超硬刀具材料研究

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　天然和合成單晶金剛石

　　天然和人工合成的單晶金剛石一般是按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行產(chǎn)品分類，它們都能用作切削刀具、修磨機(jī)和拉絲模具。它們都被設(shè)計(jì)成為用于對表面光潔度、幾何形狀和尺寸有較高要求的精密加工應(yīng)用領(lǐng)域。單晶金剛石刀具切削的工件表面呈連
續(xù)狀，而聚晶金剛石刀具切削的工件表面呈現(xiàn)出微米量級的不連續(xù)狀態(tài)，工件表面的狀況或多或少與金剛石刀具材料的晶粒尺寸有關(guān)，盡管對工件和加工刀具的精密特性需進(jìn)行認(rèn)真考慮，但有一個(gè)總的原則，那就是要求金屬表面光潔度優(yōu)于0.025μm的情形需用單晶金剛石刀具和具有高剛性和高質(zhì)量支架的機(jī)加工工具。

　　天然金剛石早已被證明可成功應(yīng)用于這些領(lǐng)域。然而，當(dāng)前高溫高壓技術(shù)的發(fā)展使得制備出具有一定尺寸的人工合成單晶金剛石成為可能，目前最大尺寸可達(dá)8mm。采用高壓技術(shù)制備金剛石的典型例子是De Beers MONODITE系列。人工合成單晶金剛石刀具的粗坯是沿著平行于1b型合成金剛石的(1 0 0)面或沿一個(gè)厚2mm邊緣長度達(dá)8mm的薄片所提供的平面鋸開所制得。這種工程材料的優(yōu)點(diǎn)在于其尺寸、形狀和性能都具有良好的一致性，這在天然產(chǎn)品中是不可能實(shí)現(xiàn)的。另外各種尺寸尤其是大尺寸天然金剛石的缺乏、不同金剛石品質(zhì)的區(qū)別以及對金剛石的選擇、取向和刀具尖端的預(yù)處理等專業(yè)技巧的要求都對天然金剛石的價(jià)格因素產(chǎn)生重要影響，從而大大限制了它在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。當(dāng)前人工合成單晶金剛石刀具材料的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。

　　聚晶金剛石(PCD)

　　金剛石刀具的應(yīng)用已迅速擴(kuò)展到許多制造工業(yè)領(lǐng)域，尤其是在汽車和木材加工工業(yè)，成為傳統(tǒng)的WC刀具的高性能替代產(chǎn)品。作為一種公認(rèn)價(jià)格低廉且可用刃口長度達(dá)70mm的產(chǎn)品，PCD的應(yīng)用發(fā)展速度很快。
PCD 的性能主要依賴于它的應(yīng)用場合所涉及的加工過程，但選擇適當(dāng)?shù)呐铺柣蚓Я３叽缫矔�對其性能產(chǎn)生影響。標(biāo)準(zhǔn)牌號包括002，010和025三種，它們初始晶粒平均尺寸分別為2、10、25μm�？偟膩碚f，牌號越大，其耐磨性越好；在相接近的刃口加工量下，牌號越小，其刃口質(zhì)量越好。

　　金剛石刀具在層狀木材地板加工中的應(yīng)用

　　近年來，人工合成單晶金剛石的一個(gè)新應(yīng)用領(lǐng)域是木材加工業(yè)，這主要是它具有高度耐磨性。PCD刀具在木材加工中早已應(yīng)用于MDF和粗紙板的機(jī)械加工，當(dāng)前對表面有氧化鋁涂層的高度耐磨層狀木地板的需求量越來越大，但是在研磨這種木板邊緣時(shí)對包括PCD在內(nèi)的刀具提了特殊的要求，因?yàn)槟景迥湍�層會引起刃口的鈍化，導(dǎo)致氧化鋁耐磨層的碎裂。所以刀具必須經(jīng)常修整，直至重新研磨或更換，這勢必導(dǎo)致很長的停工時(shí)間。據(jù)報(bào)道，在該領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，人工合成單晶金剛石的性能優(yōu)于PCD。

　　化學(xué)氣相沉積金剛石

　　PCD、PCBN和人工合成單晶金剛石均是在高溫和高壓下合成的，而CVD金剛石是在低壓下制備的。碳基氣體和氫氣的混合物在高溫和低于大氣壓的壓力下分解形成金剛石沉積在基體上。沉積出的是交互生長極好的聚晶金剛石，它呈柱狀結(jié)構(gòu)且非常致密。隨著生長條件的不同，CVD金剛石也呈現(xiàn)出不同的晶粒尺寸和結(jié)構(gòu)。CVD金剛石不需金屬催化劑，因此它的熱穩(wěn)定性接近天然金剛石。

　　可以根據(jù)需要對晶粒尺寸和沉積技術(shù)進(jìn)行選擇。例如在非刀具的應(yīng)用場合，如熱控制和光學(xué)視窗，對CVD金剛石的性能要求明顯不同于切削刀具。根據(jù)不同的應(yīng)用需要選擇不同的CVD沉積工藝可以合成出晶粒尺寸和表面形貌差別很大的聚晶金剛石。由于對刀具的性能要求是多種多樣的，所以可能要多種不同晶粒尺寸的CVD金剛石才能滿足各種應(yīng)用的需要。

