1 概況 G
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機械加工發(fā)展的總趨勢是高效率、高精度、高柔性和強化環(huán)境意識。在機械加工領域，切(磨)削加工是應用最廣泛的加工方法。高速切削是切削加工的發(fā)展方向，已成為切削加工的主流。它是先進制造技術的重要共性關鍵技術。推廣應用高速切削技術將大幅度提高生產效率和加工質量并降低成本。高速切削技術的發(fā)展和應用決定于機床和刀具技術的進步，其中刀具材料的進步起決定性的作用。研究表明，高速切削時，隨著切削速度的提高，切削力減小，切削溫度上升很高，達到一定值后上升逐漸趨緩。造成刀具損壞最主要的原因是切削力和切削溫度作用下的機械摩擦、粘結、化學磨損、崩刃、破碎以及塑性變形等磨損和破損，因此高速切削刀具材料最主要的要求是高溫時的力學性能、熱物理性能、抗粘結性能、化學穩(wěn)定性(氧化性、擴散性、溶解度等)和抗熱震性能以及抗涂層破裂性能等�；�于這一要求，近20多年來，發(fā)展了一批適于高速切削的刀具材料，可在不同切削條件下，切削加工各種工件材料。目前，可以2500～5000m/min的高速切削鋁合金(Si含量≤12%，大于12%的為500～1500m/min)：以500～1500m/min切削鑄鐵：300～1000m/min切削鋼：100～400m/min切削淬硬鋼、耐熱合金：90～200m/min切削鈦合金等。當然人們還期待著以超高切削速度進行加工而獲得更好的效果。 ~G;lEp  
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2 國外高速切削刀具材料的進展和應用 k$u/6lw]IB  
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高速切削時，對不同的工件材料選用與其合理匹配的刀具材料和允許的切削條件，才能獲得最佳的切削效果。據此，針對目前生產中廣泛應用的鋁合金、鑄鐵、鋼及合金和耐熱合金等的高速切削，已發(fā)展的刀具材料主要有：金剛石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂層刀具和TiC(N)基硬質合金刀具(金屬陶瓷)等。 9AxeA2/X  
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1) 金剛石刀具 [ ;$(;  
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金剛石刀具分為天然金剛石和人造金剛石刀具。天然金剛石具有自然界物質中最高的硬度和導熱系數。但由于價格昂貴，加工、焊接都非常困難，除少數特殊用途外(如手表精密零件、光飾件和首飾雕刻等加工)，很少作為切削工具應用在工業(yè)中。隨著高技術和超精密加工日益發(fā)展，例如微型機械的微型零件，原子核反應堆及其它高技術領域的各種反射鏡、導彈或火箭中的導航陀螺，計算機硬盤芯片、加速器電子槍等超精密零件的加工，單晶天然金剛石能滿足上述要求。近年來開發(fā)了多種化學機理研磨金剛石刀具的方法和保護氣氛釬焊金剛石技術，使天然金剛石刀具的制造過程變得比較簡易，因此，在超精密鏡面切削的高技術應用領域，天然金剛石起到了重要作用。 g
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20世紀50年代利用高溫高壓技術人工合成金剛石粉以后，70年代制造出金剛石基的切削刀具即聚晶金剛石(PCD)，PCD晶粒呈無序排列狀態(tài)，不具方向性，因而硬度均勻。它有很高的硬度(8000～12000HV)和導熱性，低的熱脹系數，高的彈性模量和較低的摩擦系數，刀刃非常鋒利。它可加工各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金、硬質合金、纖維增塑材料、金屬基復合材料、木材復合材料等。PCD刀具所含金剛石晶粒平均尺寸不同，對性能產生的影響也不同，晶粒尺寸越大，其耐磨性越高。在相近的刃口加工量下，晶粒尺寸越小，則刃口質量越好。例如，選用晶粒尺寸10～25µm的PCD刀具，可以500～1500m/min的高速粒尺寸8～9µm的PCD加工Si含量小于12%的鋁合金：晶粒尺寸4～5µm的PCD加工塑料、木材等。而超精密加工，則應選用晶粒尺寸小的PCD刀具。通常PCD刀具是燒結成金剛石-硬質合金復合刀片焊接在刀體上使用。利用超高壓裝置，在5～6萬個大氣壓，1400～1600℃的高溫下，可人工合成形狀整齊、雜質非常少的單晶金剛石，質量均勻穩(wěn)定，結晶面非常清晰，識別容易。它具有所有物質中最高的導熱率及與天然金剛石同等以上的強度。目前最大尺寸可達8mm。這種單晶金剛石的尺寸、形狀和性能的良好一致性，在天然金剛石產品中是不可能實現的。它具有比PCD更好的耐磨性。PCD的耐磨性超過700℃時會減弱，因其結構中含有金屬Co，它會促進“逆向反應”即由金剛石向石墨轉變。但有較好的斷裂韌性，可以進行斷續(xù)切削。例如，可以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金。當前，人工合成單晶金剛石刀具材料的應用得到了迅速的發(fā)展，其新應用領域是木材加工業(yè)。對表面有氧化鋁涂層的高耐磨層狀木地板需求量越來越大。加工時，木板耐磨層會引起刃口鈍化，導致氧化鋁耐磨層碎裂，必須經常磨刀或更換刀片，而人工單晶金剛石性能顯著優(yōu)于PCD刀具。 Rqk;!N  
