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摘要：理想的刀具材料应既有极高的硬度，又有很高的韧性。高速加工技术、干式切削等切削技术的应用，对刀具材料的要求越来越高，超硬刀具材料的应用日益广泛，本文介绍了我国超硬材料刀具在机械冷加工中的一些应用，在机械冷加工中使用超硬材料刀具以车削代替磨削。由于超硬材料刀具的耐用度高、综合成本低，机械冷加工中使用超硬材料刀具会更广泛。
1.超硬刀具材料发展概况
超硬刀具材料是指天然金刚石、人造金刚石和立方氮化硼（CBN）。由于天然金刚石价格比较昂贵，所以生产上大多采用人造聚晶金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）以及它们的复合材料。早在20世纪50年代，美国就利用人造金刚石微粉和CBN微粉在高温、高压、结合剂的作用下烧结成尺寸较大的聚晶块作为刀具材料。20世纪70年代初又推出了金刚石或CBN和硬质合金的复合片，它们是在硬质合金基体上烧结或压制一层0.5mm～1mm的PCD或PCBN而成，从而解决了超硬刀具材料抗弯强度低、镶焊困难等问题，使超硬刀具的应用进入实用阶段。我国超硬刀具材料的研究与应用开始20世纪70年代，20世纪90年代前后，不少超硬材料生产专业厂从国外引进成套的超硬材料合成设备及技术，使产量得以迅速提高，跃居世界超硬材料生产大国。
2.超硬材料刀具的种类和性能
金刚石CVD是在低压下制备的，它不同于大单晶金刚石，金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好，能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材。
金刚石的缺点是韧性差，热稳定性低。700℃～800℃时容易碳化，故不适于加工钢铁材料。因为在高温下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构，丧失原有的特性使刀具损坏。此外，用它切削镍基合金时，同样也会迅速磨损人造聚晶金刚石PCD又称金刚石烧结体，它是在高温、高压下，通过钴等金属结合剂将许多金刚石单晶粉聚晶成的多晶体材料。虽其硬度稍低于天然单晶金刚石，但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合，属各向同性。因而它不像大单晶金刚石那样在不同晶面上的强度、硬度及耐磨性有很大的差别。在切削时，切削刃对意外损坏不很敏感，抗磨损能力也较强，可长时间保持锋利的切削刃，加工时可采用很高的切削速度和较大的背吃刀量，使用寿命一般高于wc基硬质合金刀具10～50倍，而且PCD原料来源丰富，其价格相对较低，PCD刀具具有极高的硬度及寿命、很低的摩擦系数、锋利的刀刃、优异的导热性和低膨胀系数等特点，现己成为传统WC基硬质合金刀具的高性能替代品，用于加工铝合金等非铁材料有很高的生产率和过程可靠性。聚晶金刚石复合片PDC刀具材料是在PCD研究的基础上发展起来的。硬质合金作为PCD的基体材料既有好的韧性和一定的硬度，同时又具有可焊性以及与PCD某种兼容性。所以它既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有硬质合金的韧性和可焊性优点。
