金剛石是碳的同素異形體迷郑，是目前已知的最硬物質(zhì)枝恋，其顯微硬度可達(dá)10,000HV，同時也是目前硬度最高的刀具材料嗡害。在合適的加工條件下焚碌，金剛石刀具相比高速鋼、硬質(zhì)合金卑竹、陶瓷和聚晶立方氮化硼刀具的使用壽命更長的讯。用它加工銅、鋁等有色金屬和非金屬耐磨材料時的切削速度比硬質(zhì)合金刀具高出一個數(shù)量級(例如銑削鋁合金的切削速度為3000~4000m/min收黔，高的甚至可達(dá)7500m/min)，使用壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十甚至幾百倍匙桦。金剛石刀具過去主要用于精加工颊嘱，近十幾年來通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝，控制原料純度和晶粒尺寸阁陌，采用復(fù)合材料和熱壓工藝等腊拍，其脆性有了重大改進(jìn)，韌性提高奖朴，使用可靠性顯著改善呆淑，已經(jīng)可以作為常規(guī)刀具在生產(chǎn)中應(yīng)用，對提高工效曼刀、保證產(chǎn)品質(zhì)量起著重要作用罗卿。

　　金剛石刀具材料的性能優(yōu)劣

　　金剛石的硬度和耐磨性極高史隆、切削刃非常鋒利、刃部粗糙度值小曼验、摩擦因數(shù)低泌射、抗粘結(jié)性好、熱導(dǎo)率高鬓照、切削時不易粘刀及產(chǎn)生積屑瘤熔酷、加工表面質(zhì)量好。在加工有色金屬時豺裆，表面粗糙度值可達(dá)R0.10～0.05μ m拒秘，加工精度可達(dá)IT5(孔IT6)級以上，能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料臭猜，如銅躺酒、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷获讳、未燒結(jié)的硬質(zhì)合金阴颖、各種纖維和顆粒加強(qiáng)的復(fù)合材料、塑料丐膝、橡膠孽衩、石墨、玻璃和各種耐磨木材(尤其是實心木和膠合板焕徽、MDF等復(fù)合材料) 陌沟。

　　金剛石的缺點是韌性差，熱穩(wěn)定性低竹恃，與鐵族元素接觸時有化學(xué)反應(yīng)(4C+3Fe →Fe3C4)截巢，在700~800℃時將碳化(即石墨化)，一般不適用於加工鋼鐵材料肘勾。用它切削鎳基合金時呻蚪，同樣也會迅速磨損。所以通常不推薦金剛石刀具加工高熔點金屬及合金。此外，金剛石刀具刃磨困難迫扫，價格昂貴。表1中列出了金剛石刀具與硬質(zhì)合金刀具二者性能的比較填恬。

　　金剛石刀具材料的品種分類

　　金剛石刀具材料分為單晶金剛石(有天然和人造兩種，天然單晶金剛石價格昂貴奋隶，部分被人造單晶金剛石替代)擂送、人造聚晶金剛石(PCD)和人造聚晶金剛石與硬質(zhì)合金復(fù)合刀片(PCD/CC)以及CVD金剛石。

　　單晶金剛石

　　單晶金剛石用作切削刀具必須是大顆粒的(質(zhì)量大於0.1g，最小徑長不得小於3mm) 嘹吨，主要用于表面粗糙度搬味、幾何形狀精度和尺寸精度有較高要求的精密和超精密加工應(yīng)用領(lǐng)域。

　　天然單晶金剛石是金剛石中最耐磨的材料躺苦。它本身質(zhì)地細(xì)密身腻，經(jīng)過精細(xì)研磨，切削刃的刃口鈍圓半徑可小到0.008~0.005μm匹厘。但天然單晶金剛石較脆嘀趟，其結(jié)晶各向異性，不同晶面或同一晶面不同方向的晶體硬度均有差異愈诚，在進(jìn)行刃磨和使用時必須選擇合適的方向她按。由於使用條件苛刻，加上天然單晶金剛石資源有限炕柔，價格十分昂貴酌泰，所以生產(chǎn)上大多采用PCD、PCD/CC和CVD金剛石刀具触法。天然單晶金剛石主要用於某些有色金屬的超精密切削加工或黃金首飾的生產(chǎn)中漂烂。

