机械加工中CVD金刚石刀具的应用及前景介绍
金刚石工具在有色金属和耐磨材料的加工应用中，有出色的适应性。在使用金刚石工具时，用户可以有两种选择：一种是聚晶金刚石（PCD），另一种是较新的化学气相沉积（CVD）金刚石。
一、金刚石家族的新成员
化学气相沉积（CVD）金刚石，是一种高抗磨性的纯金刚石材料，不含粘接剂。金刚石沉积分为两种形式：一种是厚膜金刚石，沉积成整体的、单独的薄片，然后切割成所需尺寸；另一种是薄膜金刚石，沉积在硬质合金刀片或回转式刀具上。
迄今为止，CVD金刚石最有前景的用途是加工石墨。但是，NortonDiamondFilm公司却正在出售各种用途的CVD金刚石用于加工有色金属、塑料和复合材料。Norton公司的应用技术经理认为，CVD金刚石几乎适用于全部有色金属。在高硅铝合金的断续切削以及预烧结硬质合金、黄铜、紫铜和碳纤维材料的加工中，正在取得良好的结果。Norton公司还相信：CVD金刚石在加工很宽范围的铝合金材料（包括6061及其他）时，能够和PCD旗鼓相当。
Norton公司应用技术经理还认为，CVD金刚石和PCD相比，主要优点在切削刃的品质。虽然CVD也是聚晶，但它不含钴粘结剂，是纯金刚石，所以切削刃是连续的。这样就能采用有较高的切削速度并获得较好的表面粗糙度，因为刀具不易变热。他还坚信，积屑瘤对CVD金刚石不构成问题。
按Norton公司的资料，CVD金刚石的导热性比PCD高50%。其原因是CVD刀片为整体金刚石，可以立即把热量导出。而PCD刀片的热传导要穿过钴-金刚石复合体，导热性就差一些。
CVD金刚石还具有较低的摩擦系数。硬质合金和PCD都会粘结工件材料，CVD金刚石则不粘。与此同时，低摩擦系数还使CVD金刚石刀具能承受较大的切削负荷，从而使切削更快速、更有效。
CVD金刚石在使用中呈现热稳定性和化学稳定性。而PCD和硬质合金在这方面就受到含有金属成分粘结剂的影响。把CVD金刚石放进盐酸里，什么都不会发生。但若把PCD金刚石放进去，酸会吃掉钴结合剂。这就意味着CVD金刚石能经受住某些材料在加工中生成酸的侵袭，例如酚醛树脂、尿脘橡胶、降碳酸酯等。
虽然所有形态的金刚石（包括PCD）在高温时都要和黑色金属或超级合金中的一些成分发生化学反应，但是众所周知，对多数材料而言金刚石仍具有化学惰性。PCD和硬质合金因为含有钴结合剂，切削温度高时会发生化学稳定性降低现象。CVD金刚石不含结合剂，就避开了这种现象。此外，CVD金刚石还有良好的润滑性和导热性，使它具备了在高速和干式切削中使用的关键优势。
CVD金刚石最后一项优点是：即使在切削温度很高时，仍保持高硬度和耐磨性。Norton公司的应用技术经理Nagy指出：“因为没有松软的钴包着金刚石，所以刀片硬度均匀一致。”
二、CVD刀具在机械加工中的应用
CVD包括工具（主要是机械加工）、热学应用等方面。目前，CVD的产品主要有如下几类：
CVD普通刀具，高精度刀具；
CVD砂轮修整笔；
CVD拉丝模及成品模具；
CVD新型高压、水射流耐磨喷嘴；
CVD强化木地板加工工具；
CVD精密轴承支撑器及耐磨器件等。
CVD不含任何金属或非金属添加剂，机械性能兼具单晶金刚石和PCD的优点，又在一定程度上克服了它们的不足。大量实践表明，焊接型CVD工具的使用寿命超过PCD工具，其抗冲击性优于单晶金刚石膜。因此，CVD被认为是非铁类材料加工工业中理想的工具材料，如铝、硅铝合金、铜、铜合金、石墨以及各种增强玻璃纤维和碳纤维结构材料的加工等。
1.CVD刀具用于金属切削加工
