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我国超硬材料的发展及在机械加工中的应用情况

发布日期:2010-10-06 09:08:59 来源:傲立机床网 浏览:

  介绍了我国超硬材料的发展及在机械加工中的应用情况。说明了人造金刚石、立方氮化硼的性能特点、适用范围及应用于机械加工的实例,指出了进一步加强超硬材料制品研究开发及推广应用的重要性。

  一、概 述

  人造金刚石和立方氮化硼(CBN)统称超硬材料。1963年郑州磨料磨具磨削研究所在兄弟院所的通力协作下,研制成功我国第一颗人造金刚石,1966年完成中间试验并投入批量生产,当年生产人造金刚石10000克拉。同年,该所又研制成功我国第一颗立方氮化硼(CBN)。从此我国具有了批量生产超硬材料的能力。

  我国超硬材料从诞生到八十年代末,产量增加缓慢,经历了一个从无到有,不断完善生产工艺和逐步提高产品质量的阶段。八十年代末,随着中国石材加工业需求的急剧增长,超硬材料进入了高速发展阶段,1997年年产量达到5亿克拉左右,已跃居世界超硬材料生产大国之首。

  金刚石是世界上已知的最硬物质,并具有高导热性、高绝缘性、高化学稳定性、高温半导体特性等多种优良性能,可用于高效优质加工铝、铜等有色金属,非凡适合于加工硬脆非金属材料。立方氮化硼是硬度仅次于金刚石的超硬材料,具有高硬度、高热稳定性、高化学稳定性等优异性能,非凡适合于加工硬、韧、难加工的金属材料。金刚石和立方氮化硼还具有良好的红外透过性和较宽的禁带宽度,近年来已作为功能材料制作透明窗口、高温半导体等高技术产品,广泛用于电子、航天等尖端工业领域。

  超硬材料除少部分直接用于研磨、抛光、涂层等工艺外,绝大部分制成各种工具用于不同的工业领域(见表1)。

  表1 超硬材料制品的种类及应用领域

产品种类 锯片 砂轮 刀具 烧结体 薄壁钻 电镀制品 珩磨条精
磨片油石
磨盘磨
辊磨轮
滚轮

石材 机械 汽车 拉丝 建材 石材 机械 石材 普通砂轮
建材 汽车 摩托车 机械 建筑 机械 电子 建材 超硬砂轮
建筑 摩托车 机床 石油 装修 宝石加工 工量具 玻璃  
装修 硬质合金 轴承 地质 公路 半导体材料 玻璃 耐火材料  
玻璃 玻璃 工具 煤炭 机场   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 复合片   工程          
机场 家电   雕刻          
雕刻                

  二、我国超硬材料的发展

  1.人造金刚石

  我国第一个人造金刚石及其制品的专业生产厂——第六砂轮厂于1969年投产,标志着我国人造金刚石进入了工业化生产阶段。1970年我国人造金刚石产量为46万克拉,1980年产量达到450万克拉,10年间增长了近10倍;1990年产量为3500万克拉,比1980年又增长了约8倍。进入九十年代后,我国金刚石生产进入了迅猛发展时期(见图1)。这种发展势头主要受石材加工行业蓬勃发展的带动,此外,钻探及切削用PCD复合片和磨削用金刚石砂轮的大量使用也起到了较大推动作用。我国1990~1997年间人造金刚石产量增加了14倍,成为世界人造金刚石生产大国,也推动了石材、玻璃、耐火材料、地质钻探等行业的发展,为中国经济建设作出了重要贡献。

图1 1980~1997年我国金刚石产量增长曲线图

  我国人造金刚石产量虽居世界首位,但产品质量与发达国家还存在较大差距,主要表现为产品的冲击强度和高温冲击强度较低,杂质、缺陷较多,能够用于制造锯片的高强度金刚石仅占产品总量的20%左右,而RVD、MBD级产品约占80%。

  2.立方氮化硼

  立方氮化硼(CBN)具有高硬度、高耐磨性、高热传导率及耐热性、低摩擦系数等优良的物理、化学和机械性能,非凡适合用于铁族金属材料的加工,是提高生产率和加工质量的优良材料,在工业发达国家已得到广泛应用。我国的CBN产品诞生至今已32年,但在1966年至1989年的20多年间发展比较缓慢。进入九十年代后,我国汽车、摩托车工业的高速发展为CBN的发展提供了强大动力,产量大幅度增加(见图2)。

图2 我国CBN产量增长示意图

  从1990年至今,我国CBN产量的年平均增长率为25%,大大超过了发达国家CBN年耗用量15%的增长率,但在应用领域和应用水平上与发达国家差距很大,主要表现为磨具制造工艺和装备不完善,磨具质量及性能不稳定,专用磨床和磨削工艺不配套等。

