金刚石及超硬材料应用中的注意事项

　　天然单晶金刚石

　　在当前的超精密加工中，天然单晶金刚石的切削工具已是必不可少。它可获得极为锋利的切削刃，其刃口圆弧半径可以达到连扫描电子显微镜（SEM）也无法检测的程度。据日本大阪大学井川直哉教授介绍，最小可达2～4nm,这是当前的最高水平，是通过切削获得的厚为1nm的切屑推算出来的。1986年日本专门成立了一个金刚石刀尖评价委员会，来解决刀尖的测量问题，直至今天仍然没有很好解决，只是从0.05um提高到2～4nm。1992年东芝机械的浅井昭一也曾提出过利用扫描隧道显微镜（STM）或原子力显微镜（AFM）进行检测的建议，但是并没有再报道过，我国华中理工大学精仪系在1996年报道了用AFM取得了进展，这是可喜的成就。

　　金刚石切削工具的刃磨，虽已有不小的成就。但仍然是以经验为主，依旧是一个有待解决的课题。金刚石切削工具的几何参数也许是实践不足，所以迄今还有待探索。一般其前角为0°，后角为5～6°，其端部有两种，一是圆弧，另一为直°线，后者有时称为修光刃，其长度根据被加工材料来选择。圆弧车刀在切削过程中的调整比较简单，而平刃的调整相对而言是很费时的。如果应用在高精度的曲面加工中，圆弧的刃磨要求就很严格，它精度的优劣会复印在曲面上。据资料表明，日本大阪金刚石制作所在数年前就能达到R±0.05um,英国则更高，达到R±0.02um。

　　切削过程中，金刚石的导热性优越，散热快，但是要注意切削热不宜高于700℃，否则会发生石墨化现象，工具会很快磨损。因为金刚石在高温下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等会发生反应。

　　金刚石烧结体（PCD）

　　PCD的出现，在许多方面代替了天然单晶金刚石。PCD与天然金刚石比较，价格便宜，且刃磨远比天然金刚石方便，所以其应用、推广特别迅速。在大量涌现的新材料中，大部分都是难加工材料，如高硅铝合金，汽车发动机的活塞大量采用这种材料。一般，含硅量低于10%的铝合金，用硬质合金切削工具即可，但含硅量超过10%,就只能借助PCD。当前采用的高硅铝合金含硅量均在12%以上，有的已达18%以上，所以非PCD莫属。

　　但是，由于PCD的种类很多，有合理选择的必要。其粒度、浓度等都会影响到硬度、耐磨性等性能。因此，在应用中也必须根据被加工材料的种类。硬度等特性来考虑合理的各种参数。由于其具有各向同性，耐磨性比较好，加工成拔丝模甚至优于天然单晶金刚石。

　　PCD在国内外的生产已十分普及，但是质量有较大的差异，因此在价格上出入很大。国内曾用美国超细粒度的GE公司的刀片，在PneumoPreci～sion的SMG325超精密机床上做了切削试验，曾达到接近镜面的表面粗糙度。

　　立方氮化硼烧结体（PCBN）

　　PCBN是CBN颗粒与结合剂一起烧结而成，耐高温，硬度仅次于金刚石，与黑色金属无亲和力。从发展的角度来看，许多新材料需用PCBN来加工。比如汽车变速箱的齿轮采用了PCBN的齿轮滚刀，不仅获得高生产率，且明显的提高了质量，加工面甚至变成了镜面。据资料表明，PCBN滚切过的齿轮表面由于硼的渗入，硬度也变高。这是哈工大的实验所证实的。由于PCBN耐高温，在大气和水蒸气中，在900℃以下无任何变化且稳定，甚至在1300℃时，和Fe、Ni、Co等也几乎没有反应，更不会像金刚石那样急剧磨损，这时它仍能保持硬质合金的硬度，因此，它不仅能切削淬火过的钢零件或冷硬铸铁，而且能被广泛应用于高速或超高速的切削工作上。但是，PCBN不适于切削一般的钢件，因此。选择工具时必须注意。采购时必须考虑到其粒度、浓度。

