Керамические вставки против твердого сплава против CBN против PCD

В мире механической и металлообрабатывающей промышленности выбор правильного материала режущего инструмента имеет решающее значение для достижения оптимальной производительности, эффективности и рентабельности. В этом подробном руководстве рассматриваются основные различия между пластинами из кермета, твердого сплава, кубического нитрида бора (CBN) и поликристаллического алмаза (PCD). Понимая уникальные свойства, области применения и стоимость каждого материала, вы будете лучше подготовлены к принятию обоснованных решений для ваших потребностей в обработке.

1. Введение: Передовой рубеж материаловедения

Когда речь заходит о материалах для режущего инструмента, сравнение керметных пластин с твердосплавными, CBN и PCD имеет большое значение для любого машиниста или производственного специалиста. Каждый из этих материалов имеет свои преимущества и ограничения, что делает их подходящими для различных областей применения и материалов заготовок. В этой статье мы рассмотрим все тонкости этих материалов для режущего инструмента и поможем вам уверенно ориентироваться в сложном мире обработки.

2. Керметные вставки: Лучшее из двух миров

Состав и свойства

Керметные вставки, являющиеся портманто из слов "керамика" и "металл", сочетают в себе твердость керамических материалов с прочностью металлических связующих. Обычно состоящие из частиц карбида титана (TiC) или карбонитрида титана (TiCN), соединенных со сплавом на основе никеля, керметные вставки обладают уникальным балансом свойств.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Более высокая износостойкость по сравнению с карбидом
• Отличная термическая стабильность
• Превосходные возможности обработки поверхности
• Хорошая химическая стабильность

Недостатки:

• Более низкая прочность по сравнению с твердым сплавом
• Более хрупкие, чем твердосплавные вставки
• Ограниченная доступность по сравнению с твердым сплавом

Приложения

Керметаллические вставки имеют превосходные характеристики:

• Финишная обработка стали и чугуна
• Высокоскоростная обработка мягких материалов
• Области применения, требующие превосходной обработки поверхности

3. Твердосплавные вставки: Универсальная рабочая лошадка

Состав и свойства

Твердосплавные вставкиИзвестные также как цементированный карбид, состоят из частиц карбида вольфрама (WC), соединенных с кобальтовой матрицей. Такой состав позволяет получить материал, сочетающий в себе твердость и прочность, что делает его пригодным для широкого спектра задач механической обработки.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Отличный баланс твердости и прочности
• Широкий ассортимент марок для различных областей применения
• Хорошая износостойкость
• Экономичность при выполнении многих операций обработки

Недостатки:

• Более низкая горячая твердость по сравнению с керамикой и сверхтвердыми материалами
• Может потребоваться покрытие для улучшения характеристик в определенных областях применения

Приложения

Твердосплавные вставки широко используются в:

• Общепромышленная обработка различных материалов
• Фрезерные, токарные и сверлильные работы
• Черновые и получистовые работы

4. Кубический нитрид бора (CBN): Специалист по стали

Состав и свойства

Кубический нитрид бора (CBN) - это синтетический сверхтвердый материал, уступающий по твердости только алмазу. Он создается путем воздействия высоких температур и давления на гексагональный нитрид бора, в результате чего образуется кубическая кристаллическая структура.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высочайшая твердость и износостойкость
• Отличная термическая стабильность
• Превосходная производительность при обработке закаленных сталей
• Химическая устойчивость при обработке черных материалов

Недостатки:

• Более высокая стоимость по сравнению с карбидом и керметом
• Хрупкость требует осторожного обращения и применения
• Ограниченная эффективность при работе с мягкими материалами

Приложения

CBN преуспевает в:

• Обработка закаленных сталей (>45 HRC)
• Высокоскоростная обработка чугуна
• Финишные операции, требующие жестких допусков

CBN против PCBN

Поликристаллический кубический нитрид бора (PCBN) - это разновидность КНБ, в которой частицы КНБ спекаются с керамическим или металлическим связующим. PCBN обладает повышенной прочностью по сравнению с чистым КНБ, что делает его пригодным для прерывистых операций резания и более разнообразных применений.

5. Поликристаллический алмаз (PCD): Специалист по цветным металлам

Состав и свойства

Поликристаллический алмаз (PCD) состоит из алмазных частиц, спеченных вместе с металлическим связующим, обычно кобальтом. В результате получается материал с исключительной твердостью и износостойкостью.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Непревзойденная твердость и износостойкость
• Отличная теплопроводность
• Превосходные возможности обработки поверхности
• Длительный срок службы инструмента в соответствующих областях применения

Недостатки:

• Высокая стоимость
• Химическая реактивность с черными материалами при высоких температурах
• Хрупкость требует осторожного обращения и применения

Приложения

Режущие инструменты PCD идеально подходят для:

• Обработка цветных металлов (алюминий, медь, латунь)
• Резка абразивных материалов (стекловолокно, композитные материалы из углеродного волокна)
• Сверхточные операции обработки

6. Сравнительный анализ: Керметные вставки против твердого сплава против КНБ против PCD

Сравнение твердости

При сравнении керметных пластин с твердосплавными, CBN и PCD твердость является решающим фактором. От самого мягкого до самого твердого:

1. Твердый сплав
2. Кермет
3. CBN
4. PCD

Важно отметить, что хотя PCD является самым твердым, он не всегда является лучшим выбором для любого применения из-за его ограничений при работе с черными материалами.

