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聚晶金剛石刀具的制造及應用

關鍵詞 聚晶 , 金剛石 , 刀具|2019-03-05 11:09:34|技術信息|來源 工具技術
摘要 PCD刀具由聚晶金剛石刀尖和硬質合金基體經高溫高壓燒結而成。既能發揮金剛石高硬度、高導熱系數、低摩擦系數、低熱膨脹系數、與金屬和非金屬親和力小、彈性模量高、無解理面、各向同性等眾多...

       PCD刀具聚晶金剛石刀尖和硬質合金基體經高溫高壓燒結而成。既能發揮金剛石高硬度、高導熱系數、低摩擦系數、低熱膨脹系數、與金屬和非金屬親和力小、彈性模量高、無解理面、各向同性等眾多優勢,又兼顧了硬質合金的高強度。

       熱穩定性、沖擊韌性和耐磨性是PCD的主要性能指標。由于多應用于高溫高應力環境,熱穩定性是重中之重。研究表明,PCD的熱穩定性對其耐磨性和沖擊韌性影響都很大,數據顯示:當溫度高于750℃時,PCD的耐磨性和沖擊韌性普遍下降5%-10%。

       PCD的晶體狀態決定了其特性。微觀結構上,碳原子與四個相鄰原子形成共價鍵,得到四面體結構,進而組成原子晶體,具有很強的方向性和結合力,硬度極高。PCD的主要性能指標如下:①硬度可以達到8000HV,是硬質合金的8-12倍;②導熱系數為700W/mK,是硬質合金的1.5-9倍,甚至高于PCBN和銅;③摩擦系數一般僅為0.1-0.3,遠小于硬質合金的0.4-1,顯著減小了切削力;④熱膨脹系數僅為0.9×10-6-1.18×10-6,是硬質合金的1/5,可減小熱變形,提高加工精度;⑤與有色金屬和非金屬材料親和力很小,不易形成積屑瘤。

       立方氮化硼的抗氧化性較強,可加工含鐵材料,但硬度低于單晶金剛石,加工速度較慢,效率較低。單晶金剛石硬度高,但韌性不足,各向異性使其在外力沖擊下容易沿(111)面解離,加工效率受限。PCD是由微米級金剛石小顆粒通過一定手段合成的聚合體,顆粒無序堆積的混亂性導致其宏觀上各向同性,抗張強度不存在方向性和解理面。與單晶金剛石相比,PCD的晶界有效減小了各向異性,優化了力學性質。幾種常用金剛石材料與硬質合金的特性對比見表1。

       1  PCD刀具的設計原則

       (1)合理選擇PCD粒度

       理論上,PCD應該盡量做到晶粒細化,且添加劑在晶間的分布要盡量均勻,以克服各向異性。PCD粒度的選擇也與加工條件有關,一般來說,強度高、韌性好、抗沖擊性能好、細晶粒的PCD可用于精加工或超精加工,粗晶粒的PCD可用于一般的粗加工。PCD粒度可以顯著影響刀具的磨損性能。相關文獻指出,原料晶粒較大時,耐磨性隨粒度減小而逐漸提高,但粒度極小時,此規律就不適用了。

       相關實驗選取了四種平均粒徑分別為10μm、5μm、2μm和1μm的金剛石粉料進行對比,得出結論:①隨著原料粒度減小,Co擴散得更均勻;②隨著顆粒度降低,PCD的耐磨性和耐熱性也逐漸降低。

表1  幾種金剛石材料與硬質合金的特性對比

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       (2)合理選擇刃口形式及刀片厚度

       刃口形式主要包括倒棱、鈍圓、倒棱鈍圓復合以及尖銳角四種結構。尖銳角結構使刃口鋒利,切削速度較快,可顯著減小切削力和毛刺,提高產品表面質量,較適合對低硅鋁合金及其它硬度偏低、材質均勻有色金屬的精加工。鈍圓結構可以鈍化刃口,形成R角,有效預防刀刃折斷,適合加工中/高硅鋁合金。在某些特殊情況下,如切削深度較淺、進刀較小時,首選鈍圓結構。倒棱結構可以增大棱角,穩固刀刃,但同時會增加壓力和切削抗力,較適合重載切削高硅鋁合金。

