金剛石刀具

金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦係數、高彈性模量、高熱導、低熱膨脹係數，以及與非鐵金屬親和力小等優點。可以用於非金屬硬脆材料如石墨、高耐磨材料、複合材料、高矽鋁合金及其它韌性有色金屬材料的精密加工。金剛石刀具類型繁多，性能差異顯著，不同類型金剛石刀具的結構、製備方法和套用領域有較大區別。

刀具套用

基本介紹

• 中文名：金剛石刀具
• 外文名：diamond coating tools
• 特點：具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦
• 套用：紫銅及銅合金和金、銀、銠等貴重
• 性質：刀具
• 材質：金剛石（碳）

簡介

金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦係數、高彈性模量、高熱導、低熱膨脹係數，以及與非鐵金屬親和力小等優點。可以用於非金屬硬脆材料如石墨、高耐磨材料、複合材料、高矽鋁合金及其它韌性有色金屬材料的精密加工。金剛石刀具類型繁多，性能差異顯著，不同類型金剛石刀具的結構、製備方法和套用領域有較大區別。

金剛石刀具

刀具套用

天然金剛石刀具主要用於紫銅及銅合金和金、銀、銠等貴重有色金屬，以及特殊零件的超精密鏡面加工，如錄影機磁碟、光學平面鏡、多面鏡和二次曲面鏡等。但其結晶各向異性，刀具價格昂貴。PCD的性能取決於金剛石晶粒及鈷的含量，刀具壽命為硬質合金(WC基體)刀具的10～500倍。主要用於車削加工各種有色金屬如鋁、銅、鎂及其合金、硬質合金和耐磨性極強的纖維增塑材料、金屬基複合材料、木材等非金屬材料。切削加工時切削速度、進給速度和切削深度加工條件取決於工件材料以及硬度。人造聚晶金剛石複合片(PDC)性能和套用接近PCD刀具，主要用在有色金屬、硬質合金、陶瓷、非金屬材料(塑膠、硬質橡膠、碳棒、木材、水泥製品等)、複合材料等切削加工，逐漸替代硬質合金刀具。由於金剛石顆粒間有部分殘餘粘結金屬和石墨，其中粘結金屬以聚結態或呈葉脈狀分布會減低刀具耐磨性和壽命。此外存在溶媒金屬殘留量，溶媒金屬與金剛石表面直接接觸。降低(PDC)的抗氧化能力和刀具耐熱溫度，故刀具切削性能不夠穩定。金剛石厚膜刀具製備過程複雜，因金剛石與低熔點金屬及其合金之間具有很高的界面能。金剛石很難被一般的低熔點焊料合金所浸潤。可焊性極差，難以製作複雜幾何形狀刀具，故TDF焊接刀具不能套用在高速銑削中。金剛石塗層刀具可以套用於高速加工，原因是除了金剛石塗層刀具具有優良的機械性能外，金剛石塗層工藝能夠製備任意複雜形狀銑刀，用於高速加工如鋁鈦合金航空材料和難加工非金屬材料如石墨電極等。

刀具常識

用戶在選擇和使用金剛石塗層刀具之前，必須了解有關金剛石塗層刀具的以下幾點常識：

塗層的區別

非晶金剛石(也稱為類金剛石碳——譯註)塗層是採用PVD工藝沉積的一種碳膜。它既具有一部分金剛石的SP3鍵，又具有一部分碳的SP2鍵；其成膜硬度很高，但又低於金剛石膜的硬度；其厚度也比我們通常沉積的金剛石膜要薄一些。加工石墨時，非晶金剛石塗層刀具的壽命是未塗層硬質合金刀具的2-3倍。與之相比，CVD金剛石則是採用CVD工藝沉積的純金剛石塗層，加工石墨時的刀具壽命是硬質合金刀具的12-20倍，從而可減少換刀次數，提高加工的可靠性和精度一致性。

加工淬硬鋼

金剛石由碳原子構成。某些材料受熱時，會從金剛石中吸出碳原子並在工件中形成碳化物。鐵就是此類材料之一。用金剛石刀具加工鐵族材料時，摩擦產生的熱量會使金剛石中的碳原子擴散到鐵中，從而造成金剛石塗層因化學磨損而提前失效。

