金屬基復合材料的性能與加工方法  復合材料是由兩種或兩種以上化學成份不同的物質，經人工合成的多相材料。這種材料既保持了單一組份材料的特點，又使各組份之間取長補短、互相協同，形成優於原有材料的特性。 

　　復合材料由基體相和增強相組成。前者是基本成份，并起黏結作用；後者起提高硬度、強度、剛度和耐磨性的作用。而在輕質、韌性的金屬基體(多用鋁或鋁合金)中加入硬質顆粒增強材料(如SiC、AlN、Al2O3等)而制成的金屬基復合材料，具有密度小、比強度和比彈性模量高、熱膨脹系數小、耐高溫和抗疲勞性好、耐磨性和抗振性強、以及制備工藝簡單等優點，所以目前已廣泛地用於汽車發動機缸套、活塞等耐磨零件和機械、冶金、軸承、交通運輸、化工、建筑以及航空航天等工業部門。但金屬基復合材料的加工性差，盡管目前開發了不少新的加工方法，如電火花加工、激光加工和高壓水射流加工等方法，但由於設備比較昂貴和加工質量不高等原因，所以傳統的機械加工(包括：車、鉆、銑、沖、鉸、鏜和磨等)仍是當前加工的主要手段。金剛石是世界上最硬的物質，其顯微硬度可達10000HV，耐磨性極好，切削刃非常鋒利，刃部粗糙度值小，摩擦因數低，抗黏結性好，熱導率高，切削時不易黏刀及產生積屑瘤，用其加工金屬基復合材料具有工效高、刀具壽命長和加工質量好等特點，故應用最廣。圖1所示為用PCD（聚晶人造金剛石）刀具鉆加工20％SiCP的鋁基復合材料螺旋泵殼的應用實例。
　　
　　金屬基復合材料切削加工性特點
　　
　　通常人們將金屬基復合材料歸屬于“難加工材料”，實際上加工時它形成短切屑，且基體一般為鋁合金，切削溫度低，故切削加工性很好；主要是其內加入的顆粒增強材料的硬度很高，如SiC的硬度高達3000-3500HV。硬質顆粒分布在基體中，猶如砂輪中的磨粒一樣會對刀具的切削刃起刮磨和沖擊作用，使切削刃很快磨損。硬質顆粒的硬度愈高、顆粒的尺寸愈大、顆粒的數量愈多，則刀具磨損愈快。因此，用傳統的硬質合金刀具很難進行加工，刀具壽命很低或根本無法使用。
　　
　　日本學者曾用硬質合金刀具(牌號K10)車削含硅量為16%-18%的A390過共晶硅鋁合金及鑄鐵，同樣切削條件下前者刀具只切削幾分鐘就在刀具前後刀面上產生嚴重的磨粒磨損而失效，其壽命不足切削鑄鐵的1/3。將被切削材料換成SiC晶須增強鋁合金，結果是刀具磨損比切削高硅鋁合金還要快得多。如用涂層硬質合金刀具加工，復合材料中的硬質顆粒仍會很快將涂層磨穿并迅速擴展到硬質合金基體中而使刀具失效。金剛石是世界上已知的最硬物質，實際使用證明，它是加工金屬基復合材料的最佳刀具材料。用金剛石加工金屬基復合材料，其切削速度可達800~1000m/min，刀具壽命可比硬質合金高幾倍、甚至幾十倍，而且加工表面粗糙度數值小，可達Ra0.025-0.012µm。這是因為金剛石不但硬度高(可達10000HV)，耐磨性好，可長時間保持鋒利的切削刃，刃部粗糙度值小，并且摩擦因數低，抗黏結性好，熱導率高，切削時不易黏刀及產生積屑瘤，故加工表面質量也遠比其它刀具要好。
　　
　　正確選用金剛石的品種
　　
　　聚晶金剛石與硬質合金復合刀片(PCD/CC)
　　