近两年来，各种型号的金刚石膜车刀、键刀已在国内几十家企业使用，并正向国外推广，其应用情况如下：
代替硬质合金刀具，工效提高十几倍到百倍，降低了劳动强度，工件加工精度明显提高，表面粗糙度显著降低。
超硬材料和有机复合材料的理想加工刀具；
和PCD刀具相比，CVD刀具表面粗造度低，刃口好；
在一些领域可代替天然金刚石刀具。
就国内汽车行业中使用的硅铝合金材料来看，含硅量在12%左右，一方面由于其材质不均匀，有硬点，目前PCD刀具占有绝大部分市场，CVD的份额微乎其微，如轮毅刀具、槽加工刀具等。另一方面，由于现在的CVD不导电，而PCD导电的性能，使二者在刀具的制作工艺上存在差别，PCD可用电加工方式加工，而CVDD却不行，若能很好地解决CVD刀具制作工艺问题，则可与PCD刀具在汽车行业中一争高下。
实践表明，CVD刀具采用正确的几何角度，经过精研完全能作为有色金属及超硬材料的精密切削刀具，如车削紫铜的电机刀（也称整流子刀）等。曾经做过试验，条件如下：
刀具：CVD车刀，刀尖修光刃L=1mm，前角8°，后角8°，主偏角60°，刃口粗糙度Ra0.1µm;
机床：CJ6125;
环境：精密加工实验室；
工件材料：含硅8%的硅铝合金，紫铜；
切削参数：n=1400r/min,f=4mm/min,ap=0.015mm/r
在上述试验条件下，车削加工后工件的粗糙度Ra0.012µm，这是PCD产品所无法达到的。由此可见，CVD刀具可以达到以车代磨的效果，加工到镜面粗糙度，而其成本远低于天然金刚石（单晶金刚石）刀具。
2.CVD用于非金属加工
CVD以其高耐磨性，在木工刀具方面也广受欢迎。如时下正热的木地板行业，由于Al2O3强化木地板的性能优于三聚氢胺木地板，其耐磨层更坚硬，硬质合金刀具加工Al2O3强化木地板已无能为力，必须使用金刚石刀具。两年来的市场调查结果显示，CVD是优质的木工刀具材料。
对于石材等硬脆材料、玻璃纤维、碳复合材料及有机复合材料的加工，CVD是理想的刀具材料。
3.高精度刀具
普通刀具材料（如高速钢）和硬质合金材料因受其本身性能（如耐磨性、硬度等）影响，很难达到很高精度，如制版行业用的制版精修刀、首饰行业用的首饰刀（俗称劈花刀）等。这类刀具要求其本身的精度很高和表面粗糙度很低（粗糙度Ra0.05µm），利用高精度研磨机（主轴跳动为0.1µm），制成了表面粗糙度Ra0.05µm的CVD精密刀具，其尺寸精度为5µm，现已用于制版加工和防伪商标加工，效果良好，工件表面粗糙度可达Ra0.012µm。
目前，CVD刀具已广泛应用于超精加工、精加工、半精加工和连续切削，耐磨性比PCD刀具高2～10倍，其性能价格比优于其它金刚石刀具。 据1998年外刊报导，切削用CVD刀片的市场约为1.5亿美元。
三、光明的前景
GE公司超级磨料部和NortonDiamondFilm公司都认为：目前很多生产现场没有充分发挥金刚石的优势。原因是现在很多机床的速度和扭矩，都不足以保证刀具高效率运转。
除了机械方面的问题以外，还有一个困难问题是要说服生产工厂的人们，不要光盯着金刚石（PCD或CVD金刚石）的初置价格，而要看到它带来的成本节约和性能改善的好处。你可以让金刚石比常规刀具在更高的转速下运行（视机床性能而定），从而提高产出量。同时，换刀次数也较少。假定金刚石比硬质合金寿命高50倍～100倍，你就不必经常停机了。
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