金刚石刀具的选用

金刚石刀具的种类与选用

摘要:简要介绍了金刚石材料的的主要性能特点?并对近几年来正在迅速发展的金刚石切削刀具的特点、性能、种类及其选用方法作了较为详细的叙述。

关键词：天然金刚石聚晶金刚石PCI刀具CVD刀具切削性能刀具寿命

目前世界上金刚石的年耗量大约以8%——10%的速度增长?有人预言21世纪将是金刚石全面应用的时代，我国对人造金刚石的研究与应用始于20世纪70年代，并于1969年在贵阳建造了第1个人造金刚石及其制品的专业生产厂——第六砂轮厂。从1970——1990年，人造金刚石年产量从46万克拉增至3500万克拉。20世纪90年代前后，从国外引进了先进设备及金刚石生产技术，产量迅速增，1997年我国人造金刚石年产量已达到5亿克拉左，生产量位居世界首位。

金刚石是碳的同素异形体，是目前已知的最硬物质?其显微硬度可达HV10000，作为刀具材料，也是目前最硬的，并已得到广泛应用。在合适的切削加工条件下，金刚石刀具比高速钢、硬质合金、陶瓷和聚晶立方氮化硼等刀具的使用寿命都要长。特别是用金刚石刀具切削加工铜、铝等有色金属和非金属耐磨材料时特别有效?其切削速度可比硬质合金刀具高一个数量级，例如铣削铝合金的切削速度为3000——4000m/min，甚至可达到7000m/min，且这时的金刚石刀具使用寿命也比硬质合金刀具高几十、甚至几百倍。

金刚石刀具不但可用于一般的车、镗、铣削，还成功地用于精密孔的加工前保证光刻胶线宽与设计一致，并且在需要电铸的部位光刻胶显影干净，在电铸时调整电铸条件和参数得到最佳的电铸效果?只有满足以上工艺要求制备的微弹簧才能获得较好的力学性能。当微弹簧所受拉力增大，便脱离弹性阶段，此时拉力-伸长曲线进入第2段，变为非线形

金刚石刀具的种类较多，可分为：单晶金刚石刀具、聚晶金刚石（PCD)、聚晶金刚石复合片（PCD)、CVD金刚石刀具和电镀金刚石刀具。

单晶金刚石刀具

单晶金刚石有天然的（ND)和人工合成的2种(单晶金刚石用作切削刀具必须是大颗粒的，一般其质量要大于0.1g其最小直径和长度均不得小于3mm，单晶金刚石刀具主要用于对表面粗糙度、几何形状精度和尺寸精度有较高要求的精密加工领域。

天然单晶金刚石是金刚石中最耐磨的材料(它本身质地细密，经过精细研磨，切削刃的刃口圆弧半径可小到0.010——0.002um。但天然单晶金刚石较脆，其结晶各向异性，不同晶面或同一晶面不同方向的晶体硬度均有差异，在进行刃磨和使用时必须选择合适的方向，使用条件较为苛刻，且资源有限，价格十分昂贵(天然单晶金刚石刀具主要用于某些有色金属的超精密切削加工或用于黄金首饰的生产加工中。

人工合成单晶金刚石的尺寸、形状和性能都具有良好的一致性，目前由于高温、高压技术日趋成熟，能够制备一定尺寸的人工合成单晶金刚石，南非DC Boors公司和美国生产的合成单晶金刚石颗粒尺寸可达9——10mm，使人工合成单晶金刚石的应用在工业生产中得到了迅速的发展。尤其在加工高耐磨的层状木板时，其切削性能要优于PCD金刚石,不会引起刃口的过早钝化。

聚晶金刚石及其复合刀片（PCD/CC）

PCD是在高温、高压下，利用钴等金属结合剂将许多金刚石单晶粉聚晶成多晶体材料。其硬度虽然稍低于单晶金刚石，但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合，属各向同性，用作切

削刀具时可以任意取向刃磨，而无需像刃磨天然金刚石那样必须选用最佳的解理面作为前刀面。而且PCD原料来源丰富,其价格只有ND的几十分之一至十几分之一。在切削时，切削刃对意外损坏不很敏感，抗磨损能力也较强，可长时间保持锋利的切削刃，加工时可采用很高的切削速度和较大的切深，例如在车削或镗削铝合金、黄铜、青铜及其合金时，切削速度为300——1000m/min，进给量为0.05——0.5mm/r切深可达10mm，使用寿命一般高于WC 基硬质合金刀具10——500倍，已成为传统WC基硬质合金刀具的高性能替代品。

