金刚石刀具性能及其应用研究
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1 引言
金刚石是精密和超精密加工的超硬刀具材料之一，金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数，以及与非铁金属亲和力小等优点。可以用于非金属硬脆材料如石墨、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料的精密加工。金刚石刀具类型繁多，性能差异显著，不同类型金刚石刀具的结构、制备方法和应用领域有较大区别。2 金刚石材料特性
金刚石为单—碳原子的结晶体，其晶体结构属等轴面心立方晶系(晶系原子密度最高)。金刚石中碳原子间连接键为sp3杂化共价键，具有很强的结合力、稳定性和方向性。人工合成金刚石性能取决于sp3杂化共价键与非晶无定形碳sp2杂化共价键相对比率。如果sp3含量过低得到二者混合物体为类金刚石(Diamond－Like Carbon，简称DLC)。独特的晶体结构使金刚石具有最高的硬度、刚性、导热系数以及优良的抗磨损、抗腐蚀性和化学稳定性等均高于硬质合金。如表1所示，可见单晶金刚石硬度最高，热导率最大，热膨胀系数最小，故其综合物理性能最佳。3 金刚石刀具类型及其性能
目前，工业用金刚石刀具根据成分和结构不同可分为五种：- 天然金刚石Natural Diamond(ND)；
- 人造聚晶金刚石Artificial Polvcrystalline Diamond(PCD)；
- 人造聚晶金刚石复合片Polycrystalline Diamond Compact(PDC)；化学气相沉积涂层金刚石刀具Chemical Vapor Deposition Diamond Coated Tools(CVD)。
- 沉积厚度达100µm的无衬底纯金刚石厚膜Thick Diamond Film(CD)；
- 在刀具基体表面直接上沉积厚度小于30µm的金刚石薄膜涂层Coated Thin Diamond Film(CD)。
根据CVD金刚石涂层刀具中金刚石微粒尺寸分为：微晶金刚石涂层Microcrystalline Diamond(MCD)和纳米金刚石Nano Crystalline Diamond(NCD)两种。为微晶金刚石表面形貌。传统的金刚石涂层是由平面形晶体组成，其尺寸为1.5µm。纳米晶体的金刚石涂层晶体结构为特殊结构，晶体尺寸仅为(0.01～0.2)nm。由于金刚石刀具类型繁多，刀具结构和性能差异明显，适合的不同的场合。3.1天然金刚石(ND)刀具
为天然金刚石拉蔓峰谱，具有以下特征：(1)1332尖锋处显示存在金刚石。(2)波型幅度(FWHM)为4.1cm-1显示为纯金刚石。ND是目前已知矿物中最硬的物质，主要用于制备刀具车刀。天然金刚石刀具精细研磨后刃口半径可达0.01～0.002µm。其中天然单晶金刚石(Single Crystalline Diamond，SCD)刀具切削刃部位经高倍放大1500倍仍然观察到刀刃光滑。SCD车削铝制活塞时Ra可达到4µm，而在同样切削条件下用PCD刀具加工时的表面粗糙时的Ra为15～50µm。故采用SCD刀具配合精密车床进行精密和超精密加工，可获得镜面表面。3.2 聚晶金刚石(PCD)刀具
PCD是高温超高压条件下通过钴等金属结合剂将金刚石微粉聚集烧结合成的多晶体材料，又称烧结金刚石。聚晶金刚石刀具整体烧结成铣刀，用于铣削加工，PCD晶粒呈无序排列状态，属各向同性，硬度均匀，石墨化温度为550℃。刀具具有高硬度、高导热性、低热胀系数、高弹性模量和低摩擦系数。刀刃非常锋利等特点。3.3 人造聚晶金刚石复合片(PDC)刀具
为提高PCD刀片的韧性和可焊性，常将PCD与硬质合金刀体做成人造聚晶金刚石复合刀片(PDc)。即在硬质合金基底其表面压制一层0.5～1mm厚的PCD烧结而成。复合刀片的抗弯强度与硬质合金基本一致，硬度接近PCD，故可以替代PCD使用。PCD及人造聚晶金刚石复合片(PDC)刀具的刃口锋利性和加工的工件表面质量低于ND。同时其可加工性很差，磨削比小，难以根据刀头的几何形状任意成形。目前利用人造聚晶金刚石复合片只能制备车刀，至今还不能制造带断屑槽的可转位刀片和复杂三维曲面几何形状的铣刀。3.4 CVD金刚石厚膜(TDF)焊接刀具
金刚石厚膜焊接刀具是把激光切割好CVD金刚石厚膜一次焊接至基体(通常为K类硬质合金)上，形成复合片，然后抛光复合片，二次焊接至刀体上，刃磨成需要的形状和刃口。为CVD金刚石厚膜(金刚石膜厚度达30µm)，具有硬度高、耐磨损、摩擦系数小等特点，是制造切削有色金属和非金属材料刀具的理想材料。由于金刚石焊接过程工艺复杂，CVD金刚石厚膜(TDF)焊接刀具尚未大批量应用。
