金剛石在機械加工中的應(yīng)用

李程輝

（鄭州大學(xué) 機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 前言

隨著航天、汽車、軍工等機械制造業(yè)的迅速發(fā)展，從黑色金屬、有色金屬到復(fù)合材料、高分子材料以及納米材料，新材料不斷涌現(xiàn)。普通的高速鋼和硬質(zhì)合金等已不能滿足這些材料日益苛刻的機械加工要求，從而對刀具材料提出了新的更高的要求。由于金剛石有著優(yōu)良的性能品質(zhì)，隨著金剛石的人工生產(chǎn)日益成熟和人們對金剛石研究的愈加深入，金剛石在刀具材料方面得到了愈加廣泛的應(yīng)用。

2 金剛石

金剛石分為兩類：天然金剛石和人造金剛石，天然金剛石由于資源有限，價格昂貴等原因，多用于首飾。在機械加工中應(yīng)用的大部分是人造金剛石。

2.1 金剛石的人工生產(chǎn)

人造金剛石的生產(chǎn)可以追溯到上世紀50年代，1955年，美國GE公司通過高溫高壓（HTHP）法，人工合成了單晶金剛石。合成的HTHP金剛石因需要較高的能量，成本較高，而添加的催化劑也給人造金剛石引入了雜質(zhì)。近年來，隨著化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝的發(fā)展，人類制備出CVD金剛石，在成本、合成條件及金剛石的質(zhì)量上都有很大的優(yōu)勢，推動了金剛石在機械加工中的應(yīng)用。

2.2 金剛石的優(yōu)良性質(zhì)

2.2.1 高的硬度和耐磨性。金剛石的顯微硬度高達10000HV，是目前已知的最硬物質(zhì)，其耐磨性和研磨能力超過了所有的磨削材料。

2.2.2 較低的摩擦系數(shù)。金剛石作為刀具時，切削刃非常鋒利，刃部粗糙度小，降低了切削力和切削溫度。

2.2.3 高的導(dǎo)熱率、低的熱膨脹系數(shù)。金剛石的導(dǎo)熱率是已知材料中最高的，故在切削加工過程中，有利于切削熱的散出，降低切削溫度。金剛石的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化而變化，一般在1.5×10^-6～4.8×10^-6/℃。低的熱膨脹系數(shù)有利于保證加工精度。

3 金剛石在機械加工中的應(yīng)用

3.1 作為切削刀具

金剛石作為切削刀具的優(yōu)點是高硬度、高耐磨性，能夠加工超硬材料。由于金剛石本身的硬度非常大，可以獲得高精度的刀尖圓弧半徑，提高加工質(zhì)量，因而廣泛用于精加工、半精加工。金剛石刀具能夠直接對淬硬工件進行加工，可以實現(xiàn)“以車代磨”、“以車代銑”等，從而減少工序，縮短工藝流程，降低加工成本，提高勞動生產(chǎn)率。而且金剛石對鋁合金、銅合金、鈦合金等有色金屬進行切削加工時，由于摩擦系數(shù)低、導(dǎo)熱率高，可實現(xiàn)對其進行高速度、高精度、高效率、高質(zhì)量的加工。金剛石刀具的切削速度遠高于硬質(zhì)合金刀具。用金剛石的車刀車削鋁合金切削速度可達到5000m/min，而且刀具耐用度也可較硬質(zhì)合金刀具提高幾十倍乃至上百倍。

3.2 用于磨具及磨料

磨削作為目前獲得高精度、高表面質(zhì)量最常用的主要加工方法，其磨料的選擇尤為重要。人造金剛石比天然金剛石略脆一些，顆粒較粗，表面較粗糙，易于作砂輪。由于金剛石為最硬的磨料，能夠長時間保持鋒利性，不易磨鈍，磨削效率高。而且摩擦系數(shù)小，較少產(chǎn)生粘結(jié)磨損，再加上導(dǎo)熱系數(shù)大，不易發(fā)生磨削燒傷。因此，金剛石作為磨料得到了極大的重視和廣泛的應(yīng)用。

3.3 金剛石涂層刀具

CVD、PVD等技術(shù)的發(fā)展，是切削工具領(lǐng)域中的一次重大革命，從而涂層刀具得到大規(guī)模應(yīng)用。涂層刀具既有表層的高硬度，又保持了原基體的韌性，是理想的切削工具。

常用的涂層材料有TiC、TiN、Al2O3等，近年來，金剛石涂層正得到全面推廣。應(yīng)用較廣的是鎢硬質(zhì)合金切削刀具的“薄膜”CVD金剛石鍍層，其金剛石涂層厚度不宜超過10μm?，F(xiàn)在又有一種“厚膜金剛石”，它是純度非常高、非粘接劑的整體金剛石。典型厚度為150～1000μm，硬度更高，不同于天然金剛石的是，它各向同性，作為刀具磨損均勻。而且隨著科技的進步，金剛石涂層的許多技術(shù)難題將得到更好的解決，其市場前景廣闊。

3.4 修整刀具

金剛石作為修整刀具主要用于磨削砂輪。砂輪在使用一段時間后，其磨削刃因磨損而變鈍，磨粒之間的氣孔容易被工件磨屑糊塞，從而使磨削效率降低，且容易發(fā)生磨削燒傷。因此，要對砂輪表面進行修整，對于硬度較大的砂輪，尤為重要。砂輪常用磨料為剛玉和碳化硅，它們硬度都非常高，一般材料難以對其修整。而硬度更高的金剛石足以勝任，能從磨削砂輪表面去除磨鈍的磨料顆粒。金剛石砂輪修整工具的主要形式有修整筆、砂輪刀、修整器等，應(yīng)用時根據(jù)不同的砂輪形式進行合理選擇。

3.5 其他

金剛石在軟彈性磨具的應(yīng)用方面也得到了發(fā)展；納米金剛石作為添加劑，加入到磨合油中，提高了磨合效率，縮短了磨合時間；而且，金剛石在拋光液的制備中也應(yīng)用廣泛。

4 存在的問題

任何一種材料作為切削工具都不可能十全十美，金剛石也不例外。用金剛石加工鐵族金屬是眾多機械研究人員的共同希望，因為金剛石與鐵族元素有很強的親和力，且在700℃附近容易石墨化。由于金剛石的硬度問題，金剛石刀具的刃磨存在較大的難度；作為切削部分，在和刀具的基體部分焊接時，焊接的牢固性需要加強；用作涂層刀具時，防止涂層剝落、產(chǎn)生裂紋都是需要解決的問題。這些問題在一定程度上制約了金剛石在機械加工中的應(yīng)用。但是，隨著研究的深入，大部分問題已找到了較好的解決方案，而且在日后的發(fā)展中，將不斷完善。

5 結(jié)語

金剛石在機械加工領(lǐng)域的應(yīng)用，使眾多難加工材料的工藝過程得以實現(xiàn)或簡化，大大提高了生產(chǎn)效率。隨著研究的深入和相關(guān)難題的攻克，金剛石在機械加工領(lǐng)域的地位將逐步提高，應(yīng)用范圍也將進一步擴大。

[1]陳日曜.金屬切削原理.北京：機械工業(yè)出版社，2002.1