引言
金剛石性能的奇特組合使金剛石成為一種精密和高生產(chǎn)率工業(yè)應(yīng)用的良好材料。自從20世紀(jì)50年代引入的高溫高壓(HTHP)生產(chǎn)單晶合成金剛石，到20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的金屬燒結(jié)聚晶金剛石(PCD)，人工合成金剛石材料已經(jīng)成為自然單晶金剛石的*替代物。近來(lái)，隨著化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝開(kāi)發(fā)的純聚晶金剛石材料的出現(xiàn)，它在曾經(jīng)認(rèn)為是不可能達(dá)到的水準(zhǔn)上提高了刀具性能，具有廣闊的前景。
從耐磨鍍層到用于高科技鏡片和電子元件的純凈、獨(dú)立的材料，CVD金剛石的工業(yè)應(yīng)用給人留下了深刻印象。機(jī)械制造業(yè)對(duì)CVD金剛石的主要興趣是CVD金剛石材料在高性能切削刀具和修整刀具的實(shí)際應(yīng)用。
與HTHP金剛石和金屬燒結(jié)PCD不同，CVD金剛石的制造不需要模擬地球深處自然的高壓。相反，CVD金剛石是用氫氣和碳?xì)浠旌蠚怏w被激發(fā)到一個(gè)“活化的”通常自然界不存在的發(fā)光狀態(tài)。正是這個(gè)活化的化學(xué)原理，使純的CVD聚晶金剛石在800～1000℃的范圍內(nèi)沉積。
2 CVD金剛石
CVD技術(shù)在市場(chǎng)上被公認(rèn)的應(yīng)用是鎢硬質(zhì)合金切削刀具的“薄膜”CVD金剛石鍍層。無(wú)論是切屑的斷屑槽刀片還是完全鍍層的螺旋端銑，金剛石鍍層刀具已經(jīng)商業(yè)化了。
然而，現(xiàn)在又有一種“厚膜”CVD金剛石工藝，可用于制成純的、非粘結(jié)劑的金剛石整體形式。這種形式的典型厚度范圍為150～1000µm。這種材料先被氣相沉積為一種獨(dú)立的薄片，然后將這種薄片用激光切削成適合切削刀具的各種形狀。
3 CVD金剛石的優(yōu)良性能
CVD金剛石作為切削刀具材料的有利條件是其無(wú)與倫比的硬度所導(dǎo)致的優(yōu)良組合性質(zhì)。與金屬燒結(jié)PCD不同的是天然金剛石的獨(dú)特性質(zhì)在CVD金剛石中都得到了保留，甚至在高切削溫度下也如此。單晶金剛石的硬度和彈性模量導(dǎo)致了CVD金剛石的良好耐磨性和其尺寸穩(wěn)定性。
在硅硬質(zhì)合金“砂磨”試驗(yàn)中，獨(dú)立CVD金剛石的相對(duì)體積損失比PCD要低4倍，而比鎢硬質(zhì)合金低120倍。與金屬粘結(jié)PCD坯塊不一樣，厚膜CVD金剛石材料能與單晶金剛石在高切削溫度下的硬度和耐磨性相媲美，甚至超過(guò)單晶金剛石在高切削溫度下的硬度和耐磨性。
CVD金剛石與天然金剛石一樣，具有較小的摩擦系數(shù)，在切削時(shí)產(chǎn)生較小的切削力和功能消耗以及較少的磨擦熱和優(yōu)良的抗切屑瘤性。
在干切削或高速機(jī)械加工中，由CVD金剛石的高潤(rùn)滑性導(dǎo)致切削溫度的降低是其優(yōu)于PCD和其它材料的主要有利條件。CVD金剛石應(yīng)用于機(jī)械方面的厚膜CVD金剛石材料的熱傳導(dǎo)效率是鎢硬質(zhì)合金的5倍，比PCD的熱傳導(dǎo)率高50%。CVD金剛石優(yōu)良的熱導(dǎo)率可用作切削區(qū)散熱的安全途徑。非粘結(jié)劑結(jié)構(gòu)的CVD金剛石允許刀具承受的進(jìn)攻性機(jī)械加工溫度可達(dá)800℃，而鈷燒結(jié)PCD當(dāng)機(jī)械加工溫度接近700℃時(shí)，就會(huì)受到熱損壞了。