如何正确选用金刚石刀具材料 - 文章

如何正确选用金刚石刀具材料

作者：叶毅叶伟昌来源：雅式工业专网

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金刚石材料的刀具目前被广泛应用于生产制造中。本文介绍了近十几年来正在迅速发展的金刚石切削刀具材料的性能、品种，幷针对不同类的金刚石材料刀具的性能优劣，作出了选用建议。

金刚石是碳的同素异形体，是目前已知的最硬物质，其显微硬度可达10,000HV，同时也是目前硬度最高的刀具材料。在合适的加工条件下，金刚石刀具相比高速钢、硬质合金、陶瓷和聚晶立方氮化硼刀具的使用寿命更长。用它加工铜、铝等有色金属和非金属耐磨材料时的切削速度比硬质合金刀具高出一个数量级(例如铣削铝合金的切削速度为3000~4000m/min，高的甚至可达7500m/min)，使用寿命是硬质合金刀具的几十甚至几百倍。金刚石刀具过去主要用于精加工，近十几年来通过改进生产工艺，控制原料纯度和晶粒尺寸，采用复合材料和热压工艺等，其脆性有了重大改进，韧性提高，使用可靠性显着改善，已经可以作为常规刀具在生产中应用，对提高工效、保证产品质量起着重要作用。

金刚石刀具材料的性能优劣

金刚石的硬度和耐磨性极高、切削刃非常锋利、刃部粗糙度值小、摩擦因数低、抗粘结性好、热导率高、切削时不易粘刀及产生积屑瘤、加工表面质量好。在加工有色金属时，表面粗糙度值可达R0.10∼0.05μ m，加工精度可达IT5(孔IT6)级以上，能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、未烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨木材(尤其是实心木和胶合板、MDF等复合材料) 。

金刚石的缺点是韧性差，热稳定性低，与铁族元素接触时有化学反应(4C+3Fe →Fe3C4)，在700~800℃时将碳化(即石墨化)，一般不适用於加工钢铁材料。用它切削镍基合金时，同样也会迅速磨损。所以通常不推荐金刚石刀具加工高熔点金属及合金。此外，金刚石刀具刃磨困难，价格昂贵。表1中列出了金刚石刀具与硬质合金刀具二者性能的比较。

金刚石刀具材料的品种分类

金刚石刀具材料分为单晶金刚石（有天然和人造两种，天然单晶金刚石价格昂贵，部分被人造单晶金刚石替代）、人造聚晶金刚石(PCD)和人造聚晶金刚石与硬质合金复合刀片（PCD/CC）以及CVD金刚石。

单晶金刚石

单晶金刚石用作切削刀具必须是大颗粒的(质量大於0.1g，最小径长不得小於3mm) ，主要用于表面粗糙度、几何形状精度和尺寸精度有较高要求的精密和超精密加工应用领域。

天然单晶金刚石是金刚石中最耐磨的材料。它本身质地细密，经过精细研磨，切削刃的刃口钝圆半径可小到0.008~0.005μm。但天然单晶金刚石较脆，其结晶各向异性，不同晶面或同一晶面不同方向的晶体硬度均有差异，在进行刃磨和使用时必须选择合适的方向。由於使用条件苛刻，加上天然单晶金刚石资源有限，价格十分昂贵，所以生产上大多采用PCD、PCD/CC和CVD金刚石刀具。天然单晶金刚石主要用於某些有色金属的超精密切削加工或黄金首饰的生产中。

人工合成单晶金刚石的尺寸、形状和性能都具有良好的一致性, 目前由于高温高压技术日趋成熟，能够制备一定尺寸的人工合成单晶金刚石，尤其在加工高耐磨的层状木板时，其性能要优于PCD金刚石，不会引起刃口过早钝化。

