PCD刀具和PCBN刀具的区别：金刚石工具
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。
PCD 和PCBN 超硬刀具应用与研究现状浅
文章编号：2095-6835（2022）24-0154-05PCD和PCBN超硬刀具应用与研究现状浅析＊郭永刚1，2，3，吕志1（1.河南工业大学机电工程学院，河南郑州450001；2.汽车复合材料河南省工程实验室，河南郑州450001；3.河南省碳纤维复合材料国际联合实验室，河南郑州450001）摘要：随着现代集成制造系统的问世及切削速度不断加快，对刀具性能提出更高的要求，切削刀具逐步向高效加工、硬加工、干式加工、超精密加工和加工新型难加工材料等方向发展。
开发高耐磨、长寿命、高稳定的超硬切削刀具是必然趋势。
人造聚晶金刚石（PCD）刀具与聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具在生产实际中能加工出常规切削加工达不到的尺寸精度和表面粗糙度，是实现精密和超精密加工的关键。
对PCD和PCBN刀具进行了介绍，并分析了其应用领域和研究现状。
关键词：超硬刀具；超精密加工；精密加工；PCD中图分类号：TG711文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2022.24.0441超硬刀具概述超硬刀具主要指金刚石和立方氮化硼（CBN）刀具，其中又以人造聚晶金刚石（Polycrystalline Diamond，PCD）和聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN）刀具的应用最为广泛。
超硬刀具具有极高的硬度和耐磨性，并且热稳定性高，常用于加工一些难以切削的工程材料。
制造超硬刀具的材料主要包括天然和人造单晶金刚石、人造聚晶金刚石、CVD金刚石及聚晶立方氮化硼[1]。
在现代高端制造业中，超硬刀具因其无可比拟的硬度、热稳定性和化学稳定性，越来越被人们所重视，各个国家更是不遗余力地进行研究和发展。
超硬刀具的研究和发展水平正逐步成为衡量一个国家制造业发展水平的一项重要指标。
1.1聚晶金刚石刀具（PCD）PCD刀具是由聚晶金刚石刀尖和硬质合金基体经高温高压烧结而成。
这既能发挥金刚石高硬度、高导热系数、低摩擦系数、低热膨胀系数、与金属和非金属亲和力小、弹性模量高、无解理面、各向同性等众多优点，又兼顾了硬质合金的高强度[2]。
PCD和PCBN刀具制造及应用
PCD和PCBN刀具制造及应用文/贺献宝、高文生河南省机械工程学会李鸿基河南省生产力促进中心PCD（金刚石复合片）和PCBN（立方氮化硼复合片）刀具是在上世纪七十年代发展起来的新型超硬复合材料加工刀具。
金刚石复合片和立方氮化硼复合片因都采用硬质合金作衬底材料，有效降低了人造金刚石或立方氮化硼的使用量，具有可焊接性，兼具高硬度和高抗弯强度（金刚石的抗弯强度为210～490MPa，而PCD的抗弯强度可达1，500MPa），能承受一定的冲击载荷，因而在日益追求高速切削、高精度切削的今天，必然地得到越来越多的刀具用户和刀具生产厂家的青睐。
在切削加工方面正发挥着越来越多的重要作用。
目前已有基本替代金刚石聚晶、立方氮化硼聚晶刀具的趋势。
金刚石复合片(PCD )、立方氮化硼复合片(PCBN)是在超高压高温下，利用少量粘结剂，把细粒度超硬材料聚结成无气孔、密实的多晶层；同时，使得超硬材料和硬质合金两层材料既致密又牢牢地“复合”、粘结为整体的超硬复合材料。
在“复合”、粘结的过程中，利用了多晶层粘结剂元素、超硬材料元素（C或N、B，其中B扩散性较小）、硬质合金衬底中成分（主要为Co，W元素扩散性较小）的互换性，产生了粘结、反应、“扎钉”、机械镶嵌等作用。
在这个过程中，受冷收缩系数要相互接近，硬质合金要二次液相烧结，元素要扩散，造成适宜的成份各材料相或其组分团的梯度。
PCD和PCBN刀具制造，要经过对片基的切割、刀头磨削、焊接、焊接后磨削等多道加工工序才能完成。
1.PCD、PCBN的切割、磨削用于刀具制造的金刚石复合片、立方氮化硼复合片一般是由圆片基材切割加工而成的，当然也可以直接烧结合成出来，尤其是长、宽尺寸差别不大的长方形、圆形等。
刀具用复合片形状有圆形、半圆形、扇形（450、600、900即1/4圆形）、以及长方形等。
经切割加工或直接合成出的复合片刀（头）坯，在固定到刀体之前需要适当磨削加工，主要是针对衬底底面（为使焊接时接触平整、粘结牢固）和非刀刃面（主要是为了美观），一般可手工研磨，也可用金刚石砂轮粗磨。
