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刀具用PCD復(fù)合片材料一枝獨(dú)秀

發(fā)布時(shí)間:2022-12-28
PCD復(fù)合片全稱是聚晶金剛石復(fù)合片(polycrystalline diamond compact,PDC),該產(chǎn)品按照用途細(xì)分為兩種:油田鉆探和切削刀具。為更好的區(qū)分二者,通常將油田鉆探用聚晶金剛石復(fù)合片簡(jiǎn)稱為PDC,切削刀具用聚晶金剛石復(fù)合片簡(jiǎn)稱為PCD復(fù)合片。

PCD復(fù)合片是采用金剛石微粉與硬質(zhì)合金襯底在超高壓高溫(5.5GPa以上,1500℃以上)條件下燒結(jié)而成的一種復(fù)合材料,這種材料不僅具有金剛石的高硬度和高耐磨性,同時(shí)還具有硬質(zhì)合金的韌性和可焊接性等特點(diǎn),是制造切削刀具、鉆井鉆頭及其他耐磨工具的理想材料。
我國(guó)于1987年在國(guó)產(chǎn)六面頂壓機(jī)上首次成功合成出了PDC,并應(yīng)用于鉆探領(lǐng)域,隨著設(shè)備及材料、工藝等多方面的改進(jìn)提高,在2003年才正式推出刀具用國(guó)產(chǎn)PCD復(fù)合片,此后我國(guó)PCD復(fù)合片質(zhì)量不斷改進(jìn)提高,近年來(lái)產(chǎn)量和質(zhì)量都有了長(zhǎng)足進(jìn)步。

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刀具用PCD復(fù)合片的性能特點(diǎn)

(1)與大單晶金剛石相比,作為刀具材料的PCD復(fù)合片具有以下優(yōu)點(diǎn):

①晶粒呈無(wú)序排列,各向同性,無(wú)解理面,因此它不像大單晶金剛石那樣在不同晶面上的強(qiáng)度、硬度以及耐磨性有較大區(qū)別,以及因解理面的存在而呈現(xiàn)脆性。


②具有較高的強(qiáng)度,特別是 PDC 材料由于有硬質(zhì)合金基體的支撐而有較高的抗沖擊強(qiáng)度,在沖擊較大時(shí)只會(huì)產(chǎn)生小晶粒破碎,而不會(huì)像單晶金剛石那樣大塊崩缺,因而 PCD 或 PDC 刀具不僅可以用來(lái)進(jìn)行精密切削加工和普通半精密加工,還可用作較大切削量的粗加工和斷續(xù)加工(如銑削等),這大大擴(kuò)充了金剛石刀具材料的使用范圍。


③可以制備大塊 PDC 金剛石復(fù)合片刀具坯料,滿足大型加工刀具如銑刀的需要。


④可以制成特定形狀以適合于不同加工的需要。由于 PDC 刀具大型化和加工技術(shù)如電火花和激光切割技術(shù)的提高,三角形、人字形以及其他異形刀坯均可加工成形。為適應(yīng)特殊切削刀具的需要還可設(shè)計(jì)成包裹式、夾心式與花卷式 PDC 刀具坯料。


⑤可以設(shè)計(jì)或預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能,賦予產(chǎn)品必要的特點(diǎn)以適應(yīng)它的特定用途。比如選擇細(xì)粒度的PDC 刀具材料可使刀具的刃口的質(zhì)量提高,粗粒度的 PDC 刀具材料能夠提高刀具的耐用度,等等。

(2)PCD復(fù)合片作為切削刀具用的性能與切削特點(diǎn)如下:

①PCD的硬度高,僅次于天然金剛石,而且它的硬度和耐磨性具有各向同性,即在各個(gè)方向上各種物理性能保持一致。


②具有極高的耐磨性,其耐磨性一般為硬質(zhì)合金的60~80倍。


③具有較低的摩擦系數(shù),因此在用相同的加工參數(shù)對(duì)同種材料進(jìn)行加工時(shí),使用PCD刀具可顯著降低切削力,降低切削溫度,同時(shí)由于摩擦系數(shù)的降低,工件表面光潔度也有極大的提高。


④具有很高的導(dǎo)熱性,是硬質(zhì)合金的1.5~7倍,可以大大的降低切削區(qū)的溫度,提高刀具耐用度。


⑤金剛石的線膨脹系數(shù)很小,所以加工精度好。

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刀具用PCD復(fù)合片應(yīng)用領(lǐng)域

聚晶金剛石復(fù)合片也屬于新型復(fù)合超硬材料,是《新材料產(chǎn)業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》中多次提到要重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)品,并且已成為高端機(jī)床加工的核心部件,被廣泛應(yīng)用于航天工業(yè)、軸承工業(yè)、汽車加工等多個(gè)領(lǐng)域。

根據(jù)統(tǒng)計(jì),目前聚晶金剛石復(fù)合片市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)300億元,同時(shí)隨著我國(guó)水泥工業(yè)、冶金工業(yè)、有色工業(yè)、化工工業(yè)、建筑骨料產(chǎn)業(yè)、鐵路及公路交通建設(shè)、地質(zhì)礦產(chǎn)勘探等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,國(guó)內(nèi)PCD復(fù)合片的需求還將以每年20%左右的速度遞增。
隨著 PCD復(fù)合片刀具材料的研究進(jìn)展,其應(yīng)用已經(jīng)迅速擴(kuò)展到許多制造工業(yè)領(lǐng)域,如鋁和鋁合金、銅和銅合金、硬質(zhì)合金、工程陶瓷、石墨、塑料、橡膠、層板、硅橡膠、巴氏合金、各種復(fù)合材料、玻璃鋼等。特別在汽車制造業(yè)、航天、航空、造船、發(fā)動(dòng)機(jī)制造行業(yè),可得到廣泛的應(yīng)用。
隨著新一代大型六面頂裝置不斷完善,合成腔體的不斷擴(kuò)大, PCD復(fù)合片材料正朝尺寸大型化,質(zhì)量不斷優(yōu)化的方向發(fā)展。PCD復(fù)合片尺寸規(guī)格的大型化是超高壓高溫技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物,合成腔體的不斷擴(kuò)大,為大直徑PCD復(fù)合刀具材料的制造創(chuàng)造了必要條件。

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