天然金剛石接近，而且它的成本低。對(duì)金剛石礦藏稀少的國(guó)家來(lái)說(shuō)，展示了很好的前景。
金剛石沉積的基體在沉積之前，須經(jīng)過(guò)認(rèn)真的清洗。如果是硬質(zhì)合金，一般采用的是鈷基硬質(zhì)合金，它影響金剛石合成時(shí)的核發(fā)生密度，密度低，的則沉積質(zhì)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?yàn)殁捲诤突牡慕缑嫔铣练e時(shí)，會(huì)生成石墨等非金剛石物質(zhì)和氣孔。很多碳擴(kuò)散在鈷中，又會(huì)成為界面上龜裂生成原因。含鈷的WC燒結(jié)的熱膨脹系數(shù)為5×10-6/～6×10-6/℃，比金剛石的3.1×10-6/℃大，所以℃合成時(shí)，冷卻到常溫，又會(huì)成為產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因。
從這些情況分析，要提高含鈷的硬質(zhì)合金上沉結(jié)金剛石的粘結(jié)力，仍然是一個(gè)值得探索的課題。最近日本東京工業(yè)大學(xué)吉川昌范教授提出，采用放電燒結(jié)法，可能制造出不含鈷的WC粉末燒結(jié)體，使其沉積的粘結(jié)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(shù)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(jī)械制造的巨大變革，對(duì)21世紀(jì)無(wú)疑將會(huì)作出更大的貢獻(xiàn)。
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