硬材料加工技术之立方氮化硼刀具和金刚石刀具知识
四大材料刀具的性能与选择
四大材料刀具的性能与选择刀具材料的发展对切削技术的进步起着决定性的作用。
本文介绍了切削中所使用的金刚石、聚晶立方氮化硼、陶瓷、硬质合金、高速钢等刀具材料的性能及适用范围。
刀具损坏机理是刀具材料合理选用的理论基础，刀具材料与工件材料的性能匹配合理是切削刀具材料选择的关键依据，要根据刀具材料与工件材料的力学、物理和化学性能选择刀具材料，才能获得良好的切削效果。
就活塞在切削加工时的刀具材料选用作了阐述。
高速钢：活塞加工中铣浇冒口、铣横槽及铣膨胀槽用铣刀，钻油孔用钻头等都为高速钢材料。
硬质合金：YG、YD系列硬质合金刀具被广泛应用于铝活塞加工的各个工序中，特别是活塞粗加工和半精加工工序。
立方氮化硼：立方氮化硼刀具被用于镶铸铁环活塞的车削铸铁环槽工序中。
同时也应用于活塞立体靠模的加工中。
金刚石：金刚石刀具可利用金刚石材料的高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数实现有色金属及耐磨非金属材料的高精度、高效率、高稳定性和高表面光洁度加工。
在切削铝合金时，PCD刀具的寿命是硬质合金刀具的几十倍甚至几百倍，是目前铝活塞精密加工的理想刀具，已经应用于精车活塞环槽、精镗活塞销孔、精车活塞外圆、精车活塞顶面及精车活塞燃烧室等精加工工序中。
刀具材料性能的优劣是影响加工表面质量、切削加工效率、刀具寿命的基本因素。
切削加工时，直接担负切削工作的是刀具的切削部分。
刀具切削性能的好坏大多取决于构成刀具切削部分的材料、切削部分的几何参数及刀具结构的选择和设计是否合理。
切削加工生产率和刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面质量的优劣等等，在很大程度上都取决于刀具材料的合理选择。
正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一。
每一品种刀具材料都有其特定的加工范围，只能适用于一定的工件材料和切削速度范围。
不同的刀具材料和同种刀具加工不同的工件材料时刀具寿命往往存在很大的差别，例如：加工铝活塞时，金刚石刀具的寿命是YG类硬质合金刀具寿命的几倍到几十倍；YG类硬质合金刀具加工含硅量高、中、低的铝合金时其寿命也有很大的差别。
立方氮化硼刀具(CBN刀片)资料大全
推荐刀具牌号
高硬度铸铁 （硬度：HRC3568） 硬钢 （硬度≥HRC45）
粗加工 精加工 粗加工 精加工 粗加工 精加工
BN-K1 BN-K10 BN-S10，BN-S20 BN-S200，BN-H10， BN-H11，BN-H20， BN-H21 BN-S30，BN-S300 BNK30，BN-K10
02
剥落
铣削钢和铸铁端面时，在前刀面上常出现 的贝壳状剥落。出现此类情况，可通过提 高切削速度、降低进给量，使用有负倒棱、 刃口经过钝化处理的刀片。
03
碎断
断续切削工件时常发生的破损形式，这是由 于断续切削高硬度工件时冲击载荷过大、短 时间切削后即发生的早期破损，虽然切削条 件适当，但切削较长时间后，没有及时换刀， 由于刀具材料疲劳就发生了大块的断裂。
汽 车 行 业
02
CBN刀具的应用
重载切削
高速切削
CBN刀具 的应用
以车代磨
干式切削
3
CBN刀具的切削参数
常规切削参数 华菱超硬CBN刀具切削参数 切削公式
03
CBN刀具的切削参数
常ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ切削参数
