金刚石刀具的发展方向浅析

朱晓刚 高俊峰 张昕 张广城

摘 要 随着材料工业及精密机械工业的发展，精密切削、超精密切削和难切削材料使用的增多，超硬刀具材料的应用日益广泛。本文通过分析超硬刀具材料的发展状况，对主要品种的应用进行探讨。

关键词 硬质刀具 金刚石 复合刀片

中图分类号：TG711 文献标识码：A

1 金刚石刀具材料发展概况

我国超硬刀具材料的研究与应用开始于上个世纪70年代，并于1970年在贵阳建造了我国第一座超硬材料及制品的专业生产厂第六砂轮厂，从1970-l990年整整20年中，超硬材料年产量从仅46万克拉增至3500万克拉。上个世纪90年代前后，不少超硬材料生产专业厂从国外引进成套的超硬材料合成设备及技术，使产量得以迅速提高，至1997年，我国人造金刚石年产量就已达到5亿克拉左右，CBN年产量达800万克拉，跃居世界超硬材料生产大国之首。

金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好，能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材（尤其是实心木和胶合板等复合材料）。

金刚石的缺点是韧性差，热稳定性低。700—800℃时容易碳化，故不适于加工钢铁材料。因为在高温下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构。此外，用它切削镍基合金时，同样也会迅速磨损。

2 金刚石刀具的主要品种及应用

目前，在世界上已经应用或正在试验中的超硬刀具材料的主要品种有以下几种。

2.1 天然和人工合成大单晶金刚石

单晶金刚石有天然金刚石ND和人工合成金刚石两种。单晶金刚石用于制作切削刀具必须是大颗粒的（质量大于0.1g，最小径长不得小于3ram）。ND是目前已知矿物中最硬的物质，其显微硬度可达10000HV，耐磨性好，而且切削刃非常锋利，刃部粗糙度值小，摩擦因数低，抗黏结性好，热导率高，切削时不易黏刀及产生积屑瘤，加工表面质量好。天然金刚石的硬度、抗磨损与抗腐蚀性和化学稳定性保证了刀具的超长寿命，能保证持续长久的正常切削，并减少由于刀具磨损对被加工零件的影响；其较高的导热系数又可降低切削温度和零件的热变形。天然大单晶金刚石的优良特性可满足精密及超精密切削对刀具材料的大多数要求，虽然其价格昂贵却仍被公认为是理想的精密及超精密切削工具材料。可广泛地应用于加工原子核反应堆及其它高技术领域的各种反射镜、导弹和火箭中的地航陀螺、计算机硬盘基片，加速器电子枪的超精密加工以及传统手表零件、首饰、制笔、有色金属装饰件的精密加工等。此外，还可以用于制造医用刀具。ND的缺点主要是与铁族元素接触时有化学反应， 在700～800℃时将碳化（即石墨化），一般不适于加工钢铁材料。

2.2 聚晶金刚石和聚晶金刚石复合刀片

PCD 又称金刚石烧结体，它是在高温、高压下，通过钴等金属结合剂将许多金刚石单晶粉聚晶成的多晶体材料。虽其硬度稍低于天然单晶金刚石，但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合，属各向同性，无解理面。因而它不像大单晶金刚石那样在不同晶面上的强度、硬度及耐磨性有很大的差别， 以及因解理面的存在而呈脆性。在切削时，切削刃对意外损坏不太敏感，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背吃刀量，使用寿命一般高于WC基硬质合金刀具l0～50倍，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，PCD 刀具具有极高的硬度及寿命、很低的摩擦系数、锋利的刀刃、优异的导热性和低膨胀系数等特点，现已成为传统WC基硬质合金刀具的高性能替代品。聚晶金刚石复合片（PDC）fJ具材料是在PCD研究的基础上发展起来的。硬质合金作为PCD的基体材料既有好的韧性和一定的硬度，同时又具有可焊性以及与PCD的某种兼容性。所以它既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有硬质合金的韧性和可焊性之优点。

2.3 CVD金刚石

CVD 金刚石是在低压下制备的，它不同于大单晶金刚石，而PCD、PDC是在高温高压下合成的。CVD金刚石包括三类：第一种是在适当基体上沉积的CVD 金刚石涂层包括类金刚石DLC涂层1；第二种是沉积厚度达lmm的无支撑的CVD金刚石厚膜；第三种是在金刚石晶种上外延生长的CVD金刚石单晶膜或准单晶膜。CVD金刚石由于是不含任何金属催化剂的纯金刚石，因此它的热稳定性接近天然金刚石。同高温高压人工合成聚晶金刚石一样，CVD 聚晶金刚石晶粒也呈无序排列，无脆性解理面而呈各向同性。CVD涂层刀具与PCD、PDC刀具相比，具有刀具形状复杂、成本低、一片多刀刃等优点。然而，也存在金刚石涂层与基体之间结合强度低以及对有CVD金刚石涂层的刃口进行研磨处理时容易分层剥落的缺陷。