(4.2.2)--3.2切削刀具材料及其发展-金刚石刀具.ppt

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1、切削刀具切削刀具切削刀具切削刀具材料的种材料的种材料的种材料的种类类类类切削刀具的切削刀具的切削刀具的切削刀具的发展简史发展简史发展简史发展简史切削刀具应切削刀具应切削刀具应切削刀具应具备的性能具备的性能具备的性能具备的性能金刚石刀金刚石刀金刚石刀金刚石刀具具具具立方氮化立方氮化立方氮化立方氮化硼刀具硼刀具硼刀具硼刀具涂层刀具涂层刀具陶瓷刀具陶瓷刀具陶瓷刀具陶瓷刀具1234567专题三专题三 切削刀具材料及其发展切削刀具材料及其发展硬质合金刀硬质合金刀具具8高速钢刀高速钢刀具具切削刀具的切削刀具的发展展望发展展望910四、金刚石刀具四、金刚石刀具天然单晶金刚石刀具天然单晶金刚石刀具人造单晶金刚

2、石刀具人造单晶金刚石刀具金刚石金刚石刀具刀具单晶金刚石刀具单晶金刚石刀具多晶金刚石多晶金刚石刀具刀具PCD刀具刀具CVD金金刚刚石石刀具刀具CVD金刚石金刚石薄膜涂层刀具薄膜涂层刀具金刚石金刚石厚度膜焊接刀具厚度膜焊接刀具1.1.极高的硬度和耐磨性极高的硬度和耐磨性：金刚石的显微硬度达：金刚石的显微硬度达HV10000HV10000，是自然界最硬的物是自然界最硬的物质。具有极高的耐磨性，天然金刚石的耐磨性为硬质合金的质。具有极高的耐磨性，天然金刚石的耐磨性为硬质合金的80-12080-120倍，人倍，人造金刚石的耐磨性为硬质合金的造金刚石的耐磨性为硬质合金的60-8060-80倍。倍。2.2.

3、各向异性能各向异性能：单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微观强：单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件材料之间的摩擦系数等相差很大，因度、研磨加工的难易程度以及与工件材料之间的摩擦系数等相差很大，因此，设计和制造单晶金刚石刀具时，必须正确选择晶体方向。此，设计和制造单晶金刚石刀具时，必须正确选择晶体方向。3.3.具有很低的摩擦系数具有很低的摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其它刀具：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其它刀具都低，约为硬质合金刀具的一半，通常在都低，约为硬质合金刀具的一半，通常在0.1-0.30.1-0.3

4、之间。摩擦系数低可减之间。摩擦系数低可减小切削温度和切削力小切削温度和切削力。(1)(1)金刚石刀具的性能特点金刚石刀具的性能特点4.4.刀刃非常锋利刀刃非常锋利：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，天然单晶金刚：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，天然单晶金刚石刀具刀刃钝园半径可达纳米，能进行超薄切削和超精密加工。石刀具刀刃钝园半径可达纳米，能进行超薄切削和超精密加工。5.5.具有很高的导热性能：具有很高的导热性能：金刚石的导热系数为硬质合金的金刚石的导热系数为硬质合金的1.5-91.5-9倍，为铜倍，为铜的的2-62-6倍。由于导热系数高，切削热容易散出，切削温度低。倍。由于导热系数高，切

5、削热容易散出，切削温度低。6.6.热胀系数低：热胀系数低：金刚石的热胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的金刚石的热胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/101/10。因此，金刚石刀具不会产生很大的热变形，这对尺寸精度要求很高的。因此，金刚石刀具不会产生很大的热变形，这对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说尤为重要。精密加工刀具来说尤为重要。(1)(1)金刚石刀具的性能特点金刚石刀具的性能特点（2）人造金刚石的制备工艺）人造金刚石的制备工艺(a)人造单晶金刚石的制备人造单晶金刚石的制备(b)聚晶金刚石的制备聚晶金刚石的制备石墨石墨+触媒剂触媒剂金刚石单晶粉金刚石单晶粉高温高压高温高压金刚石单晶粉

