立方氮化硼和金刚石刀具比较(金刚石和立方氮化硼特点及使用场合)

摘要摘要：介绍了超硬刀具材料（金刚石和立方氮化硼）的类型、开发过程、制造方法、性能和应用范围，并包括一些切削难加工材料的试验数据。关键词：超硬材料；钻石；立方氮化硼；切割工具；切削性能.摘要：介绍了超硬刀具材料（金刚石和立方氮化硼）的种类、开发过程、制造方法、性能和应用范围，并包括一些切削难加工材料的试验数据。关键词：超硬材料；钻石；立方氮化硼；切割工具；切削性能1 引言现代刀具材料高速钢、硬质合金、陶瓷的主要硬质成分是碳化物、氮化物和氧化物。例如，高速钢是碳化铁中添加合金成分（W、Mo等）；硬质合金主要是碳化物、氮化物和碳氮化物；陶瓷有氧化物和氮化物。这些化合物的硬度高达3000HV，而粘结材料的整体硬度在2000HV以下。对于现代工程材料的加工，在某些情况下，上述刀具材料的硬度已经不够了，于是超硬刀具材料应运而生，并在近40年里得到了更大的发展。 20世纪。超硬材料的化学成分和成形硬度的规则与其他刀具材料不同。立方氮化硼是一种具有面心立方晶体结构的非金属硼化物。金刚石由碳转化而来，其晶体结构与立方氮相似。硼也类似。它们的硬度明显高于其他物质。几千年前，人类就发现并使用了天然钻石；人造钻石的制造和应用仅发生在上个世纪。氮化硼全是人造的。 20世纪末，人造金刚石和立方氮化硼两种超硬材料取得了快速发展。过去人造金刚石多是在高温高压下成型（热压法），称为PCD。后来，出现了其他制造方法。 PCD人造金刚石的研究始于1940年。1954年，美国正式宣布研制成功这种金刚石，1957年开始工业化生产。瑞典于1953年宣布成功，并于1962年开始工业化生产。到1969年，世界上的PCD人造金刚石研制成功。人造钻石产量为4000万克拉；当时，天然钻石年产量为4400万克拉。 1963年，中国宣布PCD制造成功。 1996年，中国人造金刚石产量达到2.4亿克拉，出口量在60至8500万克拉之间。 20世纪90年代末，中国年产量达到5亿克拉，居世界第一。近年来，国外最大公司的人造钻石年产量已达到1亿克拉以上。 1957年，美国GE公司挤压出CBN（立方氮化硼）单晶粉末，20世纪70年代初，制成多晶PCBN切削刀具。 1972年，苏联也制造了PCBN刀。 1966年，我国研制成功单晶立方氮化硼。后来又制成了PCBN。近年来，人造金刚石已采用化学气相沉积（CVD）方法制造。 2 超硬刀具材料的种类超硬刀具材料的种类很多，特别是金刚石。立方氮化硼包括CBN单品粉末，用于制造磨具；还有PCBN多晶片和PCBN多晶复合片，用于制造刀具等工具。立方氮化硼是人造的。钻石分为天然钻石（ND）和人造钻石。人造金刚石包括PCD单晶粉，用于制造磨具； PCD单晶粒，可用于制造切削刀具； PCD多晶硅片和多晶复合片，用于制造刀具和其他工具； CVD金刚石膜和厚膜，可用于制造切削工具。刀具、工具，可用作光学、电子等高科技原材料。 3、超硬刀具材料的制造方法。人造超硬刀具材料的制造方法有很多种。这里主要介绍热压法和气相沉积法。通过热压制造金刚石和立方氮化硼所用的设备是六面或双面液压机。压制单晶超硬材料。需要将原料放入叶腊石的空腔中。

压制PCD单晶粉末的原料是石墨片，石墨片和催化剂镍锰片堆放在型腔内；压制PCD多晶片的原料为PCD单晶粉，添加有粘结剂Ni、Si、Co等。 CBN单晶粉末的原料为六方氮化硼（HBN）粉末；压制PCBN多晶硅片的原料为CBN单晶粉末，需要分别放置催化剂和粘结剂。热压工艺示意图如图1、图2所示，图中列出了压力、温度和加压时间。增压过程中的压力不同于增压压力和最终压力。叶蜡石腔内的压力也与顶锤处的压力不同。图1、图2所示的压力是指顶锤处的压力。该温度为腔体温度。时间是加热时间、保温时间和冷却时间的总和。对于不同的印刷机，这些参数会有所不同。本文给出的数据只是一个大概数字。

与制造PCD的热压法类似，还有“爆炸法”，利用炸药在容器中爆炸，产生高温高压，将石墨转化为金刚石。爆炸法的工艺过程和产品质量难以控制，因此很少正式使用。 CVD法是蒸镀法。在非金刚石基体上沉积金刚石的方法有很多都属于这种工作原理，如“热丝CVD法”、“电子增强CVD法”、“微波PCVD法”、“射频PCVD法”、“直流电CVD法”等。 PCVD法”、“直流电弧PCVD法”、“直流等离子体注入CVD法”、“电子回旋共振PCVD法”、“火焰燃烧法”、“准分子激光CVD法”等。“热丝CVD法”是最常用。