  3.金刚石薄膜

  金刚石薄膜是用化学气相沉积(CVD)法或其它方法在非金刚石衬底上制备出的超硬薄膜。它不仅可用于制作各种金刚石刀具,还可作为功能材料用于制作声传感器、扬声器振动膜、红外窗口、X光检测窗口等,应用领域十分广泛。国际上从七十年代初开始进行金刚石薄膜的试制并迅速掀起金刚石薄膜研究开发热潮。我国从八十年代中期开始此项研究,并已列入国家“863计划”,现已能制备出80mm、厚2mm的金刚石薄膜,并在应用研究方面取得了不少成果,但目前总体上仍处于研制阶段,尚未达到工业化应用阶段。有人预计,金刚石薄膜将是21世纪金刚石工业的主要材料,各国科学家都在为使金刚石薄膜产业化而不懈努力。

  三、超硬材料制品在机械加工中的应用

  1.金刚石制品的应用

  金刚石磨料及其制品主要用于加工非铁族金属的各种难加工材料,如石材、玻璃、水泥制品、耐火材料、陶瓷、木材以及硬质合金、硅铁合金等。我国金刚石磨料及其制品在各领域的应用比例见图3。

图3 我国金刚石制品在各领域的应用比例

  金刚石制品在机械加工领域的应用量只占10%,主要用于车削加工和磨削加工。金刚石刀具有车刀、铣刀、镗刀等品种,80%以上用于汽车和摩托车行业,其它则用于家用电器、燃气、普通机械等领域。

  (1)金刚石刀具

  金刚石刀具在汽车和摩托车行业中主要用于加工发动机活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱、化油器等。由于这些部件材料含硅量较高(10%以上),并且大多采用流水线方式大批量生产,对刀具的使用寿命要求较高,硬质合金刀具难以胜任,而金刚石刀具的耐用度是硬质合金刀具的10~50倍,可保证零件的尺寸稳定性,并可大大提高切削速度、加工效率和工件的表面质量。表2、表3分别为金刚石镗刀和金刚石铣刀与硬质合金刀具的实际应用效果比较。

  表2 金刚石镗刀的应用效果

零件名称 零件材质 刀具寿命比较或效果
(金刚石刀具/硬质合金刀具)
活塞销孔
(ф10~45)
A1+11~23%Si 10/1
汽缸头深孔 A1+11~23%Si 尺寸稳定,摇摆销装配性好
分电器座 A1+11~13%Si 20/1
油封架 A1+11~13%Si 20/1

表3 金刚石铣刀的应用效果

零件名称 零件材质 刀具形式 刀具寿命比较
(金刚石刀具/硬质合金刀具)
汽缸盖 铝合金 五齿面铣刀 30/1
变速箱体 铝合金 八齿面铣刀 50/1

  (2)金刚石磨具

  金刚石磨具主要指砂轮、油石、精磨片、珩磨条、磨盘、磨辊、磨轮等产品。下面主要介绍金刚石砂轮的应用情况。

  金刚石砂轮是七十年代初开始研制和应用的,主要用于非铁族金属材料的加工。按结合剂剂型区分,金刚石砂轮品种主要可分为:树脂结合剂、陶瓷结合剂、金属结合剂和电镀成型。其中,树脂砂轮的应用范围较广,其应用比例见表4。

  表4 树脂金刚石砂轮的用途

加工对象 应用比例(%)
硬质合金、超硬复合材料 80
玻璃、工程陶瓷 8
石材精加工 5
磁性材料 5
其它 2

  金刚石砂轮可用于加工在机械行业中应用量大、应用面广的各种硬质合金刀具,非凡是对一些外型复杂、精度要求很高的刀具,采用金刚石砂轮加工更能显示其优越性。金刚石砂轮用于磨加工磁芯时与普通砂轮的应用效果对比见表5。

  表5 金刚石砂轮与普通砂轮应用效果对比

砂轮类型 砂轮单
价(元)
每片砂
轮加工
零件数
年产量
(万件)
废品率
(%)
加工零件成
本(元/件)
普通砂轮 400 2100 150 18 0.19
金刚石砂轮 8000 100000 440 4.5 0.08

   (3)金刚石滚轮

  普通磨具在机械加工中应用量很大,各种新型磨具和先进磨削工艺的应用对磨具修整技术提出了更高要求。金刚石滚轮是一种高效成型修整工具,用于修整砂轮时具有效率高、修整时间短、成型能力强、修整型面精度稳定等优点,在正常情况下一个金刚石滚轮可进行数万次砂轮修整。非凡是在型面复杂、精度要求高的零件批量生产中,采用金刚石滚轮对磨具进行修整效果更为显著。