　　人工合成單晶金剛石的尺寸、形狀和性能都具有良好的一致性, 目前由于高溫高壓技術(shù)日趨成熟展稼，能夠制備一定尺寸的人工合成單晶金剛石束多，尤其在加工高耐磨的層狀木板時，其性能要優(yōu)于PCD金剛石俩堡，不會引起刃口過早鈍化拳股。

　　人造聚晶金剛石(PCD)和人造聚晶金剛石與硬質(zhì)合金復(fù)合刀片(PCD/CC)

　　PCD是在高溫(約1800℃)、高壓(5~6MPa)下氏诽，利用鈷等金屬結(jié)合劑將許多金剛石單晶粉聚晶成多晶體材料事匈，其硬度雖稍低于單晶金剛石，但它是隨機(jī)取向的金剛石晶粒的聚合壳凳，屬各向同性址敢，用作切削刀具時可以任意取向刃磨，無需像天然金剛石那樣必須選用最佳的解理面作為前刀面浆左。在切削時钟牛，切削刃對意外損壞很不敏感，抗磨損能力也較強(qiáng)膝擂，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(吃深)隙弛，使用壽命一般高于WC基硬質(zhì)合金刀具10~500倍架馋，而且由於PCD中金屬結(jié)合劑具有導(dǎo)電性，使得PCD便于切割成形，且原料來源豐富叉寂，其價格只有天然金剛石的幾十分之一至十幾分之一萍启，已成為傳統(tǒng)WC基硬質(zhì)合金刀具的高性能替代品。

　　為提高PCD刀片的韌性和可焊性屏鳍，以硬質(zhì)合金為基底勘纯，在其表面燒結(jié)或壓制一層0.5~1mm厚的PCD而組成金剛石復(fù)合刀片(PCD/CC)。PCD/CC可用焊或機(jī)夾方式制作刀具钓瞭。由于其可焊性好驳遵，重磨容易，成本低山涡，故應(yīng)用廣泛堤结。須指出的是，PCD和PCD/CC刀具的刃口鋒利性和加工表面質(zhì)量均不如單晶金剛石爱饲，同時其可加工性差肢阿，磨削比小，難以根據(jù)刀頭的幾何形狀任意成形乳嘁，至今還不能方便地制造帶斷屑槽可轉(zhuǎn)位刀片和立銑刀等幾何形狀復(fù)雜的產(chǎn)品甸赏。

　　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(jié)合劑寻适，它是在低壓(﹤0.1MPa)下制備的藏崇。CVD金剛石主要有CVD薄膜涂層(CD)和CVD厚膜(TFD)兩種形式。

　　CD是用CVD(化學(xué)氣相沈積)工藝奉念，在硬質(zhì)合金基體(常用K類合金)上沈積一層厚度約10~30μm栗衍，由多晶組成的膜狀金剛石而成。因基體易于制成復(fù)雜形狀鹿竭，故適用于幾何形狀復(fù)雜的刀具丽阎，如絲錐、鉆頭胜溢、立銑刀和帶斷屑槽可轉(zhuǎn)位刀片等谴垫。

　　如何選用金剛石刀具材料

　　目前， 單晶金剛石母蛛、PCD(或PCD/CC)翩剪、以及CVD金剛石均成功用作車刀、鏜刀彩郊、鉆頭前弯、鉸刀、銑刀秫逝、成形刀和切齒刀具等切削部分的制作材料恕出。

　　金剛石材料的品種必須根據(jù)所加工材料的性質(zhì)和加工要求來選擇询枚，除滿足技術(shù)要求外，還應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性能的要求浙巫。

