【原】课程直击！一课搞懂超硬刀具之未来

DT_Carbontech 2021-01-20

展开全文

寇自力

四川大学，研究员

《超硬刀具的最新进展》

1. 市场预测

2. 超硬刀坯的最新进展

3. 制造设备的发展

4. 超硬刀具的典型应用

5. 超硬刀具的展望

超硬刀具市场究竟有多大

自1963年中国第一颗人造金刚石诞生后，超硬材料已逐步形成相对完整而庞大的市场格局。近年来，随着国内GDP总值不断攀升，从2015年的68.6万亿到2019年，突破近100万亿，我国工具制造业同样得到高速发展。

根据中国机床工具工业协会工具分会的统计、调查及分析，对我国刀具市场消费总规模、进出口进行了测算。我国刀具市场总消费规模从2017年的388亿元人民币增加到2018年的421亿元，同比增长8.5%。

随着制造业升级对于切削刀具质量的提高，切削刀具的市场结构也在持续变化。目前工业切削刀具主要分为高速钢、硬质合金、陶瓷以及超硬材料四类产品。

近年来，超硬材料切削刀具市场占比稳步扩大，开始挤占原硬质合金、陶瓷切削刀具市场份额。按照我国超硬刀具占切削工具9%的比例保守估计，2018年我国超硬刀具市场规模约为42亿元，2019年市场销量维持在40万亿元（9%），其中，国外供应商与国内供应商各占1/2(20亿元)。

目前，现代制造业刀具正在向“高速、精密、复合、智能和环保”的方向大步前进。在轿车制造业，大量采用“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的超硬刀具刀具，替代了传统标准刀具。生产效率获得极大的提高。

另外，在日新月异的电子产品制造业中，例如加工手机、平板电脑等3C产品，由于成功地引入了“高精度、高速、高稳定性的超硬刀具”使其加工效率成倍提高，产品质量稳定性大幅度提高，加工质量显著提高，而加工成本并不增加。

超硬刀具以高速、精密、复合、智能和环保的特性在众多材料中脱颖而出，其未来大有可为，充满机遇。

超硬刀坯的新进展

超硬刀坯主要分为：PCD刀坯、PCBN刀坯、NPD刀坯、NPCBN刀坯、NPCBN刀坯，其中后两种刀坯由于需要较高压合成，尺寸较小，成本较高，市场上运用较小，超硬刀坯的主力军仍然是PCD/PCBN/MCD。

1. PCD刀坯的发展

(1) 细粒度PCD刀坯（0.5µm)

(2) 混合粒度（30+2µm）PCD刀坯

(3)纳米多晶金刚石（NPD)

NPD刀坯合成温度压力较高，往往是需要15GPa，2500K，不同于单晶，具有各向同性，其韧性，硬度更好，将成为未来的PCD之王。

2. PCBN刀坯的发展

PCBN刀坯在原有的高CBN含量、中CBN含量、低CBN含量的基础上，更专业的PCBN牌号越来越多，主要表现在：人们在CBN材料、粘接剂材料、涂层工艺上做文章，其中新型的无粘接剂亚微米PCBN显示出优越性。

其发展历史可追溯到以下足迹：

1.法国的Solozhenko--Advanced Materials, 2012, 24

用具有“理想乱层结构”的石墨状氮化硼（PBN）为初始粉末，在压力为20GPa，温度为1770K的实验条件下烧结合成出具有混有少量wBN的PcBN样品：

其新能指标为

发现晶粒尺寸细至14nm；

样品的维氏硬度达到85GPa；

断裂韧性10.5MPam1/2；

热稳定性达到1460K；

各项性能均超过单晶cBN！！

2. 燕山大学的田永君等人-. Nature, 2013, 493.

