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  • 一文秒懂聚晶金剛石PCD


    發布時間:

    2021-02-01

    聚晶金剛石(Polycrystalline Diamond,簡稱PCD)是20世紀70年代以來國際上開始研究使用的新型超硬材料,它是在高溫1400℃、高壓6GPa下燒結形成的。

    聚晶金剛石(Polycrystalline Diamond,簡稱PCD)是20世紀70年代以來國際上開始研究使用的新型超硬材料,它是在高溫1400℃、高壓6GPa下燒結形成的。

    聚晶金剛石既是工程材料,又是新型的功能性材料;既是高新技術產品,又是高效益的產品。隨著現代工業和科學技術的發展,聚晶金剛石以其優良的力、熱、化學、聲、光、電等性能,在現代工業、國防和高新技術等領域中得到日益廣泛的應用。

     聚晶金剛石刀具已成為現代切削加工中不可缺少的必要手段。這主要體現在以下幾個方面:

      (1)   高速切削、高穩定性加工

      (2)  超精密鏡面加工

      (3) 干式切削、清潔化加工

                                                                                性能介紹

    (1)  高的硬度和耐磨性   

    聚晶金剛石的硬度高達10000HV左右,是目前世界上人造物質中最硬的材料,比硬質合金及工程陶瓷的硬度高得多,由于聚晶金剛石硬度極高,并且各向同性,因而具有極佳的耐磨性。

    (2) 摩擦系數低

    聚晶金剛石與一些有色金屬的摩擦系數比其它材料都低,約為硬質合金的1/2左右。低的摩擦系數不僅使變形和切削力降低,而且使切削時不產生積屑瘤,因而降低了加工表面粗糙度。

     (3) 導熱率高

    聚晶金剛石的導熱率很高,比銀、銅還要好,比一般硬質合金高得多,因此在切削過程中切削熱容易散出,故切削溫度較低。

    (4) 加工精度高

    由于聚晶金剛石刀具具有較低的熱膨脹系數和很高的彈性模量,因而在切削過程中刀具不易變形,在切削力的作用下刀具能保持其原始參數,長期保持鋒利,切削精度高。所以使用PCD刀具進行加工時,可以減小切削力和降低切削溫度,提高刀具耐用度和切削率,獲得良好的加工表面。

    主要問題:PCD材料的高硬度和高耐磨性造成成型和表面光整加工非常困難,嚴重妨礙了它的推廣應用。 

    常用加工方法:電火花加工、激光加工、化學加工、超聲加工。   

     理想加工方法:磨削或研磨加工。

     

                                                                      加工工藝介紹        

    磨削加工

    鑒于聚晶金剛石的高硬度和耐磨性,其磨削加工主要有金剛石砂輪磨削、放電磨削和電解磨削等方式,其中最簡單、有效的磨削加工方式是金剛石砂輪磨削。在實際加工過程中,也可根據需求采用不同磨削方式組合加工。      

    (1) 金剛石砂輪磨削      

    金剛石砂輪磨削加工聚晶金剛石時,在砂輪和工件之間的接觸壓力和磨削力較大,要求磨削加工系統具有足夠的剛度和高精度。近年來,許多國家都在研制和發展磨削加工聚晶金剛石(也包括聚晶立方氮化硼)的專用磨床和砂輪。如日本大阪金剛石工業公司研制的CPG系列高剛度金剛石工具精密磨床和CP系列高效專用金剛石砂輪       

    (2) 聚晶金剛石的ELID鏡面磨削      

    在線電解修整砂輪(ELID)精密鏡面磨削技術是日本理化學研究所大森整博士八十年代末期開發的超精密加工新技術。其基本原理是在磨削過程中,利用非線性電解修整作用和金屬結合劑超硬磨料砂輪表層氧化物絕緣層對電解抑制作用的動態平衡,對砂輪進行連續修銳修整,使砂輪磨粒獲得恒定的突出量,從而使砂輪始終以最佳磨削狀態連續進行加工,它適用于硬脆材料的精密鏡面磨削。      

    用金屬結合劑的金剛石砂輪和ELID精密鏡面磨削技術加工聚晶金剛石可以得到很好的效果,是一種聚晶金剛石精密加工的新途徑,具有很大的推廣價值和應用前景。     

    (3) 電火花磨削        

    電火花加工過程中脈沖發生器的特性非常重要,特別是加工PCD材料,PCD具有一定的導電率、好的導熱率和很高的熔點,因此傳統的電火花加工聚晶金剛石非常困難。        

    電火花磨削PCD的蝕除機理包括:金剛石的氣化、金剛石的氧化、金剛石向石墨和非晶碳的轉化、電火花放電產生的拋出力作用、熱應力在金剛石表面產生微裂紋以及金剛石晶粒的斷裂破碎等。其中金剛石的石墨化在電火花拋光金剛石膜的過程中起關鍵作用,不僅起導電作用,維持放電通道的存在,使金剛石膜凸出尖峰頂部得以氣化,而且金剛石的石墨化—氧化過程不斷地進行,從而將金剛石蝕除。   

    電火花加工和電火花磨削加工聚晶金剛石是高效低成本的加工方法,但是,它們不能有效地加工大面積的聚晶金剛石。     

    研磨加工     

    聚晶金剛石常用的研磨加工主要有三種方法:一種是使用樹脂結合劑細粒度的金剛石砂輪進行精密研磨;另一種是使用淬火的高硬度鋼盤(或瑪瑙盤),并且不加任何磨料直接進行研磨加工;還有一種是使用高速旋轉的鑄鐵盤,輔之以金剛石微粉進行研磨加工。研磨加工可作為聚晶金剛石的精拋工藝,是制造聚晶金剛石工具的重要一環。    

