单晶金刚石刀具

单晶金刚石可分为天然单晶金刚石和人工合成单晶金刚石。天然金刚石俗称钻石，是人类最早发现的一种最硬的天然矿物，优质天然金刚石多数为规整的八面体或菱形十二面体，少数为六面立方体或其他形状，浅色透明，无杂质和缺陷，具有很大的折射率。第一次工业革命期间，天然单晶金刚石刀具开始用于钟表和精密仪器仪表轴承的机械加工，大大提高了加工精度。

（碳方程新材料 MPCVD-4 设备）

天然金刚石刀具是将经研磨加工成一定几何形状和尺寸的单晶大颗粒型金刚石，用焊接式、黏结式、机夹式或粉末冶金方法固定在刀杆或刀体上，然后装在精密机床上使用。天然单晶金刚石刀具经过精细研磨，刃口能磨得极其锋利，刃口半径可达0.002μm，能实现超薄切削。

再加上它与被加工材料之间的摩擦系数小，抗黏结性好，热膨胀系数小及热导率高等特点，天然金刚石刀具可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度。因此，天然金刚石刀具切削也称镜面切削，天然金刚石刀具是一致公认的、理想的和不能替代的超精密加工刀具。

目前，天然金刚石刀具超精密镜面切削技术得到迅速发展，主要用于铜及铜合金、铝及铝合金以及金、银、铑等贵重金属特殊工件的超精加工，如录像机磁盘，光学平面镜、多面镜、二次曲面镜等。但由于天然金刚石不仅价格昂贵，而且资源有限，货源奇缺，使其应用范围受到限制。

单晶金刚石用于制作切削刀具必须是大颗粒（质量大于0.1g，最小径长不得小于3mm）。

聚晶金刚石刀具（PCD）刀具

人造单晶金刚石是20世纪50年代以后逐渐发展起来的，它是以石墨为原材料，加入催化剂，经高温超高压合成的。人造聚晶金刚石（PCD）是通过金属结合剂（如Co、Ni等）将金刚石微粉聚合而成的多晶体材料。人造聚晶金刚石是一种特殊的粉末冶金产品，在制造方法上借鉴了常规粉末冶金中的一些方法和手段。

在烧结过程中由于添加剂的加入，使PCD晶体间形成以Co、Mo、W、WC和Ni等为主要成分的结合桥，金刚石被牢固地嵌于结合桥构成的坚固的骨架中。金属黏结剂的作用就是牢固把持金刚石，充分发挥金刚石的切削效率。另外，由于晶粒在各个方向上自由分布，裂纹很难从一个晶粒传向另一个晶粒，使PCD的强度和韧性都有了很大提高。在选择黏结剂时需要考虑如下内容。

① 黏结剂与金刚石的把持力。

② 对特定的加工对象，黏结剂与金刚石的协调磨损。

③ 适当的制造工艺和生产成本

天然金刚石用于制作刀具已有很长的历史，由于天然金刚石的价格昂贵，金刚石广泛应用于切削加工还是在聚晶金刚石（PCD）研制成功以后，自20世纪70年代初，美国GE公司研制成功聚晶金刚石（PCD）刀片以后，在很多场合下天然金刚石刀具已被人造聚晶金刚石所替代。虽然PCD的硬度低于单晶金刚石，但PCD属于各向同性材料，使得刀具制造中不需择优定向。由于PCD结合剂具有导电性，使得PCD便于切割成形，而且成本远低于天然金刚石。PCD原料来源丰富，其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一。因此，PCD应用远比天然金刚石刀具广泛。

PCD刀具无法磨出极其锋利的刃口，刃口半径很难达到1μm以下，加工的工件表面质量也不如天然金刚石。因此，PCD只能用于有色金属和非金属的精切，很难达到超精密镜面切削。随着制造业的快速发展，PCD刀具的生产和应用逐年增加，至2002年，PCD刀具年销售额已达2.8亿美元。表2-2为国产金刚石复合片的牌号和性能；表2-3为世界主要PCD刀具的牌号。

CVD金刚石刀具

CVD金刚石是指用化学气相沉积法（CVD）在异质基体（硬质合金、陶瓷等）上合成金刚石膜，CVD金刚石具有与天然金刚石完全相同的结构与特性。

自从20世纪70年代末至80年代初，CVD金刚石技术在日本出现以来，越来越受到西方发达国家的高度重视，在研究和应用领域做了大量工作，使得该技术进展十分迅速，日趋成熟，并且这一技术已迅速应用到切削刀具上来，CVD金刚石刀具不仅直接冲击粉涂层硬质合金刀具和陶瓷刀具的市场，而且还成为PCD刀具强有力的竞争对手。

