金刚石和超硬材料的应用（二）

魔神

        立方氮化硼烧结体(PCBN)  
    PCBN是CBN颗粒与结合剂一起烧结而成，耐高温，硬度仅次于金刚石，与黑色金属无亲和力。从发展的角度来看，许多新材料需用PCBN来加工。比如汽车变速箱的齿轮采用了PCBN的齿轮滚刀，不仅获得高生产率，且明显的提高了质量，加工面甚至变成了镜面。据资料表明，PCBN滚切过的齿轮表面由于硼的渗入，硬度也变高。这是哈工大的实验所证实的。由于PCBN耐高温，在大气和水蒸气中，在900℃以下无任何变化且稳定，甚至在1300℃时，和Fe、Ni、Co等也几乎没有反应，更不会像金刚石那样急剧磨损，这时它仍能保持硬质合金的硬度，因此，它不仅能切削淬火过的钢零件或冷硬铸铁，而且能被广泛应用于高速或超高速的切削工作上。  
    但是，PCBN不适于切削一般的钢件，因此。选择工具时必须注意。采购时必须考虑到其粒度、浓度。  
    PCBN的几何形状也有特殊性，一般切削刃需要倒棱成-30°或圆弧，以防护刀尖破损。  
    生产PCBN的厂商不少，国外主要的有美国的GE公司、日本的住友电气(株)、DIJET(黛杰)、英国的DeBeers等，国内主要有成都工具研究所、贵州第六砂轮厂、桂林地质研究所等。  
    超硬材料涂层切削工具 CVD、PVD等技术的出现，是切削工具领域中的一次重大的革命。它的出现立即引起了机械制造领域的巨大反响，理想的切削工具应当是既有硬的表面，又有高的韧性，涂层技术便达到了这个目标。  
    最早的涂层材料都是陶瓷性质的物质，如TiN、TiC、Al2O3等，近年来，涂层技术又有了很大的发展。超硬材料涂层正在得到全面应用，许多产品相继出现在市场上，但国内尚处在实验阶段，预计也会很快突破，超硬材料涂层的发展，使整个现有的切削工具的性能都明显得到了提高，面对当前大量涌现的难加工材料，这些新发展的涂层技术将有巨大的适应能力，前景相当喜人。  
    超硬材料涂层的种类共有三大类，即类金刚石、金刚石和CBN。这些涂层材料均为纯金刚石或纯CBN,所以硬度与沉积的材料是相同的，和PCD与PCBN相比，因不含结合剂，所以硬度、耐磨性等均有较大的提高。  
    金刚石涂层和CBN涂层的性能与原材料是相同的，只是薄膜而已，使用时与陶瓷涂层类同。  
    这里着重介绍类金刚石膜。  
    类金刚石碳(Diamond-LikeCarbon,简称DLC)膜具有与金刚石膜相似的优异性能，其抗摩擦磨损性能良好，且DLC膜制备工艺日趋成熟，可以在很低的沉积温度下获得大面积且表面粗糙度小的DLC膜，而金刚石薄膜则要求较高的沉积温度(约800℃～1000℃)，因此，许多基体材料受到限制，如高速钢，而且在大面积上沉积均匀也比较困难，表面也粗糙。因此，DLC膜在许多场合更易获得应用，如可作磁盘的保护膜。  
    在涂层切削工具的使用方面，和陶瓷涂层的一样，涂层基体也必须作很好的处理。一般基体的硬质合金为YG8,其预处理工艺首先用W1金刚石微粉抛光，再进行表面脱钴15min,脱钴液为1:3硝酸水溶液，然后在丙酮中超声波清洗10min。基体在涂复之前，清洗的工作极为重要。如果是切削工具，在刃磨中必须保证不能退火。  
    由于超硬材料涂复的技术历史尚短，还处在发展之中。相信它也会和陶瓷涂层技术一样，会更加完善。  
    厚膜金刚石  
    金刚石薄膜的合成技术和应用研究在全球范围发展极为迅速，形成了“金刚石薄膜热”。在这十多年内，气相合成的方法发展到二十多种，一般沉积的速度每小时只1～2µm,如何加快沉积速度一直是人们研究的课题。在近期沉积速度发展到了100µm/h以上，最高达到930µm/h。我们称之为厚膜金刚石。我国东方天地金刚石研究所成功地掌握了这门技术，最大的沉积厚度达到了2.3mm。现在已商品化，进入了国际先进行列。  