3.5金刚石涂层刀具
金刚石涂层刀具是用CVD法直接在硬质合金(K类硬质合金)或陶瓷等基体上沉积一层1～25µm金刚石薄膜，无解理面各向同性。薄膜涂层刀具硬度达9800～10000HV。热导率高，室温下导热系数高达2000W·m-1·K-1，而硬质合金刀具导热系数仅为80～100m-1·K-1。CVD方法金刚石可以涂层到任何复杂形状的刀具上，这是聚晶金刚石无法拥有的最显著的优势。4 各类金刚石刀具的应用
天然金刚石刀具目前主要用于紫铜及铜合金和金、银、铑等贵重有色金属，以及特殊零件的超精密镜面加工，如录相机磁盘、光学平面镜、多面镜和二次曲面镜等。但其结晶各向异性，刀具价格昂贵。PCD的性能取决于金刚石晶粒及钴的含量，刀具寿命为硬质合金(WC基体)刀具的10～500倍。主要用于车削加工各种有色金属如铝、铜、镁及其合金、硬质合金和耐磨性极强的纤维增塑材料、金属基复合材料、木材等非金属材料。切削加工时切削速度、进给速度和切削深度加工条件取决于工件材料以及硬度。人造聚晶金刚石复合片(PDC)性能和应用接近PCD刀具，主要用在有色金属、硬质合金、陶瓷、非金属材料(塑料、硬质橡胶、碳棒、木材、水泥制品等)、复合材料等切削加工，逐渐替代硬质合金刀具。由于金刚石颗粒问有部分残余粘结金属和石墨，其中粘结金属以聚结态或呈叶脉状分布会减低刀具耐磨性和寿命。此外存在溶媒金属残留量，溶媒金属与金刚石表面直接接触。降低(PDC)的抗氧化能力和刀具耐热温度，故刀具切削性能不够稳定。金刚石厚膜刀具制备过程复杂，因金刚石与低熔点金属及其合金之间具有很高的界面能。金刚石很难被一般的低熔点焊料合金所浸润。可焊性极差，难以制作复杂几何形状刀具，故TDF焊接刀具不能应用在高速铣削中。金刚石涂层刀具可以应用于高速加工，原因是除了金刚石涂层刀具具有优良的机械性能外，金刚石涂层工艺能够制备任意复杂形状铣刀，用于高速加工如铝钛合金航空材料和难加工非金属材料如石墨电极等。但是粘结力较弱是金刚石涂层刀具最突出的问题。粘结力较弱的原因有两个：(1)化学气相沉积(CVD)过程中产生的热应力；(2)基体材料存在着许多降低接触界面强度的因素。如表2所示，为各种金刚石刀具性能比较。5 金刚石涂层刀具制备和展望
国内金刚石涂层刀具的制造技术尚未成熟，目前处于实验研究阶段，未见自主制备成熟的金刚石涂层刀具产品。理论上，金刚石和石墨在一定的条件下(温度，压力和催化媒)可以实现相互转化。
5.1 金刚石涂层刀具制备原理和技术
可以在以下几个方面开展金刚石刀具制备：在相对比较低压力和温度条件下，采用在基底上外延准稳态法(Metastable CVD Diamond)和碳的等离子体沉积法可获得人造金刚石膜；在5～11GPa压力，1200～2300K温度范围内，借助Catalytic(催化媒)的催化效果，熔媒法(Catalytic HPHT synthesis)可将石墨转化为金刚石；继续升高温度和压力，石墨可直接转化为金刚石结构，即直接法人造金刚石(HPHT synthesis)。此外，在相对高压低温区利用爆炸冲击合成法(Shock wave synthesis)可得到纳米结构金刚石。可以根据以上理论，开展金刚石刀具制备。国外金刚石涂层刀具制备方面如美国sp3专业金刚石涂层公司已经推出产品，德国Oerlikon Balzers推出纳米金刚石Balinit Diamond涂层刀具。Zecha刚采用多层涂层技术来克服金刚石涂层刀具结合力弱和表面粗糙问题。瑞士爱恩邦德推出金刚石涂层刀具产品，日本黛杰DIJIE在硬质合金铣刀刃口预先开设一空槽，填入金刚石微粉，再统—烧结形成石墨专用金刚石PCD整体铣刀。OSG制备了超微粒结晶金刚石涂刀具(晶粒仅为1µm)。5.2 金刚石涂层刀具发展方向
金刚石涂层设备昂贵，工艺复杂，金刚石膜和硬质合金基体结合力差是影响刀具制备和应用的主要问题，需要在涂层前对基体进行清洗和除钴工艺预处理措施。金刚石涂层刀具未来可以在以下几个方向开展研究：(1)为克服涂层中不同界面结合力弱，可以采用多层涂层技术。(2)硬质合金基体和金刚石接触处强度过低，涂层容易脱落仍是金刚石涂层刀具主要问题，因此，需要解决刀具结合力弱问题。(3)目前金刚石涂层设备采用均一恒定的涂层工艺参数，造成刀具表面金刚石颗粒粗大，影响到刀具的切削性能，因此有必要开展刀具涂层后刀具表面切削刃局部位置精细抛光和研磨，同时采取措施细化表面晶粒等方法。(4)解决金刚石和基体热膨胀系数不一致而造成热应力问题，在使用金刚石涂层刀具过程中，会产生热应力。此外切削热造成基体热膨胀变形量远大于金剐石刀具，热变形造成金刚石涂层刀具破损主要原因，可采取中间过渡涂层法来解决。
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