6、金刚石单晶粉+结合剂结合剂PCD聚晶聚晶高温高压高温高压（3）聚晶金刚石）聚晶金刚石(PCD)刀具刀具PCDPCD是是通通过过金金属属结结合合剂剂(如如CoCo、NiNi等等)将将金金刚刚石石微微粉粉聚聚合合而而成成的的多多晶晶体体材材料料。金刚石广泛应用于切削加工还是金刚石广泛应用于切削加工还是PCDPCD研制成功以后。研制成功以后。PCDPCD的的硬硬度度低低于于单单晶晶金金刚刚石石，但但PCDPCD属属各各向向同同性性材材料料；PCDPCD具具有有导导电电性性，便便于于切割成型，成本远低于天然金刚石。切割成型，成本远低于天然金刚石。PCDPCD原原料料来来源源丰丰富富，价价格格只只有有天

7、天然然金金刚刚石石的的十十几几分分之之一一，PCDPCD应应用用远远比比天天然然金刚石刀具广泛。金刚石刀具广泛。大大多多数数PCDPCD刀刀片片都都是是与与硬硬质质合合金金基基体体烧烧结结而而成成的的复复合合刀刀片片，即即在在硬硬质质合合金金的的基基体体上上烧烧结结一一层层约约0.70.7mmmm厚厚的的PCDPCD，这这种种刀刀片片的的强强度度和和硬硬质质合合金金基基本本一一致致，硬度接近整体硬度接近整体PCDPCD，可焊性好，重磨容易，成本低可焊性好，重磨容易，成本低 。聚晶金刚石复合刀片（硬质合金基体）聚晶金刚石复合刀片（硬质合金基体）（4）金刚石刀具的应用）金刚石刀具的应用金刚石刀具主

8、要用于金刚石刀具主要用于加工有色金属及其合金加工有色金属及其合金。其中。其中8080以上的以上的PCDPCD刀具用于加工刀具用于加工汽车和摩托车行业的硅铝合金零部件汽车和摩托车行业的硅铝合金零部件。PCDPCD刀具还非常适合对刀具还非常适合对难加工非金属材料难加工非金属材料(如：木材、人造板材、强化复合地板、如：木材、人造板材、强化复合地板、碳纤维增强塑料、石墨、陶瓷、石材等碳纤维增强塑料、石墨、陶瓷、石材等)进行加工进行加工 。采用单晶金刚石刀具，在超精密车床上可实现镜面加工，目前，采用单晶金刚石刀具，在超精密车床上可实现镜面加工，目前，金刚石刀具可金刚石刀具可以实现切削厚度为纳米级的连续稳

9、定切削以实现切削厚度为纳米级的连续稳定切削。金刚石的热稳定性比较差，金刚石的热稳定性比较差，切削温度达到切削温度达到800800时，就会失去其硬度，金刚石刀时，就会失去其硬度，金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料具不适合于加工钢铁类材料，因为，金刚石与铁有很强的化学亲合力，在高温，因为，金刚石与铁有很强的化学亲合力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构。下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构。（4）金刚石刀具的应用）金刚石刀具的应用PCD刀具应用领域分布刀具应用领域分布PCD木工刀具主要加工对象分布木工刀具主要加工对象分布五、立方氮化硼刀具五、立方氮化硼刀具 整体焊接式整体

10、焊接式PCBN刀具刀具机夹焊接式机夹焊接式PCBN刀具刀具PCBN可转位刀具可转位刀具PCBN焊接焊接刀具刀具PCBN刀具刀具整体整体可转位可转位刀片刀片一个面一个面可转位可转位刀片刀片单刃单刃可转位可转位刀片刀片(1)PCBN的性能特点的性能特点 1.1.高的硬度和耐磨性：高的硬度和耐磨性：PCBNPCBN晶体结构与金刚石相似，晶格常数相近，因此晶体结构与金刚石相似，晶格常数相近，因此具有与金刚石相近的硬度。在切削耐磨材料时其耐磨性为硬质合金刀具具有与金刚石相近的硬度。在切削耐磨材料时其耐磨性为硬质合金刀具的的5050倍，为涂层硬质合金刀具的倍，为涂层硬质合金刀具的3030倍。倍。PCBNP

