介紹
超硬刀具材料是指比陶瓷材料更硬的刀具材料。主要分兩類五種：
1.金剛石類
包括：天然和人工合成單晶金剛石、聚晶金剛石(PCD)及其複合片（PDC）、CVD金剛石三種。
2.立方氮化硼類
包括：聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD立方氮化硼塗層。
其中以人造金剛石複合片(PCD)刀具及立方氮化硼複合片(PCBN)刀具占主導地位。
許多切削加工概念，如綠色加工、以車代磨、以銑代磨、硬態加工、高速切削、乾式切削等都因超硬刀具的套用而起，故超硬刀具已成為切削加工中不可缺少的重要手段。PCD和PCBN刀具已廣泛套用於機械加工的各個行業，如汽車零部件的切削加工，強化木地板的加工等，極大地促進了切削加工及先進制造技術的飛速發展。
詳細信息
二、超硬刀具材料發展史時間 超硬材料 公司方法指標用途
1955 人造金剛石 GE 高溫高壓 磨料
1957 立方氮化硼 GE 高溫高壓 磨料
1977 PCD，PCBN GE 高溫高壓刀具
1995 人造單晶金剛石 5MM 刀具
人造單晶CBN 刀具
類金剛石膜 刀具
金剛石薄膜 CVD 刀具
金剛石厚膜 CVD 2.3MM 刀具
三、金剛石、超硬材料的特性與作用
眾所周知，金剛石材料的成分是碳，金剛石與鐵系有親和力，切削過程中，金剛石的導熱性優越，散熱快，但是要注意切削熱不宜高於700度，否則會發生石墨化現象，工具會很快磨損。因為金剛石在高溫下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會發生反應，與黑色金屬(鐵碳合金)在加工中會發生化學磨損，所以，金剛石不能用於加工黑色金屬只能用在有色金屬和非金屬材料上，而CBN即使在1000度的高溫下，切削黑色金屬也完全能勝任。已成為未來難加工材料的主要切削工具材料。一般超硬材料指的是人造金剛石、人造CBN。這兩種材料的同時存在，起到了互補的作用、可以覆蓋當前與今後發展的各種新型材料的加工，對整個切削加工領域極為有利。
1．PCD
金剛石燒結體（PCD）的出現，在許多方面代替了天然單晶金剛石。PCD與天然金剛石比較，價格便宜，且刃磨遠比天然金剛石方便，所以其套用、推廣特別迅速。在大量湧現的新材料中，大部分都是難加工材料，如高矽鋁合金，汽車發動機的活塞大量採用這種材料。一般，含矽量低於10%的鋁合金，用硬質合金切削工具即可，但含矽量超過10%,就只能藉助PCD。當前採用的高矽鋁合金含矽量均在12%以上，有的已達18%以上，所以非PCD莫屬。
但是，由於PCD的種類很多，有合理選擇的必要。其粒度、濃度等都會影響到硬度、耐磨性等性能。因此，在套用中也必須根據被加工材料的種類。硬度等特性來考慮合理的各種參數。PCD在國內外的生產已十分普及，但是質量有較大的差異，因此在價格上出入很大。
2．PCBN
立方氮化硼燒結體（PCBN）是CBN顆粒與結合劑一起燒結而成，硬度僅次於金剛石，與黑色金屬無親和力。但是，PCBN不適於切削一般的鋼件。PCBN刀具材料性能如下：
（1） 具有較高的硬度和耐磨性。
BN晶體結構與金剛石相似，化學鍵類型相同，晶格常數相近，因此具有與金剛石相近的硬度和強度。CBN微粉的顯微影度為HV8000-9000，其燒結體PCBN的硬度為HV3000-5000。
（2） 具有很高的熱穩定性。
CBN的耐熱性可達1400-1500℃，PCBN在800℃時的硬度還高於陶瓷和硬質合金的常溫硬度。
（3） 具有優良的化學穩定性。
由於PCBN耐高溫，在大氣和水蒸氣中，在900℃以下無任何變化 且穩定，甚至在1300℃時，和Fe、Ni、Co等也幾乎沒有反應，更不會像金剛石那樣急劇磨損，這時它仍能保持硬質合金的硬度，因此，它不僅能切削淬火過的鋼零件或冷硬鑄鐵，而且能被廣泛套用於高速或超高速的切削工作上。
（4） 具有較好的導熱性。
在各類刀具材料中，CBN的導熱性僅次於金剛石，大大高於硬質合金，而且隨著溫度的升高，PCBN的導熱係數是增加的。
（5） 具有較好的摩擦係數。
與不同材料間的摩擦係數CBN為0.1-0.3,硬質合金為0.4-0.6,隨著切削速度的提高, 摩擦係數是減小的。
3．超硬材料塗層切削工具