刀具的限制

重磨和(或)重塗層的金剛石塗層刀具質量難以保證由於刀具表面生成的塗層為純金剛石，因此用金剛石磨輪對刀具進行重磨需要耗費很長時間。此外，為使金剛石生長而採用的刀具。製備工藝會改變刀具表面的化學特性，由於塗層時要求對這種化學特性進行非常精確的控制，因此刀具重新塗層的效果難以得到保證。

刀具的壽命

與任何其他刀具一樣，金剛石塗層刀具的壽命也各不相同，主要取決於被切削材料、選用的進給率和切削速度，以及工件的幾何形狀等。一般來說，加工石墨的金剛石塗層刀具的壽命是未塗層硬質合金刀具的10-20 倍，在某些情況下甚至可能更長。這樣，就能用一把刀具完成幾乎任何加工任務，無需因刀具磨損而換刀，避免了加工中斷和重新校準，從而有可能實現無人值守加工。在複合材料的加工中，也完全可能獲得較長的刀具壽命。

據報導，在加工高密度玻璃纖維、碳纖維和Gl0-FR4等難加工複合材料時，金剛石塗層刀具的壽命可高達未塗層硬質合金刀具的70倍。

存在的問題

金剛石塗層的剝落可以預防塗層剝落是金剛石塗層刀具的一個嚴重問題，也是一個常見問題(尤其在加工碳纖維之類材料時)，會導致刀具壽命難以預測。上世紀90年代後期，界面化學特性被確定為是影響金剛石塗層粘附性能的重要因素。通過選擇兼容性好的硬質合金化學特性、採用適當的預處理技術和合理的沉積反應條件，就有可能減輕或消除金剛石塗層的剝落，穩定地實現平穩的磨損模式。在顯微鏡下觀察正常磨損的金剛石塗層刀具，可以發現，金剛石被穩定磨損直至硬質合金基體，而沒有發生崩刃或剝落。

刀具類型

1、天然金剛石Natural Diamond(ND)；

2、人造聚晶金剛石Artificial Polvcrystalline Diamond(PCD)；

3、人造聚晶金剛石複合片Polycrystalline Diamond Compact(PDC)；化學氣相沉積塗層金剛石刀具ChemicalVapor Deposition Diamond Coated Tools(CVD)。

4、沉積厚度達100µm的無襯底純金剛石厚膜Thick Diamond Film(CD)；

5、在刀具基體表面直接上沉積厚度小於30µm的金剛石薄膜塗層Coated Thin Diamond Film(CD)。

天然ND刀具

為天然金剛石拉蔓峰譜，具有以下特徵：

(1)1332尖鋒處顯示存在金剛石。

(2)波型幅度(FWHM)為4.1cm-1

顯示為純金剛石。ND是目前已知礦物中最硬的物質，主要用於製備刀具車刀。天然金剛石刀具精細研磨後刃口半徑可達0.01～0.002µm。其中天然單晶金剛石(Single Crystalline Diamond，SCD)刀具切削刃部位經高倍放大1500倍仍然觀察到刀刃光滑。SCD車削鋁製活塞時Ra可達到4µm，而在同樣切削條件下用PCD刀具加工時的表面粗糙時的Ra為15～50µm。故採用SCD刀具配合精密車床進行精密和超精密加工，可獲得鏡面表面。

聚晶PCD刀具

PCD是高溫超高壓條件下通過鈷等金屬結合劑將金剛石微粉聚集燒結合成的多晶體材料，又稱燒結金剛石。聚晶金剛石刀具整體燒結成銑刀，用於銑削加工，PCD晶粒呈無序排列狀態，屬各向同性，硬度均勻，石墨化溫度為550℃。刀具具有高硬度、高導熱性、低熱脹係數、高彈性模量和低摩擦係數。刀刃非常鋒利等特點。

