介紹了我國(guó)超硬材料的發(fā)展及在機(jī)械加工中的應(yīng)用情況。說(shuō)明了人造金剛石、立方氮化硼的性能特點(diǎn)、適用范圍及應(yīng)用于機(jī)械加工的實(shí)例,指出了進(jìn)一步加強(qiáng)超硬材料制品研究開發(fā)及推廣應(yīng)用的重要性。
一、概 述
人造金剛石和立方氮化硼(CBN)統(tǒng)稱超硬材料。1963年鄭州磨料磨具磨削研究所在兄弟院所的通力協(xié)作下,研制成功我國(guó)第一顆人造金剛石,1966年完成中間試驗(yàn)并投入批量生產(chǎn),當(dāng)年生產(chǎn)人造金剛石10000克拉。同年,該所又研制成功我國(guó)第一顆立方氮化硼(CBN)。從此我國(guó)具有了批量生產(chǎn)超硬材料的能力。
我國(guó)超硬材料從誕生到八十年代末,產(chǎn)量增加緩慢,經(jīng)歷了一個(gè)從無(wú)到有,不斷完善生產(chǎn)工藝和逐步提高產(chǎn)品質(zhì)量的階段。八十年代末,隨著中國(guó)石材加工業(yè)需求的急劇增長(zhǎng),超硬材料進(jìn)入了高速發(fā)展階段,1997年年產(chǎn)量達(dá)到5億克拉左右,已躍居世界超硬材料生產(chǎn)大國(guó)之首。
金剛石是世界上已知的最硬物質(zhì),并具有高導(dǎo)熱性、高絕緣性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高溫半導(dǎo)體特性等多種優(yōu)良性能,可用于高效優(yōu)質(zhì)加工鋁、銅等有色金屬,特別適合于加工硬脆非金屬材料。立方氮化硼是硬度僅次于金剛石的超硬材料,具有高硬度、高熱穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能,特別適合于加工硬、韌、難加工的金屬材料。金剛石和立方氮化硼還具有良好的紅外透過(guò)性和較寬的禁帶寬度,近年來(lái)已作為功能材料制作透明窗口、高溫半導(dǎo)體等高技術(shù)產(chǎn)品,廣泛用于電子、航天等尖端工業(yè)領(lǐng)域。
超硬材料除少部分直接用于研磨、拋光、涂層等工藝外,絕大部分制成各種工具用于不同的工業(yè)領(lǐng)域(見(jiàn)表1)。
表1 超硬材料制品的種類及應(yīng)用領(lǐng)域
產(chǎn)品種類 | 鋸片 | 砂輪 | 刀具 | 燒結(jié)體 | 薄壁鉆 | 電鍍制品 | 珩磨條精 磨片油石 | 磨盤磨 輥磨輪 | 滾輪 |
應(yīng) 用 領(lǐng) 域 | 石材 | 機(jī)械 | 汽車 | 拉絲 | 建材 | 石材 | 機(jī)械 | 石材 | 普通砂輪 |
建材 | 汽車 | 摩托車 | 機(jī)械 | 建筑 | 機(jī)械 | 電子 | 建材 | 超硬砂輪 |
建筑 | 摩托車 | 機(jī)床 | 石油 | 裝修 | 寶石加工 | 工量具 | 玻璃 | |
裝修 | 硬質(zhì)合金 | 軸承 | 地質(zhì) | 公路 | 半導(dǎo)體材料 | 玻璃 | 耐火材料 | |
玻璃 | 玻璃 | 工具 | 煤炭 | 機(jī)場(chǎng) | | 油泵油嘴 | | |
陶瓷 | 木材 | | 木材 | 石材 | | | | |
耐火材料 | 石材 | | 水泥制品 | 耐火材料 | | | | |
公路 | 復(fù)合片 | | 工程 | | | | | |
機(jī)場(chǎng) | 家電 | | 雕刻 | | | | | |
雕刻 | | | | | | | | |
二、我國(guó)超硬材料的發(fā)展
1.人造金剛石
我國(guó)第一個(gè)人造金剛石及其制品的專業(yè)生產(chǎn)廠——第六砂輪廠于1969年投產(chǎn),標(biāo)志著我國(guó)人造金剛石進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)階段。1970年我國(guó)人造金剛石產(chǎn)量為46萬(wàn)克拉,1980年產(chǎn)量達(dá)到450萬(wàn)克拉,10年間增長(zhǎng)了近10倍;1990年產(chǎn)量為3500萬(wàn)克拉,比1980年又增長(zhǎng)了約8倍。進(jìn)入九十年代后,我國(guó)金剛石生產(chǎn)進(jìn)入了迅猛發(fā)展時(shí)期(見(jiàn)圖1)。這種發(fā)展勢(shì)頭主要受石材加工行業(yè)蓬勃發(fā)展的帶動(dòng),此外,鉆探及切削用PCD復(fù)合片和磨削用金剛石砂輪的大量使用也起到了較大推動(dòng)作用。我國(guó)1990~1997年間人造金剛石產(chǎn)量增加了14倍,成為世界人造金剛石生產(chǎn)大國(guó),也推動(dòng)了石材、玻璃、耐火材料、地質(zhì)鉆探等行業(yè)的發(fā)展,為中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了重要貢獻(xiàn)。