粗加工时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度，故一般优先选择尽可能大的切削深 度ap，其次选择较大的进给量f，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度。精加工时，首先应 保证工件的加工精度 和表面质量要求，故一般选用较小的进给量f和切削深度ap，而尽可能选用较高 的切削速度υ c。 加工材质 硬铸铁 灰铸铁 淬火钢 耐热合金 切削速度 Vc（m/min） 70 ～ 150 400 ～ 1000 60 ～ 140 100 ～ 240 进给量 Fr（mm/r） 0.15 ～ 0.5 0.15 ～ 0.5 0.15 ～ 0.5 0.05 ～ 0.3 吃刀深度 ap（mm） 0.12 ～ 2.0 0.12 ～ 2.0 0.2 ～ 2.5 0.1 ～ 2.5
聚晶金钢石与立方氮化硼刀具的制造技术
聚晶金钢石与立方氮化硼刀具的制造技术t 张竞敏 黄文浩 朱仁芝一、引言超硬刀具材料是指比陶瓷材料更硬的刀具材料。
包括:单晶金刚石、聚晶金刚石(PC D)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和C VD 金刚石。
其中PCD 和PCB N 刀具已广泛应用于机械加工的各个行业,极大地促进了高速切削加工及先进制造技术的飞速发展,权威机构甚至用这种刀具的应用比例来衡量一个国家加工技术的先进程度。
PCD 与PCB N 具有很高的硬度和耐磨性,其刀具制造过程与传统的硬质合金刀具有很大的区别,为促进刀具的推广和使用,研究其刀具的制造技术就显得十分必要。
大多数情况下,PCD 与PCBN 都烧结在硬质合金基体上,统称为复合片。
它们的刀具制造过程也基本一样,包括材料切割-抛光-焊接-刃磨-检验等,本文分工序讨论了其刀具的制造过程。
二、材料切割商品的复合片一般为直径50~75mm 的大圆片,需要通过切割得到所需要的形状,精确的切割还可以减少磨削量.由于磨削复合片时砂轮损耗极大,减少磨削量对于降低制造成本非常有意义。
切割设备一般采用普通电火花线切割机,高精度切割时,采用慢走丝线切割机床。
有些立方氮化硼材料(如De Beers 的AMB90)由于不导电,还需采用激光切割。
三、抛光抛光的目的是把刀片的上表面(即刀具的前刀面)抛光成镜面,一般要求达到Ra 0.02um 以下。
刀具前刀面抛光后可以减少切屑与前刀面的摩擦与粘结,延长刀具寿命;同时还可以改善刀刃的平整度与锋利性,提高切削加工的精度。
复合片的抛光使用专门的抛光机,其原理如图1所示。
一方面砂轮高速旋转做主运动,同时被抛光的刀片低速转动。
一般抛光一块片子的时间为1.5~2h 。
为了增加效率,抛光机上有多个保持盘,每个保持盘可夹持多个刀片,从而实现几十片刀片同时抛光。
四、焊接复合片的衬底是硬质合金,刀片焊接实际上是焊接硬质合金。
但需要注意的是,金刚石在高温下会氧化和变质,焊接温度要控制在700e 以下,一般选用银基焊料和与之相适应的焊剂。
超硬质合金材料——金刚石与立方氮化硼
%&’ 热压工艺示意图
"
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
加压过程中的压力与升压、 终压有所不同， 叶蜡石 图/所 腔体中的压力与顶锤部的压力也不一样， 图 .、 示的压力是指顶锤部的压力。 温度是腔温。 时间是加热 时间、 保温时间与降温时间等过程的总和。对于各种压 机， 这些参数将有所不同， 本文给出的数据只是一个大 概的数字。 还有 “ 爆炸法” ， 在容器中利 类似热压法制造 !"#， 用炸药爆炸产生高温高压， 而使石墨转化为金刚石。爆 炸法的工艺和产品质量均不易控制， 故很少正式使用。
图!