2000年，金刚石膜的总需求量达到20.5亿美元，而其中金属切削加工用CVD金刚石膜刀具市场最大，达8.0亿美金。

CVD金刚石不含任何金属或非金属添加剂，因此，CVD金刚石的性能与天然金刚石十分接近，兼具单晶金刚石和聚晶金刚石（PCD）的有点，在一定程度上又克服了它们的不足。

根据不同的应用要求，可选择不同的CVD沉积工艺以后合成出晶粒尺寸和表面相貌不同的CVD金刚石。大量实践表明，CVD金刚石工具产品的使用性能在许多方面超过聚晶金刚石的同类产品，而且其表面粗糙度接近单晶金刚石，抗冲击性超过单晶金刚石。

因此，CVD金刚石被看成是一种有广阔前景的新金刚石材料。目前研制的CVD金刚石膜产品其晶向直径已超过110mm，厚度达毫米级。

CVD金刚石刀具的超硬耐磨性和良好的韧性使之可加工大多数非金属材料和多重有色金属材料，如铝、硅铝合金、铜、铜合金、石墨、陶瓷以及各种增强玻璃纤维和套现为结构材料等。CVD金刚石刀具还可用于高效和高精密加工刀具。其成本远远低于价格昂贵的天然金刚石刀具。

目前，CVD金刚石刀具除用于发动机活塞鬼铝合金材料的加工外，还用于内燃机缸体、缸盖、高压油泵、汽油泵、水泵、发电机转子、启动机、汽车车体中玻璃钢部件的车、铣、钻、镗等的加工。较典型的CVD金刚石刀具产品有美国Kenametal公司的KD100刀片、KDF300牌号CVD金刚石涂层硬质合金立铣刀等。

① CVD金刚石刀具的制备方法

CVD金刚石制成方法有热丝法、离子束溅射法、电子加速法、激光诱导法、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法、直流和高频电弧放电热等离子法等。在反应过程中，输入的能量、反应气体的激光状态、配比和沉积过程的成核模式等对于生成金刚石膜有决定性作用。

衬底材料的晶型和点阵常数对金刚石膜成核生长影响很大。沉积金刚石薄膜和温度要求为600~900℃，因此，该技术常用硬质合金刀具表面沉积金刚石薄膜。

CVD金刚石刀具可制成两种形式：一种是在集体上沉积厚度小于50μm的薄层膜，即CVD金刚石薄膜涂层刀具；另一种是沉积厚度达到1mm的无衬底的金刚石厚膜，即CVD金刚石厚膜焊接刀具。

CVD金刚石刀具只做工艺简单，选用硬质合金作为集体材料，加工出所要求的刀具几何形状，经适当处理后置于真空室内，在刀尖生长一层金刚石薄膜。金刚石薄膜层与硬质合金集体之间的结合强度是制约该刀具使用寿命的关键因素。图2-2所示为CVD金刚石厚膜刀具或刀片形成工艺。

早起用于制造CVD金刚石厚膜汉街道具的厚膜是沉积在Si、SiC、W或WC等集体材料上，再用磨削和酸洗腐蚀的方法去除集体材料而得到厚膜，近年来沉积独立式金刚石厚膜的基体材料选用WC-Co硬质合金。

在集体的冷却过程中，厚度自动脱落而得到独立式金刚石厚膜。用热丝法可制成φ100mm左右的金刚石厚膜，而用微波等离子体法克制备出高质量大面积（φ300mm）的金刚石厚膜，沉积的速率最高可达到10μm/h。常用的沉积金刚石厚膜工艺方法是直流等离子射流法，这种方法沉积速率可达930μm/h，晶粒之间结合精密。

由于CVD金刚石厚膜硬度高、耐磨性好、不导电，通常需要在空气、氩气或氧气环境中通过激光将金刚石厚膜片切割成所需的形状和尺寸，还能直接切出道具的后角和修整厚膜表面。再利用铜焊技术将切割出的小片焊接到硬质合金基体上，金刚石厚膜一般与金刚石及其合金之间有很高的界面能，使金刚石不能被一般低熔点合金所浸润，可焊接性差。

