多晶金剛石刀具的現(xiàn)狀及發(fā)展研究

吳昌 宋鵬濤 劉海華 賴喜慶 鄧蘋

摘? 要：文章介紹了多晶金剛石刀具的發(fā)展及性能特點，并簡要敘述了多晶金剛石刀具的制造工藝、加工工藝參數(shù)，以及時效機理等。如今，加工制造技術(shù)的發(fā)展使刀具技術(shù)朝著高速切削，高精度，干切削和磨削的方向發(fā)展，使得超硬刀具的使用效率高，穩(wěn)定性高。

關(guān)鍵詞：多晶金剛石;刀具;性能;制造技術(shù);加工參數(shù);失效機理

中圖分類號：TG711? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）09-0080-03

Abstract： In this paper， the development and performance characteristics of polycrystalline diamond tools are introduced， and the manufacturing process， machining process parameters and aging mechanism of polycrystalline diamond tools are briefly described. Nowadays， the development of machining manufacturing technology makes the tool technology develop towards the direction of high speed cutting， high precision， dry cutting and grinding， which makes the use efficiency and stability of superhard cutting tools high.

Keywords： polycrystalline diamond; tool; performance; manufacturing technology; machining parameters; failure mechanism

1 概述

超硬工具在汽車，航空航天，能源，軍事和機械領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1]。超硬刀具是指采用金剛石、立方氮化硼（CBN）等超硬材料及其復(fù)合材料制成的刀具，目前主要是PCD（Polycrystalline Diamond，簡稱PCD）和PCBN（多晶立方氮化硼）刀具。多晶金剛石是在高溫高壓下，通過鈷等金屬結(jié)合劑將金剛石微粉燒結(jié)而成的多晶體材料，雖硬度稍低于單晶金剛石，但其晶粒呈無序排列，各向同性，無解理面，多晶金剛石刀具具有低的摩擦系數(shù)、優(yōu)異的導(dǎo)熱性和低膨脹系數(shù)，其硬度是硬質(zhì)合金的2～4倍，刀具壽命為硬質(zhì)合金的10倍以上。而且多晶金剛石所使用的原材料價格比天然金剛石低幾十倍。聚晶金剛石復(fù)合片刀具以硬質(zhì)合金作為基體材料，具有可焊性以及與多晶金剛石良好的兼容性，具有良好的韌性和硬度，所以多晶金剛石既具有金剛石的硬度，又具有硬質(zhì)合金的韌性和可焊性[2]。

2 多晶金剛石刀具發(fā)展歷程

作為一種超硬工具材料，金剛石已經(jīng)在加工中使用了數(shù)百年。在工具開發(fā)過程中，刀用工具材料約自1890年至1950年，其所用的典型材料是高速鋼;德國在1927年率先研發(fā)出硬質(zhì)合金材料，隨之，硬質(zhì)合金材料便被廣泛應(yīng)用于刀具制造領(lǐng)域。1950年至1959年隨著瑞典與美國成功合成出人工合成鉆石，超硬材料——鉆石開始逐步替代硬質(zhì)合金材料成為主要的到用工具材料。1970年至1979年，隨著采用高壓合成技術(shù)制備的多晶金剛石成功誕生，人工合成多晶金剛石成了天然鉆石的有效替代者，金剛石工具的材料問題得到了有效解決，使得金剛石工具的使用范圍從石材、電子和汽車，進一步擴大至航空和航天領(lǐng)域[3]。

3 多晶金剛石刀具特性

金剛石工具有硬度高，抗壓強度高，導(dǎo)熱性好，耐磨性好的優(yōu)點。這些特性（優(yōu)點）與金剛石的晶體狀態(tài)關(guān)系密切：金剛石硬度超高的原因是其具有“金剛石結(jié)構(gòu)”，所謂“金剛石結(jié)構(gòu)”是指在金剛石晶體中，碳原子的四個價電子以四面體結(jié)構(gòu)鍵合，并且每個碳原子與四個相鄰原子形成共價鍵，這種結(jié)構(gòu)具有很強的方向性和粘接力。多晶金剛石的是由具有取向不同的細(xì)粒金剛石和粘合劑燒結(jié)而成[4]，正因為如此，多晶金剛石才具有多向同性的特點，雖然其耐磨性和硬度均不如單晶金剛石，但是其較單晶金剛石更難沿著單一解理面裂開，其同時也具有僅次于單晶金剛石的硬度以及耐磨性[5]。