       為了有利于電火花加工,通常選擇較薄的PDC片層(0.3-1.0mm),加上硬質合金層,刀具總厚度在2-8mm左右。硬質合金層不宜太厚,以免因結合面間的應力差而引起分層。

       2  PCD刀具的制造工藝

       PCD刀具的制造工藝直接決定了工具的切削性能和使用壽命,是其應用和發展的關鍵所在。PCD刀具的制造流程見圖5。

       (1) PCD復合片(PDC)的制造

       ①PDC的制造過程

       PDC一般由天然或人工合成的金剛石粉末與結合劑在高溫(1000-2000℃)、高壓(5-10atm)下按一定比例燒結而成。結合劑使晶間形成了以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等為主要成分的結合橋,金剛石晶體以共價鍵形式鑲嵌于結合橋的骨架中。PDC一般制成直徑和厚度固定的圓盤,并進行研磨拋光等相應的物理、化學處理。

       從本質上講,PDC的理想形式應當盡可能保留單晶金剛石的優良物理特性,因此,要求燒結體中添加劑盡量少,同時顆粒間D-D鍵結合盡可能多。

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圖1  PCD刀具的制造流程

       ②粘結劑的分類與選擇

       粘結劑是影響PCD刀具熱穩定性的最主要因素,直接影響其硬度、耐磨性和熱穩定性。常見的PCD粘結方式有:鐵、鈷、鎳等過渡金屬。以Co和W混合粉作為粘結劑,采用溶滲催化法,當合成壓力為5.5GPa、燒結溫度為1450℃、保溫4min時合成的燒結型PCD綜合性能最好。SiC、TiC、WC、TiB2等陶瓷材料。SiC的熱穩定性優于Co,但硬度和斷裂韌性相對較低,適當降低原料尺寸可提高PCD的硬度和韌性。無粘接劑,以石墨或其它碳源在超高溫高壓下燒結成納米級聚晶金剛石(NPD)。以石墨為前驅物直接轉化成金剛石來制備NPD條件最為苛刻,但合成的NPD硬度最高,力學性能最好。

       ③晶粒的選擇與控制

       原料金剛石粉末是影響PCD性能的關鍵因素。前處理金剛石微粉、添加少量阻礙異常粒生長的物質以及合理選擇燒結助劑可以抑制金剛石異常粒長大。

       具有均勻結構的高純NPD可以有效消除各向異性,進一步提高力學性能。高能球磨法制備的納米石墨前驅體粉末,在高溫預燒結進行氧含量調控,在18GPa、2100-2300℃條件下將石墨轉變為金剛石,生成了片層和顆粒狀NPD,且硬度隨片層厚度降低而增加。

       ④后期化學處理

       相同溫度(200℃)及時間(20h)下,路易斯酸—FeCl3的脫鈷效果明顯優于王水,且HCl的最佳配比為10-15g/100ml。隨著脫鈷深度增加,PCD的熱穩定性提高。對于粗粒度生長型PCD,強酸處理可以較徹底地去除Co,但對聚晶性能影響大;添加TiC、WC改變合成聚晶結構,與強酸處理結合使用,可提高PCD的穩定性。目前,PCD材料制備工藝日臻完善,產品韌性良好,各向異性也有了很大提高,已經實現商業化生產,相關產業正在飛速發展。

       (2)PCD刀片的加工

       ①切割工藝

       PCD硬度高,耐磨性良好,切割工藝難度高。具體切割工藝特點比較見表2。

表2  幾種切割工藝的特點比較

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       綜上,電火花加工最佳。電火花加工效率及PDC表面質量與電極質量、PCD粒度、層厚,特別是切削速度有關。實驗表明,切削速度過高會影響PDC表面質量,過低會引起“拱絲”,影響切割效率。隨著刀片厚度增加,切割速度會降低。