人造聚晶金刚石(PCD)和人造聚晶金刚石与硬质合金复合刀片（PCD/CC）

PCD是在高温（约1800℃）、高压（5~6MPa）下，利用钴等金属结合剂将许多金刚石单晶粉聚晶成多晶体材料，其硬度虽稍低于单晶金刚石，但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合，属各向同性，用作切削刀具时可以任意取向刃磨，无需像天然金刚石那样必须选用最佳的解理面作为前刀面。在切削时，切削刃对意外损坏很不敏感，抗磨损能力也较强，可长时间保持锋利的切削刃，加工时可采用很高的切削速度和较大的背吃刀量（吃深），使用寿命一般高于WC基硬质合金刀具10~500倍，而且由於PCD中金属结合剂具有导电性，使得PCD便于切割成形，且原料来源丰富，其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一，已成为传统WC基硬质合金刀具的高性能替代品。

为提高PCD刀片的韧性和可焊性，以硬质合金为基底，在其表面烧结或压制一层0.5~1mm厚的PCD而组成金刚石复合刀片（PCD/CC）。PCD/CC可用焊或机夹方式制作刀具。由于其可焊性好，重磨容易，成本低，故应用广泛。须指出的是，PCD和PCD/CC刀具的刃口锋利性和加工表面质量均不如单晶金刚石，同时其可加工性差，磨削比小，难以根据刀头的几何形状任意成形，至今还不能方便地制造带断屑槽可转位刀片和立铣刀等几何形状复杂的产品。

CVD金刚石

CVD金刚石是一种高抗磨性的纯金刚石材料，不含结合剂，它是在低压(﹤0.1MPa）下制备的。CVD金刚石主要有CVD薄膜涂层(CD)和CVD厚膜(TFD)两种形式。

CD是用CVD（化学气相沈积）工艺，在硬质合金基体（常用K类合金）上沈积一层厚度约10~30μm，由多晶组成的膜状金刚石而成。因基体易于制成复杂形状，故适用于几何形状复杂的刀具，如丝锥、钻头、立铣刀和带断屑槽可转位刀片等。国际工具巿场上已有CD刀具的产品，如瑞典Sandvik公司的CD1810和美国Kennametal公司的KCD25，主要用于有色金属及非金属材料的高速精密加工，刀具寿命比未涂层的硬质合金刀具提高近十倍甚至数十倍。但CD刀具不适于加工金属一类复合材料，因为复合材料中的硬质颗粒在很短时间内就会将刀具表面一层涂层磨穿，所以尽管CD刀具的价格比同类PCD刀具要低，但由于金刚石薄膜与基体材料间的粘着力较小，于是限制了它的广泛应用。

金刚石刀具材料的性能优劣

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图1 金刚石PCD数控刀具

TFD是沈积厚度达1mm以上甚至几mm（De Beers公司沈积厚度可达5mm）的无衬底金刚石厚膜，根据需要再将厚膜切割成一定形状的小块，然後焊在硬质合金上形成复合刀片或刀具。TFD有很好的综合性能，它没有天然金刚石各向异性的缺点，由于没有金属结合剂，杂质含量低，纯度接近100%，故硬度和热导率比PCD更高（参照表1），摩擦因数更小，化学稳定性更好，可采用比PCD刀具更高的切削速度，但韧性则稍低於PCD，由於不导电的缘故，故不能用於放电加工（EDM）技术中。

表1 各类金刚石刀具与硬质合金刀具的性能比较
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TFD已在木材加工刀具和修整刀具上得到了广泛应用。国外已有TFD的产品（如De Beers公司的DIAFILM品牌)。尽管目前TFD刀具的价格较贵，但随着制造工艺的完善，今後TFD有望替代昂贵的天然金刚石刀具及部分PCD刀具。表2中列出了PCD、TFD和人工合成单晶金刚石三者性能的对比。

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由表2可知，PCD 、TFD（CVD厚膜)和人工合成单晶金刚石三者性能上各有特点，在一定程度上能相互补充，可以根据不同具体情况以及其性价比加以选用。

