一、超硬材料发展历程

1955年，美国GE公司采用高温高压方法获得人造金刚石。

1957年，采用高温高压方法合成立方氮化硼（CBN）。这些人造材料极大丰富了材料体系，开辟了"超硬材料"新领域。

早期这些材料在机械加工领域主要用作磨料。1977年，GE公司成功开发金刚石烧结体（PCD）和CBN烧结体（PCBN）并制成刀片，使人造超硬材料应用从磨削扩展到切削领域，推动了切削加工技术发展。

实践表明，切削有色金属时，金刚石刀具耐用度相比硬质合金刀具可提升数十至数百倍。立方氮化硼（CBN）应用范围虽不及金刚石广泛，但在加工淬硬黑色金属方面表现突出。诸多切削加工理念，如绿色加工、以车代磨、以铣代磨、硬态加工、高速切削、干式切削等，都因超硬材料应用而得以实现。超硬刀具已成为推动现代切削技术向高端发展的重要因素。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

二、超硬材料分类与特点

金刚石类

天然单晶

人造单晶

聚晶复合片

CVD厚膜金刚石

氮化硼类

聚晶复合片

整体CBN烧结片

2.1 单晶金刚石

早期高端高精度刀具采用天然单晶金刚石制造，由于天然金刚石属于不可再生资源，目前国内市场90%以上单晶金刚石为人造单晶。纯金刚石材质耐磨性极高，可刃磨出非常锋利的刃口。

主要局限：

单晶金刚石具有各向异性，对加工要求较高

刀具制造受单晶自身尺寸限制

成本相对较高

2.2 聚晶复合片

高温高压条件下，由超硬微粉颗粒加结合剂制造而成，由硬质合金层与超硬材料层组成。目前约90%以上超硬材料刀具采用聚晶复合片制造。可切割成所需任意形状再制作刀具，质量可控。

主要局限：

由于结合剂与超硬材料颗粒特性，刃磨时存在最小微观崩刃问题

制造小型刀具难度较大

2.3 整体CVD厚膜金刚石片

在硅或金属钼基体上采用化学气相沉积方法沉积金刚石，金刚石膜稳定生长至所需厚度后从基体脱落，形成自支撑金刚石片。可根据需要采用激光切割、研磨抛光等工艺加工成各种形状使用。

主要特点：

相比单晶金刚石，厚膜金刚石为纯净金刚石，无各向异性，一致性好，耐磨性优异

相比PCD复合片，无金刚石颗粒与结合剂问题，可刃磨出良好切削刃和极小刀尖圆弧

可切割成任意形状

2.4 整体CBN

主要特点：

整体呈黑色，由CBN微粉与结合剂直接烧结而成，多用于机夹刀具

在铸铁加工、轧辊加工及各类粗加工领域（大切深、大余量、抗冲击）优势明显

三、超硬刀具制造工艺

                               

制造流程一般包括：基体制备、超硬材料选取与准备、钎焊、刃磨、检测。

3.1 基体制备

基体制备需考虑刀具实际使用条件，确保满足安装、定位及使用过程中的各项基本要求。

3.2 超硬材料选取与准备

               

选择合适的超硬材料，并加工成指定形状。

3.3 焊接方式

               

注：目前超硬材料采用钎焊方式较多。

钎焊特点：

钎焊接头强度高

钎焊接头韧性好

钎焊接头制作相对简便快速

钎焊可良好连接异种材料

钎焊温度相对较低

考虑因素：

合适焊料的选取

良好配合与合适间隙

洁净金属表面与适当粗糙度

零件适当保护

适宜加热方式

焊料选取参考：

金刚石聚晶复合片焊接一般采用银基焊料（膏）

氮化硼复合片焊接一般采用铜基焊料（膏）

单晶金刚石、整体CBN焊接（金属与非金属连接）通常采用活性焊料（膏）

配合间隙要求：

间隙过大：强度不足，间隙超过0.3mm时，不建议钎焊，此时焊接强度等同于焊料本身强度

间隙过小：毛细管作用不明显，钎料通过毛细管作用填满接头间隙

焊接后间隙控制在0.03-0.15mm较为合适。

四、常见问题解答

Q：CBN刀具主要应用场景有哪些？

A：高速切削：主要应用于普通灰铸铁领域。灰铸铁原材料成本上升和企业竞争加剧背景下，硬质合金刀片加工灰铸铁最高线速度通常不超过350m/min，超过则磨损加剧；而CBN刀具加工灰铸铁最高线速度可达1500m/min（不考虑机床刚性前提下），同时保持高耐磨性和良好工件表面质量。

重载切削：主要应用于高硬度铸铁/铸钢领域，如轧辊、大型设备泵体等。毛坯件加工余量大，需要兼具耐磨性和抗冲击韧性的切削刀具，CBN刀具一次吃刀深度可达10mm，可显著提高生产效率。

干式切削：加工各类材质时，CBN刀具均可采用干式切削方式。CBN刀具高温红硬性强，可在1200℃高温状态下正常切削，保持优异耐用度。同时减少切削液带来的成本，有助于保持良好生产环境。