　　PCD和PCD/CC材料

　　PCD和PCD/CC是生產(chǎn)中最常用的金剛石材料金蜀，它不僅適用通常機(jī)械加工領(lǐng)域，還廣泛地應(yīng)用在汽車的畴、摩托車渊抄、高速列車、石油丧裁、化工禁妓、建筑、木材加工以及航空航天等工業(yè)部門靶疟。在汽車和摩托車領(lǐng)域中虾脆，PCD和PCD/CC適用于加工發(fā)動機(jī)鋁合金活塞的裙部、銷孔脂桂、汽缸體压伸、變速箱、化油器等耐磨零部件港驶。而這些零部件大多是含矽量較高(Si >12%)的鋁基復(fù)合材料鳞乏，其內(nèi)高硬度的硬質(zhì)顆粒(如SiC的硬度高達(dá)3000~3500HV)分布在鋁合金基體中，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滨靴，而使切削刃很快磨損绝绊。硬質(zhì)顆粒的硬度越高、顆粒的尺寸越大巴疾、顆粒的數(shù)量越多收斑，則刀具磨損越快。因此玲躯，用傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具很難進(jìn)行加工据德，刀具壽命很低或根本無法使用。金剛石是世界上已知的最硬物質(zhì)跷车，實際使用證明棘利，它是加工鋁基復(fù)合材料的最佳刀具材料。

　　用PCD金剛石加工鋁基復(fù)合材料朽缴，其切削速度可達(dá)800 ~1000m/min善玫，刀具壽命可比硬質(zhì)合金高幾倍甚至幾十倍，加工表面粗糙度值可達(dá)Ra 0.025 ~0.012μm密强。

　　用PCD(或PCD/CC)刀具加工碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)塑料(FRP)時茅郎，切屑成粉狀，切削溫度低或渤，且切削長度為K類硬質(zhì)合金刀具的10倍系冗，而磨損卻不到硬質(zhì)合金刀具的1/3许帐。

　　PCD(或PCD/CC)刀具也適用于加工預(yù)燒後的硬質(zhì)合金和耐磨的非金屬材料，如陶瓷毕谴、橡膠、石墨距芬、玻璃和各種耐磨木材等霉尊。

　　PCD刀具的性能主要取決于它的應(yīng)用場合和所涉及的加工過程，但選擇適當(dāng)?shù)呐铺柡皖w粒尺寸也會對其產(chǎn)生影響珍催。不同品種的PCD刀片督赡，由于其組成成份不同，切削性能有很大的差異禾底，選用時須加以注意磷可。

　　目前PCD刀片不像硬質(zhì)合金那樣在國際上有統(tǒng)一的分類，各生產(chǎn)廠都有各自的品種與牌號据鼓，使用時須參照廠家樣品來選擇荸刁。

　　單晶金剛石刀具材料

　　單晶金剛石與PCD(或PCD/CC)以及PCD(或PCD/CC)與CVD金剛石之間能很好地相互補(bǔ)充，也存在著一些相互交叉的應(yīng)用領(lǐng)域弦银。

　　單晶金剛石切出的工件表面呈連續(xù)狀态措，而用PCD切出的工件表面呈現(xiàn)出微米量級的不連續(xù)狀態(tài)，因此PCD只適用于普通的機(jī)械加工領(lǐng)域宦衡，對于一些有特殊要求的拋光工藝桑抱，如制備Al2O3 鏡面時，只有使用天然單晶金剛石才能達(dá)到所要求的表面粗糙度和尺寸公差尼荆。

　　天然金剛石中較少見大尺寸金剛石左腔，但人工合成大尺寸金剛石目前已經(jīng)成為可能。用其加工高耐磨的層狀木板時捅儒，其性能要優(yōu)于PCD金剛石液样，不會引起刃口過早鈍化。在加工鋁基復(fù)合材料時野芒，既可采用PCD也可使用TFD(CVD厚膜)蓄愁。用PCD與TFD兩種金剛石加工40% SiCυ A356MMC材料時的刀具磨損曲綫。試驗時采用的切削條件為：切削速度400m/min狞悲，進(jìn)給量為0.05mm/r撮抓，背吃刀量(切削深度)0.5 mm，加切削液摇锋。由實驗可知丹拯，加工40% SiCυ鋁基復(fù)合材料，使用厚膜金剛石TFD的效果最好荸恕，PCD025次之乖酬，PCD002刀具的使用壽命最低死相。