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。
金刚石刀具的优点和缺点
CVD金刚石厚膜(TDF)焊接刀具：金刚石厚膜焊接刀具是把激光切割好CVD金 刚石厚膜一次焊接至基体(通常为K类硬质合金)上，形成复合片，然后抛光复 合片，二次焊接至刀体上，刃磨成需要的形状和刃口。如图3(a)所示，为CVD 金刚石厚膜(金刚石膜厚度达30μm)，具有硬度高、耐磨损、摩擦系数小等特 点，是制造切削有色金属和非金属材料刀具的理想材料。 金刚石涂层刀具：金刚石涂层刀具是用CVD法直接在硬质合金(K类硬质合金) 或陶瓷等基体上沉积一层1～25μm金刚石薄膜，无解理面各向同性。薄膜涂 层刀具硬度达9800～10000HV。热导率高，室温下导热系数高达2000W/m·K， 而硬质合金刀具导热系数仅为80～100W/m·K。CVD方法金刚石可以涂层到 任何复杂形状的刀具上，这是聚晶金刚石无法拥晶金刚石(PCD)刀具
金刚石刀具
人造聚晶金刚石复合片(PDC)刀具
CVD金刚石厚膜(TDF)焊接刀具 金刚石涂层刀具
天然金刚石(ND)刀具：天然金刚石是目前已知矿物中最硬的物质，主要用 于制备刀具车刀。天然金刚石刀具精细研磨后刃口半径可达0.01～ 0.002μm。其中天然单晶金刚石(Single Crystalline Diamond，SCD)刀具切削 刃部位经高倍放大1500倍仍然观察到刀刃光滑。SCD车削铝制活塞时Ra可 达到4μm，而在同样切削条件下用PCD刀具加工时的表面粗糙时的Ra 为 15～50μm 。采用SCD刀具配合精密车床迚行精密和超精密加工，可获得 镜面表面。 聚晶金刚石(PCD)刀具：PCD是高温超高压条件下通过钴等金属结合剂将金 刚石微粉聚集烧结合成的多晶体材料，又称烧结金刚石。聚晶金刚石刀具 整体烧结成铣刀，用于铣削加工，PCD晶粒呈无序排列状态，属各向同性， 硬度均匀，石墨化温度为550℃。刀具具有高硬度、高导热性、低热胀系数、 高弹性模量和低摩擦系数。刀刃非常锋利等特点。 人造聚晶金刚石复合片(PDC)刀具：为提高PCD刀片的韧性和可焊性，常将 PCD与硬质合金刀体做成人造聚晶金刚石复合刀片(PDC)。即在硬质合金基 底其表面压制一层0.5～1mm厚的PCD烧结而成。复合刀片的抗弯强度与硬 质合金基本一致，硬度接近PCD，故可以替代PCD使用。
超硬刀具种类有哪些及特点【详细版】
随着现代工程材料加工在硬度方面的要求越来越高，刀具的硬度也越来越高了，更多的超硬刀具应用而生。
超硬刀具主要应用于切削种淬硬钢，包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等，或切削各种铁基、镍基、钴基和其他热喷涂(焊)零件。
不过，切割不同的材料会有不同的超硬刀具，所以了解清楚超硬刀具的分类是非常重要的。
(1) PCD金属切削刀具刀具种类：以车刀为例，其它还有铣刀，铰刀，镗刀。
结构形式：此类刀具从结构上主要可分为焊接式PCD刀具和可转位式PCD刀具。
式PCD刀具同普通硬质合金焊接刀具结构形式是一样的。
不同的是刃口材质不一样，几何参数不一样，加工对象不一样。
可转位式PCD刀片是在硬质合金可转位刀片上焊接一小块PCD刀坯再经刃磨而成，可装夹在与之对应的高精度刀杆上，进行高效，大批量加工。
随着数控机床、自动生产线的普及，可转位式PCD刀片的使用将越来越广泛，在一定条件下，其刀具耐用度较硬质合金刀具可提高几十倍至几百倍。
刀具几何参数：金刚石切削工具的几何参数一般其前角为0°-5°，后角为5°～12°，其端部有两种，一是圆弧，另一为直线，后者有时称为修光刃，其长度根据被加工材料来选择。
圆弧车刀在切削过程中的调整比较简单，而平刃的调整相对而言是很费时的。
如果应用在高精度的曲面加工中，圆弧的刃磨要求就很严格，它精度的优劣会复印在曲面上。
典型应用有色金属的高速、高稳定性、低粗糙度加工及镜面加工采用PCD刀具加工有色金属时，由于金刚石硬度高，表面与金属亲合力小，因此加工尺寸稳定性及表面质量都很好，刀具寿命也较长。
(2) PCD木工刀具PCD木工刀具目前最主要的用途就是加工强化木地板。
在加工强化木地板Al2O3耐磨层时，切削速度可达3,000m/min, ，进给量可达每分钟20米，且加工时噪音小，PCD刀具耐用度是硬质合金刀具的200倍以上，已完全取代硬质合金刀具。
其它PCD木工刀具主要有PCD 锯片和PCD家具成形铣刀等。
如何正确合理使用PCD和PCBN