聚晶立方氮化硼PCBN刀具按成分和制造方法可分为三种：整体聚晶立方氮化硼刀具、聚晶立方氮化硼復合片以及电镀立方氮化硼刀具。它具有极高的硬度与耐磨性，具有很高的耐热性，具有良好的化学稳定性和导热性，摩擦系数也较低，PCBN与PCD刀具材料有着相似的结构与性质，但耐磨性比PCD要差。然而PCBN具有良好的抗化学腐蚀性，且在1200～C的高温下，表现出良好的热稳定性，PCBN的硬度仅次于PCD，由于热稳定性好而适合于加工淬硬钢、冷硬铸件和喷焊材料超硬材料磨具在机械制造业中的应用金属材料的加工。不仅可以替代普通磨具的磨削，而且可以实现铸、锻毛坯件的高速、高效加工，一次性完成粗、精磨削。尤其适用于成形、仿形及定尺寸的精密磨削，可使磨削质量和磨削效率得到数倍乃至数十倍的提高。硬质合金制品及难磨材料的加工。硬质合金硬度高、耐磨性强，用超硬材料代替传统碳化硅和刚玉磨料加工硬质合金工件，可防止工件表面烧伤、微裂纹，缺口或变质层过深等缺陷，提高加工效率和节约磨削成本。超硬材料硬度比普通磨料高得多，其磨削能力用复合式渐开线跳齿内孔拉刀来加工工件孔，优点为：
2.1.用这种技刀加工工件的花键孔，由于能够可靠地保证工件内孔各形面间的同轴度，因而可以在工件的后续加工工序中统一用小径圆面作为定位基准，大大地方便了工件后续加工工序定位心轴和检验心轴的制作，又能够可靠地保证工件所有加工表面的位置精度。
2.2.复合式渐开线跳齿内孔拉刀是一种质量、经济都比较好的拉刀。由于这种技刀的刀齿采用了合理的跳齿排布方式和花键刃开侧隙的刀齿结构，可以可靠地保证技刀的制造质量，大大方便了拉刀的制造，这种技刀的制造成本几乎和普通复合式渐开线拉刀相同。为普通磨料的2000～10000倍，因此硬质合金的各种形式的磨削均可用超硬材料来实现。
采用超硬材料工具加工不仅可消除上述缺陷，而且综合成本也低。以CBN砂轮为例，因其硬度高（比普通磨料刚玉和碳化硅高出2～3倍），切削刃耐磨，且在很高的磨削温度下，不与铁族金属反应，是磨削铁基和镍基材料理想的超硬磨具。在使用普通磨具磨削难以达到较高的生产率和较低的生产成本时，尤其是需要加工硬质材料或其它难加工材料时，或是对加工件质量要求较高时，都考虑采用CBN磨具磨削。一般说来，采用CBN磨具磨削可以提高效率数十倍，降低生产总成本25%～50%。发展超硬刀具材料，对于机械加工的加工质量和加工效率，起到至关重要的作用，因此，要了解有关超硬刀具材料的相关知识，更好地完成机械加工。
参考文献：
[1]邓福铭，陈启武.PDC超硬复合刀具材料及其应用[M].北京：化学工业出版社，2003.
[2]姚学祥，张桂香.超硬材料刀具研究现状和趋势[J].硬质合金，2001，18（3）：182186
1.超硬刀具材料发展概况
超硬刀具材料是指天然金刚石、人造金刚石和立方氮化硼（CBN）。由于天然金刚石价格比较昂贵，所以生产上大多采用人造聚晶金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）以及它们的复合材料。早在20世纪50年代，美国就利用人造金刚石微粉和CBN微粉在高温、高压、结合剂的作用下烧结成尺寸较大的聚晶块作为刀具材料。20世纪70年代初又推出了金刚石或CBN和硬质合金的复合片，它们是在硬质合金基体上烧结或压制一层0.5mm～1mm的PCD或PCBN而成，从而解决了超硬刀具材料抗弯强度低、镶焊困难等问题，使超硬刀具的应用进入实用阶段。我国超硬刀具材料的研究与应用开始20世纪70年代，20世纪90年代前后，不少超硬材料生产专业厂从国外引进成套的超硬材料合成设备及技术，使产量得以迅速提高，跃居世界超硬材料生产大国。
2.超硬材料刀具的种类和性能
金刚石CVD是在低压下制备的，它不同于大单晶金刚石，金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好，能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材。
