CVD金刚石材料在高性能刀具上的应用

   1 引言 
金刚石性能的奇特组合使金刚石成为一种精密和高生产率工业应用的良好材料。自从20世纪50年代引入的高温高压(HTHP)生产单晶合成金刚石，到20世纪70年代开发的金属烧结聚晶金刚石(PCD)，人工合成金刚石材料已经成为自然单晶金刚石的唯一替代物。近来，随着化学气相沉积(CVD)工艺开发的纯聚晶金刚石材料的出现，它在曾经认为是不可能达到的水准上提高了刀具性能，具有广阔的前景。  
    从耐磨镀层到用于高科技镜片和电子元件的纯净、独立的材料，CVD金刚石的工业应用给人留下了深刻印象。机械制造业对CVD金刚石的主要兴趣是CVD金刚石材料在高性能切削刀具和修整刀具的实际应用。  
    与HTHP金刚石和金属烧结PCD不同，CVD金刚石的制造不需要模拟地球深处自然的高压。相反，CVD金刚石是用氢气和碳氢混合气体被激发到一个“活化的”通常自然界不存在的发光状态。正是这个活化的化学原理，使纯的CVD聚晶金刚石在800～1000℃的范围内沉积。 

    2 CVD金刚石 
    CVD技术在市场上被公认的应用是钨硬质合金切削刀具的“薄膜”CVD金刚石镀层。无论是切屑的断屑槽刀片还是完全镀层的螺旋端铣，金刚石镀层刀具已经商业化了。  
然而，现在又有一种“厚膜”CVD金刚石工艺，可用于制成纯的、非粘结剂的金刚石整体形式。这种形式的典型厚度范围为150～1000µm。这种材料先被气相沉积为一种独立的薄片，然后将这种薄片用激光切削成适合切削刀具的各种形状。 
    3 CVD金刚石的优良性能 
    CVD金刚石作为切削刀具材料的有利条件是其无与伦比的硬度所导致的优良组合性质。与金属烧结PCD不同的是天然金刚石的独特性质在CVD金刚石中都得到了保留，甚至在高切削温度下也如此。单晶金刚石的硬度和弹性模量导致了CVD金刚石的良好耐磨性和其尺寸稳定性。  
    在硅硬质合金“砂磨”试验中，独立CVD金刚石的相对体积损失比PCD要低4倍，而比钨硬质合金低120倍。与金属粘结PCD坯块不一样，厚膜CVD金刚石材料能与单晶金刚石在高切削温度下的硬度和耐磨性相媲美，甚至超过单晶金刚石在高切削温度下的硬度和耐磨性。  
CVD金刚石与天然金刚石一样，具有较小的摩擦系数，在切削时产生较小的切削力和功能消耗以及较少的磨擦热和优良的抗切屑瘤性。  
    在干切削或高速机械加工中，由CVD金刚石的高润滑性导致切削温度的降低是其优于PCD和其它材料的主要有利条件。CVD金刚石应用于机械方面的厚膜CVD金刚石材料的热传导效率是钨硬质合金的5倍，比PCD的热传导率高50%。CVD金刚石优良的热导率可用作切削区散热的安全途径。非粘结剂结构的CVD金刚石允许刀具承受的进攻性机械加工温度可达800℃，而钴烧结PCD当机械加工温度接近700℃时，就会受到热损坏了。虽然PCD可采用滤去钴的方式来避免钴致使PCD质量的下降，然而CVD金刚石还具有优良的耐磨性。与金属烧结PCD和钨硬质合金材料相比，非粘结剂结构的CVD金刚石的化学性能更稳定。用CVD金刚石镀层刀具加工合成材料的酚醛树脂等腐蚀性聚合物时，明显地具有较长的寿命，CVD金刚石还能抵御刀具切削液的腐蚀。  
    纯金刚石和含有铁、镍或钴等成分的金属合金引起的化学不稳定性，在历史上一直限制着金刚石在切削黑色金属材料和超耐热合金中的应用。但尽管如此，诸如PCD、单晶金刚石和CVD金刚石等含有金刚石的材料仍然优先应用于高生产率的黑色金属材料的机械加工中。 
    4 CVD金刚石刀具的制造特点 
    CVD金刚石由于其聚晶结构，可制造出超过实际天然金刚石的断裂韧性(抗断裂性)。这个特点在断续切削和砂轮修整等进攻性机械加工中证明是很有益的。一般情况下，CVD金刚石的机械牢固性类似于先进陶瓷的牢固性。  
    精心设计制造CVD金刚石独立薄片的断裂韧性、强度和其它关键性质，能改善用于CNC旋转砂轮修整、高速或近似干加工铝和金属基合成材料的高性能刀具。  
    CVD金刚石刀具与PCD刀具的制造方式类似，金刚石刀片被钎焊在钨硬质合金或高速钢刀体的带有切口的角上，再用金刚石砂轮精磨刀具。厚膜金刚石刀片坚固的钎焊技术是20世纪90年代开发的，这个技术解决了对金属切削加工薄膜、金刚石镀层硬质合金刀片的粘结和刀体选择的难题。而用于切削加工的金刚石镀层硬质合金刀片的粘结与刀体选择一直被广泛认为是对切削加工有负面的影响。大多数独立的用于切削刀具的厚膜CVD金刚石材料大约厚0.5mm。相对光滑、细颗粒(约1µm)晶核表面一般被抛光，用作切削刀具的前倾面;侧面的粗颗粒表面(>50µm)被真空钎焊在钨硬质合金刀体或高速钢刀体上。 &nbs