超硬刀具材料研究的进展

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1、超硬刀具材料研究的进展发布日期：［2007-11-29］共阅［546］次天然和人工合成的单晶金刚石一般是按照应用领域进行产詁分类，它们都能用作切削刀具、修磨机和拉丝模具。它们都被设计成为用于对表面光洁度、儿何形状和尺寸冇较高要求的精密加工应用领域。单品金刚石刀具切削的工件表而呈连续状，而聚晶金刚石刀具切削的工件表面呈现出微米量级的不连续状态，工件表面的状况或多或少与金刚石刀具材料的晶粒尺寸冇关，尽管对工件和加工刀具的精密特性需进行认真考虑，但有一个总的原则，那就是要求金属表面光洁度优于0.025um的情形需用单晶金刚石

2、刀具和具有高刚性和高质量支架的机加工工具。天然金刚石早已被证明可成功应用于这些领域。然而，当前高温高压技术的发展使得制备出具有一定尺寸的人工合成单晶金刚石成为可能，目前最大尺寸可达8mmo采用高压技术制备金刚石的典型例子是DeBeersMONODITE系列。人工合成单晶金刚石刀具的粗坯是沿着平行于lb型合成金刚石的(100)面或沿一个厚2mm边缘长度达8mm的薄片所捉供的平而锯开所制得。这种工程材料的优点在于其尺寸、形状和性能都具有良好的一致性，这在天然产品中是不可能实现的。另外各种尺寸尤其是大尺寸天然金刚石的缺乏、不

3、同金刚石品质的区别以及对金刚石的选择、取向和刀具尖端的预处理等专业技巧的要求都对天然金刚石的价格因素产生重要影响，从而大大限制了它在更广泛领域的应用。当前人工合成单品金刚右刀具材料的应用得到了迅速的发展。聚晶金刚石(PCD)金刚石刀具的应用已迅速扩展到许多制造工业领域，尤其是在汽车和木材加工工业，成为传统的WC刀具的高性能替代产品。作为-•种公认价格低廉且可用刃口长度达70mm的产品，PCD的应用发展速度很快。PCD的性能主要依赖于它的应用场合所涉及的加工过程，但选择适当的牌号或晶粒尺寸也会对其性能产生影响。标准牌号包

4、括002,010和025三种，它们初始晶粒平均尺寸分别为2、10、25um。总的来说，牌号越大，其耐磨性越好；在相接近的刃口加工量下，牌号越小，其刃口质量越好。金刚石刀具在层状木材地板加工中的应用近年来，人工合成单品金刚石的一个新应用领域是木材加工业，这主要是它具有高度耐磨性-PCD刀貝在木材加工中早已应用于MDF和粗纸板的机械加工,当前对表面有氧化铝涂层的高度耐磨层状木地板的需求量越来越大，但是在研磨这种木板边缘时对包括PCD在内的刀具提了特殊的要求，因为木板耐磨层会引起刃口的钝化，导致氧化铝耐磨层的碎裂。所以刀具必

5、须经常修整，直至重新研磨或更换，这势必导致很长的停工时间。据报道，在该领域应用时，人工合成单晶金刚石的性能优于PCDo化学气相沉积金刚石PCD、PCBN和人工合成单晶金刚石均是在高温和高压下合成的，而CVD金刚右是在低压下制备的。碳基气体和氢气的混合物在高温和低于大气压的压力下分解形成金刚石沉积在基体上。沉积出的是交互生长极好的聚晶金刚石，它呈柱状结构11非常致密。随着生长条件的不同，CVD金刚石也呈现出不同的晶粒尺寸和结构。CVD金刚石不需金属催化剂，因此它的热稳定性接近天然金刚石。可以根据需要对晶粒尺寸和沉积技术进

6、行选择。例如在非刀具的应用场合，如热控制和光学视窗，对CVD金刚石的性能要求明显不同于切削刀具。根据不同的应用需要选择不同的CVD沉积工艺可以合成出晶粒尺寸和表面形貌差别很大的聚晶金刚石。曲于对刀具的性能要求是多种多样的，所以可能要多种不同晶粒尺寸的CVD金刚石才能满足各种应用的需要。实际上，CVD金刚石刀具有两种形式：第一种是在适当基体上沉积厚度小T30um的薄层（薄膜），例如ISO刀片和麻花钻头的刃口是两种典型的薄涂层。第二种是沉积厚度达1mm的无衬底的金刚石层（厚膜），如杲需要的话，它可以钎焊在基体上。CVD金刚

7、石薄膜如果要达到对CVD薄膜的沉积和结合强度满意的程度，则基体材料的性质和制备显得非常重要。直金目前，该项技术仍限制着CVD涂层的设备，因此目前在CVD制备薄膜领域的大部分工作都致力于对它的研究。好的基体材料是WC,因为它的机械性能同金刚石较匹配，而11刀具制造商对WC基的刀具材料很熟悉，很愿意用它作为基体材料。对加有涂层的刀具材料的第二个限制是基体上的涂层必然在刃口上形成倒圆，这将限制涂层的厚度，因而有必要对加有涂层的刃口进行处理（如研磨）。至口前为止，薄膜金刚石产品的市场述不是很大。CVD金刚石厚膜与此相反，CVD

8、金刚石厚膜可以通过特殊的、简便易行的技术钎焊在所要求的基体上。然而这种钎焊点的强度决不等同于PCD强度，在用于间断切削这种高要求的机械加工过程时，这种连接就显得很脆弱。不然的话，CVD金刚石厚膜将能在整个机械加工应用领域同PCD竞争。它同PCD相比，其主要优点是它的热稳定性更好，其缺点是较高的脆性和不导电性。缺乏导电性阻碍了它用于