金刚石在机械加工中的应用

2013-08-15李程辉

河南科技 2013年17期

李程辉

（郑州大学机械工程学院，河南郑州 450001）

1 前言

随着航天、汽车、军工等机械制造业的迅速发展，从黑色金属、有色金属到复合材料、高分子材料以及纳米材料，新材料不断涌现。普通的高速钢和硬质合金等已不能满足这些材料日益苛刻的机械加工要求，从而对刀具材料提出了新的更高的要求。由于金刚石有着优良的性能品质，随着金刚石的人工生产日益成熟和人们对金刚石研究的愈加深入，金刚石在刀具材料方面得到了愈加广泛的应用。

2 金刚石

金刚石分为两类：天然金刚石和人造金刚石，天然金刚石由于资源有限，价格昂贵等原因，多用于首饰。在机械加工中应用的大部分是人造金刚石。

2.1 金刚石的人工生产

人造金刚石的生产可以追溯到上世纪50年代，1955年，美国GE公司通过高温高压（HTHP）法，人工合成了单晶金刚石。合成的HTHP金刚石因需要较高的能量，成本较高，而添加的催化剂也给人造金刚石引入了杂质。近年来，随着化学气相沉积（CVD）工艺的发展，人类制备出CVD金刚石，在成本、合成条件及金刚石的质量上都有很大的优势，推动了金刚石在机械加工中的应用。

2.2 金刚石的优良性质

2.2.1 高的硬度和耐磨性。金刚石的显微硬度高达10000HV，是目前已知的最硬物质，其耐磨性和研磨能力超过了所有的磨削材料。

2.2.2 较低的摩擦系数。金刚石作为刀具时，切削刃非常锋利，刃部粗糙度小，降低了切削力和切削温度。

2.2.3 高的导热率、低的热膨胀系数。金刚石的导热率是已知材料中最高的，故在切削加工过程中，有利于切削热的散出，降低切削温度。金刚石的热膨胀系数随温度变化而变化，一般在1.5×10^-6～4.8×10^-6/℃。低的热膨胀系数有利于保证加工精度。

3 金刚石在机械加工中的应用

3.1 作为切削刀具

金刚石作为切削刀具的优点是高硬度、高耐磨性，能够加工超硬材料。由于金刚石本身的硬度非常大，可以获得高精度的刀尖圆弧半径，提高加工质量，因而广泛用于精加工、半精加工。金刚石刀具能够直接对淬硬工件进行加工，可以实现“以车代磨”、“以车代铣”等，从而减少工序，缩短工艺流程，降低加工成本，提高劳动生产率。而且金刚石对铝合金、铜合金、钛合金等有色金属进行切削加工时，由于摩擦系数低、导热率高，可实现对其进行高速度、高精度、高效率、高质量的加工。金刚石刀具的切削速度远高于硬质合金刀具。用金刚石的车刀车削铝合金切削速度可达到5000m/min，而且刀具耐用度也可较硬质合金刀具提高几十倍乃至上百倍。

3.2 用于磨具及磨料

磨削作为目前获得高精度、高表面质量最常用的主要加工方法，其磨料的选择尤为重要。人造金刚石比天然金刚石略脆一些，颗粒较粗，表面较粗糙，易于作砂轮。由于金刚石为最硬的磨料，能够长时间保持锋利性，不易磨钝，磨削效率高。而且摩擦系数小，较少产生粘结磨损，再加上导热系数大，不易发生磨削烧伤。因此，金刚石作为磨料得到了极大的重视和广泛的应用。

3.3 金刚石涂层刀具

CVD、PVD等技术的发展，是切削工具领域中的一次重大革命，从而涂层刀具得到大规模应用。涂层刀具既有表层的高硬度，又保持了原基体的韧性，是理想的切削工具。

常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等，近年来，金刚石涂层正得到全面推广。应用较广的是钨硬质合金切削刀具的“薄膜”CVD金刚石镀层，其金刚石涂层厚度不宜超过10μm。现在又有一种“厚膜金刚石”，它是纯度非常高、非粘接剂的整体金刚石。典型厚度为150～1000μm，硬度更高，不同于天然金刚石的是，它各向同性，作为刀具磨损均匀。而且随着科技的进步，金刚石涂层的许多技术难题将得到更好的解决，其市场前景广阔。

3.4 修整刀具

金刚石作为修整刀具主要用于磨削砂轮。砂轮在使用一段时间后，其磨削刃因磨损而变钝，磨粒之间的气孔容易被工件磨屑糊塞，从而使磨削效率降低，且容易发生磨削烧伤。因此，要对砂轮表面进行修整，对于硬度较大的砂轮，尤为重要。砂轮常用磨料为刚玉和碳化硅，它们硬度都非常高，一般材料难以对其修整。而硬度更高的金刚石足以胜任，能从磨削砂轮表面去除磨钝的磨料颗粒。金刚石砂轮修整工具的主要形式有修整笔、砂轮刀、修整器等，应用时根据不同的砂轮形式进行合理选择。

3.5 其他

金刚石在软弹性磨具的应用方面也得到了发展；纳米金刚石作为添加剂，加入到磨合油中，提高了磨合效率，缩短了磨合时间；而且，金刚石在抛光液的制备中也应用广泛。

4 存在的问题

任何一种材料作为切削工具都不可能十全十美，金刚石也不例外。用金刚石加工铁族金属是众多机械研究人员的共同希望，因为金刚石与铁族元素有很强的亲和力，且在700℃附近容易石墨化。由于金刚石的硬度问题，金刚石刀具的刃磨存在较大的难度；作为切削部分，在和刀具的基体部分焊接时，焊接的牢固性需要加强；用作涂层刀具时，防止涂层剥落、产生裂纹都是需要解决的问题。这些问题在一定程度上制约了金刚石在机械加工中的应用。但是，随着研究的深入，大部分问题已找到了较好的解决方案，而且在日后的发展中，将不断完善。