    (1) 聚晶金剛石的金剛石砂輪研磨加工  

    金剛石砂輪研磨加工聚晶金剛石與砂輪磨削加工類似,只是選擇砂輪的型號不同,研磨一般選用濃度為50%- 70%,粒度為W40- W7的樹脂結合劑的砂輪。采用金剛石砂輪研磨加工聚晶金剛石時,由于砂輪中金剛石磨粒對PCD材料的研磨實質上是兩種硬度、性質相近的物體之間相互作用的過程,與傳統的研磨過程具有本質的區別,所以PCD研磨機理、研磨工藝具有自身的特點。      

    (2) 聚晶金剛石的高速鋼盤研磨加工 

    高速鋼盤研磨加工聚晶金剛石,其基本原理是PCD工件在一定的壓力下與高速旋轉的高速鋼盤之間發生摩擦,產生摩擦熱,使滑動界面的溫度升高,滑動界面(研磨面)上產生的高溫,有利于PCD中滑動界面的金剛石晶粒產生氧化、石墨化、擴散、粘結以及熱應力破碎等,從而達到研磨的目的。      

    由金剛石的化學性質可知,一些金屬元素能與其產生化學反應,促使其解體。如果研磨盤本身材料中含有上述金屬元素成分,會促使研磨滑動界面的金剛石產生擴散、粘結、熱蝕等作用,有助于提高研磨加工的效率。但研磨滑動界面的溫度不宜過高,否則會影響研磨加工表面質量。       

    (3) 聚晶金剛石的磨料研磨加工  

    聚晶金剛石的磨料研磨加工是傳統的加工方法之一,在磨料研磨加工過程中,晶粒的解理性脆斷是研磨PCD過程中主要的去除方式之一;鋒利的磨粒以很高的速度和適當的壓力劃過PCD,在金剛石晶粒表面產生大量的損傷性劃痕,這些劃痕可以分為塑性劃痕和脆性劃痕,這種方式也是PCD材料重要的機械去除方式。除此以外還有石墨化去除、熱蝕去除、擴散去除、氧化去除等多種熱化學去除方式,但熱化學去除方式在研磨PCD材料去除中不占主要地位。磨料研磨加工精度較高,但效率極低。但當輔助以超聲進行研磨時,效率會大大提高。

    其他加工方法:      

    (1) 電火花線切割

      電火花線切割機

      電火花線切割加工通過電極絲與工件之間局部區域的脈沖放電來實現工件材料的切割加工,它是PCD切割加工常用的方法之一。電火花線切割聚晶金剛石大多用來制作機加工刀具、地質鉆頭以及拉絲磨具,這些工件模具形狀復雜、多變,用電火花線切割機床進行成形加工是目前經濟可行的良好途徑。        

    (2) 激光加工        

    激光加工聚晶金剛石的機理是:一束能量密度極高的激光束照射到聚晶金剛石表面上,部分光能即被表面吸收并轉化成熱能,照射斑點的局部區域溫度迅速上升到上萬度,使聚晶金剛石材料局部熔化甚至汽化并形成陷坑。與此同時也開始了熱擴散,結果斑點周圍材料也熔化。隨著激光能量的繼續吸收,陷坑中蒸汽膨脹,壓力加大,熔融物以爆炸形式被高速噴射出來,噴射所產生的反沖壓力又在工件內部形成一個方向很強的沖擊波。這樣聚晶金剛石就在高溫熔融汽化和沖擊波的作用下蝕除部分物質,形成激光蝕坑。       

    激光加工屬非接觸加工,在PCD材料加工中具有優異的特點,可加工高純度的PCD材料(如多晶金剛石膜),加工變形及熱變形均很小,而且激光加工速度快、效率高,是一種較為有效的加工方法。特別是在微孔加工和不導電的超硬材料加工方面更顯示出其優越性。但還存在尺寸精度和重復精度難以控制,以及加工表面有微石墨化現象等問題,還需精修。目前只能用于粗加工或半精加工。激光加工材料時起決定作用的激光參數是脈沖寬度、最大脈沖功率及平均脈沖功率。  

    (3) 化學加工        

    聚晶金剛石的化學加工是根據金剛石可溶于熔融的鉀硝石、鈉硝石和磷酸鈉這一特性,采用熔融硝鹽對聚晶金剛石進行溶解,鑒于表面自由能分布狀態及自由焓降低原理,可使聚晶金剛石表面逐漸由粗糙變光滑。同時由于氧化反應可在金剛石表面生成一種氧化膜,可通過研磨去除,再繼續溶解。     

    (4) 超聲加工       

    聚晶金剛石的超聲波加工是采用金剛石微粉(1-50um)作游離磨粒進行加工,影響超聲波加工PCD材料的因素主要有振動頻率、振幅、金剛石微粉尺寸、PCD材質、單位壓力、加工面積等。目前聚晶金剛石超聲加工包括超聲磨削和超聲研磨加工等方式,多用于PCD內孔和PCD拉絲模具、噴砂模具的加工。超聲磨削法的核心部件是軸向一面做超聲振動,一面作高速回轉的超聲磨削裝置。

     


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