認(rèn)識超硬刀具
2011-04-26 13:36:48
現(xiàn)代刀具材料高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷的主要硬質(zhì)成分是碳化物、氮化物、氧化物。例如，高速鋼是加入了合金成份(W、Mo等)的碳化鐵；硬質(zhì)合金主要是碳化物、氮化物和碳氮化物：陶瓷則是氧化物和氮化物。這些化合物的硬度最高達(dá)3000HV，加上粘結(jié)物質(zhì)其總體硬度在2000HV以下。對于現(xiàn)代工程材料的加工，在某些情況下，上述刀具材料的硬度已不敷使用，于是超硬刀具材料便應(yīng)運而生，20世紀(jì)的后40年中有了較大的發(fā)展。超硬材料的化學(xué)成分及其形成硬度的規(guī)律與其他刀具材料不同，立方氮化硼是非金屬的硼化物，晶體結(jié)構(gòu)為面心立方體；而金剛石由碳元素轉(zhuǎn)化而成，其晶體結(jié)構(gòu)與立方氮化硼相似。它們的硬度大大高于其他物質(zhì)。在幾千年前，人類就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和使用天然金剛石；而人造金剛石的制造和應(yīng)用則是上一個世紀(jì)中的事。氮化硼都是人造的。在20世紀(jì)后期，人造金剛石和立方氮化硼兩種超硬材料得到了飛躍的發(fā)展。
人造金剛石以往多在高溫、高壓(熱壓法)條件下形成，稱為PCD，后來又出現(xiàn)了其他制造方法。PCD人造金剛石的研究始于1940年，1954年美國正式宣告此種金剛石研制成功，1957年開始工業(yè)生產(chǎn)。瑞典于1953年宣告成功，1962年開始工業(yè)生產(chǎn)。到1969年，全世界人造金剛石產(chǎn)量為4000萬克拉(carat)；當(dāng)時天然金剛石年產(chǎn)量為4400萬克拉。1963年中國宣告PCD制造成功。1996年，中國人造金剛石產(chǎn)量達(dá)2.4億克拉，出口6～8.5千萬克拉。90年代末，中國年產(chǎn)量達(dá)5億克拉，居全世界首位。最大的外國公司年產(chǎn)人造金剛石近年也達(dá)1億克拉以上。
1957年，美國GE公司壓出CBN(立方氮化硼)單晶粉，70年代初，制成聚晶的PCBN刀具。1972年，蘇聯(lián)亦制成PCBN刀具。1966年，中國研制成功單晶CBN。稍后，制成PCBN。
近年，又以化學(xué)氣相沉積(CVD)法制成人造金剛石。
材料的種類
超硬刀具材料，尤其是金剛石，其種類較多。
立方氮化硼有CBN單品粉，用于制作磨具；還有PCBN聚晶片及PCBN聚晶復(fù)合片，用于制作刀具及其他工具。立方氮化硼是人造的。
金剛石分天然金剛石(ND)與人造金剛石。人造金剛石有PCD單晶粉，用于制作磨具；PCD單晶粒，可做刀具；PCD聚晶片及聚晶復(fù)合片，用于制作刀具及其他工具；CVD金剛石薄膜及厚膜，可用于制作刀具、工具，并可作為光學(xué)、電子高科技原材料。
材料的制造方法
人造超硬刀具材料的制造方法很多，這里主要介紹熱壓法和氣相沉積法。
熱壓法制造金剛石和立方氮化硼所用的設(shè)備是六面頂或兩面頂?shù)囊簤簷C(jī)。壓制單晶超硬材料．需將原料置于葉蠟石的腔體中。壓制PCD單晶粉的原料是石墨片，石墨片與觸媒劑Ni-Mn片層疊置于腔體中；壓制PCD聚晶片的原料是PCD單晶粉，加入結(jié)合劑Ni、Si、Co等；壓制CBN單晶粉的原料為六方氮化硼(HBN)粉；壓制PCBN聚晶片的原料為CBN單晶粉，同時需分別置人觸媒劑與結(jié)合劑。熱壓工藝示意圖見圖1、圖2。其壓力、溫度及加壓時間均列于圖中。
加壓過程中的壓力與升壓、終壓有所不同，葉蠟石腔體中的壓力與頂錘部的壓力也不一樣，圖1、圖2所示的壓力是指頂錘部的壓力。溫度是腔溫。時間是加熱時間、保溫時間與降溫時間等過程的總和，對于各種壓機(jī)，這些參數(shù)將有所不同，本文給出的數(shù)據(jù)只是一個大概的數(shù)字。 類似熱壓法制造PCD，還有“爆炸法”，在容器中利用炸藥爆炸產(chǎn)生高溫高壓，而使石墨轉(zhuǎn)化為金剛石。爆炸法的工藝和產(chǎn)品質(zhì)量均不易控制，故很少正式使用。
CVD法是一種氣相沉積法。屬于這種工作原理在非金剛石基底上沉積金剛石的方法很多，如“熱絲法CVD法”、“電子增強CVD法”、“微波PCVD法”、“射頻PCVD法”、“直流PCVD法”、“直流電弧PCVD法”、“直流等離子體噴射CVD法”、“電子回旋共振PCVD法”、“火焰燃燒法”、“準(zhǔn)分子激光CVD法”等。“熱絲CVD法”最為常用。
