金剛石和超硬材料的應用
[ 發布日期：2009/5/4 10:12:44 ] 瀏覽人數： 3739
自1955年美國GE公司采用高溫高壓的方法獲得人造金剛石以來，引起全世界的關切，尤其是對缺乏天然金剛石礦藏的國家具有巨大的吸引力。1957年以高溫高壓的方法合成了立方氮化硼(CBN)。這些人造材料大大地豐富了材料寶庫，特別有利于切削工具的發展。當時這些材料在機械http://www.stonebuy.com/machine/加工領域的主要用途是作磨料。經過20多年的努力，1977年GE公司又成功地開發了金剛石燒結體(PCD)和CBN燒結體(PCBN)，并制造成刀片，使人造超硬材料的用途進一步擴展，由磨削擴展到了切削。
更可喜的是大顆粒的單晶金剛石和單晶CBN的合成，為取代天然金剛石創造了條件。據資料表明，當前已經合成的人造單晶金剛石中，最大的竟重達34.2克拉，但是要實際應用尚有待進一步的研究、探索，而且現在的成本也昂貴。
我國在人造金剛石方面的發展也十分迅速，據統計，1993年全世界的產量為9億克拉，而我國已達到2.1～2.3億克拉，居世界首位。這表明我國在這個領域的潛力相當大。這門技術的發展為推動超硬材料在我國的廣泛應用創造了前提。
化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)技術的突破，對切削工具的發展來說是一次革命，先是涂復各種陶瓷材料，而今發展到了類金剛石膜、金剛石膜、和CBN膜的超硬材料的涂層。這種發展幾乎使所有切削工具相應地提高了表面硬度。而今氣相沉積技術依然在發展，就金剛石而言，已從薄膜向厚膜擴展，其沉積的速度由一般的每小時數微米發展到了最大每小時0.93mm。
今天科技在飛速發展，新材料大量涌現，其中相當一部分是高合金鋼、高硅鋁合金、高強度的復合材料、這些都屬于難切削材料，如宇航工業常用的Inconel718鎳基合金即為一例。
1 由于超硬材料的發展，便大大緩解了這些材料難加工的局面。
當前，工業發達的國家已將這些新材料的研究成果迅速地應用到了制造行業，從而提高了生產率，特別是歐美和日本。我國雖然在這方面有了長足的進步，但是在提高和應用上存在著相當大的差距。面對21世紀的挑戰，人造金剛石、人造CBN等超硬材料必將發揮出巨大的作用，人們可以拭目以待。
2 金剛石、超硬材料的特性與作用
天然單晶金剛石是世界上最硬的物質，所以作為磨料和切削工具，其性能是無與倫比的，以金剛石車刀為例，其刃口圓弧半徑可以刃磨到連掃描電子顯微鏡也無法檢測，直到現在還沒有一種材料能取而代之，利用它來切削加工，往往可以直接獲得鏡面，當前被廣泛地應用于儀表、電子、光學等領域，成為不可缺少的切削工具的材料，但是因成本昂貴，刃磨需要高超的技藝，所以一直妨礙其廣泛的應用。
超硬材料由于性能優越，應用不斷地在擴大，已從金屬加工發展到了光學玻璃加工、石材http://www.stonebuy.com/加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等傳統加工難進行的領域。
天然單晶金剛石，由于具有各向異性，因此各晶面的硬度相差甚大，在刀具刃磨時，擇其軟的一面作為研磨面，而將其硬的面作為前刀面或后刀面，這給研磨帶來了有利的條件，因其各向異性，所以在使用中，必須考慮到晶面的合理選擇，例如，硬度計的壓砧，在使用中，利用壓入或彈跳來衡量被測材料的硬度，但由于工作面的硬度不同，結果也各異，當然采用硬的面，有利于延長壽命，又如天然金剛石制造的拔絲模，由于孔的工作面由各晶面構成，因此硬度不一致，磨損便不均勻，同時會給線材的圓截面造成應力差異，硬度不勻，而影響使用，金剛石燒結體和厚膜金剛石，由于各向同性，在這類產品http://www.stonebuy.com/sample/上運用就變得非常有利。
PCD、PCBN,因其晶粒不同，濃度不同，性能也就不同，必須合理選擇。
厚膜金剛石是純金剛石，其硬度接近天然金剛石，而PCD、PCDN是金剛石粉與結合劑混合在一起燒結而成，因此硬度受到結合劑的影響，其硬度不如前者。