人造PCD刀具

為提高PCD刀片的韌性和可焊性，常將PCD與硬質合金刀體做成人造聚晶金剛石複合刀片(PDc)。即在硬質合金基底其表面壓制一層0.5～1mm厚的PCD燒結而成。複合刀片的抗彎強度與硬質合金基本一致，硬度接近PCD，故可以替代PCD使用。PCD及人造聚晶金剛石複合片(PDC)刀具的刃口鋒利性和加工的工件表面質量低於ND。同時其可加工性很差，磨削比小，難以根據刀頭的幾何形狀任意成形。利用人造聚晶金剛石複合片只能製備車刀，還不能製造帶斷屑槽的可轉位刀片和複雜三維曲面幾何形狀的銑刀。

TDF焊接刀具

金剛石厚膜焊接刀具是把雷射切割好CVD金剛石厚膜一次焊接至基體(通常為K類硬質合金)上，形成複合片，然後拋光複合片，二次焊接至刀體上，刃磨成需要的形狀和刃口。如圖3(a)所示，為CVD金剛石厚膜(金剛石膜厚度達30µm)，具有硬度高、耐磨損、摩擦係數小等特點，是製造切削有色金屬和非金屬材料刀具的理想材料。由於金剛石焊接過程工藝複雜，CVD金剛石厚膜(TDF)焊接刀具尚未大批量套用。

塗層刀具

金剛石塗層刀具是用CVD法直接在硬質合金(K類硬質合金)或陶瓷等基體上沉積一層1～25µm金剛石薄膜，無解理面各向同性。如圖3(b)。薄膜塗層刀具硬度達9800～10000HV。熱導率高，室溫下導熱係數高達2000W·m-1·K-1，而硬質合金刀具導熱係數僅為80～100m-1·K-1。CVD方法金剛石可以塗層到任何複雜形狀的刀具上，這是聚晶金剛石無法擁有的最顯著的優勢。

立方氮化硼刀具

立方氮化硼(PCBN)是繼人工合成金剛石之後出現的第二種無機超硬材料,其硬度略次於金剛石,熱穩定性好,耐熱性可達到1400~1500度,比金剛石的耐熱性(700~800度)幾乎高一倍.立方氮化硼(PCBN)刀具主要適合加工各種黑色金屬及其合金材料;最適合於各種淬硬鋼(碳素工具鋼 軸承鋼 模具鋼 高速鋼)珠光體灰口鑄鐵(釩鈦鑄鐵)冷硬鑄鐵高溫合金(鎳基合金鈷基合金)及表面噴塗堆焊的加工.具有使用壽命長,減少換刀次數,補償停機所花的時間,使數控工具機和自動化生產線的高效能得到更充分的發揮,可以改變傳統的機械加工方式(即淬火前用刀具粗加工和淬火後用砂輪精加工的方法),從而能在一台數控工具機進行淬火前淬火後的車削加工(以車代磨),具有很好的經濟效益.

天然鑽石四方拉絲模

刀具修磨

陶瓷結合劑金剛石砂輪具有金剛石和陶瓷結合劑的共同特點，與普通剛玉、碳化矽磨具相比，它的磨削力強，磨削時溫度比較低，磨具磨損比較小；可以適應各種冷卻液的作用；磨削時磨具的形狀保持性好，磨出工件的精度高；磨具內有較多的氣孔，磨削時有利於排屑和散熱，不易堵塞、不易燒傷工件；磨具的自銳性比較好，修整間隔的時間長，修整比較容易。因此陶瓷結合劑金剛石砂輪在國外一些已開發國家的使用日益增多。

選擇合理的工藝參數，陶瓷結合劑金剛石砂輪研磨單晶金剛石，研磨效率比金屬結合劑砂輪高，磨耗比非常小，加工成本低，因此採用陶瓷結合劑砂輪研磨單晶金剛石，可極大的提高破天研磨效率。在磨削PCD刀具方面，由於樹脂結合劑較軟，磨削時容易變形，不能有效地磨削PCD刀具；金屬結合劑由於對磨粒的結合能力太強而使磨具自銳性差，磨削效率低，而且金屬結合劑砂輪會造成PCD刀具邊緣產生最最嚴重的破壞；綜合磨削效率、磨具耐用度及工件表面的加工質量，陶瓷結合劑金剛石砂輪是磨削PCD刀具最合適選擇。