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。  

    虽然CVD工艺的严格控制是关键，但是最终决定刀刃质量和刀具牢固性的还是刀具制造。大多数有经验的制造商对于PCD工业常常使用磨削砂轮，而为了适应CVD金刚石材料提高的硬度，他们又延长了磨削时间。  

    J&M金刚石刀具公司用PCD配方的砂轮磨削CVD金刚石，对比于PCD刀具，磨削一把CVD金刚石刀具刀刃要多用10%～20%的时间。然而延长刀刃磨削时间，可使得刀具制造商获得优于PCD刀具刀刃的表面粗糙度。由于CVD金刚石比PCD更耐磨，所以简单地加大磨削砂轮的进给量会产生一个过度的磨削力而损坏CVD金刚石刀具切削刃。  

    厚膜CVD金刚石可用精磨侧面生产一个钎焊、镜面表面粗糙度(Ra<0.05µm)的切削刀片。对比于薄膜CVD金刚石镀层，厚膜刀片的这个独特的性能使工件也能产生一个优良的表面粗糙度。厚膜CVD金刚石在刀具选择中还提供了替换单晶金刚石刀具的机会。  

    独立的CVD金刚石材料的牢固性和耐磨性使其成为高硅铝铣削等广泛的机械加工应用的优良选择。CVD金刚石加工铝合金时的刀具寿命常常是商用PCD刀具寿命的1.55倍。具体实际的改进决定于铝合金、切削刀具的设计和制造技术。CVD金刚石刀具常常用于车削活塞,进行铝轮精车和其它高硅铝材料和金属基合成材料的一般机械加工所需要的断续切削。虽然高硅铝总是CVD金刚石集中研究的对象,然而金刚石刀片刀具在低硅铝材料机械加工中也越来越普遍。高生产率加工或精确的精加工等都要求使用金刚石刀具。一个汽车制造公司对一个铝制零件进行了精加工操作,CVD金刚石刀片刀具不仅比PCD耐用30%,而且在刀具的整个寿命中,能连续加工出所要求的表面粗糙度。   

    钨硬质合金是单晶金刚石、PCD和PCBN及近来的CVD金刚石的各种精密机械加工材料之一。在一项试验中,CVD金刚石用于镗削钨硬质合金(含25%Co)的汽缸,汽缸内径20mm、长40mm。汽缸镗削时喷冷却液,切削速度为0.5m/s、进给量每转0105mm、切削深度为0.12mm。结果,厚膜CVD金刚石刀具失效前能加工8个零件,PCD刀具能加工5个零件,而PCBN只能加工出一个零件。  

    5 CVD金刚石修整刀具 

    修整刀具一般能从磨削砂轮表面去除磨钝的陶瓷或研磨的颗粒,从而努力降低磨削温度和改善工件表面粗糙度,提高磨削砂轮加工出小公差工件的能力。修整刀具还用于精修磨削砂轮。以往,大多数修整和精修操作都是采用固定修整刀具送入旋转砂轮中的,这种修整刀具常常是用单晶金刚石或PCD制成的。 

    当今,许多高生产率磨削操作使用旋转的CNC修整器或锋利的修整滚子。当砂轮的一边在加工工件时,其另一边就同时被连续的修整了。CNC旋转修整器可容纳超过100片相同的金刚石,这些小金刚石片安装在修整器的外直径上,能在磨削砂轮上产生独特的形状。  

用激光切削时,独立的CVD金刚石能给修整刀具的用户和生产者提供许多独特的有利条件。CVD金刚石的结构可设计制造成具有较高的断裂韧性和强度,从而达到优化修整刀具寿命和尺寸稳定性的目的。  

    由于CVD金刚石被切成均匀的小片,它可最大限度地减少或消除与单晶金刚石有关的难题,如天然金刚石固有的形状约束和变异性等。最后,CVD金刚石材料可制造成高的纵横比(例如:8mm×1mm×1mm),CVD金刚石安装在修整刀具上具有成本效益,可延长寿命,提高修整效率。  

    6 结论 

    气相沉积金刚石的自然品质和独立CVD金刚石刀具的制造先进技术,为许多难加工材料提供了一个优良的解决办法。随着CVD金刚石在精修刀具上的成功,CVD金刚石在工业材料加工领域被迅速地推广和应用。 

    本文作者:武汉市广播电视大学 夏伯雄