目前，金刚石厚膜刀具的焊接工艺主要采用活性金属化的方法。焊料是含钛的银铜合金，不加助溶剂，在惰性气氛或真空中高频感应加热敢接。此外，CVD金刚石厚膜也可在真空炉内进行大批量快速焊接。最后将焊接好的CVD金刚石厚膜刀具研磨开刃。刃磨方法有机械磨削、热金属盘研磨、激光束加工、电子加工和等离子体刻蚀等。目前，传统的方法仍是机械磨削抛光法。

② CVD金刚石薄膜涂层刀具

金刚石薄膜涂层刀具在某些方法要由于PCD刀具。它具有整体金刚石表面涂层（厚度小于50μm），可被加工成具有任何样式和几何形状的切削刃。由于CVD金刚石薄膜涂层可沉积在任何形状的基体上，因此CVD金刚石薄膜涂层刀具易于制造复杂型面刀具，如钻头、立铣刀、带断屑槽的金刚石刀片等。

CVD金刚石薄膜涂层刀具的性能取决于薄膜和硬质合金（WC-Co）基体之间的结合强度，如结合强度过低，沉积在硬质合金上的金刚石薄膜涂层将承受不了切削过程中的剪切力而容易脱落，从而导致刀具早期失效。这个问题迄今尚未得到圆满解决。其主要原因有两点。

A.热膨胀系数不协调，导致在金刚石与硬质合金界面上产生了较大的热应力。

B.在刀具表面碳与薄膜层中的钴之间产生交互作用。

由于CVD金刚石薄膜涂层刀具制作工艺简单，成本低廉，可开发的刀具品种较多，而且可以作成各种复杂的几何形状。目前的刀具市场分析普遍认为，CVD金刚石薄膜涂层刀具市场潜力巨大，是今后的发展方向。

③ CVD金刚石厚膜焊接刀具

PCD是金刚石粉与结合剂混合在一起烧结而成，因此硬度受到结合剂的影响，而CVD厚膜金刚石是纯金刚石组成，其硬度接近天然金刚石，比PCD的硬度高得多。与天然金刚石不同的是，CVD厚膜金刚石具有各向同性，而且成本低，因此在许多方面将取代PCD，如沉积质量进一步提高，在超精密加工中也有取代天然金刚石的可能，因此很受超精密加工领域的重视。但CVD金刚石厚膜的表面比较粗糙，给刀具的刃磨和抛光带来较大困难。

通过近十年来的应用研究和开发，CVD金刚石厚膜刀具生产工艺已较成熟，产品逐步产品化，已进入试用阶段。美国肯纳金属公司、通用汽车公司和诺顿公司等；日本的三菱金属公司等；欧洲瑞典的山特维克公司、德国的格林公司等已有产品销售。

由于CVD厚膜金刚石的高耐磨性和高热稳定性，在高耐磨材料的告诉切削加工领域具有很大的潜力。CVD金刚石厚膜焊接刀具目前的成本较高，但随着技术的发展，它将是PCD刀具有力的竞争对手。

不同金刚石刀具的使用特性比较

PCD刀具、PCD金刚石刀具和单晶金刚石刀具都有各自的特点:

PCD可焊接、机械磨削性和断裂热性最高，耐磨损性和刃口质量居中，耐腐蚀性最差。CVD厚膜耐腐蚀性最好，机械磨削性、刃口质量、断裂热性和耐磨损性居中，可焊性最差。人工合成单晶金刚石刃口质量、耐磨损性和耐腐蚀性最好，可焊性、机械磨削性和断裂韧性最差。

CVD金刚石与PCD最大不同之处是没有结合剂，是纯金刚石，而且是在低温（＜1000℃）和低压（＜0.1MPa）条件下制成的，杂质含量低，纯度接近100%。与PCD相比，CVD金刚石刀具硬度更高、耐磨性更好、摩擦系数更小、热导率更高、化学和热稳定性更好。CVD金刚石刀具的性能优于PCD刀具，刀具使用寿命可延长2~3倍。CVD金刚石的缺点是韧性不如PCD，而且不导电。缺乏导电性阻碍了对其进行放电加工，而放点加工在金刚石刀具加工业的生产和修整得到了广泛应用。CVD金刚石刀具一般比PCD刀具的切速高，常用于铝、铜等有色金属及塑料凳非金属的精加工和半精加工。

碳方程新材料（山西）有限公司 专业从事MPCVD技术研究开发和相关设备、产品的生产，CVD大单晶金刚石的工艺的研发，致力于碳基材料应用技术的产业化。