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聚晶金剛石PCD介紹技術

2016-06-06 16:58:26   來源:點擊:
聚晶金剛石PCD篇PCD材質介紹金剛石作為一種超硬刀具材料應用於切削加工已有數百年曆史。在刀具發展曆程中,從十九世紀末到二十世紀中期,刀
聚晶金剛石
PCD篇

 

PCD
 
材質介紹
 

金剛石作為一種超硬刀具材料應用於切削加工已有數百年曆史。在刀具發展曆程中,從十九世紀末到二十世紀中期,刀具材料以高速鋼為主要代表;1927年德國首先研製出硬質合金刀具材料並獲得廣泛應用;二十世紀五十年代,瑞典和美國分別合成出人造金剛石,切削刀具從此步入以超硬材料為代表的時期。二十世紀七十年代,人們利用高壓合成技術合成了聚晶金剛石(PCD),解決了天然金剛石數量稀少、價格昂貴的問題,使金剛石刀具的應用範圍擴展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個領域。編輯文字的時候,提倡大家複製素材到微信公眾平台素材管理裏麵進行編輯,本編輯器不帶保存功能,大家使用時候注意!

性能特點
 
 
 

金剛石刀具具有硬度高、抗壓強度高、導熱性及耐磨性好等特性,可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。金剛石刀具的上述特性是由金剛石晶體狀態決定的。在金剛石晶體中,碳原子的四個價電子按四麵體結構成鍵,每個碳原子與四個相鄰原子形成共價鍵,進而組成金剛石結構,該結構的結合力和方向性很強,從而使金剛石具有極高硬度。由於聚晶金剛石(PCD)的結構是取向不一的細晶粒金剛石燒結體,雖然加入了結合劑,其硬度及耐磨性仍低於單晶金剛石。但由於PCD燒結體表現為各向同性,因此不易沿單一解理麵裂開。

 

主要指標


①PCD的硬度可達8000HV,為硬質合金的8~12倍;

②PCD的導熱係數為700W/mK,為硬質合金的1.5~9倍,甚至高於PCBN和銅,因此PCD刀具熱量傳遞迅速;

③PCD的摩擦係數一般僅為0.1~0.3(硬質合金的摩擦係數為0.4~1),因此PCD刀具可顯著減小切削力;

④PCD的熱膨脹係數僅為0.9×10^-6~1.18×10^-6,僅相當於硬質合金的1/5,因此PCD刀具熱變形小,加工精度高;

⑤PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小,在加工過程中切屑不易粘結在刀尖上形成積屑瘤。

 

       
 

 

製造技術
 
 
 

製造過程

PCD刀具的製造過程主要包括兩個階段:①PCD複合片的製造:PCD複合片是由天然或人工合成的金剛石粉末與結合劑(其中含鈷、鎳等金屬)按一定比例在高溫(1000~2000℃)、高壓(5~10萬個大氣壓)下燒結而成。在燒結過程中,由於結合劑的加入,使金剛石晶體間形成以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等為主要成分的結合橋,金剛石晶體以共價鍵形式鑲嵌於結合橋的骨架中。通常將複合片製成固定直徑和厚度的圓盤,還需對燒結成的複合片進行研磨拋光及其它相應的物理、化學處理。②PCD刀片的加工:PCD刀片的加工主要包括複合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步驟。

 

切割工藝

由於PCD複合片具有很高的硬度及耐磨性,因此必須采用特殊的加工工藝。目前,加工PCD複合片主要采用電火花線切割、激光加工、超聲波加工、高壓水射流等幾種工藝方法,其工藝特點的比較見表1。

表1 PCD複合片切割工藝的比較

工藝方法-工藝特點

電火花加工-高度集中的脈衝放電能量、強大的放電爆炸力使PCD材料中的金屬融化,部分金剛石石墨化和氧化,部分金剛石脫落,工藝性好、效率高

超聲波加工-加工效率低,金剛石微粉消耗大,粉塵汙染大

激光加工-非接觸加工,效率高、加工變形小、工藝性差

在上述加工方法中,電火花加工效果較佳。PCD中結合橋的存在使電火花加工複合片成為可能。在有工作液的條件下,利用脈衝電壓使靠近電極金屬處的工作液形成放電通道,並在局部產生放電火花,瞬間高溫可使聚晶金剛石熔化、脫落,從而形成所要求的三角形、長方形或正方形的刀頭毛坯。電火花加工PCD複合片的效率及表麵質量受到切削速度、PCD粒度、層厚和電極質量等因素的影響,其中切削速度的合理選擇十分關鍵,實驗表明,增大切削速度會降低加工表麵質量,而切削速度過低則會產生“拱絲”現象,並降低切割效率。增加PCD刀片厚度也會降低切割速度。

 

焊接工藝

PCD複合片與刀體的結合方式除采用機械夾固和粘接方法外,大多是通過釺焊方式將PCD複合片壓製在硬質合金基體上。焊接方法主要有激光焊接、真空擴散焊接、真空釺焊、高頻感應釺焊等。目前,投資少、成本低的高頻感應加熱釺焊在PCD刀片焊接中得到廣泛應用。在刀片焊接過程中,焊接溫度、焊劑和焊接合金的選擇將直接影響焊後刀具的性能。在焊接過程中,焊接溫度的控製十分重要,如焊接溫度過低,則焊接強度不夠;如焊接溫度過高,PCD容易石墨化,並可能導致“過燒”,影響PCD複合片與硬質合金基體的結合。在實際加工過程中,可根據保溫時間和PCD變紅的深淺程度來控製焊接溫度(一般應低於700℃)。國外的高頻焊接多采用自動焊接工藝,焊接效率高、質量好,可實現連續生產;國內則多采用手工焊接,生產效率較低,質量也不夠理想。

 

刃磨工藝

PCD的高硬度使其材料去除率極低(甚至隻有硬質合金去除率的萬分之一)。目前,PCD刀具刃磨工藝主要采用陶瓷結合劑金剛石砂輪進行磨削。由於砂輪磨料與PCD之間的磨削是兩種硬度相近的材料間的相互作用,因此其磨削規律比較複雜。對於高粒度、低轉速砂輪,采用水溶性冷卻液可提高PCD的磨削效率和磨削精度。砂輪結合劑的選擇應視磨床類型和加工條件而定。由於電火花磨削(EDG)技術幾乎不受被磨削工件硬度的影響,因此采用EDG技術磨削PCD具有較大優勢。某些複雜形狀PCD刀具(如木工刀具)的磨削也對這種靈活的磨削工藝具有巨大需求。隨著電火花磨削技術的不斷發展,EDG技術將成為PCD磨削的一個主要發展方向。

 

 

 

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