       ②焊接工藝

       PDC與刀體的連接方式有機械夾固、粘接和釬焊。釬焊是將PDC壓制在硬質合金基體上,方法包括真空釬焊、真空擴散焊接、高頻感應加熱釬焊、激光焊接等。高頻感應加熱釬焊低成本,高回報,獲得了廣泛應用。焊接質量與焊劑、焊接合金和焊接溫度有關。焊接溫度(一般低于700℃)影響最大,溫度過高,容易引起PCD石墨化,甚至“過燒”,直接影響焊接效果,而溫度過低會導致焊接強度不足。通過保溫時間和PCD變紅的深淺程度可以控制焊接溫度。連接方式比較見表3。

表3  PDC刀片與刀桿連接方式的特點和應用

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       ③刃磨工藝

       PCD刀具刃磨工藝難度高,是制造工藝的關鍵。刃磨一般要求主切削刃有一定的直線度,無鋸齒和崩刃,刃口鋸齒峰值在5μm以內,圓弧半徑在4μm以內;前、后刀面保證一定的表面光潔度,甚至將前刀面Ra降至0.01μm,達到鏡面要求,使切屑沿前刀面流動、預防粘刀。

       刃磨工藝包括金剛石砂輪機械刃磨、電火花刃磨(EDG)、金屬結合劑超硬磨料砂輪在線電解修整刃磨(ELID)、復合刃磨加工。其中,金剛石砂輪機械刃磨最成熟,應用最廣。

       相關實驗得出:①粗顆粒砂輪會導致嚴重的刃口崩缺,且砂輪粒度下降,刃口質量呈變好的趨勢;②砂輪粒度與細顆粒或超細顆粒PCD刀具的刃口質量關系密切,但對粗顆粒PCD刀具作用有限。

       國內外相關研究主要集中在刃磨機理及工藝上。刃磨機理中,占主導的是熱化學去除和機械去除,脆性去除和疲勞去除比例相對較小。刃磨時,要根據不同結合劑金剛石砂輪的強度、耐熱性等特點,盡可能提高砂輪轉速和擺頻,避免脆性和疲勞去除,提高熱化學去除比例,降低表面粗糙度。干磨削的表面粗糙度較低,但容易因加工溫度過高,燒傷刀具表面。

       刃磨工藝方面需要注意:①選擇合理的刃磨工藝參數,可以使刃口質量更加優異,前、后刀面表面光潔度更高。但也要綜合考慮磨削力高、砂輪損耗大、刃磨效率低、成本高等問題;②選擇合理的砂輪質量,包括結合劑種類,砂輪粒度、濃度、結合劑、砂輪修整,配以合理的干濕刃磨條件,可以優化刀具前后角、刀尖鈍化值等參數,同時提高刀具的表面質量。

       不同結合劑金剛石砂輪特性不同,刃磨機理及效果也不同。樹脂結合劑金剛石砂輪較軟,磨粒易過早脫落,不耐熱,表面受熱易變形,刃磨表面易產生磨痕,粗糙度大;金屬結合劑金剛石砂輪通過磨粒局部破碎保持鋒利狀態,成型性好,表面平整,刃磨表面粗糙度低,效率較高,但對磨粒的結合能力太強使磨具自銳性差,且刃口容易留下沖擊缺口,造成邊緣嚴重破壞;陶瓷結合劑金剛石砂輪強度適中,自勵性好,內部氣孔較多,有利于排屑和散熱,可以適應各種冷卻液,磨削溫度較低,砂輪磨損較小,形狀保持性好,工件精度高,效率最高,但金剛石磨粒和結合劑組成的脫落體容易導致刀具表面結合劑處形成凹坑。使用時要根據加工材料,綜合磨削效率、磨具耐用度及工件表面質量進行合理選擇。

       磨削效率方面的研究主要集中在提高生產率和控制成本上,一般作為評價標準的是磨削率Q(單位時間內PCD去除量)和磨耗比G(PCD去除量與砂輪損耗量之比)。

       德國學者KENTER以恒定壓力磨削PCD刀具,試驗得出:①增大砂輪轉速、PDC粒度和冷卻液濃度,磨削率與磨耗比均減小;②增大磨粒粒度,增大恒定壓力,增大砂輪中金剛石的濃度,磨削率與磨耗比均增大;③結合劑種類不同,磨削率與磨耗比不同。KENTER系統研究了PCD刀具的刃磨工藝,但沒有系統分析刃磨工藝對刃磨質量的影響。