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目前正在研究和開發(fā)化學氣相沉積CVD金剛石，沉積出的是交互生長極好的PCD，呈柱狀結構且非常致密。隨著生長條件的不同，CVD金剛石也呈現不同的晶粒尺寸和結構，它不需金屬催化劑，因此它的熱穩(wěn)定性接近天然金剛石。根據不同的應用要求，可選擇不同的CVD沉積工藝以合成出晶粒尺寸和表面形貌差別很大的PCD。作為刀具的CVD金剛石因其應用不同，要求有多種不同的晶粒尺寸。CVD金剛石制成兩種形式：一種是在基體上沉積厚度小于30µm的薄層膜(CVD薄膜)：另一種是沉積厚度達1mm的無襯底的金剛石厚層膜(CVD厚膜)。目前CVD薄膜金剛石應用不多。 %pR:.u|  
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CVD厚膜可以通過特殊的但簡易可行的技術釬焊在基體上，但要保證釬焊點的強度。它與PCD相比，熱穩(wěn)定性好但脆性較高，且不導電。不能用于放電加工(EDM)技術中。CVD厚膜金剛石在木材加工刀具和修整刀具中得到推廣應用。由于CVD厚膜金剛石的高純度和高的耐磨性和熱穩(wěn)定性，在高耐磨性材料的高速切削加工領域具有很大的潛力。目前可用于EDM切削的CVD厚膜金剛石刀具材料也已制造成功，還有待于繼續(xù)試驗和評價。CVD厚膜金剛石目前的成本較高，隨著技術的發(fā)展，成本逐漸降低，它將是PCD有力的競爭對手。 =xa:>Vh#  
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三種主要金剛石刀具材料——PCD、CVD厚膜和人工合成單晶金剛石各自的性能特點為：PCD焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最高，抗磨損性和刃口質量居中，抗腐蝕性最差。CVD厚膜抗腐蝕性最好，機械磨削性、刃口質量和斷裂韌性和抗磨損性居中，可焊接性差。人工合成單晶金剛石刃口質量，抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最差。 8l, R|$RKP  
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金剛石刀具是目前高速切削(2500～5000m/min)鋁合金較理想的刀具材料，但由于碳對鐵的親和作用，特別是在高溫下，金剛石能與鐵發(fā)生化學反應，因此它不宜于切削鐵及其合金工件。 }qa8
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2) 立方氮化硼 ?0{8fGM4  
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立方氮化硼(CBN)是純人工合成的材料。它是20世紀50年代末用制造金剛石相似的方法合成的第二種超硬材料——CBN微粉。由于CBN的燒結性能很差，直至70年代才制成立方氮化硼燒結塊(聚晶立方氮化硼PCBN)，它是由CBN微粉與少量粘結相(Co、Ni或TiC、TiN、Al2O3)在高溫高壓下燒結而成。CBN是氮化硼的致密相，有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300～1500℃)，優(yōu)良的化學穩(wěn)定性(遠優(yōu)于金剛石)和導熱性，低的摩擦系數。PCBN與Fe族元素親和性很低，所以它是高速切削黑色金屬較理想的刀具材料。PCBN組織中各微小晶粒呈無序排列，硬度均勻，沒有方向性，具有一致的耐磨性和抗沖擊性，克服CBN易解理和各向異性缺點。CBN含量、晶粒尺寸和粘結相等會影響PCBN的性能。CBN含量高，PCBN的硬度和導熱性高，CBN晶粒尺寸大，其抗破損性就弱，刀刃鋒利性就差，金屬材料Co、Ni作粘結相時，PCBN有較好的韌性和導電性，陶瓷材料作粘結相時，則有較好的熱穩(wěn)定性。目前多將0.5mm左右的PCBN層直接燒結或釬焊在硬質合金基體上，做成PCBN復合片，有利于提高強度，可焊性也好，便于制造PCBN刀具。 vp4l g1/  
