超硬刀具材料的研究进展

　　随着金刚石和立方氮化硼刀具市场的持续增长，原材料供应商的技术也在不断地发展。过去40年的发展表明：对刀具制造商来说，天然金刚石不再是日益发展的超硬材料系列中唯一可以选用的材料。
　　1 、引言
　　天然金刚石作为切削刀具已有几百年的历史了。在本世纪五十年代人工合成金刚石磨粒的出现之后，七十年代制造出了第二类金刚石基的切削刀具，即采用高压合成技术制备的聚晶金刚石(PCD)。直到八十年代末，这两类金刚石还是仅有的应用于制造有特定刃口的切削刀具的商用金刚石材料。天然和人工合成的金刚石材料的刀具加工之间相互交叉很少，不能相互补充利用。PCD 适用于所有通常的机械加工，但对一些有特殊要求的抛光工艺，如制备Al2O3 镜面时，往往不能满足需要，在这种场合下只有使用单晶天然金刚石刀具才能达到所需要的表面光洁度的尺寸公差。
如今，随着新型超硬刀具产品的出现，可以选择的余地也更大了。这些新产品包括：合成金刚石大颗粒单晶、由化学气相沉积制备的聚晶金刚石薄膜和无衬底的金刚石厚膜。这些产品在整个金刚石刀具材料尚处于发展的初期阶段，但从中可以明显看出今后的发展趋势。
本文主要阐述了金刚石刀具的各种选择及应用领域。
关键词：PCD - 高温高压合成的聚晶金刚石。
　　CVD - 化学气相沉积
　　CVD金刚石和PCVD金刚石 - 化学气相沉积（低压）聚晶金刚石（以涂层形式的薄膜和自由的可钎焊的无衬底厚膜）
　　CBN - 立方氮化硼
　　PCBN - 聚晶立方氮化硼
　　CVD CBN - 化学气相沉积立方氮化硼
　　WC - 硬质合金
　　2 、工件材料和超硬刀具
　　众所周知，由于碳对铁有亲和作用，特别在高温下，金刚石能同铁发生化学反应，因此金刚石通常不适合用来机加工铁及其合金工件。这大大限制了金刚石的应用，因为通常80 %的金属工件含有铁（这就是聚晶立方氮化硼-PCBN出现的原因）。然而随着对更坚固、更轻质和更耐磨材料需求的增加，在现代工业尤其是汽车工业中有色金属材料和复合材料被大量使用，而且它们正变得越来越重要。对于极耐磨的高性能材料，如纤维增强的塑料、高Si铝合金、金属基复合材料（MMCs），甚至耐磨的木材复合材料，从经济角度考虑，通常只能选用金刚石工具进行加工。 
　　3 、刀具材料的性能 
　　根据材料的耐磨性和断裂韧性，给出了各种刀具材料进行排序的结果。理想的刀具材料应是位于该图右上角的材料，既具有极好耐磨性有利于延长刀具使用寿命，又具有高断裂韧性使得它能承受高切削力。然而在耐磨性和断裂韧性间只能选择其一，通常有较好断裂韧性的刀具材料如高速钢往往没有很好的耐磨性，而具有良好耐磨性的材料如陶瓷材料往往断裂韧性不是很好。硬质合金材料既有良好的耐磨性又有好的断裂韧性，因此它的这些性能可以解释硬质合金材料在作为刀具材料时的广泛适用性和重要性。
金刚石，尤其是以纯单晶形式存在的金刚石，是迄今为止所发现的最耐磨的材料。但是由于它具有解理面，在受冲击时往往会表现出脆性，容易被破坏。单晶金刚石的断裂韧性比聚晶金刚石的平均值要低，这里所指的聚晶金刚石包括PCD金刚石（含金属钴）和CVD金刚石（不含金属）。
　　单晶金刚石比聚晶金刚石具有更好的耐磨性。PCD的耐磨性在超过700℃的温度下会减弱。这是因为PCD 结构中存在金属钴，它会促进"逆向反应"，即由金刚石向石墨的转变。然而这种热稳定性的降低是极为罕见的，因为无论是在刀具制造还是使用过程中刀具温度都很难达到700℃的高温。另外PCD具有接近某一牌号WC 的断裂韧性，因此它甚至适用于存在高冲击的操作过程，如铣削和间断式的切削操作。
另一种超硬聚晶材料是聚晶立方氮化硼（PCBN）。PCBN是在本世纪70 年代末期紧随着PCD 后发展起来的一种用于加工硬质铁合金的材料。PCBN具有良好的抗化学腐蚀性，且在高达1200 ℃的温度下表现出很好的热稳定性。因此在刀具尖端的相对高温不会对它产生任何不利的影响，相反它还能在切削硬质铁合金时起到加速切削的作用。特别是同磨削相比，使用PCBN无论在技术上还是在经济上都是更为有利。在大多数情形下，PCBN 表现出比传统的刀具材料如WC和陶瓷更优良的性能。图1 表明PCBN是耐磨性仅次于金刚石的材料，其断裂韧性同陶瓷接近，但其耐磨性比PCD 要差。
