近年來,隨著切削加工工件材料的不斷發(fā)展,尤其是一些難加工材料的出現(xiàn),超硬材料刀具得到了越來越廣泛的應(yīng)用,其中超硬材料刀具包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具。國(guó)內(nèi)超硬材料刀具制造商的數(shù)量、規(guī)模和制造水平都在迅速提高。在國(guó)內(nèi)超硬材料以及超硬材料刀具,最要就集中在河南。最具代表性的是河南富耐克超硬材料股份有限公司,它一直是超硬材料行業(yè)的先鋒,同時(shí)擁有先進(jìn)超硬刀具研發(fā)和制造技術(shù)。
超硬材料刀具在整個(gè)刀具市場(chǎng)中的地位
在目前的刀具市場(chǎng)上,占據(jù)最大市場(chǎng)份額的刀具材料仍為高速鋼和硬質(zhì)合金,但這些刀具的硬度最高僅為2000~3000HV,若加上粘接物質(zhì),其總體硬度則在2000HV以下。對(duì)于難加工材料和高速高精加工來說,較低硬度的刀具材料已不能勝任。以金剛石和立方氮化硼刀具為代表的超硬材料刀具則迅速占領(lǐng)這個(gè)市場(chǎng)。其中金剛石刀具有極高的硬度和耐磨性,其硬度可達(dá)10000HV,是刀具材料中最硬的,熱穩(wěn)定性可達(dá)700℃~800℃。而立方氮化硼的硬度僅次于金剛石(可達(dá)8000HV~9000HV),并且熱穩(wěn)定性更高(達(dá)1250℃~1350℃)。
超硬材料刀具具有加工效率高、使用壽命長(zhǎng)和加工質(zhì)量好等特點(diǎn),過去主要用于精加工,近幾年來由于改進(jìn)了人造超硬刀具材料的生產(chǎn)工藝,控制了原料純度和晶粒尺寸,采用了復(fù)合材料和熱壓工藝等,應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,除適于一般的精加工和半精加工外,還可用于粗加工,在國(guó)際上公認(rèn)為是當(dāng)代提高生產(chǎn)率最有希望的刀具材料之一。利用超硬材料加工鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金等零件,切削速度可比硬質(zhì)合金高一個(gè)數(shù)量級(jí),刀具壽命可比硬質(zhì)合金高幾十甚至幾百倍。同時(shí)它的出現(xiàn),還使傳統(tǒng)的工藝概念發(fā)生變化,利用超硬刀具常??芍苯右攒?、銑代磨(或拋光),對(duì)淬硬零件加工,可用單一工序代替多道工序,大大縮短工藝流程。
金剛石俗稱“金剛鉆兒”,也就是我們常說的鉆石。天然金剛石礦藏都是史前就已經(jīng)形成的,且無生長(zhǎng)規(guī)律可循。金剛石材料刀具具有極高的硬度和耐磨性,能有效地加工銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、末燒結(jié)的硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強(qiáng)的復(fù)合材料等。
立方氮化硼與聚晶金剛石一樣,也是在高溫高壓下人工合成的,其多晶結(jié)構(gòu)和性能也與金剛石類似,具有很高的硬度,很好的導(dǎo)熱性,很小的熱膨脹,較小的密度,較低的斷裂韌性。此外,立方氮化硼還具有卓越的化學(xué)和熱穩(wěn)定性,同鐵族元素幾乎不發(fā)生反應(yīng),這一點(diǎn)要優(yōu)于金剛石。立方氮化硼與金剛石相比,熱穩(wěn)定性更高,對(duì)鐵族元素化學(xué)惰性大,抗粘結(jié)能力強(qiáng),更適于加工各種淬硬鋼、熱噴涂材料、冷硬鑄鐵和HRC35以上的鈷基和鎳基等難切削材料。
在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,立方氮化硼刀具已廣泛應(yīng)用于汽車、重型機(jī)械等機(jī)械加工行業(yè)。立方氮化硼刀具適合于高速干切削,可以用2000m/min以上的速度高速加工灰鑄鐵。立方氮化硼刀具在高速硬切削方面的應(yīng)用也比較廣泛,尤其是精加工汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的合金鋼零件,如HRC60~65之間的齒輪、軸、軸承,而這些零部件過去是靠磨削來保證尺寸精度和表面質(zhì)量的。眾所周知,硬質(zhì)合金刀片主要成分為碳化鎢,而鎢是一種稀缺資源,盡管我國(guó)是富鎢的國(guó)家,但照目前這種開發(fā)和使用程度,碳化鎢資源會(huì)迅速減少,有專家預(yù)測(cè),未來60年后,也許將會(huì)枯竭。那么新的超硬材料刀具將會(huì)在未來切削領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
它既可用于精加工和半精加工,也可用于背吃刀量達(dá)6mm的粗加工。目前世界上立方氮化硼的年耗量大約以10%~15%的速度增長(zhǎng)。人造立方氮化硼超硬刀具材料,目前單晶的向粗顆粒、高強(qiáng)度、多功能方向發(fā)展。日本無機(jī)材料所生產(chǎn)的單晶CBN直徑達(dá)3mm。DeBeers公司生產(chǎn)的PCBN產(chǎn)品,最大直徑達(dá)101.6mm,然后用激光切割成所需要的任何形狀,可加工70HRC的高硬度材料。
超硬材料刀具行業(yè)發(fā)展概況
如今,超硬材料刀具在切削加工中的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被廣大用戶所熟知,并得到越來越廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用,市場(chǎng)需求巨大。
從超硬材料本身來看,我國(guó)具有明顯的資源優(yōu)勢(shì),最近發(fā)現(xiàn)瓦房店地區(qū)的金剛石以往的勘探鉆孔大多只有200-300米,未能有效控制金伯利巖的整體形態(tài),而最近施工的鉆孔近1000米,在800多米多處見到厚大金伯利巖體,可探上百萬克拉的金剛石資源量。
目前我國(guó)金剛石產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的80%以上,立方氮化硼(CBN)產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%以上,已經(jīng)是世界第一大超硬材料生產(chǎn)國(guó),在超硬材料方面中國(guó)已邁入世界強(qiáng)國(guó)行列,我國(guó)超硬材料產(chǎn)業(yè)率先成為在國(guó)際上有話語權(quán)的產(chǎn)業(yè)之一。
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