　　PCD/CC是加工金屬基復合材料使用最廣泛的一種金剛石。它是在強度和韌性較好的硬質合金基體上，在其表面燒結或壓制一層0.5-1mm厚的聚晶金剛石PCD而成。這種復合刀片的抗彎強度與硬質合金基本相同，而工作表面的硬度接近整體聚晶金剛石PCD，且可焊性好，重磨容易，成本低。典型的聚晶金剛石與硬質合金復合刀片為平板狀或片狀，然後用激光切割成刀片所需形狀和大小。PCD/CC常用焊或機夾方式，制作成車、鉆、銑、沖、鉸、鏜和鋸等各種切削刀具。PCD/CC的性能與金剛石晶粒尺寸大小有關。De Beers公司生產的PCD刀片有002、010和025幾種，晶粒的平均尺寸分別為2µm、10µm和25µm。晶粒尺寸愈大，金剛石體積的聚集度增加，使耐磨性愈好，刀具壽命愈高，但切削刃的刃口質量稍差，難以制成高精度刀具。相反，細晶粒刀具，切削刃的刃口鈍圓半徑(一般PCD刀具的1-2)，加工表面質量好。因而目前聚晶的晶粒不斷細化，并已有1痠、甚至有0.5痠以下的細晶。為此，應綜合考慮刀具的壽命和加工表面質量選擇合適品級的聚晶金剛石與硬質合金復合刀片。
　　
　　CVD金剛石
　　
　　CVD金剛石是一種高抗磨性的純金剛石材料，不含結合劑，它是在低壓(<0.1MPa)下制備的。CVD金剛石有兩種形式：CVD薄膜涂層(CD)和CVD厚膜(TFD)。
　　
　　CD是用CVD (化學氣相沉積)工藝，在硬質合金基體(常用K類合金)上沉積一層厚度小於50µm(通常為10~30µm)，由多晶組成的膜狀金剛石而成。使用表明，CD金剛石涂層刀具不適合用於加工金屬基復合材料，因為復合材料中的硬質顆粒在很短時間內就會將刀具表面的涂層磨穿。
　　
　　TFD是沉積厚度可達3-5mm的無襯底金剛石厚膜，根據需要再將厚膜切割成一定形狀的小塊，然後焊在硬質合金上形成復合刀片或刀具。
　　
　　TFD有很好的綜合性能，它沒有天然金剛石各向異性的缺點，由於沒有金屬結合劑，雜質含量低，純度接近100％，故硬度和熱導率比PCD更高，摩擦因數更小，化學穩定性更好，用其加工金屬基復合材料的性能相當好。
　　
　　所示為用PCD與TFD兩種金剛石加工40% SiCP A356MMC材料時的刀具磨損曲線。圖2試驗時采用的切削條件為：切削速度400m/min，進給量為0.05mm/r，背吃刀量(切削深度)0.5mm，加切削液。由圖2中可知，加工40% SiCP 金屬基復合材料，使用厚膜金剛石TFD的效果最好；PCD025次之，PCD002刀具的使用壽命最低。表1為De Beers公司推薦的用聚晶金剛石品級SYNDITE 025刀片加工金屬基復合材料時的切削參數。研究表明，隨著切削速度的提高和進給量的減少，加工表面粗糙度數值Ra將減少，而背吃刀量對Ra的影響并不顯著。故精加工時，切削速度應取表1中較大的數值，進給量取小值。
　　
　　用金剛石加工金屬基復合材料，可以干切削，也可濕式切削。但因金剛石的熱穩定性低，在700-800℃時它將碳化(即石墨化)，使刀具壽命急劇降低。如用切削液濕式切削，可使切削溫度降低，使刀具壽命增加。但在刀具切入工件前就應澆注切削液直到切削完畢為止，切削液必須連續供給，不能時斷時續，否則容易引起刀具破損或崩刃。同理，在切削過程中還應盡量避免中途停車或變換切削用量。
　　
　　結論
　　
　　金剛石是加工金屬基復合材料的最佳刀具材料。加工40% SiCP 金屬基復合材料，使用厚膜金剛石TFD的效果最好；PCD次之；
　　
　　金剛石晶粒尺寸大小對刀具的壽命和加工表面質量有直接影響。晶粒尺寸愈大，金剛石耐磨性愈好，刀具壽命愈高，但加工表面質量稍差；反之，細晶粒刀具有較好的加工表面質量；
　　
　　切削速度和進給量對加工表面粗糙度有直接影響。切削速度愈高和進給量愈小，加工表面粗糙度數值Ra將減少，而背吃刀量對Ra的影響并不顯著 。 。