  2.立方氮化硼制品的应用

  立方氮化硼(CBN)砂轮、刀具、油石、珩磨条等制品已在工具、汽车、轴承、机床、航天、等行业中得到了不同程度的应用,且应用领域正不断扩大。CBN制品在各行业中的应用比例见图4。

图4 CBN制品在各行业中的应用比例

  (1)CBN磨具

  CBN磨具具有硬度高、磨削能力强、加工精度高、使用寿命长、修整频次少、生产效率高、有利于生产自动化等优点,被誉为“半永久性磨具”。我国CBN磨具的研究开发始于七十年代中期,通过对丝锥、滚珠丝杠、机床导轨、转子槽、轴承内表面、齿轮、发动机缸套、凸轮轴、曲轴、油泵油嘴及其它难加工材料的磨削加工进行大量试验研究工作,取得了较好的应用效果。目前,我国CBN磨具品种规格已形成系列,CBN砂轮最大直径可达750mm(正在研制1100mm 砂轮),最高使用线速度可达80m/s。某些产品的使用性能已接近甚至超过国外同类产品水平。例如,陶瓷结合剂CBN砂轮在磨加工喷油嘴针阀体的应用中即充分体现了上述优点,采用各种不同砂轮的加工效果比较见表6(被加工零件材料为18CrNi8,淬火硬度58~63HRC)。

  表6 针阀体磨加工效果

砂轮类型 磨加工效果
修整间隔
(件/次)
圆度
(μm)
直线度
(μm)
表面粗糙度
Ra(μm)
加工件数
(件)
中心砂轮 普通砂轮 1 ≤2.0 ≤3.5 ≤0.32 40~45
进口砂轮 15~20 0.45~0.60 1.4~3.4 0.11~0.15 1000~3000
国产CBN砂轮 40 ≤1.2 0.5~1.5 0.12~0.15 4000~5500
座面砂轮 普通砂轮 1 ≤1.5 ≤3.0 ≤0.25 80~150
进口砂轮 8~15       2000~4000
国产CBN
砂轮
30 0.6~1.2 0.6~1.4 ≤0.2 4800~7000

   又如,用陶瓷结合剂CBN砂轮粗磨汽车冷激铸铁凸轮轴(砂轮直径600mm,使用速度65m/s),与刚玉砂轮相比,耐用度提高100倍以上,寿命提高40倍;砂轮和修整工具的直接费用降低15%,生产效率提高10%,减少了辅助工时,降低了劳动强度,提高了加工质量。

  (2)CBN刀具

  CBN刀具的最大特点是可以车削硬度大于45HRC的淬火钢零件。由于CBN与铁族金属不产生亲和力,可用于轴承钢(60~62HRC)、工具钢(57~60HRC)、高速钢(>62HRC)等材料的切削加工,可实现以车代磨,大幅度提高加工效率。CBN刀具的另一特点是耐高温,在1000℃时的硬度与硬质合金在常温下的硬度相当,其它性能也很稳定。下面列举几个CBN刀具车削加工实例。

  ①加工水泵辐板 辐板材质为Cr15MoV2,硬度60~62.5HRC,工件直径910~1020mm,中心环300/370mm,每把CBN车刀能加工2~3块辐板,而用硬质合金车刀加工,一块辐板即需3把刀具。CBN车刀的使用寿命约为硬质合金车刀的10倍。

  ②加工炼钢炉进料斗外壳密封段 工件直径为1000~1200mm,材料为G50Mn2,硬度>55HRC,原用YS2T硬质合金车刀加工需1~1.5小时,采用CBN车刀加工则只需7~8分钟即可完成,大大提高了工作效率,且加工表面粗糙度达到Ra1.6μm以下。

  ③加工轧辊 某厂改造中板旧轧辊,轧辊尺寸为300×3400mm,表面硬度为47~50HRC,车加工余量为7mm,单件重量2吨,共需加工6件。原拟用硬质合金车刀加工,但需运到外厂回火后才能车削加工,往返搬运费用很高。采用CBN车刀则可实现在本厂就地加工,一把CBN车刀即可加工一根轧辊,既省时又省力,节省了大量费用。

  四、结 语

  我国超硬材料的科研和生产发展迅猛,超硬材料在机械加工中的应用也取得了良好效果,应用前景十分广阔。目前存在的主要问题是产品质量有待提高,推广应用工作力度不够。今后,一方面应加大对超硬材料的宣传和推广应用力度;另一方面要加强研究开发工作,提高超硬材料质量,增加制品种类,加强售后服务,尽快缩小与发达国家的差距,充分发挥超硬材料在机械加工中的重要作用。

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