　　切削刀具材料性能
　　刀具材料的另一个重要性能是它的热导率，因为它对评价刀具的综合加工效率和刀具的稳定性起着非常重要的作用。金刚石能迅速将热量从刀具尖端传递到刀体内部从而有利于维持紧密公差，减少金刚石出现热损伤的可能性。
　　同其他刀具材料如WC和PCBN，甚至铜相比所有金刚石刀具材料均毫无例外为热的良导体。金刚石实际热导率随着它的纯度、结构和取向变化而变化（因而存在最大值和最小值）。高纯度金刚石--Ⅱ型天然金刚石，极少用于工业领域，往往局限于在高技术应用领域使用。对大多数工业用途来说，更多使用1a 型天然金刚石和人工合成的1b 型金刚石。由于人工合成的PCD 具有复杂的结构，如结构中存在溶剂或催化剂金属，使得聚晶金刚石刀具材料的热导率比单晶金刚石低，但它仍显现出优异的热学性能。
　　PCBN 的热导率比金刚石要低。设计用来对铁基工件进行粗加工的CBN含量较高的刀具的热导率大约是设计用于抛光处理的CBN含量较低的刀具的两倍。这是由于后者陶瓷粘结剂（热绝缘相）含量较高的缘故。
　　4 、天然和合成的单晶金刚石
　　天然和人工合成的单晶金刚石大概是按照应用领域进行产品分类最简便的方法，它们都能用作切削刀具、修磨机和拉丝模具。它们都被设计用于对表面光洁度、几何形状和尺寸有较高要求的精密加工应用领域。单晶金刚石刀具切削的工件表面呈连续状，而聚晶金刚石刀具切削的工件表面呈现出微米量级的不连续状态，工件表面的状况或多或少与金刚石刀具材料的晶粒尺寸有关。尽管对工件和加工刀具的精密特性需进行认真考虑，但有一个总的原则，即要求金属表面光洁度优于0. 025μm 的情形需用单晶金刚石刀具和具有高刚性和高质量支架的机加工工具。
　　天然金刚石早已被证明可成功应用于这些领域。然而当前高温高压技术的发展使得制备出具有一定尺寸的人工合成单晶金刚石成为可能，目前最大尺寸可达8mm（0.35 英寸）。采用高压技术制备金刚石的典型例子是De Beers MONODITE 系列。人工合成单晶金刚石刀具的粗坯是沿着平行于1b 型合成金刚石的{100}面或沿一个厚2mm，边缘长度达8mm的薄片所提供的平面锯开所制得。这种工程材料的优点在于其尺寸、形状和性能都具有良好的一致性，这在天然产品中是不可能实现的。另外各种尺寸尤其是大尺寸天然金刚石的缺乏、不同金刚石品质的区别以及对金刚石的选择、取向和刀具尖端的预处理等专业技巧的要求都对天然金刚石的价格因素产生重要影响，从而大大限制了它在更广泛领域的应用。当前人工合成单晶金刚石刀具材料的应用得到了迅速的发展。
　　5 、聚晶金刚石(PCD)
　　随着PCD 的发展，如De Beers SYNDITE系列产品，金刚石刀具的应用已迅速扩展到许多制造工业领域，尤其是汽车和木材加工工业，成为传统的WC刀具的高性能替代产品。作为一种一致认可的、价格低廉且可用刃口长度达70mm的产品，PCD的应用发展非常迅速。
PCD的性能主要依赖于它的应用场合和所涉及的加工过程，但选择适当的牌号或晶粒尺寸也会对其性能产生影响。标准牌号包括002，010 和025 几种，它们初始晶粒平均尺寸分别为2，10和25μm。总的来说，牌号越大，其耐磨性越好，在相接近的刃口加工量下，牌号越小则刃口质量越好。
　　6 、层状木材地板的加工
　　近年来人工合成单晶金刚石的一个新应用领域是木材加工业，这主要依赖于它的高度耐磨性而不是它传统的表面抛光能力。PCD刀具在木材加工业中早已应用于MDF和粗纸板的机械加工，当前对表面有氧化铝涂层的高度耐磨层状木地板的需求越来越大，但是在研磨这种木板边缘时对包括PCD在内的刀具提出了特殊的要求，因为木板耐磨层会引起刃口的钝化，导致氧化铝耐磨层的碎裂。因此刀具必须经常修整，直至重新研磨或更换，这势必导致很长的停工时间。据报道在该领域应用时，人工合成单晶金刚石的性能优于PCD。
　　7 、化学气相沉积金刚石
　　PCD、PCBN和人工合成单晶金刚石均是在高温和高压下合成的，而CVD金刚石是在低压下制备的。碳基气体和氢气的混合物在高温和低于大气压的压力下分解形成金刚石沉积在基体上。沉积出的是交互生长极好的聚晶金刚石，它呈柱状结构且非常致密。随着生长条件的不同，CVD金刚石也呈现出不同的晶粒尺寸和结构。CVD金刚石不需金属催化剂，因此它的热稳定性接近天然金刚石。