我國(guó)人造金剛石產(chǎn)量雖居世界首位,但產(chǎn)品質(zhì)量與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在較大差距,主要表現(xiàn)為產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度和高溫沖擊強(qiáng)度較低,雜質(zhì)、缺陷較多,能夠用于制造鋸片的高強(qiáng)度金剛石僅占產(chǎn)品總量的20%左右,而RVD、MBD級(jí)產(chǎn)品約占80%。
2.立方氮化硼
立方氮化硼(CBN)具有高硬度、高耐磨性、高熱傳導(dǎo)率及耐熱性、低摩擦系數(shù)等優(yōu)良的物理、化學(xué)和機(jī)械性能,特別適合用于鐵族金屬材料的加工,是提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量的優(yōu)良材料,在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)的CBN產(chǎn)品誕生至今已32年,但在1966年至1989年的20多年間發(fā)展比較緩慢。進(jìn)入九十年代后,我國(guó)汽車、摩托車工業(yè)的高速發(fā)展為CBN的發(fā)展提供了強(qiáng)大動(dòng)力,產(chǎn)量大幅度增加(見(jiàn)圖2)。
從1990年至今,我國(guó)CBN產(chǎn)量的年平均增長(zhǎng)率為25%,大大超過(guò)了發(fā)達(dá)國(guó)家CBN年耗用量15%的增長(zhǎng)率,但在應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用水平上與發(fā)達(dá)國(guó)家差距很大,主要表現(xiàn)為磨具制造工藝和裝備不完善,磨具質(zhì)量及性能不穩(wěn)定,專用磨床和磨削工藝不配套等。
3.金剛石薄膜
金剛石薄膜是用化學(xué)氣相沉積(CVD)法或其它方法在非金剛石襯底上制備出的超硬薄膜。它不僅可用于制作各種金剛石刀具,還可作為功能材料用于制作聲傳感器、揚(yáng)聲器振動(dòng)膜、紅外窗口、X光檢測(cè)窗口等,應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。國(guó)際上從七十年代初開始進(jìn)行金剛石薄膜的試制并迅速掀起金剛石薄膜研究開發(fā)熱潮。我國(guó)從八十年代中期開始此項(xiàng)研究,并已列入國(guó)家“863計(jì)劃”,現(xiàn)已能制備出80mm、厚2mm的金剛石薄膜,并在應(yīng)用研究方面取得了不少成果,但目前總體上仍處于研制階段,尚未達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用階段。有人預(yù)計(jì),金剛石薄膜將是21世紀(jì)金剛石工業(yè)的主要材料,各國(guó)科學(xué)家都在為使金剛石薄膜產(chǎn)業(yè)化而不懈努力。
三、超硬材料制品在機(jī)械加工中的應(yīng)用
1.金剛石制品的應(yīng)用
金剛石磨料及其制品主要用于加工非鐵族金屬的各種難加工材料,如石材、玻璃、水泥制品、耐火材料、陶瓷、木材以及硬質(zhì)合金、硅鐵合金等。我國(guó)金剛石磨料及其制品在各領(lǐng)域的應(yīng)用比例見(jiàn)圖3。
金剛石制品在機(jī)械加工領(lǐng)域的應(yīng)用量只占10%,主要用于車削加工和磨削加工。金剛石刀具有車刀、銑刀、鏜刀等品種,80%以上用于汽車和摩托車行業(yè),其它則用于家用電器、燃?xì)狻⑵胀C(jī)械等領(lǐng)域。
(1)金剛石刀具
金剛石刀具在汽車和摩托車行業(yè)中主要用于加工發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的裙部、銷孔、汽缸體、變速箱、化油器等。由于這些部件材料含硅量較高(10%以上),并且大多采用流水線方式大批量生產(chǎn),對(duì)刀具的使用壽命要求較高,硬質(zhì)合金刀具難以勝任,而金剛石刀具的耐用度是硬質(zhì)合金刀具的10~50倍,可保證零件的尺寸穩(wěn)定性,并可大大提高切削速度、加工效率和工件的表面質(zhì)量。表2、表3分別為金剛石鏜刀和金剛石銑刀與硬質(zhì)合金刀具的實(shí)際應(yīng)用效果比較。