多晶金剛石的表面維氏硬度大于或等于1800 HV，硬質(zhì)合金的表面維氏硬度遠(yuǎn)不如多晶金剛石的表面維氏硬度;多晶金剛石刀具在生產(chǎn)工作過程中不會出現(xiàn)因熱量導(dǎo)出慢致使的集熱和工件燒傷問題，因其導(dǎo)熱系數(shù)比銅（Cu）還要高，達(dá)700 W/mK;多晶金剛石刀具的切削力可以顯著降低是因為多晶金剛石（多晶金剛石）刀具的摩擦系數(shù)一般只有0.1到0.3，僅為硬質(zhì)合金摩擦系數(shù)三分之一左右;多晶金剛石的熱膨脹系數(shù)只有0.0000009至0.00000118，大約是硬質(zhì)合金的五分之一。另外，多晶金剛石刀具在生產(chǎn)使用過程中不容易生產(chǎn)粘刀，并且芯片不容易粘合到尖端以形成芯片，是因為多晶金剛石與非金屬和有色金屬材料之間的親和力極低。

多晶金剛石工具主要用途在以下兩個方面：（1）有色金屬材料的加工，有色金屬的加工，如果使用普通工具，很容易產(chǎn)生工具磨損容易，加工效率低等缺陷。多晶金剛石工具可以顯示出色的處理性能。（2）對于非金屬材料的加工，多晶金剛石刀具適用于加工難加工的非金屬材料，如石材，硬碳，碳纖維增強塑料（CFRP）和人造板。

4 多晶金剛石刀具制造工藝

多晶金剛石（多晶金剛石）刀具的制作工藝流程如圖1所示。多晶金剛石工具的制造過程主要包括多晶金剛石微粉的制造和分選，多晶金剛石復(fù)合片的合成、研磨與切割，以及多晶金剛石刀片的焊接和刃磨。

4.1 制造復(fù)合片

多晶金剛石復(fù)合板是通過將人工合成的金剛石顆粒/粉末與金屬粘合劑（如Co，Ni等）以一定比例混合并在高溫和高壓（一千到兩千攝氏度，五萬到十萬個大氣壓）下燒結(jié)而制備的。在燒結(jié)過程中，粘接劑熔化，形成以鐵（Fe），鈷（Co），鎳（Ni）等為主要成分的金剛石晶體之間的鍵合橋，金剛石晶體以嵌入橋的形式嵌入到鍵合橋的骨架中。對于燒結(jié)復(fù)合板，仍然需要根據(jù)需要進行研磨和拋光以及其他相應(yīng)的物理和化學(xué)處理[6]。

4.2 多晶金剛石復(fù)合刀片的切割工藝

多晶金剛石復(fù)合板材硬度高，因此后續(xù)切削加工必須采用特殊加工方法，如線切割加工法（Wire cut Electrical Discharge Machining，簡稱WEDM），電火花加工法（Electrical Discharge Machining，簡稱EDM），超聲波加工法（Supersonic Machining，簡稱SM），激光加工法（Laser Processing，簡稱LP），高壓水射流加工法（High-pressure Waterjet Machining，簡稱HWM）等工藝[7]。

在上訴五種加工方法中，電火花加工法（Electrical Discharge Machining，簡稱EDM）效果更好。由于多晶金剛石中存在鍵合橋，因此在導(dǎo)電工作流體的條件下通過使用脈沖電壓將電極金屬附近的工作流體形成為放電通道。局部產(chǎn)生放電火花，瞬時高溫使多晶金剛石的特定部分熔化并脫落，從而形成各種形狀的所需坯料，例如三角形或矩形。EDM-多晶金剛石復(fù)合板的效率和表面質(zhì)量受諸如金剛石的粒度，多晶金剛石復(fù)合板的層厚度和電極質(zhì)量等因素的影響。

4.3 多晶金剛石復(fù)合刀片的焊接工藝

大多數(shù)多晶金剛石復(fù)合板和刀體被釬焊，并且多晶金剛石復(fù)合板被焊接到硬質(zhì)合金基板上。焊接方法主要包括激光焊接，真空擴散焊接，真空釬焊，高頻感應(yīng)釬焊等。目前，由于高頻感應(yīng)加熱釬焊成本低，它被廣泛用于多晶金剛石刀片的焊接。

在多晶金剛石復(fù)合與硬質(zhì)合金基體的焊接過程中，對焊接后刀具性能影響較大的因素有：焊接溫度、焊劑的選擇等。在焊接過程中，控制焊接溫度非常重要。另一方面，如果焊接溫度太高，則多晶金剛石復(fù)合片材容易被氧化并進一步石墨化，導(dǎo)致“過度燒蝕”，這會影響多晶金剛石復(fù)合片材和硬質(zhì)合金基材的可焊性。傳統(tǒng)的手工焊接方法生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。現(xiàn)如今，多晶金剛石復(fù)合片與硬質(zhì)合金基體的焊接多采用自動高頻焊接工藝，焊接效率高、產(chǎn)品質(zhì)量一致性好。