可以根据需要对晶粒尺寸和沉积技术进行选择。例如在非刀具的应用场合，如热控制和光学视窗，对CVD金刚石的性能要求明显不同于切削刀具。根据不同的应用需要选择不同的CVD沉积工艺可以合成出晶粒尺寸和表面形貌差别很大的聚晶金刚石。由于对刀具的性能要求是多种多样的，所以可能要多种不同晶粒尺寸的CVD 才能满足各种应用的需要。
实际上CVD金刚石刀具有两种形式。第一种是在适当基体上沉积厚度小于30μm的薄层（薄膜），例如ISO刀片和麻花钻头的刃口是两种典型的薄涂层。第二种是沉积厚度达1mm的无衬底的金刚石层（厚膜），如果需要它可以钎焊在基体上。
　　8、CVD薄膜
　　如果要达到对CVD薄膜的沉积和结合强度满意的程度，则基体材料的性质和制备就显得非常重要。直到目前，该项技术仍限制着CVD涂层的制备，因此目前在CVD制备薄膜领域的大部分工作都致力于对它的研究。深受欢迎的基体材料是烧结WC，因为不仅它的机械性能同金刚石较匹配，而且由于刀具制造者对WC基的刀具材料已非常熟悉从而乐于接受它。
对加有涂层的刀具材料的第二个限制是基体上的涂层必然在刃口上形成倒圆，这将限制涂层的厚度，因而有必要对加有涂层的刃口进行处理，如进行研磨等。
到目前为止，薄膜金刚石产品的市场还不是很大。
　　9 、CVD厚膜
　　恰恰相反，CVD厚膜可以通过特殊的但简便易行的技术钎焊到所要求的基体上。然而这种钎焊点的强度决不等同于PCD强度，在用于间断切削这种高要求的机械加工过程时，这种连接就显得很脆弱。否则的话，CVD金刚石厚膜将能在整个机械加工应用领域同PCD竞争。它同PCD相比主要的优点是它的热稳定性更好，缺点是具有相对高的脆性和不导电性。缺乏导电性阻碍了它用于放电腐蚀（EDM）切削和加工技术，该项技术在金刚石刀具加工业，尤其是在木材加工用刀具的生产和修整上得到了广泛应用。但是能用EDM切削的厚CVD刀具材料已经制造出来了，眼下正在对它进行评估。它潜在的应用领域还有对高耐磨工件的机械加工，在这种场合主要利用了CVD厚膜中金刚石的高纯度以及由此带来的耐磨性和热稳定性的提高。
　　自1992 年后，De Beers公司以DIAFILM 用于电子和光学领域的无衬底CVD 金刚石厚膜的商业品牌销售。
显然相对PCD而言，CVD金刚石厚膜的成本决定它最终将会进入超硬工具工业领域。目前它的成本较高，但随着技术的发展会降低。
　　10 、CVD CBN
　　当谈到涂层时显然应提及CVD CBN，理论上讲以不磨刃刀片对铁基材料进行机械加工极具吸引力。然而与金刚石不同的是，金刚石由单一元素组成，而它是化合物，包括化学计量在内的众多问题都使得它的生长工艺更为复杂。尽管经过多年研究，实际上所有的CVD CBN涂层都是多相微晶材料。同高质量的CVD金刚石相比，CVD CBN更象"类金刚石碳"（DLC）。发展涂有DLC 涂层刀具的应用是很有可能的，尽管到目前为止这种应用前景还未明显显现。
　　11 、结论
　　显然各种不同金刚石切削刀具形式之间能很好地相互补充。然而也存在一些相互交叉的应用领域，在这些领域就需对刀具产品进行选择。最有可能出现交叉的有两大类产品：
　　-天然和人工合成的单晶金刚石
　　-PCD和CVD金刚石厚膜
　　人工合成的单晶金刚石已经发展到一个较为先进的水平，有国际标准对产品质量进行鉴定。在天然金刚石中较少见大尺寸金刚石，而人工合成大尺寸金刚石的成功为开辟新的应用领域，如在木材加工业，提供了可能。
可加工级的CVD 金刚石厚膜具有高的机械强度和良好的热学性能，它的蓬勃发展表明CVD 金刚石将在刀具工业中发挥积极作用。合成金刚石替代天然金刚石和CVD 金刚石替代PCD 的程度都将取决于技术和经济两方面的考虑。价格和性能的关系，刀具制造商和最终用户对CVD 金刚石的友好程度，尤其是成型、研磨和钎接的容易程度等都将影响最终结果。然而有一点是显而易见的，即朝着具有更高生产率和更高切削速度的方向发展。随着更耐磨和更难加工工件材料的增多，各类金刚石刀具的应用将持续大量地增加。毫无疑问，为达到未来工业经济目标金刚石刀具是一个关键因素。

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