超硬材料的發(fā)展將引發(fā)機械制造的巨大變革
每一種切削工具材料在發(fā)展中都會出現(xiàn)一些異常,因此必須不斷探索和研究。每一種材料均有不同的特性,在使用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)工具和被加工材料的特性,甚至加工條件來選擇合理的加工方法。
眾所周知,金剛石是世界上最硬的物質(zhì),作為切削工具是很理想的材料,所以現(xiàn)在應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但是它與黑色金屬有親和力,并且在700℃左右,會發(fā)生石墨化現(xiàn)象,金剛石的磨損便會加速,所以只適合于切削有色金屬和非金屬材料。但是人們一直在努力打破這種禁區(qū),比如美國LLNL國家實驗室Cassteven教授曾采用富有碳的環(huán)境,直接切削黑色金屬,有一定的效果;我國哈工大采用液氮噴淋;以超低溫切削黑色金屬。也同樣取得一定的效果,最近有人認(rèn)為含一定量硼的金剛石有可能切削黑色金屬,總之在不久的將來,是有可能會有所突破的。
超硬材料涂層的切削工具出現(xiàn)比陶瓷涂層的早,但仍有許多問題待解決,特別是粘接力的強弱,它直接影響到切削工具的壽命。在陶瓷涂層的方面也有這類問題的發(fā)生,如切削工具在涂前的潔凈處理;又如切削工具的刃磨中,不容許刃口退火,不容許留有毛刺,也有采用多涂層的辦法來解決,但是在超硬涂層方面還有待新的發(fā)展。
陶瓷涂層技術(shù)的誕生,是切削工具材料的重大發(fā)展,而超硬材料涂層的再次突破,使幾乎所有的切削工具向更理想的領(lǐng)域靠攏。
PCD和PCBN是當(dāng)前應(yīng)用比較普遍的切削工具,其技術(shù)的發(fā)展仍然受到重視,比如國外的產(chǎn)品,在制造中,用電火花線切割將坯料直接切成規(guī)定的形狀,但是國產(chǎn)的坯料只能先將其硬質(zhì)合金部分切開,然后切其余部分。一般這類切削工具所能達到的表面粗糙度較低,而應(yīng)用美國GE公司的細(xì)粒度刀片,則可以接近鏡面,主要原因是晶粒粒徑超細(xì)化。其界面增大,能獲得更平滑的切削刃。
厚膜金剛石的合成是一次切削工具材料的突破,它的出現(xiàn)將會更多地提供取代當(dāng)前超精密加工領(lǐng)域中應(yīng)用的天然金剛石的可能性,這不僅因為它的性能與天然金剛石接近,而且它的成本低。對金剛石礦藏稀少的國家來說,展示了很好的前景。金剛石沉積的基體在沉積之前,須經(jīng)過認(rèn)真的清洗。如果是硬質(zhì)合金,一般采用的是鈷基硬質(zhì)合金,它影響金剛石合成時的核發(fā)生密度,密度低,的則沉積質(zhì)量明顯差,涂層的粘接力就低。所以必須采取腐蝕的辦法去除表層的鈷。
因為鈷在和基材的界面上沉積時,會生成石墨等非金剛石物質(zhì)和氣孔。很多碳擴散在鈷中,又會成為界面上龜裂生成原因。含鈷的WC燒結(jié)的熱膨脹系數(shù)為5×10-6/——6×10-6/℃,比金剛石的3.1×10-6/℃大,所以℃合成時,冷卻到常溫,又會成為產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因。從這些情況分析,要提高含鈷的硬質(zhì)合金上沉結(jié)金剛石的粘結(jié)力,仍然是一個值得探索的課題。最近日本東京工業(yè)大學(xué)吉川昌范教授提出,采用放電燒結(jié)法,可能制造出不含鈷的WC粉末燒結(jié)體,使其沉積的粘結(jié)力明顯提高,并且其沉積的金剛石粒徑也小,這都表明沉積的技術(shù)正在向更高層次發(fā)展。
人工合成大顆粒單晶金剛石業(yè)已突破,但成本仍然很高,還有待發(fā)展?傊,超硬材料的發(fā)展必將引發(fā)機械制造的巨大變革,對21世紀(jì)無疑將會作出更大的貢獻。