雖然PCD可采用濾去鈷的方式來(lái)避免鈷致使PCD質(zhì)量的下降，然而CVD金剛石還具有優(yōu)良的耐磨性。與金屬燒結(jié)PCD和鎢硬質(zhì)合金材料相比，非粘結(jié)劑結(jié)構(gòu)的CVD金剛石的化學(xué)性能更穩(wěn)定。用CVD金剛石鍍層刀具加工合成材料的酚醛樹(shù)脂等腐蝕性聚合物時(shí)，明顯地具有較長(zhǎng)的壽命，CVD金剛石還能抵御刀具切削液的腐蝕。
純金剛石和含有鐵、鎳或鈷等成分的金屬合金引起的化學(xué)不穩(wěn)定性，在歷史上一直限制著金剛石在切削黑色金屬材料和超耐熱合金中的應(yīng)用。但盡管如此，諸如PCD、單晶金剛石和CVD金剛石等含有金剛石的材料仍然優(yōu)先應(yīng)用于高生產(chǎn)率的黑色金屬材料的機(jī)械加工中。
4 CVD金剛石刀具的制造特點(diǎn)
CVD金剛石由于其聚晶結(jié)構(gòu)，可制造出超過(guò)實(shí)際天然金剛石的斷裂韌性(抗斷裂性)。這個(gè)特點(diǎn)在斷續(xù)切削和砂輪修整等進(jìn)攻性機(jī)械加工中證明是很有益的。一般情況下，CVD金剛石的機(jī)械牢固性類(lèi)似于先進(jìn)陶瓷的牢固性。
精心設(shè)計(jì)制造CVD金剛石獨(dú)立薄片的斷裂韌性、強(qiáng)度和其它關(guān)鍵性質(zhì)，能改善用于CNC旋轉(zhuǎn)砂輪修整、高速或近似干加工鋁和金屬基合成材料的高性能刀具。
CVD金剛石刀具與PCD刀具的制造方式類(lèi)似，金剛石刀片被釬焊在鎢硬質(zhì)合金或高速鋼刀體的帶有切口的角上，再用金剛石砂輪精磨刀具。厚膜金剛石刀片堅(jiān)固的釬焊技術(shù)是20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)的，這個(gè)技術(shù)解決了對(duì)金屬切削加工薄膜、金剛石鍍層硬質(zhì)合金刀片的粘結(jié)和刀體選擇的難題。而用于切削加工的金剛石鍍層硬質(zhì)合金刀片的粘結(jié)與刀體選擇一直被廣泛認(rèn)為是對(duì)切削加工有負(fù)面的影響。大多數(shù)獨(dú)立的用于切削刀具的厚膜CVD金剛石材料大約厚0.5mm。相對(duì)光滑、細(xì)顆粒(約1µm)晶核表面一般被拋光，用作切削刀具的前傾面;側(cè)面的粗顆粒表面(>50µm)被真空釬焊在鎢硬質(zhì)合金刀體或高速鋼刀體上。
雖然CVD工藝的嚴(yán)格控制是關(guān)鍵，但是*終決定刀刃質(zhì)量和刀具牢固性的還是刀具制造。大多數(shù)有經(jīng)驗(yàn)的制造商對(duì)于PCD工業(yè)常常使用磨削砂輪，而為了適應(yīng)CVD金剛石材料提高的硬度，他們又延長(zhǎng)了磨削時(shí)間。
J&M金剛石刀具公司用PCD配方的砂輪磨削CVD金剛石，對(duì)比于PCD刀具，磨削一把CVD金剛石刀具刀刃要多用10%～20%的時(shí)間。然而延長(zhǎng)刀刃磨削時(shí)間，可使得刀具制造商獲得優(yōu)于PCD刀具刀刃的表面粗糙度。由于CVD金剛石比PCD更耐磨，所以簡(jiǎn)單地加大磨削砂輪的進(jìn)給量會(huì)產(chǎn)生一個(gè)過(guò)度的磨削力而損壞CVD金剛石刀具切削刃。
厚膜CVD金剛石可用精磨側(cè)面生產(chǎn)一個(gè)釬焊、鏡面表面粗糙度(Ra<0.05µm)的切削刀片。對(duì)比于薄膜CVD金剛石鍍層，厚膜刀片的這個(gè)獨(dú)特的性能使工件也能產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)良的表面粗糙度。厚膜CVD金剛石在刀具選擇中還提供了替換單晶金剛石刀具的機(jī)會(huì)。