　　PCBN的几何形状也有特殊性，一般切削刃需要倒棱成-30°或圆弧，以防护刀尖破损。生产PCBN的厂商不少，国外主要的有美国的GE公司、日本的住友电气（株）、DIJET（黛杰）、英国的DeBeers等，国内主要有成都工具研究所、贵州第六砂轮厂、桂林地质研究所等。

　　超硬材料涂层切削工具

　　CVD、PVD等技术的出现，是切削工具领域中的一次重大的革命。它的出现立即引起了机械制造领域的巨大反响，理想的切削工具应当是既有硬的表面，又有高的韧性，涂层技术便达到了这个目标。

　　最早的涂层材料都是陶瓷性质的物质，如TiN、TiC、Al23O等，近年来，涂层技术又有了很大的发展。超硬材料涂层正在得到全面应用，许多产品相继出现在市场上，但国内尚处在实验阶段，预计也会很快突破，超硬材料涂层的发展，使整个现有的切削工具的性能都明显得到了提高，面对当前大量涌现的难加工材料，这些新发展的涂层技术将有巨大的适应能力，前景相当喜人。

　　超硬材料涂层的种类共有三大类，即类金刚石、金刚石和CBN。这些涂层材料均为纯金刚石或纯CBN,所以硬度与沉积的材料是相同的，和PCD与PCBN相比，因不含结合剂，所以硬度、耐磨性等均有较大的提高。

　　金刚石涂层和CBN涂层的性能与原材料是相同的，只是薄膜而已，使用时与陶瓷涂层类同。这里着重介绍类金刚石膜。

　　类金刚石碳（Diamond-LikeCarbon,简称DLC）膜具有与金刚石膜相似的优异性能，其抗摩擦磨损性能良好，且DLC膜制备工艺日趋成熟，可以在很低的沉积温度下获得大面积且表面粗糙度小的DLC膜，而金刚石薄膜则要求较高的沉积温度（约800℃～1000℃），因此，许多基体材料受到限制，如高速钢，而且在大面积上沉积均匀也比较困难，表面也粗糙。因此，DLC膜在许多场合更易获得应用，如可作磁盘的保护膜。

　　在涂层切削工具的使用方面，和陶瓷涂层的一样，涂层基体也必须作很好的处理。一般基体的硬质合金为YG8,其预处理工艺首先用W1金刚石微粉抛光，再进行表面脱钴15min,脱钴液为1:3硝酸水溶液，然后在丙酮中超声波清洗10min。基体在涂复之前，清洗的工作极为重要。如果是切削工具，在刃磨中必须保证不能退火。

　　由于超硬材料涂复的技术历史尚短，还处在发展之中。相信它也会和陶瓷涂层技术一样，会更加完善。

　　厚膜金刚石

　　金刚石薄膜的合成技术和应用研究在全球范围发展极为迅速，形成了“金刚石薄膜热”。在这十多年内，气相合成的方法发展到二十多种，一般沉积的速度每小时只1～2um，如何加快沉积速度一直是人们研究的课题。在近期沉积速度发展到了100um/h以上，最高达到930um/h。我们称之为厚膜金刚石。我国东方天地金刚石研究所成功地掌握了这门技术，最大的沉积厚度达到了2.3mm。现在已商品化，进入了国际先进行列。厚膜金刚石不同于PCD之处是没有结合剂，是纯金刚石，所以它的硬度高得多，与天然金刚石不同，它具有各向同性，成本低，因此在许多方面将取代PCD。用作拔丝模将是均匀磨损，因此拔丝的线材质量明显优于天然金刚石模具。如果沉积质量进一步提高，在超精密加工中也有取代天然金刚石的可能，因此颇受超精密领域的重视。