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PCBN刀坯從組織上看，大致有兩種。一種是高含量PCBN(CBN，質量80%～90%)，以CBN晶粒之間直接結合為主，具有高硬度、高導熱性。另一種是低CBN含量的PCBN，它是用少量金屬或陶瓷粘結相牢固地結合起來的，有較好的強度和韌性。一般較低CBN含量(50%～65%)的PCBN刀具適于精加工45～65HRC的淬硬鋼，高含量(80%～90%)的適于加工鎳鉻鑄鐵，粗和半粗斷續(xù)切削淬硬鋼，高速切削鑄鐵，加工硬質合金、燒結金屬和重合金等。選擇合適CBN含量的PCBN刀具可以在500～1500m/min高速下加工鑄鐵，在100～400m/min下加工45～65HRC的淬硬鋼，在100～200m/min下加工耐熱合金。但不宜加工以鐵素體和45HRC以下的鋼及合金鋼、合金鑄鐵、耐熱合金，特別不宜于加工35HRC以下的工件。涂層CBN刀具尚在研究中。 +~E;x1&'  
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3) 陶瓷刀具 g^V4+3v|a'  
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陶瓷刀具為高速切削最重要的刀具材料之一。目前各國陶瓷刀片生產數量占可轉位刀片的比例約為：美國3%～5%，俄羅斯5%～7%，日本7%～9%，德國9%～12%，英國、法國、瑞典等也在大力推廣應用。由于現代陶瓷刀具原材料、組分和制備工藝取得了長足進步，近5年來，陶瓷刀具的銷售額增長率達20%。國際上現已發(fā)展的陶瓷刀具主要是氧化鋁基(Al2O3)和氮化硅基(Si3N4)兩大系列，添加各種各樣的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物，形成不同品種的氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具�，F有40多個品種，200多個牌號，其中氧化鋁基為25種多，氮化硅基的近15種。 Gs2|#*6  
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陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，其硬度達93～95HRA，耐磨性好，適于加工50～65HRC的高硬度材料，如冷硬鑄鐵和淬硬鋼。高溫性能好，在1200℃的高溫下仍能進行切削。具有良好的抗粘結性能，Al2O3與金屬的親和力小，它與多種金屬的相互反應能力比很多碳化物、氮化物、硼化物都低，不容易與金屬產生粘結，化學穩(wěn)定性好，Al2O3在鐵中的溶解率約為WC的1/5，擴散磨損小，Al2O3的抗氧化能力特別好，即使刀刃處于熾熱狀態(tài)，也能長時間連續(xù)使用，適于高速切削。陶瓷刀具的摩擦系數也低于硬質合金。Al2O3基陶瓷刀具的主要缺點是強度和斷裂韌性較低，脆性較大，導熱性差，抗熱震性不高。但幾十年來，在提高陶瓷刀具的力學性能上做了大量卓有成效的研究工作，如采用熱壓和熱等靜壓工藝，加入各種增韌補強相，如在Al2O3中加入金屬碳化物、氮化物、硼化物及純金屬和晶須等，如Al2O3+TiC、Al2O3+ZrO2、Al2O3+SiCw(晶須)、Al2O3+TiN，Al2O3+TiCN等，有的在這些組合陶瓷刀具中加入少量Mo、Ni等金屬和稀土元素改善陶瓷刀具的性能。氧化鋁基陶瓷刀具可以高速切削鋼、鑄鐵及其合金等，Al2O3+SiCw適于加工鎳基合金。 <vP{U  
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氮化硅(Si3N4)基陶瓷與Al2O3基陶瓷比較，其最顯著的特點為強度和斷裂韌性較高，熱脹系數低，彈性模量也低，故其抗熱震性能高。Si3N4基陶瓷刀具適于加工鑄鐵，連續(xù)和斷續(xù)切削都優(yōu)于Al2O3基陶瓷刀具，也可以用于冷硬鑄鐵、高硬軋輥等高硬度材料的精加工和半精加工。但因其與鐵的化學親和性明顯超過Al2O3基陶瓷，化學反應生成的低熔點化合物會使刀刃在短時間內破壞，因此Si3N4基陶瓷刀具加工鋼件就比Al2O3基的差得多。Si3N4基陶瓷刀具也是在Si3N4中加入各種增韌補強相形成多品種的陶瓷刀具。 ?D6?W6@  
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Si3N4-Al2O3(Sialon)陶瓷刀具是陶瓷刀具的新品種，它是在Si3N4基礎上通過用氧部分置換Si3N4中的氮，并以鋁部分置換其中的硅的方法研制成功的，是由Si-Al-O-N各種構成的多種化合物群的總稱。Sialon陶瓷刀具的強度和斷裂韌性較高，化學穩(wěn)定性、抗氧化能力和高溫抗蠕變能力都很好，導熱性高，熱脹系數小，故有很高的抗熱震性能。由于其抗蠕變強度高，因而在刀尖處受到反復集中的高應力和熱的作用時，也沒有因塑性變形而明顯增大損壞的現象，它是高速粗加工鑄鐵及鎳基合金優(yōu)良的刀具材料。在精車和半精車鎳基合金等難加工材料時，晶須增韌陶瓷刀具有優(yōu)越性。粗車和銑削時，Sialon陶瓷刀具更具適應性，但它的溶解磨損速率比Al2O3基陶瓷刀具高很多，因而不適于加工鋼件。 OMi_')J  
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