       3  PCD刀具的使用與失效

       (1)刀具切削參數選擇

       PCD刀具使用初期的一段時間內,隨著鋒利刃口逐漸鈍化,加工表面質量變好。鈍化可以有效去除刃磨帶來的微缺口和小毛刺,改善切削刃的表面質量,同時,在刃口處形成一個倒圓形刃口半徑,對已加工表面起到擠壓修光作用,從而提高了工件表面質量。

       PCD刀具面銑削鋁合金,切削速度一般在4000m/min內,孔加工一般在800m/min內,加工彈塑性較高的有色金屬應取較高的車削速度(300-1000m/min)。進給量一般推薦在0.08-0.15mm/r之間。進給量過大,切削力升高,工件表面殘余幾何面積增大;進給量過小,切削熱升高,磨損加劇。切削深度增大,切削力增大,切削熱升高,壽命降低,切削深度過大易造成崩刃;切削深度過小會導致加工硬化,磨損加劇甚至崩刃。國際生產工程學會(CIRP)推薦的PCD刀具切削用量見表4。

表4  國際生產工程學會(CIRP)推薦的PCD刀具

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       (2)磨損形式

       刀具加工工件時,由于摩擦、高溫等原因,磨損不可避免。金剛石刀具的磨損由三個階段組成:初期的快速磨損階段(也稱過渡階段)、磨損率為常數的穩定磨損階段和之后的快速磨損階段。快速磨損階段表明刀具已不能繼續工作,需要重新刃磨修整。刀具的磨損形式包括粘接磨損(冷焊磨損)、擴散磨損、磨料磨損、氧化磨損等。

       與傳統刀具有所不同,PCD刀具的磨損形式是粘接磨損、擴散磨損、聚晶層破損。其中聚晶層破損是主要原因,表現為外力沖擊導致的刀刃細微崩口或PDC中粘接劑丟失引起的晶粒剝落,形成豁口,屬于物理機械破損,可導致加工精度降低,工件報廢。PCD粒度、刃口形式、刀片角度、工件材料、加工參數會影響刃口強度和切削力,進而引起聚晶層破損。工程實踐中,要根據加工條件,選擇合適的原料粒度、刀具參數和加工參數。

       4  PCD刀具的發展趨勢

       目前,PCD刀具的應用范圍已由傳統的車削加工向鉆削、銑削加工、高速切削擴展,在國內外得到了廣泛應用。電動汽車的高速發展,在給傳統汽車行業帶來沖擊的同時,也給刀具行業帶來了前所未有的挑戰,催促著刀具行業加快優化與創新。

       PCD刀具的廣泛應用加深并推動了刀具研發,隨著研究不斷深入,PDC規格尺寸越來越小、晶粒細化、質量優化、性能均一化、磨削率與磨耗比越來越高、形狀結構多樣化。PCD刀具研究方向包括:①研究開發較薄的PCD層;②研究開發新型PCD刀具材料;③研究更好地焊接PCD刀具,進一步降低成本;④研究改進PCD刀具刃磨工藝,提高效率;⑤研究優化PCD刀具參數,因地制宜地使用刀具;⑥研究根據被加工材料合理選擇切削參數。

       小結

       (1)PCD刀具切削性能優異,彌補了許多硬質合金刀具的不足;同時,價格遠低于單晶金剛石刀具,在現代切削中大放異彩,是一種很有前途的刀具;

       (2)要根據被加工材料的種類和性能,合理選擇PCD刀具的粒度和參數,這是刀具制造和使用的前提;

       (3)PCD材料硬度高,是切削刀具的理想材料,但同時也為刀具制造帶來了難度。制造時要綜合考量工藝難度與加工需求,以期達到最佳的性價比;

       (4)PCD刀具加工材料時,要合理選擇切削參數,在滿足產品性能的基礎上,盡可能延長刀具使用壽命,以期達到刀具壽命、生產效率、產品質量的平衡;

       (5)研發新型PCD刀具材料,克服其固有弊端。

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