"#$ 金刚石厚膜刀片形成示意图
膨胀率稍高。人造 #BA 金刚石的各种性能则介于 %A 与 3#A 之间， 更接近于天然金刚石。例如， 天然金刚石 的 硬 度 达 /1111CB， 3#A 约 为 )111CB， #BA 金 刚 石 可 达 <111CB。
是纯铝的 ) #$% 的热导率分别是紫铜的 & 倍和 ’(& 倍， 倍和 & 倍。硬质合金的热导率仅为 ’&*+&, ・ -・ 0 。
（ -,$） "* 等 + 压制 ",$ 单晶粉的原料为六方氮化硼 同时需分 粉； 压制 !",$ 聚晶片的原料为 ",$ 单晶粉， 别置入触媒剂与结合剂。热压工艺示意图见图 .、 图 /。 其压力、 温度及加压时间均列于图中。
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（ 3 ）压单晶 金刚石单晶粉
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金刚石刀具知识点
⾦刚⽯⼑具知识点⼑具基础知识⼀、⼑具材料应具备的性能；A，⾼的硬度和⾼耐磨性1.硬度是⼑具材料应具备的基本特性2.耐磨性是指材料抵抗磨损的能⼒。
B，⾜够的强度和韧性1.强度是⼑具材料抵抗破坏的能⼒2，韧性是指材料发⽣断裂时外界做功的⼤⼩。
3.⾼的耐热性和热传性4.良好的⼯艺性和经济性1）切削性能⽬前⼑具材料分四⼤类：⼯具钢、硬质合⾦、陶瓷及超硬⼑具材料等。
常⽤的⼑具材料⼀、⼯具钢1. 碳素⼯具钢碳素⼯具钢是含碳量为0.65％～1.3％的优质碳素钢。
常⽤的钢号有T7A、T8A等。
耐热温度：200℃～300℃。
2. 合⾦⼯具钢1868年，英国的穆舍特制成含钨的合⾦⼯具钢。
在碳素⼯具钢中加⼊适当的元素铬（Cr）、硅常⽤的合⾦⼯具钢有9CrSi，CrWMn等（Si）、锰（Mn）、钒（V）、钨（W）等炼成的。
耐热温度：325℃～400℃。
主要⽤于制造细长的或截⾯积⼤、刃形复杂的⼑具。
⼆，⾼速钢⾼速钢是⼀种富含钨（W）、铬（Cr）、钼（Mo）、钒（V）等元素的⾼合⾦⼯具钢。
美国的F.W.泰勒和M.怀特于1898年创制的。
含碳量⼀般在0.70～1.65％之间。
耐热温度：500℃～650℃。
⾼速钢的抗弯强度是硬质合⾦的3～5倍，冲击韧性是硬质合⾦的6～10倍1.普通⾼速钢（HSS）2.钨系⾼速钢：W18Cr4V (W18)3.具有较好的综合性能，可制造复杂刃型的⼑具。
但由于钨是稀有⾦属，现在很少使⽤。
4.钨钼系⾼速钢：W6Mo5Cr4V2 (M2)5.M2的碳化物颗粒⼩，分布均匀，具有较⾼的抗弯强度、塑性、韧性和耐磨性。
⼜因为钼的存在，使其热塑性⾮常好。
2. ⾼性能⾼速钢（HSS-E）⾼性能⾼速钢是在普通⾼速钢中增加⼀些碳、钒及添加钴（Co）、铝等元素的新钢种。
钴⾼速钢：W2Mo9Cr4VCo8 (M42)⼀种含钴的超硬⾼速钢，常温硬度67HRC-69HRC，具有良好的综合性能。
铝⾼速钢：W6Mo5Cr4V2Al在M2的基础上加Al、增C，提⾼了钢的耐热性和耐磨性。
一篇文章让你读懂立方氮化硼刀具的性能优势及加工领域
一篇文章让你读懂立方氮化硼刀具的性能优势及加工领域随着现代技术和切削技术的不断发展，很多刀具材料相继出现，刀具发展由高速钢刀具—硬质合金刀具—吐涂层硬质合金刀具—陶瓷刀具—立方氮化硼刀具。
其中立方氮化硼刀具1970年开始使用于切削刀具，并且由于其良好的加工性和可高速切削的性能，使之成为加工高硬度难加工材料的手选择刀具材料。