11、CBN特别适合于加工从前只能磨特别适合于加工从前只能磨削的高硬度材料，实现削的高硬度材料，实现“以车代磨以车代磨”。2.2.具有很高的热稳定性具有很高的热稳定性：PCBNPCBN的耐热性可达的耐热性可达1400140015001500，比金刚石的耐，比金刚石的耐热性热性(700-800)(700-800)几乎高一倍，因此几乎高一倍，因此PCBNPCBN刀具可用比硬质合金刀具高刀具可用比硬质合金刀具高3 35 5倍的速度高速切削淬硬钢。倍的速度高速切削淬硬钢。(1)PCBN的性能特点的性能特点 3.3.优良的化学稳定性：优良的化学稳定性：PCBNPCBN的化学惰性大，与铁系材料到的化学惰性大，与

12、铁系材料到1200-13001200-1300时也时也不起化学作用，与碳只是在不起化学作用，与碳只是在20002000时才起反应。时才起反应。PCBNPCBN具有很高的抗氧化具有很高的抗氧化能力，在能力，在10001000时也不会产生氧化现象。因此，时也不会产生氧化现象。因此，PCBNPCBN刀具广泛应用于高刀具广泛应用于高速或超高速的切削速或超高速的切削 。4.4.具有较好的导热性具有较好的导热性：PCBNPCBN的导热性虽然赶不上金刚石，但是在各类刀具的导热性虽然赶不上金刚石，但是在各类刀具材料中材料中PCBNPCBN的导热性仅次于金刚石，大大高于高速钢和硬质合金。的导热性仅次于金刚石，大

13、大高于高速钢和硬质合金。PCBNPCBN的导热系数是紫铜的的导热系数是紫铜的3.23.2倍，是硬质合金的倍，是硬质合金的2020倍。倍。5.5.具有较低的摩擦系数：具有较低的摩擦系数：PCBNPCBN与不同材料间的摩擦系数约为与不同材料间的摩擦系数约为0.10.10.30.3，比，比硬质合金的摩擦系数硬质合金的摩擦系数(0.4-0.6)(0.4-0.6)小得多。低的摩擦系数可导致切削时切削小得多。低的摩擦系数可导致切削时切削力减小，切削温度降低，加工表面质量提高力减小，切削温度降低，加工表面质量提高 。(2)PCBN刀具的应用刀具的应用PCBNPCBN刀刀具具非非常常适适合合于于干干式式切切削

14、削、硬硬态态和和高高速速切切削削加加工工工工艺艺，特特别别适适合合数数控设备及自动化生产线的使用。控设备及自动化生产线的使用。PCBNPCBN刀具适合加工的工件材料有：刀具适合加工的工件材料有：(1)(1)硬硬度度在在HRC45HRC45以以上上的的淬淬硬硬钢钢和和耐耐磨磨铸铸铁铁(如如：淬淬硬硬钢钢HRC45-65HRC45-65、轴轴承承钢钢HRC60-62HRC60-62、高速钢高速钢HRCHRC6262、工具钢工具钢HRC57-60HRC57-60、冷硬铸铁等冷硬铸铁等)；(2)(2)HRC35HRC35以上的耐热合金以上的耐热合金(高温合金、热喷涂材料、硬质合金等高温合金、热喷涂材料

