摘要：描述了金剛石的物理特性，對(duì)金剛石刀具的分類及其性能行了介紹，包括天然金剛石、聚晶金剛石、聚晶金剛石復(fù)合片、化學(xué)氣相沉積金剛石涂層刀具。分析和對(duì)比了不同類型金剛石刀具的應(yīng)用場(chǎng)合，為企業(yè)在加工難加工材料時(shí)選用超硬金剛石材料刀具時(shí)提供參考。

1 引言

金剛石是精密和超精密加工的超硬刀具材料之一，金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高熱導(dǎo)、低熱膨脹系數(shù)，以及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點(diǎn)。可以用于非金屬硬脆材料如石墨、高耐磨材料、復(fù)合材料、高硅鋁合金及其它韌性有色金屬材料的精密加工。金剛石刀具類型繁多，性能差異顯著，不同類型金剛石刀具的結(jié)構(gòu)、制備方法和應(yīng)用領(lǐng)域有較大區(qū)別。

2 金剛石材料特性

金剛石為單—碳原子的結(jié)晶體，其晶體結(jié)構(gòu)屬等軸面心立方晶系(晶系原子密度最高)。金剛石中碳原子間連接鍵為sp3雜化共價(jià)鍵，具有很強(qiáng)的結(jié)合力、穩(wěn)定性和方向性。人工合成金剛石性能取決于sp3雜化共價(jià)鍵與非晶無(wú)定形碳sp2雜化共價(jià)鍵相對(duì)比率。如果sp3含量過(guò)低得到二者混合物體為類金剛石(Diamond－Like Carbon，簡(jiǎn)稱DLC)。獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)使金剛石具有最高的硬度、剛性、導(dǎo)熱系數(shù)以及優(yōu)良的抗磨損、抗腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性等均高于硬質(zhì)合金。如表1所示，可見單晶金剛石硬度最高，熱導(dǎo)率最大，熱膨脹系數(shù)最小，故其綜合物理性能最佳。

表1 金剛石與硬質(zhì)合金的特性

3 金剛石刀具類型及其性能

目前，工業(yè)用金剛石刀具根據(jù)成分和結(jié)構(gòu)不同可分為五種：

1，天然金剛石Natural Diamond(ND)；

2，人造聚晶金剛石Artificial Polvcrystalline Diamond(PCD)；

3，人造聚晶金剛石復(fù)合片Polycrystalline Diamond Compact(PDC)；化學(xué)氣相沉積涂層金剛石刀具Chemical Vapor Deposition Diamond Coated Tools(CVD)。

4，沉積厚度達(dá)100μm的無(wú)襯底純金剛石厚膜Thick Diamond Film(CD)；

5，在刀具基體表面直接上沉積厚度小于30μm的金剛石薄膜涂層Coated Thin Diamond Film(CD)。

根據(jù)CVD金剛石涂層刀具中金剛石微粒尺寸分為：微晶金剛石涂層Microcrystalline Diamond(MCD)和納米金剛石Nano Crystalline Diamond(NCD)兩種。如圖1所示，為微晶金剛石表面形貌。傳統(tǒng)的金剛石涂層是由平面形晶體組成，其尺寸為1.5μm。納米晶體的金剛石涂層晶體結(jié)構(gòu)為特殊結(jié)構(gòu)，晶體尺寸僅為(0.01～0.2)nm。由于金剛石刀具類型繁多，刀具結(jié)構(gòu)和性能差異明顯，適合的不同的場(chǎng)合。

圖1 微晶金剛石涂層MCD表面形貌

3.1天然金剛石(ND)刀具

如圖2所示，為天然金剛石拉蔓峰譜，具有以下特征：(1)1332尖鋒處顯示存在金剛石。(2)波型幅度(FWHM)為4.1cm-1顯示為純金剛石。

ND是目前已知礦物中最硬的物質(zhì)，主要用于制備刀具車刀。天然金剛石刀具精細(xì)研磨后刃口半徑可達(dá)0.01～0.002μm。其中天然單晶金剛石(Single Crystalline Diamond，SCD)刀具切削刃部位經(jīng)高倍放大1500倍仍然觀察到刀刃。

圖2天然金剛石拉蔓峰譜