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金剛石刀具

金剛石

金剛石是目前已知礦物材料中硬度最高、熱傳導性最好的物質,與各種金屬、非金屬材料配對摩擦的磨損量僅為硬質合金的1/50~1/800,是制作切削刀具最理想的材料。然而,天然單晶金剛石僅用于制作首飾及某些有色金屬的超精密加工。刀具用人造大顆粒單晶金剛石盡管目前De Beers公司、住友電工等均已工業化生產,但還沒有進入大量應用階段。

金剛石刀具的切削刃非常鋒利(這對切下極小斷面的切屑是很重要的),刃部粗糙度很小,摩擦系數又低,切削時不易產生積屑瘤,加工表面質量高。加工有色金屬時,表面粗糙度可達到Ra0.012μm,加工精度可達到IT5級以上。

金剛石刀具有三種:天然單晶金剛石刀具、整體人造聚晶金剛石刀具、金剛石復合刀具。天然金剛石刀具由于成本較高等原因,在實際生產中應用較少。人造金剛石是通過合金觸媒的作用,在高溫高壓下由石墨轉化而成。金剛石復合刀片是在硬質合金基體上經過高溫、高壓等先進工藝燒結一層約0.5~1μm厚的金剛石,這種材料是以硬質合金做基體,其機械性能、熱傳導性和膨脹系數都近似于硬質合金,基體上的人造多晶金剛石磨料中的金剛石晶體呈不規則排列,其硬度和耐磨性在各個方向都是均勻的。

聚晶金剛石(簡稱PCD)是由經過篩選的人造金剛石微晶體在高溫高壓下燒結而成。在燒結過程中,由于添加劑的加入,使金剛石晶體間形成以TiC、SiC、Fe、Co和Ni等為主要成分的結合橋。金剛石晶體以共價鍵的結合形成牢固地嵌于結構橋構成的堅強骨架中,使PCD的強度和韌性都大大提高,其硬度約為9000HV,抗彎強度為O.21~0.48GPa,導熱系數為20.9J/cm·sμ℃,熱膨脹系數為3.1×10-6/℃。現在使用的聚晶金剛石刀具大多是PCD與硬質合金基體燒結形成的復合體,即在硬質合金基體上燒結上一層PCD。PCD的厚度一般為0.5mm和0.8mm,由于底層為硬質合金,焊接方便;又由于PCD結合橋的導電性,使得PCD便于切割加工成各種形狀,制成各種刀具,成本遠遠低于天然金剛石。

聚晶金剛石(PCD)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,纖維增強塑料,金屬基復合材料,木材復合材料等。PCD刀具材料中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。選用晶粒尺寸為10~25μm的PCD刀具,可以500~1500m/min的高速切削Si含量12~18%的硅鋁合金,晶粒尺寸8~9μm的PCD加工Si含量小于12%的鋁合金。超精密加工,則應選用晶粒尺寸小的PCD刀具。PCD的耐磨性在超過700℃時會減弱,因其結構中含有金屬Co,會促進“逆向反應”即由金剛石向石墨轉變。PCD有較好的斷裂韌性,可以進行斷續切削,可以以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金。

可利用金剛石材料的高硬度、高耐磨性、高導熱性及低摩擦系數實現有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率、高穩定性和高表面光潔度加工。在切削加工有色金屬時,PCD刀具的壽命是硬質合金刀具的幾十倍甚至幾百倍,是目前鋁活塞精密加工的理想刀具。例如:精車活塞環槽、精鏜活塞銷孔、精車活塞外圓、精車活塞頂面等工序。

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