利用洋葱状氮化硼（oBN），这种经特殊制备的初始粉末，在条件为压力25GPa，温度1900K，烧结得到的纯相纳米孪晶PcBN：

晶粒中出现大量的纳米孪晶结构（平均孪晶厚度3.8nm）；样品显微硬度达到108GPa；

断裂韧性12MPam1/2；

热稳定性达到1567K

3. 四川大学刘国端Applied Physics Letters, 2015, 106

利用亚微米（0.2-0.5μm）立方氮化硼粉末，在8GPa，2300K条件下，烧结得到较大尺寸的聚晶立方氮化硼（简称为SM-cBN），其直径为6.5mm，高度为4mm：

样品的硬度HV=75GPa(在3kg负载下）；

热稳定性（1525K）；

断裂韧性（13.2MPa m1/2）；

均超过cBN单晶。

切削实验：刀具寿命-超过市场上的商业PcBN

3. MCD刀坯的发展

MCD刀坯在中国的批量化生产，进一步把单晶金刚石刀具进一步降低，成为了普通刀具市场产品

4. 四川大学在超硬刀具的贡献与研究之路

四川大学国产六面顶采用二级增压的方式，将压力提升，从2006年-2017年，一届又一届的科研人的努力……

制造设备引领了超硬刀具的发展

没有金刚钻，揽不了瓷器活，装备不佳，产品质量堪忧，不能满足现代业制造的需求。对于超硬刀具来说，主要有三种加工设备，分别为：

1.PCD刀具数控机械磨削机床

超硬刀具不同于硬质合金刀具的设备，只有金刚石本身才能打磨金刚石，用高速金刚石打磨低速金刚石，要有一定的压力，不可控

2. PCD刀具EDM机床（丝、轮）

滑动查看更多图片

电腐蚀机床，非接触式，可以用来做微钻，

3. PCD刀具激光加工机床

激光切割优点：增加刀具寿命，切割不同材料，效果更好

超硬刀具的典型应用

1. PCD木工刀具

PCD锯片已经由几千元下降到几百元；PCD锣刀随着雕刻机及加工中心的应用也越来越普及；PCD家具镂铣刀、PCD线刀也是未来家具制造的发展方向。

2. 电子行业PCD铣刀

PCD铣刀在数控雕刻机及专机上使用的越来越多；例如IPAD的内框PCD铣削刀具、IPHONE的倒角刀、小孔铣刀、高光MCD刀等

3. 汽车行业PCD刀具

主要应用：发动机缸盖加工PCD刀具，活塞加工PCD刀具，汽车空调PCD刀具，铝合金零件孔加工PCD铰刀

4.飞机制造中的超硬刀具

主要分为飞机的碳纤维加工PCD铣刀、钻头、飞机蒙皮铆钉孔PCD锪刀、导弹翼加工PCD铣刀

5. 核电行业碳堆加工的PCD刀具

6. PCD麻花钻

7. PCBN刀具的应用

PCBN缸体镗孔刀具、PCBN座圈刀具、PCBN变速箱刀具

8. MCD单晶金刚石刀具

9. NPD刀具

超硬刀具的展望

近年来我国超硬刀具增长势头明显。在国内，CNC加工技术的迅猛发展以及数控机床的普遍使用，超硬刀具的生产及应用也越来越广泛。PCD和PCBN刀具已广泛应用于机械、冶金、地质、石油、煤炭、石材、建筑等传统领域，电子信息、航天航空、国防军工等高技术领域以及汽车、家电等新兴产业。超硬刀具极大地促进了切削加工及先进制造技术的飞速发展，同时超硬刀具的市场也在不断地扩大。

未来5年内，超硬刀具及新应用将占到刀具市场的≥10%份额。NPD/MPD;NPCBN/MPCBN等将步入市场。

灵魂问答

纳米pcd/cbn和住友的无结合剂金刚石是完全一个物质么？有什么其他材料不可替代的应用场合？

MCD价格几十元都可以买到了，多晶毕竟有晶界，性能优势和价格优势都存在么？

寇老师，您对超硬刀具未来十年的发展趋势，怎么看？

都在研究增材制造刀具工艺，不知道前景如何？

超硬刀具在精密加工有哪些发展前景？

目前，NPD和MPD的焊接工艺？

NPD用什么机床研磨？气浮的？

NPD和MPD焊接当时也是用真空焊接吗？有其他焊接方式吗？

寇老师，binderless 的 pcbn 和 npd ， BCN/BC3C这三种材料你们实验室是否做过切削试验，对比传统的pcbn和pcd 。

寇老师，您说目前NPD生产尺寸比较小，并且生产条件比较高，那么你认为性能这么优异的NPD工业化使用有没有可能？