Сравнение стоимости

Стоимость этих материалов для режущего инструмента существенно различается. От наименее дорогого к наиболее дорогому:

1. Твердый сплав
2. Кермет
3. CBN
4. PCD

Более высокая стоимость CBN и PCD часто может быть оправдана их превосходными характеристиками и более длительным сроком службы инструмента в соответствующих областях применения.

Производительность в различных областях применения

• Керметные пластины: Лучше всего подходят для финишной обработки стали и чугуна, обеспечивая превосходную чистоту поверхности.
• Твердый сплав: Универсальный исполнитель, подходящий для широкого спектра материалов и операций.
• КНБ: Превосходно подходит для обработки закаленных сталей и чугуна, особенно на высоких скоростях.
• PCD: непревзойденная производительность при работе с цветными металлами и абразивными материалами.

7. Часто задаваемые вопросы

Является ли КНБ более твердым, чем карбид?

Да, КНБ значительно тверже карбида. По шкале твердости Кнупа твердость КНБ обычно составляет от 4000 до 5000 KHN, в то время как твердого сплава - от 1000 до 2000 KHN.

Для чего используются пластины CBN?

Пластины CBN используются в основном для обработки закаленных сталей (>45 HRC), чугуна и других твердых материалов. Они отлично подходят для высокоскоростной обработки и финишных операций, требующих жестких допусков.

Будет ли круг CBN затачивать твердый сплав?

Да, круги CBN могут эффективно затачивать твердосплавные инструменты. Чрезвычайная твердость CBN делает его пригодным для шлифования и заточки твердосплавных режущих инструментов, обеспечивая точную и прочную кромку.

В чем разница между PCD и CBN?

Основные различия между PCD и CBN заключаются в следующем:

• Твердость: PCD тверже, чем CBN
• Химическая стабильность: КНБ более стабилен при обработке черных материалов
• Области применения: PCD отлично подходит для цветных металлов и абразивных материалов, а CBN - для закаленных сталей и чугуна.

Почему КНБ лучше для обработки стали, чем PCD?

КНБ лучше подходит для обработки стали благодаря своей химической устойчивости при высоких температурах. PCD имеет тенденцию реагировать с железом при высоких температурах, вызывая быстрый износ инструмента. КНБ остается стабильным, что позволяет эффективно обрабатывать закаленные стали и чугуны.

Является ли CBN тверже алмаза?

Нет, КНБ не тверже алмаза. Алмаз (включая PCD) - самый твердый из известных природных материалов. Однако КНБ является вторым по твердости материалом и имеет преимущества перед алмазом в некоторых областях применения, особенно при обработке черных металлов.

Почему CBN такой дорогой?

Стоимость CBN обусловлена несколькими факторами:

1. Сложный производственный процесс, связанный с высокими температурами и давлением
2. Ограниченно распространен в природе, требует синтетического производства
3. Специализированное оборудование и опыт, необходимые для производства
4. Благодаря своим уникальным свойствам пользуется большим спросом в промышленности

8. Подробный состав и физико-химические характеристики

При сравнении керметных пластин с твердосплавными, CBN и PCD очень важно понимать подробный состав и физико-химические характеристики каждого материала. Эти знания позволяют понять их эффективность в различных областях обработки.

8.1 Кермет

Состав:

• Твердая фаза: Обычно 70-85% по объему, состоящая из карбида титана (TiC), карбонитрида титана (TiCN) или нитрида титана (TiN).
• Связующая фаза: Обычно 15-30% по объему, состоит из никеля, молибдена и/или кобальта

Физико-химические характеристики:

• Плотность: 5,6-7,4 г/см³, в зависимости от состава
• Твердость: 1500-2200 HV (твердость по Виккерсу)
• Теплопроводность: 15-40 Вт/м-К
• Коэффициент теплового расширения: 7,0-8,5 × 10-⁶/K
• Предел прочности при поперечном разрыве: 1200-2500 МПа
• Модуль Юнга: 400-450 ГПа

Кермет сочетает в себе высокую твердость керамики и прочность металлов, обеспечивая превосходную износостойкость и термостойкость. Твердая фаза на основе титана обеспечивает твердость и износостойкость, а металлическая связка повышает прочность и устойчивость к тепловым ударам.

