金剛石刀具的發(fā)展方向淺析

朱曉剛 高俊峰 張昕 張廣城

摘 要 隨著材料工業(yè)及精密機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，精密切削、超精密切削和難切削材料使用的增多，超硬刀具材料的應(yīng)用日益廣泛。本文通過分析超硬刀具材料的發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)主要品種的應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞 硬質(zhì)刀具 金剛石 復(fù)合刀片

中圖分類號(hào)：TG711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 金剛石刀具材料發(fā)展概況

我國超硬刀具材料的研究與應(yīng)用開始于上個(gè)世紀(jì)70年代，并于1970年在貴陽建造了我國第一座超硬材料及制品的專業(yè)生產(chǎn)廠第六砂輪廠，從1970-l990年整整20年中，超硬材料年產(chǎn)量從僅46萬克拉增至3500萬克拉。上個(gè)世紀(jì)90年代前后，不少超硬材料生產(chǎn)專業(yè)廠從國外引進(jìn)成套的超硬材料合成設(shè)備及技術(shù)，使產(chǎn)量得以迅速提高，至1997年，我國人造金剛石年產(chǎn)量就已達(dá)到5億克拉左右，CBN年產(chǎn)量達(dá)800萬克拉，躍居世界超硬材料生產(chǎn)大國之首。

金剛石具有極高的硬度和耐磨性，其顯微硬度可達(dá)10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同時(shí)它的摩擦系數(shù)小，與非鐵金屬無親和力，切屑易流出，熱導(dǎo)率高，切削時(shí)不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量好，能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、末燒結(jié)的硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強(qiáng)的復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨的木材（尤其是實(shí)心木和膠合板等復(fù)合材料）。

金剛石的缺點(diǎn)是韌性差，熱穩(wěn)定性低。700—800℃時(shí)容易碳化，故不適于加工鋼鐵材料。因?yàn)樵诟邷叵妈F原子容易與碳原子作用而使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)。此外，用它切削鎳基合金時(shí)，同樣也會(huì)迅速磨損。

2 金剛石刀具的主要品種及應(yīng)用

目前，在世界上已經(jīng)應(yīng)用或正在試驗(yàn)中的超硬刀具材料的主要品種有以下幾種。

2.1 天然和人工合成大單晶金剛石

單晶金剛石有天然金剛石ND和人工合成金剛石兩種。單晶金剛石用于制作切削刀具必須是大顆粒的（質(zhì)量大于0.1g，最小徑長不得小于3ram）。ND是目前已知礦物中最硬的物質(zhì)，其顯微硬度可達(dá)10000HV，耐磨性好，而且切削刃非常鋒利，刃部粗糙度值小，摩擦因數(shù)低，抗黏結(jié)性好，熱導(dǎo)率高，切削時(shí)不易黏刀及產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量好。天然金剛石的硬度、抗磨損與抗腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性保證了刀具的超長壽命，能保證持續(xù)長久的正常切削，并減少由于刀具磨損對(duì)被加工零件的影響；其較高的導(dǎo)熱系數(shù)又可降低切削溫度和零件的熱變形。天然大單晶金剛石的優(yōu)良特性可滿足精密及超精密切削對(duì)刀具材料的大多數(shù)要求，雖然其價(jià)格昂貴卻仍被公認(rèn)為是理想的精密及超精密切削工具材料?？蓮V泛地應(yīng)用于加工原子核反應(yīng)堆及其它高技術(shù)領(lǐng)域的各種反射鏡、導(dǎo)彈和火箭中的地航陀螺、計(jì)算機(jī)硬盤基片，加速器電子槍的超精密加工以及傳統(tǒng)手表零件、首飾、制筆、有色金屬裝飾件的精密加工等。此外，還可以用于制造醫(yī)用刀具。ND的缺點(diǎn)主要是與鐵族元素接觸時(shí)有化學(xué)反應(yīng)， 在700～800℃時(shí)將碳化（即石墨化），一般不適于加工鋼鐵材料。

2.2 聚晶金剛石和聚晶金剛石復(fù)合刀片

PCD 又稱金剛石燒結(jié)體，它是在高溫、高壓下，通過鈷等金屬結(jié)合劑將許多金剛石單晶粉聚晶成的多晶體材料。雖其硬度稍低于天然單晶金剛石，但它是隨機(jī)取向的金剛石晶粒的聚合，屬各向同性，無解理面。因而它不像大單晶金剛石那樣在不同晶面上的強(qiáng)度、硬度及耐磨性有很大的差別， 以及因解理面的存在而呈脆性。在切削時(shí)，切削刃對(duì)意外損壞不太敏感，抗磨損能力也較強(qiáng)，可長時(shí)間保持鋒利的切削刃，加工時(shí)可采用很高的切削速度和較大的背吃刀量，使用壽命一般高于WC基硬質(zhì)合金刀具l0～50倍，而且PCD原料來源豐富，其價(jià)格只有ND的幾十分之一至十幾分之一，PCD 刀具具有極高的硬度及壽命、很低的摩擦系數(shù)、鋒利的刀刃、優(yōu)異的導(dǎo)熱性和低膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為傳統(tǒng)WC基硬質(zhì)合金刀具的高性能替代品。聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）fJ具材料是在PCD研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。硬質(zhì)合金作為PCD的基體材料既有好的韌性和一定的硬度，同時(shí)又具有可焊性以及與PCD的某種兼容性。所以它既具有金剛石的硬度和耐磨性，又具有硬質(zhì)合金的韌性和可焊性之優(yōu)點(diǎn)。

2.3 CVD金剛石

CVD 金剛石是在低壓下制備的，它不同于大單晶金剛石，而PCD、PDC是在高溫高壓下合成的。CVD金剛石包括三類：第一種是在適當(dāng)基體上沉積的CVD 金剛石涂層包括類金剛石DLC涂層1；第二種是沉積厚度達(dá)lmm的無支撐的CVD金剛石厚膜；第三種是在金剛石晶種上外延生長的CVD金剛石單晶膜或準(zhǔn)單晶膜。CVD金剛石由于是不含任何金屬催化劑的純金剛石，因此它的熱穩(wěn)定性接近天然金剛石。同高溫高壓人工合成聚晶金剛石一樣，CVD 聚晶金剛石晶粒也呈無序排列，無脆性解理面而呈各向同性。CVD涂層刀具與PCD、PDC刀具相比，具有刀具形狀復(fù)雜、成本低、一片多刀刃等優(yōu)點(diǎn)。然而，也存在金剛石涂層與基體之間結(jié)合強(qiáng)度低以及對(duì)有CVD金剛石涂層的刃口進(jìn)行研磨處理時(shí)容易分層剝落的缺陷。