金剛石刀具的發展方向淺析

朱曉剛 高俊峰 張昕 張廣城

摘 要 隨著材料工業及精密機械工業的發展，精密切削、超精密切削和難切削材料使用的增多，超硬刀具材料的應用日益廣泛。本文通過分析超硬刀具材料的發展狀況，對主要品種的應用進行探討。

關鍵詞 硬質刀具 金剛石 復合刀片

中圖分類號：TG711 文獻標識碼：A

1 金剛石刀具材料發展概況

我國超硬刀具材料的研究與應用開始于上個世紀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生產廠第六砂輪廠，從1970-l990年整整20年中，超硬材料年產量從僅46萬克拉增至3500萬克拉。上個世紀90年代前后，不少超硬材料生產專業廠從國外引進成套的超硬材料合成設備及技術，使產量得以迅速提高，至1997年，我國人造金剛石年產量就已達到5億克拉左右，CBN年產量達800萬克拉，躍居世界超硬材料生產大國之首。

金剛石具有極高的硬度和耐磨性，其顯微硬度可達10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同時它的摩擦系數小，與非鐵金屬無親和力，切屑易流出，熱導率高，切削時不易產生積屑瘤，加工表面質量好，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、末燒結的硬質合金、各種纖維和顆粒加強的復合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨的木材（尤其是實心木和膠合板等復合材料）。

金剛石的缺點是韌性差，熱穩定性低。700—800℃時容易碳化，故不適于加工鋼鐵材料。因為在高溫下鐵原子容易與碳原子作用而使其轉化為石墨結構。此外，用它切削鎳基合金時，同樣也會迅速磨損。

2 金剛石刀具的主要品種及應用

目前，在世界上已經應用或正在試驗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，其顯微硬度可達10000HV，耐磨性好，而且切削刃非常鋒利，刃部粗糙度值小，摩擦因數低，抗黏結性好，熱導率高，切削時不易黏刀及產生積屑瘤，加工表面質量好。天然金剛石的硬度、抗磨損與抗腐蝕性和化學穩定性保證了刀具的超長壽命，能保證持續長久的正常切削，并減少由于刀具磨損對被加工零件的影響；其較高的導熱系數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良特性可滿足精密及超精密切削對刀具材料的大多數要求，雖然其價格昂貴卻仍被公認為是理想的精密及超精密切削工具材料。可廣泛地應用于加工原子核反應堆及其它高技術領域的各種反射鏡、導彈和火箭中的地航陀螺、計算機硬盤基片，加速器電子槍的超精密加工以及傳統手表零件、首飾、制筆、有色金屬裝飾件的精密加工等。此外，還可以用于制造醫用刀具。ND的缺點主要是與鐵族元素接觸時有化學反應， 在700～800℃時將碳化（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合刀片

PCD 又稱金剛石燒結體，它是在高溫、高壓下，通過鈷等金屬結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，切削刃對意外損壞不太敏感，抗磨損能力也較強，可長時間保持鋒利的切削刃，加工時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基硬質合金刀具l0～50倍，而且PCD原料來源豐富，其價格只有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、鋒利的刀刃、優異的導熱性和低膨脹系數等特點，現已成為傳統WC基硬質合金刀具的高性能替代品。聚晶金剛石復合片（PDC）fJ具材料是在PCD研究的基礎上發展起來的。硬質合金作為PCD的基體材料既有好的韌性和一定的硬度，同時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，又具有硬質合金的韌性和可焊性之優點。

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，具有刀具形狀復雜、成本低、一片多刀刃等優點。然而，也存在金剛石涂層與基體之間結合強度低以及對有CVD金剛石涂層的刃口進行研磨處理時容易分層剝落的缺陷。