为提高PCD刀片的韧性和可焊性，可用硬质合金为基底，在其表面烧结或压制一层0.5_——1mm厚的PCD而组成金刚石复合刀片（PCD/CC)。PCD/CC可用钎焊或机夹方式制作刀具。由于其可焊性好，重磨容易，成本低，故应用广泛"。英国Smith公司研制的多层金刚石复合刀片，其顶层金刚石浓度为100%，往内逐步下降!同时硬质合金逐渐增加!到衬底全部为硬质合金。这种复合刀片的强度高!抗冲击性能好!特别适用于大切深、有冲击载荷的加工使用。日本住友电工公司采用铁基合金作基体，所制造的金刚石复合刀片钻头因PCD 与钢刀体有亲和作用，可保证复合刀片与刀体的连结更为牢固。

PCD的性能与金刚石晶粒尺寸大小及结合剂的含量有关。DC Boors公司生产的PCD复合刀片有关002、010和025几种!晶粒的平均尺寸分别为2um、10um、25um。晶粒尺寸越大，耐磨性越好，刀具寿命越高，但切削刃较粗糙，刃口质量差；中晶粒（如DC Boors公司生产的010）一般作为机械加工的通用牌号细晶粒刀具的切削刃的刃口钝圆半径r小（一般PCD刀具的r为1——2um），易加工出良好的零件表面纹理，加工表面质量好。因而目前聚晶的晶粒不断细化，并已有1um以下的细晶，需根据粗、精加工等不同工序的要求，选用不同大小的晶粒。但我国学者研究证实!聚晶体刀具在微量切削时，具有“多点切削、单点成形”的特点，因此只要采取一定的工艺措施!用粗晶粒（70——30um）聚晶刀具也同样有可能切出超精密的加工表面。

因金刚石与铁之间有化学反应，故一般不推荐PCD刀具加工黑色金属材料，PCD.刀具可用来加工含铁的双金属复合材料。例如，美国一家汽车配件厂用PCD复合刀片制作的直径为305mm机夹盘铣刀加工铝和铸铁的双金属气缸体时，切削速度为305m/min，每齿进给量为0.1mm，切深为5mm，加工5000个气缸体后，刀片才需转位1次。

需要指出，PCD刀具的刃口锋利性和加工表面质量均不如ND，同时其可加工性差，磨削比小，刀头刃形难以任意成形，至今还不能方便地制造带断屑槽可转位刀片和立铣刀等几何形状复杂的产品。

化学气相沉积（CVD)金刚石刀具

CVD金刚石是一种高抗磨性的纯金刚石材料，不含结合剂，它是在低于1000C的温度和低压(<0.1MPa）条件下制备的。CVD金刚石有2种形式CVD薄膜(CD)和CVD厚膜(TFD) CD是用CVD工艺,在硬质合金基(常用K类合金)上沉积一层厚度小于50um（通常为10——30um），由多晶组成的膜状金刚石而成"因基体易于制成复杂形状，故适用于几何形状复杂的刀具，如丝锥、钻头、立铣刀和带断屑槽可转位刀片等。国际工具市场上已有CD刀具的产品(如瑞典Sandvik公司的CD1810和美国Kcnnamctal公司的KCD25等牌号)，用于有色金属及非金属材料的高速精密加工!刀具寿命比未涂层的硬质合金刀具提高近十倍!

有些甚至数十倍，但CD刀具不适于加工带有硬质颗粒的金属基复合材料，因为硬质颗粒会在很短时间内将刀具表面涂层磨穿。所以尽管CD刀具的价格比同类PCD刀具要低，且由于金刚石薄膜与基体材料间的黏着力较小，限制了它的广泛应用!到目前为止，CD刀具的市场份额不是很大。

TFD是沉积厚度可达1mm、甚至达5mm的无衬底金刚石厚膜!根据需要再将厚膜切割成一定形状的小块，然后钎焊到所要求的基体材料上制成刀具使用。TFD由于较好地解决