15、、硬质合金等)；(3)(3)HRC30HRC30以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。被加工材料的硬度越高越能体现被加工材料的硬度越高越能体现PCBNPCBN刀具的优越性。刀具的优越性。(3)PCBN刀具的应用刀具的应用PCBN刀具应用领域分布刀具应用领域分布六、涂层刀具六、涂层刀具 单涂层单涂层 多涂层多涂层(带中间过渡层带中间过渡层)厚度厚度:(0.550 m)厚度厚度:(0.510 m)多涂层多涂层(纳米结构纳米结构)梯度涂层梯度涂层厚度厚度:(100nm)超硬涂层超硬涂层 硬和软复合涂层硬和软复合涂层(CVDDP/BN)(MoS2,WC/C,石

16、墨等石墨等)涂层硬质合金微观结构涂层硬质合金微观结构1500倍倍a)单涂层单涂层 b)多涂层多涂层（1）涂层刀具的性能特点）涂层刀具的性能特点 1.1.涂涂层层可可分分为为两两大大类类：一一类类是是“硬硬”涂涂层层，如如：TiCTiC、TiNTiN、A1A12 2O O3 3涂涂层层。硬硬涂涂层层的的主主要要优优点点是是硬硬度度高高、耐耐磨磨性性能能好好。另另一一类类是是“软软”涂涂层层，如如MoSMoS2 2、WSWS2 2等。这种涂层也称为自润滑涂层，其表面摩擦系数低，可以减小摩擦。等。这种涂层也称为自润滑涂层，其表面摩擦系数低，可以减小摩擦。2.2.涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能

17、结合起来，既保持了基体良好涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数。的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数。3.3.与未涂层刀具相比，涂层刀具的切削速度可提高与未涂层刀具相比，涂层刀具的切削速度可提高2 2倍以上，刀具寿命可提倍以上，刀具寿命可提高高2-52-5倍。倍。（1）涂层刀具的性能特点）涂层刀具的性能特点 3.3.涂层硬质合金一般采用涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD)CVD)，沉积温度在沉积温度在10001000左右左右。对于精密、形状复杂、价格昂贵、不可重

18、磨的高速钢刀具一般采用对于精密、形状复杂、价格昂贵、不可重磨的高速钢刀具一般采用物理物理气相沉积法气相沉积法(PVD)PVD)，沉积温度在沉积温度在500500左右。左右。4.4.刀具寿命与涂层厚度有关刀具寿命与涂层厚度有关。涂层太厚时易引起剥离；涂层太薄时，则耐。涂层太厚时易引起剥离；涂层太薄时，则耐磨性能差，涂层不能有效的保护基体。磨性能差，涂层不能有效的保护基体。5.5.涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、工艺要求高、涂层时间长、刀具成涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本相对较高。主要用于刚性高的数控机床本相对较高。主要用于刚性高的数控机床 。（2）涂层刀具的应用

19、）涂层刀具的应用 1.1.自自2020世纪世纪7070年代以来，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层工艺越来越成年代以来，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层工艺越来越成熟。在日本的硬质合金和陶瓷刀片总产量中，涂层刀片占熟。在日本的硬质合金和陶瓷刀片总产量中，涂层刀片占4141。2.2.涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，一种涂层刀具可以代替数种非涂涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用，因而可以大大减少刀具的品种和库存量，简化刀具管理，降层刀具使用，因而可以大大减少刀具的品种和库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备成本低刀具和设备成本 。3.3.不同涂层材料的具，切削性能不一样。低速切削时，不同涂层材料的具，切削性能不一样。低速切削时，TiCTiC涂层占有优势；涂层占有优势；高速切削时，高速切削时，TiNTiN较合适；较合适；HfNHfN和和Al2O3Al2O3涂层的热化学稳定性比涂层的热化学稳定性比TiNTiN更高，适更高，适合于在更高的切削速度下工作。合于在更高的切削速度下工作。4.4.涂层刀具将是今后数控加工领域中的最重要刀具品种，预计涂层刀具所占涂层刀具将是今后数控加工领域中的最重要刀具品种，预计涂层刀具所占的比例可能达到的比例可能达到80%80%以上。以上。期 待 大 家 的 积 极 参 与！