图3为热丝CVD金刚石厚膜生长沉积技术原理示意图。原料为乙醇（酒精）、氢气和甲烷，发热丝为Ta丝或W丝。将热丝加热至20002500的高温，并在热丝与基板之间施加电压，形成等离子体，使氢分子和含碳气体分子离解，形成原子氢和可形成SP3键的烃基。在原子氢的作用下，该基团在适当的温度下发生吸附在基体表面的化学过程，并脱除氢，形成金刚石的碳结构。控制热丝的温度、施加的电压和电流密度，特别是气体的成分、生长容器的压力和衬底的温度，可以有效地控制薄膜的生长速率和薄膜质量。在基体（基体）上形成厚膜后，需要将薄膜与基体分离并切成一定形状的小片，然后将小片钎焊在硬质合金上，形成复合刀片或刀具，如图4所示。

如果制造CVD薄膜金刚石工具，可以直接在工具上沉积金刚石膜，膜厚仅为10m左右。厚膜厚度可达0.5~0.6mm以上。 4 超硬刀具材料的性能超硬材料具有优异的机械性能、物理性能和其他性能，其中一些性能非常适合用作切削刀具。 4.1 硬度高。天然金刚石硬度达到10000HV； CBN的硬度达到7500HV。与其他硬质物质相比，SiC的硬度为3000~3500HV，A12O3为2700HV，TiC为2900~3200HV，WC为2000HV，Si3N4为2700~3200HV；用作刀具材料的硬质合金的硬度仅为1100~1800HV。 4.2具有良好的导热性。天然金刚石的导热系数达到2000W?m-1?K-1，CBN的导热系数达到1300W?m-1?K-1。铜具有非常好的导热性能，其导热系数仅为393W?m-1?K-1；纯铝的导热系数为226W?m-1?K-1，因此金刚石和CBN的导热系数分别是铜的5倍。和3.5倍，分别是纯铝的8倍和5倍。硬质合金的导热系数仅为35~75W?m-1?K-1。 4.3 具有较高的杨氏模量。天然金刚石的杨氏模量达到1000GPa，CBN的杨氏模量为720GPa。 SiC、Al2O3、WC、TiC的杨氏模量分别仅为390、350、650、330GPa。杨氏模量大的物质具有良好的刚性。 4.4热膨胀很小的天然金刚石的线膨胀系数为110-6/K，CBN的线膨胀系数为(2.1~2.3)10-6/K。硬质合金的线膨胀系数为（5~7）10-6/K。 4.5 密度较小的天然金刚石的密度为3.52g/cm3，立方氮化硼的密度为3.48g/cm3。密度与Al2O3和Si3N4接近。 4.6 断裂韧性较低。天然金刚石的断裂韧性为3.4MPa?m0.5，CBN与其接近。陶瓷刀具材料的断裂韧性在各种刀具材料中相对较低，但仍可达到7~9MPa?m0.5。因此，金刚石和CBN易碎，这是它们的弱点。 4.7 化学性能立方氮化硼具有良好的热稳定性，在大气中直至1300~1500也不分解。对铁族元素呈惰性；在酸中不腐蚀，在300左右的碱中腐蚀；它还可以与过热水蒸气发生反应。金刚石在室温下化学性质稳定；在氧气中约660开始石墨化，铁族元素特别是铁能促进石墨化；它不被酸或碱腐蚀。 4.8 电性能纯、无杂质的金刚石是绝缘体，常温下电阻率在1016·cm以上。只有掺杂其他元素后才能表现出半导体特性。与Si、Ce、As等半导体材料相比，金刚石具有很宽的禁带、介电常数小、电子迁移率高、电击穿强度大，表明金刚石是禁带很宽、性能优良的材料。采用高温（500）半导体材料。天然金刚石无磁性；如果人造金刚石含有催化剂杂质如Ni、Co、Fe等，它就会变得有磁性。杂质越多，磁性越强。 4.9 光学性质金刚石具有高折射率和强像散性。它还具有优异的透光性能，可以传输较宽的波段。有些钻石在从紫外区、可见光区到远红外区的大部分波段（O.22~2.5m）内都是透明的。上述超硬材料优异或特殊的性能和性能决定了它们广泛的用途。与天然金刚石（ND）相比，人造多晶金刚石（PCD）的硬度、杨氏模量和导热率稍低，而断裂韧性和热膨胀率稍高。人造CVD金刚石的各项性能介于ND和PCD之间，更接近天然金刚石。例如，天然金刚石的硬度达到10,000HV，PCD约为8,000HV，CVD金刚石可以达到9,000HV。

5 超硬刀具材料的应用范围立方氮化硼硬度高，热稳定性高，对铁族元素呈惰性，因此最适合制作切削下列材料的刀具：切削各种淬硬钢，包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等；切割各种铁基、镍基、钴基等热喷（焊）件。金刚石具有较高的硬度和其他优异的性能。用其制造的刀具应用范围更广，可加工各种难加工材料和非难加工材料；针对有色金属，主要是铜、铝及其合金，超精密切割；因为金刚石工具尤其是天然金刚石工具的切削刃可以磨得很锋利，可以磨到纳米级的钝半径；切割纯钨和纯钼；切割工程陶瓷、硬质合金、工业玻璃；切割石墨和各种塑料；切割各种复合材料，包括金属基和非金属基、纤维增强和颗粒增强材料；用于牙科和骨科使用的各种医疗器械和工具；用于各种木材加工刀具和石材加工工具；金刚石和立方氮化硼单晶粉广泛用于制造磨料、磨具、研磨膏、砂布、砂纸。金刚石还广泛用于生产石油、地质、采矿部门的拉丝模、砂轮校正器和钻头。还用于各种耐磨零件。大多数可用金刚石刀具切削的难加工材料，如硬质合金、陶瓷、玻璃、复合材料等，立方氮化硼刀具也能胜任，但立方氮化硼刀具的使用寿命一般低于金刚石工具。金刚石工具不能加工铁基材料。