接下来就具体介绍一下立方氮化硼刀具的性能优势及加工领域。
一、立方氮化硼刀具的性能（1）硬度高，耐磨性好：立方氮化硼刀具的硬度仅此与金刚石刀具，和金刚石刀具统称为超硬刀具。
由于其较高的硬度也使立方氮化硼刀具具有良好的耐磨性。
（2）具有很高的热稳定性：耐热性可达1400℃～1500℃，比金刚石的耐热性(700℃～800℃)高出一倍，是刀具材料中耐热性最高的，故可加工高温合金材料。
（3）具有很好的化学稳定性：与铁系材料到1200℃～1300℃不起化学作用。
（4）良好的导热性：CBN的导热系数(79.54 W/m.k)仅次于金刚石(146.5 W/m.k)，随着切削速度的提高，CBN的导热系数也逐渐增高。
这有利于降低切削区的温度而减少扩散磨损。
二、立方氮化硼刀具的分类立方氮化硼刀具分为整体聚晶立方氮化硼刀具和焊接式立方氮化硼刀具。
整体聚晶立方氮化硼刀具是通体都是一种牌号—立方氮化硼，此刀片中间没有孔，属于机夹可转位刀具,需专门配置刀杆；二焊接式立方氮化硼刀具是只有刃口部位是立方氮化硼材料，基体是硬质合金材质。
此类中间有中心孔，其配备刀杆和硬质合金刀具的刀杆通用。
三、立方氮化硼刀具的应用随着切削技术的不断发展，立方氮化硼刀具广泛应用于高硬度难加工材料的加工。
（1）立方氮化硼刀具可以车代磨，硬车削高硬度难加工材料由于立方氮化硼刀具具有较高的硬度和耐磨性，红硬性。
所以采用华菱超硬整体聚晶立方氮化硼刀具可以车代磨硬车削高硬度难加工材料。
（2）高速切削随着现代技术的发展，由于部分工件如汽车零部件刹车盘、制动鼓均属于批量生产，由数控车床铸件替代普通车床加工刹车盘、制动鼓。
立方氮化硼刀具材料
立方氮化硼刀具材料。
立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料,是20世纪50年代末用制造金刚石相似的方法合成的第二种超材料——CBN 微粉。
立方氮化硼(CBN)是硬度仅次于金刚石的超硬材料。
虽然CBN的硬度低于金刚石,但其氧化温度高达1360℃ ,且与铁磁类材料具有较低的亲和性。
因此,虽然目前CBN还是以烧结体形式进行制备,但仍是适合钢类材料切削,具有高耐磨性的优良刀具材料。
CBN具有高硬度、高热稳定性、高化学稳定性等优异性能,因此特别适合加工高硬度、高韧性的难加工金属材料。
PCBN刀具是能够满足先进切削要求的主要刀具材料,也是国内外公认的用于硬态切削,高速切削以及干式切削加工的理想刀具材料。
PCBN刀具主要用于加工淬硬钢、铸铁、高温合金以及表面喷涂材料等。
国外的汽车制造业大量使用PCBN刀具切削铸铁材料。
PCBN刀具已为国外主要汽车制造厂家各条生产线上使用的新一代刀具。
陶瓷刀具。
与硬质合金相比,陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。
因此,加工钢材时,陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的10～20倍,其红硬性比硬质合金高2～6倍,且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。
陶瓷刀具材料的强度低、韧性差,制约了它的应用推广,而超微粉技术的发展和纳米复合材料的研究为其发展增添了新的活力。
陶瓷刀具是最有发展潜力的高速切削刀具,在生产中有美好的应用前景,目前已引起世界各国的重视。
