现代刀具材料系列讲座(十一)

4 超硬刀具材料的性能

超硬材料具有优异的机械性能、物理性能和其他性能，其中有些性能很适合于刀具。

4.1 具有很高的硬度

天然金刚石的硬度达10000HV；CBN的硬度达7500HV。与其他硬物质相比，SiC硬度为3000～3500HV，A12O3为2700HV，TiC为2900～3200HV，WC为2000HV，Si3N4为2700～3200HV；作为刀具材料用的硬质合金，其硬度仅为1100～1800HV。

4.2 具有很好的导热性

人然金刚石的热导率达2000W?m-1?K-1，CBN的热导率达1300W?m-1?K-1。紫铜的导热性很好，其热导率仅为393W?m-1?K-1；纯铝为226W?m-1?K-1，故金刚石与CBN的热导率分别是紫铜的5倍和3.5倍，是纯铝的8倍和5倍。硬质合金的热导率仅为35～75W?m-1?K-1。

4.3 具有很高的杨氏模量

天然金刚石的杨氏模量达1000GPa，CBN的杨氏模量在720GPa。而SiC、Al2O3、WC、TiC的杨氏模量仅分别为390、350、650、330GPa。物质的杨氏模量大就是刚性好。

4.4 具有很小的热膨胀

天然金刚石的线膨胀系数为1×10-6/K，CBN的线膨胀系数为(2.1～2.3)×10-6/K。而硬质合金的线膨胀系数为(5～7)×10-6/K。

4.5 具有较小的密度

天然金刚石的密度为3.52g/cm3，CBN的密度为3.48g/cm3。与Al2O3、Si3N4的密度接近。

4.6 具有较低的断裂韧性

天然金刚石的断裂韧性为3.4MPa?m0.5,CBN与之接近。陶瓷刀具材料的断裂韧性在各种刀具材料中是属于较低者，然尚能达7～9MPa?m0.5。故金刚石与CBN性脆，是其弱点。

4.7 化学性质

CBN热稳定性好，在大气中达1300～1500℃不分解。对铁族元素呈惰性；在酸中不受渗蚀，在碱中约300℃时即受浸蚀；与过热的水蒸汽也能起作用。金刚石在常温下化学性质稳定；在氧气中约660℃开始石墨化，铁族元素特别是铁元素能催进石墨化；在酸、碱中都不受浸蚀。

4.8 电学性质

纯净的不含杂质的金刚石是绝缘体，室温下电阻率在1016Ω?cm以上。只有掺人了其他元素后，才显出半导体特性。同Si、Ce、As等半导体材料相比，金刚石具有非常宽的禁带，小的介电常数，高的载电子迁移率，大的电击穿强度，说明金刚石是一种性能优良的宽禁带高温(>500℃)半导体材料。天然金刚石无磁性；人造金刚石中若含有Ni、Co、Fe等触媒杂质，则具有磁性，杂质越多，磁性越强。

4.9 光学性质

金刚石具有很高的折射率和强的散光性，还具有优良的透光性能，能透过很宽的波段。某些金刚石在紫外区、可见区直至远红外区的大部波段(O.22～2.5μm)都是透明的。

以上超硬材料所具备的优异或特异的性能和性质，决定了它们有着广阔用途。

与天然金刚石(ND)相比，人造聚晶金刚石(PCD)的硬度、杨氏模量和热导率稍低，断裂韧性、热膨胀率稍高。人造CVD金刚石的各种性能则介于ND与PCD之间，更接近于天然金刚石。例如，天然金刚石的硬度达10000HV，PCD约为8000HV，CVD金刚石可达9000HV。

5 超硬刀具材料的应用范围

立方氮化硼具有高硬度、高热稳定性，对铁族元素呈惰性，故最适合制作切削下列材料的刀具：

切削各种淬硬钢，包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等；

切削各种铁基、镍基、钴基和其他热喷涂(焊)零件。

金刚石具有更高的硬度及其他优异性能用，它所制作的刀具，应用范围更为广泛，可以加工各种难加工材料、非难加工材料；

对有色金属，主要对铜、铝及其合金，进行超精密切削加工；因为金刚石刀具，尤其是天然金刚石刀具，其切削刃可以磨得十分锋利，可以研磨出纳米级的钝圆半径；

切削纯钨、纯钼；

切削工程陶瓷、硬质合金、工业玻璃；

切削石墨、各种塑料；

切削各种复合材料，包括金属基与非金属基的、纤维加强和颗粒加强的；

用于牙科、骨科所用的各种医疗器械工具；

用于各种木材加工刀具和石材加工工具；

……

金刚石和立方氮化硼单晶粉大量用于制作磨料、磨具、磨膏、砂布、砂纸。

金刚石还大量用于制作拉丝模、砂轮修正器和石油、地矿部门的钻探钻头。还用于各种耐磨件。

大部分能用金刚石刀具切削的难加工材料，如硬质合金、陶瓷、玻璃、复合材料等，立方氮化硼刀具也能胜任，但一般立方氮化硼刀具的使用寿命低于金刚石刀具。而金刚石刀具不能加工铁基材料。