CVD、PVD等技術的出現，是切削工具領域中的一次重大的革命。它的出現立即引起了機械製造領域的巨大反響，理想的切削工具應當是既有硬的表面，又有高的韌性，塗層技術便達到了這個目標。
最早的塗層材料都是陶瓷性質的物質，如TiN、TiC、Al2O3等，近年來，塗層技術又有了很大的發展。超硬材料塗層正在得到全面套用，許多產品相繼出現在市場上。超硬材料塗層的發展，使整個現有的切削工具的性能都明顯得到了提高，面對當前大量湧現的難加工材料，這些新發展的塗層技術將有巨大的適應能力，前景相當喜人?br> 超硬材料塗層的種類共有三大類，即類金剛石、金剛石和CBN。這些塗層材料均為純金剛石或純CBN,所以硬度與沉積的材料是相同的，和PCD與PCBN相比，因不含結合劑，所以硬度、耐磨性等均有較大的提高。
金剛石塗層和CBN塗層的性能與原材料是相同的，只是薄膜而已，使用時與陶瓷塗層類同。
4.厚膜金剛石
金剛石薄膜的合成技術和套用研究在全球範圍發展極為迅速，形成了"金剛石薄膜熱"。在這十多年內，氣相合成的方法發展到二十多種，一般沉積的速度每小時只1～2um,如何加快沉積速度一直是人們研究的課題。在近期沉積速度發展到了100um/h以上，最高達到930um/h。我們稱之為厚膜金剛石。厚膜金剛石 是純金剛石，其硬度接近天然金剛石，而PCD、PCDN是金剛石粉與結合劑混合在一起燒結而成，因此硬度受到結合劑的影響，其硬度不如前者。我國已成功地掌握了這門技術，最大的沉積厚度達到了2.3mm。現在已商品化，進入了國際先進行列。
厚膜金剛石不同於PCD之處是沒有結合劑，是純金剛石，所以它的硬度高得多，與天然金剛石不同，它具有各向同性，成本低，因此在許多方面將取代PCD。用作拔絲模將是均勻磨損，因此拔絲的線材質量明顯優於天然金剛石模具。如果沉積質量進一步提高，在超精密加工中也有取代天然金剛石的可能，因此頗受超精密領域的重視。
總之，金剛石和超硬材料由於性能優越，套用不斷地在擴大，已從金屬加工發展到了光學玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等傳統加工難進行的領域，對各種工業的發展將起到巨大的推動作用，前景十分廣闊。
如何選用
1、切削用量的選擇。使用超硬刀具的最佳切削用量的組合是高切削速度、小切深、小進給量。不同的被加工材料有不同的切削用量取值範圍，具體可參照工具廠家提供的數據。PCBN刀具在高速條件下切削硬質材料時，由於金屬軟化效應的作用，其壽命要高於低速，因此，使用PCBN刀具時要儘量採用較高的切削速度。
2、刀片材質的選擇。
首先要根據加工對象選擇合適的複合片材質牌號，要注意超硬材料的粒度、含量及粘接劑的種類。
3、刀具刃口形式的選擇。
4、PCBN刀具的分類 PCBN刀具分為焊接式PCBN刀具和整體式PCBN刀具，其中焊接式PCBN刀具主要用於精加工工序中，整體式PCBN刀具由於通體都是一種材料，所以，常用於粗加工和半精加工中。以下簡單介紹幾種焊接式PCBN刀具和整體式PCBN刀具。 1、焊接式PCBN刀具 1）BN-H10 BN-H10優勢在於：硬度高，耐磨損性和耐崩損性均衡,可高速切削。主要用於淬火鋼和高強度鑄鐵的精加工工序，主要工況是連續切削，吃刀深度控制在0.3mm之內，適合加工材料：軸承，齒輪，齒輪軸，恆速聯軸節；珠光體球墨鑄鐵等。 2）BN-H20 BN-H20優勢在於：耐磨性和抗衝擊性兼優，刀片夾緊方式更靈活，多刃口數量，降低加工成本。主要用於淬火鋼和難加工材料的精加工工序中，主要工況是中等斷續切削，適合加工材料：灰鑄鐵材料：如剎車盤，制動鼓，淬火鋼材料：如齒輪。 2、整體式PCBN刀具 1）BN-K1 BN-K1的優勢在於：硬度高，耐磨性好，耐崩損性及高溫抗斷裂性能優異。主要用於高硬度鑄鐵，合金鑄鐵的粗加工，吃刀深度無限制，適合加工材料：高硬度鑄鐵材料，高合金鑄鐵材料或耐磨鑄鐵材料：如軋輥，工業泵。 2）BN-S20 BN-S20的優勢在於：硬度高，耐磨性好和抗衝擊性強，主要用於高硬度鑄鋼，高硬度合金鋼的粗加工，或強斷續切削工序，根據工具機剛性調整吃刀深度，切削速度和進給量，適合加工材料：高硬度鑄鋼材料，高硬度合金鋼等材料：如高硬度鑄鐵/鑄鋼軋輥，滾珠絲槓，風電軸承，石油鑽桿耐磨層。