如何正确合理使用PCD和PCBNPCD（聚晶金刚石）和PCBN（立方氮化硼）是现代切削工具中非常重要的两种超硬材料。
它们在加工高硬度材料、高温合金和难加工材料方面具有重要的应用价值。
正确和合理利用PCD和PCBN材料，可以显著提高加工效率、降低成本和改善加工表面质量。
本文从选择合适的材料、优化工艺参数和正确维护刀具等方面介绍如何正确合理使用PCD和PCBN。
一、选择合适的材料正确选择PCD和PCBN材料是使用的关键。
在选择时需要考虑工件材料、切削条件、切削耐力和加工表面质量要求等因素。
1.工件材料PCD材料适合用于加工铝合金、铜合金、铸铁等非铁系金属材料，而PCBN材料主要应用于加工高硬度材料、高温合金和铸铁等铁系材料。
2.切削条件根据切削条件选择合适的PCD和PCBN材料。
例如，在高速切削（速度大于500 m/min）和干切削条件下，PCD材料能够更好地发挥其优势。
而在低速切削和液冷切削条件下，PCBN材料更为适用。
3.切削耐力根据工件材料的硬度和切削耐力要求选择合适的PCD和PCBN材料。
一般来说，若要加工硬度较低的材料，选择PCD材料;若要加工硬度较高的材料，选择PCBN材料。
4.加工表面质量要求根据加工表面质量要求选择合适的PCD和PCBN材料。
例如，若要求加工表面精度高、光洁度好，选择PCD材料。
若要求加工表面耐磨性好、使用寿命长，选择PCBN材料。
二、优化工艺参数正确调整工艺参数可以提高切削效率、延长刀具寿命和改善加工表面质量。
1.切削速度根据材料的硬度选择合适的切削速度。
一般来说，PCD和PCBN材料的切削速度较高。
但需要注意切削速度过高会导致刀具受热过度，影响刀具寿命。
2.进给量根据材料的硬度选择合适的进给量。
一般来说，对于硬度较低的材料，可以适当增大进给量，提高切削效率。
对于硬度较高的材料，应适当降低进给量，保证加工质量。
3.切削深度根据材料的硬度选择合适的切削深度。
一般来说，对于硬度较低的材料，可以适当增大切削深度，提高切削效率。
PCD﹑PCBN刀具材料及刀具涂层
PCD﹑PCBN刀具材料及刀具涂层（一）PCD二十世纪七十年代，人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石（PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。
金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。
金刚石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决定的。
在金刚石晶体中，碳原子的四个价电子按四面体结构成键，每个碳原子与四个相邻原子形成共价键，进而组成金刚石结构，该结构的结合力和方向性很强，从而使金刚石具有极高硬度。
由于聚晶金刚石（PCD）的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。
但由于PCD烧结体表现为各向同性，因此不易沿单一解理面裂开PCD刀具材料的主要性能指标：①PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的80～120倍；②PCD的导热系数为700W/mK，为硬质合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和铜，因此PCD刀具热量传递迅速；③PCD的摩擦系数一般仅为0.1～0.3（硬质合金的摩擦系数为0.4～1），因此PCD刀具可显著减小切削力；④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10 -6～1.18×10 -6，仅相当于硬质合金的1/5，因此PCD刀具热变形小，加工精度高；⑤PCD 刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。
PCD刀具的应用: 工业发达国家对PCD刀具的研究开展较早，其应用已比较成熟。
自1953年在瑞典首次合成人造金刚石以来，对PCD刀具切削性能的研究获得了大量成果，PCD刀具的应用范围及使用量迅速扩大。
目前，国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国De Beers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。
据报道，1995年一季度仅日本的PCD刀具产量即达10.7万把。