　　實(shí)際上，CVD金剛石刀具有兩種形式：第一種是在適當(dāng)基體上沉積厚度小于30μm的薄層(薄膜)，例如ISO刀片和麻花鉆頭的刃口是兩種典型的薄涂層。第二種是沉積厚度達(dá)1mm的無襯底的金剛石層(厚膜)，如果需要的話，它可以釬焊在基體上。

　　CVD金剛石薄膜

　　如果要達(dá)到對CVD薄膜的沉積和結(jié)合強(qiáng)度滿意的程度，則基體材料的性質(zhì)和制備顯得非常重要。直至目前，該項(xiàng)技術(shù)仍限制著CVD涂層的設(shè)備，因此目前在CVD制備薄膜領(lǐng)域的大部分工作都致力于對它的研究。好的基體材料是WC，因?yàn)樗�的機(jī)械性能同金剛石較匹配，而且刀具制造商對WC基的刀具材料很熟悉，很愿意用它作為基體材料。

　　對加有涂層的刀具材料的第二個(gè)限制是基體上的涂層必然在刃口上形成倒圓，這將限制涂層的厚度，因而有必要對加有涂層的刃口進(jìn)行處理(如研磨)。至目前為止，薄膜金剛石產(chǎn)品的市場還不是很大。

　　CVD金剛石厚膜

　　與此相反，CVD金剛石厚膜可以通過特殊的、簡便易行的技術(shù)釬焊在所要求的基體上。然而這種釬焊點(diǎn)的強(qiáng)度決不等同于PCD強(qiáng)度，在用于間斷切削這種高要求的機(jī)械加工過程時(shí)，這種連接就顯得很脆弱。不然的話，CVD金剛石厚膜將能在整個(gè)機(jī)械加工應(yīng)用領(lǐng)域同PCD競爭。它同PCD相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是它的熱穩(wěn)定性更好，其缺點(diǎn)是較高的脆性和不導(dǎo)電性。缺乏導(dǎo)電性阻礙了它用于放電腐蝕(EDM) 切削和加工技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)在金剛石刀具加工業(yè)，尤其是在木材加工用刀具的生產(chǎn)和修整上得到了廣泛應(yīng)用。但是能用EDM切削的厚CVD刀具材料已經(jīng)制造出來，目前正在對它進(jìn)行評估。它潛在的應(yīng)用領(lǐng)域還有對高耐磨工件的機(jī)械加工，在這種場合主要利用了CVD金剛石厚膜中金剛石的高純度以及由此帶來的耐磨性和熱穩(wěn)定性的提高。

　　目前CVD金剛石厚膜的成本較高，隨著技術(shù)的發(fā)展，其制造成本會逐步降低，并最終會進(jìn)入超硬工具工業(yè)領(lǐng)域。

　　CVD CBN

　　CVD CBN與金剛石不同，金剛石由單一元素組成，而它是化合物，包括化學(xué)計(jì)量在內(nèi)的眾多問題都使它的生長工藝更為復(fù)雜。盡管經(jīng)過多年研究，實(shí)際上所有的CVD CBN涂層都是多相微晶材料。同高質(zhì)量的CVD金剛石相比，CVD CBN更象“類金剛石碳”(DLC)。發(fā)展涂有DLC涂層刀具的應(yīng)用是很有可能的，盡管到目前為止，這種應(yīng)用前景還未明顯顯現(xiàn)。

　　結(jié)論

　　綜上所述，各種不同形式的金剛石切削刀具能很好地相互補(bǔ)充。然而也存在一些相互交叉的應(yīng)用領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域需對刀具產(chǎn)品進(jìn)行合理選擇。最有可能出現(xiàn)交叉應(yīng)用的有以下兩類產(chǎn)品：①天然和人工合成的單晶金剛石；②PCD和CVD金剛石厚膜。

　　人工合成的單晶金剛石已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)較為先進(jìn)的水平，已有國際標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行鑒定。在天然金剛石中，大尺寸金剛石較為少見，而人工合成大尺寸金剛石的成功為開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域(如木材加工業(yè))提供了可能。

　　可加工級的CVD金剛石厚膜具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的熱學(xué)性能，它的迅速發(fā)展表明CVD金剛石將在刀具工業(yè)中發(fā)揮積極作用。

　　用合成金剛石替代天然金剛石、用CVD金剛石替代PCD的發(fā)展程度都取決于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的因素。價(jià)格和性能的關(guān)系、刀具制造商和最終用戶對CVD金剛石的信任程度尤其是成型、研磨和釬焊工藝的容易程度等都將影響其發(fā)展的最終結(jié)果。但有一點(diǎn)是肯定的，那就是必然向更高生產(chǎn)率和更高切削速度的方向發(fā)展。隨著更耐磨、更難加工的工件材料日益增多，各類金剛石刀具的應(yīng)用也將持續(xù)增加。