單晶金剛石刀具

      單晶金剛石可分為天然單晶金剛石和人工合成單晶金剛石。天然金剛石俗稱鉆石，是人類最早發(fā)現(xiàn)的一種最硬的天然礦物，優(yōu)質(zhì)天然金剛石多數(shù)為規(guī)整的八面體或菱形十二面體，少數(shù)為六面立方體或其他形狀，淺色透明，無(wú)雜質(zhì)和缺陷，具有很大的折射率。第一次工業(yè)革命期間，天然單晶金剛石刀具開始用于鐘表和精密儀器儀表軸承的機(jī)械加工，大大提高了加工精度。天然金剛石刀具是將經(jīng)研磨加工成一定幾何形狀和尺寸的單晶大顆粒型金剛石，用焊接式、黏結(jié)式、機(jī)夾式或粉末冶金方法固定在刀桿或刀體上，然后裝在精密機(jī)床上使用。天然單晶金剛石刀具經(jīng)過(guò)精細(xì)研磨，刃口能磨得極其鋒利，刃口半徑可達(dá)0.002μm，能實(shí)現(xiàn)超薄切削。再加上它與被加工材料之間的摩擦系數(shù)小，抗黏結(jié)性好，熱膨脹系數(shù)小及熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)，天然金剛石刀具可以加工出極高的工件精度和極低的表面粗糙度。因此，天然金剛石刀具切削也稱鏡面切削，天然金剛石刀具是一致公認(rèn)的、理想的和不能替代的超精密加工刀具。目前，天然金剛石刀具超精密鏡面切削技術(shù)得到迅速發(fā)展，主要用于銅及銅合金、鋁及鋁合金以及金、銀、銠等貴重金屬特殊工件的超精加工，如錄像機(jī)磁盤，光學(xué)平面鏡、多面鏡、二次曲面鏡等。但由于天然金剛石不僅價(jià)格昂貴，而且資源有限，貨源奇缺，使其應(yīng)用范圍受到限制。單晶金剛石用于制作切削刀具必須是大顆粒（質(zhì)量大于0.1g，最小徑長(zhǎng)不得小于3mm）。

      聚晶金剛石刀具（PCD）刀具

      人造單晶金剛石是20世紀(jì)50年代以后逐漸發(fā)展起來(lái)的，它是以石墨為原材料，加入催化劑，經(jīng)高溫超高壓合成的。人造聚晶金剛石（PCD）是通過(guò)金屬結(jié)合劑（如Co、Ni等）將金剛石微粉聚合而成的多晶體材料。人造聚晶金剛石是一種特殊的粉末冶金產(chǎn)品，在制造方法上借鑒了常規(guī)粉末冶金中的一些方法和手段。在燒結(jié)過(guò)程中由于添加劑的加入，使PCD晶體間形成以Co、Mo、W、WC和Ni等為主要成分的結(jié)合橋，金剛石被牢固地嵌于結(jié)合橋構(gòu)成的堅(jiān)固的骨架中。金屬黏結(jié)劑的作用就是牢固把持金剛石，充分發(fā)揮金剛石的切削效率。另外，由于晶粒在各個(gè)方向上自由分布，裂紋很難從一個(gè)晶粒傳向另一個(gè)晶粒，使PCD的強(qiáng)度和韌性都有了很大提高。在選擇黏結(jié)劑時(shí)需要考慮如下內(nèi)容。

      ① 黏結(jié)劑與金剛石的把持力。

      ② 對(duì)特定的加工對(duì)象，黏結(jié)劑與金剛石的協(xié)調(diào)磨損。

      ③ 適當(dāng)?shù)闹圃旃に嚭蜕a(chǎn)成本

      天然金剛石用于制作刀具已有很長(zhǎng)的歷史，由于天然金剛石的價(jià)格昂貴，金剛石廣泛應(yīng)用于切削加工還是在聚晶金剛石（PCD）研制成功以后，自20世紀(jì)70年代初，美國(guó)GE公司研制成功聚晶金剛石（PCD）刀片以后，在很多場(chǎng)合下天然金剛石刀具已被人造聚晶金剛石所替代。雖然PCD的硬度低于單晶金剛石，但PCD屬于各向同性材料，使得刀具制造中不需擇優(yōu)定向。由于PCD結(jié)合劑具有導(dǎo)電性，使得PCD便于切割成形，而且成本遠(yuǎn)低于天然金剛石。PCD原料來(lái)源豐富，其價(jià)格只有天然金剛石的幾十分之一至十幾分之一。因此，PCD應(yīng)用遠(yuǎn)比天然金剛石刀具廣泛。PCD刀具無(wú)法磨出極其鋒利的刃口，刃口半徑很難達(dá)到1μm以下，加工的工件表面質(zhì)量也不如天然金剛石。因此，PCD只能用于有色金屬和非金屬的精切，很難達(dá)到超精密鏡面切削。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，PCD刀具的生產(chǎn)和應(yīng)用逐年增加，至2002年，PCD刀具年銷售額已達(dá)2.8億美元。

      CVD金剛石刀具

      CVD金剛石是指用化學(xué)氣相沉積法（CVD）在異質(zhì)基體（硬質(zhì)合金、陶瓷等）上合成金剛石膜，CVD金剛石具有與天然金剛石完全相同的結(jié)構(gòu)與特性。CVD金剛石不含任何金屬或非金屬添加劑，因此，CVD金剛石的性能與天然金剛石十分接近，兼具單晶金剛石和聚晶金剛石（PCD）的有點(diǎn)，在一定程度上又克服了它們的不足。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可選擇不同的CVD沉積工藝以后合成出晶粒尺寸和表面相貌不同的CVD金剛石。大量實(shí)踐表明，CVD金剛石工具產(chǎn)品的使用性能在許多方面超過(guò)聚晶金剛石的同類產(chǎn)品，而且其表面粗糙度接近單晶金剛石，抗沖擊性超過(guò)單晶金剛石。因此，CVD金剛石被看成是一種有廣闊前景的新金剛石材料。目前研制的CVD金剛石膜產(chǎn)品其晶向直徑已超過(guò)110mm，厚度達(dá)毫米級(jí)。