　　由于各類金剛石在適應(yīng)面上的互補(bǔ)性，金剛石刀具可加工范圍有所擴(kuò)展先俐，人工合成金剛石替代天然金剛石丘三，CVD金剛石替代PCD金剛石的趨勢也日漸明顯。切削加工也由此而進(jìn)入了一個可實現(xiàn)高效坷字、經(jīng)濟(jì)加工的新時期许辖，其替代程度決定于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面因素，尤其是刀片的成型通肋、刃磨和焊的難易程度將直接影響金剛石刀具的價格和性能贮猛。

　　通常PCD刀具適合于粗加工和要求刀具有較高斷裂韌性的生產(chǎn)中，CVD厚膜和單晶金剛石刀具多用於高速精加工和半精加工璃蓬。

　　金剛石刀具的應(yīng)用建議

　　金剛石刀具改變了傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝闺蜈，解決了生產(chǎn)中以前很多難以解決的加工問題。目前廣泛應(yīng)用于機(jī)械想祝、治金昵人、礦山、高速列車飞校、汽車阅酪、拖拉機(jī)、軸承汁针、水泵术辐、交通、能源施无、精密儀器辉词、航空航天等行業(yè)幷取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

　　目前世界上金剛石材料的年耗量呈8%~10%速度增長猾骡。人造單晶金剛石材料正在向粗顆粒瑞躺、高強(qiáng)度、多功能方向發(fā)展兴想，最大顆粒達(dá)11.14克拉重幢哨。PCD則向大直徑、細(xì)粒度嫂便、高抗沖擊捞镰、高熱穩(wěn)定性方向發(fā)展。PCD最大直徑可達(dá)74mm毙替。中國自1963年第一顆人造金剛石開發(fā)成功以來岸售，已走過近50年的發(fā)展歷程。目前中國人造金剛石的年產(chǎn)量位居世界第一弯枢，幷能生產(chǎn)各種高品級和高強(qiáng)度的人造金剛石玖远，為推廣和使用金剛石切削刀具創(chuàng)造了有利條件坦妙。

　　使用金剛石刀具的機(jī)床必須具有高的剛度、大的功率和高的轉(zhuǎn)速契惶。此外璃帘，機(jī)床精度要好，裝夾工件的夾具和夾緊裝置驳蒙，要求可靠性強(qiáng)姿味，以免加工時產(chǎn)生振動導(dǎo)致刀具破損。必須指出孔选，目前生產(chǎn)中不少機(jī)床設(shè)備還不能滿足金剛石刀具的加工要求，所以它們的潛力未能得到充分發(fā)揮袋滔，今後隨著數(shù)控機(jī)床(NC)和加工中心(MC)等高效設(shè)備應(yīng)用的增多(中國投資221億元人民幣的國家重大科技專項“高擋數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造”厨鸣，也於2009年初開始啟動)，必將進(jìn)一步推動金剛石刀具的使用缩旬。

　　金剛石刀具的加工刃磨和用鈍後重磨是使用中關(guān)鍵問題续誉，它是一項保密性很強(qiáng)、難度很大的技術(shù)初肉。國外使用金剛石刀具的企業(yè)多數(shù)都不自己磨刀酷鸦，而將用鈍的金剛石刀具送回原廠重磨。

　　當(dāng)前中國發(fā)展金剛石刀具牙咏，一方面要重視引進(jìn)臼隔、吸收國外新技術(shù)，設(shè)法提高刀片的質(zhì)量妄壶，降低刀片的成本摔握；另一方面要進(jìn)一步研制出晶粒更細(xì)的材料，以提高其致密度丁寄，減少刃口鋸齒邊氨淌，使其能研磨得更為鋒利。同時要解決金剛石刀具的刃磨效率和質(zhì)量問題伊磺。

　　值得提出的是盛正，用石墨原料合成的金剛石聚晶體，目前的金剛石為C12屑埋。同位素C13和C60則更為堅硬矢骚。因此可以預(yù)料，在21世紀(jì)的未來歲月中鹤叹，金剛石刀具一定會有更大進(jìn)展灿打，并得到更多的應(yīng)用。

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