    厚膜金刚石不同于PCD之处是没有结合剂，是纯金刚石，所以它的硬度高得多，与天然金刚石不同，它具有各向同性，成本低，因此在许多方面将取代PCD。用作拔丝模将是均匀磨损，因此拔丝的线材质量明显优于天然金刚石模具。如果沉积质量进一步提高，在超精密加工中也有取代天然金刚石的可能，因此颇受超精密领域的重视。  
    总之，金刚石和超硬材料的发展，对各种工业的发展将起到巨大的推动作用，前景十分广阔。  
    4 问题与展望  
    每一种切削工具材料在发展中都会出现一些异常，因此必须不断探索和研究。  
    每一种材料均有不同的特性，在使用中应当根据工具和被加工材料的特性，甚至加工条件来选择合理的加工方法。  
    众所周知，金刚石是世界上最硬的物质，作为切削工具是很理想的材料，所以现在应用相当广泛。但是它与黑色金属有亲和力，并且在700℃左右，会发生石墨化现象，金刚石的磨损便会加速，所以只适合于切削有色金属和非金属材料。但是人们一直在努力打破这种禁区，比如美国LLNL国家实验室 Cassteven教授曾采用富有碳的环境，直接切削黑色金属，有一定的效果；我国哈工大采用液氮喷淋；以超低温切削黑色金属。也同样取得一定的效果，最近有人认为含一定量硼的金刚石有可能切削黑色金属，总之在不久的将来，是有可能会有所突破的。  
    超硬材料涂层的切削工具出现比陶瓷涂层的早，但仍有许多问题待解决，特别是粘接力的强弱，它直接影响到切削工具的寿命。在陶瓷涂层的方面也有这类问题的发生，如切削工具在涂前的洁净处理；又如切削工具的刃磨中，不容许刃口退火，不容许留有毛刺，也有采用多涂层的办法来解决，但是在超硬涂层方面还有待新的发展。  
    陶瓷涂层技术的诞生，是切削工具材料的重大发展，而超硬材料涂层的再次突破，使几乎所有的切削工具向更理想的领域靠拢。  
    PCD和PCBN是当前应用比较普遍的切削工具，其技术的发展仍然受到重视，比如国外的产品，在制造中，用电火花线切割将坯料直接切成规定的形状，但是国产的坯料只能先将其硬质合金部分切开，然后切其余部分。一般这类切削工具所能达到的表面粗糙度较低，而应用美国GE公司的细粒度刀片，则可以接近镜面，主要原因是晶粒粒径超细化。其界面增大，能获得更平滑的切削刃。  
    厚膜金刚石的合成是一次切削工具材料的突破，它的出现将会更多地提供取代当前超精密加工领域中应用的天然金刚石的可能性，这不仅因为它的性能与天然金刚石接近，而且它的成本低。对金刚石矿藏稀少的国家来说，展示了很好的前景。  
    金刚石沉积的基体在沉积之前，须经过认真的清洗。如果是硬质合金，一般采用的是钴基硬质合金，它影响金刚石合成时的核发生密度，密度低，的则沉积质量明显差，涂层的粘接力就低。所以必须采取腐蚀的办法去除表层的钴。  
    因为钴在和基材的界面上沉积时，会生成石墨等非金刚石物质和气孔。很多碳扩散在钴中，又会成为界面上龟裂生成原因。含钴的WC烧结的热膨胀系数为5×10-6/～6×10-6/℃，比金刚石的3.1×10-6/℃大，所以℃合成时，冷却到常温，又会成为产生残余应力的原因。  
    从这些情况分析，要提高含钴的硬质合金上沉结金刚石的粘结力，仍然是一个值得探索的课题。最近日本东京工业大学吉川昌范教授提出，采用放电烧结法，可能制造出不含钴的WC粉末烧结体，使其沉积的粘结力明显提高，并且其沉积的金刚石粒径也小，这都表明沉积的技术正在向更高层次发展。  
    人工合成大颗粒单晶金刚石业已突破，但成本仍然很高，还有待发展。  
    总之，超硬材料的发展必将引发机械制造的巨大变革，对21世纪无疑将会作出更大的贡献。