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金剛石刀具材料的品種分類

    金剛石刀具材料分為單晶金剛石(有天然和人造兩種,天然單晶金剛石價格昂貴,部分被人造單晶金剛石替代)、人造聚晶金剛石(PCD)和人造聚晶金剛石與硬質合金復合刀片(PCD/CC)以及CVD金剛石。

    單晶金剛石

    單晶金剛石用作切削刀具必須是大顆粒的(質量大於0.1g,最小徑長不得小於3mm),主要用于表面粗糙度、幾何形狀精度和尺寸精度有較高要求的精密和超精密加工應用領域。

    天然單晶金剛石是金剛石中最耐磨的材料。它本身質地細密,經過精細研磨,切削刃的刃口鈍圓半徑可小到0.008~0.005μm。但天然單晶金剛石較脆,其結晶各向異性,不同晶面或同一晶面不同方向的晶體硬度均有差異,在進行刃磨和使用時必須選擇合適的方向。由於使用條件苛刻,加上天然單晶金剛石資源有限,價格十分昂貴,所以生產上大多采用PCDPCD/CCCVD金剛石刀具。天然單晶金剛石主要用於某些有色金屬的超精密切削加工或黃金首飾的生產中。

    人工合成單晶金剛石的尺寸、形狀和性能都具有良好的一致性,目前由于高溫高壓技術日趨成熟,能夠制備一定尺寸的人工合成單晶金剛石,尤其在加工高耐磨的層狀木板時,其性能要優于PCD金剛石,不會引起刃口過早鈍化。


    人造聚晶金剛石(PCD)和人造聚晶金剛石與硬質合金復合刀片(PCD/CC

    PCD是在高溫(約1800℃)、高壓(5~6MPa)下,利用鈷等金屬結合劑將許多金剛石單晶粉聚晶成多晶體材料,其硬度雖稍低于單晶金剛石,但它是隨機取向的金剛石晶粒的聚合,屬各向同性,用作切削刀具時可以任意取向刃磨,無需像天然金剛石那樣必須選用最佳的解理面作為前刀面。在切削時,切削刃對意外損壞很不敏感,抗磨損能力也較強,可長時間保持鋒利的切削刃,加工時可采用很高的切削速度和較大的背吃刀量(吃深),使用壽命一般高于WC基硬質合金刀具10~500倍,而且由於PCD中金屬結合劑具有導電性,使得PCD便于切割成形,且原料來源豐富,其價格只有天然金剛石的幾十分之一至十幾分之一,已成為傳統WC基硬質合金刀具的高性能替代品。

    為提高PCD刀片的韌性和可焊性,以硬質合金為基底,在其表面燒結或壓制一層0.5~1mm厚的PCD而組成金剛石復合刀片(PCD/CC)。PCD/CC可用焊或機夾方式制作刀具。由于其可焊性好,重磨容易,成本低,故應用廣泛。須指出的是,PCDPCD/CC刀具的刃口鋒利性和加工表面質量均不如單晶金剛石,同時其可加工性差,磨削比小,難以根據刀頭的幾何形狀任意成形,至今還不能方便地制造帶斷屑槽可轉位刀片和立銑刀等幾何形狀復雜的產品。

    CVD金剛石

    CVD金剛石是一種高抗磨性的純金剛石材料,不含結合劑,它是在低壓(0.1MPa)下制備的。CVD金剛石主要有CVD薄膜涂層(CD)CVD厚膜(TFD)兩種形式。

    CD是用CVD(化學氣相沈積)工藝,在硬質合金基體(常用K類合金)上沈積一層厚度約10~30μm,由多晶組成的膜狀金剛石而成。

    因基體易于制成復雜形狀,故適用于幾何形狀復雜的刀具,如絲錐、鉆頭、立銑刀和帶斷屑槽可轉位刀片等。國際工具巿場上已有CD刀具的產品,如瑞典Sandvik公司的CD1810和美國Kennametal公司的KCD25,主要用于有色金屬及非金屬材料的高速精密加工,刀具壽命比未涂層的硬質合金刀具提高近十倍甚至數十倍。但CD刀具不適于加工金屬一類復合材料,因為復合材料中的硬質顆粒在很短時間內就會將刀具表面一層涂層磨穿,所以盡管CD刀具的價格比同類PCD刀具要低,但由于金剛石薄膜與基體材料間的粘著力較小,于是限制了它的廣泛應用。

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