如何选用金刚石刀具材料

目前，单晶金刚石、PCD（或PCD/CC）、以及CVD金刚石均成功用作车刀、镗刀、钻头、铰刀、铣刀、成形刀和切齿刀具等切削部分的制作材料。

金刚石材料的品种必须根据所加工材料的性质和加工要求来选择，除满足技术要求外，还应满足经济和环保性能的要求。

PCD和PCD/CC材料

PCD和PCD/CC是生产中最常用的金刚石材料，它不仅适用通常机械加工领域，还广泛地应用在汽车、摩托车、高速列车、石油、化工、建筑、木材加工以及航空航天等工业部门。在汽车和摩托车领域中，PCD和PCD/CC适用于加工发动机铝合金活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱、化油器等耐磨零部件。而这些零部件大多是含矽量较高（Si >12%）的铝基复合材料，其内高硬度的硬质颗粒（如SiC的硬度高达3000~3500HV）分布在铝合金基体中，犹如砂轮中的磨粒一样会对刀具的切削刃起刮磨和冲击作用，而使切削刃很快磨损。硬质颗粒的硬度越高、颗粒的尺寸越大、颗粒的数量越多，则刀具磨损越快。因此，用传统的硬质合金刀具很难进行加工，刀具寿命很低或根本无法使用。金刚石是世界上已知的最硬物质，实际使用证明，它是加工铝基复合材料的最佳刀具材料。

用PCD金刚石加工铝基复合材料，其切削速度可达800 ~1000m/min，刀具寿命可比硬质合金高几倍甚至几十倍，加工表面粗糙度值可达Ra 0.025 ~0.012μm。图2所示为用PCD刀具钻加工20%SiCυ的铝基复合材料螺旋泵壳的应用实例。

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图2 用PCD刀具钻加工20%SiCυ的铝基复合材料

用PCD（或PCD/CC）刀具加工碳纤维和玻璃纤维增强塑料（FRP）时，切屑成粉状，切削温度低，且切削长度为K类硬质合金刀具的10倍，而磨损却不到硬质合金刀具的1/3。

PCD（或PCD/CC）刀具也适用于加工预烧後的硬质合金和耐磨的非金属材料，如陶瓷、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨木材等。

PCD刀具的性能主要取决于它的应用场合和所涉及的加工过程，但选择适当的牌号和颗粒尺寸也会对其产生影响。不同品种的PCD刀片，由于其组成成份不同，切削性能有很大的差异，选用时须加以注意。

目前PCD刀片不像硬质合金那样在国际上有统一的分类，各生产厂都有各自的品种与牌号，使用时须参照厂家样品来选择。

De Beers公司生产的PCD刀片有002、010和025几种，晶粒的平均尺寸分别为2μm（细晶粒）、10μm（中晶粒）和25μm（粗晶粒）。晶粒尺寸越大则磨性越好，刀具寿命越高，但切削刃较粗糙，刃口质量差，难以制成高精度刀具；中晶粒一般作为机械加工的通用牌号；细晶粒刀具的切削刃的刃口钝圆半径小，易加工出良好的表面质量。因而目前聚晶的晶粒不断细化，并已有1μm甚至有0.5μm以下的细晶，需根据粗、精加工等不同工序要求，选用不同大小的晶粒。

单晶金刚石刀具材料

单晶金刚石与PCD（或PCD/CC）以及PCD（或PCD/CC）与CVD金刚石之间能很好地相互补充，也存在着一些相互交叉的应用领域。

单晶金刚石切出的工件表面呈连续状，而用PCD切出的工件表面呈现出微米量级的不连续状态，因此PCD只适用于普通的机械加工领域，对于一些有特殊要求的抛光工艺，如制备Al2O3 镜面时，只有使用天然单晶金刚石才能达到所要求的表面粗糙度和尺寸公差。