眾所周知，金剛石與鐵系有親和力，只能用在有色金屬和非金屬材料上，而CBN即使在1000℃的高溫下，切削黑色金屬也完全能勝任。已成為未來難加工材料的主要切削工具材料。一般超硬材料指的是人造金剛石、人造CBN。這兩種材料的同時存在，起到了互補的作用、可以覆蓋當前與今后發展的各種新型材料的加工，對整個切削加工領域極為有利。
金剛石切削工具的高精度刃磨需要高超的技藝，為了獲得更高精度的切削刃口圓弧半徑，特別是精度小于0.05μm以下的，對研磨機提出了相當嚴格的要求，必須有極高回轉精度的主軸軸系，老式研磨機已不適應，更多的開始采用空氣軸承作為支承，研磨盤必須能在機床上加以修平，使其端面跳動控制在 0.5μm以下。PCD和PCBN的刃磨相對而言比較容易，因為硬度相對比較低，用金剛石砂輪就能勝任，而厚膜金剛石則不同，其硬度接近天然金剛石，并且是各向同性的，所以刃磨比較困難。
近來，金剛石切削工具的刃磨已引起人們的關切，新的刃磨方案相繼提出，其中熱化學方法介紹頗多，如日本東京工業大學吉川昌范教授用加熱到 800℃的鑄鐵盤來實施。在加速研磨的設想方面認為，研磨工作量的70%在粗研，所以可以用熱化學方法先去除大部分的留量，然后再精研，可大幅度提高金剛石刃磨的工效。
3 金剛石及超硬材料應用中的注意事項
天然單晶金剛石
在當前的超精密加工中，天然單晶金剛石的切削工具已是必不可少。它可獲得極為鋒利的切削刃，其刃口圓弧半徑可以達到連掃描電子顯微鏡 (SEM)也無法檢測的程度。據日本大阪大學井川直哉教授介紹，最小可達2～4nm,這是當前的最高水平，是通過切削獲得的厚為1nm的切屑推算出來的。 1986年日本專門成立了一個金剛石刀尖評價委員會，來解決刀尖的測量問題，直至今天仍然沒有很好解決，只是從0.05μm提高到2～4nm。
1992年東芝機械http://www.stonebuy.com/machine/的淺井昭一也曾提出過利用掃描隧道顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)進行檢測的建議，但是并沒有再報道過，我國華中理工大學精儀系在1996年報道了用AFM取得了進展，這是可喜的成就。
金剛石切削工具的刃磨，雖已有不小的成就。但仍然是以經驗為主，依舊是一個有待解決的課題。金剛石切削工具的幾何參數也許是實踐不足，所以迄今還有待探索。一般其前角為0°，后角為5～6°，其端部有兩種，一是圓弧，另一為直線，后者有時稱為修光刃，其長度根據被加工材料來選擇。圓弧車刀在切削過程中的調整比較簡單，而平刃的調整相對而言是很費時的。如果應用在高精度的曲面加工中，圓弧的刃磨要求就很嚴格，它精度的優劣會復印在曲面上。據資料表明，日本大阪金剛石制作所在數年前就能達到R±0.05μm,英國則更高，達到R±0.02μm。
切削過程中，金剛石的導熱性優越，散熱快，但是要注意切削熱不宜高于700℃，否則會發生石墨化現象，工具會很快磨損。因為金剛石在高溫下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會發生反應。
金剛石燒結體(PCD)
PCD的出現，在許多方面代替了天然單晶金剛石。PCD與天然金剛石比較，價格便宜，且刃磨遠比天然金剛石方便，所以其應用、推廣特別迅速。在大量涌現的新材料中，大部分都是難加工材料，如高硅鋁合金，汽車發動機的活塞大量采用這種材料。一般，含硅量低于10%的鋁合金，用硬質合金切削工具即可，但含硅量超過10%,就只能借助PCD。當前采用的高硅鋁合金含硅量均在12%以上，有的已達18%以上，所以非PCD莫屬。
但是，由于PCD的種類很多，有合理選擇的必要。
其粒度、濃度等都會影響到硬度、耐磨性等性能。因此，在應用中也必須根據被加工材料的種類。硬度等特性來考慮合理的各種參數。由于其具有各向同性，耐磨性比較好，加工成拔絲模甚至優于天然單晶金剛石。
PCD在國內外的生產已十分普及，但是質量有較大的差異，因此在價格上出入很大。國內曾用美國超細粒度的GE公司的刀片，在PneumoPreci～sion的SMG325超精密機床上做了切削試驗，曾達到接近鏡面的表面粗糙度。
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