表2 金剛石鏜刀的應(yīng)用效果
零件名稱 | 零件材質(zhì) | 刀具壽命比較或效果 (金剛石刀具/硬質(zhì)合金刀具) |
活塞銷孔 (10~45) | A1+11~23%Si | 10/1 |
汽缸頭深孔 | A1+11~23%Si | 尺寸穩(wěn)定,搖擺銷裝配性好 |
分電器座 | A1+11~13%Si | 20/1 |
油封架 | A1+11~13%Si | 20/1 |
表3 金剛石銑刀的應(yīng)用效果
零件名稱 | 零件材質(zhì) | 刀具形式 | 刀具壽命比較 (金剛石刀具/硬質(zhì)合金刀具) |
汽缸蓋 | 鋁合金 | 五齒面銑刀 | 30/1 |
變速箱體 | 鋁合金 | 八齒面銑刀 | 50/1 |
(2)金剛石磨具
金剛石磨具主要指砂輪、油石、精磨片、珩磨條、磨盤、磨輥、磨輪等產(chǎn)品。下面主要介紹金剛石砂輪的應(yīng)用情況。
金剛石砂輪是七十年代初開始研制和應(yīng)用的,主要用于非鐵族金屬材料的加工。按結(jié)合劑劑型區(qū)分,金剛石砂輪品種主要可分為:樹脂結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑、金屬結(jié)合劑和電鍍成型。其中,樹脂砂輪的應(yīng)用范圍較廣,其應(yīng)用比例見(jiàn)表4。
表4 樹脂金剛石砂輪的用途
加工對(duì)象 | 應(yīng)用比例(%) |
硬質(zhì)合金、超硬復(fù)合材料 | 80 |
玻璃、工程陶瓷 | 8 |
石材精加工 | 5 |
磁性材料 | 5 |
其它 | 2 |
金剛石砂輪可用于加工在機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用量大、應(yīng)用面廣的各種硬質(zhì)合金刀具,特別是對(duì)一些外型復(fù)雜、精度要求很高的刀具,采用金剛石砂輪加工更能顯示其優(yōu)越性。金剛石砂輪用于磨加工磁芯時(shí)與普通砂輪的應(yīng)用效果對(duì)比見(jiàn)表5。
表5 金剛石砂輪與普通砂輪應(yīng)用效果對(duì)比
砂輪類型 | 砂輪單 價(jià)(元) | 每片砂 輪加工 零件數(shù) | 年產(chǎn)量 (萬(wàn)件) | 廢品率 (%) | 加工零件成 本(元/件) |
普通砂輪 | 400 | 2100 | 150 | 18 | 0.19 |
金剛石砂輪 | 8000 | 100000 | 440 | 4.5 | 0.08 |
(3)金剛石滾輪
普通磨具在機(jī)械加工中應(yīng)用量很大,各種新型磨具和先進(jìn)磨削工藝的應(yīng)用對(duì)磨具修整技術(shù)提出了更高要求。金剛石滾輪是一種高效成型修整工具,用于修整砂輪時(shí)具有效率高、修整時(shí)間短、成型能力強(qiáng)、修整型面精度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),在正常情況下一個(gè)金剛石滾輪可進(jìn)行數(shù)萬(wàn)次砂輪修整。特別是在型面復(fù)雜、精度要求高的零件批量生產(chǎn)中,采用金剛石滾輪對(duì)磨具進(jìn)行修整效果更為顯著。
2.立方氮化硼制品的應(yīng)用
立方氮化硼(CBN)砂輪、刀具、油石、珩磨條等制品已在工具、汽車、軸承、機(jī)床、航天、軍工等行業(yè)中得到了不同程度的應(yīng)用,且應(yīng)用領(lǐng)域正不斷擴(kuò)大。CBN制品在各行業(yè)中的應(yīng)用比例見(jiàn)圖4。
(1)CBN磨具
CBN磨具具有硬度高、磨削能力強(qiáng)、加工精度高、使用壽命長(zhǎng)、修整頻次少、生產(chǎn)效率高、有利于生產(chǎn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),被譽(yù)為“半永久性磨具”。我國(guó)CBN磨具的研究開發(fā)始于七十年代中期,通過(guò)對(duì)絲錐、滾珠絲杠、機(jī)床導(dǎo)軌、轉(zhuǎn)子槽、軸承內(nèi)表面、齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、凸輪軸、曲軸、油泵油嘴及其它難加工材料的磨削加工進(jìn)行大量試驗(yàn)研究工作,取得了較好的應(yīng)用效果。目前,我國(guó)CBN磨具品種規(guī)格已形成系列,CBN砂輪最大直徑可達(dá)750mm(正在研制1100mm 砂輪),最高使用線速度可達(dá)80m/s。某些產(chǎn)品的使用性能已接近甚至超過(guò)國(guó)外同類產(chǎn)品水平。例如,陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪在磨加工噴油嘴針閥體的應(yīng)用中即充分體現(xiàn)了上述優(yōu)點(diǎn),采用各種不同砂輪的加工效果比較見(jiàn)表6(被加工零件材料為18CrNi8,淬火硬度58~63HRC)。