圖3為熱絲CVD金剛石厚膜生長沉積技術(shù)原理示意圖。原料為乙醇(酒精)、氫氣和甲烷，熱絲為Ta絲或W絲。加熱到2000～2500℃高溫的熱絲及在熱絲和基體間施加電壓而形成的等離子體，使氫分子與含碳?xì)怏w分子離解，形成原子態(tài)氫和能夠形成SP3鍵的碳?xì)浠鶊F(tuán)。該基團(tuán)在有原子氫的作用下在適當(dāng)溫度的基體表面經(jīng)歷吸附的化學(xué)過程，去氫而形成金剛石的碳結(jié)構(gòu)?？刂茻峤z的溫度及施加電壓和電流密度，特別是氣體的組成、生長容器的壓力和基體溫度，即能有效地控制膜生長的速率和成膜質(zhì)量。
在基體(襯底)上成厚膜后，需使膜與基體分離，并切割成一定形狀的小塊，再將小塊釬焊在硬質(zhì)合金上形成復(fù)合刀片或刀具。
若制造CVD薄膜金剛石刀具，則在刀具直接沉積金剛石薄膜即可，膜厚僅為10μm左右。而厚膜的厚度能達(dá)0.5～0.6mm以上
材料的性能
超硬材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能、物理性能和其他性能，其中有些性能很適合于刀具。
具有很高的硬度
天然金剛石的硬度達(dá)10000HV；CBN的硬度達(dá)7500HV。與其他硬物質(zhì)相比，SiC硬度為3000～3500HV，A12O3為2700HV，TiC為2900～3200HV，WC為2000HV，Si3N4為2700～3200HV；作為刀具材料用的硬質(zhì)合金，其硬度僅為1100～1800HV。
具有很好的導(dǎo)熱性
人然金剛石的熱導(dǎo)率達(dá)2000W?m-1?K-1，CBN的熱導(dǎo)率達(dá)1300W?m-1?K-1。紫銅的導(dǎo)熱性很好，其熱導(dǎo)率僅為393W?m-1?K-1；純鋁為226W?m-1?K-1，故金剛石與CBN的熱導(dǎo)率分別是紫銅的5倍和3.5倍，是純鋁的8倍和5倍。硬質(zhì)合金的熱導(dǎo)率僅為35～75W?m-1?K-1。
具有很高的楊氏模量
天然金剛石的楊氏模量達(dá)1000GPa，CBN的楊氏模量在720GPa。而SiC、Al2O3、WC、TiC的楊氏模量僅分別為390、350、650、330GPa。物質(zhì)的楊氏模量大就是剛性好。
具有很小的熱膨脹
天然金剛石的線膨脹系數(shù)為1×10-6/K，CBN的線膨脹系數(shù)為(2.1～2.3)×10-6/K。而硬質(zhì)合金的線膨脹系數(shù)為(5～7)×10-6/K。
具有較小的密度
天然金剛石的密度為3.52g/cm3，CBN的密度為3.48g/cm3。與Al2O3、Si3N4的密度接近。
具有較低的斷裂韌性
天然金剛石的斷裂韌性為3.4MPa?m0.5,CBN與之接近。陶瓷刀具材料的斷裂韌性在各種刀具材料中是屬于較低者，然尚能達(dá)7～9MPa?m0.5。故金剛石與CBN性脆，是其弱點。
化學(xué)性質(zhì)
CBN熱穩(wěn)定性好，在大氣中達(dá)1300～1500℃不分解。對鐵族元素呈惰性；在酸中不受滲蝕，在堿中約300℃時即受浸蝕；與過熱的水蒸汽也能起作用。金剛石在常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；在氧氣中約660℃開始石墨化，鐵族元素特別是鐵元素能催進(jìn)石墨化；在酸、堿中都不受浸蝕。
電學(xué)性質(zhì)
純凈的不含雜質(zhì)的金剛石是絕緣體，室溫下電阻率在1016Ω?cm以上。只有摻人了其他元素后，才顯出半導(dǎo)體特性。同Si、Ce、As等半導(dǎo)體材料相比，金剛石具有非常寬的禁帶，小的介電常數(shù)，高的載電子遷移率，大的電擊穿強度，說明金剛石是一種性能優(yōu)良的寬禁帶高溫(>500℃)半導(dǎo)體材料。天然金剛石無磁性；人造金剛石中若含有Ni、Co、Fe等觸媒雜質(zhì)，則具有磁性，雜質(zhì)越多，磁性越強。
光學(xué)性質(zhì)
金剛石具有很高的折射率和強的散光性，還具有優(yōu)良的透光性能，能透過很寬的波段。某些金剛石在紫外區(qū)、可見區(qū)直至遠(yuǎn)紅外區(qū)的大部波段(O.22～2.5μm)都是透明的。
以上超硬材料所具備的優(yōu)異或特異的性能和性質(zhì)，決定了它們有著廣闊用途。 與天然金剛石(ND)相比，人造聚晶金剛石(PCD)的硬度、楊氏模量和熱導(dǎo)率稍低，斷裂韌性、熱膨脹率稍高。人造CVD金剛石的各種性能則介于ND與PCD之間，更接近于天然金剛石。例如，天然金剛石的硬度達(dá)10000HV，PCD約為8000HV，CVD金剛石可達(dá)9000HV。