8.2 Твердый сплав

Состав:

• Твердая фаза: Обычно 70-97% по объему, состоящая из карбида вольфрама (WC)
• Связующая фаза: Обычно 3-30% по объему, в основном кобальт (Co)

Физико-химические характеристики:

• Плотность: 11,0-15,0 г/см³, в зависимости от содержания кобальта
• Твердость: 1000-1800 HV, находится в обратной зависимости от содержания кобальта
• Теплопроводность: 50-100 Вт/м-К
• Коэффициент теплового расширения: 4.9-7.1 × 10-⁶/K
• Предел прочности при поперечном разрыве: 1500-3000 МПа
• Модуль Юнга: 450-650 ГПа

Твердосплавные вставки обеспечивают баланс между твердостью и прочностью. Карбид вольфрама обеспечивает износостойкость и твердость, а кобальтовая связка повышает вязкость и ударопрочность. Свойства можно регулировать, изменяя размер зерна карбида и содержание кобальта.

8.3 Кубический нитрид бора (КНБ)

Состав:

• Кристаллы CBN: 50-95% по объему
• Связующая фаза: 5-50% по объему, обычно керамическая (например, TiN, AlN) или металлическая (например, Co, Ni, Al).

Физико-химические характеристики:

• Плотность: 3,4-4,3 г/см³
• Твердость: 4000-5500 HV
• Теплопроводность: 100-200 Вт/м-К
• Коэффициент теплового расширения: 4.6-4.9 × 10-⁶/K
• Предел прочности при поперечном разрыве: 500-800 МПа
• Модуль Юнга: 680-720 ГПа

CBN - это синтетический сверхтвердый материал с кубической кристаллической структурой, похожей на алмаз. Он обладает исключительной твердостью, термостойкостью и химической инертностью, особенно при обработке черных материалов. Высокая теплопроводность позволяет эффективно отводить тепло во время обработки.

8.4 Поликристаллический алмаз (ПКД)

Состав:

• Алмазные кристаллы: 90-95% по объему
• Связующая фаза: 5-10% по объему, обычно кобальт

Физико-химические характеристики:

• Плотность: 3,5-4,0 г/см³
• Твердость: 8000-10000 HV
• Теплопроводность: 500-2000 Вт/м-К
• Коэффициент теплового расширения: 2,0-4,8 × 10-⁶/K
• Предел прочности при поперечном разрыве: 1200-1700 МПа
• Модуль Юнга: 776-925 ГПа

PCD состоит из алмазных частиц, спеченных вместе с металлическим связующим, обычно кобальтом. Он обладает непревзойденной твердостью и износостойкостью в сочетании с исключительной теплопроводностью. Однако при высоких температурах PCD химически реагирует с железом, что ограничивает его применение для обработки черных материалов.

Сравнительный анализ физико-химических свойств

При сравнении керметных вставок с твердосплавными по сравнению с КНБ и PCD выделяются несколько ключевых физико-химических свойств:

1. Твердость: PCD > CBN > Cermet > Carbide Эта иерархия напрямую влияет на износостойкость и срок службы инструмента при работе с абразивными материалами.
2. Теплопроводность: PCD > CBN > Carbide > Cermet Более высокая теплопроводность позволяет лучше отводить тепло во время обработки, что потенциально обеспечивает более высокую скорость резания.
3. Плотность: Твердый сплав > кермет > PCD > CBN Материалы с меньшей плотностью, такие как CBN и PCD, могут быть выгодны в высокоскоростных вращающихся инструментах, уменьшая центробежные силы.
4. Тепловое расширение: Cermet > Carbide > CBN > PCD Материалы с более низкими коэффициентами теплового расширения сохраняют стабильность размеров при колебаниях температуры в процессе обработки.
5. Прочность при поперечном разрыве: Твердый сплав > кермет > PCD > CBN Более высокий предел прочности при поперечном разрыве свидетельствует о лучшей стойкости к сколам и разрушению, что особенно важно при прерывистом резании.

Понимание этих подробных составов и физико-химических характеристик имеет решающее значение при выборе оптимального материала режущего инструмента для конкретных задач обработки. Выбор между керметными пластинами и твердосплавными пластинами и пластинами CBN и PCD должен быть основан на тщательном рассмотрении этих свойств в зависимости от материала заготовки, параметров обработки и желаемых результатов.

9. Заключение: Выбор правильного материала для режущего инструмента

В споре между керметными пластинами и твердосплавными пластинами, а также CBN и PCD нет универсального решения. Выбор зависит от различных факторов, в том числе:

• Материал заготовки
• Обработка (черновая, чистовая, высокоскоростная)
• Требуемая отделка поверхности
• Ожидаемый срок службы инструмента
• Бюджетные ограничения

Понимая уникальные свойства, преимущества и ограничения каждого материала, вы сможете принимать взвешенные решения для оптимизации процессов обработки. Помните, что, хотя такие передовые материалы, как CBN и PCD, обеспечивают превосходную производительность в конкретных областях применения, традиционные варианты, такие как твердосплавные и керметные пластины, по-прежнему занимают свое место в современных операциях обработки.

Поскольку технология обработки продолжает развиваться, постоянная информированность о материалах для режущего инструмента поможет вам сохранить конкурентное преимущество в отрасли. Независимо от того, работаете ли вы с обычными сталями или экзотическими сплавами, найдется материал для режущего инструмента, соответствующий вашим потребностям.