天然金刚石中较少见大尺寸金刚石，但人工合成大尺寸金刚石目前已经成为可能。用其加工高耐磨的层状木板时，其性能要优于PCD金刚石，不会引起刃口过早钝化。在加工铝基复合材料时，既可采用PCD也可使用TFD(CVD厚膜)。图3所示为用PCD与TFD两种金刚石加工40% SiCυ A356MMC材料时的刀具磨损曲綫。图3试验时采用的切削条件为：切削速度400m/min，进给量为0.05mm/r，背吃刀量（切削深度)0.5 mm，加切削液。由实验可知，加工40% SiCυ铝基复合材料，使用厚膜金刚石TFD的效果最好，PCD025次之，PCD002刀具的使用寿命最低。

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图3 聚晶金刚石和化学气相沈积金刚石刀片加工40% SiCυ/A365金属基复合材料时侧面磨蚀随切削时间的变化曲綫。

由于各类金刚石在适应面上的互补性，金刚石刀具可加工范围有所扩展，人工合成金刚石替代天然金刚石，CVD金刚石替代PCD金刚石的趋势也日渐明显。切削加工也由此而进入了一个可实现高效、经济加工的新时期，其替代程度决定于技术和经济两方面因素，尤其是刀片的成型、刃磨和焊的难易程度将直接影响金刚石刀具的价格和性能。

通常PCD刀具适合于粗加工和要求刀具有较高断裂韧性的生产中，CVD厚膜和单晶金刚石刀具多用於高速精加工和半精加工。

金刚石刀具的应用建议

金刚石刀具改变了传统的机械加工工艺，解决了生产中以前很多难以解决的加工问题。目前广泛应用于机械、治金、矿山、高速列车、汽车、拖拉机、轴承、水泵、交通、能源、精密仪器、航空航天等行业幷取得了显着的经济效益。例如，长春一汽集团公司用PCD刀具精镗高矽铝合金材料的活塞销孔（VC=160m/min，f=0.08~0.10mm/r，ap=0.05mm），刀具寿命达42,500件，是原来硬质合金刀具的90倍，加工表面粗糙度Ra由原来0.8~0.4μm下降为0.4~0.2μm，每班还可减少装调刀具等辅助时间30min，分摊到每一工件上的刀具成本也比硬质合金刀具下降了85%。

目前世界上金刚石材料的年耗量呈8%~10%速度增长。人造单晶金刚石材料正在向粗颗粒、高强度、多功能方向发展，最大颗粒达11.14克拉重。PCD则向大直径、细粒度、高抗冲击、高热稳定性方向发展。PCD最大直径可达74mm。中国自1963年第一颗人造金刚石开发成功以来，已走过近50年的发展历程。目前中国人造金刚石的年产量位居世界第一，幷能生产各种高品级和高强度的人造金刚石，为推广和使用金刚石切削刀具创造了有利条件。

使用金刚石刀具的机床必须具有高的刚度、大的功率和高的转速。此外，机床精度要好，装夹工件的夹具和夹紧装置，要求可靠性强，以免加工时产生振动导致刀具破损。必须指出，目前生产中不少机床设备还不能满足金刚石刀具的加工要求，所以它们的潜力未能得到充分发挥，今後随着数控机床（NC）和加工中心（MC）等高效设备应用的增多（中国投资221亿元人民币的国家重大科技专项“高挡数控机床与基础制造”，也於2009年初开始启动），必将进一步推动金刚石刀具的使用。

金刚石刀具的加工刃磨和用钝後重磨是使用中关键问题，它是一项保密性很强、难度很大的技术。国外使用金刚石刀具的企业多数都不自己磨刀，而将用钝的金刚石刀具送回原厂重磨。

当前中国发展金刚石刀具，一方面要重视引进、吸收国外新技术，设法提高刀片的质量，降低刀片的成本；另一方面要进一步研制出晶粒更细的材料，以提高其致密度，减少刃口锯齿边，使其能研磨得更为锋利。同时要解决金刚石刀具的刃磨效率和质量问题。

值得提出的是，用石墨原料合成的金刚石聚晶体，目前的金刚石为C12。同位素C13和C60则更为坚硬。因此可以预料，在21世纪的未来岁月中，金刚石刀具一定会有更大进展，并得到更多的应用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/28/2010)


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