金刚石的缺点是韧性差，热稳定性低。700℃～800℃时容易碳化，故不适于加工钢铁材料。因为在高温下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构，丧失原有的特性使刀具损坏。此外，用它切削镍基合金时，同样也会迅速磨损人造聚晶金刚石PCD又称金刚石烧结体，它是在高温、高压下，通过钴等金属结合剂将许多金刚石单晶粉聚晶成的多晶体材料。虽其硬度稍低于天然单晶金刚石，但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合，属各向同性。因而它不像大单晶金刚石那样在不同晶面上的强度、硬度及耐磨性有很大的差别。在切削时，切削刃对意外损坏不很敏感，抗磨损能力也较强，可长时间保持锋利的切削刃，加工时可采用很高的切削速度和较大的背吃刀量，使用寿命一般高于wc基硬质合金刀具10～50倍，而且PCD原料来源丰富，其价格相对较低，PCD刀具具有极高的硬度及寿命、很低的摩擦系数、锋利的刀刃、优异的导热性和低膨胀系数等特点，现己成为传统WC基硬质合金刀具的高性能替代品，用于加工铝合金等非铁材料有很高的生产率和过程可靠性。聚晶金刚石复合片PDC刀具材料是在PCD研究的基础上发展起来的。硬质合金作为PCD的基体材料既有好的韧性和一定的硬度，同时又具有可焊性以及与PCD某种兼容性。所以它既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有硬质合金的韧性和可焊性优点。
聚晶立方氮化硼PCBN刀具按成分和制造方法可分为三种：整体聚晶立方氮化硼刀具、聚晶立方氮化硼復合片以及电镀立方氮化硼刀具。它具有极高的硬度与耐磨性，具有很高的耐热性，具有良好的化学稳定性和导热性，摩擦系数也较低，PCBN与PCD刀具材料有着相似的结构与性质，但耐磨性比PCD要差。然而PCBN具有良好的抗化学腐蚀性，且在1200～C的高温下，表现出良好的热稳定性，PCBN的硬度仅次于PCD，由于热稳定性好而适合于加工淬硬钢、冷硬铸件和喷焊材料超硬材料磨具在机械制造业中的应用金属材料的加工。不仅可以替代普通磨具的磨削，而且可以实现铸、锻毛坯件的高速、高效加工，一次性完成粗、精磨削。尤其适用于成形、仿形及定尺寸的精密磨削，可使磨削质量和磨削效率得到数倍乃至数十倍的提高。硬质合金制品及难磨材料的加工。硬质合金硬度高、耐磨性强，用超硬材料代替传统碳化硅和刚玉磨料加工硬质合金工件，可防止工件表面烧伤、微裂纹，缺口或变质层过深等缺陷，提高加工效率和节约磨削成本。超硬材料硬度比普通磨料高得多，其磨削能力用复合式渐开线跳齿内孔拉刀来加工工件孔，优点为：
2.1.用这种技刀加工工件的花键孔，由于能够可靠地保证工件内孔各形面间的同轴度，因而可以在工件的后续加工工序中统一用小径圆面作为定位基准，大大地方便了工件后续加工工序定位心轴和检验心轴的制作，又能够可靠地保证工件所有加工表面的位置精度。
2.2.复合式渐开线跳齿内孔拉刀是一种质量、经济都比较好的拉刀。由于这种技刀的刀齿采用了合理的跳齿排布方式和花键刃开侧隙的刀齿结构，可以可靠地保证技刀的制造质量，大大方便了拉刀的制造，这种技刀的制造成本几乎和普通复合式渐开线拉刀相同。为普通磨料的2000～10000倍，因此硬质合金的各种形式的磨削均可用超硬材料来实现。
采用超硬材料工具加工不仅可消除上述缺陷，而且综合成本也低。以CBN砂轮为例，因其硬度高（比普通磨料刚玉和碳化硅高出2～3倍），切削刃耐磨，且在很高的磨削温度下，不与铁族金属反应，是磨削铁基和镍基材料理想的超硬磨具。在使用普通磨具磨削难以达到较高的生产率和较低的生产成本时，尤其是需要加工硬质材料或其它难加工材料时，或是对加工件质量要求较高时，都考虑采用CBN磨具磨削。一般说来，采用CBN磨具磨削可以提高效率数十倍，降低生产总成本25%～50%。发展超硬刀具材料，对于机械加工的加工质量和加工效率，起到至关重要的作用，因此，要了解有关超硬刀具材料的相关知识，更好地完成机械加工。
参考文献：
[1]邓福铭，陈启武.PDC超硬复合刀具材料及其应用[M].北京：化学工业出版社，2003.
[2]姚学祥，张桂香.超硬材料刀具研究现状和趋势[J].硬质合金，2001，18（3）：182186