表6 針閥體磨加工效果
砂輪類型 | 磨加工效果 |
修整間隔 (件/次) | 圓度 (μm) | 直線度 (μm) | 表面粗糙度 Ra(μm) | 加工件數(shù) (件) |
中心砂輪 | 普通砂輪 | 1 | ≤2.0 | ≤3.5 | ≤0.32 | 40~45 |
進(jìn)口砂輪 | 15~20 | 0.45~0.60 | 1.4~3.4 | 0.11~0.15 | 1000~3000 |
國(guó)產(chǎn)CBN砂輪 | 40 | ≤1.2 | 0.5~1.5 | 0.12~0.15 | 4000~5500 |
座面砂輪 | 普通砂輪 | 1 | ≤1.5 | ≤3.0 | ≤0.25 | 80~150 |
進(jìn)口砂輪 | 8~15 | | | | 2000~4000 |
國(guó)產(chǎn)CBN 砂輪 | 30 | 0.6~1.2 | 0.6~1.4 | ≤0.2 | 4800~7000 |
又如,用陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪粗磨汽車?yán)浼よT鐵凸輪軸(砂輪直徑600mm,使用速度65m/s),與剛玉砂輪相比,耐用度提高100倍以上,壽命提高40倍;砂輪和修整工具的直接費(fèi)用降低15%,生產(chǎn)效率提高10%,減少了輔助工時(shí),降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了加工質(zhì)量。
(2)CBN刀具
CBN刀具的最大特點(diǎn)是可以車削硬度大于45HRC的淬火鋼零件。由于CBN與鐵族金屬不產(chǎn)生親和力,可用于軸承鋼(60~62HRC)、工具鋼(57~60HRC)、高速鋼(>62HRC)等材料的切削加工,可實(shí)現(xiàn)以車代磨,大幅度提高加工效率。CBN刀具的另一特點(diǎn)是耐高溫,在1000℃時(shí)的硬度與硬質(zhì)合金在常溫下的硬度相當(dāng),其它性能也很穩(wěn)定。下面列舉幾個(gè)CBN刀具車削加工實(shí)例。
①加工水泵輻板 輻板材質(zhì)為Cr15MoV2,硬度60~62.5HRC,工件直徑910~1020mm,中心環(huán)300/370mm,每把CBN車刀能加工2~3塊輻板,而用硬質(zhì)合金車刀加工,一塊輻板即需3把刀具。CBN車刀的使用壽命約為硬質(zhì)合金車刀的10倍。
②加工煉鋼爐進(jìn)料斗外殼密封段 工件直徑為1000~1200mm,材料為G50Mn2,硬度>55HRC,原用YS2T硬質(zhì)合金車刀加工需1~1.5小時(shí),采用CBN車刀加工則只需7~8分鐘即可完成,大大提高了工作效率,且加工表面粗糙度達(dá)到Ra1.6μm以下。
③加工軋輥 某廠改造中板舊軋輥,軋輥尺寸為300×3400mm,表面硬度為47~50HRC,車加工余量為7mm,單件重量2噸,共需加工6件。原擬用硬質(zhì)合金車刀加工,但需運(yùn)到外廠回火后才能車削加工,往返搬運(yùn)費(fèi)用很高。采用CBN車刀則可實(shí)現(xiàn)在本廠就地加工,一把CBN車刀即可加工一根軋輥,既省時(shí)又省力,節(jié)省了大量費(fèi)用。
四、結(jié) 語(yǔ)
我國(guó)超硬材料的科研和生產(chǎn)發(fā)展迅猛,超硬材料在機(jī)械加工中的應(yīng)用也取得了良好效果,應(yīng)用前景十分廣闊。目前存在的主要問(wèn)題是產(chǎn)品質(zhì)量有待提高,推廣應(yīng)用工作力度不夠。今后,一方面應(yīng)加大對(duì)超硬材料的宣傳和推廣應(yīng)用力度;另一方面要加強(qiáng)研究開發(fā)工作,提高超硬材料質(zhì)量,增加制品種類,加強(qiáng)售后服務(wù),盡快縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距,充分發(fā)揮超硬材料在機(jī)械加工中的重要作用。