在德国约70%加工铸件的工序是用陶瓷刀具完成的,而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%～l0%。
涂层刀具。
涂层材料的发展,已由最初的单一TiN涂层、TiC涂层,经历了TiC-112o3-TiN 复合涂层和TiCN、TiA1N等多元复合涂层的发展阶段,现在最新发展了TiN/NbN、TiN/CN,等多元复合薄膜材料,使刀具涂层的性能有了很大提高。
硬质涂层材料中,工艺最成熟、应用最广泛的是TiN。
(氮)化钛基硬质合金(金属陶瓷)金属陶瓷与由WC构成的硬质合金不同,主要由陶瓷颗粒、TiC和TiN、粘结剂Ni、Co、Mo等构成。
金刚石等超硬磨料知识
金刚石等超硬磨料知识1. 超硬磨料概述超硬磨料是指磨料颗粒硬度超过10000克法力的磨料，具有高硬度、高熔点、耐磨损等特点。
目前市场上比较常用的超硬磨料主要包括金刚石、CBN（立方氮化硼）等。
2. 金刚石磨料金刚石磨料，即人工合成金刚石微粉。
它具有高硬度、高热稳定性和化学稳定性，是目前公认的最优秀的超硬磨料之一。
2.1 金刚石磨料的制备方法金刚石磨料的制备方法主要包括高温高压法和高温热解法两种。
2.1.1 高温高压法高温高压法是指在高温高压下，使用金属催化剂和碳源催化石墨向金刚石转变而制备金刚石磨料的方法。
这种方法能够制备出质量优异、颗粒分布均匀、成本较低的金刚石磨料。
2.1.2 高温热解法高温热解法是指将经过粉碎和筛分的金刚砂或钻粉，置于高温下放置一定时间后热解成金刚石微粉的方法。
这种方法制备的金刚石微粉颗粒形态较好，但成本较高。
2.2 金刚石磨料的应用金刚石磨料主要应用于硬质合金、陶瓷、玻璃、石英等硬度较高的材料的加工中，特别是在轴承、气动元件等领域有广泛的应用。
3. CBN磨料CBN磨料（立方氮化硼）是一种以氮化硼为主要结构的超硬磨料，由于其与金刚石类似的物理特性和更优越的化学稳定性，被誉为“第二种金刚石”。
3.1 CBN磨料的制备方法CBN磨料的制备方法主要包括静压法和热解法两种。
3.1.1 静压法静压法是指将CBN微粉与金属粉末均匀混合，放入模具中，在1200℃左右温度下，通过机械、静压等方式，使之热成型成块状，再通过高温处理成为CBN磨料。
这种方法可以制备出大块状和块状的CBN磨料。
3.1.2 热解法热解法是指将硝酸钨和氮化硼等材料充分混合后，在气氛下热解成立方氮化硼的方法。
这种方法可以制备出细粒、均匀分布的CBN磨料。
3.2 CBN磨料的应用CBN磨料主要针对加工难度较高的材料进行加工，如高速钢、冷却硬化工具钢、航空发动机的叶片等。
由于CBN磨料对钢铁材料的切削性能较好，因此在制造航空、航天、汽车、工具等领域都有着广泛的应用。
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世界刀具材料市场占比及变化
刀具材料占比及变化
高速、高效，高硬度 加工的需求铸就了超 硬刀具令人炫目的增 长率！
超硬刀具市场前景
PCBN刀具2010年市场规模近100亿元人民币
刀具的加工方式种类及占比
华菱公司发展历程
