認識超硬刀具
2011-04-26 13:36:48
現代刀具材料高速鋼、硬質合金、陶瓷的主要硬質成分是碳化物、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3000HV，加上粘結物質其總體硬度在2000HV以下。對于現代工程材料的加工，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運而生，20世紀的后40年中有了較大的發(fā)展。超硬材料的化學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，晶體結構為面心立方體；而金剛石由碳元素轉化而成，其晶體結構與立方氮化硼相似。它們的硬度大大高于其他物質。在幾千年前，人類就已經發(fā)現和使用天然金剛石；而人造金剛石的制造和應用則是上一個世紀中的事。氮化硼都是人造的。在20世紀后期，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。瑞典于1953年宣告成功，1962年開始工業(yè)生產。到1969年，全世界人造金剛石產量為4000萬克拉(carat)；當時天然金剛石年產量為4400萬克拉。1963年中國宣告PCD制造成功。1996年，中國人造金剛石產量達2.4億克拉，出口6～8.5千萬克拉。90年代末，中國年產量達5億克拉，居全世界首位。最大的外國公司年產人造金剛石近年也達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、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備是六面頂或兩面頂的液壓機。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，這些參數將有所不同，本文給出的數據只是一個大概的數字。 類似熱壓法制造PCD，還有“爆炸法”，在容器中利用炸藥爆炸產生高溫高壓，而使石墨轉化為金剛石。爆炸法的工藝和產品質量均不易控制，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，使氫分子與含碳氣體分子離解，形成原子態(tài)氫和能夠形成SP3鍵的碳氫基團。該基團在有原子氫的作用下在適當溫度的基體表面經歷吸附的化學過程，去氫而形成金剛石的碳結構?？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合金上形成復合刀片或刀具。
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0.5～0.6mm以上
材料的性能
超硬材料具有優(yōu)異的機械性能、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10000HV；CBN的硬度達7500HV。與其他硬物質相比，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合金，其硬度僅為1100～1800HV。
具有很好的導熱性
人然金剛石的熱導率達2000W?m-1?K-1，CBN的熱導率達1300W?m-1?K-1。紫銅的導熱性很好，其熱導率僅為393W?m-1?K-1；純鋁為226W?m-1?K-1，故金剛石與CBN的熱導率分別是紫銅的5倍和3.5倍，是純鋁的8倍和5倍。硬質合金的熱導率僅為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為1×10-6/K，CBN的線膨脹系數為(2.1～2.3)×10-6/K。而硬質合金的線膨脹系數為(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7～9MPa?m0.5。故金剛石與CBN性脆，是其弱點。
化學性質
CBN熱穩(wěn)定性好，在大氣中達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性質穩(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石墨化；在酸、堿中都不受浸蝕。
電學性質
純凈的不含雜質的金剛石是絕緣體，室溫下電阻率在1016Ω?cm以上。只有摻人了其他元素后，才顯出半導體特性。同Si、Ce、As等半導體材料相比，金剛石具有非常寬的禁帶，小的介電常數，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，則具有磁性，雜質越多，磁性越強。
光學性質
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，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10000HV，PCD約為8000HV，CVD金剛石可達9000HV。