4.4 多晶金剛石刀具的刃磨工藝

多晶金剛石復(fù)合材料葉片的硬度非常高，因此其去除率極低，約為硬質(zhì)合金去除率的千分之一甚至萬分之一。因此，多晶金剛石工具的銳化過程主要通過使用樹脂結(jié)合金剛石砂輪或陶瓷結(jié)合金剛石砂輪來進行。由于樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪和陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的磨料也是金剛石顆粒/粉末，與多晶金剛石刀具相同，因此其磨削規(guī)律比較復(fù)雜。

用于樹脂或陶瓷粘結(jié)選擇的砂輪應(yīng)根據(jù)磨床的類型和加工條件。由于電火花加工技術(shù)不受接地工件硬度的影響，因此用電火花磨削技術(shù)研磨多晶金剛石具有更好的研磨效果。某些復(fù)雜形狀的多晶金剛石刀具（如木工刀具）的磨削，不能采用傳統(tǒng)的金剛石砂輪磨削的方式，僅能采用這種適合復(fù)雜形狀的電火花磨削的工藝具。隨著多晶金剛石刀具應(yīng)用的不斷推廣，以及電火花磨削技術(shù)的發(fā)展，電火花磨削（Electrical Discharge Grilling，簡稱EDG）技術(shù)將成為多晶金剛石刀具磨削的一個趨勢。

5 多晶金剛石刀具的切削參數(shù)與失效機理

5.1 切削速度

多晶金剛石刀具可以以更高的速度加工，切削速度是影響加工質(zhì)量的重要因素。雖然在高速切削的前提下，可提高刀具的加工效率。但是由于多晶金剛石刀具硬度較高，脆性大，在高速轉(zhuǎn)動的狀態(tài)下，切削溫度和切削力的增加，刀具與切削樣品的瞬間碰撞，會使刀尖發(fā)生脆斷，則多晶金剛石刀具需要重新進行刃磨。因此，在加工不同的工件材料時，多晶金剛石刀具的切削速度也應(yīng)該不同。

5.2 進給量

多晶金剛石刀具的進給量直接影響著工件的加工質(zhì)量，以及多晶金剛石刀具的使用壽命。如果多晶金剛石刀具的進給量太大，多晶金剛石刀具與樣品接觸的幾何面積將成倍增加，從而導(dǎo)致加工表面粗糙度增加;如果進給速率太小，則處理效率降低。因此，對于不同的設(shè)備及加工材料，通過不斷嘗試，尋找合適的進給量，是提高加工質(zhì)量和加工效率的一個重要的因素。

5.3 切削深度

此外，切削深度也對刀具的使用壽命有很大的影響。如果多晶金剛石刀具的切削力增加，切削熱量增加，這加速了刀具的磨損并影響刀具壽命。另外，切削深度的增加趨于導(dǎo)致多晶金剛石刀具的切削刃斷裂。因此，當(dāng)使用不同粒度的不同多晶金剛石工具時，在不同加工條件下加工不同的工件時，切削性能不盡相同，因此多晶金剛石刀具的實際切削參數(shù)應(yīng)通過大量的試驗和加工條件來確定。

5.4 失效機理

傳統(tǒng)刀具的失效模式是磨粒磨損，粘結(jié)磨損（冷焊磨損），擴散磨損，氧化磨損和熱電磨損。多晶金剛石刀具的磨損形式主要包括多晶層損傷，粘結(jié)磨損和擴散磨損。研究表明，當(dāng)多晶金剛石刀具用于加工金屬基復(fù)合材料時，失效模式主要是金剛石晶粒中晶間裂紋引起的粘結(jié)磨損和失效;加工高硬度，高脆性材料時，多晶金剛石刀具的粘接磨損不明顯;在加工低脆性材料時，刀具的磨損增加，并且粘結(jié)磨損起主導(dǎo)作用。

6 結(jié)束語

目前，在不銹鋼切削領(lǐng)域，仍然沿用傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金及高速工具鋼刀具等，多晶金剛石刀具的應(yīng)用未見報道。據(jù)報道，多晶金剛石刀具在切削不銹鋼材料時，由于不銹鋼材質(zhì)較軟，容易發(fā)生“粘刀”的現(xiàn)象。同時，如進給量過大，不銹鋼的表面粗糙度低，多晶金剛石刀具易磨損，易崩刀;如進給量過小，會產(chǎn)生不銹鋼的表面加工硬化，具體的加工參數(shù)難以調(diào)整。但在實際使用的過程中，如何在不銹鋼切削領(lǐng)域使用超硬多晶金剛石刀具，仍需在具體的生產(chǎn)實踐中，深入研究。

參考文獻：

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