2002年，河南超硬材料研究所创立，主要以立方氮化硼刀具、高品级金刚石为研究方向。 有博导2人、教授3人、副教授5人、研发博士、硕士12人；拥有六面顶高压设备及激光 热导率仪等多台大型设备，总价值1800余万元。 2003年末期，针对高铬白口铸铁、冷硬铸铁材质研发出立方氮化硼刀具BN-K1牌号， 2004年，推出针对淬火钢精加工用立方氮化硼刀具BN-H1牌号，在国内焊接复合立方氮 化硼刀具领域一直处于领先地位。 在国内首次提出粗加工用“立方氮化硼整体聚晶刀 片”概念，产品在粗加工高铬白口耐磨铸铁领域取得业界一致认可。并以立方氮化硼 刀具的技术转让和企研合作相结合的模式，对我国超硬材料行业做出了巨大贡献。 2005年，推出淬火钢断续切削用立方氮化硼刀具牌号BN-S10，打破了立方氮化硼刀具不 能用于强断续大余量车削淬硬钢的神话，是立方氮化硼刀具行业的世界性突破！ 2007年针对灰铸铁加工推出立方氮化硼整体聚晶刀片BN-K30牌号，打破了国外立方氮 化硼刀具在高速切削灰铸铁领域的垄断局面！2008年推出高温合金粉末冶金加工专用立 方氮化硼刀具牌号BN-S50。 2009年，针对国内机械加工行业特性，推出了适合低速切削用立方氮化硼刀具牌号BNS20，广泛服务于低速重载型中小企业用户。 2010年，研制出国内首颗1.7克拉重量蓝色宝石级金刚石。至此，共获国家专利25项。 2011年，开始自主研发生产高端聚晶金刚石（PCD）刀具。 2012年，金刚石超薄切割片项目开始上线。 服务宗旨：致力于高硬度切削和高速切削领域完整的产品服务及方案设计； “量体裁 衣”每个用户的加工状况，高效、快速的响应服务，针对性做出最优化的解决方案。
其他难切削材料类：高温合金、粉末冶金等的加 工。
普通灰口铸铁、高牌号球墨铸铁的高速切削。
华菱PCBN刀具在各行业的应用
华菱PCD产品牌号
华菱金刚石刀具牌号有CDW10，CDW20，CDW30；分别 适合精加工，中等精加工和粗加工。
金刚石刀具适合加工材料主要有三大类：非铁基金属材料、 非金属材料和一些复合材料：
刀具）刀具
PCBN刀具硬度及高温红硬性
刀具材料性能对比
刀具材料的高温红硬性
刀具材料的耐磨性能对比
1，CBN刀具是普通硬 质合金刀具耐磨性的 30-50倍，是硬质合金 涂层刀具寿命的5-15倍， 是陶瓷刀具寿命的3-7 倍。
2，由于其硬度和高温 红硬性更能适合加工 高硬度材料和高速切 削。
企业宗旨：诚信立业，质量为本。 服务理念：专业专注，快速响应。
谢谢
郑州华菱超硬材料有限公司 2011年12月
1，非铁基金属： 铝合金、巴氏合金、黄铜合金、铜合金、 铅合金、锰合金、硅铝合金、银、铂、 钨基硬质合金、锌 合金。
2，非金属材料： 氧化铝、石墨、烧结陶瓷、电木、氧化 铍、陶瓷、环氧树脂、玻璃、玻璃陶瓷、橡胶和各种塑料。
3，复合材料： 石棉、环氧玻璃纤维、碳填充材料、尼龙 填充材料、酚类填充材料、聚氯乙烯填充材料、硅酸类填 充材料。
华菱PCD金刚石刀具产品结构
金刚石刀片及成型刀具
华菱超硬品牌及服务宗旨
CBN刀具行业唯一国产化品牌。 硬材料加工行业用户中最知名的刀具品牌 “量体裁衣”式服务。 致力于高硬度切削和高速切削领域完整的
刀具产品及方案设计。 专业、高效。
华菱超硬企业文化
企业愿景：在高速切削和高硬度切削领域， 引领中国刀具行业打造世界知名品牌。
华菱PCBN刀具产品牌号
华菱PCBN刀具产品结构
车削、铣削、镗削刀片及刀具产品
华菱PCBN刀具产品的应用范围
华菱PCBN刀具适合加工材料： 高硬度铸铁/铸钢的加工,如:高铬铸铁、白口铸铁、
镍硬铸铁、耐热耐磨钢的粗车和精车。 热处理后的高硬度工件加工,如:淬硬轴承钢、渗碳
钢、工具钢、模具钢的热后硬车削。