獨(dú)立的CVD金剛石材料的牢固性和耐磨性使其成為高硅鋁銑削等廣泛的機(jī)械加工應(yīng)用的優(yōu)良選擇。CVD金剛石加工鋁合金時(shí)的刀具壽命常常是商用PCD刀具壽命的1.55倍。具體實(shí)際的改進(jìn)決定于鋁合金、切削刀具的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。CVD金剛石刀具常常用于車(chē)削活塞,進(jìn)行鋁輪精車(chē)和其它高硅鋁材料和金屬基合成材料的一般機(jī)械加工所需要的斷續(xù)切削。雖然高硅鋁總是CVD金剛石集中研究的對(duì)象,然而金剛石刀片刀具在低硅鋁材料機(jī)械加工中也越來(lái)越普遍。高生產(chǎn)率加工或*的精加工等都要求使用金剛石刀具。一個(gè)汽車(chē)制造公司對(duì)一個(gè)鋁制零件進(jìn)行了精加工操作,CVD金剛石刀片刀具不僅比PCD耐用30%,而且在刀具的整個(gè)壽命中,能連續(xù)加工出所要求的表面粗糙度。
鎢硬質(zhì)合金是單晶金剛石、PCD和PCBN及近來(lái)的CVD金剛石的各種精密機(jī)械加工材料之一。在一項(xiàng)試驗(yàn)中,CVD金剛石用于鏜削鎢硬質(zhì)合金(含25%Co)的汽缸,汽缸內(nèi)徑20mm、長(zhǎng)40mm。汽缸鏜削時(shí)噴冷卻液,切削速度為0.5m/s、進(jìn)給量每轉(zhuǎn)0105mm⑶邢魃疃任?.12mm。結(jié)果,厚膜CVD金剛石刀具失效前能加工8個(gè)零件,PCD刀具能加工5個(gè)零件,而PCBN只能加工出一個(gè)零件。
5 CVD金剛石修整刀具
修整刀具一般能從磨削砂輪表面去除磨鈍的陶瓷或研磨的顆粒,從而努力降低磨削溫度和改善工件表面粗糙度,提高磨削砂輪加工出小公差工件的能力。修整刀具還用于精修磨削砂輪。以往,大多數(shù)修整和精修操作都是采用固定修整刀具送入旋轉(zhuǎn)砂輪中的,這種修整刀具常常是用單晶金剛石或PCD制成的。
當(dāng)今,許多高生產(chǎn)率磨削操作使用旋轉(zhuǎn)的CNC修整器或鋒利的修整滾子。當(dāng)砂輪的一邊在加工工件時(shí),其另一邊就同時(shí)被連續(xù)的修整了。CNC旋轉(zhuǎn)修整器可容納超過(guò)100片相同的金剛石,這些小金剛石片安裝在修整器的外直徑上,能在磨削砂輪上產(chǎn)生獨(dú)特的形狀。
用激光切削時(shí),獨(dú)立的CVD金剛石能給修整刀具的用戶和生產(chǎn)者提供許多獨(dú)特的有利條件。CVD金剛石的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)制造成具有較高的斷裂韌性和強(qiáng)度,從而達(dá)到優(yōu)化修整刀具壽命和尺寸穩(wěn)定性的目的。
由于CVD金剛石被切成均勻的小片,它可*大限度地減少或消除與單晶金剛石有關(guān)的難題,如天然金剛石固有的形狀約束和變異性等。*后,CVD金剛石材料可制造成高的縱橫比(例如:8mm×1mm×1mm),CVD金剛石安裝在修整刀具上具有成本效益,可延長(zhǎng)壽命,提高修整效率。
結(jié)論
氣相沉積金剛石的自然品質(zhì)和獨(dú)立CVD金剛石刀具的制造先進(jìn)技術(shù),為許多難加工材料提供了一個(gè)優(yōu)良的解決辦法。隨著CVD金剛石在精修刀具上的成功,CVD金剛石在工業(yè)材料加工領(lǐng)域被迅速地推廣和應(yīng)用。