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伴,突然闻到了熟悉的味道,唉,第一次听你的声音,那么
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刚石晶体状态决定的。在金刚石晶体中，碳原子 的四个价电子按四面体结构成键，每个碳原子与 四个相邻原子形成共价键，进而组成金刚石结构， 该结构的结合力和方向性很强，从而使金刚石具
有极高硬度。由于聚晶金刚石（PCD）的结构是 取向不一的细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结 合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由 于 PCD 烧结体表现为各向同性，因此不易沿单一
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仅相当于硬质合金的 1/5，因此 PCD 刀具热变形 小，加工精度高；⑤PCD 刀具与有色金属和非金 属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易 粘结在刀尖上形成积屑瘤。 PCBN 刀具既立方氮化
硼刀具,立方氮化硼 CBN(CubicBoronNitride)是 20 世纪 50 年代首先由美国通用电气(GE)利用人 工方法在高温高压条件下合成的，其硬度仅次于 金刚石而远远高于其它材料，因此它与金刚石统
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以超硬材料为代表的时期。二十世纪七十年代， 人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石（PCD）， 解决了天然金刚石数量稀少、昂贵的问题，使金 刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、
电子、石材等多个领域。PCD 刀具的性能特点金 刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐 磨性好等特性，可在高速切削中获得很高的加工 精度和加工效率。金刚石刀具的上述特性是由金
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解理面裂开。PCD 刀具材料的主要性能指标：
PCD 的硬度可达 8000HV，为硬质合金的 80～ 120 倍；②PCD 的导热系数为 700W/mK，为硬质合 金的 1.5～9 倍，甚至高于 PCBN 和铜，因此 PCD
刀具热量传递迅速；③PCD 的摩擦系数一般仅为 0.1～0.3（硬质合金的摩擦系数为 0.4～1），因 此 PCD 刀具可显著减小切削力；④PCD 的热膨胀 系数仅为 0.9×10-6～1.18×10-6，
pcd 刀具既聚晶金刚石刀具
聚晶金刚石（PCD）刀具概述 PCD 刀具的发 展金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加 工已有数百年历史。在刀具发展历程中，从十九
世纪末到二十世纪中期，刀具材料以高速钢为主 要代表； 1927 年德国首先研制出硬质合金刀具材 料并获得广泛应用；二十世纪五十年代，瑞典和 美国分别合成出人造金刚石，切削刀具从此步入
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CBN 烧 结 体 聚 晶 立 方 氮 化 硼 PCBN(PolycrystallineCubicBoronNitride)。从 此， PCBN 以它优越的切削性能应用于切削加工的 各个领域，尤其在高硬度材料、难加工材料的切
削加工中更是独树一帜。经过 30 多年的开发应 用，现在已出现了用以加工不同材料的 PCBN 刀 具材质。
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称为超硬材料。CBN 具有较高的硬度、化学惰性 及高温下的热稳定性，因此作为磨料 CBN 砂轮广 泛用于磨削加工中。由于 CBN 具有优于其它刀具 材料的特性，因此人们一开始就试图将其应用于
切削加工，但单晶 CBN 的颗粒较小，很难制成刀 具，且 CBN 烧结性很差，难于制成较大的 CBN 烧 结体，直到 20 世纪 70 年代，前苏联、中国、美 国、英国等国家才相继研制成功作为切削刀具的